فمع تحديد البلدان لأهداف طموحة لخفض انبعاثات الكربون، فإن فهم مساهمة الغاز الطبيعي أمر أساسي بالنسبة لمقرري السياسات والمربين والطلاب على السواء، وفي حين أن الهدف النهائي هو شبكة ملغومة تماماً ومزودة بالرياح والطاقة الشمسية وغيرها من مصادر الطاقة المتجددة، فإن الغاز الطبيعي يوفر حالياً مرونة كبيرة وموثوقية وأقل الانبعاثات مقارنة بمصانع الطاقة والفحمة.

The Global Energy Transition and the Need for a bridge Fuel

وقد تعهدت كل دولة تقريبا بتخفيض انبعاثات غازات الدفيئة بموجب اتفاق باريس، حيث يستهدف الكثير من الانبعاثات الصافية الصفرية بحلول منتصف القرن، ويجب على مشغلي الطاقة المتجددة - العازل والريح والهدرائية والحرارية الأرضية أن يتوسعوا بسرعة، ولكنهم يقتربون من فترات متقطعة: فالشمس لا تشرق دائما، ولا تهب الرياح دائما، ويجب على مشغلي الأحجار أن يواضوا توازن العرض والطلب في الوقت الحقيقي ودون وجود قدر كاف من التخزين أو الجيل.

وتملأ محطات توليد الطاقة الغازية الطبيعية هذه الفجوة بكفاءة، ويمكنها أن تبدأ بسرعة، وترتفع إنتاجها أو تهبط في دقائق، وتعمل لساعات أو أيام حسب الحاجة، وهذه المرونة تجعل الغاز الطبيعي شريكا مثاليا للمتجددات، وتخفف التقلبات، وتضمن استقرار الشبكة، ونتيجة لذلك، تدمج بلدان كثيرة الغاز الطبيعي في استراتيجياتها الخاصة بالطاقة كوقود أحفوري منخفض الكربون يمكن أن يلبي الاحتياجات الفورية بينما تنمو تكنولوجيات الطاقة المتجددة والتخزين.

كيف تعمل نباتات الطاقة الغازية الطبيعية

وتولد محطات توليد الطاقة الغازية الطبيعية الكهرباء عن طريق حرق الغاز الطبيعي، والوقود الأحفوري الذي يتألف أساسا من الميثان، وتشمل أكثر التصميمات شيوعا التوربينات الغازية البسيطة والتركبينات الغازية المدمجة.

بسيطة - Cycle vs. Combined-Cycle

  • Simple-cycle plants] use a gas turbine similar to a jet motor, they burn natural gas toدوار a turbine connected to a birth and these units are less efficient (typically 30-42%) but can start rapidly, making them ideal for top demand and emergency support.
  • Compbined-cycle plants] capture waste heat from the gas turbine to produce steam that drives a second steam turbine. this formation pushes efficiency up to 60% or higher, extracting more electricity from the same amount of fuel. Combined-cycle plants are the backbone of modern natural gas generation, providing baseloadt power per me emissions per me.

موجز الانبعاثات

وعندما يحترق الغاز الطبيعي، فإن انبعاثات الغاز الطبيعي تقل عن ثاني أكسيد الكربون بنسبة 50 إلى 60 في المائة عن الفحم، وتقل بنسبة 25 إلى 30 في المائة عن النفط لكل وحدة من وحدات الطاقة المنتجة، كما أنها تنتج تقريباً أي ثاني أكسيد الكبريت، وتقل فيها أوكسيدات النيتروجين (NOx)، وتقل بدرجة كبيرة عن الجسيمات، غير أن الميثان - العنصر الرئيسي من الغاز الطبيعي - هو غاز حراري في حد ذاته، مع احتمال الاحترار العالمي بنسبة 28 إلى 36 مرة.

الغاز الطبيعي كشريك للمتجدّدات القابلة للتغير

فالنبات والشمس هما مصادر متغيرة للطاقة المتجددة، حيث يعتمد ناتجهما على الطقس والوقت، وليس على الطلب البشري، وللإبقاء على شبكة موثوقة، يحتاج المشغلون إلى موارد يمكن إرسالها يمكن أن تملأ خلال فترات توليد الطاقة المتجددة المنخفضة واستيعاب الطاقة الزائدة عندما تُنتج مصادر الطاقة المتجددة بصورة مفرطة، وتُنتج محطات الغاز الطبيعي في هذا الدور.

الموازنة بين الجريمتين والسرعان

ويمكن لمصانع الدراجات المدمجة أن تتحول من الحد الأدنى من الحمولة إلى طاقة كاملة في ٣٠-٦٠ دقيقة، ويمكن أن تنفجر التوربينات الغازية المبسطة في الفترة ١٠-١٥ دقيقة، كما أن بعض التصميمات المتقدمة تحقق استجابة أسرع، وهذه السرعة تتيح لمشغلي الشبكات التعويض عن الانقطاع المفاجئ في الناتج الشمسي بسبب الغطاء السحابي أو التلويث في الهواء، وعلى النقيض من ذلك، فإن محطات الفحم والنبات النووية بطيئة في التكيف ولا يمكن أن تدور اقتصاديا في كثير من الأحيان.

مقارنة مع تخزين الطاقة

وتزداد سرعة تكلفة تخزين البطاريات، ويمكن أن توفر مرونة سريعة ومرنة بعدم الانبعاثات، غير أن البطاريات ذات النطاق الصلاحي لا تزال محدودة المدة - من 2 إلى 4 ساعات - حيث يمكن لمصنع الغاز الطبيعي أن يدار لأيام.() وتلاحظ U.S. إدارة الطاقة أن توليد الغازات المولدة من الغازات يكمل التخزين عن طريق توفير قدرة شركة تعمل على توليد الطاقة.

مستلزمات محطات توليد الطاقة الغازية الطبيعية

  • Lower carbon emissions] than coal and oil, easing near-term climate goals.
  • Reliable, dispatchable power] that can run 24/7 when needed.
  • Fast start-up and ramping] to match renewable volatile.
  • Cost-effective:] Natural gas prices have been low historically, and combined-cycle plants offer some of the lowest levelized costs of electricity among fossil fuels.
  • Smaller physical footprint] per megawatt compared to coal or nuclear plants.
  • Comppatibility with future fuels:] Many modern gas turbines can burn hydrogen blends, offering a pathway to decarbonization.

التحديات والشواغل البيئية

Methane Leakage

(ي) تسربات الميثان عبر سلسلة إمدادات الغاز الطبيعي من الآبار إلى الأنابيب إلى محطات توليد الطاقة يمكن أن تلغي الفوائد المناخية من الغاز المحترق بدلاً من الفحم، دراسة عام 2018 نشرت في Science يقدر أن سلسلة إمداد الولايات المتحدة بالزيوت والغاز تسرب نحو 2.3 في المائة من الإنتاج الإجمالي، لأن الاكتشاف أسوأ من ذلك يجعل أي تسرب أكثر من حوالي 3 في المائة

استخدام المياه والتأثيرات المحلية

كما أن ندرة المياه يمكن أن تكون عائقاً في المناطق القاحلة، بالإضافة إلى أن الكسور الهيدروليكي المستخدم لاستخراج الغاز الطبيعي من تشكيلات الشلالات يثير القلق بشأن تلوث المياه الجوفية، والسيزم الناجم عن ذلك، والاضطرابات في الأراضي، ويجب إدارة هذه المسائل عن طريق تنظيم صارم وأفضل الممارسات.

الخطر

:: الاستثمار في الهياكل الأساسية الجديدة للغاز الطبيعي - مرافق التخزين، ومصانع الطاقة - المخاطر التي تحبس في استخدام الوقود الأحفوري لعقود، وإذا لم يتم معالجة تسرب الميثان معالجة كافية أو إذا لم يتم نشر الكربون، تصبح هذه الأصول محاصرة، وتشير نماذج المناخ إلى أنه لكي يحقق أهداف اتفاق باريس، يجب على العالم أن يقلل من استخدام الوقود الأحفوري بنسبة 50 في المائة بحلول عام 2030 وأن يزيله تقريبا بحلول عام 2050.

Carbon Capture and Storage (CCS)

ومن بين طرق خفض الانبعاثات من محطات الغاز الطبيعي تزويدها بتكنولوجيا احتجاز الكربون وتخزينه، حيث تلتقط هذه التكنولوجيا ثاني أكسيد الكربون من مجرى العادم، وتضغط عليه وتخزنه تحت الأرض في التكوينات الجيولوجية، وفي حين أن هذا الدور ممكن من الناحية التقنية، فإن ثاني أكسيد الكربون وتخزينه مكلف (تزيد بنسبة 30 إلى 50 في المائة على تكاليف الكهرباء)، وكثيفة الطاقة، وغير منشورة على نطاق واسع.

أطر السياسات والأهداف الوطنية

الولايات المتحدة

وقد شهدت الولايات المتحدة تحولاً هائلاً من الفحم إلى الغاز الطبيعي، مدفوعاً بازدهار الغاز الشايل ولوائح نوعية الهواء الأكثر صرامة، ففي عام 2023، وفر الغاز الطبيعي حوالي 40 في المائة من الكهرباء الأمريكية، بينما كانت مصادر الطاقة المتجددة توفر نحو 22 في المائة، وحددت إدارة بيدن هدفاً يتمثل في 100 في المائة من الكهرباء الخالية من الكربون بحلول عام 2035، وهذا الهدف ينطوي على انخفاض كبير في استخدام الغاز الطبيعي، ولكن الغاز الطبيعي سيستمر على الأرجح في العمل كمصدر ثابت من مصادر الطاقة الكهربائية في نيويورك.

الاتحاد الأوروبي

وتهدف مجموعة المواد من طراز " Fit for 55 " للاتحاد الأوروبي إلى خفض انبعاثات غازات الدفيئة بنسبة 55 في المائة بحلول عام 2030 مقارنة بمستويات عام 1990، مع صافي الزيادة بحلول عام 2050، ويؤدي الغاز الطبيعي دورا انتقاليا، ولكن الاتحاد الأوروبي يشجع على التحول إلى الغازات المتجددة (بيوميثان والهيدروجين الأخضر) ولم يعد مصرف الاستثمار الأوروبي يمول مشاريع جديدة للغاز الطبيعي ما لم تكن متوافقة مع مسار التخلص من الكربون.

الأمم المتحدة

وفي بلدان مثل الهند وإندونيسيا، يُنظر إلى الغاز الطبيعي باعتباره أداة حاسمة في الحد من الاعتماد على الفحم مع تحسين إمكانية الحصول على الطاقة، غير أن ارتفاع تكاليف الاستيراد والحاجة إلى وجود هياكل أساسية واسعة النطاق للخطوط الأنابيب تشكل حواجز، وقد قلص البنك الدولي ومؤسسات التمويل الإنمائي الأخرى من تمويل مشاريع الغاز الطبيعي لصالح الطاقة المتجددة، ولكن الغاز لا يزال يتلقى دعما كبيرا في بعض السياقات.

الابتكارات التكنولوجية التي تشكل المستقبل

Hydrogen Blending

ويمكن أن تحرق توربينات الغاز الحديث بأمان مزيجاً من الغاز الطبيعي والهيدروجين يصل إلى 30 في المائة من الهيدروجين دون إدخال تعديلات كبيرة، وبعض التوربينات الجديدة قادرة على الاحتراق بنسبة 100 في المائة من الهيدروجين، ويمكن أن يؤدي استخدام الهيدروجين المنتج من الكهرباء المتجددة (الهيدروجين الأخضر) إلى تحويل محطات الغاز الطبيعي إلى أصول صفرية الكربون، وتظل المشاريع الرائدة جارية في الولايات المتحدة وأوروبا واليابان، غير أن قضايا الإنتاج الأخضر من الهيدروجين باهظة.

تصميم سلحفاة الغاز المتقدم

ويقوم المصنعون مثل الجنرال كهرباء وسيمنز للطاقة، وشركة ميتسوبيشي بتطوير توربينات من الدرجة حاء تعمل في درجات حرارة وضغوط أعلى، مما يدفع كفاءة الدورة مجتمعة إلى ما يتجاوز 64 في المائة، ويعني ارتفاع الكفاءة أن الوقود يحرق كل ساعة من ساعات الغوث يقلل من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون وتكاليف الوقود.

التكوين الرقمي والتكامل بين المحاجرين

وتتيح تكنولوجيات الشبكة الذكية تنسيقا أكثر دقة بين محطات الغاز الطبيعي والمولدات المتجددة، كما أن تحليل البيانات في الوقت الحقيقي، والإرسال الآلي، والصيانة المتوقعة، تحسن أداء النباتات وتخفض وقت التعطل، وتتلقى بعض النباتات الآن إشارات كل 10 ثوان من مشغلي الشبكات، مما يتيح لها تعديل الناتج على الفور تقريبا.

دراسات الحالة: الغاز الطبيعي في العمل

كاليفورنيا: تخفيض الانبعاثات بغاز/هجين متجدد

وكالفورنيا لديها بعض أكثر الأهداف طموحاً في مجال الطاقة المتجددة في العالم - 60 في المائة من الكهرباء المتجددة بحلول عام 2030 و100 في المائة من الكربون بحلول عام 2045، وتعتمد الدولة اعتماداً كبيراً على الغاز الطبيعي في مجال موثوقية الشبكة، خاصة بعد إغلاق مصنع سان أونوفر النووي، وإغلاق عدد من محطات الغاز الساحلي تدريجياً، وفي عام 2020، كان الغاز الطبيعي يزود حوالي 37 في المائة من كهرباء كاليفورنيا، وذلك من 45 في عام 2015، كما استثمرت الدولة في تخزين الغازات ذات القممائية.

المملكة المتحدة: طريق صاف إلى منطقة الصفر

وقد خفضت المملكة المتحدة انبعاثاتها من قطاع الطاقة بأكثر من 60 في المائة منذ عام 1990، وذلك إلى حد كبير باستبدال الفحم بالغاز الطبيعي وتوسيع الطاقة الريحية، ففي عام 2023، كان الغاز الطبيعي يمثل نحو 35 في المائة من الكهرباء في المملكة المتحدة، ورياح 30 في المائة، والفحم بأقل من 1 في المائة، وقد التزمت حكومة المملكة المتحدة بنظام الطاقة المتدهورة بالكامل بحلول عام 2035، وهو ما سيتطلب إما إجراء تخفيضات كبيرة في استخدام الغازات أو احتجاز الكربون على نطاق واسع.

ألمانيا: "إنرجويندي" ومتطلبات الغاز

إن انتقال الطاقة في ألمانيا (إنرجويند) يهدف إلى التخلص التدريجي من الفحم بحلول عام 2038 (في وقت سابق تقريبا) و الأسلحة النووية بحلول عام 2022 (تم الانتهاء من الاستعداد) ونتيجة لذلك، تحولت ألمانيا إلى الغاز الطبيعي كجسر، وبناء محطات جديدة لتوليد الطاقة تعمل بالغاز الغازي لضمان أمن الإمدادات، وتخطط البلد أيضا لتحويل هذه النباتات إلى الهيدروجين بحلول عام 2040، وفي الأجل القصير، تقوم ألمانيا ببناء الغاز الطبيعي المختلط

خاتمة

وتشغل محطات توليد الطاقة الغازية الطبيعية دوراً معقداً ومتطوراً في التحول العالمي للطاقة، وهي توفر تخفيضات قابلة للقياس في الكربون مقارنة بالفحم وتوفر المرونة اللازمة لإدماج حصص عالية من الرياح والطاقة الشمسية، ومع ذلك فإنها تظل أصول الوقود الأحفوري ذات تسرب الميثان واستخدام المياه والانبعاثات الطويلة الأجل، وسيتطلب تحقيق أهداف وطنية للطاقة المتجددة استثماراً تدريجياً مستداماً في مصادر الطاقة المتجددة، وبدائل الطاقة، وتحسين الشبكات، وإدارة جانب الطلب.