أثر شركة الطاقة الهندسية إزالة الكربون في القطاع الصناعي

إن هندسة الطاقة تمثل في مقدمة الجهود العالمية الرامية إلى إزالة الكربون من القطاع الصناعي، الذي يسهم بنحو ثلث مجموع انبعاثات غازات الدفيئة في جميع أنحاء العالم، وذلك بتطبيق مبادئ الديناميكا الحرارية، وعلوم المواد، والهندسة الكهربائية، ونظم تصميم مهندسي الطاقة التي تقلل استهلاك الطاقة، وتعزز الكفاءة، وتدمج مصادر الطاقة المنخفضة الكربون، وهذا التحول ليس مجرد تحد تقني بل ضرورة استراتيجية لتحقيق أهداف المناخ بموجب اتفاق باريس.

Understanding Decarbonization in Industry

ويشير التسريح إلى التخفيض المنهجي لانبعاثات ثاني أكسيد الكربون من العمليات الصناعية واستخدام الطاقة، ويشمل القطاع الصناعي طائفة واسعة من الأنشطة، بدءاً من إنتاج الفولاذ والأسمنت إلى التصنيع الكيميائي وتجهيز الأغذية، وكل من هذه الصناعات مطالب فريدة من نوعها بالطاقة، تتطلب في كثير من الأحيان حرارة عالية الحرارة، أو ردود فعل كيميائية، أو عمليات تحول مادي تعتمد تاريخياً على الوقود الأحفوري.

وتنشأ الانبعاثات في الصناعة من مصدرين رئيسيين: الانبعاثات المتصلة بالطاقة من الوقود الأحفوري المحترق لتوليد الحرارة والطاقة، ومعالجة الانبعاثات الناجمة عن ردود الفعل الكيميائية المتأصلة في الإنتاج (مثل حساب صناعة الأسمنت) وتتطلب معالجة حافظة من الحلول، وتعالج هندسة الطاقة هذه الانبعاثات من خلال تدخلات محددة الهدف، مثل استبدال المغليات المشتعلة بالفحم بمضخات حرارة كهربائية، وتنفيذ نظم توليد مشتركة من أجل إنتاج متزامن للحرارة والطاقة، أو إعادة استخدامها.

وحجم التحدي هائل، ووفقاً للوكالة الدولية للطاقة، بلغت انبعاثات ثاني أكسيد الكربون الصناعية المباشرة نحو 9 جيغاوات في عام 2022، مما يمثل نحو 25 في المائة من مجموع الانبعاثات المتصلة بالطاقة، وبدون إزالة سريعة للكربون، يمكن للانبعاثات الصناعية أن تقوض الأهداف العالمية المتعلقة بالمناخ، مما يجعل الابتكار في مجال هندسة الطاقة غير مفيد فحسب بل أساسي.

الاستراتيجيات الرئيسية في مجال الهندسة في مجال الطاقة

ويقوم مهندسو الطاقة بنشر مجموعة من الاستراتيجيات المصممة خصيصا لسياقات صناعية محددة، وتشمل هذه الاستراتيجيات التدخلات التقنية والتشغيلية والمنهجية.

• Renewable Energy Integration:] Industries can transition to on-site renewable generation using solar photovoltaicصفs, wind turbines, or biomass systems. For large-scale production, power purchase agreements (PPAs) ensure a steady supply of clean electricity. Innovative solutions like concentrated solar thermal (CST) provide process heat at temperatures up to 400°C sectors.
• (أ) ما زالت هذه هي أكثر التدابير فعالية من حيث التكلفة في الأجل القريب، وتشمل الأساليب الرئيسية مواد العزل المتقدمة مثل الهباء الهوائيات، ومولدات البخار الحراري التي تلتقط حرارة النفايات من مجاري العادم، والمحركات المتغيرة التي تستخدم معايير قياسية لقياس سرعة السيارات (500 1)().
• (ب) إن التحول من الاحتراق الأحفوري إلى النظم الكهربائية التي تعمل بالطاقة الكهربائية النظيفة يكتسب زخماً، إذ يمكن أن تُجرى في صناعة الصلب فرون كهربائية كهربائية على الكهرباء المتجددة، بينما تكون المغليات الكهربائية ومضخات الحرارة صالحة لعمليات التوليد المتوسطة (نحو 200 درجة مئوية).
• (ب) ) Carbon Capture, Utilization, and Storage (CCUS):] For hard-to-abate sectors such as cement and chemicals, capturing CO2 at the source is necessary. Post-combustion capture using amine scrubbing is commercially proven, while novel methods like direct air capture (DAC) startups enhanced.

Innovations Driving Change

وتتسارع عمليات الانجاز الأخيرة في هندسة الطاقة بخطى إزالة الكربون في الصناعة، وتعالج هذه الابتكارات الحواجز التقنية والاقتصادية على السواء، مما يجعل الحلول المنخفضة الكربون أكثر قابلية للتطبيق على نطاق واسع.

إنتاج الهيدروجين الأخضر

وقد بدأ إنتاج الهيدروجين الأخضر بواسطة التحلل الكهربائي المتجدد، في الظهور كوقود نظيف للعمليات الصناعية ذات الحرارة العالية وكوادر كيميائية، وفي صناعة الفولاذ، يمكن أن تحل الهيدروجين محل الكوكايين في عمليات التخفيض المباشر، وبتدمير الماء بدلا من ثاني أكسيد الكربون، وقد تكون مشاريع مثل مبادرة هايبريت في السويد قد أنتجت بالفعل فولاذاذيا خاليا من الأحفوريات على نطاق تجريبي.

المواد المتقدمة والخزن الحراري

وتحسن المواد العازلة كفاءة الطاقة وتسمح بتصميمات جديدة للعمليات، وتخفض العزلة العالية الحرارة من الخزف من الحرارة في الأفران، بينما تخزن مواد التغيير التدريجي الطاقة الحرارية لاستخدامها أثناء ارتفاع الطلب، وتتيح نظم تخزين الطاقة الحرارية باستخدام الملح المبلطين أو أسرة الصخور للصناعات أن تطفو من استهلاكها من الكهرباء، مما يقلل من شظايا الشبكة وانخفاض التكاليف.

الت رقمنة ومؤشرات الطاقة

وتتيح المعلومات الاستخبارية الفنية والشبكة الصناعية للأشياء رصد استخدام الطاقة في الوقت الحقيقي وتحقيق الاستخدام الأمثل له، وتتوقع نماذج التعلم في مجال الآلات الطلب على الطاقة، وتحدد أوجه الشذوذ في أداء المعدات، وتعظيم عمليات الاحتراق، وتسمح أجهزة الاستشعار الذكية، إلى جانب التوأم الرقمي، للمهندسين بتخيط البقايا قبل ارتكاب رأس المال، والحد من المخاطرة والوقت للتنفيذ.

كهرباء الحرارة العالية الارتداد

ومن أصعب التحديات عمليات الكهربة التي تتطلب حرارة تتجاوز ٠٠٠ ١ درجة مئوية، مثل إنتاج الأسمنت والزجاج، وتشمل التكنولوجيات الكهربائية الجديدة التدفئة التمهيدية للمعادن، وتجهيز المعادن بمساعدة مجهرية، والأفران القائمة على البلازما، وتجرب مؤسسات البحوث والبدادات هذه الأساليب، مع نتائج مبكرة تبين تخفيضات في الطاقة بنسبة ٢٠-٣٠ في المائة مقارنة بالاحتراق التقليدي.

دراسات الحالات: التطبيقات العالمية الحقيقية

وقد أثبت العديد من القادة الصناعيين بالفعل جدوى إزالة الكربون عن طريق حلول هندسية للطاقة.

صناعة الفول مع الهيدروجين الأخضر

وقد طورت شركة SAB السويدية لإنتاج الصلب بالتعاون مع شركة LKAB و Vattenfall عملية هاي بي.

إنتاج الأسمنت مع كابينة الكربون

وتدمج محطة الأسمنت التابعة لنورسيم في بريفيك، النرويج، مرفقا كاملا من مرافق احتجاز ثاني أكسيد الكربون وتخزينه، وتلتقط هذه المحطة ثاني أكسيد الكربون من غاز المداخن باستخدام تكنولوجيا الأمين وتخزنه تحت بحر الشمال في إطار مشروع الأنوار الشمالية، ويمكن لهذا النهج أن يقلل من انبعاثات المرفق بنسبة تصل إلى ٥٠ في المائة، ومن المتوقع أن يضع مخططا لمصانع الأسمنت الأخرى على الصعيد العالمي.

التصنيع الكيميائي مع استعادة نفاياتها

وقد قامت شركة BASF، وهي إحدى أكبر الشركات الكيميائية في العالم، بتنفيذ نظام شامل لاستعادة حرارة النفايات في موقعها في لودوفيغشافين، حيث قامت بتغطية حرارة منخفضة الحرارة من مسارات العمليات ورفع مستوى هذه الحرارة بمضخات الحرارة، وخفضت الوكالة استهلاك الغاز الطبيعي بنسبة 20 في المائة، مع تحسين الكفاءة العامة للطاقة، وزادت الشبكة من قدرة الهياكل الأساسية القائمة وفترة انتكاسة تقل عن أربع سنوات.

التحديات والتوقعات المستقبلية

وعلى الرغم من وعود هذه التكنولوجيات، فإن الحواجز المنهجية تبطئ من الاعتماد الواسع النطاق، ويتمثل التحدي الأول في التكلفة: فالحلول المنخفضة الكربون تتطلب استثمارات كبيرة في البداية، وكثيرا ما تكون فترات الانتكاس أطول من دورات التمويل التي يفضلها الشركات، فعلى سبيل المثال، لا تزال الهيدروجين الأخضر أكثر تكلفة من الهيدروجين الأحفوري بمقدار الضعف، رغم أن التكاليف تتناقص بسرعة.

وثمة عقبة أخرى تتمثل في الموثوقية التقنية والنضج، ففي حين أن أفران القوس الكهربائي ثابتة تماماً بالنسبة للصلب الذي يرتكز على الخردة، فإن إنتاج الفولاذ من ركاز الحديد العذراء باستخدام الهيدروجين يتطلب زيادة التعظيم، وبالمثل، فقد تم نشر تكنولوجيات حفظ ثاني أكسيد الكربون وتخزينه على نطاق واسع منذ عقود، ولكن كفاءتها وإدماجها في العمليات الصناعية بحاجة إلى تحسين.

فالهياكل الأساسية تشكل حاجزا ثالثا، فالانتقال إلى الهيدروجين الأخضر يتطلب خطوط أنابيب ومرافق تخزين، في حين يتطلب الإصدار تحديثا للشبكة، ويقع العديد من المواقع الصناعية في مناطق ذات قدرة محدودة على الوصول إلى الطاقة المتجددة أو على الشبكة، مما يتطلب توليدا محليا أو خطوطا جديدة للنقل.

ولا يوجد أي دعم في مجال السياسات، فبينما توفر آلية الاتحاد الأوروبي لتسوية الحدود الكربونية وقانون خفض التضخم في الولايات المتحدة حوافز، يفتقر العديد من الاقتصادات الصناعية إلى إشارات واضحة لتسعير الكربون، فالسياسات المستقرة والقابلة للتنبؤ ضرورية لتخفيف المخاطرة بالاستثمار الخاص.

دور السياسات والتعليم

ويمكن للحكومات أن تعجل بعملية إزالة الكربون من خلال مزيج من الأنظمة والإعانات وتسعير الكربون، فالسياسات مثل تعريفات التغذية للحرارة المتجددة، والائتمانات الضريبية للاستثمار في صندوق النقد الدولي، والمشتريات العامة الخضراء تخلق الطلب على المنتجات المنخفضة الكربون في السوق، والتعليم والتدريب حرج بنفس القدر: يجب على الجامعات والمدارس التقنية أن تدمج مبادئ هندسة الطاقة في المناهج الدراسية، بينما تساعد برامج التطوير المهني المستمرة المهندسين على البقاء في الوقت الراهن مع التكنولوجيات الناشئة.

كما أن التعاون بين القطاعات أمر حيوي، فعلى سبيل المثال، يمكن للمجموعات الصناعية أن تتقاسم الحرارة والهيدروجين والهياكل الأساسية لثاني أكسيد الكربون، مما يقلل من تكاليف جميع المشاركين، وتتطلب هذه النظم الإيكولوجية التنسيق بين الصناعة والأوساط الأكاديمية وصانعي السياسات.

خاتمة

ولا غنى عن هندسة الطاقة في رحلة إزالة الكربون في القطاع الصناعي، فمن التكامل المتجدد والكهربة إلى احتجاز الكربون وتحقيق الاستخدام الأمثل الرقمي، فإن هذه الحلول توفر مسارات عملية لخفض الانبعاثات بشكل كبير، وفي حين أن التحديات لا تزال قائمة، والقدرة على التصعيد، ومواءمة السياسات - فإن المسار واضح: فالابتكارات المستمرة والاستثمار الاستراتيجي سيمكن الصناعات من تحقيق الأهداف المناخية مع بقاءها قادرة على المنافسة، ومن خلال إمتلاك هندسة الطاقة اليوم، يمكن للقادة الصناعة أن يؤمنوا مستقبلاً مستداماً ومزدهراً.