الطاقة في الحركة

المحرك الكهربائي والوقود الحيوي والاقتصاد في الهيدروجين - هل يمكن أن يكون بديلاً للنفط المكرر في قيادة المركبات؟ حول المواد التي ستقود المركبات في المستقبل القريب

بقلم جودي وأرييه ميلاميد كاتز | مجلة جاليليو

وشهدت سوق النفط العالمية اضطرابات على مدى السنوات الخمس الماضية. واتسم الاتجاه العام خلال هذه الفترة بزيادات حادة في الأسعار، فعلى سبيل المثال، كان سعر برميل النفط الخام أعلى بخمس مرات تقريبا في يوليو/تموز 2008 من سعره قبل خمس سنوات.

العيب الرئيسي للسيارات الكهربائية يكمن في محدودية البطارية. الحد الأقصى لمدى الرحلة الواحدة عادة ما يكون أقل من 100 كيلومتر.

وأسباب عدم الاستقرار هذا، والتي تضمنت في بعض الأحيان (بما في ذلك في الأشهر الأخيرة) انخفاضات مفاجئة، ليست واضحة تمامًا. وقد تكون مرتبطة بمخاوف بشأن استنزاف احتياطيات النفط أو أنها تعبير عن التغيرات في الطلب، وقد تكون هناك أسباب سياسية أكثر تعقيدا. وبشكل أو بآخر فإن الأزمة الحالية، التي يصعب التنبؤ بنتائجها، تعمل على زيادة الجدوى الاقتصادية للاستثمار في موارد الطاقة البديلة ــ وهو الاستثمار القادر على مساعدة البلدان الفقيرة بالنفط، مثل إسرائيل، على تحقيق "الاستقلال في مجال الطاقة" بالفعل. خلال النصف الأول من القرن الحادي والعشرين.

اعتبارًا من اليوم، يعتمد دفع مركبات النقل بشكل كامل تقريبًا على المنتجات البترولية المكررة، ويشير بشكل أساسي إلى البنزين ووقود الديزل للمركبات البرية والبحرية والكيروسين لمحركات الطائرات النفاثة. في السنوات الأخيرة، كان هناك تحول فيما يتعلق باستخدام الغاز الهيدروكربوني (الغاز الطبيعي) وكذلك فيما يتعلق بتنفيذ حلول الطاقة البديلة لمركبات النقل، من بين أمور أخرى مع الاتجاه للحد من انبعاث الغازات الدفيئة في الغلاف الجوي. ومن الصعب التنبؤ بنهاية العملية، ولكن من الواضح بالفعل أنها سيكون لها تأثير واسع النطاق على الاقتصاد العالمي، وذلك بسبب الحصة الكبيرة من مستهلكي الطاقة الآلية في سوق الطاقة العالمية.

معجم المصطلحات الهامة:

• الغاز الحيوي - الغاز المنتج من الكتلة الحيوية. وعادة ما يعني الميثان.
• وقود الديزل الحيوي - الوقود الحيوي المخصص للاحتراق في محرك الديزل. وعادة ما تكون مصنوعة من الزيوت النباتية أو الدهون.
• الوقود الحيوي - الوقود المشتق من الكتلة الحيوية. على سبيل المثال، يمكن استخدام الإيثانول (كحول النبيذ، الكحول في اللغة اليومية) والبيوتانول (كحول البوتيل)، الذي يتم إنتاجه من النباتات في عملية التخمير والتقطير، كوقود لمحركات الاحتراق الداخلي للمركبات.
• الكتلة الحيوية - الكتلة الإجمالية للكائنات الحية. ويستخدم نفس المصطلح أيضًا لوصف المواد الخام البيولوجية الطازجة المستخدمة لإنتاج الوقود.
• الوقود الأحفوري - الوقود الناتج عن العمليات الجيولوجية طويلة المدى. يشير هذا عادةً إلى الفحم والغاز الطبيعي (خليط من الميثان مع غازات أخرى) والصخر الزيتي والنفط الخام. في عملية التكرير، يمكن إنتاج مجموعة متنوعة من أنواع الوقود من النفط، مثل البنزين والديزل والكيروسين.
• اقتصاد الهيدروجين - وهو النهج الذي بموجبه سيحل غاز الهيدروجين محل أنواع الوقود الشائعة الاستخدام اليوم لقيادة المركبات. يمكن استخدام الهيدروجين في محرك الاحتراق الداخلي أو كمادة خام لخلية الوقود.
• السيارة الكهربائية - سيارة تعتمد على الدفع باستخدام محرك كهربائي متصل ببطارية (بطارية كهربائية). البطارية هي في الأساس سلسلة من الخلايا الكهروكيميائية.
• السيارة الهجينة - سيارة تجمع بين عدة أنواع من القيادة، أو يمكن استخدامها بأنواع مختلفة من الوقود. عادةً ما يعني ذلك السيارة التي تجمع بين محرك كهربائي ومحرك احتراق داخلي.
• السيارة الشمسية - سيارة كهربائية يتم توفير طاقتها من خلال الخلايا الكهروضوئية التي تحول طاقة الشمس إلى كهرباء.
• محرك الاحتراق الداخلي - محرك يعتمد على حرق الوقود في حجرة صغيرة. يتم الحصول على المحرك بمساعدة ضغط الغاز الناتج عن عملية الاحتراق. يوجد في السيارات نوعان شائعان من محركات الاحتراق الداخلي: محرك البنزين ومحرك الديزل.
• خلية الوقود - جهاز مشابه للخلية الكهروكيميائية التي تنتج الكهرباء من خلال تفاعل كيميائي. على عكس الخلية الكهروكيميائية، تتطلب خلية الوقود إمدادًا ثابتًا من المواد (المواد المتفاعلة). أحد أنواع خلايا الوقود المخصصة للسيارات يعتمد على التفاعل بين الهيدروجين والأكسجين. المنتج الوحيد لمثل هذا التفاعل هو الماء.


الحل الكهربائي

إن الرغبة في بناء مركبة تتحرك من تلقاء نفسها هي رغبة قديمة. تمثل السيارات الأولى، التي تم تطويرها في نهاية القرن الثامن عشر، بداية فترة غنية بالاختراعات التي غيرت وجه وسائل النقل. اعتمدت النسخة الأولى من السيارة الآلية على المحرك البخاري، وهي الطريقة التي أصبحت على مر السنين وسيلة الدفع الرئيسية للقطارات والسفن.

خلال القرن التاسع عشر، بدأ أيضًا استخدام محركات الاحتراق الداخلي، والتي سيطرت إصداراتها الحديثة، محرك البنزين ومحرك الديزل، على سوق السيارات خلال القرن العشرين. ومع ذلك، في نهاية القرن التاسع عشر، كانت السيارة الكهربائية أكثر شيوعًا. لقد أصبح تطوير السيارة الكهربائية منذ حوالي 19 عامًا ممكنًا بفضل اختراع المحرك الكهربائي. يمكن لمثل هذا المحرك، المتصل بالبطارية، تحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة ميكانيكية ودفع عجلات السيارة.

كما ذكرنا سابقًا، في المعركة طويلة الأمد بين المحرك الكهربائي ومحرك الاحتراق الداخلي، كان للأخير اليد العليا في نهاية المطاف، على الأقل فيما يتعلق بالمركبات. ابتداءً من العقد الثاني من القرن العشرين، أصبح إنتاج السيارات التي تستخدم محرك الاحتراق الداخلي أرخص، وأصبح استخدامها أكثر ملاءمة. وكان أحد الأسباب الرئيسية لذلك هو اختراع جهاز التشغيل الذي يستخدم لبدء تشغيل محرك الاحتراق الداخلي، وهو في الأساس محرك كهربائي صغير متصل ببطارية.

وتستخدم محركات كهربائية صغيرة إضافية، متصلة أيضاً بالبطارية، لعدد من الأغراض الثانوية مثل فتح وإغلاق النوافذ، ولكن أثناء القيادة العادية يتم قيادة السيارة وشحن البطارية باستخدام محرك الاحتراق الداخلي فقط. ويعد حرق البنزين أو الديزل في مثل هذا المحرك أحد أسباب زيادة تركيز ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي خلال العقود الأخيرة، فضلا عن تلوث الهواء الشديد في المدن الكبرى. السيارات الكهربائية "خضراء" في هذا الصدد.

حدود استخدام الكهرباء

العيب الرئيسي للسيارات الكهربائية يكمن في محدودية البطارية. وعادة ما يكون المدى الأقصى للرحلة الواحدة أقل من 100 كيلومتر، على الرغم من أنه من المتوقع أن تزداد هذه المسافة في السنوات القادمة. هناك مشكلة أخرى وهي العمر القصير للمراكم، والذي يبلغ حاليًا أقل من 5 سنوات، ولكن في هذا الصدد أيضًا من المتوقع حدوث تحسن كبير.

القيد الرئيسي الذي يمنع اختراق السيارات الكهربائية بشكل أكثر قوة لسوق المركبات هو وقت الشحن الطويل للبطارية، والذي يجب أن يتم في وضع الانتظار. في الواقع، عادة ما يستغرق الشحن الكامل بضع ساعات. ويعود الوقت الطويل إلى الحاجة إلى خفض تيار الشحن في مراحله النهائية، عندما تكون البطارية ممتلئة بنسبة 80% أو أعلى، لأن جزءاً كبيراً من طاقة الشحن يتحول إلى حرارة في هذه المرحلة. تحد هذه المشكلات من سوق السيارات الكهربائية، على الرغم من أن القيادة الكهربائية يمكن أن تكون حلاً ممتازًا بالفعل اليوم لأغراض معينة، مثل استخدام السيارة لرحلات المدينة فقط.

ومن منظور أوسع، ينبغي للمرء أن يتطرق إلى الطريقة التي يتم بها إنتاج الكهرباء المستخدمة لشحن البطارية. على سبيل المثال، إذا تم إنتاج هذه الكهرباء عن طريق محطات توليد الطاقة التي تحرق الوقود الأحفوري، فإن استخدام السيارة الكهربائية ليس له معنى كبير من حيث تقليل انبعاث ثاني أكسيد الكربون في الهواء (بالنسبة لـ "الوقود الأحفوري" ومصطلحات أخرى في المقال، انظر أدناه). ولذلك، يجب أن يتم التحول على نطاق واسع إلى السيارات الكهربائية في إطار شامل لتطوير الطاقة البديلة لإنتاج الكهرباء.

وفي سياق مماثل يمكننا أن نذكر أيضًا السيارة الشمسية، وهي في الحقيقة سيارة كهربائية سطحها العلوي مغطى بخلايا كهروضوئية تعمل على تحويل طاقة الشمس إلى كهرباء. ويكمن عيبها الرئيسي في انخفاض الطاقة التي يمكن أن تنتجها الخلايا.

ولن تتمكن مساحة عدة أمتار مربعة من المساهمة بأكثر من بضعة أحصنة، حتى في يوم مشمس مشرق وبكفاءة عالية للخلايا، وهذا أقل بكثير من القوة اللازمة لسيارة متوسطة حديثة. توجد مشكلة خطيرة بالطبع في الليل وفي الأيام الملبدة بالغيوم. ومع ذلك، فمن المرجح أن تحصل سيارة المستقبل على بعض من قوة دفعها من خلال الطاقة الشمسية، حتى لو سيتم استخدام هذه الكهرباء بشكل أساسي لشحن البطارية ببطء عندما تكون السيارة متوقفة.

محرك مزدوج‏

تم مؤخراً إحياء الفكرة القديمة للسيارة الهجين، التي تعتمد على مزيج من محرك كهربائي كبير ومحرك احتراق داخلي، وذلك بسبب الرغبة في تقليل استهلاك المركبات للوقود. مثل هذه السيارة لا تعاني من عيوب السيارة الكهربائية حيث يتم شحن البطارية أثناء القيادة. صمم فرديناند بورشه وأنتج أول نموذج ناجح لسيارة هجينة في وقت مبكر من عام 1902. واستخدم نظام الدفع التسلسلي الذي يقوم فيه محرك احتراق داخلي بتدوير مولد يستخدم لشحن البطارية. تقوم البطارية نفسها بتزويد الكهرباء لمحرك كهربائي متصل بالعجلات.

اليوم، يفضل المصنعون تصميمًا مختلفًا - نظام القيادة المتوازي. في مثل هذا التصميم، يتم توصيل المحركين بالعجلات. عند القيادة ببطء، أو عند التوقف، عادةً ما يقوم كمبيوتر السيارة بتنشيط المحرك الكهربائي فقط. يتم تشغيل محرك الاحتراق الداخلي بواسطة المحرك الكهربائي بسرعات حيث يواجه المحرك الكهربائي صعوبة في توفير متطلبات الطاقة الكاملة للسيارة.
عند حرق الإيثانول، ينبعث ثاني أكسيد الكربون، وعندما يستخدم الإيثانول والبنزين في قيادة المركبات، فإنهما مسؤولان أيضًا عن انبعاث الغازات الدفيئة إلى الغلاف الجوي

ومن تلك اللحظة، يُستخدم أيضًا محرك الاحتراق الداخلي لشحن البطارية من خلال مولد (مولد كهربائي) يقوم بتحويل الطاقة الميكانيكية إلى كهرباء. إن الجمع بين المحرك الكهربائي ومحرك الاحتراق الداخلي يضع حاليًا السيارات الهجينة على رأس قائمة السيارات الاقتصادية من حيث استهلاك الوقود.

هيكل نموذجي لنظام القيادة المتوازي في مركبة هجينة. يمكن لكلا المحركين دفع عجلات السيارة معًا أو بشكل منفصل. يتم شحن البطارية (المميزة باللون الأخضر) أثناء القيادة باستخدام مولد متصل بنظام القيادة. أثناء الكبح، يعمل المحرك الكهربائي كمولد ويوفر تيارًا إضافيًا لشحن البطارية.

الشحن أثناء الكبح

توفر البطارية في السيارة الهجينة، وكذلك السيارة الكهربائية، جهدًا مباشرًا يمكنه تشغيل محرك DC (التيار المباشر) مباشرة. ومع ذلك، يوجد اليوم ميل إلى تفضيل استخدام محرك AC (تيار متردد) متصل بمحول DC إلى AC (الجهد المباشر إلى الجهد المتردد). عادة ما يكون الجهد المطلوب لمحركات التيار المتردد أعلى (حوالي 300 فولت)، وتكون المحركات أكثر تكلفة، ولكن تتمتع هذه المحركات بميزة مهمة - حيث يمكن استخدامها لشحن البطارية أثناء فرملة السيارة.

تسمى هذه الطريقة بالكبح المتجدد: الضغط على دواسة الفرامل يقطع تدفق التيار الكهربائي من البطارية إلى المحرك الكهربائي، ويبدأ المحرك بالعمل في الاتجاه المعاكس كمولد، أي أن العجلات تحرك دواره وتتحرك تنتج الكهرباء التي تشحن البطارية. ووفقا لقانون لينز الذي يعد تعبيرا عن قانون حفظ الطاقة، فإن التيار الذي يتطور في المولد يخلق مجالا مغناطيسيا في اتجاه معاكس للمجال المغناطيسي الذي خلقه، وبالتالي يبطئ الدوار، أي فرملة السيارة .

بالإضافة إلى نظام الكبح المتجدد، يتم أيضًا تركيب فرامل عادية في هذه المركبات، وذلك للمساعدة في إيقاف السيارة تمامًا، ولكن تشغيلها محدود وتتآكل بشكل أقل من الفرامل النموذجية في السيارة العادية

القيادة على الكحول؟

يشير مصطلح السيارة الهجينة عادةً إلى السيارة التي تجمع بين محرك كهربائي ومحرك احتراق داخلي، ولكن بالمعنى العام فإن أي سيارة يتم فيها استخدام نوعين من القيادة معًا يمكن اعتبارها سيارة هجينة. هذه، على سبيل المثال، سيارة تعمل بمزيج من البنزين والإيثانول.

تحتوي هذه السيارات على نظام دفع "مرن" (وهذا هو السبب في أنها آلات تعمل بالوقود المرن أو للوقود المرن القصير) الذي يسمح لها باكتشاف تركيز الإيثانول في خليط الوقود (الوقود الذي يحتوي على الإيثانول يتميز بالحرف E على سبيل المثال، تحتوي مادة E85 على 15% بنزين و85% إيثانول مخلوط مع القليل من المواد الأخرى مثل الميثانول)، وضبط آلية حقن الوقود وتوقيت الإشعال بالشرارة لتحقيق الاحتراق الأمثل.

ومن المتطلبات الأخرى لمثل هذه السيارة ضرورة أن تكون أجزاء نظام الوقود مقاومة للإيثانول الذي يعتبر مادة أكثر تآكلًا من البنزين. كان هنري فورد من أوائل من أدركوا فكرة استهلاك الإيثانول في محرك الاحتراق الداخلي. وكان المبخر (المكربن) في سيارة "فورد موديل تي" الذي تم إنتاجه بين عامي 1908 و1927 قابلاً للتعديل ويمكنه العمل مع مخاليط وقود مختلفة.

الإيثانول - مزايا وعيوب

وبسبب أزمة النفط التي حدثت بسبب مقاطعة النفط العربية، بدأ انتعاش عالمي في السبعينيات فيما يتعلق بإنتاج الإيثانول لقيادة السيارات. وكانت البرازيل رائدة في تخصيص مساحات واسعة للمحاصيل المخصصة لإنتاج الإيثانول. واليوم توفر البرازيل التي تنتج الإيثانول من قصب السكر، والولايات المتحدة التي تنتج الإيثانول من الذرة، نحو 70% من استهلاك العالم من الإيثانول كوقود.

تعد البرازيل أيضًا رائدة عندما يتعلق الأمر بالتحول إلى سيارة تعمل بالإيثانول فقط (E100)، وقد بدأت شركات تصنيع السيارات الكبرى في إنتاج نماذج يمكنها العمل بالإيثانول النظيف - وهي نماذج مخصصة حاليًا للبرازيل والأرجنتين بشكل أساسي. التي تشترك في سياسة مماثلة. اتخذت البرازيل خطوة أخرى نحو إدخال الوقود الحيوي، وهو وقود من أصل بيولوجي، في سوق المركبات، واليوم لم يعد من الممكن العثور على وقود يحتوي على أقل من 26% من الإيثانول. ترجع شعبية الإيثانول في البرازيل جزئيا إلى سعره المنخفض، وذلك دون دعم حكومي.

يوجد اليوم اتجاه لمحاولة إنتاج الوقود الحيوي من النباتات التي لا يتم استهلاكها كغذاء أو استخدام أجزاء نباتية لا تستخدم في صناعة الأغذية.

لقد تصدرت مسألة تخصيص الأراضي على نطاق واسع لإنتاج الوقود الحيوي عناوين الأخبار خلال العام الماضي بسبب الارتفاع الحاد في أسعار المواد الغذائية في العالم. وتثير هذه القضية، التي أطلق عليها اسم "الغذاء مقابل الوقود"، سؤالاً حول ما إذا كان من الأفضل استخدام هذه المناطق لزراعة المحاصيل المعدة لاستخدامها كغذاء. وهذا سؤال عالمي له آثاره عندما يتعلق الأمر بقضية مكافحة الجوع في البلدان الفقيرة بشكل خاص والتي لا تستهلك الوقود إلا بالكاد، وليس من المستغرب.

وحتى من وجهة نظر بيئية، فإن الإيثانول ليس الحل الأمثل. أثناء احتراق الإيثانول، كما هو الحال في احتراق المركبات العضوية الأخرى، ينبعث ثاني أكسيد الكربون، وعندما يستخدمان في قيادة المركبات، يكون الإيثانول والبنزين مسؤولين عن كمية مماثلة من الغازات الدفيئة المنبعثة في الغلاف الجوي لكل كيلومتر يتم قطعه. تركز الحجة الرئيسية لمؤيدي الإيثانول على الطريقة التي يتم بها إنتاجه - فالمحاصيل التي يتم إنتاج الإيثانول منها تستهلك ثاني أكسيد الكربون في عملية التمثيل الضوئي، وبالتالي الحصول على دورة الغاز.

الوقود من الميدان

الكتلة الحيوية هو اسم عام للمواد الخام البيولوجية الطازجة المستخدمة لإنتاج الوقود الحيوي، على سبيل المثال الإيثانول. يتم إنتاج الإيثانول من خلال التخمير ثم التقطير. ومن الممكن في مثل هذه العملية التوصل إلى خليط يحتوي على 96% إيثانول و4% ماء (النسب الوزنية)، لأنه في مثل هذه النسب يغلي الخليط معاً ولا يمكن فصل مكوناته بالتقطير العادي (المحلول الأزيوتروبي). يمكنك الحصول على الإيثانول النظيف عن طريق إضافة البنزين أثناء التقطير. ويجب عدم استخدام مثل هذا الإيثانول في الغذاء لأن البنزين، الذي قد تبقى بقاياه في الإيثانول، هو مادة مسرطنة.

لا يمكن أن يتم التخمر الكحولي للمادة الخام بواسطة الخميرة إلا في ظل ظروف غير هوائية. في الخطوة الأولى، تقوم الخميرة بتحويل السكريات من المادة الخام إلى حمض البيروفيك، وفي هذه العملية تكتسب الطاقة الكيميائية المتاحة. ثم يقومون بتكسير حمض البيروفيك إلى ثاني أكسيد الكربون والأسيتالديهيد، ويعود إلى الإيثانول.

وهذه العملية معروفة جيدًا في صناعة الأغذية: ثاني أكسيد الكربون الذي تنتجه الخميرة في التخمير الكحولي هو ما يجعل العجين يرتفع، في حين أن الإيثانول، الذي يتبخر أثناء خبز الخبز، هو في الواقع منتج مرغوب فيه في تخمير العنب. عصير للنبيذ.

جمع غاز الميثان لإنتاج الغاز الحيوي

الغاز الحيوي هو مثال آخر للوقود الحيوي. وهو في الأساس غاز الميثان الذي يتم إنتاجه من مادة عضوية على عدة مراحل. المرحلة الأخيرة من إنتاج الميثان، والتي تسمى تكوين الميثان، يتم تنفيذها حصريًا بواسطة الكائنات القديمة ("البكتيريا البدائية")، في ظل ظروف غير هوائية، أي في غياب الأكسجين. فهي تستهلك جزيئات بسيطة، مثل الهيدروجين الجزيئي (H2)، وثاني أكسيد الكربون وحمض الخليك (حمض الأسيتيك)، وتحولها إلى غاز الميثان (CH4).

يمكن أن تكون المواد الخام الأولية لتلك الجزيئات البسيطة متنوعة للغاية، على سبيل المثال السكريات والبروتينات والدهون، لذلك ليس من المستغرب أن يتشكل الميثان تلقائيًا في مدافن النفايات البلدية. في المرحلة الأولى، تفرز الكائنات الحية الدقيقة المختلفة إنزيمات تعمل على تفكيك السلاسل الطويلة للجزيئات العضوية إلى وحداتها الأساسية - الجلوكوز والأحماض الأمينية والأحماض الدهنية - والتي تصبح هي نفسها جزيئات أصغر بمساعدة تلك الكائنات الحية الدقيقة.

يمكن جمع غاز الميثان الناتج في مدافن النفايات بسهولة نسبية، وهو ما يتم تنفيذه حاليًا في إسرائيل. بهذه الطريقة يمكنك الحصول على الغاز الحيوي بسعر منخفض، وفي الوقت نفسه منع غاز الميثان، وهو أحد الغازات الدفيئة، من الانطلاق في الغلاف الجوي.

إنتاج الإيثانول من السليلوز

وبدلاً من ذلك، يمكن إنتاج غاز الميثان وثاني أكسيد الكربون بشكل استباقي في منشأة بلدية مصممة لفصل أنواع القمامة ومعالجة القمامة. على غرار الغاز الطبيعي، الذي يتكون في معظمه من غاز الميثان، فإن للغاز الحيوي العديد من الاستخدامات. ورغم أن احتراقه يصاحبه انبعاث ثاني أكسيد الكربون، إلا أن استخدام غاز الميثان في محطات الطاقة يعتبر أكثر صداقة للبيئة من الفحم على سبيل المثال. تعتبر كمية ثاني أكسيد الكربون المنبعثة أثناء احتراق غاز الميثان منخفضة مقارنة بأي مادة عضوية أخرى، كما لا تنبعث أي جزيئات ملوثة أثناء العملية ولا توجد أي منتجات ثانوية خطيرة.

أصبحت الدراسات التي تتناول إنتاج الوقود الحيوي شائعة في السنوات الأخيرة. يوجد اليوم اتجاه لمحاولة إنتاج الوقود الحيوي من النباتات التي لا يتم استهلاكها كغذاء أو استخدام أجزاء نباتية لا تستخدم في صناعة الأغذية. وهذا النوع من الوقود الحيوي، الذي لا يشكل مشكلة في كل ما يتعلق بموضوع "الغذاء مقابل الوقود"، يسمى "الجيل الثاني من الوقود الحيوي".

ومن الأمثلة على هذا التطور فكرة إنتاج الإيثانول من السليلوز (السليلوز)، وهو غير قابل للهضم من قبل الإنسان. السليلوز هو عديد السكاريد الذي تم بناؤه على شكل سلسلة طويلة من جزيئات الجلوكوز. إحدى الصعوبات في تحضير السليلوز لعملية التخمير تنبع من الحاجة إلى فصل السليلوز عن المكونات غير السكرية للشجرة، مثل اللجنين.

تكمن الصعوبة الأخرى في الحاجة إلى تحطيم السليلوز إلى جزيئات الجلوكوز. يمكن أن يتم التحلل باستخدام حمض أو باستخدام إنزيم يسمى السليولاز. في الطبيعة، يتم إفراز الإنزيمات التي تنتمي إلى مجموعة السليلوز عن طريق الفطريات والكائنات الحية الدقيقة، مثل الكائنات الحية الدقيقة التي تعيش في الجهاز الهضمي للأوراق الخضراء، والتي بفضلها تستطيع هذه الحيوانات هضم السليلوز. وبفضل دعم الحكومة الأمريكية في إنتاج الإيثانول السليولوزي، فقد حققت الفكرة تقدما كبيرا في العامين الأخيرين، خاصة فيما يتعلق بإنتاج الإنزيمات المحسنة وإنشاء مصانع لإنتاج الإيثانول السليولوزي.

التحدي: محرك ديزل

يمثل محرك الديزل نوعًا مختلفًا من التحدي لصناعة الوقود الحيوي. ويحتاج هذا المحرك إلى وقود ثقيل نسبياً يشتعل بسرعة عند حقنه في المحرك حيث يوجد هواء عالي الضغط. ومن المعتاد اليوم أن يتم تزويد المركبات المجهزة بمثل هذا المحرك بوقود الديزل، وهو أحد منتجات تكرير النفط، ولكن هناك خيارات أخرى.
لم يكن الهيدروجين ناجحًا مثل البنزين بين المركبات البرية، لكن في سباق الفضاء لعب الهيدروجين السائل دورًا مهمًا كوقود لمحركات الصواريخ الخاصة بمنصات الإطلاق.

ومن المثير للدهشة أن رودولف ديزل (ديزل) نفسه كان يعتقد أن الزيت النباتي هو الوقود المفضل للمحرك الذي اخترعه. من الممكن بالفعل استخدام الزيت النباتي، الطازج أو المستعمل، لهذا الغرض، لكن لزوجته العالية قد تمنع السائل من الانفصال إلى قطرات صغيرة عند حقنه في المحرك، وبالتالي إتلاف آلية الحقن والتسبب في احتراق الوقود بشكل غير كامل.

هذه المشكلة لها حل بسيط إلى حد ما - عملية كيميائية تسمى الأسترة التبادلية. في هذه العملية، يضاف الكحول (الإيثانول أو الميثانول) إلى الزيت أو الدهون. تتفاعل الدهون الثلاثية مع الكحول في وجود قاعدة تعمل كمحفز. في هذه العملية، يتم تشكيل الجلسرين وأحادي استر. الإستر الناتج في هذه العملية، والذي يتميز بلزوجة منخفضة نسبيًا، مناسب للاستخدام كوقود حيوي، أي وقود حيوي مصمم لمحرك الديزل.

الطحالب أم لا تكون

أحد الاتجاهات المثيرة للاهتمام في مجال وقود الديزل الحيوي هو استخدام الطحالب كمادة خام. وفي عام 1978، أعلنت الحكومة الأمريكية عن برنامج بحثي يهدف إلى تعزيز هذا الاتجاه بعدة طرق - بدءا من العثور على سلالات الطحالب التي تحتوي على كمية كبيرة من الأحماض الدهنية وانتهاء بتحسين طرق استخلاص الزيت من الطحالب. على سبيل المثال، تم اكتشاف أنه من الممكن زيادة إنتاج الأحماض الدهنية التي تنتجها الطحالب ليس فقط من خلال التغذية المناسبة، ولكن أيضًا من خلال الطرق الوراثية.

ووجد الباحثون أن الإفراط في التعبير عن الجين الذي يرمز لإنتاج إنزيم أسيتيل CoA carboxylase، وهو إنزيم مهم أيضًا في دراسة السمنة لدى البشر، يمكن أن يزيد بشكل كبير من نسبة الأحماض الدهنية في خلايا الطحالب. تم إيقاف البرنامج في عام 1996 بسبب التقييم الذي مفاده أن زراعة الطحالب لإنتاج وقود الديزل الحيوي لن تؤتي ثمارها إلا إذا ارتفع سعر النفط بشكل كبير، وهو ما حدث بالفعل بعد عشر سنوات.

تتمتع الطحالب ببعض المزايا الهامة مقارنة بالمحاصيل الأخرى لإنتاج الوقود الحيوي - فهي تنمو بسرعة ولا تستهلك أي مساحة تقريبًا. يمكنك زراعتها في كيس أو وعاء شفاف وبالتالي زيادة كمية الضوء التي تصل إليها. الاتجاه هو إنشاء مزارع الطحالب بالقرب من المصانع التي تنبعث منها كميات كبيرة من ثاني أكسيد الكربون، وتدفق الغاز اللازم لعملية التمثيل الضوئي مباشرة إلى المزرعة. وهذا يزيد من معدل نمو الطحالب وفي نفس الوقت يتيح إعادة تدوير الغازات الدفيئة.

يمكن استخدام مزرعة الطحالب ليس فقط لإنتاج وقود الديزل الحيوي. يمكن تخمير السكريات المتبقية بعد استخلاص الزيت وإنتاج الإيثانول، ويمكن استخدام البروتينات في صناعة المواد الغذائية. الصعوبة الرئيسية في زراعة الطحالب هي حساسيتها للعدوى والظروف البيئية، لذلك يجب أن يتم النمو تحت ظروف خاضعة للرقابة.

اقتصاد الهيدروجين

الوقود الوحيد الذي لا ينبعث منه ثاني أكسيد الكربون عند احتراقه هو الهيدروجين. عند حرق الهيدروجين، يتحد الهيدروجين مع الأكسجين ويكون الناتج الوحيد هو الماء. إن التحول إلى استخدام غاز الهيدروجين كمصدر رئيسي للوقود للمركبات سوف يتطلب إعداد بنى تحتية واسعة النطاق، والتي لن تشمل فقط تطوير المركبات ذات أنظمة الدفع المناسبة، وتطوير نظام لنقل كميات كبيرة من الهيدروجين و تطوير نظام مناسب للتزود بالوقود، ولكن أيضًا نظام لإنتاج الهيدروجين - وهو غاز يوجد بكميات ضئيلة في الغلاف الجوي. ويسمى النهج الذي يدعم استبدال الوقود المستخدم لقيادة المركبات بغاز الهيدروجين باقتصاد الهيدروجين.

كثافة طاقة الهيدروجين، أي كمية الطاقة التي يمكن إنتاجها من كل كيلوغرام من المادة، هي الأعلى بين جميع مواد الاحتراق الموجودة، ولا عجب أنه تم استخدامه في محركات الاحتراق الداخلي منذ اختراعها في أوائل القرن التاسع عشر. من المسلم به أن الهيدروجين لم يكن ناجحًا مثل البنزين بين المركبات البرية، ولكن في سباق الفضاء، لعب الهيدروجين السائل دورًا مهمًا كوقود لمحركات الصواريخ الخاصة بقاذفات الصواريخ.

للاستخدام الفعال في السيارات، يجب ضغط الغاز حتى 700 ضغط جوي. إنها ليست مهمة سهلة وتتطلب الكثير من الاستثمار في الطاقة، ولكن بمجرد ضغط الغاز سيكون من السهل نسبيًا نقله إلى محطة الوقود وإعادة تزويد السيارات بالوقود باستخدام أنبوب وقود مغلق.

وتجدر الإشارة إلى أن الهيدروجين ما لم يتلامس مع الأكسجين فإن استخدامه أقل خطورة من استخدام البنزين، وذلك بسبب ارتفاع درجة حرارة الاشتعال الذاتي فيه إلى أكثر من 500 درجة مئوية). ومن ناحية أخرى، فإن الهيدروجين المتسرب الذي يتلامس مع الأكسجين قد يشتعل عند درجة حرارة منخفضة.

سيارة متعددة الوقود

وبالفعل أصبح من الممكن اليوم التحول إلى استخدام الهيدروجين كوقود في محركات البنزين، ويمكن للمستهلك الاختيار بين شراء طراز جديد أو تكييف سيارة قديمة للقيادة بالهيدروجين. وتتمثل التغييرات الأساسية في استبدال آلية حقن الوقود وتعديل المواد التي صنعت منها غرفة الاحتراق، لكن معظم تكلفة التعديل تنبع على وجه التحديد من الحاجة إلى استبدال خزان الوقود بآخر مصنوع من ألياف الكربون، خزان خفيف وقوي يحمل غاز الهيدروجين المضغوط.

ينبع القيد الرئيسي اليوم من الحاجة إلى خزان وقود ضخم - فخزان الوقود النموذجي لسيارة عائلية سيكون كافيًا للسفر لمسافة أقل من مائة كيلومتر، حتى لو تم استخدام الهيدروجين السائل.
والخيار المناسب على المدى القريب هو "السيارة متعددة الوقود"، والتي ستحتوي على عدة خزانات مصممة لأنواع مختلفة من الوقود، مثل البنزين والإيثانول والغاز الطبيعي وغاز الهيدروجين.

مواد جديدة لخزانات الوقود قيد التطوير. وستكون هذه المواد قادرة على زيادة كمية الهيدروجين المخزن من خلال دمج الهيدروجين مع المادة نفسها. مثال على هذه المادة هو مركب الصوديوم والألمنيوم والذي في وجود الهيدروجين يمكن أن يصبح هيدريد. ويتمثل التحدي في تقليل درجة الحرارة التي يتم عندها إطلاق الهيدروجين من المادة، والتي تبلغ حاليًا حوالي 300 درجة مئوية.

والخيار الأكثر ملاءمة على المدى القريب هو "السيارة متعددة الوقود"، والتي ستحتوي على عدة خزانات مصممة لأنواع مختلفة من الوقود، مثل البنزين والإيثانول والغاز الطبيعي وغاز الهيدروجين. سيقوم كمبيوتر السيارة تلقائيًا بضبط أنظمة حقن وإشعال المحرك وفقًا لنوع الوقود الذي يختاره السائق.

خلايا الوقود اللازمة لتشغيل محرك كهربائي

وعلى المدى الطويل، فإن الأمل في اقتصاد الهيدروجين يعتمد على طريقة دفع أخرى - السيارة الكهربائية التي تستقبل طاقتها الكهربائية من خلايا الوقود. خلية الوقود هي جهاز مشابه للخلية الكهروكيميائية، باستثناء أنه على عكس الخلية الكهروكيميائية، تحتاج خلية الوقود إلى إمداد ثابت من المواد المتفاعلة. ومن ناحية أخرى، لا تحتاج خلية الوقود إلى الشحن مثل بطارية السيارة العادية. المواد المتفاعلة في خلية وقود الهيدروجين هي الهيدروجين والأكسجين، لذلك فهي تحتاج إلى إمدادات ثابتة من الهيدروجين الجزيئي والهواء. يتدفق الهيدروجين عند ضغط مرتفع نحو القطب الموجب، حيث يخضع لتفاعل أكسدة في وجود محفز، مثل البلاتين (انظر الشكل).

ونتيجة لتفاعل الأكسدة، يتم فصل كل جزيء هيدروجين (H2) إلى بروتونين وإلكترونين. وتتدفق الإلكترونات عبر دائرة كهربائية خارجية إلى مستهلك التيار وهو المحرك الكهربائي، بينما تعبر البروتونات الإلكتروليت الموجود في وسط الخلية. عند الكاثود الموجود على الجانب الآخر من المنحل بالكهرباء، والذي يمنع مرور الإلكترونات من خلاله، يحدث تفاعل الأكسدة والاختزال للأكسجين (O2) في وجود محفز. يتم امتصاص الإلكترونات التي تتدفق في الدائرة الكهربائية بواسطة جزيئات الأكسجين التي تنشأ من الهواء المتدفق إلى الكاثود، ومن ثم تتفاعل أيونات الأكسجين السالبة مع أيونات الهيدروجين الموجبة (البروتونات) ويتكون الماء.

تنتج خلية وقود الهيدروجين جهدًا كهربائيًا قدره 0.7 فولت، لذا يلزم وجود مجموعة كبيرة من خلايا الوقود لتشغيل محرك كهربائي. وتعتبر تكلفة إنتاج مثل هذه السيارة الكهربائية مرتفعة، بسبب سعر خلايا الوقود، ويجب الافتراض أن مثل هذه السيارات لن يتم إنتاجها بكميات كبيرة إلا بعد إحراز تقدم في تطوير خلايا الوقود. تستخدم خلية وقود الهيدروجين الطاقة المنطلقة عندما يتحد الهيدروجين مع الأكسجين. أما العملية العكسية، والتي يتم فيها إنتاج غاز الهيدروجين من الماء، فهي عملية تستهلك الكثير من الطاقة.

طرق إنتاج الهيدروجين

من بين طرق إنتاج الهيدروجين، الأكثر إثارة للاهتمام هي تلك التي يمكن تنفيذها باستخدام الطاقة الشمسية ودون استخدام الوقود الأحفوري. أبسط عملية، تسمى التحلل الحراري، تعتمد على تسخين الماء إلى درجة حرارة حوالي 2,500 درجة مئوية، والتي يمكن تحقيقها عن طريق تركيز ضوء الشمس. عند درجة الحرارة هذه، تنقسم جزيئات الماء إلى هيدروجين جزيئي وأكسجين جزيئي.

الأدوات المستخدمة للعملية التي تتطلب درجات حرارة عالية هذه، تكون مصنوعة من مواد خزفية، مثل مركبات الزركونيوم (Zr).

هناك طريقة أخرى تتطلب درجة حرارة منخفضة تسمى الدورة الكيميائية الحرارية. في الخطوة الأولى، يتم فصل أكسيد معدني، على سبيل المثال أكسيد الزنك، إلى معدن وأكسجين. تتم هذه الخطوة عند درجة حرارة عالية تتراوح ما بين ألف إلى ألفي درجة مئوية (حسب نوع الأكسيد). في المرحلة الثانية، والتي تحدث عند درجة حرارة أقل، يُسمح للمعدن بالتفاعل مع الماء؛ في هذا التفاعل يتكون الأكسيد الأصلي ويتحرر الهيدروجين.

يعد اقتصاد الهيدروجين خيارًا مثيرًا للاهتمام بالنسبة لدولة إسرائيل. هناك بالفعل مخاطرة في مثل هذا الاستثمار، لأن سوق الهيدروجين يعتمد على كبار مصنعي السيارات وتطوير قطاع خلايا الوقود، وكذلك على الضغوط التي يمارسها كبار موردي النفط. ومع ذلك، إذا كان هناك بالفعل تحول عالمي نحو اقتصاد الهيدروجين، فإن لدى إسرائيل فرصة لتصبح لاعبًا رئيسيًا في هذا السوق من خلال الاستثمار في محطات إنتاج الهيدروجين باستخدام المورد الأكثر توفرًا في بلدنا - الطاقة الشمسية.

* جودي ميلاميد كاتس كيميائية، تعمل حاليًا على إكمال درجة الدكتوراه في قسم وقاية النباتات في الجامعة العبرية.

* أرييه ميلاميد كاتز هو مهندس إلكترونيات ودكتوراه في الفيزياء، ومحاضر في موضوعات علمية، ويعمل في مجال الاستشارات والكتابة العلمية.