Python-Based Process Modelling and Optimisation of Pyrolysis Valorisation of Palm Kernel Shells and Empty Fruit Bunches for Biochar Production: A Circular Economy Assessment

في قلب صناعة زيت النخيل في غانا، تُنتج كميات هائلة من النفايات يومياً. فمقابل كل طن من الثمار المحصودة، تترك العملية وراءها نوعين متميزين من البقايا: شظايا صلبة تشبه القشور من النواة، وعناقيد ليفية كبيرة كانت تحمل الثمار. حالياً، يُترك معظم هذه المواد إما لتتعفن في العراء أو تُحرق، وهي ممارسة تطلق دخاناً وغازات دفيئة في الغلاف الجوي بينما تهدر مورداً قيماً. يعلم العلماء منذ فترة طويلة أن هذه البقايا يمكن تحويلها إلى شيء مفيد من خلال عملية تسمى "التحلل الحراري" (pyrolysis). وهذه طريقة يتم فيها تسخين الكتلة الحيوية في غياب الأكسجين، مما يؤدي إلى تفكيكها إلى مادة صلبة غنية بالكربون تُعرف باسم "الفحم الحيوي" (biochar)، جنباً إلى جنب مع غازات وزيوت. الفحم الحيوي مادة متعددة الاستخدامات؛ إذ يمكنه تحسين صحة التربة، وتصفية المياه، وحجز الكربون الذي قد يساهم في رفع حرارة الكوكب. ومع ذلك، فإن تحويل هذه الإمكانات إلى واقع موثوق يتطلب معرفة كيفية تشغيل هذه العملية بدقة. وتعد درجة الحرارة ومدة تسخين المادة أمرين حاسمين، لكن العثور على التوازن المثالي لهذه البقايا الغانية المحددة كان أمراً صعباً دون إجراء تجارب مخبرية مكلفة ومستهلكة للوقت تعتمد على التجربة والخطأ.

لقد اتبع فريق من الباحثين من جامعات غانية نهجاً مختلفاً، مستخدماً قوة النمذجة الحاسوبية لحل هذا اللغز. فبدلاً من حرق آلاف الأطنان من القشور والعناقيد في مختبر فيزيائي، قاموا ببناء محاكاة رقمية مفصلة باستخدام لغة "بايثون" (Python)، وهي لغة برمجة شائعة في العمل العلمي. لقد أنشأوا نموذجاً افتراضياً يحاكي كيفية تفاعل الأجزاء المختلفة من نفايات النخيل — السليلوز، والهيميسليلوز، واللجنين — عند تسخينها. ومن خلال تغذية هذا النموذج ببيانات من الأدبيات العلمية الموجودة، تمكنوا من التنبؤ بكمية الفحم الحيوي التي سيتم إنتاجها تحت ظروف مختلفة. ولضمان متانة تنبؤاتهم، أجروا آلاف السيناريوهات المحاكاتية، حيث أدخلوا تغييرات عشوائية صغيرة في تكوين النفايات وظروف التشغيل. سمح لهم ذلك برؤية ما هو أكثر من مجرد نتيجة واحدة، بل نطاق من النتائج المحتملة، مع مراعاة التباينات الطبيعية الموجودة في الزراعة الواقعية. ثم استخدموا تقنيات رياضية متقدمة للبحث عن أفضل مجموعة من الظروف التي من شأنها تعظيم كمية الفحم الحيوي المنتجة مع ضمان استيفائها لمعايير الجودة الصارمة لمحتوى الكربون.

كشفت عمليات المحاكاة عن مسار واضح ومتسق للمضي قدماً. فقد وجد الباحثون أن جودة المنتج النهائي هي العامل الأكثر أهمية الذي يحد من العملية. لإنتاج فحم حيوي عالي الجودة يكون مناسباً للأسواق ذات القيمة العالية ومخططات ائتمان الكربون، يجب أن تحتوي المادة على 60 في المائة على الأقل من الكربون الثابت. وهذا المتطلب يفرض تشغيل العملية عند درجة حرارة محددة، حوالي 393 درجة مئوية. فإذا كانت درجة الحرارة منخفضة جداً، سيكون الفحم الحيوي غير نقي للغاية؛ وإذا كانت مرتفقة جداً، ستتفكك المادة الصلبة إلى غازات، مما يقلل من إجمالي المنتج. وقد حدد النموذج أنه عند درجة الحرارة المثالية هذه، يجب تسخين قشور نواة النخيل لمدة 50 دقيقة تقريباً، بينما تتطلب عناقيد الثمار الفارغة وقتاً أطول قليلاً يبلغ 57 دقيقة. وتحت هذه الظروف الدقيقة، تنتج العملية مخرجاً من الفحم الحيوي بنسبة 42.2 في المائة للقشور و38.5 في المائة للعناقيد. كما سلط التحليل الضوء على أن كمية اللجنين في النفايات هي أكبر مصدر لعدم اليقين؛ ولأن اللجنين هو الجزء الأكثر مقاومة للحرارة في النبات، فإن التباينات في محتواه لها التأثير الأكبر على كمية المنتج النهائي التي يتم الحصول عليها.

وعندما طبق الباحثون هذه النتائج على مطحنة زيت نخيل نموذجية في غانا، أصبح المشهد الاقتصادي والبيئي واضحاً بشكل صارخ. فالمطحنة القياسية التي تعالج عشرة أطنان من عناقيد الثمار في الساعة تولد ما يكفي من النفايات لإنتاج أكثر من 5,500 طن من الفحم الحيوي سنوياً. وهذا ليس مجرد رقم نظري؛ بل يمثل تحولاً ملموساً من إدارة النفايات إلى خلق الموارد. وقد حسبت الدراسة أنه من خلال الانتقال من الحرق في العراء إلى طريقة التحلل الحراري هذه، يمكن لمطحنة واحدة منع انبعاث ما يقرب من 31,854 طناً من مكافئ ثاني أكسيد الكربون سنوياً. وتأتي هذه الفائدة من مصدرين: الكربون الذي يتم حبسه بشكل دائم في الفحم الحيوي، والانبعاثات التي يتم تجنبها بعدم حرق النفايات في العراء. ومن الناحية المالية، فإن التوقعات واعدة بالقدر نفسه. فحتى في ظل افتراضات السوق المتحفظة حيث يُباع الفحم الحيوي بسعر متواضع وتكون ائتمانات الكربون منخفضة، تحقق العملية ربحاً صافياً. وفي سيناريوهات السوق الأكثر تفاؤلاً، يمكن أن تصل الإيرادات السنوية إلى أكثر من ثلاثة ملايين دولار أمريكي. وتدفع عناقيد الثمار الفارغة، وهي أكثر وفرة من القشور، الجزء الأكبر من هذه القيمة الاقتصادية، مما يجعلها المحرك الأساسي لاقتصاد دائري في موقع المطحنة.

تخلص الدراسة إلى أن هذا الإطار الحسابي يقدم مخططاً موثوقاً لتسويق إنتاج الفحم الحيوي من نفايات زيت النخيل في غرب أفريقيا. لقد أثبت الباحثون أنه من الممكن تحديد ظروف التشغيل الدقيقة اللازمة لعملية مربحة ومفيدة بيئياً دون الحاجة إلى إجراء تجارب فيزيائية شاملة أولاً. والعائق الرئيسي الوحيد هو الحاجة إلى الحفاظ على جودة الكربون العالية المطلوبة من قبل المعايير الدولية، والتي تملي درجة الحرارة والوقت. وبينما يوفر النموذج الحاسوبي أساساً قوياً، يشير المؤلفون إلى أن العمل المستقبلي يجب أن يتضمن اختبارات على نطاق تجريبي في غانا لتأكيد هذه النتائج في ظل ظروف التشغيل المحلية وتحليل دورة الحياة الكاملة للتكنولوجيا. وفي الوقت الحالي، تثبت المحاكاة أن ما كان يُعتبر سابقاً منتجاً نفايات مزعجاً يمكن تحويله إلى أصل قيم، مما يحول عبئاً بيئياً كبيراً إلى مصدر للطاقة النظيفة، وتحسين التربة، والنمو الاقتصادي.