محطات توليد الطاقة الغازية الطبيعية كحلول احتياطية لتقلبات الطاقة المتجددة

مقدمة: تحدي التدخل في مصادر الطاقة المتجددة

وتتسارع عملية الانتقال العالمي إلى مصادر الطاقة المتجددة، مثل الطاقة الريحية والطاقة الشمسية، إذ توفر هذه المصادر الوعد بالكهرباء المنخفضة الكربون، ولكنها تنطوي على تحد تشغيلي أساسي: التواؤم، ويتوقف الجيل الشمسي ليلاً ويسقط أثناء الغطاء السحابي، بينما يتفاوت ناتج الرياح مع تغير أنماط الطقس، وبدون آلية احتياطية موثوقة، فإن مشغلي الشبكات يخاطرون بعدم الاستقرار في التواتر، وفي أسوأ الحالات، ظهور محطات توليد الطاقة الغازية الطبيعية كحل سلس.

دور محطات توليد الطاقة الغازية الطبيعية في تحقيق الاستقرار في منطقة غريد

فمحطة توليد الطاقة التي تعمل بالغاز الطبيعي تستخدم كمواد توليد مرنة يمكن إرسالها بسرعة لتضاهي العرض والطلب، وخلافاً لمصانع الفحم أو النباتات النووية التي تصمم لتشغيل الحمولة الأساسية وتحتاج إلى ساعات لبدء أو تغيير الإنتاج، فإن محطات الغاز الطبيعي (وبخاصة تلك التي تستخدم الترابينات الغازية ذات الدراجة الواحدة أو العجلة) يمكن أن تستجيب في غضون دقائق، مما يجعلها مثالية للتعويض عن الانقطاع المفاجئ في توليد الطاقة المتجددة في توليد الطاقة المتجددة، مثلاً،

معدلات المرونة والأعيرة

والميزة التقنية الأولية لمساندة الغاز الطبيعي هي ارتفاع معدل الاندفاع في سرعة تشغيل المصانع أو تخفيض ناتجها من الطاقة، كما أن التربينات الحديثة الغازية يمكن أن تحقق معدلات تمزق تتراوح بين ٥ و٠١ في المائة من القدرة المقومة في الدقيقة، وتتجاوز كثيراً قدرات محطات الفحم أو النباتات النووية، وهذا الخصائص أساسي لتحقيق التوازن بين سرعة ثاني أكسيد الرياح والشمس.

المزايا التشغيلية والاقتصادية

تكاليف رأس المال المنخفض مقارنة بالبدائل

وبالإضافة إلى ذلك، فإن بناء محطة لتوليد الطاقة الغازية الطبيعية يتطلب عادة استثماراً أقل ارتفاعاً من بناء محطة للفحم أو مفاعل نووي أو تخزيناً كبيراً للبطارية، ويمكن تركيب محطة تربينية صغيرة للغاز تبلغ قيمتها نحو 700-900 دولار لكل كيلوت، بينما تتراوح مرافق التدوير مجتمعة بين 000 1 دولار و200 1 دولار لكل كيلوت، وعلى النقيض من ذلك، فإن نظم تخزين البطاريات تبلغ حالياً ما يتراوح بين 300 1 دولار و 000 2 دولار لكل كيلوات.

توافر الوقود والهياكل الأساسية

ومن ثم، فإن إدارة الغاز الطبيعي التي تجنيها من بنية أساسية عالمية متطورة جداً من خطوط الأنابيب، والمحطات الطرفية للتسيير، ومرافق التخزين، وفي مناطق مثل أمريكا الشمالية وأوروبا وأجزاء من آسيا، فإن شبكة خط أنابيب الغاز الحالية تسمح بإيصال الوقود بصورة موثوقة إلى محطات توليد الطاقة، وهذا يتناقض مع الديزل أو زيت الوقود الثقيل الذي كثيراً ما يتطلب نقلاً بالشاحنات أو بالسك الحديدية.

الكفاءة والمرونة التشغيلية

وهذه النباتات الحديثة الغازية الطبيعية المدمجة تحقق الكفاءة الحرارية البالغة 60 في المائة أو أعلى، مما يعني أنها تحول حصة أكبر من الطاقة الوقودية إلى الكهرباء من محطات الفحم (تراوح بين 33 و40 في المائة) وهذا الارتفاع في الكفاءة يقلل من استهلاك الوقود وما يرتبط به من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون لكل ساعة من ساعات العمل المتوسطة، وبالإضافة إلى ذلك، يمكن لمصانع الغاز الطبيعي أن تعمل بكفاءة حتى عندما تكون تعمل في إطار سيناريو مشترك من حيث الحمولة الجزئية عندما تستخدم لتقويم متغيرات الغاز المتجددة.

Environmental Considerations and Emissions Profile

كثافة الكربون المنخفضة من الفحم أو النفط

وعندما يستخدم الغاز الطبيعي كوقود احتياطي، فإن الغاز الطبيعي يتكون من نحو 50 إلى 60 في المائة أقل من ثاني أكسيد الكربون لكل وحدة من الكهرباء المولدة عن الفحم، كما ينتج ثاني أكسيد الكبريت غير ذي قيمة، ويقل كثيرا من انبعاثات الجسيمات، مما يجعل الغاز الطبيعي وقودا " عاليا " يمكن أن يدعم إزالة الكربون بينما تتسع طاقة الطاقة المتجددة، بيد أنه من المهم ملاحظة أن الغاز الطبيعي لا يزال وقودا أحفوريا، وأن انبعاثاته من مادة التراكم في دورة الحياة تشمل تسرب ثاني أكسيد الكربون.

كابينة الكربون وتخزينه

ومن أجل زيادة التخفيف من الانبعاثات الناجمة عن محطات توليد الطاقة الغازية الطبيعية، يجري تطوير تكنولوجيات احتجاز الكربون واستخدامه وتخزينه، وهناك عدة مشاريع تجريبية وتجارية جارية، مثل مشروع " بتيرا نوفا " في تكساس ومشروع سد باوندي في كندا، وإن كانت هذه المشاريع تركز أساسا على الفحم، أما بالنسبة للشبكة الطبيعية، فإن تكلفة احتجاز ثاني أكسيد الكربون من تدفقات العادم، هي عموماً أعلى من تكلفة الضبط التراكمي لغاز.

التأثيرات على نوعية الهواء المحلي

وتنتج محطات توليد الطاقة الغازية الطبيعية أقل من ملوثات الهواء المحلية من الفحم أو الديزل، غير أنها لا تزال تبعث على أكسيد النيتروجين، وفي بعض الحالات، تكون كميات الأثر من ثاني أكسيد الكربون والمركبات العضوية المتقلبة، ويمكن أن تسهم هذه الانبعاثات في تشكيل الأوزون على المستوى الأرضي وفي القضايا المتأصلة في المجتمعات المحيطة، وكثيرا ما تستخدم التربينات الحديثة لأجهزة حرق منخفضة النيتروز ونظما لإزالة الإجهاد.

التكامل مع تخزين الطاقة والنظم الهجينة

أوجه التآزر بين الغاز الطبيعي وتخزين البطاريات

وفي حين أن محطات الغاز الطبيعي وحدها يمكن أن توفر الدعم، فإن الجمع بينها وبين نظم تخزين الطاقة بالبطارية يخلق حلا أكثر قدرة وكفاءة، ويمكن أن تستجيب البطاريات لتقلبات الطاقة في الثانية المليمونة، مما يجعلها مثالية لتنظيم الطاقة على نحو متكرر وتوازنها في الأجل القصير، ويمكن لمصانع الغاز الطبيعي أن تعالج بعد ذلك نظاما احتياطيا أطول من حيث التوزيع )ساعة( عندما تستنفد القدرة على التخزين، وهذا الترتيب الهجين يقلل من الحاجة إلى استخدام محطات الغازات في دورة.

Renewable Natural Gas and Power —to-Gas

وهناك مجال آخر لتخفيض كمية الكربون من احتياطي الغاز الطبيعي هو استخدام الغاز الطبيعي المتجدد الذي يستمد من مدافن القمامة أو مزارع الألبان أو محطات معالجة مياه الصرف الصحي، حيث أن هذه الطاقة الكهربائية المولدة هي مادة متطابقة تماماً مع الغاز الطبيعي ويمكن أن تُحقن في خطوط الأنابيب الحالية، مما يتيح لمصانع الطاقة المشتعلة بالغاز أن تُشغل بالوقود الأقل كربوناً، وفي بعض المناطق، يُعهد بشبكة RNG إلى كتوجينات الغازية.

التحديات والحدود

الاعتماد على البنية التحتية للوقود الأحفوري

وبالإضافة إلى ذلك، فإن دعم الغاز الطبيعي يظل يعتمد على إمدادات الوقود المستمرة، ففي أثناء الأحداث الجوية البالغة الشدة مثل عاصفة تكساس الشتوية لعام 2021 أو إعصار هارفي في عام 2017، يمكن تعطيل إمدادات الغاز الطبيعي بسبب التجميد الجيد، أو إخفاقات الأنابيب، أو فقدان الطاقة الكهربائية للمستهلكين، وتبرز هذه الأحداث ضعف الاعتماد على البنية التحتية للوقود الأحفوري فقط من أجل القدرة على مواجهة الشبكات.

Economic Viability as Renewable Penetration Increases

ومع ازدياد توليد الطاقة الكهربائية والكهربائية، فإن ساعات تشغيل محطات الغاز الاحتياطية تتناقص، مما يقلل من الإيرادات التي تجنيها من مبيعات الطاقة، مما يجعل من الصعب استرداد التكاليف الثابتة، وفي كثير من أسواق الكهرباء، تعوض محطات الغاز بصورة رئيسية عن طريق أسواق الطاقة، ولكن مع انخفاض عوامل القدرة، قد تتطلب مدفوعات القدرة أو عقودا للإرسال ذات مقومات الاستمرار ماليا، وقد أدخلت بعض الولايات القضائية " أسواقا قابلة للتكرار " تدفع مولدات للوجود في نهاية المطاف، بغض النظر عما إذا كانت هناك حلول هامة لتصميم السوقي.

العقبات التنظيمية والتأثيرية

ومن ثم فإن بناء محطات جديدة لتوليد الطاقة الغازية الطبيعية يواجه معارضة متزايدة من المجتمعات المحلية والمجموعات البيئية المعنية بتغير المناخ والتلوث المحلي، وفي ولايات مثل كاليفورنيا ونيويورك وماساتشوستس، قام منظمو المشاريع بوضع سياسات تثبط توليد الغازات الجديدة أو تتطلب ضوابط صارمة للانبعاثات، وقد تستغرق عمليات الإقراض سنوات، كما أن بعض النباتات المقترحة قد ألغيت بسبب الضغط العام، وعلى العكس من ذلك، كثيرا ما يسمح لمصانع الغاز القائمة بمواصلة العمل بموجب شروط جدية.

التوقعات المستقبلية والاتجاهات الناشئة

التحسينات التكنولوجية: الكفاءة وفوائد المرونة

ولا تزال شركات تصنيع الصواريخ تدفع حدود الكفاءة والمرونة التشغيلية، إذ أن التوربينات المتقدمة (مثلاً، السلاسل الاحتياطية للجيل الرابع من نوع جي أو درجة سيمينس العالية) يمكن أن تحقق معاً من الكفاءة في دورة الغازات العالية الجودة فوق 64 في المائة، مما يقلل من تكاليف الوقود والانبعاثات لكل ميغاواط، ويمكن لهذه التربينات أن تؤدي أيضاً ضوابط سريعة على مستوى الصيانة الكاملة في فترة زمنية أقصاها 10 دقائق.

الهجينة مع المتجددات والخزن

ويسمح الاتجاه نحو محطات توليد الطاقة الهجينة - حيث يتواجد توليد الغاز في مواقع مشتركة مع توليد الطاقة المتجددة وتخزين البطاريات - بالتعجيل بذلك، ويمكن أن تُرسل هذه " مركبات توليد الطاقة الكهربائية " كمورد واحد يوصل الكهرباء إلى الشبكة، ويُستخدم فيها مثلاً مزرعة الطاقة الشمسية التي تبلغ مساحتها ٢٠٠ ميلاً، مع محطة الغاز المتجهة نحو ١٠٠ ميلي ووتر، وبطارية تبلغ ٥٠ ميغاواطاً، يمكن أن توفرها في شكل الطاقة الكهربائية في نفس الوقت الذي تحقق فيه أهداف خفض انبعاثات الكربون.

سائقو السياسات وثورة الأسواق

وتؤثر السياسات الحكومية بقوة على نشر دعم الغاز الطبيعي، ففي الاتحاد الأوروبي، يهدف " ال الهيدروجين وحزمة سوق الغاز المسببة للكربون " المقترحة إلى خفض انبعاثات الميثان وتعزيز الغازات المتجددة والخفيضة الانبعاثات، وفي الولايات المتحدة، يتضمن قانون الحد من الانبعاثات الغازية الائتمانات الضريبية لشركة كلوروغواتي، وموثوقية الطاقة النظيفة، التي يمكن أن تزيد من قدرة البلدان على التخلص من الغازات المتطورة أو الغازات الخفية.

خاتمة

فمحطة توليد الطاقة الغازية الطبيعية تؤدي دوراً انتقالياً بالغ الأهمية في شبكات الكهرباء تعتمد بشكل متزايد على مصادر الطاقة المتجددة المتغيرة، إذ أن مزيجها الفريد من القدرة على البدء السريع، وارتفاع معدلات الانطلاق، وفعالية التكلفة، والهياكل الأساسية الراسخة يجعلها الخيار الغالب لتوليد الطاقة الاحتياطية في العديد من المناطق، إلا أن هذا الدور يأتي بمبادلات دقيقة في مجال البيئة، بما في ذلك انبعاثات غازات الدفيئة والتسرب المي، التي يجب معالجتها من خلال الابتكارات التكنولوجية، والتحكم في الوزن، والتكامل مع التخزين والمتجدد.

For further reading, refer to the U.S. Energy Information Administration’s overview of natural gas, the International Energy Agency’s analysis of natural gas in power systems, and the National Renewable Energy Laboratory’s research