وتشهد الساحة العالمية للطاقة تحولاً عميقاً بسبب الضرورات المزدوجة المتمثلة في تلبية الطلب على الكهرباء وخفض انبعاثات غازات الدفيئة، وتواجه الفحم، الذي يمتد إلى فترة طويلة من مراحل توليد الطاقة في مناطق كثيرة، ضغوطاً شديدة على تحديثها، وتبرز تكنولوجيا الغاز المدمجة المتكاملة باعتبارها أحد أكثر الطرق واعدة لتحقيق كهرباء أكثر نظافة وكفاءة في مجال الفحم قبل تحويل الفحم إلى محطات الغاز الاصطناعي.

ما هي تكنولوجيا IGCC؟

إن دورة الغاز المتكاملة المدمجة هي نظام لتوليد الطاقة يجمع بين تغويز الفحم مع مجموعة من وحدات الطاقة الكهربائية، بدلا من حرق الفحم مباشرة في مغلي، تتحول الفحم الصلب أولا إلى غاز مختلط قابل للحرق، أو الغاز المركب، الذي يتألف أساسا من الهيدروجين وأول أكسيد الكربون، وينتج هذا التراكمي من الملوثات قبل أن يحترق في تورم غازي.

وتتم عملية التغويز نفسها عند درجة حرارة عالية (من 1300 إلى 600 درجة مئوية) وضغط متوسط (20 إلى 70 باون) في بيئة مطهرة بالأكسجين، وتتفاعل الفحم مع الأكسجين والبخار لإنتاج الغازات الاصطناعية، بينما تزيل المادة المعدنية في أعالي الفحم في طبقة حرارية يمكن استخدامها كمجموع للبناء، وتنتج هذه المادة غير قابلة للاشتعال في المجرى البيئي().

ونظراً لأن الغازات المتجمعة تتعرض للضغط وتنظيفها قبل الاحتراق، فإن لجنة الحادة الدولية تتجنب العديد من التحديات التي تجابه بعد الاحتراق والتي تصيب النباتات التقليدية للفحم التي تُستخدم الكبريت، وهي نتيجة لنظام للطاقة يمكن أن يحقق كفاءة أعلى مع انخفاض الانبعاثات، مع الحفاظ على القدرة على استيعاب الفوائد السابقة لاحتراق ثاني أكسيد الكربون التي يصعب مطابقتها مع تكنولوجيات الفحم التقليدية.

العناصر التقنية لمصنع لجنة التنسيق المشتركة بين الوكالات

وحدة الفصل الجوي

وتفصل وحدة فصل الهواء الأكسجين عن الهواء المحيط لتزود المزود بالغازات، وتستخدم وحدات الدعم الحديثة التحلل المبرد لإنتاج ⁇ 95 في المائة من الأكسجين النقي، وتستهلك وحدة دعم التنفيذ نسبة 10-15 في المائة من الناتج الإجمالي للنباتات، ولكنها تلغي الحاجة إلى معالجة النيتروجين الباهظة التكلفة والكثيفة الطاقة، وتستكشف بعض التصميمات ميدرات نقل الأوكسجين هذه.

Gasifier

وقد تم نشر عدة تصميمات مصممة على أساس المجازر: التدفق المكثف (مثلاً، جي/تكساس، شيلي، سيمينز)، وبطاقة مسيلة، وبطولة متحركة، وتهيمن أجهزة التزود بالغاز على محطات الغازات المحتوية على الغازات المشبع بالفلور، لأنها تعالج أوسع نطاق من الفحم وتنتج غازات نظيفة خالية من التر، ويؤثر اختيار المبرد على الكفاءة، والمناولة.

تطهير الغاز

ويحتوي خراج الأنغاد من الموزِّع على الجسيمات ومركبات الكبريت والهافلينات والزئبق، ويحدث نظام لتنظيف الكبريت من مرحلتين - على شكل إعصار يليه غسيل مبلَّغ أو جزيئات مرشَّحة من الغازات المشبعة إلى أقل من 1 ملغم/نم3، ويتم إزالة الكبريت عن طريق امتصاص مُنَفَّع.()

السلاحف

وتستخدم محطات الغاز المحتوية على الغازات المعدلة خصيصاً والمصممة لمعالجة الغازات الغنية بالهيدروجين، التي لها قيمة تدفئة أقل حجماً (من طراز 4 إلى 6 MJ/Nm3) من الغاز الطبيعي، وتحتاج طبقة الترنب إلى أزيز أكبر، ومركبات معدلة لإدارة استقرار اللهب وتكوين نكهة النيتروجين، وخطط للتبريد المتقدمة.

مولدات أشعة مائية وجهاز تربين لتوليد الحرارة

ويدخل العادم المطاطي الغازي، الذي لا يزال غنياً بالأكسجين والطاقة الحرارية، إلى مجموعة الموارد البشرية، حيث يولد البخار على مستويات ضغط متعددة (العالي، والسخاء، والمستوى المنخفض)، ويرسل هذا البخار إلى توربين مكثف، مما يضيف 30 إلى 35 في المائة من الناتج الإجمالي للنباتات، ويعطي تشكيلة الدورة المشتركة المركز الدولي للمركبات كفاءة عالية.

الكفاءة والأداء البيئي

وتتحقق المصانع التجارية التابعة للشركة عادة من صافي الكفاءة الكهربائية بنسبة 40 إلى 45 في المائة على أساس أعلى من قيمة التدفئة، مقارنة بنسبة 33 إلى 38 في المائة بالنسبة لمصانع PC دون الحرجة و38 إلى 42 في المائة بالنسبة لمصانع PC شديدة الأهمية، حيث أن أحدث توربينات الغاز وتحسين التكامل، فإن تصميمات المركز المتكامل للمركبات الكربونية تبلغ الهدف المنشودة 48 إلى 50 في المائة من صافي الكفاءة.

والأداء البيئي هو المكان الذي تشرق فيه لجنة التنسيق الدولية حقاً، فبتنظيف الغازات الاصطناعية قبل الاحتراق، تزيل لجنة السلامة الكيميائية أكثر من 99 في المائة من الكبريت، وتحصل على انبعاثات ثاني أكسيد الكربون دون 0.01 من البيرفلور/MMBtu.() وتظل انبعاثات غازات النيتروز منخفضة، وعادة ما تتراوح بين 0.03 و0.05 من وزن الجسم/MMBtu، بسبب استخدام معدلات الحرق المتردي الحاد واللازم لليوران أقل من حيث التراكم.

عندما يقترن باحتجاز الكربون، يصبح الأداء البيئي لـ (آي سي) أكثر قسوة، قبل الاحتراق غني بثاني أكسيد الكربون في ضغط مرتفع، مما يجعل ضبط الطاقة قبل الاحتراق أكثر كفاءة من الحرق بعد الاحتراق من غاز المداخن، ويمكن تحقيق الحرق الكربوني باستخدام المذيبات المادية (مثلاً، (سيلكسول) إلى ثاني أكسيد الكربون، الذي يتم جرفه أو تركيبه، وإستخدامه في نقاط نقله)

1 - القدرة على التقاط الكربون وتخزينه

إن توافق لجنة السلامة الكيميائية مع احتجاز الكربون وتخزينه هو أهم سمات هذه المادة بالنسبة للاستدامة الطويلة الأجل، في محطة PC، يجب أن يتم ضبط ثاني أكسيد الكربون من مجرى غازي منخفض الضغط باستخدام المذيبات الكيميائية، وهي عملية تتطلب بخار كبير وتؤدي إلى عقوبات كبيرة على الكفاءة، وفي محطة تعمل بالهيدروجين المفصل قبل الحرق، تحول رد فعل ثاني أكسيد الكربون إلى

ويتيح تركيب الغاز المتكامل المختلط مع كابينة الكربون عدة مزايا: انخفاض عقوبة الطاقة، والمعدات الصغيرة، والانتاج المشترك المحتمل للهيدروجين والطاقة، وقد قدمت عدة مشاريع إيضاحية، بما في ذلك مصنع كيمبر - كاونتي في ميسيسيبي الذي أُلغي الآن، ومبدأ " دوك إدواردزبورت " الخاص الذي يُعد تحدياً عملياً ولكنه ناجح تقنياً في إنديانا، دروساً سليمة.

ويرمي البحث الجاري في مجال الأجهزة المتقدمة، وتنظيف الغازات الدافئة، والمذيبات الجديدة إلى زيادة تخفيض تكاليف وكفاءة احتجاز ثاني أكسيد الكربون، وعندما توفر آليات السياسات مثل تسعير الكربون أو الائتمانات الضريبية (مثلاً 45Q في الولايات المتحدة) حافزاً كافياً، يمكن أن تصبح لجنة التنسيق المشتركة بين الوكالات والمعنية ببروميد الميثيل قادرة على البقاء تجارياً من أجل بناءات جديدة.

مرونة الوقود

ويمكن لمصانع لجنة مصائد الأسماك الدولية أن تجهز مجموعة من الوقود أوسع بكثير من محطات الفحم التقليدية، وفي حين أن معظمها مصمم للفحم المرن، فإن الكثير منها يمكن أن يعالج انبعاثات الغازات ذات الطاقة البديلة واللينيت والبيكوك وحتى الكتلة الأحيائية، وهذه المرونة تمكن المرافق من الاستجابة لأسواق الوقود والاستفادة من الوقود المتاح للشبكة المنخفضة التكلفة، كما أن الكميات الأحيائية المحتوية على كمية تتراوح بين 20 و30 في المائة من الكولات المعدلة في مصنع للمركبات الكربونية يمكن أن تزيد من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون.

كما أن هذا الانتفاع في الوقود يُعيق من احتمال حدوث انقطاع في العرض أو تقلب في الأسعار، وبالنسبة لبلدان مثل الهند والصين التي تعتمد على الفحم الأقل جودة، فإن لجنة التنسيق الدولية توفر طريقا لتوليد الطاقة النظيفة والفعالة دون الحاجة إلى خطوات مكلفة لإعداد الوقود مثل غسل الفحم.

الاعتبارات الاقتصادية

أما أكبر حاجز أمام انتشار هذه المركبات فهو التكلفة الرأسمالية، إذ أن محطات التعاون التقني التجاري التابعة للشركة تكلف تاريخياً أكثر من 20 إلى 30 في المائة لكل كيلوواط من النباتات التي تعمل بالضغط الرئوي فوق الحر، وتوافرها كان أقل خلال السنوات القليلة الأولى من التشغيل، أما التكلفة العالية للكهرباء بالنسبة لمصنع للمركبات غير المحتوية على ثاني أكسيد الكربون فتبلغ عادة ما تصل إلى 90 إلى 120 دولاراً/ميغاواط (في 20 دولاراً من دولارات الولايات المتحدة)().

كما أن تكاليف التشغيل أعلى بسبب تعقيدات وحدة دعم التكيف، والمزودة بغاز ونظم تنظيف الغاز، وقد تقاربت معدلات توافر النباتات التجارية المبكرة بين 75 و85 في المائة بعد التمزق الأولي، مقارنة بنسبة 90 في المائة بالنسبة لمصانع المركبات الخاملة، غير أن الخبرة المكتسبة في محطات مثل محطة توليد الطاقة الكهربائية في تامبا (وهو وحدة تعمل بنظام إدارة الحوافظ والتصنيف الدولي بلغت نسبة قدرها 90 في المائة من المواد المتاحة في السنوات اللاحقة).

ويجب أن تُدرج المقارنات الاقتصادية أيضاً في تكلفة الكربون المتجنب، وعندما يُطبق سعر كبير للكربون (مثلاً 50 دولاراً/ثاني أكسيد الكربون) تصبح لجنة التنسيق المشتركة بين الوكالات أكثر جاذبية من الفحم غير المأهول، بل ويمكنها أن تتنافس مع دورات الغاز الطبيعي المدمجة، ويقابل ارتفاع تكلفة رأس المال، بالنسبة لتصورات التطهير العميقة، تكلفة الانبعاثات واحتمالات إنتاج الهيدروجين.

مشاريع ودروس التعلم العالمية التي تضطلع بها لجنة التنسيق المشتركة بين الوكالات

وقد بدأ تطوير تكنولوجيا المركز في عام 1996 بفضل سلسلة من المشاريع التجارية المضبوطة والمبكرة، حيث بدأ تشغيل محطة توليد الطاقة الكهربائية في منطقة ماغول (Florida, USA) التي تعمل بنجاح منذ أكثر من عقدين، مما يدل على جدوى إنتاج الغاز المزود بغاز مدرّب، حيث بدأ تشغيل محطة توليد الطاقة الكهربائية (Dusdusdust) التابعة لشركة " MW) التابعة لشركة " (الهند، الولايات المتحدة الأمريكية) في عام 2013 وواجهت تحديات تقنية ومالية كبيرة.

وتشمل الدروس الرئيسية المستخلصة من هذه المشاريع الأهمية الحاسمة لمبردات الغازات الموثوقة (المشعة والمريحة)، والحاجة إلى نظم معالجات قوية، وأهمية التكامل الهندسي الحاد، والمشاريع التي حاولت توسيع نطاق تصميمات المبردات غير المجرب أو التي تُنقش في النظم الحرجة كثيرا ما عانت من انقطاعات واسعة النطاق، وقد أبرزت مشاريع تصميمات شركة كيمبر المحدودة للأخطار (Missisip-I) التي ألغيت.

التحديات والحدود

وبالإضافة إلى ارتفاع تكاليف رأس المال، تواجه لجنة التنسيق عدة تحديات أخرى، حيث أن المصنع أكثر تعقيداً من مصنع لمركبات الكربون، مما يتطلب وجود عدد أكبر من موظفي العمليات ممن لديهم مهارات متخصصة في مجال التغويز، والتجهيز الكيميائي، والنظم العالية الضغط، كما أن نقل الغازات المائية وإزالة الكبريت عرضة للتآكل والتآكل إذا لم يكن مصمماً بشكل سليم، كما أن خط الاستراحة الغازية يلبي حياة محدودة (2-5 سنوات) وهو مكلل من النفايات.

كما تحولت ظروف السوق إلى الفحم في مناطق كثيرة، وأدى الارتفاع السريع في الغاز الطبيعي والطاقة المتجددة وانخفاض تكاليف تخزين البطاريات إلى خفض الحافز الاقتصادي على القدرة الجديدة على إطلاق الفحم من أي نوع، وفي هذا السياق، تصبح لجنة التنسيق الدولية تكنولوجيا متخصصة تناسب البلدان التي لديها فحم وأسعار مرتفعة للكربون والتزاماً بالسياسة العامة باتفاقية احتجاز ثاني أكسيد الكربون وتخزينه.

التوقعات المستقبلية والابتكار

ومستقبل لجنة التنسيق المشتركة بين الوكالات يكمن في الابتكار التكنولوجي الذي يقلل التكاليف ويزيد الكفاءة ويمكِّن من العمل المرن لتكملة مصادر الطاقة المتجددة، وتشمل مجالات البحث الرئيسية ما يلي:

  • Warm gas cleanup:] Developing sorbents and filters that can remove sulfur and particulates at temperatures above 500 °C, eliminating the efficiency loss from cooling the syngas. This could boost net efficiency by 2-3 percentage points.
  • Advanced gasifier designs:] Oxygen transport membranes integrated with the gasifier reduce the need for cryogenic ASU, cutting capital and parasitic load.
  • Higher turbine inlet temperatures:] Advances in gas turbine materials (e.g., ceramics, thermal barrier coatings) allow fire temperatures up to 1700 °C, further improving combined cycle efficiency.
  • Polygeneration:] IGCC plants can be designed to produce not only electricity but also hydrogen, methanol, ammonia, or Fischer-Tropsch liquids. This enables the plant to generate value from multiple revenue streams, improving economics.
  • Integration with renewables:] Excess renewable electricity can be used to produce hydrogen via electrolysis and then injected into the IGCC fuel stream, effectively storing renewable energy in the form of syngas. This enables the plant to act as a firm low-carbon power source.
  • Modularization:] Small-scale, modular gasifiers (20-50 MW) using liquidized-bed or moving-bed designs are being developed for distributed power and waste-to-energy applications, these could lower the entry cost and allow phased deployment.

دعم السياسات أمر بالغ الأهمية، إذ يجب على الحكومات التي تنظر في أمر لجنة التنسيق الدولية أن تسعى إلى تحقيق أسعار متسقة للكربون، وأن تقدم حوافز مالية للمعتمدين المبكرين، وأن تستثمر في البنية الأساسية للنقل والتخزين في ثاني أكسيد الكربون، ويواصل برنامج توليد الطاقة المتقدمة في الولايات المتحدة تمويل البحوث التي تجريها لجنة التنسيق المشتركة بين الوكالات.

خاتمة

ولا تزال دورة الغاز المتكاملة المشتركة أحد أكثر الحلول فعالية من الناحية التقنية لتوليد الكهرباء المنخفضة الانبعاثات من الفحم، وقدرتها على تحقيق كفاءة صافية عالية، وإزالة جميع الملوثات التقليدية تقريبا، وإدماج حوافز التكتل الكربون في أي مستقبل للطاقة لا يزال يستخدم الوقود الأحفوري، مع تطور ارتفاع تكاليف رأس المال والتحديات التشغيلية، مع عدم إمكانية التنبؤ بخيار النشر المبكر

وبالنسبة للدول التي تعتمد اعتماداً شديداً على الفحم للكهرباء - الصين والهند وألمانيا والولايات المتحدة وغيرها من البلدان - تقدم جسراً لمستقبل منخفض الكربون دون تضييق إمدادات الوقود الحالية، كما أن مرونة الوقود في التكنولوجيا تجعله ملائماً لانتاج الكتلة الإحيائية والهيدروجين، وتوسيع نطاق أهميته، وسواء حققت لجنة التنسيق المشتركة إمكاناتها، فإنها ستتوقف ليس فقط على التقدم الهندسي المستمر، بل على بيئة سياساتية تقدر مزاياها المتميزة.