توليد الطاقة الكهربائية بالغاز الحيوي – Biogas

الفهرس:

ينتج الغاز الحيوي – Biogas بشكل طبيعي من تحلل النفايات العضوية، ويحدث ذلك عندما تتواجد المادة الحيوية مثل بقايا الطعام أو فضلات الحيوانات في بيئة عديمة الأوكسجين (بيئة لاهوائية – Anaerobic Environment) وينتج عن ذلك خليط من الغازات يشكل الميثان وغاز ثنائي أوكسيد الكربون القسم الأكبر منها. وكون هذه العملية تتم في غياب الهواء فتسمى بالهضم اللاهوائي – Anaerobic Digestion.

يمكننا اليوم إنتاج الغاز الحيوي بشكل آلي عن طريق إحداث التفاعل ويتم استخدام الغاز الناتج في توليد الطاقة الكهربائية وتعتبر هذه الطريقة في إنتاج الطاقة الكهربائية من طرق إنتاج الطاقة المتجددة حيث يمكننا الحصول على المادة الحيوية بشكل دائم.

الهضم اللاهوائي - Anaerobic Digestion:

هو مجموعة من العمليات الحيوية التي تحفزها بكتيريا دقيقة حيث تقوم هذه البكتيريا بتحليل المواد القابلة للتحلل في جو عديم الاوكسجين، وينتج عنها الغاز الحيوي والذي يمكن استخدامه في توليد الطاقة الكهربائية أو تحويله لوقود للآليات التي تعمل بالغاز الحيوي.

يعد الهضم اللاهوائي عملية طبيعية لتحويل الفضلات إلى طاقة ويعتبر السماد الحيواني والفضلات الغذائية ومياه الصرف الصحي كلها أمثلة على المواد العضوية التي يمكن أن تنتج الغاز الحيوي عن طريق الهضم اللاهوائي، ونظراً لارتفاع نسبة الميثان في الغاز الحيوي (50-75%) فإن الغاز الحيوي قابل للاشتعال ويمكن استخدامه كمصدر للطاقة.

 

تقنيات الهضم اللاهوائي:

يوجد العديد من أنظمة الهضم اللاهوائي المتوافر حالياً، وسنذكر بشكل مقتضب بعض الطرق المستخدمة في تحليل مياه الصرف الصحي والفضلات الصناعية وسماد الحيوانات بهدف تقليل انبعاثات غاز الميثان والروائح الضارة والمسببة للأمراض بالإضافة إلى إنتاج الغاز الحيوي. إليكم أهم أربع طرق مستخدمة حاليا حول العالم:

بحيرة هضم لاهوائي مغطاة - Covered Anaerobic Lagoon Digester:

يتم تغطية بحيرة صغيرة بغطاء محكم الإغلاق مع وجود أنابيب لاستعادة غاز الميثان الناتج وتوجيهه لجهاز احتراق، وتستخدم بعض الأنظمة خلية واحدة مشتركة للهضم والتخزين.

إنتاج الغاز الحيوي بطريقة الخلط التام

الهضم بسد التدفق – Plug Flow Digester:

جهاز الهضم هذا هو عبارة عن خزان مستطيل الشكل مدفأ بشكل جيد ومحكم الإغلاق ولا يقوم بخلط المواد العضوية ويستخدم بشكل رئيسي في هضم المنتجات العضوية لمزارع الألبان.
يتم جمع الروث وإدخاله في الخزان حيث يتم تحليله أثناء مروره بالخزان ويتم تغطية الخزان بغطاء كتيم.

يمكن تعديل هذا النظام لإنتاج الطاقة في أي مناخ على عكس نظام البحيرة بالإضافة إلى أنه يمكن فصل المنتجات الصلبة المهضومة وبيعها لاحقاً بشكل منتج جديد.

إنتاج الغاز الحيوي بطريقة سد التدفق

الخلط التام – Complete Mix

يعد نظام الخلط التام تقنية متقدمة مصممة لتحقيق نوعية أفضل وكمية أكبر من الغاز الحيوي.

ينتج هذا النظام الغاز الحيوي من أنواع مختلفة من الفضلات العضوية بحيث تشكل الفضلات الصلبة منها نسبة 3- 10%، ولتحسين عملية إنتاج الطاقة يتم تسخين الفضلات وخلطها بشكل جيد لضمان مستوى عالي من انتشار البكتيريا ويتم وضع طبقة كتيمة فوق الوعاء الحاوي على الخلاط لمنع تسرب الغاز الحيوي.

إنتاج الغاز الحيوي بطريقة الخلط التام

الهضم الجاف – Dry Digester:

يتم تجميع النفايات في صوامع تشبه صوامع الحبوب مبنية من الإسمنت أو الحديد و مغلقة بغطاء صلب.

يعمل الهضم الجاف بنفايات صلبة تشكل نسبة 20 – 42% من إجمالي النفايات، مما يتيح بهذه الطريقة الجمع بين الأسمدة الحاوية على نسبة عالية من المواد الصلبة وبقايا المحاصيل مع السماد السائل والركائز المشتركة.

معمل الهضم الجاف للنفايات الطبيعية

استخدام الغاز الحيوي في إنتاج الطاقة الكهربائية:

يوجد عدة تقنيات لتحويل طاقة الغاز الحيوي إلى طاقة كهربائية على مستوى المنزلي فمثلاً يمكن استخدام الطاقة الكيميائية للغاز الحيوي عن طريق الاحتراق في محرك احتراق فيتم تحويل الطاقة الكيميائية إلى طاقة ميكانيكية ويتم استخدام هذا المحرك لتدوير مولد كهربائي فتتحول الطاقة الميكانيكية إلى طاقة كهربائية.

كما يمكن استخدام العنفات الغازية التي تدور بتأثير الغاز ويدور معها المولد الكهربائي لتوليد الطاقة الكهربائية.

تعد محركات الاحتراق الصغيرة أكثر شعبية وأكثر كفاءة وأقل تكلفة بالمقارنة مع العنفة الغازية الصغيرة، ولكن العنفات الغازية تكون كفاءتها أكبر عندما تعمل وفق نظام الدارة المشتركة (التوليد المشترك للطاقة والحرارة)، لكون محركات الاحتراق لاتقوم بتحويل كامل الطاقة الحرارية إلى طاقة مفيدة بل يتم فقدان حوالي نصف هذه الطاقة بشكل حرارة مبددة، ولكن عن طريق توجيه هذه الطاقة وتحويلها وذلك في محطات الدارة المشتركة مما يسبب زيادة كفاءة المحطة لتصل حتى 89% بالمقارنة مع نسبة الكفاءة  55% في المحطات الحرارية التقليدية. هذا يعني أننا نحتاج إلى كمية وقود أقل (غاز أقل) للحصول على نفس الطاقة بالمقارنة مع المحطة الحرارية العادية (محركات الاحتراق).

يمكن توصيف عمل المحطات المشتركة ضمن مستويين:

  • المستوى المنزلي (مستوى المنشآت الصغيرة): تكون استطاعة النظام عادة حوالي 5 كيلوواط كهربائي (5kWe – Kilowatts Electrical) وهنا يتم توليد الحرارة والكهرباء وتغذية المنشأة ويمكن بيع الفائض من الإنتاج إلى الشبكة الكهربائية ويسمى هذا المستوى بـ Micro co-generation.
  • المستوى الشبكي: تكون استطاعة النظام أكثر من 5KWe وأقل من 500KWe ويتم تغذية الشبكة الكهربائية من هذه المحطات وتعمل بحيث تشكل لأحمال القاعدة من منحني الحمل (الأحمال المنخفضة) من كهرباء وحرارة.

استخدام الغاز الحيوي كوقود للسيارات:

يوجد في العالم العديد من السيارات والآليات التي تعمل بالغاز الطبيعي والتي تخفض من إنتاج الغازات المسببة للاحتباس الحراري مثل غاز ثنائي أوكسيد الكربون بنسبة 20-30% بالمقارنة مع الآليات العاملة بواسطة الوقود الأحفوري (بنزين – ديزل) ولكن مايميز الغاز الحيوي أنه يمكن استخدامه كوقود في جميع الآليات التي تعمل بالغاز الطبيعي دون أي مشاكل بالإضافة إلى أن الغاز الحيوي يقوم بتقليل الانبعاثات الغازية المسببة للاحتباس الحراري بنسبة قد تصل إلى 99%.

الغاز الحيوي وخلايا الوقود:

يمكن استخدام الغاز الحيوي وتحويل الطاقة الكيميائية إلى طاقة حرارية وطاقة كهربائية بدون احتراق عن طريق استخدام خلايا الوقود الغازية وبالنظر إلى الصورة توضح لنا كيفية عمل هذه الخلايا:

قد تتألف الخلية بشكل عام من مصعد ومهبط ومحل كهربائي (electrolyte) وقد تكون من طبقة واحدة حيث يستخدم محل واحد أو عدة طبقات وفق درجة الحرارة التي سيصل فيها الغاز إلى خلية الوقود ويتم استخدام عدة أنواع من المحلات ويوضح الشكل كيف يتم التفاعل في خلية الوقود مع اختلاف طبقات المحل الكهربائي:

خلايا الوقود الغازية
Source: Christian Michelsen Research

في المصعد: يصله الغاز الطبيعي من مدخل والهيدروجين الذي يصبح على تماس مع المحل الكهربائي وتنتقل شوارد الهيدروجين عبر المحل الكهربائي والالكترونات في الدارة الخارجية مشكلة التيار الكهربائي في حين تخرج من منفذ متصل مع المصعد بقية الغازات التي لم تدخل في التفاعل.

في المهبط: يصله شوارد الهيدروجين عبر المحل الكهربائي وتتحد مع الأوكسجين الذي يدخل إلى المهبط مشكلاً الماء.

 

المحل الكهربائي:

يسمح بمرور الشوارد الموجبة من المصعد إلى المهبط والالكترونات من المهبط إلى المصعد وأشهر أنواع المحلات الكهربائية المستخدمة:

  • خلية وقود من أوكسيد صلب – SOFC: Solid Oxide Fuel Cells.

  • خلية وقود من مادة قلوية (أساسية) – AFC: Alkaline Fuel Cells.

  • خلية وقود من فحم مذاب – MCFS: Molten Carbonate Fuel cell.

  • خلية وقود من حمض الفوسفات – PAFC: Phosphoric Acid Fuel Cells.

  • خلية وقود من غشاء لتبادل البروتونات – PEMFC: Proton Exchange Membrance Fuel Cell.

     

خلاصة:

تعد أنظمة الغاز الحيوي أنظمة صديقة للبيئة لإنتاج الطاقة ولها تأثير إيجابي جداً على التغيرات المناخية ففي الواقع إن نسبة الميثان من الغازات الدفيئة أكبر ب21 مرة من نسبة غاز ثنائي أوكسيد الكربون وبالتالي فإن إحراقه يقلل كثيراً من تأثيره على البيئة.

تابعونا على لينكيد إن Linked-in لمعرفة كل جديد في مجال الطاقة المتجددة…

نتمنى لكم يوما مشمساً!

المراجع:

حنا ندروس

مهندس طاقة كهربائية محرر في القسم التعليمي وأخبار الطاقة المتجددة ومهتم بأبحاث الطاقة المتجددة بشكل عام والطاقة الشمسية بشكل خاص.

4 thoughts on “توليد الطاقة الكهربائية بالغاز الحيوي – Biogas

اترك تعليقاً

You have to agree to the comment policy.