احتباس الطاقة^(**)

تقع الملامة على عملية التطور. حيث صمّمت الطبيعة السليولوز ليعطي النبات بنيته. فالمادة المكونة عبارة عن سقالات scaffolds صلبة مؤلفة من جزيئات متشابكة تدعم النمو الشاقولي [انظر المؤطّر في الصفحة 20]
وتقاوم ـــ بعناد ــ التحلُّل البيولوجي. ولتحرير الطاقة التي تحبسها,
على العلماء أولاً تفكيك الرابطة الجزيئية التي أحدثها التطور.

وبصورة
عامة, تتضمّن هذه السيرورة أولا تهديم الكتلة البيولوجية الصلبة لتصبح
مكونة من جزيئات أصغر، ومن ثم تحول هذه المنتجات إلى وقود. وعادة ما يصنّف
المهندسون طرائق هذا التهديم حسب درجات الحرارة. فطريقة درجة الحرارة
المنخفضة (200 - 50
درجة مئوية) تُنتج السكريات التي يمكن تخميرها إلى إيثانول وأنواع أخرى
من الوقود بالطريقة نفسها التي تُعالج بها الآن محاصيل الذرة وقصب
السكر. وتنتج عملية التهديم بدرجات حرارة أعلى (600- 300 مئوية) نفطا بيولوجيا, يمكن تحويله إلى گازولين أو ديزل. أمّا التهديم بدرجات حرارة عالية جدا (فوق 700 درجة مئوية)، فإنها تنتج غازا يمكن تحويله إلى وقود سائل.




وحتى
الآن، لا أحد يعلم أية طريقة ستحوّل أكبر كمية من الطاقة المختزنة إلى
وقود بيولوجي سائل بأقل تكلفة ممكنة. وربّما سنحتاج إلى طرائق مختلفة
لمواد الكتل البيولوجية السليولوزية المختلفة. ويحتمل أن تكون المعالجة
بدرجات الحرارة العالية هي الأفضل لمعالجة الخشب مثلا، وبدرجات حرارة أدنى
لمعالجة الأعشاب.

وقود حار^(****)

تشكل مقاربة «السينگاز» syngas
العالية الحرارة الوسيلة الأكثر تطورا من الناحية التقنية لتوليد الوقود
البيولوجي. إذ يمكن أن يُصَنَّع «السينگاز» ـــ وهو خليط من أحادي أكسيد
الكربون والهدروجين ـــ من أية مادة تحتوي على الكربون. فهو يتحوّل على
نحو نموذجي إلى وقود الديزل أو الگازولين أو الإيثانول عبر عملية تدعى
«تركيب فيشرـــ تروپش⁽⁷⁾(FTS)»، التي طوّرها العلماء الألمان في العشرينات من القرن الماضي. وخلال الحرب العالمية الثانية استخدم الرايخ الثالث⁽⁸⁾ التركيب
المذكور لتوليد وقود سائل من احتياطيات الفحم الحجري الألماني. ولا تزال
معظم شركات النفط الرئيسية تحوز على تقانة تحويل «السينگاز» حيث يمكنها
وضعها موضع الاستعمال فيما إذا أصبحت أسعار الگازولين مرتفعة جدا.

تدعى الخطوة الأولى لتوليد السينگاز «التغويز» gasification. تلقّم الكتلة البيولوجية إلى مفاعل.


وتسخّن إلى درجات حرارة فوق 700
درجة مئوية. عندئذ، تخلط مع البخار أو الأكسجين لإنتاج غاز مؤلف من أحادي
أكسيد الكربون وغاز الهدروجين وقطران الفحم الحجري. فالقطران يجب إزالته،
ويتعين ضغط الغاز ما بين 20و 70
ضغطا جويا. عندئــذ، يتدفـّق «السينگاز» المضغوط فوق حفـاز مصمم خصّيصا
ــ وهو بنية صــلبة تحتجـــز الجزيئات المتفاعلة القابلة للانفصال وتحث
بصورة انتقائية تفاعلات كيميائية محدّدة. ففي الأصل, جرى تطوير حوافز
تحويل السينگاز بكيمياء النفط لتحويل الغاز الطبيعي والسينگاز المشتق من
الفحم الحجري إلى وقود, بيد أنه يمكن استخدامهما أيضا في تحويل الكتلة
البيولوجية.

ومع
أنّ التقانة المذكورة صارت مفهومة إلى حد بعيد, فإنّ المفاعلات مرتفعة
الثمن. فقد بلغت تكلفة بناء مصنع لاستخدام عملية «تركيب فيشر ـــ تروپش»
في دولة قطر عام 2006 وذلك لتحويل الغاز الطبيعي إلى000 34 برميل يوميا من الوقود السائل، نحو 1.6 بليون دولار. فإذا وصلت تكلفة مصنع لكتلة بيولوجية إلى هذا الحجم، فثمة حاجة إلى أن يستهلك يوميا نحو 5000 طن من الكتلة البيولوجية في اليوم, وكل يوم , لفترة تتراوح بين 15 و 30
سنة وذلك لإنتاج وقود كاف لتعويض تكلفة هذا الاستثمار. ونظرًا لوجود
تحديات سوقية واقتصادية مهمة في حال توفر هذه الكمية من الكتلة البيولوجية
في موقع واحد, فإن الأبحاث المتعلقة بتقانة السينگاز تركز على طرق
لتخفيض تكلفة رأس المال.

نفط بيولوجي^(******)

إن فترات زمنية طويلة جدا من الضغط والحرارة في باطن الأرض حوّلت العوالق الحيوانية zooplankton والطحالب, التي عاشت خلال الزمن الكمبري, إلى حقول النفط الحالية.


ويمكن
لعمل بارع مشابه ــ ولكن في زمن أقصر بكثير ــ أن يحوّل كتلة بيولوجية
سليولوزية إلى خام بيولوجي. ووفقا لهذا السيناريو يسخّن معمل التكرير في
بيئة خالية من الأكسجين كتلة بيولوجية لأي درجة حرارة في المجال 300 – 600 درجة مئوية. فالحرارة تُحلل الكتلة البيولوجية إلى مادة صلبة شبيهة بفحم الخشب و«بيونفط» bio-oil، وتطلق كمية من الغاز في هذه السيرورة. إن البيونفط الناتج بهذه الطريقة هو الوقود البيولوجي السائل الأرخص حاليا, ربّما 0.50 دولار لگالون من طاقة الگازولين المكافئ (إضافة إلى تكلفة الكتلة البيولوجية الخام).

والسيرورة
يمكن أن تُنفـذ أيضا في مصانع صغيرة نسبيا تكون قريبة من مناطق حصاد
الكتلة البيولوجية؛ وبذا تُخفض نفقات نقلها. ولسوء الحظ، فإن هذا الخام
شديد الحموضة , فهو لا ينحل بالوقود المستمد من النفط petroleum-based
ويحتوي على نصف محتوى طاقة الگازولين. ومع أنه يمكن حرق الخام البيولوجي
مباشرة في محرّك ديزل, فإنه يجب إجراء المحاولة فقط إذا انتفت الحاجة، إلى
هذا المحرك.

ومع ذلك، يمكن أن تـُحوّل معامل تكرير النفط هذا «الخام البيولوجي» biocrude
إلى وقود قابل للاستعمال, وتدرس حاليا الكثير من الشركات الكيفية التي
تُمكنها من تهيئة تجهيزاتها إلى هذه المهمة. ويُنتج بعضها حاليا شكلا
مختلفا من وقود الديزل الأخضر, ويدلّ ذلك على أنّ معامل التكرير يمكنها
أيضا أن تعالج الخام البيولوجي السليولوزي. وحاليا، تزوّد الشركات زيوتا
نباتية وشحوما حيوانية مع النفط مباشرة إلى معامل تكريرها. وحديثا، أثبتت
شركة كونوكوفيليپس⁽⁹⁾ فعالية هذه المقاربة في معمل تكرير في بورگر⁽¹⁰⁾, تكساس، منتجة أكثر من 000 12 گالون من الديزل البيولوجي في اليوم من شحم البقر المشحون من مسلخ الحيوانات المجاور التابع لشركة «تايسون فودز»⁽¹¹⁾. [انظر المؤطّر في الصفحة 25].

ويسعى
الباحثون أيضا إلى استكشاف طرق لتنفيذ سيرورة المرحلتين باستعمال المكافئ
الهندسي الكيميائي للتسخين في قِدر طبخ واحد ـــ الذي يحول الكتلة
البيولوجية الصلبة إلى زيت وبعدئذ الزيت إلى وقود داخل مفاعل واحد. ويطوّر
حاليا أحدنا (<هيوبر> وزملاؤه) طريقة تدعى التحليل الحراري السريع
المحفـّز catalytic fast pyrolysis، وتأتي كلمة «السريع» fast في اسم الطريقة من التسخين الأوليّ ـــ ففي اللحظة التي تُدخل فيها الكتلة البيولوجية في المفاعل , تـسخّن بشدة إلى 500 درجة مئوية
في أقل من ثانية, وهذا ما يحلّل الجزيئات الكبيرة إلى جزيئات أصغر. وكوضع
البيض في علبة كرتونية, فإن هذه الجزيئات الصغيرة هي الآن بالحجم والشكل
المثاليين الملائمين لسطح المحفـّز.

وحين
تختفي داخل مسام المحفـّز، تتعرّض الجزيئات إلى سلسلة من التفاعلات التي
تحوّلها إلى گازولين ــــ وبصورة خاصة, إلى مركبات الگازولين ذات القيمة
الآروماتية (العطرية) العالية التي تُزيد الأوكتين octane [انظر المؤطّر في الصفحة 21]. (يتيح الوقود العالي الأوكتين للمحركات أن تعمل بضغط داخلي أعلى يزيد من كفاءتها). تأخذ السيرورة الكاملة من 10 - 2 ثانية فقط. وتحاول حاليا شركة جديدة تدعى أنلّوتك⁽¹²⁾ نقل هذه السيرورة من المختبر إلى المستوى التجاري. فهي تتوقّع أن يكون لديها مرفق⁽¹³⁾ تجاري عامل في نحو عام 2014.

حلّ سكريّ^(*******)

إن
المسلك الذي جذب معظم الاستثمارات العامة والخاصة يعتمد على آلية معهودة
أكثر ــ إطلاق السكر من النباتات، ومن ثم تخمير هذاالسكر إلى إيثانول أو
إلى وقود بيولوجي آخر. درس العلماء بكل دقة عشرات الطرائق الممكنة لتفكيك
السليولوز والسليولوز النصفي hemicellulose ـــ الألياف




التي تربط السليولوز داخل الخلايا [انظر المؤطّر في الصفحة 20] ـــ المقاومين للهضم إلى مكوناتهما السكرية. ويمكن تسخين الكتلة البيولوجية وتشعيعها⁽¹⁴⁾ بأشعة
گـاما وطحنها إلى دقيق ناعم أو تعريضها إلى بخار عالي الحرارة. ويمكن
أيضا تغطيسها في حموض أو قاعديات مركزة أو غمرها في مواد مذيبة. ويمكننا
أن نُحوّر ـــ جينيا ـــ ميكروبات تتغذى بالسليولوز وتفككه.

ولسوء
الطالع، فإن الكثير من التقنيات التي نجحت في المختبر لم تنجح في
الممارسة التجارية. ولكي تكون هذه التقنيات قابلة للتطبيق تجاريا, يجب أن
تولّد المعالجة المسبقة بسهولة سكريات قابلة للتخمير بإنتاجية وتركيزات
عاليتين إضافة إلى إنجازها بتكلفة منخفضة. ويجب ألا تستعمل مواد سامة، كما
يجب ألا يتطلّب تشغيلها الكثير من الطاقة. ويجب أن تكون أيضا قادرة على
إنتاج گراسّولين بسعر يمكنه أن ينافس الگازولين.

وتتضمّن المقاربات الواعدة إخضاع الكتلة البيولوجية إلى أقصى درجات الـpH والحرارة. نقوم حاليا بتطوير استراتيجية تستعمل الأمونيا ـــ ذات القاعدية القوية ـــ في أحد مختبراتنا (مختبر ديل Dale). وفي هذه السيرورة, عملية تفكيك الألياف بالأمونيا⁽¹⁵⁾ (AFEX), تُعالج الكتلة البيولوجية السليوزية مع الأمونيا المركزة تحت الضغط وتسخن بشدة إلى درجة حرارة 100 مئوية. وعندما يُزال الضغط؛ تتبخّر الأمونيا ويعاد تدويرها، ومن ثم تُحوِّل الإنزيمات enzymes 90%
أو أكثر من السليولوز والسليولوز النصفي المعالجين إلى سكريات. ويكون
المنتج مرتفعا إلى حد ما؛ نظرا لأن هذه المقاربة تخفـّض إلى الحد الأدنى
تفكيك السكريات الذي غالبا ما يحدث في البيئات الحمضية أو ذات درجات
الحرارة العالية. إنّ السيرورة AFEX
تتم «من دون مياه»: تبدأ الكتلة البيولوجية بحالة صلبة جافة تماما وتبقى
بحالة جافة بعد المعالجة، غير منحلة بالماء. وهكذا، يمكن أن توفر كميات
كبيرة من الإيثانول الشديد التركيز والعالي المحتوى الكحولي⁽¹⁶⁾.

ومن الممكن أيضا أن تكون السيرورة AFEX رخيصة إلى حد بعيد: فقد بيّن تحليل اقتصادي حديث أنّه إذا افترضنا إمكانية تسليم كتلة بيولوجية مفترضة إلى المصنع بنحو 50 دولارا للطن الواحد، فإنه يمكن أن تُنْتِج معالجتُها المسبقة بالسيرورة AFEX في آن واحد مع عملية تخمير متقدّمة تدعى معالجة بيولوجية مدمجةconsolidated bioprocessing
إيثانولا سليولوزيا بسعر دولار واحد تقريبا للگالون من محتوى طاقة
الگازولين المكافئ، ويحتمل بيعه بأقل من دولارين في محطة الوقود.

تكلفة التغيير^(**********)

ستكون
التكلفة بالتأكيد العامل الأساسي لوتيرة التقدم في استخدام الگراسّولين.
فمنافسه الرئيسي هو البترول, والصناعة البترولية جَنَتْ، لأكثر من قرن من
الزمن، فوائدَ تقانية من برامج أبحاث هادفة. إضافة إلى ذلك, فإنّ معظم
معامل تكرير البترول قيد الاستعمال حاليا سددت بالفعل تكاليف رأسمالها
الأوليّ؛ أمّا معامل تكرير الگراسّولين فستحتاج إلى استثمارات تصل إلى
مئات الملايين من الدولارات, وهي تكلفة ستدمج في سعر الوقود الذي تنتجه
خلال السنوات المقبلة.

ومن
جهة أخرى، يحوز الگراسّولين على مزايا رئيسية متعددة أكثر من البترول
وبدائل البترول الأخرى مثل الرمال النفطية والفحم الحجري المسيّل. أولا،ً
المواد الخام⁽¹⁷⁾ غير المعالجة هي
أقل تكلفة بكثير من النفط الخام غير المعالج, وهذا ما يساعد على إبقاء
الأسعار منخفضة في أي وقت تتقوى الصناعة فيه وتتنافس. وسينَتج الگراسولين
محليا مع فوائد ضمان وطنية تميزه. وهذا أفضل بكثير للبيئة من أي بديل وقود
أحفوري الأساس.

إضافة
إلى ذلك، ستسمح أدوات تحليلية جديدة وتقنيات مُنمذجة حاسوبيا للباحثين
بتطوير عمليات أفضل وأكثر فعالية في معامل التكرير البيولوجية بسرعة لم
يتوصّل إليها مهندسو البترول منذ عشر سنوات على وجه التحديد. إنّنا نكتسب
الآن فهما أعمق لخواص موادنا الخام والسيرورات التي يمكن اتباعها لتحويلها
إلى وقود بسرعة تتزايد باضطراد. يجب أن يساعد دعم حكومة الولايات المتحدة
للأبحاث في مجال أشكال الطاقة البديلة هذه السيرورة لتسريعها أكثر فأكثر.
فقد احتوى مشروع قانون التحفيز الاقتصادي الذي وقَّعه وأقره الرئيس
<باراك أوباما> كقانون في بداية هذه السنة على تمويل بقيمة 800
مليون دولار لبرنامج الكتل البيولوجية التابع لوزارة الطاقة. وهذا
التمويل سيُسـرّع الأبحاث المتقدمة في مجال الوقود البيولوجي وتطويرها،
كما سيوفر تمويلا لمشاريع معامل التكرير البيولوجية على المستوى التجاري.
إضافة إلى ذلك، تضمّن مشروع القانون ضمانات حكوميــة لقـروض بقيمـة 6
بلايين دولار لمشاريع في مجال الوقود البيولوجي سيبدأ فيها في الشهر 10/2011.

وفي
الواقع، إذا حافظت الولايات المتحدة على تعهدها الحالي المتعلق بالوقود
البيولوجي، فيجب بسرعة التغلب على التحديات التسويقية والتحويلية التي
تواجهها الصناعة الآن. وخلال الخمس إلى الخمس عشرة سنة المقبلة ستنقل
تقانات تحويل الكتلة البيولوجية من المختبر إلى السوق، وسوف يزداد بسرعة
كبيرة عدد المركبات التي تسير بالوقود البيولوجي السليولوزي. وهذا
الانتقال نحو الگراسّولين يمكن أن يغيّر العالم بصورة أساسية, انتقالٌ
تأخّر كثيرا حدوثه.

[مصادر بديلة] شحوم الحيوانات(***********) هناك طريقة جديدة لتصنيع الوقود من شحوم الحيوانات. في الشهر 4/2009 افتتحت شركة «هاي پلينز بيوإنيرجي»(18) معمل تكرير بيولوجي بالقرب من مصنع معالجة الخنازير في كايمون, أوكلاهوما. يأخذ معمل التكرير هذا شحم الخنزير ـــ منتج جانبي وافر بخس الثمن من عملية الجزارة الصناعية ـــ ويحوّله مع زيت نباتي إلى ديزل بيولوجي. ومن المتوقّع أن يحوّل المصنع 30 مليون رطل من شحم الخنزير إلى 30 مليون گالون من الديزل البيولوجي كل سنة. وفي عام 2010، ستنضم مؤسسة «هاي پلينز» إلى مصنع في «كايسمار» بولاية لويزيانا الذي تشغّله شركة «ديناميكس فيولز», مشروع تجاري يربط بين شركة «تايسون فودز» وشركة وقود سينتروليوم(19). سيستعمل هذا المصنع الشحوم الناتجة من عمليات لحوم البقر والدجاج والخنازير التي تنهض بها شركة تايسون لتوليد 75 مليون گالون سنويا من الديزل البيولوجي ووقود المحركات النفاثة. ومع ذلك، تراجعت صناعة الديزل البيولوجي مؤخرا, مع الكثير من المصانع المعطلة عن العمل بسبب نقصان الطلب. ونظرا لتدني أسعار النفط صار وقود الديزل الذي أساسه البترول الأحفوري أقل تكلفة من الديزل البيولوجي, الذي يصنّع على نحو نموذجي في الولايات المتحدة من زيت الصويا وزيوت نباتية أخرى. وقد أسهم الإعفاء الضريبي من الحكومة الفيدرالية الذي مقداره دولار واحد لكل گالون من الديزل البيولوجي في تخفيف وطأة تناقص الطلب عليه، ولكن ذلك الإعفاء الضريبي سوف ينتهي مع نهاية هذا العام. ويخشى بعض المصنـّعين للديزل البيولوجي من تلاشي أعمالهم مع اختفاء ذلك الدعم الحكومي. وقد دخلت شركة «تايسون» في وقت مبكّر في شراكة مع شركة «كونكوفيليپس» لإنتاج ديزل بيولوجي في معمل تكرير تابع للشركة الأخيرة والقائم في «بورگر», تكساس. غير أنّ المخاوف من انقطاع التخفيض الضريبي تركت المشروع معلقا.