Table of Contents
The Case for Biogas in Natural Gas Power Generation
وقد ظلت محطات توليد الطاقة الغازية الطبيعية تشكل منذ وقت طويل حجر الزاوية في توليد الكهرباء على الصعيد العالمي، وهي تُمنح مكافأة على كثافة الكربون فيها نسبياً مقارنة بالفحم وقدرتها على التفشي بسرعة لتلبية الطلب، غير أنه مع تسارع عملية الانتقال في الطاقة، فإن الغاز الطبيعي يواجه ضغطاً للحد من آثاره البيئية، فالغاز الأحيائي، وهو وقود متجدد ينتج عن حفرة غير هوائية للنفايات العضوية، يوفر مساراً قاهراً.
والمبدأ واضح: النفايات العضوية من الزراعة ومدافن القمامة وتجهيز الأغذية ومعالجة مياه الصرف الصحي، وهي مادة مصغرة في بيئة خالية من الأكسجين، وتنتج عن ذلك انبعاثات غازية أحيائية تتراوح بين 50 و70 في المائة من ثاني أكسيد الكربون و30 في المائة من ثاني أكسيد الكربون، وتنجم عنها كميات متأصلة من كبريت الهيدروجين والأمونيا والسيلوكسينات.
Understanding Biogas and Natural Gas
تكوين وإنتاج الغازات الأحيائية
وتشكل الغازات الأحيائية من خلال عملية بيولوجية تقوم بها أرخائيات مسببة للمرض في الهضمات الهوائية أو بيئات مدافن القمامة، وتنوع المواد الوسيطة هو أحد أكبر نقاط قوتها، وتسهم المخلفات الزراعية مثل فرش الذرة، وقشرة القمح، وزراعة الحيوانات في كثير من الأحيان في إمدادات ثابتة في المناطق الريفية، وتلتقط مدافن النفايات الصلبة البلدية ميثان تتدفق إلى الغلاف الجوي، مما يؤدي إلى نفايات.
وتتباين تركيبات الغاز الحيوي الخام مع ظروف المواد الوسيطة والهضمية، ويمكن أن يتراوح محتوى الميثان من 45 في المائة في بعض غاز مدافن القمامة إلى 75 في المائة في الهضمات الزراعية ذات التشغيل الجيد، كما أن سلفيد الهيدروجين، حتى في التركيزات الصغيرة، يضاهي مواد أنابيب ومعدات الاحتراق، ويتسبب ثاني أكسيد الكربون في قيمة سعر الصرف الحراري ويجب إزالتها إذا ما كان الغاز يُثبت في كتلة عالية.
دور الغاز الطبيعي في نظم الطاقة الحديثة
وتشكل محطات توليد الطاقة الغازية الطبيعية، بما في ذلك مصانع التوربين الغازي المركب، والنباتات ذات الذروة في الدورة البسيطة، ومرافق توليد الطاقة الكثيفة، حصة متزايدة من توليد الكهرباء في مناطق كثيرة، وفي الولايات المتحدة، يتجاوز الغاز الطبيعي الفحم كمصدر رئيسي لتوليد الكهرباء في عام 2016، ويسهم الآن بحوالي 40 في المائة من إجمالي ناتج الطاقة، وتوفر هذه النباتات مرونة تشغيلية تكمل المتغيرات المتجددة مثل الرياح والشمس، وتنفجر بسرعة.
ومع ذلك، فإن استخراج الغاز الطبيعي والنقل والحرق لا يزال ينتج انبعاثات كبيرة من غازات الدفيئة، إذ أن تسرب الميثان أثناء استخراجه وخط الأنابيب يشكل شاغلا بالغ الأهمية، حيث أن الميثان لديه إمكانات الاحترار العالمي تفوق كثيرا ثاني أكسيد الكربون على مدى فترة 20 عاما، ويعالج هذا التكامل في جانب العرض: عندما تنزع كثافة الغاز الأحيائي من الميثان الميثان الأحفوري، فإن مشكلة تسرب الطاقة في أعلى المجرى يمكن أن تخفف بشكل متناسب.
الفوائد المحتملة للتكامل
الاستحقاقات البيئية ومحاسبة الكربون
أما أهم فوائد التكامل في مجال الغاز الحيوي فهي خفض انبعاثات ثاني أكسيد الكربون، وعندما يحترق الميثان الأحيائي في محطة توليد الطاقة، فإن ثاني أكسيد الكربون المفرج عنه هو مادة بيولوجية، بمعنى أنه تم مؤخراً استخلاصه من الغلاف الجوي بواسطة النباتات أثناء التكوين الضوئي، مما يخلق حلقة كربون مغلقة، حيث أن المواد الوسيطة العضوية تُعادل الكربون المنبعث وتُعاد تدويره، وعلى النقيض من ذلك، فإن انبعاثات الغاز الطبيعي التي تُسرب في المائة من النفايات الجوفية(2).
فبعد الكربون، يؤدي تكامل الغاز الحيوي إلى خفض الملوثات الأخرى، حيث يمكن أن يستخدم الهضم الجوي الميثان الذي سيهرب من مدافن القمامة أو منافذ الغسل المنغولي، حيث يعمل كغاز حراري قوي، ويمكن استخدام الهضم، وهو منتج ثانوي غني بالمغذيات في العملية، كعامل إنتاجي من المواد الخليعة السمدة، مما يزيل منافع المواد التراكمية من حيث استهلاك الطاقة.
كفاءة التكاليف والاعتبارات الاقتصادية
وتتوقف اقتصادات تكامل الغاز الحيوي على توافر المواد الوسيطة، وتكاليف تحسين الغاز، والحوافز السياساتية، وكثيرا ما تكون المواد الخام مثل الموانع، والنفايات المدافن، ومخلفات تجهيز الأغذية، تكاليف سلبية، مما يعني أن المولدات الكهربائية للنفايات تدفع لتسييرها، ويمكن أن يعوض ذلك التكاليف الرأسمالية والتشغيلية لتقلبات غازات الدفيئة والارتقاء بالغاز، وفي الولايات القضائية التي لديها معايير حافظة متجددة أو معايير ائتمانية منخفضة للوقود الكربون، يمكن لمشغلي الطاقة الأحيائية أن يُقدَّدَّدَّدَّدَها.
وتتراوح تكاليف رأس المال اللازمة لتحسين نوعية الغاز الحيوي بين 0.50 دولار و 2.00 دولار لكل مليون وحدة حرارية بريطانية (MMMBtu) من القدرات، حسب التكنولوجيا والحجم، وتخفض تكاليف التشغيل عموماً بمجرد إنشاء نظام الهضم والارتقاء، وعندما يقترن ذلك بأرصدة ضريبية اتحادية أو حكومية، أو ائتمانات ضريبية استثمارية، أو ائتمانات ضريبية إنتاجية، فإن التكلفة العالية للكربون الأحيائي يمكن أن ترتفع أو تقلل من تكلفة معامل التفريق.
أمن الطاقة والقدرة على التكيف مع الجريمة
فبخلاف الغاز الطبيعي الأحفوري الذي يعتمد في كثير من الأحيان على سلاسل الإمداد الحساسة من الناحية الجغرافية السياسية وعلى البنية التحتية للخطوط التي تعمل على طول المسافة، تنتج الغازات الأحيائية محليا من تدفقات النفايات، مما يقلل من الاعتماد على الوقود المستورد ويعزز القدرة على مواجهة حالات انقطاع شبكات الإمداد الناجمة عن الطقس أو عدم الاستقرار السياسي أو فشل الهياكل الأساسية، كما أن محطات توليد الطاقة التي يمكن أن تستفيد من الإجهاد الناجم عن وجود شبكات متعددة من الهضمات المحلية أقل عرضة للإصابة.
وعلاوة على ذلك، يمكن أن تعمل أجهزة الحفر الهوائية باستمرار وتوفر الطاقة المتجددة التي تستخدم في حمولة أساسية، وتكمل الناتج المتغير للشمس والريح، وهذه السمة التي تحمل على أساسها عوامل دعم الشبكات التي يجب أن توازن بين العرض والطلب في الوقت الحقيقي، وعندما تقترن بمصانع الطاقة التي تعمل بالغاز، توفر الغازات الأحيائية مورداً متجدداً ثابتاً يمكن إرساله عندما لا تتوافر مصادر متقطعة للتجديدات.
أوجه التآزر في إدارة النفايات
:: إن إدماج الغازات الأحيائية في عمليات محطات توليد الطاقة يخلق حلقة نشطة بين إنتاج الطاقة وإدارة النفايات، فالنفايات العضوية تشكل تحديا متزايدا في جميع أنحاء العالم، حيث تؤدي مدافن النفايات إلى إحداث الميثان والليخ، والهدر الزراعي الذي يسهم في مشاكل نوعية المياه، وتعالج الهضم الجوي هذه النفايات بينما تولد طاقة قيمة، وبالنسبة للبلديات، فإن تحويل النفايات العضوية إلى مصانع حفر تقلل من حجم النفايات.
كما أن مسار النفايات إلى الطاقة يدعم مبادئ الاقتصاد الدائري، ويحوَّل الكربون الموجود في المواد الوسيطة إلى وقود قابل للاستخدام، وتعاد المغذيات إلى التربة كهضم، وتظهر حلقة العمل بين توليد النفايات وإنتاج الطاقة والزراعة، أن تكامل الغاز الحيوي يتجاوز مجرد استبدال الوقود إلى تحسين منهجي في كفاءة استخدام الموارد، مع تزايد الضغط التنظيمي على مدافن النفايات والانبعاثات الزراعية في إدارة النفايات.
التحديات والحلول التقنية
متطلبات تأهيل الغازات وترفيعها
والعقبة التقنية الرئيسية أمام تكامل الغاز الحيوي هي الحاجة إلى تنقية الغازات الأحيائية الشاملة وتحسينها، ولا يمكن حقن الغازات الأحيائية الخام مباشرة في أنابيب الغاز الطبيعي أو إحرقها في توربينات الغاز الحديثة دون معالجة، ويجب أن يفي التكوين بمعايير صارمة لنوعية الأنابيب تحدد المحتوى الأدنى للميثان (من 95 إلى 98 في المائة) والمحتوى الأقصى لثاني أكسيد الكربون (2 إلى 4 في المائة) والحدود المفروضة على سلفيد الكهرومين، والأكسجين، وخيارات المتطورة، وخيارات المتطورة والماء المائية، وغيرها من المواد المتطورة.
وتعتمد شروط حرق المياه على استخدامات مضخمة في امتصاص ثاني أكسيد الكربون وثاني أكسيد الكربون في حين أن الميثان يمر من خلاله، وهي بسيطة وموثوقة ويمكن تشغيلها باستخدام كميات منخفضة من الطاقة في مستويات متوسطة، وتستعمل الامتصاصات المتأرجحة للضغط على قطع أقدام أو الكربون المنشط لتصنيع ثاني أكسيد الكربون بصورة انتقائية، كما أن الكمائن الافتراضية العالية التكلفة تؤدي إلى حدوث تحلية
تعديلات الهياكل الأساسية لنوعية الغازات المتغيرة
وحتى بعد رفع مستوى الميثان البيولوجي يمكن أن يظهر تفاوتا في التركيب مقارنة بالغاز الطبيعي الأحفوري، لا سيما إذا كانت الغازات الأحيائية تأتي من مصادر متعددة أو مواد وسيطة موسمية، ويجب على مشغلي محطات توليد الطاقة أن يعالجوا هذا التباين للحفاظ على استقرار الاحتراق، والامتثال للانبعاثات، وطول المعدات، ويتمثل أحد النهج في دمج الميثان الأحيائي بنسبة منخفضة مع الغاز الطبيعي الأحفوري، تتراوح عادة بين 5 و 20 في المائة، مما يقلل من تأثير تغيرات النوعية.
وبالنسبة لنسب المزيجات العالية أو عمليات الميثان الأحيائي المكرّسة، قد تكون التعديلات في البنية التحتية ضرورية، وقد تتطلب التوربات الغازية تعديلاً في ألوان الوقود، أو غرف الاحتراق، أو نظم التحكم في معالجة التغيرات في مؤشر ووبب ورقم الميثان، وقد تحتاج محطات دورة مجمّعة إلى تعديلات في المولدات الكهربائية لاسترداد الحرارة، وضوابط تربينية مُحدّدة للكفاءات الوقود.
اعتبارات الموازنة والتخزين
أما إنتاج الغاز الحيوي فهو غير ثابت طوال اليوم أو العام، إذ يعتمد ناتج الغازات النثرية على معدل التغذية ودرجة الحرارة والتحميل العضوي، في حين يتراجع إنتاج الغاز المدافن بشكل تدريجي على مدى عقود، ويتفاوت الطلب على محطات توليد الطاقة الكهربائية، ويرتبط بإشارات إرسالها بالشبكة، ويخلق هذا التقلب الحاجة إلى تخزين الغازات أو تشغيل النباتات المرنة.
وهناك حل تقني آخر يتمثل في خلط بين الهضم الحراري في محطة الطاقة الحرارية، كما أن العديد من محطات الغاز الطبيعي لديها حرارة نفايات متاحة من أكوام العادم ونظم التبريد، ويمكن استخدام هذه الحرارة للحفاظ على درجات الحرارة الهضمية في النطاق الميزوفي أو الحراري، وتحسين معدلات التخصيب في الكهرم، وزيادات الميثان في مجال الاستهلاك الحراري.
التوقعات المستقبلية ودعم السياسات
سائقو السياسات والأطر التنظيمية
إن مستقبل دمج الغازات الأحيائية في محطات توليد الطاقة الغازية الطبيعية يعتمد بشدة على دعم السياسات، ويضع التوجيه المتعلق بالطاقة المتجددة للاتحاد الأوروبي (الوارد الثاني) وشبكة الطاقة المتجددة المقترحة أهدافاً ملزمة لحصة الطاقة المتجددة في النقل والتدفئة والكهرباء، وتطبق الدول الأعضاء أهداف حقن الإيثان الحيوي ومعايير الاستدامة التي تشجع على الارتقاء بنوعية خط الأنابيب.
وستؤدي آليات تسعير الكربون، بما في ذلك نظم الحد الأقصى والتجارة في الاتحاد الأوروبي وكاليفورنيا وكويبيك، وكذلك ضرائب الكربون في كندا والسويد وفنلندا، إلى زيادة تكلفة الغاز الطبيعي الأحفوري وتحسين الاقتصاد النسبي للميثان الأحيائي، وعندما تتجاوز أسعار الكربون 50 دولاراً لكل طن من ثاني أكسيد الكربون، تصبح مادة الإيثان الأحيائي قادرة على المنافسة من حيث التكلفة مع الغاز الأحفوري في العديد من التطبيقات دون إعانات إضافية.
الابتكارات التكنولوجية في الأفق
ولا تزال البحوث والتطوير في مجال تحسين الغازات الأحيائية ومرونة وقود محطات توليد الطاقة تتقدم، ويمكن أن تؤدي أساليب التحسين الكيميائي الكهربي، مثل الخلايا الكهروكيميائية الدقيقة والهيدرولين الصلدي للأوكسيد الصلب، إلى انخفاض الاحتياجات من الطاقة وارتفاع مستوى نقاء الميثان مقارنة بالبريد التقليدي، بل إن كثافة الطاقة إلى الغازات المتجددة، إلى الجمع بين الطاقة المتجددة وثاني أكسيد الكربون المستخرج من تطوير الغازات الاصطناعية لإنتاج إنتاج الميثاني المنخفض عن طريق المي
وعلى جانب محطات توليد الطاقة، فإن أوجه التقدم في تكنولوجيا احتراق توربين الغاز تتيح التشغيل المستقر بالوقود الغنية بالهيدروجين، وهو أمر ذو أهمية لأن بعض تطوير الغاز الحيوي ينتج الهيدروجين كمنتج ثانوي، ويجري حاليا دراسة اندفاع الهيدروجين في الأنابيب، ويمكن تصميم محطات الغاز الطبيعي في المستقبل على قبول خلائط الغاز الأحفوري، والبيولوجيثان، والهيدروجين الجذاب اقتصاديا.
نمو الأسواق وتبني الصناعة
ومن المتوقع أن تنمو سوق الميثان الأحيائي العالمي نمواً كبيراً خلال العقد القادم، ووفقاً للوكالة الدولية للطاقة، يمكن أن يتسع إنتاج الميثان الأحيائي من الغازات الأحيائية من حوالي 35 بليون متر مكعب في عام 2022 إلى أكثر من 100 بليون متر مكعب بحلول عام 2030 في إطار سيناريوهات الطموحة للغاز الصافي، وسيؤدي هذا النمو إلى انخفاض التكاليف وارتفاع أسعار الكربون وزيادة الاعتراف بمنتجي إمدادات النفايات بالفعل والقدرة على الصمود.
وفي أوروبا، تقوم شركات مثل غاسوني، وإنغاس، وشركة غريتشا ببناء مرافق مخصصة لحقن الميثان الأحيائي وتوسيع قدرة خط الأنابيب على استيعاب الغازات المتجددة، وفي أمريكا الشمالية، تقوم شركات مثل شركة دومينيك للطاقة، والشركة الجنوبية، وشركة الطاقة في أوروبا المجاورة، بتجربة تزييف الأسطول الأحيائي الميثان في محطات توليد الطاقة القائمة واستكشاف عقود طويلة الأجل مع مشاريع اعتماد الغازات المدافن والزراعي.
خاتمة
ويمثل إدماج الغازات الأحيائية في عمليات محطات توليد الطاقة الغازية الطبيعية استراتيجية عملية ومؤثرة لخفض انبعاثات الكربون مع تعزيز الهياكل الأساسية الحالية للطاقة، أما الفوائد البيئية، بما في ذلك صافي الانبعاثات الصفرية أو الانبعاثات السلبية للكربون، وتحسين نوعية الهواء، وإدارة النفايات الدائرية، فهي كبيرة، وتنشأ المزايا الاقتصادية من المواد الوسيطة المنخفضة التكلفة، وحوافز السياسات، وتنويع الوقود، وتعزيز أمن الطاقة، والقدرة على التكيف مع الشبكات، والتحديات التقنية المتعلقة بضوابط تطويع الغازات التقلبه، وتقلبه، وتقلبه، وتقلبه، وتقلبه، وتحسنه، وتحسنه، وتحسنه، وتحسنه، وتحسنه، وتحسنه، وتحسنه، وتوافره، ومرونه، ومرونه، وتوافره، ومرونه.
وبالنسبة لمشغلي الأسطول الذين يديرون محطات متعددة لتوليد الطاقة الغاز الطبيعي، فإن حالة دمج الغاز الحيوي أمر ملح، وهو يوفر مسارا ملموسا وقرب الأجل إلى إزالة الكربون لا يتطلب تخريد الأصول الموجودة أو انتظارا لتكنولوجيات انطلاق، ومن خلال بناء شراكات مع مولدات النفايات، وتحسين المرافق، وشبكات الغاز الطبيعي، يمكن لمنتجي الطاقة أن يبدأوا في تزييف الغاز الحيوي اليوم بمعدلات منخفضة المزج، وات عالية القدرة.