فهم عملية احتجاز الميثان: منظور عالمي

يؤثر غاز الميثان، وهو أحد غازات الدفيئة القوية، بشكل كبير على مناخ كوكبنا. وفي حين أن ثاني أكسيد الكربون (CO2) غالباً ما يهيمن على النقاشات المتعلقة بتغير المناخ، فإن قدرة الميثان على إحداث الاحتباس الحراري أعلى بكثير على مدى فترات زمنية أقصر. ولذلك، فإن احتجاز الميثان واستخدامه بفعالية أمر بالغ الأهمية في التخفيف من تغير المناخ وتعزيز مستقبل أكثر استدامة. سيتعمق هذا المقال في أساسيات احتجاز الميثان، مستكشفاً تطبيقاته المتنوعة، والتقدم التكنولوجي، والتحديات المرتبطة به، والجهود العالمية التي تدفع إلى اعتماده.

ما هو غاز الميثان ولماذا هو مهم؟

الميثان (CH4) هو غاز عديم اللون والرائحة وقابل للاشتعال. وهو المكون الأساسي للغاز الطبيعي، وهو مصدر طاقة يستخدم على نطاق واسع. ومع ذلك، يتم إنتاج الميثان أيضًا من مصادر طبيعية وبشرية مختلفة، بما في ذلك:

• الأراضي الرطبة الطبيعية: تحلل المواد العضوية في بيئات لاهوائية (خالية من الأكسجين).
• الزراعة: تربية الماشية (التخمر المعوي) وزراعة الأرز.
• مكبات النفايات: تحلل النفايات العضوية.
• تعدين الفحم: ينطلق من طبقات الفحم أثناء الاستخراج.
• صناعة النفط والغاز: التسرب أثناء الإنتاج والمعالجة والنقل.
• معالجة مياه الصرف الصحي: الهضم اللاهوائي لحمأة الصرف الصحي.

تقدر قدرة الميثان على إحداث الاحتباس الحراري بـ 25 ضعف قدرة ثاني أكسيد الكربون على مدى 100 عام، و86 ضعف قدرته على مدى 20 عامًا. وهذا يعني أنه حتى الكميات الصغيرة نسبيًا من الميثان المنبعثة في الغلاف الجوي يمكن أن يكون لها تأثير كبير على الاحتباس الحراري. لذلك، يعد الحد من انبعاثات الميثان أمرًا ضروريًا لتحقيق أهداف اتفاقية باريس والحد من ارتفاع درجة حرارة الكوكب.

أساسيات احتجاز الميثان

يشمل احتجاز الميثان منع انطلاقه في الغلاف الجوي وبدلاً من ذلك جمعه للاستفادة منه. تختلف التقنيات المحددة المستخدمة لاحتجاز الميثان حسب مصدره.

تقنيات احتجاز الميثان الرئيسية:

• احتجاز غاز مكبات النفايات: يتولد غاز مكبات النفايات (LFG) من تحلل النفايات العضوية في المكبات. تتضمن أنظمة جمع غاز مكبات النفايات تركيب آبار في جميع أنحاء المكب لاحتجاز الغاز. يمكن بعد ذلك استخدام الغاز المحتجز لتوليد الكهرباء أو الحرارة أو كوقود للمركبات.
• الهضم اللاهوائي: الهضم اللاهوائي (AD) هو عملية بيولوجية تحلل المواد العضوية في غياب الأكسجين. يمكن استخدام أنظمة الهضم اللاهوائي لمعالجة النفايات الزراعية، ونفايات الطعام، وحمأة مياه الصرف الصحي. يمكن استخدام الغاز الحيوي الناتج أثناء الهضم اللاهوائي، والذي يتكون أساسًا من الميثان وثاني أكسيد الكربون، كمصدر للطاقة المتجددة. على سبيل المثال، تستخدم العديد من المزارع في أوروبا وأمريكا الشمالية الهضم اللاهوائي لمعالجة السماد الطبيعي وتوليد الكهرباء.
• استرداد ميثان مناجم الفحم (CMM): هو الميثان المحبوس في طبقات الفحم. يمكن استخدام أنظمة التصريف قبل التعدين لاستخراج ميثان مناجم الفحم قبل بدء عمليات التعدين. يمكن أيضًا احتجاز ميثان المناجم المهجورة (AMM) من المناجم المغلقة. يمكن استخدام ميثان مناجم الفحم المحتجز لتوليد الطاقة أو التدفئة أو كمادة أولية للإنتاج الكيميائي.
• الكشف عن تسرب الميثان وإصلاحه في صناعة النفط والغاز: تعد صناعة النفط والغاز مصدرًا مهمًا لانبعاثات الميثان. تتضمن برامج الكشف عن التسرب وإصلاحه (LDAR) استخدام تقنيات مثل الكاميرات التي تعمل بالأشعة تحت الحمراء وأجهزة الاستشعار الصوتية لتحديد وإصلاح تسرب الميثان من خطوط الأنابيب والصمامات وغيرها من المعدات. بشكل متزايد، يتم استخدام مراقبة الأقمار الصناعية لتحديد المصادر الفائقة للانبعاثات على النطاقين الإقليمي والعالمي، مما يساعد في تحديد أولويات جهود التخفيف.
• ترقية الغاز الحيوي: يحتوي الغاز الحيوي المنتج من الهضم اللاهوائي وغاز مكبات النفايات عادةً على شوائب مثل ثاني أكسيد الكربون وكبريتيد الهيدروجين وبخار الماء. تشمل ترقية الغاز الحيوي إزالة هذه الشوائب لإنتاج الميثان الحيوي، وهو غاز طبيعي متجدد يمكن ضخه في خطوط أنابيب الغاز الطبيعي أو استخدامه كوقود للنقل. تشمل التقنيات المستخدمة لترقية الغاز الحيوي الامتزاز بالضغط المتأرجح (PSA)، والفصل الغشائي، والغسل بالأمين.

تطبيقات الميثان المحتجز

يمكن استخدام الميثان المحتجز بعدة طرق، مما يوفر فوائد بيئية واقتصادية:

• توليد الكهرباء: يمكن حرق الميثان في توربينات الغاز أو محركات الاحتراق الداخلي لتوليد الكهرباء. هذا تطبيق شائع لغاز مكبات النفايات وميثان مناجم الفحم. تستخدم العديد من المدن حول العالم غاز مكبات النفايات لتزويد مبانيها البلدية أو شبكاتها الكهربائية بالطاقة.
• إنتاج الحرارة: يمكن حرق الميثان في الغلايات أو الأفران لإنتاج الحرارة للعمليات الصناعية أو التدفئة المركزية أو التدفئة السكنية.
• وقود النقل: يمكن استخدام الميثان الحيوي كوقود للمركبات يعمل بالغاز الطبيعي المضغوط (CNG) أو الغاز الطبيعي المسال (LNG). هذا سوق متنامٍ، خاصة للمركبات الثقيلة.
• الضخ في خطوط الأنابيب: يمكن ضخ الميثان الحيوي في خطوط أنابيب الغاز الطبيعي الحالية، ليحل محل الغاز الطبيعي الأحفوري. وهذا يوفر سوقًا متاحًا بسهولة للميثان الحيوي ويساعد على تقليل الاعتماد على الوقود الأحفوري.
• مادة أولية كيميائية: يمكن استخدام الميثان كمادة أولية لإنتاج مواد كيميائية مختلفة، مثل الميثانول والأمونيا والهيدروجين.

فوائد احتجاز الميثان

يوفر احتجاز الميثان العديد من الفوائد، مما يساهم في الاستدامة البيئية والنمو الاقتصادي والصحة العامة.

الفوائد البيئية:

• التخفيف من تغير المناخ: يعد الحد من انبعاثات الميثان أمرًا بالغ الأهمية للتخفيف من تغير المناخ والحد من ارتفاع درجة حرارة الكوكب.
• تحسين جودة الهواء: يمكن أن يقلل احتجاز الميثان من انبعاثات ملوثات الهواء الأخرى، مثل المركبات العضوية المتطايرة (VOCs) والجسيمات.
• تقليل النفايات: يمكن للهضم اللاهوائي تقليل حجم النفايات العضوية المرسلة إلى مكبات النفايات، مما يحافظ على مساحة المكب ويقلل من إنتاج العصارة.

الفوائد الاقتصادية:

• إنتاج الطاقة المتجددة: يمكن لاحتجاز الميثان توليد طاقة متجددة، مما يقلل الاعتماد على الوقود الأحفوري ويخلق مصادر إيرادات جديدة.
• خلق فرص عمل: تخلق صناعة احتجاز الميثان وظائف في التصنيع والبناء والتشغيل والصيانة.
• خفض تكاليف الطاقة: يمكن أن يقلل احتجاز الميثان من تكاليف الطاقة للشركات والمجتمعات.
• توليد الإيرادات: يمكن أن يدر بيع الميثان المحتجز أو الكهرباء المولدة منه إيرادات.

فوائد الصحة العامة:

• تقليل تلوث الهواء: يمكن أن يقلل احتجاز الميثان من انبعاثات ملوثات الهواء التي يمكن أن تضر بصحة الإنسان.
• تحسين جودة المياه: يمكن للهضم اللاهوائي أن يقلل من خطر تلوث المياه من النفايات الزراعية وحمأة مياه الصرف الصحي.
• تقليل الروائح: يمكن أن يقلل احتجاز الميثان من الروائح المرتبطة بمكبات النفايات ومحطات معالجة مياه الصرف الصحي والعمليات الزراعية.

تحديات احتجاز الميثان

على الرغم من فوائده العديدة، يواجه احتجاز الميثان العديد من التحديات التي تعيق انتشاره على نطاق واسع.

• التكاليف الرأسمالية المرتفعة: يمكن أن تكون لمشاريع احتجاز الميثان تكاليف رأسمالية أولية مرتفعة، خاصة لأنظمة الهضم اللاهوائي وترقية الغاز الحيوي.
• التعقيد التقني: يمكن أن تكون تقنيات احتجاز الميثان معقدة تقنيًا، وتتطلب خبرة متخصصة لتشغيلها وصيانتها.
• تركيزات الميثان المنخفضة: في بعض الحالات، قد تكون تركيزات الميثان منخفضة جدًا بحيث لا يكون الاحتجاز مجديًا اقتصاديًا.
• الحواجز التنظيمية: يمكن أن تعيق اللوائح المعقدة أو غير المتسقة تطوير مشاريع احتجاز الميثان.
• نقص الوعي: هناك نقص عام في الوعي بفوائد احتجاز الميثان، مما قد يحد من الدعم العام والاستثمار.
• قيود البنية التحتية: يمكن أن يكون الاتصال بشبكات الغاز صعبًا بسبب الموقع أو مشكلات سعة الشبكة.

المبادرات والسياسات العالمية

إدراكًا لأهمية التخفيف من انبعاثات الميثان، أطلقت العديد من المنظمات الدولية والحكومات مبادرات وسياسات لتعزيز احتجاز الميثان.

• المبادرة العالمية للميثان (GMI): هي شراكة دولية تعزز استرداد واستخدام الميثان بتكلفة فعالة كمصدر للطاقة النظيفة. تقدم GMI المساعدة الفنية وتمويل المشاريع وفرص التواصل لدعم مشاريع احتجاز الميثان حول العالم.
• برنامج الأمم المتحدة للبيئة (UNEP): يعمل برنامج الأمم المتحدة للبيئة على زيادة الوعي بأهمية التخفيف من انبعاثات الميثان وتعزيز تطوير خطط عمل وطنية للميثان.
• استراتيجية الميثان للاتحاد الأوروبي: تحدد استراتيجية الميثان للاتحاد الأوروبي إطارًا لخفض انبعاثات الميثان في قطاعات الطاقة والزراعة والنفايات. تتضمن الاستراتيجية تدابير لتحسين الكشف عن تسرب الميثان وإصلاحه، وتعزيز استخدام الغاز الحيوي، ودعم البحث والابتكار في تقنيات التخفيف من انبعاثات الميثان.
• وكالة حماية البيئة الأمريكية (EPA): لدى وكالة حماية البيئة عدد من البرامج التي تهدف إلى تقليل انبعاثات الميثان، بما في ذلك برنامج التوعية بميثان مكبات النفايات (LMOP) وبرنامج AgSTAR.
• ائتلاف المناخ والهواء النظيف (CCAC): يعمل الائتلاف على تسريع العمل لتقليل ملوثات المناخ قصيرة العمر، بما في ذلك الميثان.

تنفذ العديد من البلدان أيضًا سياسات لتشجيع احتجاز الميثان، مثل:

• تعريفات التغذية الكهربائية للغاز الحيوي: توفر هذه التعريفات سعرًا مضمونًا للكهرباء المولدة من الغاز الحيوي، مما يجعل مشاريع الغاز الحيوي أكثر جدوى اقتصاديًا.
• الإعفاءات الضريبية لمشاريع احتجاز الميثان: يمكن أن تساعد هذه الإعفاءات في تقليل التكاليف الرأسمالية الأولية لمشاريع احتجاز الميثان.
• اللوائح التي تتطلب احتجاز الميثان: تتطلب بعض السلطات القضائية من مكبات النفايات والمرافق الأخرى احتجاز انبعاثات الميثان.
• المنح والإعانات: قد تقدم الوكالات الحكومية منحًا وإعانات لدعم مشاريع احتجاز الميثان.

أمثلة على مشاريع احتجاز الميثان العالمية:

• ألمانيا: كدولة رائدة في إنتاج الغاز الحيوي، تمتلك ألمانيا آلاف محطات الهضم اللاهوائي التي تعالج النفايات الزراعية ونفايات الطعام ومحاصيل الطاقة لتوليد الغاز الحيوي للكهرباء والحرارة والنقل.
• الصين: نفذت الصين برنامجًا واسع النطاق لاحتجاز الميثان من مناجم الفحم واستخدامه لتوليد الطاقة والتدفئة.
• الهند: تشجع الهند استخدام هاضمات الغاز الحيوي في المناطق الريفية لمعالجة النفايات الزراعية وتوليد وقود الطهي.
• البرازيل: تقوم البرازيل باحتجاز الميثان من مكبات النفايات واستخدامه لتوليد الكهرباء.
• الولايات المتحدة: تقوم العديد من مكبات النفايات في جميع أنحاء الولايات المتحدة باحتجاز غاز مكبات النفايات لتوليد الكهرباء، مما يحل محل استخدام الوقود الأحفوري. كما تستثمر صناعة الألبان في الهضم اللاهوائي لمعالجة السماد الطبيعي.

التقدم التكنولوجي في احتجاز الميثان

تؤدي جهود البحث والتطوير المستمرة إلى تقدم في تقنيات احتجاز الميثان، مما يجعلها أكثر كفاءة وفعالية من حيث التكلفة وصديقة للبيئة.

• تقنيات الهضم اللاهوائي المحسنة: يطور الباحثون تقنيات هضم لاهوائي جديدة يمكنها معالجة مجموعة أوسع من النفايات العضوية وإنتاج غلات أعلى من الغاز الحيوي.
• تقنيات ترقية الغاز الحيوي المتقدمة: يتم تطوير تقنيات جديدة لترقية الغاز الحيوي يمكنها إزالة الشوائب من الغاز الحيوي بكفاءة أكبر وبتكلفة أقل.
• تقنيات أكسدة الميثان: يمكن استخدام تقنيات أكسدة الميثان لتحويل الميثان إلى ثاني أكسيد الكربون والماء، وهما غازان دفيئة أقل ضررًا. هذه التقنيات مفيدة بشكل خاص لاحتجاز الميثان من المصادر منخفضة التركيز.
• تقنيات الكشف عن التسرب وإصلاحه: تعمل التطورات في تقنيات الكشف عن التسرب وإصلاحه، مثل أجهزة الاستشعار المحمولة بالطائرات بدون طيار ومراقبة الأقمار الصناعية، على تحسين القدرة على اكتشاف وإصلاح تسرب الميثان من البنية التحتية للنفط والغاز.
• الذكاء الاصطناعي والتعلم الآلي: يتم استخدام الذكاء الاصطناعي والتعلم الآلي لتحسين عمليات احتجاز الميثان وتحسين جهود الكشف عن التسرب وإصلاحه. على سبيل المثال، يمكن استخدام الذكاء الاصطناعي للتنبؤ بانبعاثات الميثان من مكبات النفايات وتحديد مواقع التسرب المحتملة.

مستقبل احتجاز الميثان

من المتوقع أن يلعب احتجاز الميثان دورًا متزايد الأهمية في التخفيف من تغير المناخ وخلق مستقبل أكثر استدامة. مع استمرار تحسن التقنيات وزيادة دعم السياسات، من المتوقع أن يتسارع اعتماد احتجاز الميثان في السنوات القادمة.

تشمل الاتجاهات الرئيسية التي من المرجح أن تشكل مستقبل احتجاز الميثان ما يلي:

• زيادة التركيز على التخفيف من انبعاثات الميثان: مع تزايد وضوح الحاجة الملحة لمعالجة تغير المناخ، سيزداد التركيز على تقليل انبعاثات الميثان.
• لوائح أكثر صرامة بشأن انبعاثات الميثان: من المرجح أن تنفذ الحكومات لوائح أكثر صرامة بشأن انبعاثات الميثان من مصادر مختلفة، مثل صناعة النفط والغاز ومكبات النفايات والزراعة.
• زيادة الاستثمار في تقنيات احتجاز الميثان: سيؤدي زيادة الاستثمار من القطاعين الحكومي والخاص إلى دفع الابتكار ونشر تقنيات احتجاز الميثان.
• تزايد الطلب على الغاز الطبيعي المتجدد: مع زيادة الطلب على الطاقة المتجددة، سيصبح الميثان الحيوي خيارًا جذابًا بشكل متزايد ليحل محل الغاز الطبيعي الأحفوري.
• تكامل احتجاز الميثان مع مبادرات الاستدامة الأخرى: سيتم دمج احتجاز الميثان بشكل متزايد مع مبادرات الاستدامة الأخرى، مثل إدارة النفايات والزراعة وكفاءة الطاقة.

الخاتمة

يعد احتجاز الميثان استراتيجية حاسمة للتخفيف من تغير المناخ وتحقيق مستقبل أكثر استدامة. من خلال منع انطلاق الميثان في الغلاف الجوي وبدلاً من ذلك احتجازه للاستفادة منه، يمكننا تقليل انبعاثات غازات الدفيئة وتوليد طاقة متجددة وخلق فرص اقتصادية جديدة. على الرغم من استمرار وجود التحديات، فإن التقدم التكنولوجي المستمر والسياسات الداعمة وزيادة الوعي تمهد الطريق لتبني أوسع لاحتجاز الميثان في جميع أنحاء العالم. بينما نمضي قدمًا، من الضروري مواصلة الاستثمار في البحث والتطوير، وتنفيذ لوائح فعالة، وتعزيز التعاون بين الحكومات والصناعة والمجتمعات لإطلاق العنان للإمكانات الكاملة لاحتجاز الميثان وبناء كوكب أنظف وأكثر صحة للأجيال القادمة.