Innovative Approaches to Natural Gas Storage for Power Plant Flexibility and Security

ولا يزال الغاز الطبيعي حجر الزاوية في توليد الطاقة العالمية، حيث يوفر الكهرباء القابلة للإرسال التي تكمل المصادر المتجددة المتغيرة مثل الرياح والطاقة الشمسية، وبما أن مشهد الطاقة يتطور نحو زيادة إزالة الكربون وتعقيد الشبكات، فإن القدرة على تخزين الغاز الطبيعي بكفاءة ومرونة، وقد أصبحت الآن أولوية استراتيجية، فحلول التخزين تمكن محطات الطاقة من الاستجابة لمضاعفات الطلب، والحفاظ على الإمدادات أثناء انقطاع الأنابيب، ودعم فرص صناعة التخزين التقليدية الناشئة.

أساليب التخزين التقليدية

وبالنسبة لمعظم القرن العشرين، يعتمد تخزين الغاز الطبيعي على ثلاثة تشكيلات رئيسية تحت الأرض: خزانات النفط والغاز المستنفد، ومستودعات المياه الجوفية المالحة، وكهوف الملح، وكل طريقة توفر خصائص متميزة تناسب مختلف دورات التخزين واحتياجات السوق.

أجهزة الاسترجاع المستنفدة

وتشكل الخزانات المستنفدة أكثر أنواع تخزين الغاز الطبيعي شيوعا على الصعيد العالمي، حيث تبلغ نسبة الـ 80 في المائة تقريبا من إجمالي القدرة على التخزين تحت الأرض، وهذه التكوينات هي هياكل صخرية مزودة سابقا بالنفط أو الغاز؛ وبعد توقف الإنتاج، يمكن إعادة استخدامها لتخزين الغازات المتوسطة، وتشمل مزاياها الرئيسية القدرة الكبيرة والبيانات الجيولوجية القائمة التي تقلل من مخاطر الاستكشاف، غير أن المستودعات المستنفدة تظهر بطء في خيارات الحقن وأسعار للانسحاب.

خط أكيفيرز

وتشكل طبقات المياه الجوفية المحصولة بالمياه تشكيلات صخور مائية يمكن تكييفها لتخزين الغاز، وهي توفر إمكانات كبيرة في مجال الطاقة، وتقع في كثير من الأحيان بالقرب من مراكز الاستهلاك الرئيسية، غير أن تنميتها تتطلب تقييما جيولوجيا شاملا لضمان سلامة الصخور ومنع تشرد الصخور، ومعدلات الحقن والانسحاب أقل عموما من حسابات الكهوف المالحة، ولكن يمكن تحسينها من خلال التصميم الجيد.

Salt Caverns

إن كهوف الملح هي مكافآت مصنوعة من قبل الإنسان تنشأ عن طريق إزالة رواسب الملح الجوفية، وهي توفر أعلى معدلات القابلية للتوصيل فيما بين أنواع التخزين بسبب الهندسة المصممة لديها وقدرتها على تحمل التغيرات السريعة في الضغط، مما يجعلها مثالية لتطبيقات ذات الحجم الأقصى التي يجب توفيرها في غضون ساعات، كما أن تخزين المياه الجوفية يسمح أيضاً بتعدد دورات التخزين بواسطة الحقن، مما يتيح مرونة تشغيلية تضاهي تكاليف السحب.

وفي حين أن الأساليب التقليدية لا تزال أساسية لتخزين المواد الموسمية السائبة، فإن فتراتها الزمنية التي تستغرقها القيود، والمرونة المعتدلة، والشواغل البيئية - قد حفزت على وضع نهج مبتكرة ترمي إلى تلبية متطلبات نظام طاقة أكثر دينامية.

Emerging Innovrage Technologies

وقد أدت التطورات في علوم المواد والتكفير والكيمياء الكهروكيميائية إلى ظهور عدة تكنولوجيات جديدة لتخزين الغاز الطبيعي تكمل أو تحل محل المرافق التقليدية تحت الأرض، وهذه الابتكارات تعطي الأولوية للاستجابة السريعة، والنشر النموذجي، والتكامل مع نظم الطاقة المتجددة.

تخزين الغازات الطبيعية المكرَّسة

ويستلزم تخزين الغاز الطبيعي المكثف الضغط على الغازات إلى ما بين 200 و300 بار وتخزينه في السفن ذات الكثافة العالية، حيث يتم عادة نشر نظم الغازات النفثالينية في مواقع محطات توليد الطاقة أو في نقاط توزيع أصغر، وتتمثل الفائدة الرئيسية في سرعة استخدام الغاز وسحبه فورا تقريبا، مما يتيح لمصانع الذروة أن تفجر إنتاجها في دقائق، وهذا أمر له قيمة خاصة بالنسبة لموازنة الشبكات ذات التقلبات العالية في الطاقة الشمسية والريحية.

وتُبنى سفن تابعة للشبكة الوطنية للغاز النباتي الحديثة من مواد مركبة مثل ألياف الكربون المغلفة حول جهاز لبوليمر، مما يعرض خفض الوزن ومقاومة التآكل، ويمكن ترتيب بنوك الأسطوانات في صفائف نموذجية، مما يتيح زيادة القدرة على الرفع، كما أن كثافة الطاقة أقل من المستوى الوطني، مما يعني آثاراً بدنية أكبر لحجم التخزين المكافئ(25).

Liquefied Natural Gas (LNG) Storage

ويشتمل تخزين الغاز الطبيعي المبرد على نحو ١٦٢ درجة مئوية، مما يقلل حجمه بعامل ٦٠٠، ويخزن السائل في خزانات ذات عجلتين، مزودة بفراغات يمكن أن تتراوح بين وحدات ساتلية صغيرة تستهلك بضع مئات من المترات المكعبة إلى محطات واسعة على الشاطئ تتجاوز ٠٠٠ ٢٠٠ متر مكعب، ويوفر LNG أعلى كثافة للطاقة الحجمية لأي شكل من أشكال تخزين الغاز الطبيعي، مما يجعله مثالياً بالنسبة للشحنات الطويلة.

أما بالنسبة لمرونة محطات توليد الطاقة، فإن تخزينها يوفر حاجزاً يزيل الزينة من القيود المفروضة على خطوط الأنابيب، ويمكن للمصنع أن يسحب الغازات المنخفضة النيتروز بازديادها خلال ساعات العمل أو عندما يكون السعر صالحاً، كما أن هذه القدرة مفيدة بصفة خاصة في المناطق التي تتسم فيها القدرة المحدودة على الأنابيب أو التي كثيراً ما تخضع فيها إمدادات الغاز للتغيرات الموسمية من الطلب على التدفئة السكنية.

نظم الطاقة إلى الغاز (P2G)

وتحوّل تكنولوجيا الطاقة إلى الغازات فائض الكهرباء، الذي كثيرا ما يكون من مصادر متجددة، إلى الهيدروجين أو الغاز الطبيعي التركيبي من خلال التحلل الكهربائي والميثان، ويمكن حقن الغاز الناتج عن ذلك في شبكة الغاز الطبيعي أو تخزينه للاستخدام في وقت لاحق في توليد الطاقة، كما أن P2G يجسر بفعالية قطاعات الطاقة الكهربائية والغاز، مما يتيح تخزين البطاريات الموسمية الطويلة الأجل التي لا يمكن أن توفرها اقتصاديا.

وهناك مساران رئيسيان من مسارات P2G: إنتاج الهيدروجين عن طريق مضخة تبادل البروتونات أو الكهروليتولين، وما يعقب ذلك من زيادة في إنتاج الغازات المتوسطة الحجم باستخدام ثاني أكسيد الكربون المستولى عليه من مصادر صناعية، حيث أن كفاءة استخدام الغازات المتجهة نحو الغازات إلى الغازات تعادل حالياً نحو 30 إلى 40 في المائة، وهو ما يقل عن الطاقة المضغوطة (70-80 في المائة) أو في البنية التحتية المحتوية على البطارية (85-95 في المائة).

الابتكارات الإضافية: تخزين المواد الكيميائية وحزمة خط الأنابيب المتقدمة

فالبحث الناشئ عن ذلك هو استكشاف تخزين هيدرات الغاز، حيث يُحبس الغاز الطبيعي في هياكل بلورة شبيهة بالجليد، ويمكن لهذه الطريقة أن تخزن الغازات في ضغطات متوسطة (20-50 بار) ودرجات حرارة أعلى بقليل من التجميد، مما قد يقلل من عقوبة الطاقة الناجمة عن الضغط أو التكرار، كما أن المشاريع الرائدة جارية في اليابان وكندا، ولكن البقاء التجاري لا يزال بعيدا عن ذلك، وهناك نهج آخر يعزز خط التخزين في إطار شبكة الضغط يزيد من إمكانية زيادة القدرة على المستوى الأمثل.

مزايا حلول التخزين المبتكرة

والتحول نحو تكنولوجيات التخزين المبتكرة هو الدافع إلى احتياجات تشغيلية وسوقية محددة لا يمكن أن تعالجها الأساليب التقليدية معالجة كاملة، والمزايا التالية ذات صلة خاصة بمشغلي محطات توليد الطاقة ومخططي الشبكات.

تعزيز المرونة ودعم المظالم

وتتيح حلول التخزين المبتكرة زيادة سرعة الاستجابة وزيادة تكرار التدوير عن التخزين تحت الأرض. ويمكن لنظم الغازات المتعددة الأطراف والشبكة المحلية أن توفر الغاز بكامل طاقتها خلال دقائق، وتدعم محطات الذروة التي يجب أن تتبع تغيرات في الحمولة، وهذه القدرة تزداد أهمية مع نمو الاختراق المتجددة؛ كما أن المرافق في كاليفورنيا وألمانيا قد مرت بالفعل فترات يجب فيها أن يتحول توليد الغازات من الحد الأدنى من التحول إلى الناتج الكامل في أقل من 15 دقيقة بسبب التغطية الشمسية على السحب.

تحسين أمن الطاقة وتيسير الإمداد

ويقلل تنوع أنواع التخزين من الاعتماد على تشكيل جيولوجي واحد أو ممرات خطوط الأنابيب، ويمكن مثلاً تحديد موقع تخزين الغاز غير المستقر على طول خطوط السواحل مع الوصول إلى الأسواق العالمية، وزرع منطقة من التعطلات في خطوط الأنابيب المحلية، وخلال أحداث دوامة القطب في الولايات المتحدة في عام 2014 و2021، تمكنت محطات الغاز الطبيعي التي لديها شبكات توليد الكهرباء في الموقع أو تخزين الغازات المتجمدة من الغازات المتعددة من الغازات من مواصلة العمل عند الحد من إمدادات الغازات.

المنافع البيئية واستحقاقات استخدام الأراضي

ويمكن أن تكون تكنولوجيات التخزين المتقدمة ذات أثر مادي أصغر من المرافق الجوفية، التي يمكن أن تشغل مئات فدان من مساحة سطح الآبار ومصانع التجهيز والمناطق العازلة، ويمكن تركيب خزانات الغازات الخماسية ومصارف الكبريت الوطنية في مواقع النباتات القائمة، مع تجنب حيازة الأراضي الجديدة، كما أن الكشف عن التسرب واحتواءه يسهل إدارتها في النظم الحديثة التي تزيد عن 80 في المائة، مما يؤدي إلى خفض انبعاثات غاز الميثان - غاز مضاف.

التوقعات والتحديات المستقبلية

وعلى الرغم من وعدها، فإن التكنولوجيات المبتكرة لتخزين الغاز الطبيعي تواجه عدة عقبات يجب معالجتها لتحقيق اعتماد واسع النطاق، وتبحث الفروع التالية مجالات رئيسية من مجالات البحث والسياسات وتنمية الأسواق.

أولويات البحث والتطوير

كما أن جهود التخزين الرقمية الجارية في مجال الطاقة المتجددة (P25) تهدف إلى تحسين الأداء الاقتصادي والتقني لكل تكنولوجيا تخزين، وبالنسبة للشبكة الوطنية للكهرباء، فإن خفض التكاليف يركز على المركبات المتقدمة والتجهيز الآلي لخفض تكاليف الصهاريج إلى أقل من 500 دولار لكل كيلوواط ساعة، وبالنسبة للشبكة، فإن الابتكارات في نماذج قياسية صغيرة الحجم، والمبادلات الحرارية الفعالة يمكن أن تقلل من النفقات الرأسمالية للتخزين الموزع.

الأطر السياساتية والتنظيمية

(ب) السياسات الداعمة لها أهمية حاسمة في الاستثمار في التخزين الابتكاري، حيث أن استراتيجية الاتحاد الأوروبي للهيدروجين وقانون خفض التضخم في الولايات المتحدة يشملان الائتمانات الضريبية والمنح المتعلقة بالهيدروجين النظيف وحصر الكربون، التي تفيد مباشرة مشاريع الغازات التراكمية، كما أن السماح بقطع مسارات التخزين فوق الأرض يجب أن يُبسط دون المساس بالسلامة؛ كما أن هناك ولايات قضائية ذات أطر موحدة للتخزين(41).

السلامة والتقبل العام

كما أن نظم التخزين فوق الأرض، ولا سيما LNG و CNG، تثير القلق إزاء مخاطر الانفجار أو الإطلاق في المناطق المأهولة بالسكان، غير أن سجلات السلامة الصناعية قوية: فقد عملت مرافق الغاز غير المصحوبة بعقود قليلة جدا، كما أن مدونات التصميم الحديثة (NFPA 59A و EN 1473) تُلزم طبقات متعددة من الحماية تشمل الديدان الملوثة، ونظم كشف الغاز، وخلق صمامات عمل متوقفة للطوارئ.

التكامل مع مسارات إزالة الكربون

أما الدور الطويل الأجل لتخزين الغاز الطبيعي فيتوقف على سرعة إزالة الكربون، وفي سيناريوهات الغاز الطبيعي غير المشبع يجب أن يخفض تدريجياً، ولكن البنية التحتية للتخزين قد تكون بمثابة مساندة للقدرات الموسمية للشركة، كما أن مرافق التخزين الجاهزة لمعالجة مواصف الهيدروجين أو الميثان الحيوي هي منطقة نشطة من مجالات البحث.

خاتمة

وتتطور عملية تخزين الغاز الطبيعي من مجال جيولوجي أساساً إلى مجموعة متنوعة من التكنولوجيات تشمل الغاز المضغط والغاز المسيل والوقود المنتجة بالكهرباء، وتعالج كل ابتكار ثغرات محددة في المرونة والأمن والأداء البيئي لا يمكن أن يملأه التخزين التقليدي تحت الأرض، فاعتماد هذه الحلول يعني زيادة القدرة على الاستجابة لظروف شبكات الوقت الحقيقي، وتعزيز القدرة على مواجهة انقطاع الإمداد، والطريق إلى خفض الانبعاثات الابتكارية الناجمة عن دورة الحياة.

External References:
U.S. Energy Information Administration, The Basics of Underground Gas Storage] -- https://www.eia.gov/naturalgas/storage/