الأداء البيئي والطاقي لبقايا سيقان القطن لإنتاج طاقة حيوية مستدامة

تحويل مخلفات المزرعة إلى وقود مفيد

تنتج مزارع القطن أكواماً كبيرة من السيقان الخشبية بعد الحصاد، ومعظم هذه المادة لا تزال تهدر أو تُحرق في الحقول المكشوفة، مما يزيد الدخان وغازات الاحتباس الحراري في الجو. تستكشف هذه الدراسة ما إذا كان بالإمكان تحويل تلك السيقان بدلاً من ذلك إلى كتل وقود مرتبة وسهلة الاستخدام توفر حرارة مفيدة مع تلوث محدود وتكاليف طاقة إنتاج معقولة.

من السيقان الخشنة إلى كتل وقود مضغوطة

جمع الباحثون سيقان القطن من الحقول، جفوها، قطعوها وطحنوها إلى أحجام جزيئات مختلفة، ثم ضغطوا المادة لتشكيل قوالب صلبة. تحكموا بعناية في ثلاثة متغيرات عملية سيهتم بها أي مشغل: مستوى رطوبة المادة، مدى دقتها في الطحن، وقوة الضغط. لكل ضبطية قاسوا مدى كثافة القوالب، وكمية الطاقة التي تحتاجها الآلات، ومقدار الحرارة التي يمكن للقوالب أن تنتجها، وكمية الرماد المتبقي، والغازات المنبعثة عند حرقها.

إيجاد النقطة المثلى في المعالجة

قد يبدو أن صنع قوالب ذات كثافة عالية أمراً مثالياً، لكنه يتطلب ضغطاً أقوى وطحناً أكثر دقة، وكلاهما يستهلكان طاقة. وجد الفريق أن الجسيمات الأرفع والضغوط الأعلى أنتجت أقصى كثافة وأصعب قوالب، بكثافات تتجاوز طن متري واحد لكل متر مكعب وقيمة حرارية صلبة مشابهة لبعض أخشاب الوقود. في المقابل، زاد هذا «الإفراط» من استهلاك الآلات للطاقة دون أن يقدم فائدة كبيرة إضافية في مخرجات الحرارة. بالمقابل، أعطت الجسيمات الأخشن قليلاً والرطوبة المتوسطة قوالب لا تزال كثيفة وقوية، لكن مع استهلاك طاقة أقل بشكل ملحوظ في جهاز الضغط.

مدى نظافة احتراق القوالب

أظهرت اختبارات الاحتراق في موقد مسيطر عليه أن معظم الغاز الخارج من المدخنة كان ثاني أكسيد الكربون، وهو أمر متوقع عند احتراق الوقود النباتي احتراقاً كاملاً. بقيت مستويات أول أكسيد الكربون وغازات الكبريت وأكاسيد النيتروجين منخفضة نسبياً وتراجعت مع انتهاء الاحتراق، مما يدل على كفاءة الاحتراق وقلة التلوث المتبقي. كما تركت القوالب كمية صغيرة فقط من الرماد، ما يعني تنظيفاً أقل وكمية أقل من المادة للتصرف بها بعد كل تشغيل. أكدت اختبارات إطلاق الحرارة والتسخين الحذر لعينات صغيرة أن القوالب تحترق في مراحل واضحة: أولاً إطلاق الرطوبة، ثم تحرير أبخرة قابلة للاشتعال، وأخيراً بقاء فحم ثابت يحترق تدريجياً.

موازنة استخدام الطاقة والتأثير البيئي

لتقييم العملية بطريقة بسيطة وعملية، بنى المؤلفون نتيجتين مجمعتين. تجمع نتيجة واحدة بين الحرارة التي تحصل عليها من القوالب والطاقة اللازمة لطحنها وضغطها. والثانية تضيف أيضاً غازات العادم المقاسة إلى الحساب. باستخدام هاتين النتيجتين، أظهروا وجود مقايضة واضحة: دفع المكبس بقوة زائدة أو الطحن بدقة عالية يقلل الفائدة الإجمالية لأن طاقة الآلات الإضافية تفوق الزيادات الصغيرة في جودة الوقود. وجدت أفضل توازنات عند الضغط المتوسط، والرطوبة المتوسطة، والجسيمات إلى حد ما أخشن، مما يخفض من استهلاك طاقة الآلات مع الحفاظ على أداء وقود جيد وانبعاثات منخفضة.

ما يعنيه هذا للمزارعين ومستخدمي الطاقة

بالنسبة لغير المتخصصين، الرسالة مباشرة: يمكن تحويل سيقان القطن، التي تعامل عادة كإزعاج، إلى وقود مدمج يحترق بنظافة ويسهل التعامل معه، طالما تم ضبط خطوات التحضير بعقلانية. تُظهر الدراسة أن خيارات بسيطة في الطحن والتجفيف والضغط يمكن أن تصنع الفارق بين عملية مسرفة تستهلك طاقة كبيرة وعملية تحول بقايا الحقول بكفاءة إلى حرارة مفيدة مع تلوث محدود، مما يساعد مناطق الزراعة على خلق طاقة متجددة محلية من مادة تمتلكها بالفعل.

الاستشهاد: Ibrahim, M.M., Alharbi, A. & Ghonimy, M. Environmental and energy performance of cotton stalk residues for sustainable bioenergy production. Sci Rep 16, 15997 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-48159-1

الكلمات المفتاحية: قوالب سيقان القطن, الطاقة الحيوية, وقود الكتلة الحيوية, انبعاثات الاحتراق, من النفاية إلى الطاقة