أول شيء يجب أن تعرفه هو أن الكتلة الحيوية ليست سوى مادة عضوية من أصل نباتي أو حيواني ، بما في ذلك النفايات والمخلفات العضوية، والتي يمكن استخدامها لإنتاج الطاقة.
والسبب هو أن النباتات تحول الطاقة الإشعاعية للشمس إلى طاقة كيميائية من خلال عملية التمثيل الضوئي ، ويتم تخزين جزء من هذه الطاقة في شكل مادة عضوية، والتي يمكننا استخدامها.
حاليًا ، يتم قبول التعريف التالي للكتلة الحيوية:
"تعتبر الكتلة الحيوية مجموعة من منتجات الطاقة المتجددة والمواد الخام التي تنشأ من مادة عضوية مشكلة بوسائل بيولوجية".
ولهذا السبب ، فإن مفهوم الوقود الأحفوري والمواد العضوية المشتقة منه مثل البلاستيك ومعظم المنتجات الاصطناعية لا مكان له في تعريف الكتلة الحيوية.
على الرغم من أن هذا الوقود والمواد العضوية المشتقة كان لها أصل بيولوجي ، إلا أن تكوينها حدث في الماضي.
وبالتالي فإن الكتلة الحيوية هي طاقة متجددة من أصل شمسي من خلال عملية التمثيل الضوئي للنباتات.
علاوة على ذلك، ووفقًا للتوجيه 2003/30/EC، فإن الكتلة الحيوية هي:
"الجزء القابل للتحلل البيولوجي من نفايات المنتجات والمخلفات من الزراعة والغابات والصناعات ذات الصلة ، وكذلك الجزء القابل للتحلل البيولوجي من النفايات الصناعية والبلدية."
ما ندركه هو أن أي تعريف للكتلة الحيوية، بشكل عام، يشمل مصطلحين رئيسيين: متجدد وعضوي.
الكتلة الحيوية كمصدر للطاقة
منذ العصور القديمة ، استخدم الإنسان الكتلة الحيوية كمصدر للطاقة لأداء مهامه اليومية.
منذ أن بدأ استخدام الوقود الأحفوري يكتسب زخماً، تم تهميش الكتلة الحيوية إلى مستوى أدنى ، حيث أصبحت مساهمتها في إنتاج الطاقة الأولية ضئيلة.
اليوم ، بفضل عوامل مختلفة ، عادت الكتلة الحيوية إلى الظهور كمصدر للطاقة.
العوامل التي كانت مسؤولة عن إحياء الكتلة الحيوية كمصدر للطاقة هي:
- ارتفاع أسعار النفط.
- زيادة الإنتاج الزراعي.
- الحاجة إلى البحث عن استخدامات بديلة للإنتاج الزراعي.
- تغير مناخي.
- إمكانية استخدام المعرفة العلمية والتقنية لتحسين عملية إنتاج الطاقة.
- إطار اقتصادي مواتٍ لتطوير المصانع التي تستخدم الكتلة الحيوية كوقود ، وذلك بفضل دعم الإنتاج الذي تتلقاه محطات توليد الطاقة مع هذا المصدر.
- الصعوبة التنظيمية في تطوير أنواع أخرى من المشاريع ، مما يجعل الكتلة الحيوية هي البديل الأكثر منطقية لجعل الاستثمار الاقتصادي مربحًا.
أنواع الكتلة الحيوية
يتم الحصول على الكتلة الحيوية المستخدمة لإنتاج الطاقة من بقايا استغلال الغابات ، من صناعات التحول الأول والثاني للخشب ، من الجزء العضوي للنفايات الصلبة الحضرية ، من النفايات الناتجة عن عمليات الثروة الحيوانية ، من المنتجات الزراعية والغابات ومحاصيل الطاقة ، تلك المخصصة حصريًا لاستغلالها للحصول على الكتلة الحيوية.
بشكل عام، يتم الحصول على الكتلة الحيوية من أي منتج عضوي يمكن استخدامه للطاقة ، على الرغم من أن هذه هي المنتجات الرئيسية.
الكتلة الحيوية الطبيعية
الكتلة الحيوية الطبيعية هي تلك التي تُنتج في النظم البيئية الطبيعية . إن الاستغلال المكثف لهذا المورد يتعارض مع حماية البيئة، على الرغم من كونه أحد مصادر الطاقة الرئيسية في البلدان النامية.
يتم إنشاء هذه الكتلة الحيوية الطبيعية دون أي تدخل بشري لتعديلها أو تحسينها.
يتكون بشكل أساسي من مخلفات الغابات:
- مشتقات تنظيف الغابات وبقايا المزارع
- الحطب والفروع
- الصنوبريات
- المورقة
الكتلة الحيوية المتبقية
الكتلة الحيوية المتبقية هي تلك الناتجة عن الأنشطة البشرية التي تستخدم المواد العضوية. وغالبًا ما يمثل التخلص منها مشكلة. يتميز هذا النوع من الكتلة الحيوية بمزايا معينة عند استخدامه:
- يقلل من مخاطر التلوث والحرائق.
- تقليل مساحة المكب.
- يمكن أن تكون تكاليف الإنتاج منخفضة.
- يمكن أن تكون تكاليف النقل منخفضة.
- تجنب انبعاثات ثاني أكسيد الكربون.
- استحدث الوظائف.
- يساهم في التنمية الريفية.
يتم تقسيم الكتلة الحيوية المتبقية بدورها إلى سلسلة من الفئات المذكورة أدناه.
الفائض الزراعي
تعتبر الفوائض الزراعية غير المستخدمة للاستهلاك البشري مناسبة للاستخدام ككتلة حيوية لأغراض الطاقة.
وقد أدى هذا الاستخدام للمنتجات الزراعية المستخدمة في سلسلة الغذاء البشري إلى سمعة سيئة غير مبررة لاستخدام الكتلة الحيوية لأغراض الطاقة، حيث اتُهم هذا الاستخدام بزيادة تكلفة بعض المنتجات الزراعية التي تشكل أساس الغذاء في العديد من دول العالم الثالث والدول النامية.
يمكن استخدام هذه الفوائض الزراعية كوقود في محطات توليد الطاقة، كما يمكن تحويلها إلى وقود حيوي. لمزيد من المعلومات حول هذا الموضوع، يمكنكم الاطلاع على مقال الوقود الحيوي.
محاصيل الطاقة
محاصيل الطاقة المذكورة أعلاه هي محاصيل محددة مخصصة حصريًا لإنتاج الطاقة.
بخلاف المحاصيل الزراعية التقليدية، فإن خصائصها الرئيسية هي إنتاجيتها العالية من الكتلة الحيوية وقدرتها العالية على التحمل، والتي تتجلى في خصائص مثل مقاومة الجفاف والأمراض والحيوية والنمو المبكر والقدرة على إعادة النمو والتكيف مع الأراضي الهامشية.
يمكن أن تشمل محاصيل الطاقة المحاصيل التقليدية (الحبوب وقصب السكر والبذور الزيتية) والمحاصيل غير التقليدية (السينارا والباتاكا والذرة الرفيعة) التي تخضع للعديد من الدراسات لتحديد احتياجاتها الزراعية.
عمليات تحويل الكتلة الحيوية
كما رأينا سابقاً، فإن التنوع الكبير في المواد التي يشملها مفهوم الكتلة الحيوية يسمح بمجموعة متنوعة من العمليات الممكنة لتحويل هذه الكتلة الحيوية إلى طاقة.
لهذا السبب ، يمكن تحويل الكتلة الحيوية إلى أشكال مختلفة من الطاقة من خلال تطبيق عمليات التحويل المختلفة ، وهذه الأنواع من الطاقة هي:
الحرارة والبخار
من الممكن توليد الحرارة والبخار عن طريق حرق الكتلة الحيوية أو الغاز الحيوي.
يمكن أن تكون الحرارة هي المنتج الرئيسي لتطبيقات التدفئة والطهي ، أو يمكن أن تكون نتيجة ثانوية لتوليد الكهرباء في المحطات التي تولد الكهرباء والبخار.
وقود غازي
يمكن استخدام الغاز الحيوي المُنتَج من خلال عمليات الهضم اللاهوائي أو التغويز في محركات الاحتراق الداخلي لتوليد الكهرباء، وللتدفئة والتبريد في القطاعات السكنية والتجارية والمؤسسية، وفي المركبات المُعدّلة. يشهد استخدام الغاز الحيوي ازدهارًا كبيرًا، وهو أمرٌ أساسي لفهم تطور الطاقة البديلة.
الوقود الحيوي
إن إنتاج الوقود الحيوي مثل الإيثانول ووقود الديزل الحيوي (يمكنك إلقاء نظرة على المقالة كيفية صنع وقود الديزل الحيوي محلي الصنع) لديه القدرة على استبدال كميات كبيرة من الوقود الأحفوري في العديد من تطبيقات النقل.
لقد أثبت الاستخدام المكثف للإيثانول في البرازيل، لأكثر من 20 عامًا، أن الوقود الحيوي ممكن تقنيًا على نطاق واسع.
في الولايات المتحدة وأوروبا يتزايد إنتاجها ويتم تسويقها مختلطة بالمشتقات البترولية.
على سبيل المثال ، الخليط المسمى E20 ، المكون من 20٪ إيثانول و 80٪ بترول ، قابل للتطبيق في معظم محركات الإشعال.
في الوقت الحالي، يتلقى هذا النوع من الوقود نوعاً من الدعم أو المساعدة الحكومية ، ولكن في المستقبل، مع زيادة محاصيل الطاقة وتحقيق وفورات الحجم، قد تؤدي تخفيضات التكاليف إلى جعل إنتاجه تنافسياً.
كهرباء
يمكن تسويق الكهرباء المولدة من الكتلة الحيوية على أنها "طاقة خضراء" لأنها لا تساهم في ظاهرة الاحتباس الحراري لأنها خالية من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون (CO2).
يُمكن لهذا النوع من الطاقة أن يُقدّم خيارات جديدة للسوق، إذ يسمح هيكل تكلفته للمستخدمين بدعم مستويات أعلى من الاستثمار في التقنيات الفعّالة، مما يُعزّز صناعة الطاقة الحيوية. علاوة على ذلك، من المهم مراعاة الأثر البيئي لمصادر الطاقة المتاحة.
التوليد المشترك (الحرارة والكهرباء)
يشير مصطلح التوليد المشترك للطاقة إلى الإنتاج المتزامن للبخار والكهرباء، والذي يمكن تطبيقه على العديد من العمليات الصناعية التي تتطلب كلا شكلي الطاقة.
في أمريكا الوسطى ، على سبيل المثال ، هذه العملية شائعة جدًا في صناعة السكر ، حيث يمكن الاستفادة من نفايات العملية ، خاصة تفل قصب السكر.
نظرًا للاعتمادية العالية لتفل قصب السكر المتاح ، فإن التوليد المشترك تقليديًا يتم بكفاءة تامة. ومع ذلك ، كان هناك اتجاه في السنوات الأخيرة لتحسين عملية توليد المزيد من الكهرباء وبيع الفائض لشبكة الكهرباء.
يمكن تقسيم العمليات التي يمكن اتباعها لإجراء هذا التحول إلى عمليات فيزيائية، وفيزيائية كيميائية، وحرارية كيميائية، وبيولوجية.
الاحتراق في مصانع الكتلة الحيوية
ببساطة، الاحتراق هو تفاعل كيميائي سريع إلى حد ما، حيث يتحد الأكسجين من الهواء (وهو المؤكسد) مع العناصر المؤكسدة المختلفة للوقود، مما يؤدي إلى إطلاق الحرارة.
لهذا السبب ، لكي تحدث هذه العملية الكيميائية ، يجب أن تحدث هذه الظروف الأربعة:
- يجب أن يكون هناك كمية كافية من الوقود ، أي الكتلة الحيوية.
- يجب أن تصنع كمية كافية من هواء الاحتراق الذي يحتوي على الأكسجين الضروري لأكسدة الوقود أو التفاعل معه.
- يجب أن تكون درجة الحرارة عالية بما يكفي لحدوث التفاعل واستمراره. إذا كانت درجة الحرارة لا تتجاوز قيمة معينة ، تسمى نقطة الوميض ، فإن المؤكسد والوقود لا يتفاعلان.
- يجب أن يكون هناك بادئ احتراق ، وعادة ما يكون لهب موجود مسبقًا. هذا يعني أن العناصر الأخرى تشارك عادة في اشتعال نظام الاحتراق ، حتى أنواع الوقود الأخرى.
المعالجة المسبقة للكتلة الحيوية
قبل حرق الكتلة الحيوية في الغلاية، من الضروري إخضاعها لعملية تحضير مسبقة، مما يسهل عملية التفاعل بين الوقود والمؤكسد.
تسهل هذه العملية الاحتراق لأنها تضبط بشكل أساسي قياس الحبيبات ودرجة الرطوبة.
مجموعة العمليات أو العلاجات السابقة لها ثلاثة أهداف أساسية:
- تجانس إدخال الكتلة الحيوية في المرجل ، بحيث يتلقى المرجل تدفقًا ثابتًا للطاقة بقيمة مماثلة.
- تخفيض قياس الحبيبات لزيادة مساحة سطحه المحددة.
في الواقع ، كلما كان حجم الحبوب أصغر ، زادت مساحة السطح بحيث يمكن للوقود والمؤكسد التفاعل ، وبالتالي تسريع التفاعل وتقليل كمية الكتلة الحيوية التي لا تتفاعل (غير محترقة) - تقليل الرطوبة الذي يحتوي عليه ، وتجنب استخدام ذلك الجزء من الحرارة المنبعثة في الاحتراق كحرارة لتبخير الماء ، مما يقلل من درجة حرارة الأبخرة.
يجب أن يتم كل هذا بأقل استهلاك ممكن للطاقة ، لأن كل الطاقة المستهلكة في هذه العمليات، ما لم تكن طاقة مهدرة أو طاقة يمكن استخدامها بدون تكلفة، ستؤدي إلى انخفاض في صافي الطاقة التي يولدها المصنع.
مرجل الكتلة الحيوية
لا شك أن الغلاية هي القطعة الرئيسية من المعدات في محطة توليد الطاقة الكهروحرارية التي تعمل باحتراق الكتلة الحيوية.
في ذلك ، يتم تنفيذ عملية تحويل الطاقة الكيميائية الموجودة في الكتلة الحيوية إلى طاقة حرارية ، والتي سيتم تحويلها لاحقًا إلى طاقة ميكانيكية.
المرجل ، بالإضافة إلى كونه الجهاز الرئيسي ، هو أيضًا الشاغل الرئيسي للفنيين المسؤولين عن تشغيل المصنع.
لا شك أن المعدات هي التي يمكن أن تسبب معظم المشاكل المحتملة ، وتتسبب في معظم فترات التوقف عن العمل ، وتتطلب صيانة أكثر صرامة.
الأسباب التي تجعل المرجل يمثل مشكلة المعدات كما يلي:
- إنها تقنية ناشئة ، وليست متطورة بما فيه الكفاية. في مواجهة الخبرة الكبيرة المتراكمة في عمليات الاحتراق الأخرى التي تطلق كمية كبيرة من الطاقة الحرارية من أكسدة الوقود الصلب ، مثل محطات الفحم ، يواجه احتراق الكتلة الحيوية سلسلة من المشكلات الجديدة التي لم تتم معالجتها بعد. تم حلها بشكل مرضٍ تمامًا.
- يتسبب المحتوى العالي من البوتاسيوم والكلور في الكتلة الحيوية في حدوث تآكل وتآكل في أجزاء مختلفة من المرجل.
- الاحتراق ليس مستقرًا تمامًا ، مما يؤدي إلى اختلافات كبيرة في الضغط ودرجة الحرارة.
- هناك صعوبة كبيرة في أتمتة التحكم في الغلاية بالكامل ، بسبب تنوع الظروف التي يمكن فيها تقديم الكتلة الحيوية عند المدخل.
- ربحية المحطات ، حتى مع أقساط إنتاج الكهرباء التي يوفرها التشريع الإسباني ، ضيقة للغاية ، مما يؤدي إلى توفير جميع المكونات ، بما في ذلك الغلاية. لذلك ، لا يتم استخدام أفضل المواد أو أفضل التقنيات ، بسبب التكلفة المتزايدة التي تنطوي عليها.
إن الاختيار المناسب لنوع الغلاية هو وحده الذي يمكن أن يؤدي إلى النجاح في تحقيق مشروع توليد الكهرباء من الكتلة الحيوية ، وفي الوقت نفسه، فإن الاختيار غير المناسب سيجعل من الصعب للغاية أن يصبح الاستثمار في هذا النوع من المحطات، والذي يمثل ما بين 1 و 3 ملايين يورو لكل ميغاواط من الطاقة الكهربائية المركبة، مربحًا.
محطات الكتلة الحيوية الكهروحرارية
محطة توليد الطاقة الكهروحرارية التي تعمل بالكتلة الحيوية هي محطة لتوليد الكهرباء تستغل الطاقة الكيميائية الموجودة في كمية معينة من الكتلة الحيوية والتي يتم إطلاقها كطاقة حرارية من خلال عملية الاحتراق.
في المقام الأول ، يجب أن يكون لمحطة استعادة طاقة الكتلة الحيوية نظام معالجة مسبقة للكتلة الحيوية ، وتتمثل أغراضه الرئيسية في تقليل الرطوبة التي تحتوي عليها ، وتكييف حجم الكتلة الحيوية وتوحيدها ، من أجل توحيد الشروط. يدخل في الغلاية ويحقق أعلى كفاءة لنظام الاحتراق.
بمجرد إطلاق الطاقة الحرارية في فرن مناسب ، فإن الغازات المنبعثة أثناء الاحتراق ، المكونة من ثاني أكسيد الكربون و H2O في الغالب مع مواد صلبة وغازية أخرى ، تتبادل حرارتها في غلاية يدور الماء من خلالها ، والتي تتحول عادة إلى بخار عند ضغط ودرجة حرارة معينة.
تمر غازات الاحتراق من الكتلة الحيوية عبر الغلاية، ناقلة طاقتها إلى الماء/البخار في مراحل مختلفة: جدران الماء، والمسخن الفائق، وشعاع المبخر، والمقتصد، ومسخنات الهواء المسبقة.
ثم يتم نقل البخار المضغوط المتكون في الغلاية إلى التوربين، حيث يتمدد، مما ينتج عنه تحول جديد للطاقة يتم من خلاله تحويل الطاقة الكامنة الموجودة في البخار المضغوط أولاً إلى طاقة حركية، ثم إلى طاقة ميكانيكية دورانية.
الإطار التشريعي لمحطات الطاقة الحرارية للكتلة الحيوية في إسبانيا
يتم توليد الكهرباء في إسبانيا بواسطة مستثمرين من القطاع الخاص ، على الرغم من أنها نشاط يخضع لتنظيم الدولة بشكل كبير.
تنظم قوانين ومراسيم مختلفة هذا النشاط ، ومن الضروري لأي فني يعمل في محطات توليد الطاقة بالكتلة الحيوية أن يعرف هذا الإطار القانوني.
تخضع الأنشطة المختلفة المتعلقة بالطاقة الكهربائية لتدخل معين من الدولة ، نظرًا لأهمية هذه الأنشطة.
تقليديا ، تم استخدام طابع الخدمة العامة ، حيث تكون الدولة مسؤولة عن توليد ونقل وتوزيع وتسويق الطاقة الكهربائية.
اليوم لم تعد خدمة عامة ، حيث تم تحرير هذه الأنشطة بالكامل.
يتم الحفاظ على التدخل العام حاليًا نظرًا لأنها تخضع لأنشطة تنظيمية صارمة. سيكون من المثير للاهتمام دراسة في المقام الأول كيف هي المعايير المختلفة التي يمكن أن تؤثر على الأنشطة المتعلقة بتوليد ونقل وبيع الطاقة الكهربائية.
الكتلة الحيوية للاستخدام المنزلي
على الرغم من أنني ركزت بشكل أكبر على الحصول على الطاقة من أجل الكهرباء ، فقد تم ذكر استخدام الكتلة الحيوية لتوليد الحرارة لاستخدام التدفئة والأفضل من ذلك ، على المستوى المحلي مع الغلايات والمواقد المخصصة حصريًا لها.
إذا كنت تريد المزيد من المعلومات يمكنك قراءة مقال زميلي جيرمان كل ما تريد معرفته عن مواقد الحبيبات
