البصمة المائية للطاقة الحيوية

إعداد: أ.د.عطية الجيار

أستاذ إدارة الأراضي والمياه والبيئة بمعهد بحوث الأراضي والمياه والبيئة – مركز البحوث الزراعية

تظهر جميع سيناريوهات الطاقة تحولا نحو زيادة نسبة مصادر الطاقة المتجددة، بما في ذلك الكتلة الحيوية. تقدم هذه الدراسة نظرة عامة على البصمة المائية للطاقة الحيوية من 12 محصولا تساهم حاليا بشكل كبير في الإنتاج الزراعي العالمي: الشعير، والكسافا، والذرة، والبطاطس، وبذور اللفت، والأرز، والجاودار، والذرة الرفيعة، وفول الصويا، وبنجر السكر، وقصب السكر، والقمح. بالإضافة إلى ذلك، تتضمن هذه الدراسة نبات الجاتروفا، وهو محصول طاقة مناسب. ونظرا لاختلاف الظروف المناخية والإنتاجية بين المناطق، فقد تم إجراء الحسابات حسب البلد.

تابعونا على قناة الفلاح اليوم

تابعونا على صفحة الفلاح اليوم على فيس بوك

إن عامل الماء للكهرباء الحيوية أصغر من عامل الماء للوقود الحيوي لأن استخدام الكتلة الحيوية الكلية أكثر كفاءة من استخدام جزء من المحصول (سكر أو نشا أو محتوى زيت) للوقود الحيوي. ويبدو أن عامل الماء للإيثانول الحيوي أصغر من عامل الماء للديزل الحيوي. وبالنسبة للكهرباء، فإن البنجر السكري والذرة وقصب السكر هي المحاصيل الأكثر ملاءمة [50 م3/جيجا جول (جيجا جول)]. أما بذور اللفت والجاتروفا، وهما محصولان نموذجيان للطاقة، فهما غير ملائمين (400 م3/جيجا جول). وبالنسبة للإيثانول، فإن البنجر السكري والبطاطس (60 و100 م3/جيجا جول) هما الأكثر ملاءمة، يليهما قصب السكر (110 م3/جيجا جول)؛ والذرة الرفيعة (400 م3/جيجا جول) هي الأكثر غير ملائمة.

وبالنسبة للديزل الحيوي، فإن فول الصويا وبذور اللفت هما الأكثر ملاءمة لعامل الماء (400 م3/جيجا جول)؛ تتمتع الجاتروفا بمعامل مياه سلبي (600 متر مكعب/جيجا جول). وعند التعبير عن ذلك لكل لتر، يتراوح معامل المياه من 1400 إلى 20000 لتر من المياه لكل لتر من الوقود الحيوي. وإذا حدث تحول نحو مساهمة أكبر للطاقة الحيوية في إمدادات الطاقة وهذا هدف المقال، فيمكن استخدام نتائج هذه الدراسة لاختيار المحاصيل والبلدان التي تنتج الطاقة الحيوية بأكثر الطرق كفاءة في استخدام المياه.

اولا: مقدمة

في العقود القادمة سوف تواجه البشرية تحديات مهمة، ليس فقط لتلبية الاحتياجات الإنسانية الأساسية للمياه، ولكن أيضا لضمان عدم تأثير استخراج المياه من الأنهار والجداول والبحيرات والخزانات الجوفية على النظم البيئية للمياه العذبة التي تؤدي وظائف بيئية. مع توقع الأمم المتحدة أن يبلغ عدد سكان العالم 9,2 مليار نسمة بحلول عام 2050، فهناك أسباب للقلق بشأن ما إذا كان من الممكن تلبية احتياجات الأجيال القادمة من الغذاء والألياف في المناطق ذات الموارد المائية المحدودة.

غالبا ما ينظر المجتمع العلمي وكذلك السياسي الدولي إلى التغير العالمي فيما يتعلق بتغير المناخ. ومن المعترف به عموما أن انبعاث الغازات المسببة للانحباس الحراري مسؤول عن التأثيرات البشرية على نظام المناخ. لتقليل الانبعاثات، يتم الترويج بشدة للتحول نحو الطاقة المتجددة، مثل الطاقة الحيوية. ومن المزايا الأخرى للطاقة المتجددة زيادة أمن إمدادات الطاقة، وتنويع الموارد، وغياب مخاطر النضوب.

إن مصادر الطاقة الحيوية يمكن أن تكون محاصيل مزروعة خصيصا لهذا الغرض، أو نباتات طبيعية، أو نفايات عضوية. كما يمكن استخدام العديد من المحاصيل المستخدمة في الطاقة الحيوية كغذاء أو علف، ولكن ليس في نفس الوقت. ويمكن حرق الكتلة الحيوية لإنتاج الحرارة والكهرباء، ولكن يمكن استخدامها أيضا لإنتاج الإيثانول الحيوي أو الديزل الحيوي، وهما نوعان من الوقود الحيوي يمكن أن يحلا محل ناقلات الطاقة الأحفورية في المركبات الآلية.

في الوقت الحاضر، يتطلب الإنتاج الزراعي للكتلة الحيوية للأغذية والألياف ما يقرب من 86% من استخدام المياه العذبة في جميع أنحاء العالم. وفي العديد من أنحاء العالم، يتنافس استخدام المياه في الزراعة مع استخدامات أخرى، مثل الإمدادات الحضرية والأنشطة الصناعية، على الرغم من أن البيئة المائية تظهر علامات التدهور والانحدار. إن زيادة الطلب على الغذاء جنبا إلى جنب مع التحول من الطاقة الأحفورية إلى الطاقة الحيوية يفرض ضغوطا إضافية على موارد المياه العذبة.

إن المستقبل لن يشهد أي أراض جديدة، وبالتالي فإن كل الإنتاج لابد وأن يأتي من قاعدة الموارد الطبيعية الحالية، الأمر الذي يتطلب عملية تكثيف مستدامة من خلال زيادة كفاءة استخدام الأراضي والمياه. وعلى مستوى العالم، تستكشف العديد من البلدان خيارات استبدال البنزين بالوقود الحيوي. بل إن الاتحاد الأوروبي والولايات المتحدة قد حددا أهدافا لهذا الاستبدال. ولكن عندما تزرع الزراعة محاصيل الطاقة الحيوية فإنها تحتاج إلى كميات إضافية من المياه التي لا يمكن استخدامها بعد ذلك في الغذاء. ويؤثر زراعة الكتلة الحيوية على نطاق واسع لاستبدال الوقود الأحفوري على الطلب المستقبلي على المياه.

السؤال المهم هنا هو ما إذا كان ينبغي لنا أن نوجه مواردنا من المياه العذبة إلى إنتاج الطاقة الحيوية أم إلى المحاصيل الغذائية. وتشير تقديرات منظمة الأغذية والزراعة إلى أنه في عام 2007 وحده، قبل اندلاع أزمة أسعار الغذاء، دُفع 75 مليون شخص إضافي إلى سوء التغذية نتيجة لارتفاع الأسعار، الأمر الذي يرفع العدد الإجمالي للجياع في العالم إلى 923 مليون شخص. وعلاوة على ذلك، تشير تقارير منظمة الأغذية والزراعة إلى أن الوقود الحيوي يزيد من انعدام الأمن الغذائي.

يرى البنك الدولي أن إنتاج الوقود الحيوي يشكل عاملا رئيسيا في ارتفاع أسعار الغذاء. ويقدر البنك أن 75% من الزيادة في أسعار الغذاء في الفترة من 2002 إلى 2008 كانت بسبب الوقود الحيوي. وقد تؤدي الأزمة المالية الحالية إلى تقليص القدرة الشرائية وزيادة خطر انخفاض تناول الغذاء. ونتيجة لهذا، فمن المرجح أن يهبط عدد أكبر من الناس إلى ما دون عتبة الجوع. وقد تتخذ الأسر قرارات بتناول عدد أقل من الوجبات أو تناول أغذية أرخص وأقل قيمة غذائية، وهي قرارات قد تخلف عواقب وخيمة بشكل خاص على الرضع والأطفال.

إن استبدال الطاقة الأحفورية بالطاقة الحيوية يولد الحاجة إلى معلومات مفصلة عن متطلبات المياه لهذا المصدر الجديد للطاقة. أحد المفاهيم المستخدمة لحساب احتياجات المياه للمنتجات الاستهلاكية هو البصمة المائية، والتي تُعرف بأنها الحجم السنوي الإجمالي للمياه العذبة المستخدمة لإنتاج السلع والخدمات للاستهلاك.

الهدف من هذه الدراسة هو إعطاء نظرة عامة عالمية على البصمة المائية لكل وحدة من الطاقة الحيوية [م3/جيجا جول (جيجا جول)]، بما في ذلك الحرارة والكهرباء والإيثانول الحيوي والديزل الحيوي. تغطي هذه الدراسة المحصولات الرئيسية الاثني عشر التي تشكل معا 80٪ من إنتاج المحاصيل العالمية. بالإضافة إلى ذلك، تتضمن هذه الدراسة نبات الجاتروفا، وهو نوع نباتي يُذكر غالبًا في سياق الطاقة الحيوية. أسئلة البحث هي:

(أ) ما عوامل المياه (م3/جيجا جول) للحرارة والكهرباء المشتقة من احتراق الكتلة الحيوية لكل محصول لكل دولة و(ب) ما هي عوامل المياه (م3/جيجا جول) لوقود النقل (الإيثانول الحيوي والديزل الحيوي) لكل محصول لكل دولة. تستبعد الدراسة النفايات العضوية، مثل السماد أو مخلفات المحاصيل، والغاز الحيوي، والطاقة من الطحالب.

تستند هذه الدراسة إلى دراستين سابقتين: إحداهما قدرت عوامل المياه لمجموعة كبيرة ومتنوعة من المنتجات الغذائية والألياف، والأخرى قدرت عوامل المياه للحرارة من الكتلة الحيوية. تأخذ هذه الدراسة مواقع الإنتاج الدقيقة في الاعتبار لحساب متطلبات المحاصيل من المياه وباستخدام تقديرات محلية لبداية موسم النمو بناءً على تحليل متى تكون الظروف الجوية في مواقع محددة أكثر ملاءمة. ومن التحسينات الإضافية أن هذه الدراسة تميز بين المياه الزرقاء والخضراء. كما تعمل هذه الدراسة على عامل الحرارة الناتج عن الكتلة الحيوية، وعامل الحرارة الناتج عن الكهرباء الحيوية والوقود الحيوي.

ثانيا: الطاقة الحيوية

تسمى الطاقة المشتقة من الكتلة الحيوية بالطاقة الحيوية. تعرف منظمة الأغذية والزراعة الكتلة الحيوية بأنها مادة من أصل عضوي، في شكل غير متحجر، مثل المحاصيل الزراعية ومنتجات الغابات، والنفايات الزراعية والغابات والمنتجات الثانوية، والسماد، والمواد الميكروبية، والنفايات العضوية الصناعية والمنزلية.

تستخدم الكتلة الحيوية للغذاء أو الأعلاف (مثل القمح والذرة والسكر)، أو المواد (مثل القطن والخشب والورق)، أو للطاقة الحيوية (مثل الذرة والسكر والجتروفا). أن الكتلة الحيوية يمكن أن توفر أشكالا مختلفة من الطاقة الحيوية: الحرارة والكهرباء والوقود الحيوي مثل الإيثانول والديزل الحيوي. الجيل الأول من الوقود الحيوي متاح حاليا وهو وقود حيوي يتم إنتاجه باستخدام التكنولوجيا التقليدية، أي تخمير الكربوهيدرات وتحويلها إلى إيثانول، واستخراج ومعالجة الزيت من المحاصيل الزيتية وتحويله إلى ديزل حيوي.

لا تحتوي الكتلة الحيوية فقط على النشا والسكر والزيت التي يمكن معالجتها وتحويلها إلى وقود حيوي؛ كما أنها تحتوي على كميات كبيرة من المواد السليلوزية. حتى الآن، تم استخدام جزء السليلوز للحصول على الطاقة عن طريق حرقه لتوفير الحرارة وإنتاج الكهرباء.

من المتوقع أن تشكل هذه الكسور السليلوزية مصدرا جذابا لإنتاج الجيل التالي من الوقود الحيوي. الوقود الحيوي من الجيل التالي هو الوقود الحيوي المتاح في المستقبل، والذي يتم إنتاجه باستخدام تكنولوجيا جديدة، قيد التطوير الآن، والتي تهدف أيضا إلى تحويل الكسور السليلوزية من المحاصيل إلى وقود حيوي، على سبيل المثال، الإيثانول. وبهذه الطريقة، يمكن زيادة الوقود الحيوي المنتج لكل وحدة من المحصول بشكل كبير.

WF
يتم تعريف WF لمنتج ما على أنه حجم المياه العذبة المستخدمة في الإنتاج في المكان الذي تم إنتاجه فيه بالفعل. بشكل عام، يكون محتوى الماء الفعلي للمنتجات ضئيلا مقارنة بـWF الخاص بها، ويهيمن استخدام المياه في دورات حياة المنتج على مرحلة الإنتاج الزراعي. يتكون WF من 3 مكونات: WF الأخضر وWF الأزرق وWF الرمادي. يشير WF الأخضر إلى مياه الأمطار التي تبخرت أثناء الإنتاج، وخاصة أثناء نمو المحاصيل. يشير WF الأزرق إلى المياه السطحية والجوفية للري التي تبخرت أثناء نمو المحاصيل. WF الرمادي هو حجم المياه التي تصبح ملوثة أثناء الإنتاج، والتي يتم تعريفها على أنها كمية المياه اللازمة لتخفيف الملوثات التي يتم تصريفها في نظام المياه الطبيعي إلى الحد الذي تظل فيه جودة المياه المحيطة أعلى من معايير جودة المياه المتفق عليها.

رابعا: المحاصيل التي تم أخذها في الاعتبار في هذه الدراسة

على مستوى العالم، يحدد عدد محدود من المحاصيل إجمالي الإنتاج. من الناحية النظرية، يمكن استخدام جميع المحاصيل للطاقة الحيوية، ولكن في الممارسة العملية تهيمن بعض المحاصيل على الإنتاج: قصب السكر، وبنجر السكر، والذرة، وبذور اللفت، وفول الصويا.ولأن هذه الدراسة تهدف إلى تقديم نظرة عامة عالمية على مصادر الطاقة الحيوية للمحاصيل الرئيسية التي يمكن استخدامها للطاقة الحيوية، فإنها تشمل 12 محصولا تساهم بنسبة 80% من إجمالي إنتاج المحاصيل العالمي. بالإضافة إلى ذلك، تشمل هذه الدراسة شجرة الجاتروفا كركاس، وهي نوع من الأشجار التي يمكن استخراج الزيت منها.

يحدد تكوين الكتلة الحيوية مدى توفر الطاقة من نوعها المحدد، مما يؤدي إلى اختلافات في طاقة الاحتراق وخيارات إنتاج الوقود الحيوي. تتضمن هذه الدراسة 4 فئات من الكتلة الحيوية: محاصيل النشا [الحبوب (الشعير والذرة والأرز والجاودار والذرة الرفيعة والقمح) والدرنات (الكسافا والبطاطس)]؛ محاصيل السكر (بنجر السكر وقصب السكر)؛ المحاصيل الزيتية (بذور اللفت وفول الصويا)؛ والأشجار (الجاتروفا).

خامسا: إنتاج المحاصيل ومتطلبات المياه للمحاصيل ومتطلبات الري

تساهم بعض البلدان بشكل كبير في الإنتاج العالمي. على سبيل المثال، تنتج البرازيل 27% من قصب السكر المتاح عالميا؛ وتمتلك الولايات المتحدة ما يقرب من نصف إنتاج فول الصويا العالمي، و40% من الذرة، وربع إنتاج الذرة الرفيعة؛ وتوفر الصين 18% من إجمالي القمح، وثلث الأرز غير المقشور، وخمس إنتاج البطاطس، و27% من إنتاج بذور اللفت. ويتم إنتاج نصف الإنتاج العالمي من الجاودار في روسيا وألمانيا، في حين تُظهِر نيجيريا أكبر مساهمة في إنتاج الكسافا. وبالنسبة للمحاصيل الأخرى، مثل بنجر السكر والشعير، يتم توزيع الإنتاج بشكل أكثر توازنا بين البلدان. ​​ويُطلَب الري في كل موقع محصول تقريبا.

والاستثناءات هي بنجر السكر المزروع في اليابان؛ والذرة من جنوب إفريقيا؛ والقمح من استراليا؛ والكسافا من نيجيريا وأنجولا وبنين وغينيا والفلبين وفيتنام والهند؛ والبطاطس من بنجلاديش وبيرو واليابان؛ وتغطي مياه الري في بعض البلدان احتياجات المحاصيل من المياه بالكامل أو تقريبا. وتشمل هذه المحاصيل والبلدان قصب السكر من الأرجنتين (96%) ومصر (92%) والقمح من الأرجنتين (100%) وكازاخستان (98%) وأوزبكستان (98%) والبطاطس والشعير من كازاخستان (100%) والذرة الرفيعة من اليمن (100%) وفول الصويا من البرازيل (95%). أما بالنسبة للمحاصيل الأخرى ومواقع الإنتاج، فإن متطلبات الري تتراوح بين هذين الطرفين.

سادسا: معامل الرطوبة للكتلة الحيوية

تظهر معامل الرطوبة اختلافات كبيرة لأنواع المحاصيل المماثلة، اعتمادا على أنظمة الإنتاج الزراعي المستخدمة وظروف المناخ. تظهر معظم معامل الرطوبة الإجمالي اختلافات بعامل يتراوح من 4 إلى 15، مع استثناءين. هذان الاستثناءان هما قيم القمح والذرة الرفيعة، بفارق 20 و47 على التوالي. تظهر كازاخستان ثلاث مرات كدولة ذات أكبر معامل رطوبة إجمالي وأزرق لمحصول (الشعير والبطاطس والقمح).

سابعا: معامل الماء للحرارة والكهرباء من الكتلة الحيوية

من المفترض أنه لا يتم استخدام غلة المحاصيل فحسب، بل وأيضا غلة الكتلة الحيوية الإجمالية لتوليد الكهرباء. ويوجد أكبر فرق في معامل الماء بين الجاتروفا وبنجر السكر؛ حيث أن البنجر أكثر كفاءة في استخدام المياه بنحو 10 مرات. معامل الماء للحرارة هو في جميع الأوقات 59% من معامل الماء للكهرباء.

ثامنا: الجيل الاول من الوقود الحيوى

ان الطاقة التي يوفرها الإيثانول [الإيثانول ذو القيمة الحرارية الأعلى (HHV) بالميجا جول/كجم من الوزن الطازج للمحصول] من محصولين للسكر وثمانية محاصيل نشوية. هناك ثلاث مجموعات: محاصيل السكر ومحصول نشوي واحد بقيم منخفضة نسبيا للطاقة التي يوفرها الإيثانول (بنجر السكر وقصب السكر والبطاطس)، ومحاصيل النشا بقيم عالية نسبيا للطاقة التي يوفرها الإيثانول (الذرة الرفيعة والذرة والقمح والشعير والأرز غير المقشور والجاودار)، ومحصول واحد بينهما (الكسافا). تنجم هذه الاختلافات عن الاختلافات في محتوى الماء في المحاصيل، حيث يرتبط المحتوى الكبير من الماء بقيم طاقة منخفضة نسبيا من الإيثانول. القيمة الحرارية الأعلى للزيت من فول الصويا هي الأقل، حوالي نصف قيمة بذور اللفت أو الجاتروفا.

تاسعا: معامل إنتاج الوقود الحيوي للبيوإيثانول: إنتاج طاقة الوقود الحيوي لكل وحدة محصول

يوجد تباين الهائل في معامل إنتاج الوقود الحيوي الإجمالي بين المحاصيل. وينطبق هذا بشكل خاص على الذرة الرفيعة، والذي يرجع أساسا إلى الظروف غير المواتية في النيجر والإنتاج عالي الكفاءة في مصر. 10 محاصيل توفر الإيثانول. ويوضح أن هناك اختلافات كبيرة بين المحاصيل. في الوقت الحالي، يعد البنجر السكري المحصول الأكثر ملاءمة والذرة الرفيعة هي الأكثر ضررًا، مع وجود فرق يبلغ 7 أضعاف من حيث حجم معامل إنتاج الوقود الحيوي.

عند مقارنة البيانات الخاصة بالدولتين الرئيسيتين المنتجتين للإيثانول، البرازيل والولايات المتحدة، فإن الإيثانول البرازيلي من قصب السكر أكثر كفاءة من الذرة (99 مقابل 140 م3/جيجا جول من الإيثانول)؛ ومع ذلك، في الولايات المتحدة، يعتبر الذرة أكثر جاذبية من قصب السكر (78 مقابل 104 م3/جيجاجول من الإيثانول). ان التمييز بين المياه الخضراء والزرقاء. كمتوسط ​​عالمي، فإن معامل المياه الزرقاء للكسافا هو الأصغر. المحاصيل الأخرى الفعالة هي البنجر السكري والبطاطس والذرة وقصب السكر. من حيث المياه الزرقاء، فإن الذرة الرفيعة غير مواتية.

في المتوسط، يتطلب إنتاج لتر واحد من الإيثانول من البنجر السكري 1400 لتر من المياه، ويتطلب إنتاج البطاطس 2400 لتر، ويتطلب إنتاج قصب السكر 2500 لتر، ويتطلب إنتاج الذرة 2600 لتر. والذرة الرفيعة هي المحصول الأقل كفاءة، حيث تحتاج إلى 9800 لتر من المياه لإنتاج لتر واحد من الإيثانول. والري هو الأقل بالنسبة للكسافا، حيث يحتاج إلى 400 لتر من المياه الزرقاء لإنتاج لتر واحد من الإيثانول، يليه 800 لتر لبنجر السكر و1000 لتر للذرة. والذرة الرفيعة هي المحصول الذي يظهر أكبر عامل مياه أزرق، حيث يبلغ 4250 لترا لكل لتر من الإيثانول.

كما يمكن ملاحظته فإن البنجر السكري هو الأكثر كفاءة من حيث كل من الإيثانول والكهرباء. أما المحاصيل الأخرى فهي بترتيب مختلف فيما يتعلق بالكفاءة التي يتم بها إنتاج الكهرباء والإيثانول. وبشكل عام، فإن إنتاج الإيثانول من جزء فقط من المحصول يكون أقل كفاءة في استخدام المياه من إنتاج الكهرباء من الكتلة الحيوية الإجمالية.

عاشرا: معامل الماء لوقود الديزل الحيوي

يظهر معامل الماء لوقود الديزل الحيوي المشتق من فول الصويا وبذور اللفت والجاتروفا اختلافات بين الدول المنتجة الرئيسية. بالنسبة لبذور اللفت، تمتلك أوروبا الغربية أصغر معامل ماء بينما تمتلك آسيا أكبر معامل ماء (خاصة في الهند، حيث تمتلك بذور اللفت معامل ماء أزرق كبير). بالنسبة لفول الصويا، تمتلك إيطاليا وباراجواي والأرجنتين أصغر معامل ماء بينما تمتلك الهند أكبر معامل ماء.

يتم إنتاج وقود الديزل الحيوي من الجاتروفا بأكثر الطرق كفاءة في استخدام المياه في البرازيل وبطريقة غير فعالة في الهند. ان كمية المياه اللازمة لإنتاج لتر واحد من وقود الديزل الحيوي؛ في المتوسط، يحتاج فول الصويا أو بذور اللفت إلى 14000 لتر من الماء، و20000 لتر لزراعة الجاتروفا.

معامل المياه للجيل القادم من الوقود الحيوي

بالنسبة للجيل القادم من الوقود الحيوي، يمكن استخدام الكتلة الحيوية الكلية للمحصول. وعندما نفترض بتفاؤل أن إنتاجه سيكون بنفس كفاءة إنتاج الكهرباء من الكتلة الحيوية (من حيث جيجاجول/طن)، فإن النتائج تشكل حدا أدنى لمعامل المياه لهذه الجيل القادم من الوقود الحيوي. وهناك عامل آخر يجب وضعه في الاعتبار وهو استخدام المياه في معالجة الكتلة الحيوية والتخمير والتقطير لهذه الجيل القادم من الوقود الحيوي.

ومن ناحية أخرى، فإن استخدام المياه في الزراعة أكبر بكثير من استخدام مياه المعالجة. وفي طرق التكامل الدولي، يُزعم أن المياه تُستخدم بشكل أساسي خلال الحلقة الأولى من سلسلة الإنتاج – الزراعة. وبالتالي، أخذت هذه الدراسة في الاعتبار متطلبات المياه في الزراعة فقط وتجاهلت استخدام المياه في الحلقات الصناعية من سلسلة الإنتاج.

الثانى عشر: الاستنتاجات

إن عامل الماء للطاقة الحيوية كبير عند مقارنته بأشكال أخرى من الطاقة. وبشكل عام، فإن استخدام الكتلة الحيوية الكلية، بما في ذلك السيقان والأوراق، لتوليد الكهرباء أكثر كفاءة من إنتاج الوقود الحيوي. وبالنسبة لمعظم المحاصيل، فإن عامل الماء للكهرباء الحيوية أصغر بنحو 2 مرة من عامل الماء للإيثانول الحيوي أو الديزل الحيوي. ويحدث هذا الاختلاف بسبب جزء المحصول الذي يمكن استخدامه. فبالنسبة للكهرباء، يمكن استخدام الكتلة الحيوية الكلية؛ أما بالنسبة للإيثانول الحيوي أو الديزل الحيوي، فيمكن استخدام جزء النشا أو الزيت فقط من المحصول. وبشكل عام، فإن عامل الماء للإيثانول الحيوي أصغر من عامل الديزل الحيوي. ويُظهِر عامل الماء للطاقة الحيوية تباينا كبيرا، اعتمادا على 3 عوامل: (أ) المحصول المستخدم، (ب) المناخ في موقع الإنتاج، و(ج) الممارسة الزراعية:

i. بالنسبة لتوليد الكهرباء، فإن البنجر السكري والذرة وقصب السكر مع معامل مياه يبلغ 50 متر مكعب/جيجا جول هي المحاصيل الأكثر ملاءمة، تليها الشعير والجاودار والأرز مع معامل مياه يبلغ 70-80 متر مكعب/جيجا جول. بذور اللفت والجاتروفا، محاصيل الطاقة النموذجية التي تظهر معامل مياه يبلغ 400 متر مكعب/جيجا جول، هي الأقل كفاءة في استخدام المياه. بالنسبة لإنتاج الإيثانول، فإن محصولين مزروعين في مناخ معتدل (بنجر السكر والبطاطس) مع معامل مياه يبلغ 60 و100 متر مكعب/جيجا جول على التوالي، هما الأكثر كفاءة، يليهما محصول نموذجي للمناخ الدافئ، قصب السكر، الذي يظهر معامل مياه أقل بقليل من 110 متر مكعب/جيجا جول. القيم للذرة والكسافا أكبر من تلك الخاصة ببنجر السكر وقصب السكر والبطاطس عند 110 و125 متر مكعب/جيجا جول على التوالي. مع معامل مياه يبلغ 400 متر مكعب/جيجا جول، فإن الذرة الرفيعة هي المحصول الأكثر ضررًا. بالنسبة لإنتاج الديزل الحيوي، فإن فول الصويا وبذور اللفت، وهما محاصيل تزرع بشكل أساسي للغذاء، تظهران أفضل معامل مياه (400 متر مكعب/جيجا جول)؛ في حين أن الجاتروفا لديها أقل معامل مياه (600 متر مكعب/جيجا جول).

ب. تظهر النتائج اختلافات كبيرة في متطلبات المحاصيل من المياه بين البلدان، بسبب الاختلافات في المناخ. على سبيل المثال، فإن متطلبات المحاصيل من المياه لبنجر السكر المزروع في إيران هي ضعف القيمة المتوسطة العالمية المرجحة.

ج. تحدد الممارسات الزراعية الغلات وبالتالي الاختلافات بين عوامل المياه للمحاصيل، حتى في ظل مناخ متشابه. فإذا كانت مستويات الغلة منخفضة نسبيا، فإن عوامل المياه تكون مرتفعة والعكس صحيح.

على سبيل المثال، في كازاخستان، تكون غلات الشعير والبطاطس والقمح منخفضة نسبيا. وبالاقتران مع العوامل المناخية غير المواتية، يؤدي هذا إلى ارتفاع قيم عوامل المياه. والظروف في الدنمرك مواتية للقمح مما يؤدي إلى انخفاض متطلبات المياه للمحاصيل نسبيا.

الخلاصة

من الناحية النظرية، يمكن استخدام جميع المحاصيل للحصول على الطاقة، بما في ذلك المحاصيل مثل الأرز والجاودار التي تستخدم حاليا بشكل رئيسي في الغذاء. لا يعتمد استخدام المياه لمحصول معين على ما إذا كان أكثر كفاءة في استخدام المياه في إنتاج وحدة من الإيثانول أو الديزل الحيوي أو الكهرباء مقارنة ببعض المحاصيل النموذجية للطاقة، مثل بذور اللفت أو الجاتروفا. يجب توسيع المناقشة الأخلاقية حول ما إذا كان من الممكن استخدام المحاصيل الغذائية للحصول على الطاقة إلى مناقشة ما إذا كان ينبغي لنا استخدام قاعدة موارد المياه المحدودة لدينا للحصول على الغذاء أو الطاقة.

إن المجتمعين العلمي والسياسي الدولي يشجعان على التحول نحو مصادر الطاقة المتجددة، مثل الكتلة الحيوية، للحد من انبعاث الغازات المسببة للاحتباس الحراري العالمي. وقد أظهرت هذه الدراسة أن إنتاج الكتلة الحيوية يسير جنبا إلى جنب مع الاحتياجات المائية الضخمة.

هناك بالفعل أسباب تدعو إلى القلق العميق في العديد من المناطق والبلدان ذات الموارد المائية المحدودة بشأن ما إذا كان من الممكن تلبية احتياجات الأجيال القادمة من الغذاء والألياف. وإذا حدث تحول نحو مساهمة أكبر من الطاقة الحيوية في إجمالي إمدادات الطاقة، فيمكن استخدام نتائج هذه الدراسة لاختيار المحاصيل والبلدان التي (في ظل ظروف الإنتاج الحالية) تنتج الطاقة الحيوية بأكثر الطرق كفاءة في استخدام المياه.

المراجع

* Berndes G (2002) Bioenergy and water the implications of large-scale bioenergy production for water use and supply. Global Environ Chang 12:253–271.
* Chapagain AK, Hoekstra AY (2004) Water Footprints of Nations. Value of Water Res Report Series No. 16 (UNESCO-IHE, Delft, The Netherlands).
* De Vries BJM, van Vuuren DP, Hoogwijk MM (2006) Renewable energy sources: Their global potential for the first half of the 21st century at a global level: An integrated approach. Energ Policy 35:2590–2610.
* Food and Agriculture Organization (2006) Introducing the International Bio-Energy Platform (Food and Agriculture Organization, Rome, Italy).
* Food and Agriculture Organization (2007) CROPWAT 4.3 Decision Support System (Food and Agriculture Organization, Rome, Italy). Available at.
* Food and Agriculture Organization (2008) Food Outlook. Global Market Analysis (Food and Agriculture Organization, Rome, Italy). Available at www.fao.org. Accessed January 7, 2008.
* Gerbens-Leenes PW, Hoekstra AY, van der Meer TH (2009) The water footprint of energy from biomass: A quantitative assessment and consequences of an increasing share of bio-energy supply. Ecol Econ 68:1052–1060.
* Hoekstra AY, Chapagain AK (2007) Water footprints of nations: Water use by people as a function of their consumption pattern. Water Resour Manag 21:35–48.
* Hoekstra AY, Chapagain AK (2008) Globalization of Water. Sharing the Planet’s Freshwater Resources (Blackwell, Oxford, UK).
* Hughes S, Partzch L, Gaskell S (2007) The development of biofuels within the context of the global water crisis. Sustain Dev Law & Policy 62:58–62.
* Pimentel D, Patzek TW (2005) Ethanol production using corn, switchgrass, and wood: Biodiesel production using soybean and sunflower. Nat Resour Res 14:65–76.
* Worldwatch Institute (2007) Biofuels for Transport. Global Potential and Implications for Sustainable Energy and Agriculture (Earthscan, London, UK)