Table of Contents
وتشكل محطات توليد الطاقة الغازية الطبيعية حجر الزاوية في نظم الكهرباء الحديثة، وتوفر المرونة والموثوقية والكفاءة اللازمة لدعم الحمولة الأساسية والمطالبات ذات الذروة، حيث تسعى الدول إلى تحقيق التوازن بين أمن الطاقة والأهداف البيئية، فإن الغاز الطبيعي يشكل جسرا حاسما بين أنواع الوقود الأحفوري التقليدية ومستقبلا تسيطر عليه مصادر الطاقة المتجددة، وتدرس هذه المادة كيف تسهم محطات الغاز الطبيعي في أمن الطاقة وموثوقيتها، والتكنولوجيا التي خلف عملياتها، وآثارها الاقتصادية والبيئية، ودورها المتطور في الطاقة.
ما هي نباتات الطاقة الغازية الطبيعية؟
وتولد محطات توليد الطاقة الغازية الطبيعية الكهرباء عن طريق حرق الغاز الطبيعي لإنتاج غازات ساخنة تؤدي مباشرة إلى تربين الغاز، أو باستخدام الحرارة لتوليد البخار الذي يقود تربين البخار، وهناك تشكيلتان أوليتان هما توربينات الغاز ذات الدراجة البسيطة ووحدات الدراجة المشتركة.
مركبة من طراز Gas Turbines
وتعمل محطات التدوير المبسطة مثل محرك طائرة على الأرض: خلائط الهواء المضغوطة بالغاز الطبيعي، والأغنات، والعادم الآخذ في الاتساع، وتدور توربين متصل بمولد كهربائي، ويمكن لهذه الوحدات أن تبدأ من البرد في أقل من 10 دقائق وتصل إلى الطاقة الكاملة بسرعة، مما يجعلها مثالية لفترات الطلب القصوى أو الدعم في حالات الطوارئ، غير أنها أقل كفاءة من محطات الدراجة المشتركة، التي تحول عادة 30 إلى 40 في المائة من الطاقة الوقود إلى الكهرباء.
مركبة من طراز Gas Turbines (CCGT)
وتحقق محطات الدورة المجمّعة زيادة كبيرة في الكفاءة إلى 60 في المائة عن طريق معالجة حرارة العادم من توربين الغاز في مولد البخار المائي، واستخدامه لإنتاج البخار الذي يحرك توربين ثانوي، ويستخرج هذا النهج المزدوج الدراجة طاقة أكبر من نفس الوقود، ويخفض تكاليف الوقود، وثاني أكسيد الكربون من الانبعاثات لكل ميغاواط، ويستخدم باستمرار في عمليات تحميل المركبات في فترات الأساس.
الجيل المشترك (الهدنة المشتركة والطاقة)
وفي الأوساط الصناعية، يمكن لمصانع الغاز الطبيعي أن تعمل في إطار الجيل المشترك (الحرارة المشتركة والطاقة، أو الميثان) باستخدام حرارة النفايات في عمليات التدفئة أو العمليات الصناعية، ويمكن لهذا النهج أن يحقق أوجه الكفاءة الحرارية الشاملة التي تبلغ 80 في المائة أو أكثر، مما يزيد من تعزيز الفوائد الاقتصادية والبيئية التي تعود على قوة الغاز الطبيعي.
المساهمات في أمن الطاقة
ويعني أمن الطاقة وجود إمدادات للطاقة تكون موثوقة وميسورة التكلفة وميسورة الوصول إليها وتكون قادرة على التعطل، وتقوي محطات توليد الطاقة الغازية الطبيعية أمن الطاقة بطرق رئيسية عديدة.
تنويع مصادر الطاقة
فبإضافة الغاز الطبيعي إلى مزيج الطاقة، تخفض البلدان اعتمادها على الفحم الواحد أو النووي أو النفطي أو على مناطق محددة من مناطق الإمداد، وهذا التنويع يقاوم تقلب الأسعار، وتوقف سلسلة الإمداد، والمخاطر الجيوسياسية، مثلاً خلال أزمة الطاقة التي حدثت في عام 2022، أصبحت البلدان التي لديها طرق مختلفة لتوريد الغاز ومرافق تخزين أفضل قدرة على صدمات الإمداد بالطقس.
الإنتاج المحلي والحد من الواردات
ولدى العديد من الدول، بما فيها الولايات المتحدة وكندا والمملكة المتحدة وأستراليا، موارد وفرة من الغاز الطبيعي المحلي، وقد أدت تطورات الغاز الشاليع، على وجه الخصوص، إلى تحويل تدفقات تجارة الطاقة، وعندما يتم إنتاج الغاز الطبيعي محليا، فإنه يقلل من الاعتماد على النفط أو الفحم المستوردة، ويعزز استقلال الطاقة ويحتفظ بدولارات الطاقة في الاقتصاد المحلي، وتفيد إدارة المعلومات المتعلقة بالطاقة في الولايات المتحدة بأن الغاز الطبيعي المحلي يلبي الآن نحو 35 في المائة من توليد الكهرباء في الولايات المتحدة.
الاحتياطيات الاستراتيجية والمخزون
ويمكن تخزين الغاز الطبيعي في كهوف تحت الأرض، أو في خزانات مستنفدة، أو محطات الغاز الطبيعي المسيلة، وهذه الاحتياطيات الاستراتيجية تعمل كعازف أثناء الظواهر الجوية القصوى، أو انقطاع الأنابيب، أو ارتفاع الطلب، فعلى سبيل المثال، تحتفظ الولايات المتحدة بقدرة تخزين لأكثر من 3 تريليونات قدما مكعبة من الغاز، وتوفر وسادة حرجة لتدفئة الشتاء وتوليد الطاقة.
مسارات الإمدادات العكسية والهياكل الأساسية لشبكة المعلومات المحلية
ويتيح نمو محطات التصدير والواردات التابعة لشبكة لايند غين التجارة العالمية بالغاز الطبيعي، مما يقلل من الاعتماد على خطوط الأنابيب الوحيدة، ويمكن للبلدان أن تستمد من موردين متعددين، وزيادة مرونة العرض، وتزيد من قدرة محطات طرفية لشبكة لايندز، ومرافق جديدة للسيارات، مما يجعل الغاز الطبيعي سلعة أكثر متعة وأمنا.
تعزيز موثوقية القوة
وتتطلب موثوقية الظلم أن يضاهي العرض من الكهرباء الطلب في الوقت الحقيقي، حتى في ظل ظروف تقلب، وأن تكون محطات توليد الطاقة الغازية الطبيعية مناسبة بشكل فريد لتقديم هذه الخدمات.
سرعة الرماغ والقابلية للانتشار
وعلى عكس النباتات النباتية للفحم أو النووية التي قد تستغرق ساعات لبدء أو تغيير الناتج، يمكن أن تتحول التوربينات الغازية من الصفر إلى الحمولة الكاملة في غضون دقائق، مما يجعلها هذه القدرة على الإرسال التكنولوجيا المفضلة لتحقيق التوازن بين مصادر الطاقة المتجددة المتقطعة مثل الرياح والشمس، وعندما تحجب قطرات الرياح أو الغيوم الشمس، يمكن لمصانع الغاز أن تسد الفجوة على الفور تقريبا، مما يحول دون حدوث انحرافات في الترددات وحالات انقطاع الكهرباء.
تنظيم التردد والخدمات الإضافية
ويعتمد مشغلو المظالم على موارد سريعة المفعول للحفاظ على التردد في إطار تسامحات شديدة (مثلاً 50 أو 60 هرتز) ويمكن لمصانع الغاز الطبيعي أن توفر استجابة أولية للتواتر عن طريق تعديل الناتج في ثوان، كما أنها توفر الدعم بالفولط وقدرات الطاقة التفاعلية، وهي قدرات أساسية لعمليات شبكة AC.
القدرة على البدء الأسود
وبعض محطات الغاز الطبيعي مجهزة بقدرات البداية السوداء - القدرة على إعادة التشغيل بدون إمدادات خارجية من الطاقة، وهذا أمر حاسم لاستعادة الشبكة بعد انقطاع كامل عن العمل، وبالاقتران مع محطات توليد الطاقة الكهرمائية، كثيرا ما تكون الوحدات التي تطلق الغازات هي الأولى التي يعاد تنشيطها أثناء خطط إصلاح النظام.
عمليات الشحن والتعبئة
ويمكن لمصانع الدراجات المشتركة أن تعمل كوحدات للحمولة الأساسية، حيث تعمل بعوامل عالية القدرة لشهور في وقت واحد، بينما لا تعمل أجهزة الذروة ذات الدراجة البسيطة إلا خلال فترات عالية الطلب، وتتيح هذه المرونة لمخططي الشبكات التوفيق بين جيل وآخر من سيناريوهات الطلب، بدءا من عصر الربيع المتواضع إلى مرحلة الشتاء المريرة الباردة.
تخفيض معدلات الإجازات الجبرية
وتتمتع محطات الغاز الطبيعي عموماً بموثوقية عالية وبمعدلات منخفضة للإكراه على الخروج من الوحدات الغذائية القديمة، وقد أثبتت التربينات الحديثة لتوافر الغازات ارتفاعاً يزيد على 95 في المائة، ويمكن الحفاظ عليها خلال فترات انقطاع مقررة دون انقطاع طويل، كما أن تصميمها النموذجي يمكّن مشغلي الأسطول من تناوب الوحدات للصيانة دون فقدان القدرة على الجيل بأكمله.
التكامل مع تخزين الطاقة
وعندما تقترن محطات الغاز الطبيعي بتخزين البطاريات، يمكن أن تقلل استهلاك الوقود خلال فترات الذروة القصيرة الأجل، ويمكن للمصنع أن يشحن البطاريات عندما يكون الطلب منخفضاً وأن يتخلص منها عند ارتفاع الطلب، باستخدام الغاز فقط لتلبية الاحتياجات الطويلة الأجل، وهذا النهج الهجين يحسن كفاءة النظام وموثوقيته عموماً.
المنافع البيئية والاقتصادية
وكثيرا ما يُسمى الغاز الطبيعي " أنظف أنواع الوقود الأحفوري " لأنه يُنتج حوالي نصف ثاني أكسيد الكربون من الفحم وثلث أكسيد النيتروجين الأقل من أي أكسيد جزيئات لكل وحدة من وحدات الطاقة، غير أن المحاسبة الكاملة يجب أن تشمل تسرب الميثان أثناء استخراجه ونقله، وتوضح الأقسام الفرعية التالية الفوائد والتحديات على السواء.
انبعاثات غازات الدفيئة الدنيا
وكان توليد الفحم المستخرج بالغاز الطبيعي من أكثر الاستراتيجيات فعالية لخفض انبعاثات ثاني أكسيد الكربون في قطاع الطاقة، وفي الولايات المتحدة، ساهم التحول من الفحم إلى الغاز في انخفاض بنسبة 14 في المائة في ثاني أكسيد الكربون في قطاع الكهرباء بين عامي 2005 و2018، وفقاً للوكالة الدولية للطاقة، حيث أن محطات الدورة المجمّعة تُظهر معدلات نموذجية لثاني أكسيد الكربون في دورة الحياة تقل عن 500 غرام/كيلوواط، مقارنة بما يزيد على 000 1 دولار للفحم.
خفض الملوثات الجوية المحلية
ولا ينتج الاحتراق الغازي الطبيعي تقريباً أي غاز ثاني أكسيد الكربون أو الزئبق الصغير جداً، مما يقلل من المطر الحمضي، والثدي، والمخاطر الصحية التنفسية، ويحقق توربينات الغاز الجديدة المجهزة بمحرقات منخفضة جداً انبعاثات أكسيد النيتروز بأقل من 5 ملليمترات، وهي أقل بكثير من الحدود التنظيمية.
المزايا الاقتصادية
أما محطات الغاز الطبيعي فهي غير مكلفة نسبياً لبناءها، ولا سيما أجهزة ذروة الدورة البسيطة، ويمكن بناؤها في الفترة من 18 إلى 24 شهراً مقارنة بالفترة من 5 إلى 10 سنوات بالنسبة إلى المياه النووية أو الكبيرة، وتدني تكاليف الوقود في المناطق التي توجد فيها إمدادات وفرة من الغاز، مما يسهم في انخفاض أسعار الكهرباء للمستهلكين، وبالإضافة إلى ذلك، تخلق محطات الغاز فرص عمل في مجالات التشييد والتشغيل والصيانة وسلاسل الإمداد بالوقود.
(ب) قابلية التشغيل المرنة والوفورات في تكاليف الخضر
ونظراً إلى أن محطات الغاز الطبيعي يمكنها الاستجابة بسرعة لتغيرات الطلب، فإنها تقلل من الحاجة إلى احتياطيات غزيرة باهظة التكلفة ويمكن أن تقلل من تكاليف تشغيل النظام عموماً، وتبرز دراسة أجرتها شركة أمريكا الشمالية للاعتماد على الكهرباء أن توليد الغازات أصبح الأداة الرئيسية لإدارة تقلب الحمولة الصافية في العديد من الشبكات الإقليمية.
النظر في مسألة الجرعة الميثان ودورة الحياة
والميثان، العنصر الرئيسي من الغاز الطبيعي، هو غاز الدفيئة القوي الذي ينطوي على احتمال الاحترار القصير الأجل مرات عديدة من ثاني أكسيد الكربون، وإذا تجاوزت تسربات الميثان في أعلى المجرى نحو 3 في المائة من أحجام الإنتاج، فإن انبعاثات الغاز الطبيعي في دورة الحياة يمكن أن تتنافس أو تتجاوز الفحم، وقد أحرزت الصناعة تقدما في الكشف عن انبعاثات الميثان وخفضها من خلال رصد السواتل، وتحسين ختم الصمامات، وبرامج الكشف عن التسرب.
استهلاك المياه
أما محطات توليد الطاقة الغازية الطبيعية، ولا سيما وحدات الدراجات المشتركة، فتستخدم كميات أقل بكثير من المياه لكل ميغاواط من الفحم أو النباتات النووية، ويمكن أن تعمل التوربينات الغازية المحتوية على الترسبات الهوائية بأقل استهلاك من المياه، مما يجعلها مناسبة لمناطق نسر المياه، غير أن بعض نظم التبريد لا تزال بحاجة إلى المياه، ويجب أن ينظر الجلوس في توافر المياه المحلية.
المستقبل: الدور المتطور للغاز الطبيعي
ويتحول مشهد الطاقة إلى إزالة الكربون، ولكن الغاز الطبيعي لا يختفي في أي وقت قريب، غير أن دوره يتغير، ومن المرجح أن تعمل محطات الغاز الطبيعي في المستقبل على نحو أقل تواترا وأكثر مرونة، وتكون مكملة للمتجددات بدلا من مجموعة العمل التي تشكل عبئا أساسيا.
Hydrogen Blending and Low-Carbon Fuels
ويمكن أن تحرق توربينات الغاز مزيجاً من الغاز الطبيعي والهيدروجين، مما يقلل انبعاثات ثاني أكسيد الكربون بشكل متناسب، وتقوم صناعات مثل جي وسيمينز وشركة ميتسوبيشي بتطوير توربينات قادرة على معالجة ما يصل إلى 100 في المائة من الهيدروجين، وقد أظهرت بعض المرافق بالفعل وجود الهيدروجين المختلط في محطات توليد الطاقة، وفي الأجل الطويل، يمكن أن تتيح الهيدروجين الأخضر الذي ينتج عن استخدام الطاقة المتجددة تشغيلها.
Carbon Capture, Utilization, and Storage (CCUS)
ويمكن أن تؤدي إعادة تجهيز محطات الغاز الطبيعي التي تستخدم نظماً لالتقاط الكربون بعد الاحتراق إلى خفض انبعاثات ثاني أكسيد الكربون بنسبة 90 في المائة أو أكثر، وهناك عدة مشاريع، مثل مشروع بترا نوفا في تكساس (ال الفحم الأصلي، الذي يطبق الآن على الغاز) ومحطة التجارب على الطاقة الكهربائية، تقوم باختبار ثاني أكسيد الكربون وتخزينه على نطاق واسع، وتتناقص التكاليف، وتحسن الحوافز الضريبية مثل الولايات المتحدة رقم 45Q الائتمانية حالة الأعمال التجارية.
إقامة توازن في النظم العالية التجديد
ومع تزايد حصة المتغيرات المتجددة، تحتاج مشغلات الشبكات إلى دعم سريع وموثوق به، ومن المرجح أن تؤدي محطات الغاز الطبيعي هذا الدور المتوازن إلى أن ينضج تخزين الطاقة على نطاق واسع والاستجابة للطلب، كما أن بعض المناطق ترى بالفعل محطات الغاز تعمل بعوامل قدرة تقل عن 20 في المائة، وتعمل كأعمدة محض، وقدرتها على الدورة اليومية أو حتى مرات متعددة في اليوم أمر حاسم لدمج مستويات عالية من الرياح والطاقة الشمسية.
إعادة تشغيل الهياكل الأساسية القائمة
ويمكن إعادة استخدام خطوط أنابيب الغاز الطبيعي الموجودة، ومحطات الغاز المسيل للدواء، ومرافق التخزين لنقل وتخزين الهيدروجين أو الميثان الاصطناعي، مما يقلل من تكلفة انتقال الطاقة عن طريق تعبئة بلايين الدولارات في البنية التحتية المغرقة، وتقوم بلدان كثيرة باستكشاف خطوط أنابيب برمجيات الهيدروجين وكهوف تخزين.
سائقو السياسات والتنظيم
وتقوم الحكومات بتنفيذ معايير تسعير الكربون والطاقة النظيفة، وأنظمة الميثان الصارمة التي ستشكل مستقبل الغاز الطبيعي، وفي الاتحاد الأوروبي، تشمل لائحة التحصين الغاز الطبيعي كمصدر للطاقة الانتقالية إذا استوفت عتبات وخططا محددة للانبعاثات للحد من تسرب الميثان، وفي الولايات المتحدة، يوفر قانون خفض التضخم إعانات لإنتاج ثاني أكسيد الكربون وتخزينه والهيدروجين، الذي يمكن أن يفيد مشغلي محطات الغاز.
التحديات التي تواجه مواصلة نشر القوات
وعلى الرغم من مزايا الغاز الطبيعي، فإنه يواجه ريحاً من حيث المخاطر التي تتعرض لها الأصول المتقطعة مع تعجيل عملية إزالة الكربون، ومعارضة المجموعات البيئية المعنية بالميثان وثاني أكسيد الكربون الطويل الأجل، والتنافس على البطاريات السريعة الانخفاض والتكاليف المتجددة، ويطالب المستثمرون على نحو متزايد باستراتيجيات مناقضة للمناخ، ويجب على المرافق أن تخطط بعناية لإضافة محطات الغاز، بما يكفل لها مسار انتقالي موثوق به، أو أن تتقاعد في وقت مبكر دون ضرر مالي.
خاتمة
إن محطات الطاقة الغازية الطبيعية لا غنى عنها للحفاظ على أمن الطاقة وموثوقية الشبكة في نظام الطاقة العالمي الحالي، وقدرتها السريعة على التمزق، وانخفاض الانبعاثات مقارنة بالفحم، والفوائد الاقتصادية تجعلها خيارا عمليا لكل من الحمولة الأساسية والعمل المرن، ومع انتقال العالم نحو انبعاثات الغاز الصافي، فإن الغاز الطبيعي سيعمل كعمل انتقالي لتقوية الوقود، ويوفر خدمات الشبكات الأساسية، ويقلل من تكنولوجيات الطاقة المنخفضة الكربون مثل الهيدروجين وضبط الكربون.
المراجع الخارجية: ]