تقييم مخطط الكربون لنظام الطاقة الشتوية والعمليات

مقدمة: لماذا مسائل برنامج " Wind Power "

وقد أصبحت الطاقة المتجددة حجر الزاوية في التحول العالمي إلى الطاقة المتجددة، حيث أن الحكومات والشركات والمجتمعات المحلية حددت أهدافا طموحة في مجال إزالة الكربون، فإن الفهم الدقيق للتكاليف البيئية المرتبطة بالطاقة الريحية أمر أساسي، إذ أن البصمة الكربونية لنظام الطاقة الريحية تشمل جميع انبعاثات غازات الدفيئة التي تطلق أثناء دورة حياتها من استخراج المواد الخام عن طريق التصنيع والنقل والتركيب والصيانة والتخفيض الفعلي للوقود.

وبالنسبة للطلاب والمهنيين في دراسات الطاقة، يوفر تقييم دورة الحياة إطارا صارما لقياس هذه الآثار، وهذه المادة تتيح نظرة موسعة وموثوقة على البصمة الكربونية لنظم الطاقة الريحية، وتبرز المصادر الرئيسية للانبعاثات، والتخفيضات الأخيرة، والطريق نحو خفض كثافة الكربون، وفي النهاية، سيفهم القراء سبب بقاء الطاقة الريحية أحد أقل مصادر الكهرباء الكربون المتاحة اليوم، على الرغم من التكاليف الصناعية الأولية.

تحديد برنامج الكربون في سياق الطاقة الشتوية

ويشير مصطلح " آثار الكربون " هنا إلى الكمية الإجمالية لثاني أكسيد الكربون (CO2) وغازات الدفيئة الأخرى (الميثان وأكسيد النيتروز والغازات المفلورة) التي انبثقت على كامل دورة حياة توربين الرياح، والتي أُعرب عنها بمكافئ ثاني أكسيد الكربون (CO2e) وتشمل هذه القياس كلا الانبعاثات المباشرة (مثلاً من أرقام الوقود المحروق أثناء البناء) والانبعاثات غير المباشرة (مثلاًاً، 140 من الطاقة المستهلكة).

ومن القياسات الحاسمة المستمدة من التركيز الحرفي جداً emission intensity]، المقيسة بغرامات ثاني أكسيد الكربون لكل كيلوواط ساعة (مثل ثاني أكسيد الكربون/كيلوواط) من الكهرباء المتولدة، وبالنسبة للطاقة الريحية، تتراوح كثافة الانبعاثات الناتجة عن دورة الحياة عادة بين 10 و20 غراماً من ثاني أكسيد الكربون/كيلوواط، وهذا هو توزيع نموذجي يقل عن مرحلتي ثاني أكسيد الكربون

المرحلة 1: استخراج المواد الخام وتجهيزها

الصلب والمواصفات للأبراج والمؤسسات

ويسود في الغالب بناء أبراج التوربينات من الفولاذ، ويشمل إنتاج الفولاذ تعدين ركاز الحديد والفحم وجر الجير، يليه صهر كثيف للطاقة في أفران الانفجار أو فرون القوس الكهربائي، وينتج إنتاج الفولاذ وحده ما يقرب من ٧ في المائة من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون، ويحتاج إنتاج رياح واحد على نطاق السعة )مثلا، ٠٠٠ ٠٠٢ طن متري من الصلب)٢(.

غير أن مطاحن الصلب الحديثة تستخدم بصورة متزايدة معادن خردة مدوَّنة وطاقة متجددة، مما يقلل من الكربون المجسد من الفولاذ بنسبة تصل إلى 60 في المائة مقارنة بالطرق التقليدية، وبالمثل، فإن المواد السماوية التكميلية (مثل رماد الذبابة أو السلال) يمكن أن تقل كثافة الكربون في الخرسانة، وقد سبق أن اعتمدت هذه التحسينات من قبل شركات تصنيع توربينية رئيسية ومقاولين في الهياكل الأساسية.

المواد المركبة للبلاد

أما البوليستر أو التوكسي المقوى المتصدع للزيارات، فهي مصنوعة عادة من مسببات التمزق الريح المقوى من الألياف الفلورية أو من مادة التكسين، وتزداد من مركب ألياف الكربون من أجل النسيج الأطول، كما أن إنتاج الألياف الزجاجية وراتنجات الأوكسجين من ألياف الكيماوية والتكثيفة الطاقة، كما أن صنع لوفرة واحدة من 50 متراً يمكن أن يُبِّر من ثاني أكسيد الكربون

مولدات، غلوبوكس، والإلكترونيات

وتشغل الناسيل المولدات الكهربائية، وصناديق التروس (للتوربينات الموجهة)، وأجهزة توليد الطاقة الكهربائية، والمحولات، وتحتاج هذه المكونات إلى النحاس، والألومنيوم، والعناصر الأرضية النادرة (النيوديمويوم، والديسبروسوم)، والسليكون، وتوليد المعادن وتكرير هذه المواد انبعاثات كبيرة من غازات الدفيئة، لا سيما بالنسبة للأرض النادرة، التي كثيرا ما تنطوي على تجهيزات ذات الطاقة الكثيفة والنفايات الخطرة.

المرحلة 2: التصنيع والجمعية

وبعد تجهيز المواد الخام، تنتقل هذه المواد إلى مصانع لتصنيع المكونات، وتدور الأبراج وتُلحم وتُلقى الشارات وتُعالج وتُجمع الناكسات، وتستهلك هذه الخطوات التحويلية كميات كبيرة من الكهرباء والحرارة، فمثلاً، تعمل أحواض الفرن من أجل المواد المركبة ذات البقع في درجات حرارة عالية لساعات، وتظهر المرافق الموجودة في المناطق التي توجد فيها شبكة كهرباء نظيفة (مثلاً، مصانعاً تعمل بالكهرباءً أقل)

ويقلل التلقائية والتصنيع الأمثل من استخدام الطاقة في التربين، ويتعهد بعض الصانعين الآن بتحقيق إنتاج محايد الكربون بحلول عام 2030 باستخدام الطاقة المتجددة وقابلات الكربون، وهذه الالتزامات هامة لأن البصمة المصنعة مقفلة قبل أن تولد التربين أول كيلوات ساعة.

المرحلة 3: النقل والتركيب

الانبعاثات السوقية

إن نقل مكونات توربينية ضخمة من المصانع إلى مواقع المشاريع يشكل تحديا لوجستيا، إذ تنقل اللوديس والأبراج والناكسات بالشاحنات والسككك الحديدية والبحر، وغالبا ما تتجاوز آلاف الكيلومترات، وبالنسبة لمشاريع الرياح الساحلية، فإن النقل بالشاحنات هو الوسيلة الرئيسية، واستهلاك وقود الديزل، وبث ثاني أكسيد الكربون، وثمرة النيتروز، والجسيمات، وتتطلب الرياح البحرية ارتفاعا في الانبعاثات البحرية وسفن المحترقة.

وتختلف انبعاثات النقل اختلافاً كبيراً حسب المسافة والطريقة وحجم التربين، وبالنسبة إلى التربينات البحرية العادية، فإن النقل يمثل نسبة تتراوح بين 5 و10 في المائة من مجموع انبعاثات دورة الحياة، ويقلل من عدد الوحدات التي تحتاج إلى كل مشروع، وهو ما يؤدي إلى استخدام سلاسل الإمداد المحلية، واستخدام السكك الحديدية أو الحافة حيثما أمكن، حيث يؤدي الاتجاه نحو تربينات أكبر (حتى 15 ميغاً في الخارج).

التركيب والتشييد

أما فيما يتعلق بالمشاريع الخارجية، فإن عملية تجهيز المواقع، وعمليات الصعود، وعمليات الرافعة، وتصلب الاضطرابات، تنطوي على أجهزة ثقيلة تعمل على الديزل، وتضيف المركبات والكابلات انبعاثات أخرى، وفي حين تمثل هذه الأنشطة عادة حصة صغيرة (5-15 في المائة) من مجموع البصمات الكربونية، فإنها تتركز في فترة قصيرة، كما أن استخدام معدات البناء الكهربائية (حيثما كان متاحا) والديزل المتجددة يمكن أن يخفف من هذه الانبعاثات.

المرحلة 4: العملية والصيانة

الانبعاثات التشغيلية الدنيا

وبعد تشغيل التوربينات الريحية تنتج الكهرباء دون الاحتراق المباشر، وتتجه البصمة الكربونية التشغيلية إلى أنشطة الصيانة، بما في ذلك عمليات التفتيش المقررة، والتغييرات في زيت التشحيم، واستبدال الأجزاء الدودية (الزوارق، وصناديق التروس، والمولدات الكهربائية)، وسفر مركبات الخدمات، أما بالنسبة لمزارع الرياح الساحلية، فتنعكس هذه الأنشطة بين 2 و 8 ميكروغرام/كه، في حين يمكن أن تكون الرياح البحرية أعلى قليلا من استهلاك وقود السفن.

ومجموع الانبعاثات التشغيلية منخفضة لأن الطاقة التي تولدت على مدى فترة عمر تربينية تتراوح بين 20 و30 سنة هائلة، ويمكن أن تنتج توربينات نمطية من ثلاث ميغاواط على الشاطئ حوالي 6 إلى 10 ملايين كيلوواط سنويا، مما يعني أنه حتى مع انخفاض انبعاثات الصيانة المتواضعة، تظل كثافة الطاقة أقل بكثير من 10 غرامات من ثاني أكسيد الكربون/كيلوواط.

إعادة التشغيل وتمديد فترة الحياة

ويجري إعادة تشغيل العديد من التوربينات الريحية التي تزيد من حجمها، وتزيد من حجمها، وتزداد فيها كفاءة، بعد 15-20 سنة، وتحصل إعادة التشغيل على تكلفة كربون من التصنيع والتركيب الجديدين، ولكنها يمكن أن تزيد إنتاج الطاقة بشكل كبير، وتخفض كثافة الانبعاثات الإجمالية على مدى الحياة الجديدة للمشروع، وبدلا من ذلك، تتفادى توسيع نطاق عمر التوربينات الحالية بصناديق معدات وأجهزة رفع درجة حرارة خفضت من آثار التركيبات البيوت.

المرحلة 5: وقف التشغيل وإعادة التدوير

عمليات نهاية العمر

وفي نهاية فترة تصميم التربين، ينطوي وقف التشغيل على تفكيك الهيكل وإزالة المؤسسات وإعادة الموقع، وهذه الأنشطة عادة ما تكون أقل كثافة للانبعاثات من التركيب لأن نفس الرافعات والمعدات تستخدم ولكن العكس، وتشير التقديرات إلى أن إلغاء التشغيل يمثل نسبة تتراوح بين ٢ و٥ في المائة من مجموع انبعاثات دورة الحياة.

والتحدي البيئي الأكبر هو إدارة النفايات، فالفولط (الملاذات، إعادة الحجاب) قابل لإعادة التدوير تماماً تقريباً، حيث تزيد معدلات إعادة التدوير على 90 في المائة، كما أن النحاس والألومنيوم من التخصيب والمولدات الكهربائية قابلة لإعادة التدوير، كما أن المكوّن المثير للمشاكل هو المثانة التي تُصنع من مواد مركبة يصعب فصلها وإعادة تدويرها، ومن الناحية التاريخية، فإن معظمها تُنهي في مدافن جديدة.

فرص الاقتصاد العلماني

ومن الأمور الأساسية في زيادة تخفيض آثار الكربون في طاقة الرياح، وإذا أمكن إعادة تدوير الشارات إلى سوائل جديدة أو منتجات أخرى (مثل مواد البناء)، فإن تكلفة الكربون الأمامية في صناعة الشفرة قد تسترد جزئيا، وقد تستخدم تصميمات التوربين في المستقبل كثافة حرارية قابلة لإعادة التدوير أو مركبات مركبة قائمة على الخشب، مما يقلل بدرجة كبيرة من انبعاثات الاقتصاد النهائي.

Comparative Analysis: Wind vs. Other Energy Sources

ويقتضي وضع أثر الكربون في الطاقة الريحية في منظورها مقارنة بتكنولوجيات الجيل الأخرى، ووفقا للتقرير الخاص للفريق الحكومي الدولي المعني بتغير المناخ بشأن مصادر الطاقة المتجددة، فإن الانبعاثات المتوسطة لدورة الحياة هي:

• Wind onshore: 11-15 g CO2e/kWh]
• Wind offshore: 12-19 g CO2e/kWh]
• Solar PV (utility): 41-48 g CO2e/kWh]
• Nuclear: 12-16 g CO2e/kWh]
• الغاز الطبيعي (دورة مشتركة): 410-520 غرام من ثاني أكسيد الكربون/كيلوواط ]
• الفحم (العامل): 750-000 1 غرام من ثاني أكسيد الكربون/كيلوواط ]

فالطاقة الفائزة هي من بين أقل المصادر الكربونية، على قدم المساواة مع الطاقة النووية، والأفضل بكثير من الطاقة الشمسية، ويرجع ذلك إلى حد كبير إلى الاختلافات في التصنيع، ومن الجدير بالذكر أن انبعاثات الرياح آخذة في الانخفاض بمرور الوقت مع تحسن كفاءة التربين، وتصنيع المواد الكربونية، وارتفاع معدلات إعادة التدوير، وعلى النقيض من ذلك، فإن انبعاثات الوقود الأحفوري متأصلة في الاحتراق ولا يمكن التخفيف منها دون استخدام تكنولوجيا للكربون تكون باهظة وغير قابلة للتنبؤ بها.

وعلاوة على ذلك، فإن فترة انتعاش الطاقة بالنسبة للرياح - الوقت اللازم لتوليد الطاقة المستخدمة في التصنيع - هي عادة 3-8 أشهر على الشاطئ و6-12 شهراً على الشاطئ، وعلى مدى فترة 25 عاماً، تولد توربين الرياح 30 إلى 100 مرة الطاقة المستهلكة في دورة حياتها، وهي نسبة أفضل بكثير من أي مصدر للوقود الأحفوري.

جيم - التغيرات الإقليمية وإزالة غازات الدفيئة

وتتباين آثار الكربون في الطاقة الريحية تباينا كبيرا حسب المنطقة، كما أن توربينا مصنوع في بلد به شبكة كهربائية تعمل بالنحاس (مثل بولندا والصين) ستكون انبعاثاته أكثر تجسيدا من انبعاثات مدمجة في بلد يُبنى بالطاقة المائية أو النووية (مثل السويد وفرنسا)، وبالمثل، فإن تركيب أجهزة الديزل في المناطق النائية يزيد من انبعاثاتها عن استخدام وصلات للشبكة الكهربائية حيث يتطلب الأمر وجود كميات أكبر من الصلب الموجود.

ومع ذلك، ومع أن توليد الكهرباء على الصعيد العالمي يصبح أكثر خضراء، فإن الانبعاثات غير المباشرة من تربينات الرياح الصناعية ستنخفض، وهذا يؤدي إلى حلقة مفرغة: تهجير الطاقة الريحية للوقود الأحفوري، مما يقلل من كثافة الكربون في الشبكة، مما يقلل بدوره من تكلفة الكربون في تصنيع التوربينات الجديدة، وهذه الحلقة الإيجابية من المعلومات يمكن بالفعل أن تُلاحظ في المناطق التي تُرتفع فيها معدلات التغلُّب.

الاتجاهات والابتكارات في المستقبل

Larger Turbines

ويقلل الاتجاه نحو التوربينات الكبيرة (التي أصبحت الآن 12-15 ميغاواط في الخارج) من عدد المؤسسات والكابلات لكل ميغاوات، مما يقلل من آثار الكربون لكل كيلوواط. ويجري تطوير بلازما تزيد طولها عن 100 متر، مما يتطلب تركيبات متقدمة وتقنيات تصنيع، ولكن يحقق عوامل قدرة أعلى.

فولط الكربون المنخفض وفول الكاربون

ويدخل السوق الفولاذ الأخضر )المنتج بالهيدروجين أو الكهرباء المتجددة( والخرسانة التي تطلبها الكربون، ويمكن أن يؤدي استخدام هذه المواد للأبراج والمؤسسات إلى خفض انبعاثات الصناعة التحويلية بنسبة ٥٠-٨٠ في المائة خلال عقد من الزمان، وقد قام بعض صناعات توربين بالفعل بوضع نماذج أولية بأبراج فوق الكربون.

برد إعادة تدوير المنافذ

وهناك شركات عديدة تقدم الآن إعادة تدوير اللافيد التجاري، منها مثلاً شركة Siemens Gamesa RecyclableBlade التي تستخدم راتنج يمكن فصله عن الألياف في نهاية الحياة، مما يتيح إعادة استخدام كلتا المادتين، وقد طورت شركة Vestas وغيرها من الجهات المصنعة عمليات لإعادة تدوير المواد الكيميائية التي تكسر الازدحام إلى مواد ذات جودة عذرية، وسيتحول الاعتماد الواسع النطاق إلى ملوثات من مشكلة النفايات إلى مورد.

الترميز والتنميط

فالتوأم الرقمية، وأجهزة الاستشعار باليوت، والصيانة التنبؤية التي يقودها آي، تقلل من الانبعاثات التشغيلية عن طريق تحقيق الحد الأمثل من القذف الصاروخي، ومراقبة اليوت، وجداول الخدمات.

خاتمة

ويكشف تقييم البصمة الكربونية لنظم الطاقة الريحية أنه في حين أن مرحلة التصنيع هي مرحلة كثيفة للطاقة وتسهم بغالبية انبعاثات دورة الحياة، فإن كثافة الكربون عموماً لا تزال منخفضة بشكل ملحوظ بين 10 و20 غراماً من ثاني أكسيد الكربون/كيلوواط، وهذا أمر يقل كثيراً عن توليد الوقود الأحفوري ويقابل الطاقة النووية، إذ أن الابتكارات المستمرة في المواد، والصناعة التحويلية، وإعادة التدوير، والكفاءة التشغيلية، تؤدي إلى خفض مطرد في فهم الطلاب المتسرّد.

For further reading, consult the IPCC Special Report on Renewable Energy], the ]NREL Life Cycle Assessment publications], and the Global Wind Energy Council reports for the latest data.