الغاز الطبيعي المتجدد

يُصنع معظم الغاز الطبيعي المتجدد من الغاز الحيوي الناتج عن الهضم اللاهوائي للنفايات العضوية. يُنتج الغاز الحيوي كمنتج ثانوي لعمليات دفن النفايات ومعالجة مياه الصرف الصحي. في مكبات النفايات، تخضع النفايات العضوية المدفونة للهضم اللاهوائي، مما ينتج عنه غاز حيوي يمكن جمعه من خلال سلسلة من الآبار المثبتة في المكب. ^{[ 3 ]} غالبًا ما تستخدم محطات معالجة مياه الصرف الصحي خزانات الهضم اللاهوائي لتحليل الحمأة من خزانات الترسيب. ^{[ 4 ]} تستخدم محطات معالجة مياه الصرف الصحي المزودة بوحدات الهضم اللاهوائي الغاز الحيوي لتوفير الحرارة اللازمة للعمليات، كما تحرق الفائض منه. في بعض المناطق، يُشترط على مكبات النفايات جمع الغاز الحيوي للحد من تسرب غاز الميثان إلى الغلاف الجوي، ويتم حرق الغاز المجمع، أو استخدامه لإنتاج الكهرباء، أو تحويله إلى غاز طبيعي متجدد. ^{[ 5 ]}

يمكن أيضًا إنشاء منشآت مخصصة لإنتاج الغاز الطبيعي المتجدد باستخدام الهاضمات اللاهوائية. وتتعامل هذه الهاضمات عادةً مع الكتلة الحيوية الناتجة عن النفايات الزراعية والبلدية. تشمل النفايات الزراعية السماد، والمنتجات التالفة، وفرش الحيوانات. أما النفايات البلدية فتشمل النفايات العضوية المفصولة من المصدر، والدهون، والزيوت، والشحوم ، والمنتجات الثانوية الصناعية. ^{[ 6 ]} في بعض المناطق، تُستخدم أيضًا مواد أولية غير نفاياتية. قد تكون هذه المواد محاصيل طاقة ، مثل الذرة والشعير، أو محاصيل تغطية تُزرع خارج موسم النمو لتحسين جودة التربة. ^{[ 7 ]} في فرنسا، تحدد اللوائح كمية محاصيل الطاقة التي يمكن استخدامها لإنتاج الغاز الحيوي، مما شجع على استخدام محاصيل التغطية. ^{[ 8 ]} اعتمادًا على توافر مواد الكتلة الحيوية الأولية، تتم معالجتها في منشأة مخصصة أو تُدمج مع أنواع أخرى من المواد الأولية.

تُحقق محطات الهضم اللاهوائي التجارية أرباحها عادةً من خلال بيع الغاز الطبيعي المتجدد، وبيع المخلفات الناتجة عن الهضم ، وفرض رسوم على التخلص من النفايات. ^{[ 6 ]} ويتم تقليل التكاليف إلى أدنى حد من خلال زيادة حجم الإنتاج إلى أقصى حد، واختيار موقع محطة الهضم اللاهوائي بالقرب من طرق النقل (مثل ميناء أو طريق سريع) لمصدر الكتلة الحيوية المُختار. كما يُعد اختيار موقع قريب من شبكة نقل أو توزيع الغاز أمرًا بالغ الأهمية لتقليل تكاليف الربط. وغالبًا ما يكون تخزين الغاز ضروريًا لمواجهة فترات انخفاض الطلب عليه خلال فصل الصيف، وذلك بحسب المنطقة. ^{[ 9 ]}

يمكن أيضاً إنتاج الغاز الطبيعي المتجدد عن طريق تحويل ثاني أكسيد الكربون أو الغاز التخليقي الناتج عن التغويز الحراري إلى غاز. ^{[ 10 ]} لا تزال كلتا الطريقتين في مرحلة ما قبل التسويق التجاري ولا تمثلان مصدراً رئيسياً لإنتاج الغاز الطبيعي المتجدد على مستوى العالم.

الغاز الحيوي الخام هو خليط يتكون أساسًا من الميثان وثاني أكسيد الكربون بنسبة تقريبية 60:40. قد يحتوي الغاز الحيوي أيضًا على كميات ضئيلة من الأكسجين والنيتروجين المستمدين من الهواء، وعادةً ما يكون مشبعًا بالماء. تحتوي جميع مصادر الغاز الحيوي على كبريتيد الهيدروجين، وغالبًا ما يحتوي الغاز الحيوي الناتج عن معالجة مياه الصرف الصحي أو مكبات النفايات على السيليكونات ومركبات عضوية متطايرة أخرى. ^{[ 11 ]}

يشير تحسين جودة الغاز الحيوي إلى إزالة الملوثات النزرة والماء والغازات غير الميثانية منه لإنتاج منتج قابل للاستبدال بالغاز الطبيعي. يتضمن تحسين جودة الغاز الحيوي خطوتين رئيسيتين: إزالة الملوثات والماء، ثم فصل الغاز. تُزال الملوثات والماء عادةً باستخدام طبقات من الوسائط القابلة للاستهلاك تحتوي على الكربون المنشط والألومينا المنشطة وأكسيد الحديد. ^{[ 12 ]} كما يمكن إزالة الملوثات من خلال التنقية البيولوجية باستخدام بكتيريا مؤكسدة للكبريت، أو التنقية الكيميائية باستخدام الأمونيا، أو باستخدام عمليات تجديدية مثل امتزاز تقلب درجة الحرارة.

بعد إزالة الملوثات والماء، يخضع الغاز الحيوي لعملية فصل الغازات لتركيز غاز الميثان. توجد عدة طرق لفصل الغازات تُستخدم في تحسين جودة الغاز الحيوي.

• تستخدم تقنية الفصل الغشائي الألياف المجوفة لفصل الغازات باستخدام الاختلافات في الحجم الجزيئي. ^{[ 13 ]}
• تفصل عملية الامتزاز بتأرجح الضغط الغازات بناءً على انجذابها لوسائط معينة مثل الزيوليت أو المناخل الجزيئية الكربونية. خلال مرحلة الضغط العالي، يُحتجز أحد الغازات في الوسائط، بينما يخرج الغاز الناتج من الوعاء. ثم تُجدد الوسائط باستخدام فراغ لإزالة الغاز الآخر. ^{[ 14 ]}
• تستخدم عملية الغسيل الكيميائي إما الأمونيا أو الماء لإذابة ثاني أكسيد الكربون. ثم يتم تجديد المادة الكيميائية من خلال التبخير أو التسخين.

اعتبارًا من عام 2023، كان هناك أكثر من 300 منشأة لإنتاج الغاز الطبيعي المتجدد تعمل حاليًا في أمريكا الشمالية، ^{[ 19 ]} حيث يتم الحصول على أكثر من 70% من الإمدادات من قطاعي النفايات الصلبة البلدية ومدافن النفايات، وفقًا لمجموعة RNG Coalition التجارية الأمريكية. ^{[ 20 ]}

في أمريكا الشمالية، تطورت معظم مشاريع الغاز الطبيعي المتجدد تاريخيًا كشكل من أشكال استغلال غاز مدافن النفايات . ^{[ 21 ]} أُطلق أول مرفق تجاري للغاز الطبيعي المتجدد في مدفن نفايات فريش كيلز بالقرب من مدينة نيويورك عام 1982. وشكّلت مشاريع غاز مدافن النفايات النوع السائد من الغاز الطبيعي المتجدد في الولايات المتحدة حتى عام 2021، حين أصبحت المشاريع الزراعية هي النوع السائد في إنتاج الغاز الطبيعي المتجدد. وبحلول عام 2023، بلغ عدد مشاريع الغاز الطبيعي المتجدد من مدافن النفايات في الولايات المتحدة 102 مشروعًا. ^{[ 22 ]}

يمكن تحلل الحمأة المترسبة أثناء معالجة مياه الصرف الصحي في مفاعل حيوي لاهوائي. يُعد استخدام المفاعلات اللاهوائية طريقة شائعة لمعالجة الحمأة لأنها تُنتج الغاز الحيوي، الذي يُمكن استخدامه لتوليد الحرارة لمحطات معالجة مياه الصرف الصحي. ^{[ 23 ]} تُنتج العديد من محطات معالجة مياه الصرف الصحي كميات من الغاز الحيوي تفوق استهلاكها. يُحرق هذا الغاز إما لتدمير غاز الميثان، أو يُستخدم في محرك توليد مشترك للحرارة والطاقة، أو يُحوّل إلى غاز طبيعي متجدد.

يمكن دمج وحدات الهضم اللاهوائي في العمليات الزراعية. عادةً ما يكون السماد العضوي هو المادة الأولية الأساسية لوحدات الهضم اللاهوائي الزراعية، حيث يوفر مستعمرة من الكائنات الدقيقة اللازمة للهضم اللاهوائي، بالإضافة إلى إمداد منتظم من سائل الهضم. ^{[ 24 ]} غالبًا ما تضيف المزارع نفايات أخرى مثل المنتجات التالفة أو فرش الحيوانات. وبحسب المنطقة، قد تقبل المشاريع الزراعية بعض المواد الأولية من خارج المزرعة. ^{[ 25 ]} تعالج وحدات الهضم اللاهوائي في المزارع النفايات، وتنتج سائل الهضم الذي يمكن استخدامه كسماد، مما يوفر مصدر دخل إضافي للمزارعين.

تشير الهاضمات اللاهوائية البلدية إلى المنشآت التي تعتمد بشكل أساسي على المواد العضوية المفصولة من المصدر (SSO) التي يتم جمعها من خلال برامج حاويات النفايات العضوية . وتختلف هذه الهاضمات عن الهاضمات الزراعية لأن المواد العضوية المفصولة من المصدر تميل إلى احتواء نسبة أعلى من المواد الصلبة مقارنةً بالسماد العضوي. غالبًا ما تحتاج الهاضمات اللاهوائية البلدية إلى معالجة مسبقة لإزالة الملوثات مثل العبوات البلاستيكية والزجاجية. ^{[ 26 ]} تشغل البلديات الهاضمات اللاهوائية كوسيلة لتحويل النفايات العضوية عن مكبات النفايات بهدف الحد من انبعاثات غاز الميثان.

الغاز التخليقي هو خليط يتكون أساسًا من الميثان والهيدروجين وثاني أكسيد الكربون وأول أكسيد الكربون. وكما هو الحال مع الغاز الحيوي، يمكن حرق الغاز التخليقي مباشرةً أو إعادة تشكيله إلى غاز طبيعي متجدد أو هيدروجين. تبدأ العملية بإنتاج الغاز التخليقي، والذي يُصنع عادةً من الكتلة الحيوية الخشبية، من خلال التغويز أو التحلل الحراري . ثم يُنقى الغاز التخليقي من الملوثات مثل كبريتيد الهيدروجين والقطران. ^{[ 27 ]} ولتحسين جودة الغاز التخليقي، تُزاد نسبة الهيدروجين إلى أول أكسيد الكربون باستخدام تفاعل تحويل غاز الماء . ^{[ 28 ]} وعندما تقترب النسبة من النسبة المتكافئة، يُعاد تشكيل الغاز التخليقي إلى ميثان باستخدام تفاعل ساباتير، ثم يُزال ثاني أكسيد الكربون باستخدام تقنيات مشابهة لتقنيات تحسين جودة الغاز الحيوي.

يمكن تصنيف محطات الغاز الطبيعي المتجدد التي تعمل بالخشب إلى فئتين رئيسيتين، الأولى هي المحطات الحرارية الخارجية، التي تستمد طاقتها من مصدر خارجي. ومن الأمثلة على ذلك محطات التغويز ذات الطبقة المميعة ثنائية الحجرات، والتي تتكون من حجرتي احتراق وتغويز منفصلتين. أما الأنظمة الحرارية الذاتية، فتولد الحرارة داخل محطة التغويز، ولكنها تتطلب استخدام الأكسجين النقي لتجنب تخفيف النيتروجين. ^{[ 29 ]}

تتمثل الميزة الأساسية لإنتاج الغاز الطبيعي المتجدد من مخلفات الخشب في كفاءته العالية مقارنةً بإنتاج الوقود السائل بتقنية فيشر-تروبش، وصغر حجم إنتاجه مقارنةً بأنظمة إنتاج الوقود الحيوي الأخرى من الجيل الثاني . ^{[ 30 ]} وقد أجرى مركز أبحاث الطاقة في هولندا أبحاثًا مستفيضة حول إنتاج الغاز الطبيعي المتجدد على نطاق واسع من الكتلة الحيوية الخشبية، بالاعتماد على استيراد المواد الأولية من الخارج. ^{[ 31 ]}

في المملكة المتحدة، يتزايد استخدام الهضم اللاهوائي كوسيلة لإنتاج الغاز الحيوي المتجدد ، حيث تم إنشاء ما يقرب من 90 موقعًا لحقن الميثان الحيوي في جميع أنحاء البلاد. ^{[ 38 ]} أعلنت شركة إيكوتريسيتي عن خطط لتزويد المستهلكين في المملكة المتحدة بالغاز الأخضر عبر الشبكة الوطنية. ^{[ 39 ]} كما أعلنت شركة سينتريكا أنها ستبدأ بحقن الغاز المُصنّع من مياه الصرف الصحي في شبكة الغاز. ^{[ 40 ]}

في كندا، تقوم شركة FortisBC، وهي شركة لتزويد الغاز في مقاطعة كولومبيا البريطانية، بضخ الغاز الطبيعي المُنتج من مصادر متجددة في نظام توزيع الغاز الحالي التابع لها. ^{[ 41 ]}

أعلنت شركة "دايفرت" ، التي تعمل أيضاً على الحد من هدر الطعام من خلال التبرعات، أنها ستستخدم استثماراً بقيمة مليار دولار من شركة "إنبريدج" الكندية لتشغيل خطوط الأنابيب ، لتوسيع شبكتها الحالية من وحدات الهضم اللاهوائي لنفايات الطعام لتشمل جميع الأسواق الرئيسية في أمريكا الشمالية. ^{[ 42 ] [ 43 ]}

في السويد، افتتحت شركة غوتنبرغ إنرجي أول محطة تجريبية لإنتاج الغاز الطبيعي الحيوي الاصطناعي (SNG) على نطاق واسع، وذلك من خلال تحويل مخلفات الغابات إلى غاز في مدينة غوتنبرغ ، ضمن مشروع غوبي غاز . كانت المحطة قادرة على إنتاج 20 ميغاواط من الغاز الطبيعي الحيوي الاصطناعي من حوالي 30 ميغاواط من الكتلة الحيوية، بهدف تحقيق كفاءة تحويل تبلغ 65%. ومنذ ديسمبر 2014، بدأت محطة الغاز الطبيعي الحيوي الاصطناعي بالعمل بكامل طاقتها، حيث زودت شبكة الغاز الطبيعي السويدية بالغاز، محققةً معايير الجودة المطلوبة بنسبة ميثان تتجاوز 95%. ^{[ 44 ]} أُغلقت المحطة نهائيًا في أبريل 2018 بسبب مشاكل اقتصادية. وكانت شركة غوتنبرغ إنرجي قد استثمرت 175 مليون يورو في المحطة، وقد باءت محاولات مكثفة استمرت عامًا كاملًا لبيعها لمستثمرين جدد بالفشل. ^{[ 45 ]}