الأثر البيئي انبعاثات غاز توربين وتخفيفها التكنولوجيات

The Environmental Impact of Gas Turbine Emissions and Mitigation Technologies

وتقود توربينات الغاز العمود الفقري لتوليد الطاقة العالمية، والطيران المدني، والعديد من العمليات الصناعية، وتمنحها كثافة الطاقة العالية، وقدرات البدء السريع، والكفاءة الحرارية، غير أن اعتمادها على احتراق الوقود الأحفوري يُطلق عليه كوكتيل من الانبعاثات يؤثر تأثيراً كبيراً على نوعية الهواء، والصحة البشرية، والمناخ، ويُعتبر فهم النطاق الكامل لهذه الآثار البيئية والتكنولوجيات المصممة للتخفيف من آثارها حرجة في مواءمة أهداف الغازات.

الملوثات الأولية من تركيبة الغاز

(ج) يحتوي عوادم التربين الغازي على عدة فئات من الملوثات، كل منها تترتب عليه آثار بيئية وصحية متميزة، والأهم من ذلك هو ثاني أكسيد الكربون وأكسيد النيتروجين (NOx) وخامات الجسيمات (PM) وتشمل الانبعاثات الأقل أهمية أكسيد الكبريت والهيدروكربونات غير المحترقة وثاني أكسيد الكربون (CO).

Carbon Dioxide (CO2) and Climate Forcing

(ب) إن انبعاثات ثاني أكسيد الكربون من الغازات المهيمنة التي انبثقت من التوربينات الغازية، وإن كان الاحتراق في الغاز الطبيعي ينتج نحو نصف ثاني أكسيد الكربون لكل وحدة من الطاقة مقارنة بالفحم، فإن الحجم الهائل من الطاقة المضغوطة في جميع أنحاء العالم (أكثر من 800 1 من الأسلحة النووية) يجعلها مساهماً رئيسياً في انبعاثات ثاني أكسيد الكربون، ووفقاً للوكالة الدولية للطاقة، فإن محطات توليد الطاقة التي تعمل بالغاز قد أدت إلى حدوث حرقة بنسبة 22 في المائة

نتروجين أوكسيدس - غلاف وملحق

(أ) شكل أكسيد النيتروجين (لا يوجد في المقام الأول ولا يوجد فيه ثاني أكسيد الكربون) عندما يتفاعل النيتروجين في الهواء الحرق مع الأكسجين في درجات حرارة عالية (نوكس) أو من خلال النيتروجين المزود بالوقود، وتشغل توربينات الغاز درجة حرارة عالية لتحقيق الكفاءة الحرارية، مما يؤدي في حد ذاته إلى زيادة درجة الحرارة (نوكس) ويسهم في الأوزون على مستوى الأرض (عنصر رئيسي من عناصر النظام الإيكولوجي).

مادة جزائية - الصحة والرؤية

Gas turbines emit fine particles composed of soot (black carbon), ash, and condensed hydrocarbons. These particles, especially those smaller than 2.5 microns (PM2.5), can penet deep into the bloodstream, causing cardiovascular and respiratory diseases. The World Health Organization classifies PM2.5 as a Group 1 carcinogen.

انبعاثات أخرى: مركبات الكربون الهيدروكلورية فلورية، ومركبات الكربون غير المحترقة

وتنشأ أكاسيد الكبريت من الكبريت في الوقود؛ فالغاز الطبيعي خال من الكبريت عادة، ولكن الوقود السائل مثل الديزل أو الكيروسين قد يحتوي على سلفور، مما يؤدي إلى انبعاثات ثاني أكسيد الكربون والأمطار الحمضية، وتنجم أول أكسيد الكربون والهيدروكربونات غير المحترقة عن الاحتراق غير الكامل، لا سيما في بيئات الطاقة المنخفضة أو أثناء العمليات العابرة، وفي حين أن التصميمات الحديثة تقلل من هذه المواد، فإنها تظل ذات صلة بجودة الهواء المحلي.

الآثار البيئية التفصيلية

Climate Change and Global Warming Potential

(أ) انبعاثات الغازات المتراكمة تؤثر مباشرة على توازن الطاقة العالمي، حيث تبلغ نسبة انبعاثات ثاني أكسيد الكربون فترة طويلة من العمر في الغلاف الجوي (السنتان)، وبالتالي فإن كل مناجم الطون المنبعثة يتراكم، ويورد تقرير التقييم السادس للفريق الحكومي الدولي المعني بتغير المناخ أن الاحترار البشري بلغ نحو 1.1 درجة مئوية فوق المستويات الصناعية في عام 2010، مع وجود احتمالية لتسرب الوقود الأحفوري هي المحرك الرئيسي.

تدهور نوعية الهواء والصحة البشرية

تظهر الدراسات التي أجراها معهد الآثار الصحية أن التعرض للملوثات التي تولدها الاحتراق يرتبط بملايين الوفيات المبكرة سنوياً، كما أن محطات توليد الطاقة ومحركات الطائرات التي تعمل بالقرب من المناطق المكتظة بالسكان تؤدي إلى تفاقم نقاط التلوث المحلية، مثلاً المجتمعات المحلية القريبة من محطات توليد الطاقة التي تعمل بالغاز والتي لا تملك سوى قدرة على التحكم في النيتروز

Acid Rain and Ecosystem Damage

وتتحول مادة النيتريك إلى حمض في الغلاف الجوي، وترسبها في التربة وفي أجساد المياه، مما يلحق الضرر بالغابات ويضر بالحياة المائية، ويضر بالمغذيات الأساسية من التربة، وفي حين أن أنظمة مثل قانون الهواء النظيف الأمريكي، والتوجيه الصادر عن الاتحاد الأوروبي بشأن الانبعاثات الصناعية، قد خفضت معدلات ترسيب النيتروز منذ السبعينات، فإن تركيبات توربين الغاز الكبيرة التي لا توجد بها أجهزة تحكم ذات ترددات أو غيرها من الضوابط الثانوية لا تزال تسهم محليا في تركيبات مضافية أمطارات أمطارية.

Regulatory Landscape Driving Emission Reductions

(أ) تضع وكالة حماية البيئة في الولايات المتحدة معايير جديدة لأداء الغازات تحت 40 CFR Part 60، وتفرض حدوداً على أساس درجة التربين ونوع الوقود، وتشترط أهدافاً هامة تتعلق بخفض انبعاثات ثاني أكسيد الكربون في إطار برنامج الاتحاد الأوروبي (IED) أفضل التقنيات المتاحة (BAT)

Mitigation Technologies: Current and Emerging Solutions

وتشمل تكنولوجيات التخفيف تعديلات الاحتراق ونظم المعالجة اللاحقة وتحسينات الوقود واستخلاص الكربون، وهنا نستكشف أكثر الطرق أثرا في الاستخدام والتنمية الحاليين.

Exhaust Gas Recirculation (EGR)

ويحوّل برنامج " إي جي " جزءاً من غازات العادم إلى المحرق، ويخفف تركيز الأوكسجين ويخفض درجة حرارة اللهب، مما يقلل من تكوين النيتروز الحراري بنسبة تصل إلى 40-60% في بعض التصميمات، وتشمل التحديات التأثيرات المحتملة على استقرار الاحتراق وسرعة اللهب وانبعاثات ثاني أكسيد الكربون، وتساعد نظم التراكم الأوروبي المتقدمة المستخدمة في التوربينات الغازية ذات الدراجة المشتركة على الوفاء بالحدود القصوى من النيتوكسينات غير المحتوية على المواد الكيميائية.

التخفيض الانتقائي للحفازات

وشركة SCR هي تكنولوجيا ما بعد الاحتراق تحقن الأمونيا أو اليورا في مجرى العادم، وهي تفاعلات مع مادة النيتروجين على حفاز لتكوين النيتروز والمياه، ويمكن لنظم أجهزة التحكم في الكبريت أن تحقق كفاءة خفض النيتروز بنسبة 80-95 في المائة عبر نافذة واسعة (نحو 300-450 درجة مئوية) وهي موزعة على نطاق واسع في محطات توليد الطاقة الكهربائية في الغازات الكبيرة والتطبيقات الصناعية.

Lean Premixed Combustion " Dry Low-NOx (DLN) Burners

وتستخدم توربينات الغاز الحديثة الفلورينات السائلة المثبتة مسبقاً حيث يختلط الوقود والهواء بشكل كامل قبل الإشعال، مما يؤدي إلى خليط جلدي ودرجات حرارة أقل من اللهب، وتستخدم أجهزة الحرق ذات النكهة المنخفضة الاحتراق في التحكم في توزيع درجات الحرارة، ويمكن لهذه التكنولوجيات أن تحقق مستويات تركيز تقل عن 9 أجزاء (في 15 في المائة من الألف) دون ماء أو مركب مشبع.

تحسين نوعية الوقود وتحويل الوقود

(ب) إن التبديل من زيت الوقود الثقيل أو الديزل إلى الغاز الطبيعي يقلل فوراً من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون والثنائي الفينيل متعدد الكلور وثاني أكسيد الكربون، أما الغازات المتجددة مثل غاز الميثان الأحيائي (الغاز الأحيائي المُنق) فيمكن استخدامها مع إجراء تعديلات طفيفة على التوربينات الحالية، مما يوفر خفضاً صافياً من ثاني أكسيد الكربون.

Carbon Capture, Utilization, and Storage (CCUS)

(ب) إنَّ نظام احتجاز ثاني أكسيد الكربون هو التكنولوجيا الوحيدة التي يمكن أن تزيل انبعاثات ثاني أكسيد الكربون من التوربينات الغازية دون الاستعاضة عن عملية الاحتراق، إذ يمكن أن يفصل بين استخدام المذيبات الكيميائية (المركبات) وثاني أكسيد الكربون وتخزينه في مواقع التخزين أو استخدامه، كما أنَّ عقوبة الطاقة (الحملة الشبهية) على شركة كلورو (CCCC) هي خسارة كبيرة في الكفاءة، ولكنَّ التقدم في تكاليف الكيمياء المذيبية وتكامل التجاري.

حقن الماء وحقن البخار

إن استخدام المياه بالحقن أو البخار في منطقة الاحتراق يقلل من درجة حرارة اللهب وتكوين النيتروجين، ويمكن أن يخفض هذا الأسلوب النيتروز بنسبة 50-80%، غير أنه يزيد استهلاك الوقود (انخفاض الكفاءة الحرارية) ويمكن أن يسبب التآكل، وقضايا استهلاك المياه، وارتفاع انبعاثات ثاني أكسيد الكربون، وهو تكنولوجيا ناضجة تستخدم في التوربينات القديمة، ولكن أجهزة الحرق الحديثة للدمغ قد أحدثت إلى حد كبير من أجل منشآت جديدة.

الاعتبارات الاقتصادية والتشغيلية

إن تطبيق تكنولوجيات التخفيف ينطوي على نفقات رأسمالية وتكاليف تشغيلية، على سبيل المثال، يتطلب استبدالاً محفزاً كل سنتين أو ثلاث سنوات، ولا يمكن للأجهزة الحرقية ذات الأرقام المنخفضة أن تستهلك، ولكن قد تحتاج إلى صيانة أكثر تواتراً، ويزيد استهلاك الكربون بنسبة 60 إلى 10 في المائة من التكلفة المخفضة للكهرباء بالنسبة لمصنع متجدد، وإن كانت التكاليف آخذة في الانخفاض.

دراسات حالة في خفض الانبعاثات

أسطول الغاز الياباني

وقد نشرت اليابان، مع معايير صارمة لنوعية الهواء، مكثفات متقدمة من طراز DLN وSCR عبر أسطولها من توربين الغازات، وتفيد المرافق الرئيسية مثل شركة طوكيو للكهرباء بأن انبعاثات أكسيد النيتروجين تقل باستمرار عن 5 أجزاء في محطات جديدة للدراجات المشتركة، وأن كثافة السكان العالية تدفع أنظمة عدوانية، وتبين أن النيتروز القريب من التربينات الغازية هو أمر قابل للتنفيذ من الناحية التقنية والاقتصادية.

مشروع (إكنور) لضوء الشمال

مشروع (إيكونور) للضوء الشمالي في النرويج هو أول مصدر مفتوح في العالم للنقل والتخزين من ثاني أكسيد الكربون، قبول الانبعاثات من مصادر صناعية متعددة بما في ذلك محطات توليد الطاقة التي تعمل بالغاز، المشروع، جزء من مبادرة سلسلة كاملة من ثاني أكسيد الكربون في النرويج، يبين كيف يمكن لمشغلي توربين الغاز الحصول على طاقة تخزين مشتركة لثاني أكسيد الكربون، مما يقلل بدرجة كبيرة من حاجز تكلفة ثاني أكسيد الكربون.

Delta Air Lines Sustainable Aviation Fuel (SAF) Pilot

وفي حين أن قطاع الطيران ليس مسبباً للتركات الغازية مباشرة، فإنه مستخدم رئيسي، فالدلتا تقيم شراكة مع المصنعين لاختبار مواصفات الكيروسين الاصطناعي من مصادر متجددة، وعلى الرغم من أن هذه المادة لا تخفض ثاني أكسيد الكربون أثناء الاحتراق (الكربون هو مادة بيولوجية جينية)، فإن تحليل دورة الحياة يظهر انخفاضاً بنسبة 80 في المائة مقارنة بالوقود النفاثة الأحفورية، وهذا يبرز أهمية مصدر الوقود في مع معادلة الانبعاثات.

الاتجاهات المستقبلية: الهيدروجين والكهرباء والتفريغ الرقمي

وتتجه مسارات التربينات الطويلة الأجل إلى الهيدروجين كوقود أولي، وتحتاج المواد الكيميائية الرئيسية (الطاقة السيمنسية، طاقة ميتسوبيشي) إلى تطوير 100 في المائة من أجهزة الاحتراق ذات القدرة الهيدروجينية مع إجراء اختبارات، وإنتاج الهيدروجين من الكهروليك (الهدروجين) أو من الغاز الأحفوري مع ثاني أكسيد الكربون (الهيدروجين)

وتباطؤ نمو الطلب على التربينات، غير أن التوربينات الغازية لا تزال ضرورية لتحقيق الاستقرار في الشبكة بسبب سرعة تمزقها، وتكملة المتغيرات المتجددة، وفي شبكة عميقة من الكربون، ستستخدم التوربينات الغازية في عوامل منخفضة القدرة، ولكنها تتطلب إعادة إنتاج كميات من ثاني أكسيد الكربون وتخزينه عند تشغيلها، مما يجعلها جاهزة للتشغيل.

فالتوائم الرقمية والتعلم الآلي ورصد الانبعاثات في الوقت الحقيقي يمكنان من تحقيق الاستخدام الأمثل الدينامي لبرامترات الاحتراق للتقليل إلى أدنى حد من النيتروز وثاني أكسيد الكربون في نفس الوقت عبر نطاقات الحمولة، ويتيح أجهزة الاستشعار والضوابط المتقدمة النمو التربينات العمل على نحو أوثق مع حدود الانبعاثات دون تجاوزها، ويزيد من الكفاءة إلى الحد الأدنى من الاستخدام بعد المعالجة.

الاستنتاج: مسار عملي نحو الأمام

إن انبعاثات ثاني أكسيد الكربون وتخزينه تشكل تحدياً بيئياً كبيراً ولكن يمكن التحكم فيه، إذ أن الملوثات الرئيسية - ثاني أكسيد الكربون، والثديوكس، والثنائي الفينيل متعدد الكلور - كل منها لها آثار ضارة على المناخ والصحة والنظم الإيكولوجية، ومن حسن الحظ أن هناك مجموعة أدوات قوية من تكنولوجيات التخفيف: من تعديلات الاحتراق وكثافة بعد المعالجة إلى تحويل الوقود واحتباس الكربون، ولا توفر تكنولوجيا واحدة حلاً كاملاً، ويتوقف الركب الأمثل على توافر الوقود، والضغوط التنظيمية،