مقدمة إلى تكنولوجيات نباتات الفحم

ولا يزال الفحم واحدا من أكثر مصادر الطاقة وفرة واتساعا لتوليد الكهرباء في جميع أنحاء العالم، رغم الضغط العالمي نحو الطاقة المتجددة، وتتوقف كفاءة محطات توليد الطاقة التي تعمل بالفحم وتأثيرها البيئي على التكنولوجيا المستخدمة، وتصنف محطات الفحم في العادة إلى ثلاثة أنواع رئيسية على أساس ظروف البخار داخل المرجل: فوارق في مجال الإدارة السليمة، والضوابط الفوقية، والضغوط الافتراضية التي تحولت في إطار خطط المياه.

وتقدم هذه المادة تحليلا مقارنا مفصلا لمصانع الطاقة الفحمية دون الحرجة والفوق الحرجة، وسندرس الخصائص الأساسية للدماغيات، والخصائص التشغيلية، والأداء البيئي، وتكاليف رأس المال، واتجاهات النشر العالمية، والهدف هو تقديم لمحة عامة موثوقة وجاهزة للإنتاج تدعم اتخاذ قرارات مستنيرة في قطاع توليد الطاقة.

أساسيات كفاءة دورة المياه

وتشغل جميع محطات توليد الطاقة الحديثة في دورة الراكين، وهي دورة حرارية تحول الحرارة إلى عمل ميكانيكي، وتشمل هذه الدورة مياه التدفئة في مغلي لتوليد بخار عالي الكساد، وتوسيع نطاق البخار من خلال توربين لإنتاج الكهرباء، وتكثيف البخار في الماء، وترميمه إلى المرجل.

نقطة الماء الحرجة

ومن المفاهيم الرئيسية في تصنيف محطات الفحم نقطة حرجة من المياه، التي تحدث عند درجة حرارة 374 درجة مئوية وضغط يبلغ 22.1 درجة مئوية (ميغاباسكال)، وفوق هذه النقطة، توجد المياه كمرحلات سائلة وبوخارية متميزة أثناء الغسيل، ففوق ذلك تصبح مراحل السائل والبخار غير قابلة للكشف، مما يشكل تغيراً جذرياً في التصميم، وهو ما يؤثر على مرحلة حرجة واحدة.

وتعمل النباتات دون الحرجة بشكل كامل دون النقطة الحرجة، بينما تعمل النباتات الخارقة والفوق الصوتية فوقها، ويمكن أن يؤدي الانتقال من الظروف دون الحرجة إلى الظروف الخارقة إلى زيادة الكفاءة الحرارية من المستوى المنخفض البالغ 30 إلى متوسط الأربعينات، مما يقلل بدرجة كبيرة من استهلاك الفحم وانبعاثات ثاني أكسيد الكربون لكل ساعة ميغاوات.

محطات الطاقة الفلاحية الفرعية

والنباتات الفرعية للفحم هي أقدم وأوسع أنواع تكنولوجيا توليد الطاقة التي تعمل بالفحم، وهي تعمل في درجات حرارة البخار عادة نحو 370-400 درجة مئوية، والضغوط التي تتراوح بين 16 و20 درجة مئوية، وهي أقل بكثير من النقطة الحرجة، وتستخدم هذه النباتات مغلي طبول حيث تتعايش المياه والبخار، مما يتطلب طبلا كبيرا لفصل المرحلتين.

الخصائص التقنية

وفي مغلي تحت حرارة الماء يعمم عبر الأنابيب التي تسخن بحرق الفحم المكشوف، حيث يمتص الماء الحرارة، فإنه يبدأ في الغليان والتشكيل البخاري، ويرتفع خليط الماء البخاري إلى طبل البخار حيث تفصل الجاذبية البخار عن الماء المتبقي، ويتجاوز البخار المشبعة بنسبة 33 في المائة ويرتفع من خلال درجة الحرارة.

المزايا والعجز

Advantages:] Subcritical technology is grown, well-understood, and relatively inexpensive to construct. The materials used (mainly ferritic steels) are readily available, and the simpler drum- boiler design reduces manufacturing complexity. Many developing countries continue to build subcritical capital cost because of the lower upfront.

() Disadvantages:] The lower thermal efficiency means higher coal consumption per unit of electricity, which translates directly into higher fuel costs and greater CO2 emission rates. Subcritical plants also produce more ash, SO2, NOx and other pollutants per megawat-hourrit compared to advanced designs.

وعلى الصعيد العالمي، يجري سحب أو تحويل العديد من النباتات دون الحرجة إلى الغاز الطبيعي حيث أصبحت أنظمة الانبعاثات الأكثر صرامة وتسعير الكربون نافذة، غير أنه في المناطق التي تتسم برخيص الفحم وضعف الرقابة البيئية، تظل النباتات دون الحرجة مصدراً رئيسياً من مصادر قوة التحميل الأساسية.

محطات القوى الفلاحية الفائقة الأهمية

وتعمل محطات الفحم الفائقة الأهمية في ظروف تتجاوز نقطة الماء الحرجة، حيث عادة ما تكون درجة حرارة البخار بين 500 درجة مئوية و600 درجة مئوية، والضغوط التي تتجاوز 22.1 درجة مئوية (منها 24 إلى 26 درجة مئوية)، ويسمح القضاء على منطقة الغليان بمرحلتين بتصميم مغلي مرة واحدة، وهو أكثر تماسكا وكفاءة حرارية.

الخصائص التقنية

وفي مغلي بالغيائي خارق، تضخ المياه مباشرة من خلال سلسلة من الأنابيب التي تسخن بشعلة الفحم، ولا تغلي المياه بالمعنى التقليدي؛ بل تتحول بسلاسة من سائل كثيف إلى سوائل خارقة درجة الحرارة عند درجة حرارة تبلغ نحو 374 درجة مئوية.

وتتراوح كفاءة المصنع الجديد الحرجية بين 40 في المائة و 45 في المائة (HHV) وتقارب بعض التصميمات المتقدمة 46 في المائة، ويمكن لهذا التحسن الذي يتراوح بين 5 و12 نقطة مئوية على التكنولوجيا دون الحرجة أن يقلل من استهلاك الفحم بنسبة 15 إلى 25 في المائة وأن يقلل من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون بمقدار مماثل.

المواد والنظر في التصميم

وتتطلب العمليات الخارقة مواد أقوى وأكثر مقاومة للحرارة من النباتات دون الحرجة، ويجب أن تكون الأجزاء العالية الضغط من المغلي والتوربين متماسكة ومزروعة بدرجة حرارة مرتفعة، وتشمل المواد النموذجية 9 في المائة من فولاذ الكروم (مثل T91 و P91) والفولاذات غير المشبع بالحساسية بالنسبة لعشرة في المائة من محطات التصنيع الأكثر صرامة.

المزايا والأداء البيئي

(ب) يؤدي ارتفاع الكفاءة إلى خفض استهلاك الوقود وتخفيض تكاليف التشغيل وانبعاثات غازات الدفيئة، كما أن النباتات الخارقة للفلور تُحدث أيضاً أقل من ثاني أكسيد الكبريت وأكسيد النيتروجين وتغيُّر الشبكتين الغليئيتين لكل ميغاواط بسبب حرق الفحم الأقل، كما أن العديد من الوحدات الخارقة مصممة بنظم حديثة لمراقبة التلوث، مما يجعلها أكثر نظافة من الوحدات الفرعية القديمة(ج).

Disadvantages:] Higher capital cost and more complex maintenance requirements. The need for high-grade steels and advanced welding techniques can lead to longer construction times. Water chemistry management is also more critical to avoid corrosion and scaling in the once- through circuit.

وأصبحت التكنولوجيا الفائقة الأهمية المعيار الذي تتبعه محطات الفحم الجديدة في البلدان المتقدمة النمو، وهي تعتمد بشكل متزايد في الاقتصادات الناشئة مثل الصين والهند، حيث تشكل العمود الفقري لإضافة القدرات الغذائية في الآونة الأخيرة.

محطة الطاقة الفلزية للفحم التابعة للجامعة

وتدفع النباتات التي تستخدم فيها المواد الأساسية إلى درجة أعلى من ذلك، حيث تتجاوز درجات حرارة البخار الرئيسية 600 درجة مئوية (تراوح بين 600 و620 درجة مئوية) وتزيد درجات الحرارة إلى 620 درجة مئوية أو أعلى، وتتراوح الضغوط بين 25 و30 درجة مئوية، وتمثل هذه النباتات الحدود الحالية لتوليد الطاقة التجارية العاملة بالفحم وتحقق مستويات صافية تتراوح بين 45 و50 في المائة.

العوامل التقنية والتحديات المادية

ويتطلب تحقيق الظروف الحرجة فوق سطح الأرض وجود طوافات متطورة مجهزة بالنيكل، وفولاذات عالية الكروم يمكن أن تحافظ على القوة الميكانيكية وتقاوم الأكسدة عند درجات حرارة البخار فوق 600 درجة مئوية. ويجب تصميم أنابيب المغلي والراسخ ومكونات توربين البخارية بحيث تتواكب مع التفشي المخيف على مدى فترة تتراوح بين 30 و 40 سنة من عمر النباتات.

وبسبب هذه الاحتياجات المادية، تكون محطات USC أكثر تكلفة لبناء من النباتات الفوقية الأهمية، حيث تقدر تكاليف رأس المال بـ 15-30 في المائة، غير أن المكاسب الناتجة عن زيادة الكفاءة يمكن أن تعوض التكلفة الإضافية على عمر المصنع، لا سيما إذا كانت أسعار الفحم مرتفعة أو كانت انبعاثات الكربون تحمل علامة سعر.

المزايا البيئية والتشغيلية

إن كفاءة محطات USC العالية تجعلها أنظف خيار لتوليد الفحم، مثلاً، فإن محطة تابعة للشركة الأمريكية ذات الكفاءة بنسبة 48 في المائة تقل تقريباً بنسبة 30 في المائة من ثاني أكسيد الكربون لكل ميغاه عن مصنع فرعي نموذجي بنسبة 33 في المائة، وهذا الانخفاض كبير ويمكن استكماله بتكنولوجيات الضبط والتخزين في الكتلة الأحيائية لزيادة خفض آثار الكربون.

كما أن محطات USC توفر تحسين كفاءة الحمولة الجزئية ومعدلات أسرع من التراميح مقارنة بالتصميمات القديمة، مما يجعلها أكثر توافقا مع الشبكات التي لها حصص عالية من مصادر الطاقة المتجددة المتقطعة، وقد قامت بلدان عديدة، ولا سيما اليابان وكوريا الجنوبية والصين وألمانيا، ببناء وتشغيل محطات USC على نحو تجاري منذ أوائل العقد الأول من الألفية، وما زالت التكنولوجيا تتطور.

وسائل الانتشار العالمية ومفهومي الجيل القادم

وقد قادت الصين العالم في نشر تكنولوجيا فوق الصوت، حيث تعمل عشرات الوحدات قيد التشغيل والبناء، وتعمل الحكومة الصينية على تعزيز اتحاد أمريكا الجنوبية كوسيلة لتحسين أمن الطاقة والحد من تلوث الهواء، وفي أوروبا وأمريكا الشمالية، كانت المباني الجديدة لرابطة الدول الأمريكية محدودة بسبب السياسات المناخية والنمو السريع للمتجددات، ولكن يجري تحسين المرافق القائمة حيثما أمكن.

ويجري حالياً إجراء بحوث بشأن النباتات المتقدمة التي تتجاوز درجة حرارة البخار فيها 700-760 درجة مئوية، والتي يمكن أن تدفع الكفاءة إلى ما يتجاوز 50 في المائة، غير أن هذه التطورات تتطلب إحراز تقدم كبير في المواد ذات الحرارة العالية ولا تزال في مرحلة العرض، وستتوقف القدرة التجارية على البقاء في هذه المنطقة على خفض التكاليف وعلى الدور المقبل للشراكات في نظام للطاقة المخفضة الكربون.

مقاييس الأداء المقارنة

ولتلخيص الاختلافات الرئيسية بين محطات الفحم دون الحرجة والكبيرة الأهمية، والمبالغة الأهمية في مجال الإدارة، تستخدم مقاييس الأداء التالية عادة في صناعة الطاقة:

  • ]Thermal efficiency (HHV):] Subcritical 33 -35%, Supercritical 40 -45%, Ultra-supercritical 45 -50%.
  • Steam temperature at turbine inlet:] Subcritical eng370-400°C, Supercritical Proliferation500–600°C, Ultra-supercritical 600-620°C.
  • Steam pressure:] Subcritical 16 -20 MPa, Supercritical 24 - 26 MPa, Ultra-supercritical 25 -30 MPa.
  • Boiler type:] Subcritical – drum type; Supercritical and USC – once-through.
  • Coal consumption per MWh:] Higher for subcritical, about 15 -25% lower for supercritical, and an additional 10 -15% lower for USC compared to supercritical.
  • CO2 emissions per MWh:] Directly proportional to coal consumption; USC emits roughly 30-35% less CO2 than an average subcritical plant.
  • Capital cost (relative to subcritical):] Supercritical +10-20%, USC +25-40%.
  • Levelized cost of electricity (LCOE):] depends on fuel price, carbon price, and financing; higher capital costs can be compensate by lower fuel costs.

وهذه الأرقام توضيحية ويمكن أن تتفاوت على أساس تصميم النبات، ونوعية الفحم، والظروف المحيطة، والممارسات التشغيلية، وبالنسبة للبيانات المفصلة، يمكن للقراء أن يشيروا إلى تقارير من [(FLT:0]] الوكالة الدولية للطاقة ] و إدارة المعلومات المتعلقة بالطاقة .

الاعتبارات البيئية والاقتصادية

وعند اختيار أنواع محطات الفحم، يجب على صناع القرار أن يزنوا الفوائد البيئية مقابل التكاليف الاقتصادية، إذ أن محطات الكفاءة العالية (المنتظمة والمشتركة بين الولايات المتحدة) تقلل استهلاك الوقود، مما يؤدي مباشرة إلى خفض انبعاثات ثاني أكسيد الكربون، وثاني أكسيد الكربون، وثاني أكسيد النيتروز، وانبعاثات الزئبق، مما يمكن أن يساعد على الامتثال لأنظمة نوعية الهواء وخطط تسعير الكربون، وفي الولايات القضائية التي تطبق فيها ضريبة الكربون أو نظام الاتجار بالانبعاثات، يمكن أن تؤدي إلى تحسين الأداء المالي للمصانع تحسيناً كبيراً.

بيد أن ارتفاع تكلفة رأس المال في المصانع المتقدمة يتطلب استثمارات أكثر ارتفاعا وقد يطيل فترة الانتكاس، وبالنسبة للبلدان التي لديها فحم رخيص ومحدودية فرص الحصول على رأس المال، فإن النباتات دون الحرجة قد تبدو جذابة، ومع ذلك فإن مدخرات الوقود التي تدوم فترة العمر تجعل النباتات فوق درجة حرجة ومتوسطة، لا سيما عندما تكون أسعار الفحم مرتفعة أو يتوقع أن ترتفع.

Carbon Capture and Storage (CCS) Compatibility

وثمة عامل حاسم آخر هو إمكانية إعادة ضبط الكربون وتخزينه، حيث يمكن أن تنتج محطات الكفاءة العالية أقل ثاني أكسيد الكربون لكل ميغاواط، مما يقلل حجم وتكاليف معدات ثاني أكسيد الكربون اللازمة، كما أن الغاز المفلور من محطات التكتل السطحية ومركبات الكربون المكلورة عادة ما يكون عند تركيز أعلى من ثاني أكسيد الكربون، مما يجعل عمليات التقاطه أكثر كفاءة.() ولهذا السبب، فإن العديد من مشاريع الاختبارات التي تقوم بها ثاني أكسيد الكربون وتخزينه تُلحق بوحدات فوق سطحية أو ثاني أكسيد الكربون.()

التبني والاتجاهات العالمية

إن الأسطول العالمي للفحم يكبر، حيث يوجد عدد كبير من النباتات دون الحرجة التي بنيت في السبعينات - التسعينات، وتسود في معظمها هياكل أساسية أو حرجة للغاية، وتظل الصين أكبر مستثمر في تكنولوجيا الفحم المتقدمة، حيث يعمل أكثر من 70 في المائة من طاقتها الفحمية، وهي الآن وحدات خارقة الأهمية أو تابعة للجامعة الأمريكية في عام 2023، كما أن الهند تتحول إلى محطات للتصميمات شبه الحرجة.

وتتأثر الاتجاهات في قطاع الطاقة الكهربائية للفحم تأثراً شديداً بسياسات المناخ، إذ إن مشاريع الوكالة الدولية للطاقة التي تولد الطاقة التي تعمل بالفحم ستنخفض في الاقتصادات المتقدمة ولكنها قد تهب أو تنمو بصورة طفيفة في أجزاء من آسيا حتى عام 2030، وفي هذا السياق، يمكن أن تؤدي الاستعاضة عن النباتات القديمة ذات الأهمية الفائقة أو وحدات اتحادية الولايات المتحدة إلى مكاسب فورية في الكفاءة وتخفيض الانبعاثات دون التخلي عن الفحم بصورة كاملة، كما أن بعض المرافق تعيد تشغيل الوحدات الأكبر سناً لتمنعها من القيود الهيكلية.

إن مستقبل التكنولوجيا فوق الصوتية يتوقف على استمرار الابتكار، فالتعاون البحثي مثل مشروع AD700 التابع للاتحاد الأوروبي، وبرنامج اليابان A-USC يهدف إلى تطوير مواد لـ 700 درجة مئوية + البخار، وإذا نجح ذلك، فإن هذه العوامل يمكن أن تدفع الكفاءة إلى ما يتجاوز 50 في المائة، مما يجعل محطات الفحم فعالة بقدر ما تكون وحدات دورة الغاز الطبيعي الحديثة ذات السعة الواحدة، وإن كان ذلك في مستوى أعلى من كثافة الكربون(35).

خاتمة

وتعتمد السياسات الاقتصادية غير الحرجة والفوقية والحساسية في مجال الطاقة على أنواع الطاقة المتجددة، حيث أن هذه النظم الأساسية لتوليد الطاقة تعتمد على زيادة القدرة على تحمل الطاقة، وتعتمد على أساس أن تكون هذه العوامل ذات قدرة على الاستمرار في التجارة، وتعتمد على أساس أن تكون هذه العوامل ذات قدرة على الانتقال، وتعتمد على نحو متزايد على وجود أعلى مستويات من حيث التكلفة، وتعتمد على أقل المستويات من حيث القدرة على استخدام الطاقة.