نظام الغاز الحيوي

مع سعي الدول والثقافات والاقتصادات للابتعاد عن الوقود الأحفوري لصالح مصادر الطاقة الأقل ضررًا على الغلاف الجوي، يتوفر لديها مجموعة من الخيارات للاختيار من بينها. تنتشر الألواح الشمسية وتوربينات الرياح وسدود الطاقة الكهرومائية ووحدات الطاقة الحرارية الأرضية في مختلف المناظر الطبيعية، مما يعكس تحولًا في التفكير حول كيفية إنتاج الطاقة. وهناك ظاهرة طبيعية أخرى تحتل مركز الصدارة بين فاعلي الطاقة المتجددة — ألا وهي الغاز الحيوي. ينشأ الغاز الحيوي من التحلل اللاهوائي للمواد العضوية، وقد أثبت أنه بديل موثوق به للوقود الأحفوري. واعترافًا بهذا التطور، يواصل العلماء العمل على منهجية إنتاجه.

من أين ينشأ الغاز الحيوي؟

يمكن أن يأتي الغاز الحيوي من مياه الصرف الصحي والمجاري؛ سماد الأبقار والخنازير؛ مخلفات الطعام والقمامة؛ أغصان الأشجار الميتة والكائنات الحية في الغابات الميتة؛ ومجموعة من المواد العضوية الأخرى. من الضروري أن تتحلل هذه المواد بعيدًا عن أي مصدر للأكسجين. وهكذا، يتكون الغاز الحيوي باستمرار في الظروف الطبيعية: تحت كومة من الأوراق المتساقطة أو داخل كومة من قصاصات العشب، على سبيل المثال، أو في مستنقع أو في زاوية حظيرة. سواء تم إنتاجه تلقائيًا أو عن طريق التصميم، يتكون الغاز الحيوي بشكل أساسي، وإن لم يكن حصريًا، من الميثان (CH₄) وثاني أكسيد الكربون (CO₂). الميثان هو المفتاح لقدرته على إنتاج الطاقة. بالإضافة إلى ذلك، يحتوي الغاز الحيوي على نسب صغيرة من الماء، والنيتروجين، وكبريتيد الهيدروجين، ومركبات عضوية متطايرة أخرى. في الواقع، يتمتع الغاز الحيوي الخام بتركيب كيميائي مشابه جدًا للغاز الطبيعي المستخرج من الرواسب المعدنية — ولكن بدون انبعاثات الغازات الدفيئة. على الرغم من أن هذه المكونات الأقل قد تكون ضئيلة ضمن المحتوى الكلي، إلا أنها يمكن أن تلحق الضرر بالصحة العامة، والخزانات، وخطوط الأنابيب، والكفاءة العامة للغاز الحيوي. لا تستطيع الطبيعة إزالتها، ولكن يمكن للبشر ذلك.

من السماد إلى الطاقة المتجددة

باستخدام سماد الخنازير كمادة عضوية نموذجية — تسمى أحيانًا ركيزة أو مادة خام — تكون المهمة الأولى هي تزويد الهاضم اللاهوائي، أو مفاعل الغاز الحيوي، بكمية مناسبة من السماد لإنتاج الكمية المطلوبة من الغاز الحيوي. سماد الخنازير مثالي لأنه يُخزن كسائل، مما يمنع الأكسجين من التغلغل فيه. تساعد إضافة الماء أيضًا على تخفيف محتوى الأمونيا؛ فالأمونيا يمكن أن تثبط إنتاج الميثان. كما يمكن لتسخين السماد مسبقًا (إلى 95 درجة فهرنهايت أو أكثر) أن يسرع عملية الهضم. تدخل المادة الخام إلى الهاضم عبر مدخل. داخل خزان الهضم نفسه، يبدأ الخلاط في الدوران لتوزيع الكائنات الدقيقة بشكل أكثر توازنًا في جميع أنحاء الركيزة. يخلص الباحثون التوسعيون في جامعة ولاية بنسلفانيا إلى أن ركيزة سماد الخنازير تتطلب سبعة إلى عشرة أيام من الاحتجاز في الهاضم للسماح بأقصى إنتاج للغاز الحيوي. بمجرد انتهاء عملية الهضم، يتم جمع الغاز الحيوي لمزيد من المعالجة. يمكن استخدام الركيزة — التي تسمى الآن هاضم أو سائل صرف — كسماد عالي القيمة الغذائية، أو فرشة للحيوانات، أو مكونات لمنتجات مصنعة.

تنقية الغاز

تتعدد طرق إزالة المركبات الكيميائية السامة والمسببة للتآكل من الغاز الحيوي. في نظام الغاز الحيوي بالمزرعة، يُمرر تيار الغاز عبر شظايا الحديد أو الصوف الفولاذي. وقد تُستخدم أغشية أكثر تطورًا في منشآت أخرى، مثل محطات معالجة المياه. بدلاً من ذلك، يمكن أن يتدفق تيار الغاز عبر محلول أمين يمتص المركبات الغريبة أو يتم امتصاصه بواسطة مادة صلبة معالجة كيميائيًا مثل الكربون المنشط. يعتمد نوع التنقية ومدى اتساعها على الغرض من الغاز الحيوي. يتطلب البيوميثان، المستخدم كوقود للمركبات، أقصى درجات التنقية.