Table of Contents
The Strategic Role of Natural Gas in the Global Energy Mix
وتزود محطات توليد الطاقة الغازية الطبيعية حاليا بحوالي ربع توليد الكهرباء على الصعيد العالمي، مما يجعلها ثاني أكبر مصدر للكهرباء بعد الفحم في مناطق كثيرة، وقد سمحت مرونتها التشغيلية لها بالارتداد والهبوط بسرعة، مما يجعلها مكملة طبيعية لمصادر الطاقة المتجددة المتغيرة مثل الرياح والطاقة الشمسية، وخلافا لمصانع شبكات الفحم التي تتطلب ساعات لتعديل الإنتاج، فإن التوربينات الحديثة للغاز المشترك يمكن أن تتحول من الحد الأدنى من الحمولة إلى طاقة كاملة في أقل من 30 دقيقة.
وقد استندت الحجة البيئية المتعلقة بالغاز الطبيعي تاريخيا إلى انخفاض كثافة الكربون، وعندما تم احتراقها في محطة حديثة مشتركة للدورات، فإن الغاز الطبيعي يُنتج نحو 350 إلى 400 كيلوغرام من ثاني أكسيد الكربون لكل ساعة من ساعات العمل، مقارنة بـ 800 إلى 900 كيلوغرام من الفحم، وقد أدى هذا الانخفاض البالغ نحو 55 في المائة في ثاني أكسيد الكربون لكل وحدة من وحدات الكهرباء إلى اعتماد الغاز الطبيعي كوقود انتقالي يمكن أن ينشره.
ومع ذلك، فإن الرياضيات المناخية حول الغاز الطبيعي أكثر تعقيداً من مجرد مقارنة بسيطة للفحم، فالغاز الطبيعي هو في المقام الأول الميثان الذي ينطوي على احتمال الاحترار العالمي أكبر بنحو 80 مرة من ثاني أكسيد الكربون خلال فترة 20 عاماً، وقد يؤدي تسرب الميثان على امتداد سلسلة الإمداد من البئر إلى تركيزات حروق محطات توليد الطاقة إلى تقويض أو حتى القضاء على المنافع المناخية الناجمة عن التحول من الفحم، وقد وجدت الدراسات التي أجريت على مستويات تسرب أسوأ من حيث الزمن في بعض المناطق المنتجة.
The Emissions Profile of a Natural Gas Power Plant
وتنتج محطة تداول الغاز الطبيعي التقليدي ثلاث فئات من الانبعاثات يجب معالجتها من أجل التشغيل الصفري الانبعاثات، وهي ثاني أكسيد الكربون، التي تتألف من نحو 7-8 في المائة من مجرى العادم في مصنع نموذجي، وتشمل الفئة الثانية ملوثات معايير مثل أكسيد النيتروجين وأكسيد الكبريت، التي تسهم في التموين والأمطار الحمضية ولكنها تخضع بالفعل للرقابة من خلال التخفيض الناقص من حيث التأثير البيئي وغير المكتمل.
وتتطلب عملية عدم الانبعاث إزالة جميع الفئات الثلاث في وقت واحد، ويجب أن يتم احتجاز ثاني أكسيد الكربون قبل الإفراج، ويجب أن يُدار الاحتراق لإنتاج نكسة صفرية أو شبه صفرية، ويجب تخفيض زلزال الميثان إلى مستويات لا تذكر، وتعالج التكنولوجيات الناشئة هذه الاحتياجات من زوايا مختلفة، مع تركيز البعض على احتجاز ثاني أكسيد الكربون بعد الاحتراق، وعلى الآخرين الذين يعيدون تصور عملية الاحتراق نفسها.
تكنولوجيا كابينة الكربون وتخزينها
بعد الاحتراق
ويشتمل احتجاز الكربون بعد الاحتراق على فصل ثاني أكسيد الكربون عن مجرى العادم بعد حرق الغاز الطبيعي، ويستخدم النهج الأكثر نضجاً المذيبات الكيميائية، والمركبات التي تستخدم عادة كمين والتي تستوعب بصورة انتقائية ثاني أكسيد الكربون من غاز المداخن، ثم يسخن المذيب لإطلاق مجرى تركيزي ثاني أكسيد الكربون يمكن الضغط عليه ونقله للتخزين أو الاستخدام، وقد أظهرت عدة مشاريع تجارية في كندا أن هناك كميات كبيرة من الغاز الطبيعي.
والتحدي الرئيسي في عملية الضبط بعد الاحتراق هو عقوبة الطاقة، والحرارة اللازمة لتجديد المذيبات تقلل من ناتج الكهرباء الصافي للمصنع بنسبة تتراوح بين 8 و 12 في المائة تقريبا، وتضيف المعدات الإضافية تكلفة رأسمالية كبيرة، كما أن الغاز المنخفض الكساد من محطات الغاز الطبيعي يحتوي أيضا على ما يتراوح بين 4 و 5 في المائة من ثاني أكسيد الكربون، وهو ما يقل عن 12 إلى 15 في المائة من الغاز المتدفق بالجملة، مما يعني أن كميات أكبر من الغازات يجب أن تكون مجهزة.
كابستس قبل الاحتراق وعمومة ألام
ويتبع التقاط ما قبل الاحتراق نهجا مختلفا بتحويل الغاز الطبيعي إلى مزيج من الهيدروجين وثاني أكسيد الكربون قبل الاحتراق، ثم فصل ثاني أكسيد الكربون وإحراق الهيدروجين فقط، ويعاد إصلاح الغاز الطبيعي باستخدام البخار لإنتاج الغاز التوليفي، الذي يخضع لرد فعل انتقالي من غازات الماء لزيادة تركيز الهيدروجين، ثم يتم احتجاز ثاني أكسيد الكربون باستخدام المذيبات الفيزيائية أو تركيبات الغازات الوسيطة، مما يترك مجرىا مركبا مائيا.
وتمثل دورة سداسي الألام خروجاً جذرياً عن الاحتراق التقليدي، ويستخدم هذا النظام الغاز الطبيعي الذي يستهلك الأوكسجين ويصل إلى الأكسجين النقي تقريباً بدلاً من الهواء ويعمل بثاني أكسيد الكربون الفوقية كسوائل عمل بدلاً من البخار، ويتكون تدفق العادم كلياً تقريباً من ثاني أكسيد الكربون والماء، مع فصل كميات ثاني أكسيد الكربون بسهولة، وضغطها على الطور.
Hydrogen as a Zero-Carbon Fuel Pathway
Hydrogen Combustion in Gas Turbines
(ب) إن حرق الهيدروجين بدلاً من الغاز الطبيعي يزيل انبعاثات ثاني أكسيد الكربون عند نقطة الاحتراق، شريطة أن تنتج الهيدروجين نفسه عن طريق أساليب منخفضة الكربون، ويمكن تعديل التوربينات الغازية الحديثة المصممة للغاز الطبيعي لمعالجة مزيجات الوقود الهيدروجينية، كما استحدث عدد من الصانعين توربينات معدلها 100 في المائة من عمليات الهيدروجين، وتشمل التحديات إدارة سرعة اللهب العالية ودرجات الحرارة التي يمكن أن تزيد من تكوين المواد التي تتعرض لها نوكس، وكذلك
كما تختلف ديناميات الحرق اختلافا كبيرا مع الهيدروجين، فسرعة اللهب العالية ونطاق قابلية الاحتراق الأوسع نطاقا من الهيدروجين يتطلبان إدخال تعديلات على تصميم المحرق لمنع ظهور الوميضات في مكان تتدفق فيه النيران إلى أعلى مصباح الوقود، وقد لا تعمل نظم الاحتراق ذات النزوات المنخفضة التي تستهدف الغاز الطبيعي بفعالية في كسور الهيدروجين العالية.
Green, Blue, and Turquoise Hydrogen Production
ويتوقف أثر انبعاثات الاحتراق الهيدروجيني اعتماداً كاملاً على كيفية إنتاج الهيدروجين، وتنتج الهيدروجين الأخضر عن طريق التحلل الكهربائي باستخدام الكهرباء المتجددة، مما يؤدي إلى عدم انبعاثات في جميع مراحل سلسلة القيمة، وتنتج الهيدروجين الأزرق من الغاز الطبيعي عن طريق إصلاح غاز البخار أو إصلاحه الحراري الآلي باستخدام الكربون، مما ينتج عنه انبعاثات من الهيدروجين بنسبة تتراوح بين 60 و85 في المائة من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون من الاحتراق المباشر للغاز الطبيعي.
الاقتصاد الحالي يفضل بشدة الهيدروجين الأزرق الذي يمكن إنتاجه بحوالي 2 إلى 3 دولارات لكل كيلوغرام مقابل 5 إلى 8 دولارات لكل كيلوغرام من الهيدروجين الأخضر، ومع ذلك، فإن انخفاض تكاليف الكهرباء المتجددة وتحسين كفاءة الكمبيوتر الكهربائي يضيقان بسرعة هذه الفجوة، وقد حدد برنامج الطلق الهيدروجيني التابع لوزارة الطاقة هدفاً قدره 1 دولار لكل كيلوغرام من الهيدروجين النظيف خلال عقد من الزمن، مما سيجعل الهيدروجين منافساً
الانتقال من البنية التحتية
وتشمل الاستراتيجية العملية القريبة من الأجل دمج الهيدروجين في خطوط أنابيب الغاز الطبيعي القائمة ونظم الاحتراق بتركيزات متزايدة تدريجياً، وتشير معظم الدراسات إلى أن المزجات تصل إلى 20 في المائة من الهيدروجين بالحجم تتطلب إجراء تعديلات طفيفة على خطوط الأنابيب والأختام ومعدات المستعمل النهائي، ويتيح هذا النهج البدء في خفض الانبعاثات فوراً في حين أن شبكات إنتاج الهيدروجين قد ارتفعت وتكرس البنية التحتية.
هاء - الدمج المستجد والتكنولوجيات على مستوى المنظومة
Solid Oxide Fuel Cells Integrated with Gas Turbines
وتحوّل خلايا وقود أكسيد السود الغاز الطبيعي أو الهيدروجين مباشرة إلى الكهرباء من خلال ردود فعل الكهرمائية بدلاً من الاحتراق، وتحقيق الكفاءة الكهربائية فوق 60 في المائة - وهو أعلى بكثير من 40 إلى 45 في المائة من التربينات الغازية البسيطة، وعندما يدمج مع توربين الغاز في تشكيلة هجينة، تعمل خلية الوقود عند درجة حرارة عالية والضغط، وتولد الحرارة والاضطرابات غير الصحيحة().
وقد تأكدت عدة مشاريع إيضاحية من هذا المفهوم على نطاق الميغاوات، وتواجه التكنولوجيا تحديات تتعلق بمدى قابلية الزنزانات للدواج، والتدوير الحراري، والتكلفة، ولكن شركات التصنيع التي لديها إنتاج كميات، يمكن أن تحقق نظم توربين الغازات الغازية المتكاملة للوقود التكافؤ بين التكاليف ومصانع الدورة التقليدية بحلول أواخر عام 2020، مع تمكينها من الانبعاثات شبه الصفرية.
Chemical Looping Combustion
ويعرض الاحتراق الكيميائي نهجاً آخر يفصل في جوهره ثاني أكسيد الكربون أثناء عملية الاحتراق، ويستخدم النظام ناقلاً من أكسيد المعادن يعمم بين مفاعلين، وفي مفاعل الوقود، يُطلق ثاني أكسيد المعادن الأكسجين لتغليف الغاز الطبيعي، وإنتاج ثاني أكسيد الكربون وبوابة المياه، ثم يعاد أكسيد المعادن المخفض إلى مفاعل هوائي لا يعاد فيه تكبيره بالهيدروجين.
وقد أظهرت الاختبارات المختبرية والتجربة التجريبية وجود حلقة كيميائية مع مجموعة متنوعة من المواد التي تحمل أجهزة نقل الأوكسجين، بما في ذلك الحديد والنحاس وأكسيد النيكل، وتشمل التحديات التقنية الحفاظ على السلامة الميكانيكية لجسيمات حاملي الأكسجين على مدى آلاف الدورات، وتوسيع نظم المفاعلات من الحجم التجريبي إلى الحجم التجاري، وتستهدف برامج البحوث في أوروبا وآسيا عمليات على نطاق تجريبي خلال السنوات الخمس القادمة.
الإطار الاقتصادي والسياساتي لمصانع الغازات التي لا تدخل في الانبعاثات
اعتبارات التكاليف الرأسمالية والتشغيلية
وتختلف اقتصاديات إعادة تجهيز محطات الغاز الطبيعي القائمة في عملية عدم الانبعاثات اختلافا كبيرا عن طريق التكنولوجيا، ويضيف احتجاز الكربون بعد الاحتراق ما يقدر بـ 60 دولارا إلى 90 دولارا لكل ساعة من ساعات الميغاوات إلى التكلفة المخفضة للكهرباء من محطة للدراجات المشتركة، وفقا لما ذكرته الوكالة الدولية للطاقة، وتحتاج دورة التعبئة والتهوية حاليا إلى مصنع جديد للغازات الكهربائية يزيد عن تكلفة تشغيله بمقدار 40 دولارا.
أما الائتمانات الضريبية وآليات تسعير الكربون فهي ضرورية لسد الفجوة في التكاليف، إذ أن الائتمان الضريبي في الولايات المتحدة، الذي يوفر 85 دولاراً لكل طن متري من ثاني أكسيد الكربون المخزن بصورة دائمة في التكوينات الجيولوجية، يمكن أن يعوض جزءاً كبيراً من تكلفة التقاط الغازات، ويفيد نظام الاتحاد الأوروبي لتكافؤ أسعار الانبعاثات، مع تقلب أسعار الكربون في حدود 60 دولاراً إلى 100 دولار للطن المتر المركب في السنوات الأخيرة، مما يؤدي إلى تحسين نسبي في أسعار الغازات الاقتصادية.
المتطلبات التنظيمية والهيكل الأساسي
ويتوقف انتشار محطات الغاز التي تعمل بالطاقة الصفرية على التطوير الموازي للهياكل الأساسية للنقل والتخزين في ثاني أكسيد الكربون، إذ تبلغ مساحتها نحو 000 5 ميل من خطوط أنابيب ثاني أكسيد الكربون، وهي تعمل أساسا على تعزيز عمليات استرداد النفط، ولكن يلزم إنشاء شبكة وطنية للنقل من ثاني أكسيد الكربون تبلغ 000 50 إلى 000 100 ميل لدعم عملية الضبط الكبيرة، وتقوم عدة ولايات، منها إلينوي وإنديانا وشمال داكوتا، بوضع أطر تنظيمية لخطوط خط الأنا المكسيد الكربون وملكية للحيز.
وتطرح الهياكل الأساسية للهيدروجين تحديات مماثلة، إذ يجب بناء خطوط أنابيب الهيدروجين المخصومة، وكهوف التخزين، ومعدات المستعملين النهائيين لدعم محطات تعمل على الهيدروجين النقي، وقد حددت مبادرة " هايدروجين باكبون " الأوروبية خطة لبناء 000 40 كيلومتر من أنابيب الهيدروجين بحلول عام 2040، تربط مراكز الإنتاج بنقاط الطلب بما في ذلك محطات توليد الطاقة، وفي الولايات المتحدة، اختارت إدارة البنية التحتية للطاقة سبعة محطات إقليمية للتمويل النظيف.
The Path Forward: Integrating Technologies for a Decarbonized Grid
ولا يمكن لأي تكنولوجيا واحدة أن تحول محطات توليد الطاقة الغازية الطبيعية إلى مرافق خالية من الانبعاثات بمفردها، ويشتمل السيناريو الأكثر احتمالا على حافظة من الحلول التي يتم نشرها وفقا للظروف الإقليمية وخصائص النباتات، ومن المرجح أن تعاد معالجة النباتات الموجودة بالقرب من مستودعات تخزين ثاني أكسيد الكربون المناسبة بنظم احتجاز الوقود بعد الاحتراق، وأن تصمم محطات جديدة تُبنى في المناطق التي تُنشئ فيها بنية أساسية هيدروجينية لتسرب الهيدروجين من البداية، ويمكن أن تعمل جميعها على فترة انتقال من الغاز الطبيعي.
الجدول الزمني للتسويق متسارع، السيناريوهات التي وضعتها الوكالة الدولية للطاقة الصفرية بحلول عام 2050 تشير إلى أن معظم محطات الطاقة الجديدة التي تعمل بالغاز تأتي على الإنترنت بعد عام 2030 مصممة لتكون مركب الكربون جاهزاً أو قابلة للهيدروجين، وبحلول عام 2040، يتطلب السيناريو أن يكون كل ما تبقى من توليد الغازات مجهزاً باحتراق الكربون، ويعمل على الهيدروجين المنخفض الكربون، أو كلاهما.
وهذه الفرصة هامة، إذ تمثل محطات توليد الطاقة الغازية الطبيعية استثماراً كبيراً قائماً في القدرة على توليد الطاقة الموثوقة، وإذا أمكن تطهير هذه الأصول من الكربون بدلاً من التقاعد في وقت مبكر، فإن تكلفة الانتقال إلى الطاقة تنخفض بدرجة كبيرة، وتحافظ على موثوقية الكهرباء بينما تستمر القدرة على التوسع، فالتكنولوجيات الناشئة، من المذيبات المتقدمة والثبات الكيميائية إلى خلايا الوقود العالية التمر، ودورات ثاني أكسيد الكربون المفرطة، تجعل من الممكن بالفعل تحقيق هذا الارتداد المؤسسي.
وسيظل الغاز الطبيعي جزءا من نظام الكهرباء لعقود، ولكن الشكل الذي يتطلبه سيتغير، وسيتحمل محطة الطاقة التي تطلق الغازات في عام 2040 تشابها ضئيلا مع محطات اليوم، ومن المرجح أن تلتقط ثاني أكسيد الكربون أو الهيدروجين المحترق، وتتحقق من انبعاثات صافية صفرية أو حتى صافية، إذا ما اقترن ذلك بالكتلة الأحيائية في التشكيلات الهجينية، وسيعمل في تنسيق أضيق مع الشظايا المتجددة، مما يوفر قدرة ثابتة عند الشمس.