وقود أخضر من طاقة الشمس

من النفايات البلاستيكية وثاني أكسيد الكربون إلى غاز توليدي

ايوان وايت
ايوان وايت

وقود أخضر من طاقة الشمس

منذ الستينات من القرن الماضي، بدأ العلماء والباحثون بإثارة مخاوف في شأن التأثيرات المحتملة للنشاطات البشرية، ولا سيما حرق الوقود الأحفوري، على مناخ الأرض.

منذ ذلك الحين، كثف المجتمع العلمي أبحاثه حول تغير المناخ وأسبابه، بقيادة منظمات مثل الهيئة الحكومية الدولية المعنية بتغير المناخ. وفي التسعينات، اكتسبت الجهود العالمية لمعالجة انبعاثات الكربون زخما بعدما تم اعتماد اتفاق الأمم المتحدة الإطاري في شأن تغير المناخ في عام 1992، الأمر الذي مثل التزاما دوليا لتثبيت تركيزات غازات الاحتباس الحراري في الغلاف الجوي. وشهدت بدايات القرن الحادي والعشرين اعترافا متزايدا بالحاجة إلى حلول الطاقة المستدامة واستراتيجيات الحد من الكربون.

وصارت العلاقة بين انبعاثات الكربون وتغير المناخ وتأثيراته على النظم البيئية وأنماط الطقس وصحة الإنسان أكثر وضوحا، بعدما سلطت الدراسات العلمية الضوء على الحاجة الملحة للحد من انبعاثات غازات الاحتباس الحراري لتخفيف التداعيات الناجمة عن آثار تغير المناخ.

وعد كبير

أدت الحاجة الملحة لتخفيف تراكم ثاني أكسيد الكربون البشري المنشأ ومكافحة تغير المناخ، إلى تحفيز الجهود العالمية لتطوير تقنيات تحويل ثاني أكسيد الكربون إلى وقود أخضر. من بين الأساليب المختلفة، يحمل تحويل ثاني أكسيد الكربون المدفوع بالطاقة الشمسية وعدا كبيرا كونه يستخدم ضوء الشمس مباشرة كمصدر أساسي للطاقة.

حاليا، اكتشف الباحثون حلولا جديدة لمواجهة تحدي الطاقة العالمي مع تخفيف آثار تغير المناخ، إذ أظهر باحثون من جامعة "كامبريدج" البريطانية كيف يمكن احتجاز ثاني أكسيد الكربون من العمليات الصناعية - أو حتى مباشرة من الهواء - وتحويله إلى وقود نظيف ومستدام باستخدام الطاقة الشمسية فقط، وطور الباحثون مُفاعلا يعمل بالطاقة الشمسية يحول ثاني أكسيد الكربون والنفايات البلاستيكية التي يتم احتجازها، إلى وقود مستدام ومنتجات كيميائية أخرى ذات قيمة.

في التجارب المختبرية، تم تحويل ثاني أكسيد الكربون إلى غاز توليدي، وهو لبنة أساسية للوقود السائل المستدام، وتم تحويل الزجاجات البلاستيكية إلى حمض الغليكوليك، الذي يستخدم على نطاق واسع في صناعة مستحضرات التجميل.

ويستخدم تحويل ثاني أكسيد الكربون المدفوع بالطاقة الشمسية ضوء الشمس لدفع التفاعلات الكيميائية التي تحول الغازات الملوثة إلى وقود ومواد كيميائية ذات قيمة.

أ.ف.ب.

يقدم النهج الجديد العديد من الميزات، بما في ذلك تقليل الاعتماد على الوقود الأحفوري واستخدام الطاقة الشمسية والمتجددة. فمن خلال استخدام ضوء الشمس كمدخل وحيد للطاقة، يمكن تحويل ثاني أكسيد الكربون ونفايات البلاستيك إلى وقود نظيف، مع تجنب الحاجة إلى دفن البلاستيك تحت الأرض أو إطلاقه في البيئة. يتوافق هذا النهج مع مبادئ الاستدامة والاقتصاد الدائري، حيث يتيح إعادة تدوير النفايات، مما يقلل الاعتماد على الموارد المحدودة ويخفف البصمة الكربونية.

طور الباحثون مُفاعلا يعمل بالطاقة الشمسية يحول ثاني أكسيد الكربون والنفايات البلاستيكية التي يتم احتجازها، إلى وقود مستدام ومنتجات كيميائية أخرى ذات قيمة

احتجاز الكربون

يمكن تقليل الاعتماد على خطوات كثيفة الاستخدام للطاقة، مثل امتصاص ثاني أكسيد الكربون من الهواء الجوي وضغطه بعد احتجازه، لأن التقنية الجديدة تدمج الطاقة الشمسية في عملية تحويل ثاني أكسيد الكربون. ترتكز عملية احتجاز الكربون عادة من العمليات الصناعية أو الهواء على احتجاز انبعاثات ثاني أكسيد الكربون الناتجة من محطات الطاقة ومصافي التكرير وإنتاج الأسمنت والمصادر الصناعية الأخرى. 

تتضمن العملية ثلاث خطوات رئيسة هي الفصل، والاحتجاز، والتخزين.

في الخطوة الأولى، يتم فصل ثاني أكسيد الكربون عن غاز المداخن أو العادم المنبعث من العمليات الصناعية من طريق معالجة غاز المداخن بعد الاحتراق باستخدام مذيبات كيميائية أو مواد ماصة تحتجز انتقائيا ثاني أكسيد الكربون بينما تسمح للغازات الأخرى بالمرور.
وبمجرد فصل ثاني أكسيد الكربون، يجري تركيزه لمزيد من المعالجة أو التخزين. يمكن استخدام تقنيات الاحتجاز المختلفة، بما في ذلك الامتصاص الكيميائي بواسطة مذيب، مثل الأمينات، ويمكن في ما بعد إطلاق ثاني أكسيد الكربون من المذيب من خلال تغيرات الحرارة أو الضغط.

وبمجرد احتجازه، يجب تخزين ثاني أكسيد الكربون المركز لمنع إطلاقه في الغلاف الجوي. إلا أن تلك العملية تكلف مبالغ باهظة وكمية طاقة ضخمة.

عملية "التمثيل الضوئي النباتية"

من جهة أخرى، ولسنوات عدة، عملت مجموعة البروفسور إروين ريزنر للابحاث على تطوير وقود كربوني مستدام مستوحى من عملية "التمثيل الضوئي" باستخدام أوراق اصطناعية تشبه أوراق النباتات.

في عملية "التمثيل الضوئي النباتية"، تمتص النباتات ثاني أكسيد الكربون وتحوله بواسطة ضوء الشمس إلى طاقة يستخدمها النبات، وأوكسجين يطلق في الهواء. ومثلها، تحول الأوراق الاصطناعية ثاني أكسيد الكربون والماء إلى وقود باستخدام ضوء الشمس فقط.

تمثل عملية احتجاز ثاني أكسيد الكربون المتكاملة واستخدام الكيمياء الكهروضوئية التي تعمل بالطاقة الشمسية، نهجا مبتكرا لإنتاج الغاز التوليدي، وهو خليط من أول أكسيد الكربون والهيدروجين. من ثم، يتم توليد الوقود السائل الصناعي والمواد الكيميائية.

تمثل عملية احتجاز ثاني أكسيد الكربون المتكاملة واستخدام الكيمياء الكهروضوئية التي تعمل بالطاقة الشمسية، نهجا مبتكرا لإنتاج الغاز التوليدي، وهو خليط من أول أكسيد الكربون والهيدروجين

تتضمن المرحلة الأولى من العملية احتجاز ثاني أكسيد الكربون من تيارات الغاز المركزة أو غاز مداخن ما بعد الاحتراق أو هواء الغلاف الجوي. يمكن استخدام تقنيات مختلفة لاحتجاز الكربون، مثل الامتصاص، لاحتجاز وعزل ثاني أكسيد الكربون من تيار المصدر. بعد ذلك، تتم معالجة ثاني أكسيد الكربون الذي تم احتجازه بالطاقة الشمسية من خلال عملية تعتمد على خلايا كهروكيميائية متخصصة تتضمن أشباه موصلات أو محفزات قادرة على تحويل ثاني أكسيد الكربون إلى منتجات ذات قيمة.

نفايات البلاستيك ... مستحضرات تجميل

يحتوي النظام المتكامل الذي ابتكره باحثو جامعة كامبريدج البريطانية على "كاثود" ضوئي و"أنود". على جانب الـ "كاثود" يتم احتجاز محلول ثاني أكسيد الكربون وتحويله إلى غاز توليدي، وهو وقود بسيط، وتحول المواد البلاستيكية الأخرى إلى مواد كيميائية مفيدة باستخدام ضوء الشمس فقط.

ولأن احتجاز ثاني أكسيد الكربون من الهواء واستخدامه، يجعل العملية صعبة جدا، أضاف الباحثون النفايات البلاستيكية إلى النظام. إذ يتحلل البلاستيك إلى حمض "الغليكوليك"، الذي يستخدم على نطاق واسع في صناعة مستحضرات التجميل، ويتم تحويل ثاني أكسيد الكربون إلى غاز توليدي، وهو وقود بسيط.

ويمكن استخدام الغاز التوليدي الناتج من ثاني أكسيد الكربون كحجر زاوية في صناعة وقود أخضر مستدام، وحمض "الغليكوليك". كما يمكن معالجة هذه المنتجات بشكل أكبر لإنتاج بدائل مستدامة وصديقة للبيئة، بهدف التخلي عن المواد التقليدية القائمة على الوقود الأحفوري.

Shutterstock

حتى الآن، استخدمت تجارب الباحثين التي تعمل بالطاقة الشمسية، ثاني أكسيد الكربون النقي والمركّز من أسطوانة، ولكن لكي تكون التكنولوجيا ذات فائدة عملية، يجب أن تكون قادرة على احتجاز ثاني أكسيد الكربون من العمليات الصناعية أو مباشرة من الهواء. على الرغم من الحاجة إلى التحسينات قبل استخدام هذه التقنية على نطاق صناعي، فإن الدراسة المنشورة في مجلة "جول" العلمية تمثل خطوة مهمة أخرى نحو إنتاج الوقود النظيف لدعم الاقتصاد، من دون الحاجة إلى استخراج النفط والغاز.لكن نظرا الى كون ثاني أكسيد الكربون مجرد نوع واحد من العديد من أنواع الجزيئات في الهواء الذي نتنفسه، فإن جعل هذه التقنية انتقائية بدرجة كافية لتحويل ثاني أكسيد الكربون المخفف للغاية، يمثل تحديا تقنيا كبيرا.

اقتصاد دائري حقيقي

يقول المؤلف المشارك في الدراسة سايان كار في تصريح خاص لـ"المجلة" إن الفريق ليس مهتما فحسب بإزالة الكربون من الهواء "لكن أيضا التخلص تماما من الوقود الأحفوري وإنشاء اقتصاد دائري حقيقي".

في حين يبشر إنتاج الوقود النظيف من ثاني أكسيد الكربون ومصادر الطاقة المتجددة بالخير، إلا أن هناك العديد من التحديات والقيود التي يجب معالجتها، أبرزها تحسين الكفاءة الكلية لعملية التحويل.  

ويضيف كار، إنه يجب تحسين الاستقرار الطويل الأجل ومتانة مكونات النظام، مثل المحفزات والأقطاب الكهروضوئية. فيمكن أن يؤدي التعرض لظروف التشغيل القاسية، مثل درجات الحرارة المرتفعة أو البيئات المسببة للتآكل أو الإشعاع الشمسي لفترات طويلة، إلى تدهور المواد المكونة للنظام، وبالتالي إلى انخفاض الأداء والعمر الافتراضي. 

ولا تزال تكلفة تنفيذ تقنيات احتجاز الكربون وتحويله تشكل تحديا كبيرا. 

الغرض من تقنيات تحويل ثاني أكسيد الكربون ليس فقط توليد الكهرباء ولكن استخدام ثاني أكسيد الكربون كمادة وسيطة لإنتاج الوقود والمواد الكيميائية القيمة

إعادة تدوير الكربون

لا تزال كفاءة الطاقة للوقود المنتج من تقنيات تحويل ثاني أكسيد الكربون، في المراحل الأولى من التطوير. يضيف كار في حديثه لـ"المجلة" أن الكفاءات المحققة حاليا منخفضة، مقارنة بمصادر الطاقة المتجددة الناضجة مثل الخلايا الكهروضوئية الشمسية أو طاقة الرياح. مع ذلك، من المهم ملاحظة أن الغرض من تقنيات تحويل ثاني أكسيد الكربون ليس فقط توليد الكهرباء ولكن استخدام ثاني أكسيد الكربون كمادة وسيطة لإنتاج الوقود والمواد الكيميائية القيمة. ينصب التركيز على إعادة تدوير انبعاثات ثاني أكسيد الكربون وتقليل الاعتماد على الوقود الأحفوري بدلاً من توليد الكهرباء مباشرة، على حد قول كار.

يمكن أن يقترن تحويل ثاني أكسيد الكربون إلى وقود باستراتيجيات إدارة النفايات، وخاصة استخدام نفايات البلاستيك. فعبر دمج الأكسدة الانتقائية لنفايات المواد المشتقة من البلاستيك في العملية، مثل تحويل "غلايكول الإيثيلين" إلى حمض الغليكوليك؛ تساعد تلك التقنية في تثمين وإعادة تدوير نفايات البلاستيك مما يساهم في جهود الحد من النفايات من خلال إعادة استخدام النفايات البلاستيكية وتقليل تأثيرها على البيئة.

أ.ف.ب.
مشهد معتاد في باكستان، رجل يقود دراجة نارية في لاهور محملة بأكياس بلاستيكية مستخدمة

ولأن مفهوم الاقتصاد الدائري يهدف إلى إنشاء نظام الحلقة المغلقة حيث يتم الاحتفاظ بالموارد قيد الاستخدام لأطول فترة ممكنة، فإن التقنية الجديدة تتوافق مع هذا المفهوم من خلال استخدام نفايات ثاني أكسيد الكربون ونفايات البلاستيك كمصادر قيمة، عبر دمج النفايات في دورة الإنتاج، مما يقلل الحاجة إلى الموارد البكر ويعزز كفاءة الموارد المستخدمة.

يقول كار إن النتيجة الرئيسة من ذلك البحث هي إثبات مفهوم إمكان إنتاج الوقود وإدارة النفايات. بدلاً من التخلص من ثاني أكسيد الكربون الزائد والنفايات البلاستيكية في الغلاف الجوي، يمكننا تسخير قوة ضوء الشمس لتحويلها إلى وقود ذي قيمة. 

تقدم هذه العملية بديلاً مستداما للوقود الأحفوري التقليدي وتخفف الأثر البيئي المرتبط بانبعاثات ثاني أكسيد الكربون والنفايات البلاستيكية، بحيث "يؤكد عملنا إمكان توفير مستقبل أكثر استدامة ووعيا حول قضايا بالبيئة من خلال الاستخدام الفاعل لثاني أكسيد الكربون الزائد وتحويل النفايات البلاستيكية إلى موارد قيمة".

font change

مقالات ذات صلة