الآثار البيئية لعمليات التصنيع في منطقة غيتو واستدامتها

The Environmental Cost of Gas Turbine Manufacturing

وتتحمل محركات التربين الغازية كل ما تولده من الطائرات التجارية إلى محطات الطاقة الصناعية، وفي حين تحسنت كفاءتها التشغيلية بشكل كبير على مدى العقدين الماضيين، فإن عمليات التصنيع وراء هذه الآلات تحمل عبئا بيئيا كبيرا، إذ إن إنتاج السواحل العالية الحرارة، وتشويه الذق في الجيولوجيا المعقدة، وتجمع الآلاف من المكونات يستهلك كميات هائلة من الطاقة والمواد الخام، مما يؤدي إلى الحد من هذه الآثار بالتفصيل.

ويكمن التحدي الأساسي في المواد ذاتها، ويعتمد تربينات الغاز الحديثة على عمليات التعدين وصهر الكثيفة القائمة على النيكل والكوبالت، وعلى الطوابق التي تستخدم في التيتانيوم والتي يمكن أن تتحمل درجات حرارة شديدة وضغوط، ويستلزم استخراج هذه المعادن وصقلها عمليات التعدين الكثيفة للطاقة، وعلى سبيل المثال، فإن إنتاج طن من النيكل يستهلك ما يعادلها من 7 إلى 10 أطنان من ثاني أكسيد الكربون.

إن توليد النفايات مسألة حاسمة أخرى، إذ أن أساليب التصنيع التقليدية مثل القذف والقذف تنتج معدن كبير من الخردة، ويمكن لعمليات الصنع أن تزيل ما يصل إلى 60 إلى 80 في المائة من المواد الأصلية التي تستخدمها الفاتورة من أجل تحقيق الشكل النهائي للنقاش، وإن كانت في كثير من الأحيان قابلة لإعادة التدوير، فإنها تتطلب طاقة إضافية لإعادة صهرها وإعادة تجهيزها، فضلا عن أن بعض عمليات التهوية تستخدم مواد التبريد والتزليق التي يجب التخلص منها بعناية لتجنب التلوث البيئي.

وكثيرا ما يُغفل استخدام المياه ولكنه مهم بنفس القدر، وتستخدم الطائرات المائية ذات الضغط العالي للتنظيف والدفن، وتستهلك أبراج التبريد لأفران المعالجة الحرارية كميات كبيرة من المياه، وإذا لم تعالج معالجة سليمة، فإن مياه الفضلات يمكن أن تحتوي على معادن ثقيلة مثل الكروم والكوبالت والنيكل، مما يشكل مخاطر على النظم الإيكولوجية المحلية.

وأخيراً، فإن الحد الأدنى للتصنيع هو مصدر للانبعاثات، إذ إن أفران معالجة السمعة ومحطات اللحام وعمليات التغليف تُطلق مركبات عضوية متفجرة، وجسيمات، وغازات الدفيئة، وحتى الكهرباء المستخدمة في مصانع الطاقة التي كثيراً ما تكون مصدرها الوقود الأحفوري - أضافات إلى البصمة الكربونية العامة لكل محرك ينتج.

رسم خرائط الأثر البيئي عبر دورة الحياة

ويكشف تقييم شامل لدورة الحياة أنه في حين أن مرحلة الاستخدام تمثل معظم تأثير توربين الغازي (حرق الوقود والانبعاثات أثناء التشغيل)، فإن مرحلة التصنيع بعيدة عن اللزوم، وبالنسبة لمحرك توربان كبير نموذجي، يمكن أن تسهم الصناعة التحويلية بنسبة 10-20 في المائة من مجموع انبعاثات غازات الدفيئة لدورة الحياة، تبعاً للمواد المستخدمة وكفاءة عمليات الإنتاج.

وبالإضافة إلى الكربون، تهيمن مرحلة التصنيع أيضاً على فئات مثل نضوب الموارد والسمية الإيكولوجية والسمية البشرية بسبب استخراج عناصر أرضية نادرة واستخدام السكك الحديدية والكوبالت، بينما تكون هذه المواد أساسية للأداء، فإنها تنطوي على مخاطر بيئية وصحية كبيرة عبر سلاسل الإمداد بها.

استخراج المواد وتنقيحها

وكثيرا ما يحدث تعدين النيكل والكوبالت واللاتينيوم في بلدان ذات أنظمة بيئية أقل صرامة، وبالإضافة إلى تدمير الموائل، تولد عمليات التعدين مخلفات يمكن أن تشق المعادن الثقيلة في المجاري المائية، وتستهلك كميات كبيرة من الطاقة وتنتج السلاجات والغبار والغازات الحمضية، مثل إنتاج التليفونات البيرغاية ال30 بواسطة عملية الكبريت

الصنع

ويتطلب الاستثمار في صمامات التربين خطوات متعددة: خلق نمط الشمع، وبناء قذيفة السيراميك، وتطهير النفايات، وإطلاق النار، والصب، والانتهاء من كل خطوة تشمل الأفران الكثيفة الطاقة، والحمامات الكيميائية، والعمليات الميكانيكية، والقذائف السماوية عادة ما تكون ذات استخدام واحد وتتحول إلى نفايات صلبة، أما بالنسبة للرموز المهوهبة، فإن إزالة النفايات الأساسية تستخدم حلولاً للضغط يجب تحييدها.

الجمعية والاختبار

وينطوي التجمع النهائي على آلاف الصومعات والأختام والمكونات الإلكترونية، والكثير من هذه الأجزاء الأصغر حجماً مصنوعة من الألمنيوم والصلب واللدائن التي لها آثار صناعية خاصة بها، وينطوي اختبار المحرك قبل الولادة على تشغيل المحرك بكامل طاقته لساعاته، وحرق وقود الطائرات، وتوليد الانبعاثات، وفي حين أن الاختبارات ذات أهمية حيوية بالنسبة للأمان، فإنه يضيف كمية غير ضاربة من الانبعاثات المباشرة إلى مرحلة تصنيع كل محرك.

ممارسات التصنيع المستدام التي تأخذ الروت

واستجابة للضغط التنظيمي، والطلب على العملاء، وأهداف استدامة الشركات، تقوم شركات تصنيع توربين الغاز بتنفيذ مجموعة من الممارسات للحد من الضرر البيئي، وتمتد هذه الجهود كل مرحلة من مراحل الإنتاج، من التصميم إلى نهاية العمر.

كفاءة الطاقة والتكامل المتجددة

وتنتقل العديد من المصانع إلى مصادر الطاقة المتجددة، وأصبحت المنشآت الشمسية على أسطح المصنع واتفاقات شراء الطاقة للطاقة الريحية مشتركة، وبالإضافة إلى ذلك، يقوم المصنعون بتركيب نظم لرصد الطاقة لتحديد النفايات، فعلى سبيل المثال، التزمت GE Aerospace] بحياد الكربون عبر عملياتها بحلول عام 2030، وذلك جزئيا باستخدام الأفران الكهربائية ونظم استعادة الحرارة.

إن أفران معالجة الحرارة التي تتجاوز درجة حرارة 000 1 درجة مئوية هي من كبار المستهلكين للطاقة، ويمكن أن تؤدي المواد العزلية المتقدمة والوقت الأمثل لدورة المياه إلى الحد من استخدام الطاقة بنسبة 15 إلى 25 في المائة، وتستخدم بعض المرافق حرارة النفايات من الأفران إلى المواد الواردة قبل الحرارة أو لتوليد مياه ساخنة لعمليات التنظيف، مما يزيد من تحسين الكفاءة العامة.

خفض النفايات ونشر المواد

(ب) إن التصنيع الإضافة (الطباعة بواسطة اللافين) يؤدي إلى تحويل إنتاج النسيج والقطع، بدلاً من تقطيع 80 في المائة من فاتورة، فإن النظم المضافة تبنى طبقة أجزاء من طبقة، باستخدام المواد التي تنتهي في المكون النهائي فقط، ويمكن أن يحقق الصمامات المزودة بالبذور ورسم الطاقة الموجه شكلاً شبه الشبكة بالحد الأدنى من الخردة.

كما أن إعادة تدوير السواحل المغلقة تكتسب مفاصلاً، كما يتم جمع الرش من الذقن والقذف المرفوض، وتفرزها رتب السبيكة، وتعاد إلى الملاجئ لإعادة استخدامها، وتتجنب هذه الممارسة الطاقة وانبعاثات إنتاج المعادن الأولية، وبالمثل، يمكن تجريد الصلصة المستعملة من التربينات في نهاية العمر، وتنظيف المعادن واستعادتها، وتستكشف بعض الأخصائيين في إعادة التدوير.

تخفيض المواد الخطرة

وتنتقل صناعة الفضاء الجوي بعيدا عن الكروم السداسي في معاطف حماية التآكل، وتستبدله بالكروم الثلاثي أو ببدائل أخرى أكثر أمانا، ويجري إعادة صياغة نظم الطلاء والمذيبات لخفض انبعاثات التحلل السطحي، وتستبدل المذيبات المحتوية على المياه المذيبات المكلورة في العديد من عمليات التنظيف، مما يقلل من تعرض العمال والإفراج البيئي للمواد السامة.

التصنيع وعملية تحقيق الاستخدام الأمثل

فالمبادئ الرائدة - مثل تقليل أوقات التجهيز، وتحقيق الحد الأمثل من حجم الباتش، والقضاء على الخطوات غير المقيدة القيمة - تؤدي بصورة مباشرة إلى خفض استهلاك الطاقة والنفايات، ويتيح التوأم الرقمي لخطوط الإنتاج للمهندسين تحفيز التغييرات دون تعطيل العمليات الحقيقية، ومن خلال تحسين بارامترات العمليات، يمكن للمصنعين تحقيق غلة أعلى من المعبر الأول، مما يقلل من الحاجة إلى إعادة العمل وما يرتبط بها من استهلاك مادي.

الابتكارات التي تُستديم الاستدامة في مجال التصنيع في إطار المبادرة العالمية

وبالإضافة إلى التحسينات التدريجية، فإن عدة تكنولوجيات انطلاق تعيد تشكيل الصورة البيئية لإنتاج توربين الغاز.

المواد المتقدمة لخفض الوزن والعمر الممتد

كما أن مركبات المصفوفة الخزفية الجديدة وسبائك الألومنيد التيتانيوم تسمح بمكونات أخف تعمل في درجات حرارة أعلى، بينما إنتاج CMC نفسه كثيفة الطاقة، فإن وفورات الوزن تترجم مباشرة إلى انخفاض استهلاك الوقود خلال حياة تشغيل المحرك، وعلاوة على ذلك، فإن ارتفاع درجة الحرارة يقلل الحاجة إلى تهدئة الهواء وزيادة تحسين الكفاءة، وتدمج مكونات تصنيع الجيل القادم مكونات الكيمياء المتحركية والسدودية.

وتجمع عمليات التصنيع الهجينة بين الأساليب الإضافة والتعاقدية للحصول على أفضل العالمين، مثلا، يمكن طبع نصل على شكل شبه شبكة في غضون 1 ملم من الأبعاد النهائية، ثم الانتهاء منه بعد دقائق قليلة من الذقن الدقيق، وهذا النهج يقلل بشكل كبير من النفايات المادية والوقت الذي يستغرقه الذهول.

التوابع الرقمية والتعلم في مجال الآلات من أجل تحقيق الاستخدام الأمثل للعملية

(ب) إن التكنولوجيا الرقمية التوأم تتيح للمصنعين وضع نماذج لخطوط الإنتاج بأكملها، وجمع أجهزة الاستشعار بيانات آنية عن درجة الحرارة والضغط والهتزازات واستهلاك الطاقة، وتحلل خوارزميات التعلم الماكين هذه البيانات للتنبؤ باحتياجات الصيانة، وتعظيم الجداول الزمنية للفضاء، واكتشاف الشذوذ الذي يسبب عيوباً، ونتيجة لذلك عملية تصنيع أكثر قابلية للتنبؤ بها وأكثر كفاءة مع خفض الخردة والارتداد.

الهيدروجين والكهرباء في معالجة Heat Treatment

ويستخدم الغاز الطبيعي عادة للتدفئة الصناعي، ولكن الهيدروجين يوفر بديلاً خالياً من الكربون، وهناك عدة شركات صناعية تقوم بتجريب الأفران المولدة بالهيدروجين لمعالجة الحرارة والحرق، وفي حين يعتمد إنتاج الهيدروجين المكتشف حالياً اعتماداً كبيراً على إصلاح الميثان البخاري، فإن الهيدروجين الأخضر من التحلل الكهربائي أصبح أكثر توافراً، كما أن كهرباء الفرن هو مسار آخر، لا سيما في المناطق التي توجد فيها شبكات كهربائية منخفضة الكربون.

المواد الخام المزودة بالمواد غير المعدنية والمعاد تدويرها

ولا توجد جميع أجزاء النظام العالمي لمراقبة المناخ معدنية، فالبلاستيك والذرات والمواد المركبة تظهر في الفقمات والغازات وألواح الصوت، وتدرج المصانع بصورة متزايدة البلاستيك المعاد تدويره والبوليمرات الأحيائية في هذه المكونات، فعلى سبيل المثال، Safran] طورت معالجة ضارية باستخدام نفايات مدوَّنة.

نماذج التفكير في دورة الحياة والاقتصاد العلماني

ويتمثل النهج الأكثر شمولاً في تحقيق الاستدامة في النظر في دورة الحياة بأكملها من استخراج المواد الخام إلى التخلص من المواد الخام أو إعادة استخدامها في نهاية العمر، ويجري تطبيق مبادئ الاقتصاد العلماني، التي تبقي المواد في الاستخدام إلى أقصى حد ممكن، على تصنيع توربين الغاز.

تصميم للتفكيك والإعادة التصنيع

وتصمم المحركات بصورة متزايدة بالهيكلات النموذجية التي تتيح التشريد الأسهل، وفي نهاية فترة الخدمة الأولى، يمكن تفتيش المكونات ذات القيمة العالية مثل الشفرات والأقراص والغطاءات وإصلاحها وإعادة استخدامها، وتدير شبكة التجدد والرويس التي تعمل على إصلاح وإصلاحها حيث يتم تجديد الشفرة الوردية أو إنتاجها أو توسيع نطاق الممارسة الجديدة.

جوازات سفر المواد وقابليتها للتعقب

ولتيسير إعادة التدوير، يقوم المصنعون بتنفيذ جوازات سفر مادية لكل عنصر، وتفصل هذه السجلات الرقمية التكوين الدقيق للسبائك، والملابس، وأي مواد خطرة، وعندما يتم في نهاية المطاف تخريد المحرك، يمكن لإعادة التدوير أن تستخدم هذه المعلومات لتصنيف المواد بدقة، واستعادة العناصر ذات القيمة العالية مثل الرنة، وهي عناصر حاسمة بالنسبة للخطوط الجوية ونادرة للغاية، وتساعد أيضا تحسين إمكانية التعقب على ضمان استيفاء المواد المعاد تدويرها لمعايير الجودة الصارمة المطلوبة.

سلسلة الإمدادات المغلقة

ويقوم بعض المصنعين بإنشاء سلاسل توريد مغلقة مع موردي المعادن التابعين لهم، وبموجب هذه الترتيبات، يوافق الموردون على إعادة جميع الخردة من موقع تصنيع، وتجهيزها، ومواد العودة ذات الجودة المعادلة، مما يقلل من الحاجة إلى التعدين العذري ويقلل من الأثر البيئي العام، ويزيد الطلب على المنتجات المستدامة من العوامل الرئيسية التي تتطلب وجود شركات توليد الطاقة في حاجة إلى توثيق الأثر البيئي للمحركات التي تشتريها.

سائقو الأجهزة التنظيمية ومعايير الصناعة

إن اللوائح الحكومية والمعايير الدولية تدفع الصناعة نحو المزيد من المساءلة، إذ أن التوجيه الخاص بالإبلاغ عن الاستدامة في الشركات التابع للاتحاد الأوروبي يتطلب من الشركات الكبيرة الكشف عن بيانات بيئية مفصلة عبر سلاسل الإمداد بها، وفي الولايات المتحدة، اقترحت لجنة الأوراق المالية والبورصة قواعد للإفصاح عن المعلومات المتعلقة بالمناخ، وتجبر هذه الأنظمة الجهات المصنعة على قياس انبعاثاتها من التصنيع، واستخدام المياه، وتوليد النفايات والإبلاغ عنها.

وتشمل معايير الصناعة مثل المعيار إيزو 14001 (الإدارة البيئية) ومقياس صناعة الفضاء الجوي (AS9100) متطلبات الأداء البيئي، بالإضافة إلى أن الرابطة الدولية للنقل الجوي حددت أهدافاً لخفض انبعاثات ثاني أكسيد الكربون الصافية للطيران، ومصنعي المحركات شركاء رئيسيون في تحقيق تلك الأهداف من خلال تصميم المنتجات والإنتاج الأنظف على حد سواء.

كما أن البرامج الطوعية مثل مبادرة الأهداف العلمية ذات التأثير، وقد التزمت عدة شركات رئيسية في مجال الفضاء الجوي والدفاع بالأهداف المعتمدة على SBTi والتي تتطلب تخفيضات كبيرة في الانبعاثات من النطاق 1 (المباشر)، والنطاق 2 (الطاقة المكتسبة)، والنطاق 3 (سلسلة الإمداد)، وتتطلب هذه الأهداف تغييرات عميقة في عمليات التصنيع، وليس مجرد تحسين المنتجات.

التحديات والتوقعات المستقبلية

ورغم التقدم المحرز، لا تزال هناك تحديات كبيرة، إذ أن متطلبات التربينات العالية الأداء تحد من استخدام المواد المعاد تدويرها في مجالات التأمين والسلامة الدوارة الحرجة التي كثيرا ما تخول المواد البكرية ذات العلامات التقنية القابلة للتعقب تماما، كما أن العمليات الكثيفة الطاقة مثل الصبغة الكريستالية الوحيدة من أجل نصلات التربين يصعب التخلص منها دون حدوث انفراجات في التدفئة النظيفة.

بالإضافة إلى أن سلسلة إمداد الصناعة عالمية ومعقدة، العديد من المواد الخام تأتي من مناطق ذات إشراف بيئي ضعيف، مما يجعل من الصعب التحقق من مطالبات الاستدامة، وترمي الجهود التعاونية، مثل المبادرة المسؤولة للمعادن، إلى تحسين الشفافية في سلسلة الإمداد، ولكن التبني لا يزال غير متكافئ.

وفي المستقبل، سيستمر الجمع بين الابتكار التكنولوجي والضغط التنظيمي والطلب على الأسواق في دفع عجلة تحسين الاستدامة، وسيتحول التحول نحو التصنيع المضاف، ومعالجة حرارة الهيدروجين، والرقمنة، وستتسارع المواد الجديدة التي تقلل من الوزن وتتيح ارتفاع درجات الحرارة، وستحقق فوائد بيئية مضاعفة في كل من الصناعة التحويلية والعمليات، حيث تنضج الصناعة ممارساتها في مجال الاستدامة، سيصبح تصنيع توربين الغاز نموذجاً لكيفية توازن الصناعات الثقيلة مع الصحة الكوكبية.