وقود الحبيبات

تُعدّ حبيبات الوقود (أو الكريات ) نوعًا من أنواع الوقود الصلب المصنوع من مواد عضوية مضغوطة . ^{[ 1 ]} ويمكن تصنيع الكريات من أيٍّ من الفئات الخمس العامة للكتلة الحيوية : النفايات الصناعية والمنتجات الثانوية، ونفايات الطعام ، والمخلفات الزراعية ، ومحاصيل الطاقة ، والأخشاب غير المعالجة . ^{[ 2 ]}

تُعدّ حبيبات الخشب أكثر أنواع وقود الحبيبات شيوعًا، وتُصنع عادةً من نشارة الخشب المضغوطة ^{[ 3 ]} والنفايات الصناعية الناتجة عن طحن الأخشاب، وتصنيع المنتجات الخشبية والأثاث ، والبناء . ^{[ 4 ]} تشمل مصادر النفايات الصناعية الأخرى عناقيد الفاكهة الفارغة، وقشور نواة النخيل ، وقشور جوز الهند ، وأغصان الأشجار والفروع المهملة أثناء عمليات قطع الأشجار . ^{[ 5 ] [ 6 ]} أما ما يُسمى بـ"الحبيبات السوداء" فهي مصنوعة من الكتلة الحيوية ، ومُكرّرة لتُشبه الفحم الصلب ، وقد طُوّرت لاستخدامها في محطات توليد الطاقة التي تعمل بالفحم . ^{[ 7 ]} تُصنّف الحبيبات حسب قيمتها الحرارية ، ومحتواها من الرطوبة والرماد ، وأبعادها. ويمكن استخدامها كوقود لتوليد الطاقة، والتدفئة التجارية أو السكنية، والطهي . ^{[ 8 ]}

تتميز الكريات بكثافتها العالية للغاية، ويمكن إنتاجها بمحتوى رطوبة منخفض، أقل من 10%، مما يسمح باحتراقها بكفاءة عالية جدًا . [ ^{9 ] يتيح} شكلها الهندسي المنتظم وحجمها الصغير التغذية الآلية بمعايرة دقيقة للغاية. ويمكن تغذيتها إلى الموقد عن طريق التغذية اللولبية أو النقل الهوائي . كما تسمح كثافتها العالية بتخزينها ونقلها بشكل مضغوط لمسافات طويلة. ويمكن نفخها بسهولة من صهريج إلى مخزن أو صومعة في موقع العميل. ^{[ 10 ]}

تم تطوير وتسويق مجموعة واسعة من مواقد الحبيبات الخشبية ، وأفران التدفئة المركزية، وغيرها من أجهزة التدفئة منذ منتصف ثمانينيات القرن الماضي. ^{[ 11 ]} ومع الارتفاع الكبير في أسعار الوقود الأحفوري منذ عام 2005، ازداد الطلب على التدفئة بالحبيبات الخشبية في أوروبا وأمريكا الشمالية ، وبرزت صناعة كبيرة في هذا المجال. ووفقًا لتقرير فريق العمل رقم 40 التابع لوكالة الطاقة الدولية ، فقد تضاعف إنتاج حبيبات الخشب أكثر من مرتين بين عامي 2006 و2010 ليصل إلى أكثر من 14 مليون طن. ^{[ 12 ]} وفي تقرير صدر عام 2012، ذكر مركز موارد طاقة الكتلة الحيوية أنه يتوقع أن يتضاعف إنتاج حبيبات الخشب في أمريكا الشمالية مرة أخرى خلال السنوات الخمس المقبلة. ^{[ 13 ]}

تُصنع الكريات الخشبية بضغط مادة الخشب بعد طحنها في مطحنة مطرقية للحصول على كتلة متجانسة تشبه العجين. ^{[ 14 ]} تُغذى هذه الكتلة إلى مكبس، حيث تُضغط عبر قالب به ثقوب بالحجم المطلوب، عادةً 6  مم، وأحيانًا 8  مم أو أكبر. يؤدي الضغط العالي للمكبس إلى ارتفاع درجة حرارة الخشب بشكل كبير، ويتحول اللجنين إلى مادة لدنة قليلاً، مكونًا مادة لاصقة طبيعية تُحافظ على تماسك الكرية أثناء تبريدها. ^{[ 9 ]}

يمكن تصنيع الكريات من الأعشاب وغيرها من أشكال الكتلة الحيوية غير الخشبية التي لا تحتوي على اللجنين. أشارت تقارير إخبارية من جامعة كورنيل عام 2005 إلى أن إنتاج كريات الأعشاب كان أكثر تقدماً في أوروبا منه في أمريكا الشمالية. وأوضحت التقارير أن من فوائد الأعشاب كمادة خام قصر فترة نموها (70 يوماً)، وسهولة زراعتها ومعالجتها. ونقلت التقارير عن جيري تشيرني، أستاذ الزراعة في الجامعة، قوله إن الأعشاب تُنتج 96% من حرارة الخشب، وأنه "يمكن استخدام أي خليط من الأعشاب، يُحصد في منتصف الصيف أو أواخره، ويُترك في الحقل لاستخلاص المعادن، ثم يُكبس ويُحوّل إلى كريات. ولا يتطلب تجفيف التبن عملية التحويل إلى كريات، مما يجعل تكلفة المعالجة أقل من تكلفة تحويل الخشب إلى كريات." ^{[ 15 ]} وفي عام 2012، أعلنت وزارة الزراعة في نوفا سكوتيا عن مشروع تجريبي لتحويل غلاية تعمل بالنفط إلى كريات أعشاب في منشأة بحثية. ^{[ 16 ]}

تُصنع كريات وقود قشور الأرز عن طريق ضغط قشور الأرز المُستخرجة كمنتج ثانوي من زراعة الأرز في الحقول. وهي تتميز بخصائص مشابهة لكريات الخشب، ولكنها أكثر ملاءمة للبيئة ، حيث أن المادة الخام هي منتج ثانوي . تبلغ الطاقة المُضافة حوالي 4-4.2 كيلو كالوري/كيلوجرام، ونسبة الرطوبة فيها عادةً أقل من 10%. يُحافظ على حجم الكريات عادةً بقطر 6  مم وطول 25  مم على شكل أسطوانة؛ مع العلم أن الأسطوانات الأكبر حجمًا أو القوالب ليست نادرة. وهي أرخص بكثير من كريات الطاقة المماثلة، ويمكن ضغطها/تصنيعها من القشور في المزرعة نفسها باستخدام آلات رخيصة. وهي عمومًا أكثر ملاءمة للبيئة مقارنةً بكريات الخشب. ^{[ 17 ] [ 18 ] [ 19 ] [ 20 ] [ 21 ] [ 22 ] [ 23 ]} في مناطق العالم التي يعتبر فيها القمح المحصول الغذائي السائد، يمكن أيضًا ضغط قشور القمح لإنتاج كريات الطاقة، بخصائص مشابهة لكريات قشور الأرز.

يُقدّر تقرير صادر عن اتحاد أبحاث المواد الصناعية المتجددة ( CORRIM ) حول جرد دورة حياة تصنيع واستخدام حبيبات الخشب، أن الطاقة اللازمة لتجفيفها وتكويرها ونقلها تقل عن 11% من محتوى الطاقة في الحبيبات عند استخدام نفايات الخشب الصناعية المجففة مسبقًا. أما إذا صُنعت الحبيبات مباشرةً من مواد الغابات، فإن تجفيف الخشب يتطلب ما يصل إلى 18% من الطاقة، بالإضافة إلى 8% أخرى لطاقة النقل والتصنيع. وخلص تقييم الأثر البيئي لحبيبات الخشب المُصدّرة، الذي أجرته كلية الهندسة الكيميائية والمعادن بجامعة بولونيا في إيطاليا ومركز أبحاث الطاقة النظيفة بجامعة كولومبيا البريطانية ، ونُشر عام 2009، إلى أن الطاقة المُستهلكة لشحن حبيبات الخشب الكندية من فانكوفر إلى ستوكهولم (15,500  كم عبر قناة بنما ) تُقدّر بنحو 14% من إجمالي محتوى الطاقة في حبيبات الخشب. ^{[ 24 ] [ 25 ]}

معايير الكريات

تتميز الكريات المطابقة للمعايير الشائعة الاستخدام في أوروبا (DIN 51731 أو Ö-Norm M-7135) بمحتوى مائي أقل من 10%، وكثافة متجانسة تزيد عن طن واحد لكل متر مكعب، مما يجعلها تغوص في الماء. (في المقابل، تبلغ الكثافة الظاهرية لكتلة من الكريات، بما في ذلك الهواء المحبوس، حوالي 0.6-0.7 طن لكل متر مكعب فقط). تتمتع هذه الكريات بقوة هيكلية جيدة، ومحتوى منخفض من الغبار والرماد. ^{[ 8 ]} ولأن ألياف الخشب تُكسر بواسطة مطحنة المطرقة، فلا يوجد فرق يُذكر في الكريات النهائية بين أنواع الخشب المختلفة. يمكن تصنيع الكريات من أي نوع من أنواع الخشب تقريبًا؛ شريطة أن تكون مكبس الكريات مجهزًا بأجهزة قياس جيدة، يمكن تعويض الاختلافات في المواد الخام في ضبط المكبس. في أوروبا، تتركز مناطق الإنتاج الرئيسية في جنوب الدول الاسكندنافية ، وفنلندا ، وأوروبا الوسطى ، والنمسا ، ودول البلطيق . ^{[ 26 ] [ 27 ]}

تُصنف الكريات المطابقة للمعايير الأوروبية والتي تحتوي على خشب مُعاد تدويره أو ملوثات خارجية ضمن فئة الكريات B. ^{[ 8 ]} وتُعد المواد المُعاد تدويرها ، مثل ألواح الخشب المضغوط، والخشب المُعالج أو المطلي، والألواح المطلية براتنج الميلامين، وما شابهها، غير مناسبة للاستخدام في الكريات، لأنها قد تُنتج انبعاثات ضارة وتغيرات غير مُتحكم بها في خصائص احتراق الكريات.

تختلف المعايير المستخدمة في الولايات المتحدة ، إذ وضعها معهد وقود الكريات ، وهي، كما هو الحال في أوروبا، غير إلزامية. ومع ذلك، يلتزم العديد من المصنّعين بها، لأن ضمانات معدات الاحتراق المصنّعة أو المستوردة في الولايات المتحدة قد لا تغطي الأضرار الناجمة عن استخدام كريات غير مطابقة للوائح. وقد ارتفعت أسعار الكريات الأمريكية بشكل كبير خلال فترة تضخم أسعار الوقود الأحفوري في عامي 2007 و2008، لكنها انخفضت لاحقًا بشكل ملحوظ، وهي عمومًا أقل سعرًا لكل وحدة طاقة من معظم أنواع الوقود الأحفوري ، باستثناء الفحم .

تعكف الهيئات التنظيمية في أوروبا وأمريكا الشمالية على تشديد معايير الانبعاثات لجميع أنواع التدفئة بالخشب، بما في ذلك كريات الخشب ومواقد الكريات. ستصبح هذه المعايير إلزامية، مع إجراء اختبارات معتمدة من جهات مستقلة لضمان الامتثال. ^{[ 28 ] [ 29 ]} في الولايات المتحدة، استكملت القواعد الجديدة التي بدأ العمل بها عام 2009 عملية المراجعة التنظيمية لوكالة حماية البيئة ، ^{[ 30 ]} حيث صدرت القواعد الجديدة النهائية للتعليق عليها في 24 يونيو 2014. ^{[ 31 ] [ 32 ] [ 33 ]} وستكون لجنة معايير الأخشاب الأمريكية هي الجهة المستقلة المسؤولة عن اعتماد معايير الكريات الجديدة. ^{[ 34 ]}

يمكن أن تنبعث من حبيبات الخشب كميات كبيرة من أول أكسيد الكربون السام أثناء التخزين نتيجة الأكسدة الذاتية . وقد وقعت حوادث مميتة في مخازن خاصة ^{[ 35 ]} وعلى متن السفن البحرية. ^{[ 36 ] [ 37 ]}

عند التعامل مع حبيبات الخشب، فإنها تنبعث منها غبار ناعم يمكن أن يتسبب في انفجارات غبار خطيرة . ^{[ 38 ]}

تُخزّن حبيبات الخشب عادةً بكميات كبيرة في صوامع ضخمة. قد تسخن هذه الحبيبات ذاتيًا وتشتعل، مُسببةً حريقًا بطيئًا عميقًا يصعب إخماده. يُنتج هذا الحريق غاز أول أكسيد الكربون السام وغازات التحلل الحراري القابلة للاشتعال ، مما قد يؤدي إلى انفجارات في الصوامع. ^{[ 39 ]}

توجد ثلاثة أنواع عامة من أجهزة التدفئة التي تعمل بالكريات: مواقد الكريات القائمة بذاتها، ومواقد الكريات المدمجة، وغلايات الكريات .

تعمل مواقد الحبيبات الخشبية مثل الأفران الحديثة ، حيث يُخزَّن الوقود، سواءً كان خشبًا أو حبيبات من الكتلة الحيوية، في خزان يُسمى القادوس. يمكن وضع القادوس أعلى الجهاز أو جانبه أو في مكان بعيد. يقوم مثقب ميكانيكي بتغذية الحبيبات تلقائيًا إلى وعاء الاحتراق، حيث تحترق في درجات حرارة عالية مع الحد الأدنى من الانبعاثات. تنقل أنابيب التبادل الحراري الهواء الساخن الناتج عن النار إلى الغرفة، بينما تعمل مراوح الحمل الحراري على تدوير الهواء عبر هذه الأنابيب إلى الغرفة. تحتوي مواقد الحبيبات الخشبية على لوحات دوائر كهربائية داخلية تعمل كمنظم حرارة لتنظيم درجة الحرارة. ^{[ 40 ]}

موقد الحبيبات هو موقد يتم إدخاله في مدفأة مبنية من الطوب أو مدفأة خشبية مسبقة الصنع ، على غرار مدفأة داخلية .

تُعدّ غلايات الحبيبات أنظمة تدفئة مركزية مستقلة وأنظمة مياه ساخنة مصممة لاستبدال أنظمة الوقود الأحفوري التقليدية في التطبيقات السكنية والتجارية والمؤسسية. تشمل غلايات الحبيبات الأوتوماتيكية أو ذاتية التشغيل صوامع لتخزين الحبيبات بكميات كبيرة، ونظام توصيل وقود ينقل الوقود من الصومعة إلى القادوس، ووحدة تحكم منطقية لتنظيم درجة الحرارة عبر مناطق التدفئة المتعددة، ونظام آلي لإزالة الرماد لضمان التشغيل الآلي طويل الأمد. ^{[ 41 ]}

تتيح سلال الحبيبات تدفئة المنزل باستخدام الحبيبات في المواقد أو المدافئ الموجودة. ^{[ 42 ]}

تبلغ الطاقة الموجودة في حبيبات الخشب حوالي 4.7 - 5.2 ميغاواط ساعة / طن ^{[ 43 ] [ 44 ]} (~7450 وحدة حرارية بريطانية / رطل)، 14.4-20.3 ميغا جول / كجم. ^{[ 45 ]}

تم تطوير مواقد وغلايات تعمل بحبيبات الخشب عالية الكفاءة في السنوات الأخيرة، حيث توفر عادةً كفاءة احتراق تتجاوز 85%. ^{[ 46 ]} ويمكن لأحدث جيل من غلايات حبيبات الخشب العمل في وضع التكثيف، وبالتالي تحقيق قيم كفاءة أعلى بنسبة 12%. ^{[ 47 ]}

تتميز غلايات حبيبات الخشب بقدرة محدودة على التحكم في معدل الاحتراق وكثافته مقارنةً بأنظمة الاحتراق السائل أو الغازي. ولذلك، فهي أنسب لأنظمة التدفئة المائية نظرًا لقدرة هذه الأنظمة العالية على تخزين الحرارة. كما تتوفر أيضًا مواقد حبيبات قابلة للتحديث لتناسب غلايات حرق الزيت. ^{[ 10 ]}

تُعدّ الانبعاثات من معدات حرق الكريات الخشبية ، مثل أكاسيد النيتروجين _{وأكاسيد الكبريت} والمركبات العضوية المتطايرة، منخفضةً عمومًا مقارنةً بأنواع التدفئة الأخرى بالاحتراق. ^{[ 48 ]} ومن المشاكل المعروفة انبعاث الجسيمات الدقيقة في الهواء، لا سيما في المناطق الحضرية التي تضمّ تركيزًا عاليًا من أنظمة التدفئة بالكريات الخشبية أو أنظمة التدفئة بالفحم أو النفط على مقربة من بعضها. وقد تُشكّل انبعاثات الجسيمات _{الدقيقة} (PM2.5 ) من مواقد الكريات الخشبية والغلايات القديمة مشكلةً في الأماكن المغلقة، خاصةً بالمقارنة مع الغاز الطبيعي (أو الغاز الحيوي المتجدد )، مع العلم أنه في المنشآت الكبيرة، يمكن لأجهزة الترسيب الكهروستاتيكي ، أو الفواصل الإعصارية ، أو مرشحات الجسيمات الكيسية التحكم في الجسيمات عند صيانتها وتشغيلها بشكل صحيح. ^{[ 49 ]}

لا يزال هناك غموضٌ حول مدى مساهمة توليد الحرارة أو الكهرباء عن طريق حرق حبيبات الخشب في تغير المناخ العالمي ، وكذلك كيفية مقارنة تأثيره على المناخ بتأثير استخدام مصادر حرارة بديلة. ^{[ 9 ] [ 50 ] [ 51 ] [ 52 ]} تشمل عوامل هذا الغموض مصدر الخشب، وانبعاثات ثاني أكسيد الكربون الناتجة عن الإنتاج والنقل، بالإضافة إلى انبعاثات الاحتراق النهائي، والإطار الزمني المناسب للدراسة. ^{[ 9 ] [ 50 ] [ 53 ]}

خلص تقرير ^{[ 9 ]} صدر عام 2010 إلى أن حرق الكتلة الحيوية، مثل حبيبات الخشب أو رقائق الخشب، يُطلق كمية كبيرة من _ثاني أكسيد الكربون في الهواء، مما يُنشئ "دينًا كربونيًا" لا يُسدّد إلا بعد 20-25 عامًا، وبعدها يتحقق مكسب صافٍ. ^{[ 9 ]} وقد شكك آخرون في هذه الاستنتاجات، ^{[ 54 ] [ 55 ]} وأشار علماء إلى وجود ثغرات في التقرير، مما يوحي بأن تأثيرات تغير المناخ أسوأ مما ورد في التقارير. ^{[ 50 ] [ 56 ]}

حتى عام 2008 تقريبًا، كان يُفترض عمومًا، حتى في الأبحاث العلمية، أن طاقة الكتلة الحيوية (بما في ذلك تلك المُستمدة من حبيبات الخشب) محايدة للكربون، ويعود ذلك أساسًا إلى الاعتقاد السائد بأن إعادة نمو الغطاء النباتي يُعيد امتصاص وتخزين الكربون المنبعث في الهواء. ^{[ 57 ]} ثم بدأت تظهر أبحاث علمية تُعنى بدراسة الآثار المناخية للكتلة الحيوية، والتي دحضت الافتراض المُبسط لحيادها الكربوني . ^{[ 53 ] [ 58 ]} ووفقًا لمركز موارد طاقة الكتلة الحيوية، فقد تحوّل افتراض الحياد الكربوني إلى إدراك أن الآثار الكربونية للكتلة الحيوية تعتمد على كيفية حصاد الوقود، وأنواع الغابات التي تُستخرج منها، وأنواع إدارة الغابات المُطبقة، وكيفية استخدام الكتلة الحيوية بمرور الوقت وفي مختلف المناطق. ^{[ 49 ]}

يشعر قطاع صناعة المنتجات الخشبية بالقلق من أنه في حال تطبيق استخدام واسع النطاق للطاقة الخشبية، فإن إمدادات المواد الخام اللازمة للبناء والتصنيع ( الأخشاب ) ستنخفض بشكل كبير. ^{[ 9 ] [ 65 ]}

نظراً للزيادة السريعة في شعبيتها منذ عام 2005، قد يُمثل توفر حبيبات الوقود وتكلفتها مشكلة. ^{[ 66 ]} يُعد هذا عاملاً مهماً عند شراء موقد أو فرن أو سلة حبيبات أو غيرها من الأجهزة المعروفة في هذا المجال باسم مواقد برادلي. ^{[ 67 ]} مع ذلك، يتزايد إنتاج حبيبات الوقود حالياً، وهناك خطط لتشغيل العديد من مصانع حبيبات الوقود الجديدة في الولايات المتحدة خلال عامي 2008 و2009. ^{[ 68 ]}

يمكن أن تتأثر تكلفة الكريات بدورة البناء مما يؤدي إلى تقلبات في إمدادات نشارة الخشب والقطع المتبقية. ^{[ 69 ]}

وفقًا لبيان مكتب الطاقة والتخطيط في نيو هامبشاير بشأن أسعار الوقود، المُحدَّث بتاريخ 5 أكتوبر 2015، يُمكن مقارنة تكلفة زيت الوقود رقم 2 المُوصَّل بتكلفة كريات وقود الخشب المُوصَّلة بكميات كبيرة باستخدام مُكافئها من حيث القيمة الحرارية البريطانية (BTU): طن واحد من الكريات = 118.97 جالون من زيت الوقود رقم 2. ويفترض هذا أن طنًا واحدًا من الكريات يُنتج 16,500,000 وحدة حرارية بريطانية، وأن جالونًا واحدًا من زيت الوقود رقم 2 يُنتج 138,690 وحدة حرارية بريطانية. وبالتالي، إذا كانت تكلفة جالون زيت الوقود رقم 2 المُوصَّل 1.90 دولارًا، فإن سعر التعادل للكريات هو 238.00 دولارًا للطن المُوصَّل.

• الفحم الحيوي
• قوالب الكتلة الحيوية
• حطب النار
• مطحنة الكريات
• الحرارة المتجددة
• الوقود الصلب
• رقائق الخشب

• الهيئة الحكومية الدولية المعنية بتغير المناخ (2014). إيدنهوفر، أ.؛ بيتشس-مادروغا، ر.؛ سوكونا، ي.؛ فرحاني، إ.؛ وآخرون  (محررون). تغير المناخ 2014: التخفيف من آثار تغير المناخ: مساهمة الفريق العامل الثالث في التقرير التقييمي الخامس للهيئة الحكومية الدولية المعنية بتغير المناخ . مطبعة جامعة كامبريدج . ISBN 978-1-107-05821-7. OCLC 892580682 . مؤرشف من الأصل في 26 يناير 2017. 
• سميل، فاتسلاف (2017أ). تحولات الطاقة: منظورات عالمية ووطنية . دار براغر للنشر . رقم ISBN 978-1-4408-5324-1. OCLC 955778608 . 
• تيستر، جيفرسون دبليو؛ دريك، إليزابيث إم ؛ دريسكول، مايكل جيه؛ غولاي، مايكل دبليو؛ بيترز، ويليام إيه (2012). الطاقة المستدامة: الاختيار بين الخيارات . مطبعة معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا . ISBN 978-0-262-01747-3. OCLC 892554374 . 
• منظمة الصحة العالمية (2016). فرصة سانحة: الطاقة المنزلية النظيفة من أجل صحة وتنمية مستدامة ورفاهية النساء والأطفال (ملف PDF) . رقم ISBN 978-92-4-156523-3تمت أرشفة (PDF) من الأصل في 13 يونيو 2021.

• الرابطة الأوروبية للكتلة الحيوية
• معهد وقود الكريات
• طاقة الكتلة الحيوية