إطلاق الطاقة من النفايات: منظور عالمي لحلول تخزين الطاقة

يواجه العالم تحديًا مزدوجًا: إدارة كميات النفايات المتزايدة باستمرار والانتقال إلى مصادر طاقة مستدامة. لحسن الحظ، يمكن لهذين التحديين أن يجتمعا في حل قوي: تخزين الطاقة من النفايات. يستكشف هذا المقال التقنيات المتنوعة والمبادرات العالمية والإمكانات الكامنة لتحويل النفايات إلى مورد طاقة قيّم.

الحاجة المتزايدة لتخزين الطاقة

يعد دمج مصادر الطاقة المتجددة، مثل الطاقة الشمسية وطاقة الرياح، في شبكة الكهرباء أمرًا ضروريًا للتخفيف من تغير المناخ. ومع ذلك، فإن هذه المصادر متقطعة، مما يعني أن توافرها يتقلب حسب الظروف الجوية. تعد أنظمة تخزين الطاقة حاسمة لتخفيف هذه التقلبات وضمان إمداد طاقة موثوق. علاوة على ذلك، يتيح تخزين الطاقة الاستفادة من الطاقة المولدة خلال ساعات الذروة المنخفضة أو فترات التوليد الزائد، مما يقلل من الهدر ويحسن كفاءة الشبكة.

النفايات كمصدر للطاقة: نهج متعدد الأوجه

النفايات، التي غالبًا ما يُنظر إليها على أنها عبء، تحتوي على كميات كبيرة من الطاقة المخزنة. يمكن لتقنيات مختلفة إطلاق هذه الطاقة، محولةً النفايات إلى مورد قيّم. وتشمل هذه التقنيات:

• ترميد النفايات لتحويلها إلى طاقة (WtE): تتضمن هذه العملية حرق النفايات الصلبة البلدية (MSW) عند درجات حرارة عالية لتوليد الحرارة، والتي تستخدم بعد ذلك لإنتاج البخار لتوليد الكهرباء أو لتدفئة المناطق. تشتمل محطات WtE الحديثة على تقنيات متقدمة للتحكم في الانبعاثات لتقليل التأثير البيئي. تشمل الأمثلة منشآت في الدنمارك وألمانيا واليابان، والتي نجحت في دمج WtE في بنيتها التحتية للطاقة لعقود.
• الهضم اللاهوائي (AD): هي عملية بيولوجية تقوم فيها الكائنات الدقيقة بتكسير المواد العضوية من النفايات، مثل بقايا الطعام والمخلفات الزراعية وحمأة الصرف الصحي، في غياب الأكسجين. تنتج هذه العملية الغاز الحيوي، وهو خليط من الميثان وثاني أكسيد الكربون، والذي يمكن استخدامه كوقود متجدد لتوليد الكهرباء أو التدفئة أو النقل. تستخدم محطات AD على نطاق واسع في أوروبا، خاصة في ألمانيا وهولندا، وتكتسب شعبية في مناطق أخرى، بما في ذلك أمريكا الشمالية وآسيا.
• التغويز: هو عملية كيميائية حرارية تحول المواد العضوية إلى غاز اصطناعي (syngas)، وهو خليط من أول أكسيد الكربون والهيدروجين وغازات أخرى، عند درجات حرارة عالية وفي ظروف خاضعة للرقابة. يمكن استخدام الغاز الاصطناعي لتوليد الكهرباء أو إنتاج مواد كيميائية أو تحويله إلى وقود للنقل. يجري تطوير ونشر تقنيات التغويز في بلدان مختلفة، بما في ذلك الولايات المتحدة والصين والهند.
• الانحلال الحراري: هو عملية تحلل حراري تعمل على تكسير المواد العضوية في غياب الأكسجين. تنتج هذه العملية الزيت الحيوي والفحم الحيوي والغاز الاصطناعي، وكلها يمكن استخدامها كوقود أو مواد خام كيميائية. يعتبر الانحلال الحراري مناسبًا بشكل خاص لمعالجة نفايات البلاستيك والكتلة الحيوية. تستكشف الشركات حول العالم طرقًا متقدمة للانحلال الحراري.
• استعادة غاز مدافن النفايات (LFG): تولد مدافن النفايات غاز الميثان مع تحلل النفايات العضوية. تلتقط أنظمة استعادة LFG هذا الميثان وتستخدمه لتوليد الكهرباء أو غاز طبيعي بجودة خطوط الأنابيب. لقد نفذت العديد من مدافن النفايات في جميع أنحاء العالم، لا سيما في البلدان المتقدمة، مشاريع استعادة LFG.

تقنيات تخزين الطاقة للطاقة المشتقة من النفايات

بمجرد توليد الطاقة من النفايات، تكون هناك حاجة إلى حلول تخزين فعالة لزيادة استخدامها ودمجها في شبكة الطاقة. يمكن تصنيف هذه التقنيات على النحو التالي:

تخزين الطاقة الحرارية (TES)

تقوم أنظمة TES بتخزين الطاقة على شكل حرارة أو برودة. وهذا مناسب بشكل خاص لمحطات WtE التي تولد الحرارة أو البخار. تشمل تقنيات TES:

• تخزين الحرارة المحسوسة: يتضمن ذلك تخزين الحرارة عن طريق رفع درجة حرارة وسيط تخزين، مثل الماء أو الزيت أو الخرسانة. على سبيل المثال، يمكن تخزين الحرارة الزائدة الناتجة عن محطة WtE خلال فترات انخفاض الطلب على الكهرباء في خزان ماء كبير معزول ثم استخدامها لتوليد الكهرباء أو توفير تدفئة المناطق خلال فترات ذروة الطلب.
• تخزين الحرارة الكامنة: يتضمن ذلك تخزين الحرارة عن طريق تغيير طور وسيط التخزين، مثل إذابة مادة صلبة أو تبخير سائل. يوفر تخزين الحرارة الكامنة كثافة طاقة أعلى مقارنة بتخزين الحرارة المحسوسة. تُستخدم مواد تغيير الطور (PCMs) بشكل شائع في أنظمة تخزين الحرارة الكامنة.
• تخزين الطاقة الكيميائية الحرارية: يتضمن ذلك تخزين الطاقة باستخدام تفاعلات كيميائية قابلة للعكس. توفر هذه الأنظمة أعلى كثافة للطاقة ولكنها بشكل عام أكثر تعقيدًا وتكلفة من تخزين الحرارة المحسوسة أو الكامنة.

مثال: في السويد، تستخدم بعض أنظمة تدفئة المناطق أنظمة تخزين طاقة حرارية كبيرة تحت الأرض لتخزين الحرارة الزائدة المتولدة خلال الصيف لاستخدامها خلال أشهر الشتاء. هذا يقلل من الاعتماد على الوقود الأحفوري ويحسن الكفاءة العامة لنظام الطاقة.

تخزين الطاقة الكيميائية

يتضمن تخزين الطاقة الكيميائية تحويل الكهرباء إلى وقود كيميائي، مثل الهيدروجين أو الغاز الطبيعي الاصطناعي (SNG). يمكن بعد ذلك تخزين هذا الوقود واستخدامه لتوليد الكهرباء أو توفير الحرارة عند الحاجة.

• إنتاج الهيدروجين عبر التحليل الكهربائي: يستخدم التحليل الكهربائي الكهرباء لتقسيم الماء إلى هيدروجين وأكسجين. يمكن بعد ذلك تخزين الهيدروجين واستخدامه في خلايا الوقود لتوليد الكهرباء أو في العمليات الصناعية. يمكن للكهرباء المشتقة من النفايات تشغيل عملية التحليل الكهربائي، مما يخلق مسارًا لإنتاج الهيدروجين الأخضر.
• الميثنة: هي عملية تحول ثاني أكسيد الكربون والهيدروجين إلى ميثان (SNG). يمكن التقاط ثاني أكسيد الكربون من الغاز الحيوي أو المصادر الصناعية. يمكن بعد ذلك حقن هذا الغاز الطبيعي الاصطناعي في شبكة الغاز الطبيعي، مما يوفر مصدرًا متجددًا للغاز الطبيعي.

مثال: يجري تنفيذ العديد من المشاريع في أوروبا لإنتاج الهيدروجين من مصادر الطاقة المتجددة، بما في ذلك الكهرباء المشتقة من النفايات، واستخدامه لإزالة الكربون من قطاعي النقل والصناعة.

تخزين الطاقة الميكانيكية

تقوم أنظمة تخزين الطاقة الميكانيكية بتخزين الطاقة عن طريق التغيير المادي لموضع أو سرعة كتلة ما. تشمل هذه الأنظمة:

• تخزين الطاقة الكهرومائية بالضخ (PHS): يتضمن PHS ضخ المياه صعودًا إلى خزان خلال فترات انخفاض الطلب على الكهرباء وإطلاقها نزولًا عبر توربين لتوليد الكهرباء خلال ذروة الطلب. على الرغم من استخدامها تقليديًا مع محطات الطاقة الكهرومائية الكبيرة، يمكن أيضًا دمج PHS مع محطات WtE باستخدام الكهرباء الزائدة لضخ المياه.
• تخزين الطاقة بالهواء المضغوط (CAES): يتضمن CAES ضغط الهواء وتخزينه في كهوف أو خزانات تحت الأرض. عند الحاجة إلى الكهرباء، يتم إطلاق الهواء المضغوط واستخدامه لتشغيل توربين.
• تخزين الطاقة بالحدافة (Flywheel): تخزن الحدافات الطاقة عن طريق تدوير دوار بسرعات عالية. يمكن لهذه الأنظمة توفير استجابة سريعة وهي مناسبة لتطبيقات تخزين الطاقة قصيرة المدة.

مثال: على الرغم من أنها أقل شيوعًا للتكامل المباشر مع منشآت تحويل النفايات إلى طاقة بسبب القيود الجغرافية، قد تجد مناطق معينة أن تخزين الطاقة الكهرومائية بالضخ خيار قابل للتطبيق لإدارة تقلب الطاقة المولدة. كما يشهد CAES اهتمامًا متجددًا مع تحسن التكنولوجيا.

المبادرات والسياسات العالمية

تعمل العديد من البلدان والمناطق بنشاط على تعزيز تخزين الطاقة من النفايات من خلال السياسات والحوافز وبرامج البحث والتطوير. تهدف هذه المبادرات إلى:

• تقليل نفايات مدافن النفايات وتعزيز إعادة التدوير: السياسات مثل حظر مدافن النفايات، وخطط مسؤولية المنتج الممتدة (EPR)، وأهداف إعادة التدوير تحفز على تقليل النفايات وتحويلها بعيدًا عن مدافن النفايات، مما يجعل المزيد من النفايات متاحًا لاستعادة الطاقة.
• دعم تطوير البنية التحتية لـ WtE: تقدم الحكومات حوافز مالية، مثل الإعفاءات الضريبية والإعانات وتعريفات التغذية، لدعم بناء وتشغيل محطات WtE.
• تشجيع اعتماد تقنيات تخزين الطاقة: تساعد الحوافز لنشر تخزين الطاقة، مثل الإعفاءات الضريبية والمنح وضمانات القروض، على خفض تكلفة أنظمة تخزين الطاقة وجعلها أكثر جدوى من الناحية الاقتصادية.
• تعزيز البحث والتطوير: يعد تمويل أنشطة البحث والتطوير أمرًا حاسمًا لتطوير تقنيات مبتكرة لتحويل النفايات إلى طاقة وتخزين الطاقة.

أمثلة:

• الاتحاد الأوروبي: تعزز خطة عمل الاقتصاد الدائري للاتحاد الأوروبي منع النفايات وإعادة تدويرها واستعادة الطاقة من النفايات. لدى الاتحاد الأوروبي أيضًا أهداف للطاقة المتجددة وتخفيضات انبعاثات غازات الاحتباس الحراري، مما يحفز على تطوير مشاريع WtE وتخزين الطاقة.
• الصين: تستثمر الصين بكثافة في البنية التحتية لـ WtE لمواجهة تحديات إدارة النفايات المتزايدة وتقليل اعتمادها على الوقود الأحفوري. لدى البلاد أيضًا أهداف طموحة لنشر الطاقة المتجددة وتخزين الطاقة.
• الولايات المتحدة: تقدم الولايات المتحدة حوافز متنوعة لمشاريع الطاقة المتجددة وتخزين الطاقة، بما في ذلك الإعفاءات الضريبية وبرامج المنح. كما نفذت عدة ولايات سياسات لتعزيز تقليل النفايات وإعادة تدويرها.

التحديات والفرص

بينما يوفر تخزين الطاقة من النفايات إمكانات كبيرة، هناك أيضًا العديد من التحديات التي يجب معالجتها:

• التحديات التكنولوجية: يتطلب تطوير تقنيات فعالة من حيث التكلفة وذات كفاءة لتحويل النفايات إلى طاقة وتخزينها بحثًا وتطويرًا مستمرين.
• المخاوف البيئية: يمكن أن يكون لمحطات WtE تأثيرات بيئية سلبية، مثل تلوث الهواء وانبعاثات غازات الاحتباس الحراري. ومع ذلك، تشتمل محطات WtE الحديثة على تقنيات متقدمة للتحكم في الانبعاثات لتقليل هذه التأثيرات. علاوة على ذلك، فإن تحويل النفايات إلى طاقة يتجنب انبعاثات الميثان المرتبطة بالدفن في مدافن النفايات.
• الجدوى الاقتصادية: تعتمد الجدوى الاقتصادية لمشاريع WtE وتخزين الطاقة على عوامل مثل تكوين النفايات وأسعار الطاقة والسياسات الحكومية.
• القبول العام: يمكن أن تواجه محطات WtE معارضة عامة بسبب المخاوف بشأن تلوث الهواء والضوضاء. يعد التواصل الفعال والمشاركة المجتمعية ضروريين لكسب القبول العام.

على الرغم من هذه التحديات، فإن فرص تخزين الطاقة من النفايات كبيرة. من خلال التغلب على هذه التحديات والاستفادة من إمكانات النفايات كمورد للطاقة، يمكننا إنشاء مستقبل طاقة أكثر استدامة ومرونة.

مستقبل تخزين الطاقة من النفايات

يبدو مستقبل تخزين الطاقة من النفايات واعدًا. مع استمرار تحسن التقنيات وانخفاض التكاليف، سيصبح تحويل النفايات إلى طاقة وتخزينها قادرًا على المنافسة بشكل متزايد مع مصادر الطاقة التقليدية. علاوة على ذلك، فإن التركيز المتزايد على مبادئ الاقتصاد الدائري وممارسات إدارة النفايات المستدامة سيدفع إلى زيادة اعتماد تقنيات WtE.

تشمل الاتجاهات الرئيسية التي يجب مراقبتها ما يلي:

• تقنيات WtE المتقدمة: توفر التقنيات الناشئة مثل التغويز والانحلال الحراري إمكانية تحويل مجموعة أوسع من مواد النفايات إلى طاقة مع انبعاثات أقل.
• تكامل WtE مع تخزين الطاقة: سيؤدي الجمع بين WtE وأنظمة تخزين الطاقة إلى تعزيز موثوقية ومرونة شبكة الطاقة.
• تطوير تقنيات تخزين طاقة جديدة: تركز جهود البحث والتطوير المستمرة على تطوير تقنيات تخزين طاقة جديدة ومحسنة، مثل البطاريات المتقدمة وبطاريات التدفق وأنظمة تخزين الطاقة الحرارية.
• زيادة استخدام الغاز الحيوي: سيلعب الغاز الحيوي المنتج من الهضم اللاهوائي دورًا متزايد الأهمية في مزيج الطاقة، مما يوفر مصدرًا متجددًا للغاز الطبيعي لتوليد الكهرباء والتدفئة والنقل.
• الدعم السياسي لـ WtE وتخزين الطاقة: ستستمر الحكومات في لعب دور حاسم في دعم تطوير ونشر تقنيات WtE وتخزين الطاقة من خلال السياسات والحوافز.

رؤى قابلة للتنفيذ

بالنسبة لصانعي السياسات والشركات والأفراد، إليك بعض الأفكار القابلة للتنفيذ التي يجب مراعاتها:

• صانعو السياسات: تنفيذ سياسات داعمة تعزز تقليل النفايات وإعادة التدوير واستعادة الطاقة من النفايات. توفير حوافز مالية لمشاريع WtE وتخزين الطاقة. الاستثمار في البحث والتطوير لتقنيات WtE المتقدمة وتخزين الطاقة.
• الشركات: استكشاف فرص الاستثمار في مشاريع WtE وتخزين الطاقة. تطوير حلول مبتكرة لإدارة النفايات تعزز مبادئ الاقتصاد الدائري. اعتماد ممارسات تجارية مستدامة تقلل من توليد النفايات.
• الأفراد: تقليل توليد النفايات من خلال ممارسة المبادئ الثلاثة (التقليل، إعادة الاستخدام، إعادة التدوير). دعم السياسات التي تعزز تقليل النفايات واستعادة الطاقة من النفايات. ثقف نفسك والآخرين حول فوائد تخزين الطاقة من النفايات.

الخاتمة

يمثل تخزين الطاقة من النفايات فرصة كبيرة لمعالجة تحديين عالميين حاسمين: إدارة النفايات والانتقال إلى الطاقة المستدامة. من خلال تبني التقنيات المبتكرة والسياسات الداعمة والشراكات التعاونية، يمكننا إطلاق الإمكانات الهائلة للنفايات كمورد للطاقة وخلق مستقبل أنظف وأكثر مرونة واستدامة للجميع. يتطلب هذا الانتقال جهدًا عالميًا، ومشاركة أفضل الممارسات وتكييف الحلول مع السياقات المحلية، مما يضمن أن كل مجتمع يمكنه الاستفادة من هذا التآزر القوي بين إدارة النفايات وإنتاج الطاقة.