دور كابينة الكربون وتخزينه في عمليات محطة توليد الطاقة الفحمية

دور كابينة الكربون وتخزينه في عمليات محطة توليد الطاقة الفحمية

وقد وفرت محطات توليد الطاقة التي تعمل بالفحم جزءاً كبيراً من الكهرباء العالمية لأكثر من قرن، ورغم موثوقيتها وكثافة الطاقة فيها، فإن هذه المرافق هي من أكبر المصادر الثابتة لانبعاثات ثاني أكسيد الكربون، وهي المحرك الرئيسي لتغير المناخ البشري، حيث أن الدول تسعى جاهدة إلى تحقيق أهداف انبعاثات صافية من حيث انبعاثات الغازات، فإن السؤال ليس ما إذا كانت ستستمر في استخدام الفحم، ولكن كيف يمكن تخفيف أثره البيئي مع ضمان أمن الطاقة خلال فترة الانتقال.

Understanding Carbon Capture and Storage (CCS)

(ب) إنَّ نظام احتجاز ثاني أكسيد الكربون هو مجموعة من التكنولوجيات المصممة لاستخلاص ثاني أكسيد الكربون من مصادر صناعية قبل دخوله الغلاف الجوي، وضغطه ونقله، ثم حقنه في تشكيلات جيولوجية عميقة للتخزين الدائم، وهذا المفهوم ليس جديداً: فقد ضخت صناعة النفط والغاز ثاني أكسيد الكربون إلى خزانات لتحسين استرداد النفط منذ السبعينات، غير أنَّ تطبيقات التوليد على نطاق تجاري هو أحدث.

تكنولوجيات التقاط الصور

وتمثل خطوة التقاط هذه أكثر المراحل كثافة من حيث الطاقة وتكاليفها في مجال حفظ الأمن الغذائي، إذ تم نشر ثلاث طرق أولية أو قيد التطوير:

• Post-combustion capture: بعد حرق الفحم، يُعالج غاز المداخن بأمينات كيميائية - مذيبة - تستوعب ثاني أكسيد الكربون، ثم يسخن المذيب لإطلاق تيار تركيزي من ثاني أكسيد الكربون، ويمكن إعادة استخدام هذه الطريقة في النباتات القائمة دون إدخال تعديلات كبيرة على نظام الاحتراق.
• Pre-combustion capture: الفحم مزود بالغاز لإنتاج الغاز التوليفي (Syngas)، مزيج من الهيدروجين وأول أكسيد الكربون، ويتفاعل أول أكسيد الكربون مع البخار لإنتاج ثاني أكسيد الكربون والهيدروجين، ثم يفصل ثاني أكسيد الكربون قبل احتراق الهيدروجين، وكثيرا ما يستخدم هذا النهج في محطات الغاز المتكاملة مجتمعة.
• Oxy-fuel combustion]: الفحم محروق في مزيج من الأكسجين النقي والغاز المفلور المعاد تدويره، ينتج غازاً منفلوياً معظمه ثاني أكسيد الكربون وبخار الماء، ويُعاد تكديس الماء، مما يترك تياراً عالي التركيز من ثاني أكسيد الكربون جاهزاً للضغط، وهذا الأسلوب يتفادى الحاجة إلى المذيبات الكيميائية ولكنه يتطلب فصلاً جوياً.

وتختلف كل تقنية في فرض عقوبة الطاقة، وتكاليف رأس المال، والنضج، وتظهر بعد الاحتراق على نطاق واسع، حيث تعمل وحدات في محطات توليد الطاقة في كندا والولايات المتحدة.

النقل والتخزين

وبعد أن يتم القبض على ثاني أكسيد الكربون يجب أن يضغط على مرحلة كثيفة )تتجاوز عادة ١ ١٠٠ بيس( وأن ينقل عبر خط الأنابيب أو السفن أو الشاحنة إلى موقع تخزين مناسب، وأن الأنابيب هي أكثر الأمور اقتصادا بالنسبة لحجم كبير على الأرض، ثم يتم حقن ثاني أكسيد الكربون في تشكيلات جيولوجية عميقة - عادة في أعماق تزيد عن ٨٠٠ متر - حيث يقع فيها مزيج من آليات التخزين الهيكلية والمخلفة والملوثة.

• Depleted oil and gas reservoirs: These have proven seal integrity and existing infrastructure, and injection can be combined with enhanced oil recovery (EOR) to compensate costs.
• Deep saline layers: Porous rock formations saturated with brine, offering the largest storage capacity globally.
• Unmineable coal seams: يمكن أن يُستعبد ثاني أكسيد الكربون في الفحم، ويُنثر الميثان (التعافي من الميثان المشحم).

وينظم اختيار الموقع عملية تحديد الهوية الجيولوجية الدقيقة والرصد والرقابة التنظيمية لضمان الاحتواء الدائم، وقد خلص الفريق الحكومي الدولي المعني بتغير المناخ إلى أن ثاني أكسيد الكربون المخزن في مواقع مختارة جيداً يبلغ معدل الاحتفاظ به 99 في المائة على مدى 000 1 سنة.

فوائد احتجاز ثاني أكسيد الكربون وتخزينه في عمليات محطات توليد الطاقة الفحمية

تخفيض الانبعاثات في أعماق البحار

وتتمثل أهم الفوائد المباشرة لثاني أكسيد الكربون وتخزينه في التخفيض الجذري لانبعاثات ثاني أكسيد الكربون، إذ إن مصنع الفحم الخارق للخط الحراري هو حوالي 0.9 إلى 1.0 طن من ثاني أكسيد الكربون لكل ميغاواط، ويمكن أن ينخفض هذا إلى 0.1 إلى 0.2 طن لكل ميغاواط، تبعاً لكفاءة التقاطه، مما يمكِّن محطات الفحم من الامتثال لأنظمة الانبعاثات المتشددة وآليات تسعير الكربون.

الحفاظ على الهياكل الأساسية والوظائف القائمة

ولدى العديد من البلدان أساطيل كبيرة من محطات الفحم التي بنيت على مدى عقود، تمثل بلايين الدولارات في الاستثمار وآلاف الوظائف، ويتيح إعادة تقدير قيمة هذه الأصول مواصلة العمل مع تجنب الصدمة الاقتصادية للتقاعد المبكر، وهذا أمر له أهمية خاصة في مناطق مثل الصين والهند والولايات المتحدة، حيث لا يزال الفحم يغذي حصة كبيرة من الكهرباء.

دعم موثوقية غريد

وتوفر محطات الفحم الطاقة الأساسية ويمكن أن تتجمع وتخفض لتوازن بين مصادر متجددة متغيرة مثل الرياح والطاقة الشمسية، ويمكن أن تعمل النباتات المجهزة بأجهزة التكييف المكلورة بالأشعة السينية بصورة مرنة، كما يتبين من سد باوندري في كندا، الذي عدل الناتج لتلبية احتياجات الشبكة بينما يستوعب ثاني أكسيد الكربون.

Enabling Low-Carbon Products

ويمكن استخدام ثاني أكسيد الكربون الملتقط للأغراض التجارية، بما في ذلك تحسين استرداد النفط، وإنتاج الوقود التركيبي، والمشروبات الكربونية، ومواد البناء مثل الخرسانة، وفي حين أن أحجام الاستخدام صغيرة مقارنة بمجموع الانبعاثات، فإنها توفر تدفقاً للإيرادات يحسن اقتصاديات ثاني أكسيد الكربون وتخزينه.

التحديات التي تواجه نشر نظام احتجاز ثاني أكسيد الكربون وتخزينه

الخسائر في الطاقة والتكافل

ويتطلب التقاط ثاني أكسيد الكربون طاقة كبيرة لتوليد المذيبات والضغط والمعدات المساعدة، وتتراوح هذه العقوبة في العادة بين 20 في المائة و30 في المائة من ناتج المصنع، مما يعني أنه يجب حرق المزيد من الفحم لإنتاج نفس الكهرباء الصافية، كما أن التقدم في الكيمياء المذيبة، والإدماج الحراري، وتصميم العمليات يخفض تدريجيا هذه العقوبة ولكنه يظل عقبة تقنية أساسية.

التكاليف الرأسمالية والتشغيلية

وتتفاوت تكلفة احتجاز ثاني أكسيد الكربون وتخزينه تفاوتا كبيرا حسب نوع النبات وطريقة الإمساك والنقل، وبالنسبة لمصانع الفحم، تقدر التكاليف الإجمالية للقبض والنقل والتخزين بمبلغ يتراوح بين 40 و80 دولارا للطن الواحد من ثاني أكسيد الكربون، ويمكن أن تؤدي إعادة تجهيز منشأة قائمة إلى تكلفة مئات الملايين من الدولارات، وتكاليف التشغيل المتعلقة بصنع المذيبات والصيانة والرصد إلى إضافة نفقات مستمرة، دون وجود أسعار كربون قوية أو حوافز حكومية، مما يجعل هذه التكاليف الاقتصادية غير قابلة للتكا.

توافر الموقع وتقبله الجمهور

وليس لدى جميع المناطق جيولوجيا مناسبة لتخزين ثاني أكسيد الكربون، وفي حين أن القدرة العالمية واسعة النطاق، فإن تحديد المواقع المحلية والسماح لها يمكن أن يستغرق سنوات، كما أن المعارضة العامة لأنابيب ثاني أكسيد الكربون وآبار الحقن التي تستمدها مخاوف من التسرب أو التسبب في حدوث الزلازل - هي مشاريع متوقفة في بعض المناطق، فالرصد الدقيق والاتصال الشفاف أمران أساسيان لبناء الثقة.

الثغرات التنظيمية والسياساتية

وتتطلب مشاريع احتجاز ثاني أكسيد الكربون وتخزينه أطرا قانونية واضحة للمسؤولية الطويلة الأجل، والملكية الفضائية للمستنكفين، والتزامات للرصد، إذ تفتقر بلدان كثيرة إلى أنظمة شاملة بشأن احتجاز ثاني أكسيد الكربون، مما يخلق عدم يقين بالنسبة للمستثمرين، وبالإضافة إلى ذلك، فإن عدم اتساق أسعار الكربون يقلل من حالة الأعمال التجارية التي تُحتسب.

المشاريع العالمية لدائرة حفظ النظام في محطات توليد الطاقة الفحمية

سد باوندي 3 (سكار باور، كندا)

وكانت وحدة سد باوندي 3، التي أنشئت في عام 2014، أول مشروع عالمي واسع النطاق لدائرة حفظ ثاني أكسيد الكربون وتخزينه في محطة الفحم بعد احتراقه، حيث تستوعب حوالي مليون طن من ثاني أكسيد الكربون سنوياً (90 في المائة من انبعاثات الوحدة)، وتباع ثاني أكسيد الكربون المأخوذة من أجل شركة EOR في ميدان النفط في ويبورن، وقد أثبت المشروع الجدوى التقنية لدائرة احتجاز ثاني أكسيد الكربون، ولكنه واجه تجاوزات في التكاليف وتحديات تشغيلية، مما يوفر دروساً قيّمة للمشاريع المقبلة.

Petra Nova (NRG Energy, USA)

وكانت شركة البترا نوفا هي شركة لإعادة ضبط ثاني أكسيد الكربون وتخزينه بعد احتراقها في وحدة الفحم قرب هيوستن، تكساس، حيث كانت تستوعب حوالي 1.6 مليون طن من ثاني أكسيد الكربون سنوياً لشركة EOR، وهي أكبر مشروع من هذا القبيل في الولايات المتحدة، ونجحت في العمل من عام 2017 إلى أن تم سحبها في عام 2020 بسبب انخفاض أسعار النفط خلال وباء COVID-19، ثم أعيد تشغيلها في إطار الملكية الجديدة.

تركيبات أخرى ملحوظة

وهناك عدة مشاريع في الصين وأوروبا والشرق الأوسط في مراحل مختلفة من التنمية، وقد أظهرت محطة هواننغ بيجين الحرارية وحدة صيد صغيرة النطاق، بينما قامت محطة الطاقة الدراسية في المملكة المتحدة بتنفيذ الطاقة الأحيائية التجريبية على نطاق واسع مع دائرة حفظ الموارد الحية في كلاريون - كليبرتون، ويتتبع المعهد العالمي لدائرة خدمات المؤتمرات ما يزيد على ٣٠ مرفقا تجاريا في جميع أنحاء العالم، مع تركيز كثير منها على القطاعات الصناعية إلى جانب الطاقة.

السياسات والحوافز الاقتصادية التي تُجرى في مجال اعتماد اتفاقية حفظ المناخ

خصخصة الكربون والائتمانات

وفي الولايات القضائية التي لها تسعير قوي للكربون - مثل نظام الاتحاد الأوروبي لتجارة الانبعاثات ومشروع برنامج كاب وتجارة كاليفورنيا - سيكوس يمكن أن يحصل على بدلات أو ائتمانات تحسن قدرتها المالية، كما أن سعر الكربون البالغ ٥٠-١٠٠ دولار للطن يغير كثيرا تحليل التكاليف والفوائد.

الباب 45Q الائتمان الضريبي (الولايات المتحدة)

وينص قانون الإيرادات الداخلية للولايات المتحدة على اعتماد ضريبي لكل طن من ثاني أكسيد الكربون المأخوذة والمخزنة جيولوجياً (85 دولاراً للطن الواحد للتخزين، و60 دولاراً للطن الواحد لليوران بموجب قانون تخفيض التضخم لعام 2022)، مما أدى إلى موجة من إعلانات مشاريع احتجاز ثاني أكسيد الكربون وتخزينه عبر قطاعي الطاقة والصناعة، مما جعل الولايات المتحدة قائداً عالمياً في دعم السياسات المتعلقة باتفاقية حفظ ثاني أكسيد الكربون وتخزينه.

برامج المنح الحكومية والشهادات

وقد قامت الحكومات الوطنية بتمويل مشاريع إيضاحية في إطار برنامج حفظ الأمن المشترك من خلال برامج مثل مكتب الطاقة التابع لوزارة الطاقة في الولايات المتحدة وإدارة الطاقة الكهرمائية، وصندوق البنية التحتية للاحتجاز وتخزين الكربون في المملكة المتحدة، ومبادرات الصين للابتكار المنخفض الكربون، وتغطي هذه الأموال جزءا من تكاليف رأس المال وعمليات النشر الأولى من نوع واحد.

التوقعات والتطورات المستقبلية

خفض التكاليف من خلال الابتكار

وتهدف البحوث الجارية إلى تخفيض عقوبة الطاقة وتكلفة الإمساك بها، وتشمل التكنولوجيات الناشئة المذيبات المتقدمة )مثل الأمينات ذات الصبغة المائية، والنظم القائمة على الانزيمات(، والفصل بين الغبارات، والصيد المبرد، وحرق المواد الكيميائية، والهدف من وزارة الطاقة هو تخفيض تكاليف القبض بعد الاحتراق إلى ٣٠ دولارا للطن الواحد من ثاني أكسيد الكربون بحلول عام ٢٠٣٥، وذلك من المستويات الحالية إلى حوالي ٧٠ دولارا.

التكامل مع الطاقة الأحيائية

ويجمع بين التراكم الأحيائي للكتلة الأحيائية وبين احتجاز ثاني أكسيد الكربون وتخزينه، مما يؤدي إلى وجود خيار حاسم في انبعاثات ثاني أكسيد الكربون في إطار الناموسيات، وهو خيار يعوض القطاعات التي يصعب الوصول إليها، وهناك عدة محطات للفحم تستكشف الكتلة الأحيائية المشتركة وتستوعب مجموع ثاني أكسيد الكربون وتخزينه، مثل الدرامز في المملكة المتحدة، وبينما توجد شواغل تتعلق بالاستدامة فيما يتعلق بإمدادات الكتلة الأحيائية، فإن هذه المادة مدرجة في معظم مسارات الفريق الحكومي الدولي للحد من الاحترار العالمي إلى 1.5 درجة مئوية.

التشغيل المباشر للشحن الجوي وتخزينه

وفي حين أن تكنولوجيا الـ دي سي لا تتصل مباشرة بمصانع الفحم، فإنها تزيل ثاني أكسيد الكربون من الهواء المحيط وتخزنه، وعندما تُستخدم الطاقة النظيفة، فإنها يمكن أن تعوض الانبعاثات المتبقية من محطات الفحم أو مصادر أخرى، وقد قامت شركات مثل كليميب وهندسة الكربون ببناء وحدات تجارية، رغم أن التكاليف لا تزال مرتفعة )٢٠٠ دولار - ٦٠٠ دولار للطن الواحد(.

دور في الظلم المنزوع الكربون

ومع توسع المتجددات، يمكن أن تعمل محطات الفحم مع ثاني أكسيد الكربون وتخزينه على نحو أكثر مرونة عندما تكون الطاقة الشمسية والريح منخفضة، وتخفض الإنتاج أثناء توليد الطاقة المتجددة المرتفعة، ويجري اختبار هذا النموذج المرن لثاني أكسيد الكربون وتخزينه في سد باوندي وفي المشاريع التجريبية، غير أن القدرة التنافسية الطويلة الأجل ستتوقف على استمرار انخفاض التكاليف في مصادر الطاقة المتجددة وتخزين الطاقة، فضلا عن توافر أرصدة الكربون.

خاتمة

إن القدرة على إنتاج وتخزين الكربون ليست رصاصة فضية بالنسبة لانبعاثات محطات توليد الطاقة بالفحم، ولكنها عنصر ضروري من مسارات واقعية للانبعاثات العالمية الصافية للطاقة، وتثبت التكنولوجيا على نطاق واسع، ويمكن أن تستوعب 90 في المائة أو أكثر من ثاني أكسيد الكربون من الاحتراق الفحمي، وتسمح باستمرار استخدام الهياكل الأساسية القائمة أثناء انتقال الطاقة، وتدعم موثوقية الشبكة، ويمكن أن تنتج انبعاثات سلبية عند اقترانها بعقبات السياسة العامة.

External references:] For further reading, see the ] Global CCS Institute, the IEA report on CCUS, ]U.S. DOE Carbon Capture Program[FL