من الغاز الحيوي إلى الميثان الحيوي يسلط الضوء على عملية تحويل الغاز الحيوي إلى ميثان حيوي. تعمل هذه العملية البيئية والمستدامة على تحويل النفايات العضوية إلى طاقة خضراء متجددة. وهي تساعد على تقليل انبعاثات غازات الاحتباس الحراري وتوفر مورداً إضافياً للطاقة النظيفة.
يعتبر الغاز الحيوي والميثان الحيوي، المنتج من النفايات العضوية، من البدائل المتجددة للغاز الطبيعي. الغاز الحيوي هو المنتج الثانوي الأول لمحطة الهضم اللاهوائي. ويتكون بشكل أساسي من الميثان، ويمكن استخدامه لإنتاج الحرارة أو الكهرباء.
وبمجرد معالجته وتنقيته من مركبات أخرى مثل ثاني أكسيد النيتروجين(CO2) أو ثاني أكسيد الأكسجين (O2) أو كبريتيد الهيدروجين(H2S)أو بخار الماء(H2O)، يصبح هذا الغاز الحيوي نفسه ميثان حيوي. ويتمتع هذا الوقود الجديد بنفس خصائص الغاز الطبيعي، مع ميزة إضافية تتمثل في تعزيز استخدام الطاقة الخضراء مع تقليل مستويات انبعاثات غازات الاحتباس الحراري، وبالتالي حماية البيئة من خلال جهود التحول في مجال الطاقة في جميع أنحاء العالم.
الميثان هو عملية مذهلة تستخدم القوة الطبيعية للبكتيريا لتحلل وتحويل المواد القابلة للتخمر إلى غاز حيوي. ويمكن العثور على هذه الظاهرة في المستنقعات على سبيل المثال. الغاز المتولد غني بالميثان، وهو مكون موجود أيضًا في الوقود الأحفوري.
وتحول هذه العملية الإيكولوجية أيضاً مواد عضوية مختلفة مثل الورق والورق المقوى وبقايا الطعام والمنتجات النباتية الثانوية والنفايات الحيوانية والطين والروث وحمأة الصرف الصحي إلى غاز حيوي.
تنتج محطة الهضم اللاهوائي للنفايات اللاهوائية الغاز الحيوي من المواد العضوية. وتتم هذه العملية في خزانات تسمى المفاعلات أو المخمرات أو الهاضمات، والتي تعمل عند درجة حرارة 35 درجة مئوية. يمكن لأحدث الإصدارات الحديثة تحويل النفايات إلى طاقة متجددة في غضون أيام، مع إنتاج يقدر بما يتراوح بين 1 و10 أمتار مكعبة في اليوم لكل متر مكعب من النفايات المعالجة.
من المزارع الريفية إلى المجمعات الصناعية الضخمة، تأتي وحدات إنتاج الغاز الحيوي بجميع الأشكال والأحجام. على سبيل المثال، قد يكون إنتاج الهاضم الزراعي الصغير 100 متر مكعب فقط، بينما تنتج أكبر المصانع عشرات الميغاوات.
كما تعد مواقع طمر النفايات أو منشآت تخزين النفايات غير الخطرة مصدرًا للغاز الحيوي. ومع تحلل المواد العضوية، ينتج غاز الميثان.
تُضغط النفايات ثم توضع في حفر تسمى الصناديق. ولضمان الحصول على أفضل النتائج، يمكن أيضاً إغلاق المنطقة. تمتلئ هذه المساحات بعدة أمتار من التراب وتعبرها شبكة من المصارف الأفقية التي تجمع الغاز الحيوي المنتج، بينما تسمح له المصارف الرأسية بالوصول إلى السطح بحيث يمكن أن يحدث تخمير منتظم لمدة خمسة وعشرين عاماً تقريباً.
يعد منع غاز الميثان (CH4)، وهو أحد غازات الدفيئة القوية، من دخول الغلاف الجوي أمرًا ضروريًا في مكافحة تغير المناخ. وعندما لا يمكن استرداد الميثان، فإن حرقه هو البديل الأفضل من إطلاقه. ويؤدي ذلك إلى إطلاق ثاني أكسيد الكربون(CO2)، وهو غاز دفيئة يقل تأثيره على بيئتنا 28 مرة عن تأثير الميثان وفقاً للفريق الحكومي الدولي المعني بتغير المناخ.
وهناك عمليات أخرى لإنتاج الغاز الحيوي أقل انتشارًا اليوم، لأنها تستند إلى تكنولوجيات أحدث، وبعضها لم ينضج بالكامل بعد.
أحد الأمثلة على ذلك هو توليد الميثان الحيوي عن طريق ميثنة ثاني أكسيد الكربون(CO2) بالتفاعل مع الهيدروجين(H2). ويجري إنتاج ثاني أكسيد الكربون والهيدروجين إما عن طريق تغويز الكتلة الحيوية من الموارد الخشبية، أو عن طريق التحليل الكهربائي للماء (تحويل الطاقة إلى غاز).
وأخيرًا، يمكن استخدام الطحالب المجهرية كمدخل أساسي أو مكمل لتفاعل الميثان. وتتميز الطحالب الدقيقة التي تزرع في مفاعلات حيوية بأنها لا تستهلك الأراضي الزراعية، لذا فهي لا تنافس إنتاج الغذاء الحيواني أو البشري.
لإنتاج الغاز الحيوي عن طريق عملية الميثان، يجب جمع المواد الخام القابلة للتخمير. هذه المواد الخام، والمعروفة أيضًا باسم المواد العضوية، هي في الأساس نفاياتنا الزراعية والبلدية والغذائية، ولكن أيضًا حمأة الصرف الصحي والمواد النباتية بشكل عام.
وتتمثل المنافذ الرئيسية للغاز الحيوي الناتج عن تحلل المواد العضوية في التوليد المشترك، الذي ينتج الحرارة والكهرباء معًا، والميثان الحيوي الذي يُحقن في شبكات الغاز الطبيعي لاستكمال مزيج الطاقة، وبالتالي دعم التحول البيئي.
يُستخدم الغاز الحيوي لإنتاج الحرارة والكهرباء.
يمكن استرداد الغاز الحيوي في شكل حرارة فقط باستخدامه كوقود في غلاية. ومع ذلك، في كثير من الأحيان، يستخدم الغاز الحيوي في إنتاج الحرارة والكهرباء على حد سواء. ومن هنا جاء مصطلح التوليد المشترك.
تُستخدم الكهرباء التي تنتجها توربينات التوليد المشترك في استهلاك محطة الغاز الحيوي الخاصة، ويتم بيع الفائض - معظم الطاقة المولدة -.
وغالبًا ما تُستخدم الحرارة الناتجة عن احتراق الغاز الحيوي في تسخين جهاز الهضم في مصنع الغاز الحيوي، وبشكل عام لتحسين توازن الطاقة في المصنع. ولكن هذه الحرارة تستخدم أيضًا في :
تتم معالجة الغاز الحيوي وتنقيته بحيث يمكن حقنه كغاز الميثان الحيوي في شبكات الغاز الطبيعي.
هناك حاجة إلى عدة مراحل تنقية قبل حقن الميثان الحيوي في الشبكة.
العمليات الرئيسية هي :
وبمجرد تنقية الميثان الحيوي ونقله إلى محطة الحقن، لا يزال يتعين :
ويتكون الغاز الحيوي من غازات مختلفة، تختلف نسبها باختلاف المواد الخام والطريقة التي ينتج منها.
الغازات في الأساس :
الميثان هو المكون الرئيسي للغاز الحيوي. وهو الوقود الذي سيستخدم لتوليد الطاقة.
يحتوي الغاز الحيوي على 50% إلى 75% من الميثان.
وثاني أكسيد الكربون هو منتج ثانوي للغاز الحيوي، وهو موجود بكميات كبيرة جدًا ولكن ليس له قيمة في الطاقة. يجب التخلص من ثاني أكسيد الكربون من الغاز الحيوي باستخدام طرق مختلفة من أجل توليد الميثان الحيوي القابل للاستخدام. ومع ذلك، يمكن الاحتفاظ به إذا تم استرداد الغاز الحيوي في شكل حرارة (غلاية) و/أو كهرباء (التوليد المشترك للطاقة).
يحتوي الغاز الحيوي على 20% إلى 50% منثاني أكسيد الكربون.
يوجد الأكسجين في الغاز الحيوي بكميات صغيرة نسبياً ولكن بكميات كبيرة. ويحتوي الغاز الحيوي على الأكسجين الذي يرسب بعض كبريتيد الهيدروجين(H2S) في جهاز الهضم.
وبالإضافة إلى ذلك، ونظراً لصعوبة التخلص منه، يتم التسامح مع كمية معينة من الأكسجين في الغاز الحيوي المنقى (الميثان الحيوي) قبل حقنه في شبكة الغاز الطبيعي.
يحتوي الغاز الحيوي على أقل من 1% أكسجين2.
الغاز الحيوي الخام هو غاز عالي الرطوبة. ومن الضروري تجفيف الغاز الحيوي، عادةً عن طريق التبريد، قبل الترقية لحماية المعدات من التآكل.
الغاز الحيوي الخام مشبع بالرطوبة.
كبريتيد الهيدروجين غاز خطير وضار للغاية.
فمن ناحية، هو غاز تآكل يولد حمض الكبريتيك في وجود الرطوبة وعند احتراقه في الغلايات أو محطات التوليد المشترك. ومن ناحية أخرى، فإن المستويات المنخفضة من كبريتيدالهيدروجين H2Sلها رائحة بيض فاسد قوية ومميزة. وهذا يجعل من السهل اكتشافه. ولكن عند التركيزات الأعلى، يؤثر على حاسة الشم بطريقة عكسية إلى حد ما. وعندها تصبح عديمة الرائحة، ويصبح الأمر أكثر خطورة لأنه لا يمكن للبشر اكتشافها بشكل طبيعي.
تصبح H2S الموجودة في الغاز الحيوي عند 1500 جزء في المليون قاتلة إذا تم استنشاقها لأكثر من دقيقة.
يمكن أن يتواجد H2S في الغاز الحيوي بكميات كبيرة جدًا. لذلك من الضروري تقليل محتواه بشكل كبير، مهما كانت الطريقة المستخدمة لاستعادة الغاز الحيوي.
يحتوي الغاز الحيوي عمومًا على أكثر من 100 جزء في المليون منH2S،ويمكن أن يتجاوز هذا المستوى 10000 جزء في المليون عند تخمير أنواع معينة من نفايات الصناعات الغذائية.
السيلوكسانات الموجودة في الغاز الحيوي هي جزيئات مشتقة من السيليكون. ويحتوي الغاز الحيوي على السيلوكسانات عندما يتم استخراجه من مواقع طمر النفايات (ISDND). هذه المركبات معرضة لإلحاق الضرر بالمنشآت، حيث يتم تزجيجها (تتحول إلى رمال) بمجرد حقنها في محركات التوليد المشترك أو غلايات الغاز الحيوي، مما يتسبب في أضرار ميكانيكية كبيرة.
يمكن أن يحتوي الغاز الحيوي على ما يصل إلى 50 مجم/م3 من السيلوكسانات.
يمكن قياس تركيبة الغاز الحيوي باستخدام محلل الغاز الحيوي متعدد الغازات لقياس المستويات الدقيقة للغازات المختلفة الموجودة في الغاز الحيوي أو الميثان الحيوي بشكل مستمر ودقيق.
من المهم قياس تركيب الغاز الحيوي باستخدام محلل لضمان استخدامه على النحو الأمثل وبكفاءة. تحليل التركيب الكيميائي للغاز الحيوي يجعل من الممكن التحكم في إنتاج الغاز الحيوي وتحسينه من خلال تحديد مكوناته المختلفة. ويضمن تحليل الغاز الحيوي أيضا سلامة الأشخاص والعمليات من خلال التحقق مما إذا كانت الغازات الضارة المحتملة موجودة في الخليط.
