مقدمة: الطاقة

ولا يزال توليد الكهرباء الموثوق به يشكل حجر الزاوية في الاقتصادات الحديثة، حيث إن الطلب العالمي على الطاقة ينمو - ومع تزايد الضغط على خفض انبعاثات غازات الدفيئة - فإن اختيار تكنولوجيا الجيل ينطوي على آثار عميقة، إذ أن الفحم والغاز الطبيعي والنباتات النووية توفر معا أغلبية الكهرباء في العالم، ولكنها تختلف اختلافا ملحوظا في الكفاءة والانبعاثات والتركيب البيئي والخصائص التشغيلية، وهذه المادة توفر مقارنة مفصلة ومحركة للبيانات لهذه التكنولوجيات الثلاثة لإعلام صناعات التخطيط للطاقة.

الكفاءة: الأداء الحراري واستخدام الوقود

ويحدّ الكفاءة في محطة توليد الطاقة من جزء من الطاقة التي تحوّل إلى طاقة كهربائية، ويعني ارتفاع الكفاءة زيادة الكهرباء من نفس كمية الوقود، والحد من تكاليف الوقود، والانبعاثات في الوحدات الواحدة.

الغاز الطبيعي المجمّع

وتستخدم محطات الغاز الطبيعي الحديثة تشكيلة مدمجة: تربين الغاز يحرق الغاز الطبيعي لتوليد الكهرباء، وتنتج غازات العادم الساخنة البخار الذي يحرك تربين البخار، وهذه العملية التي تبلغ حدا أقصى من الكفاءة الحرارية إلى [(FLT:0)]48-62 في المائة ، مع أحدث أطر عالية الكفاءة في استخدام الدراجات.

النباتات المفلورة بالفحم

(ب) أن تكون محطات الفحم التقليدية التي تعمل على دورة البخار الرنكينية، وتصل النباتات دون الحرجة إلى كفاءة [(FLT:0]33-37٪ )؛ وتدفع التصميمات الفائقة الأهمية والفوقية - الحرجة إلى 40-45٪ .

محطات الطاقة النووية

كما تستخدم المفاعلات النووية دورة بخار رانكين، ولكن درجات حرارة التشغيل والضغوط مقيدة بممتلكات تصفيق الوقود والمبردات، إذ أن مفاعلات المياه الخفيفة - التي تهيمن على التكنولوجيا - الكفاءة الحرارية لـ 32-36٪ .

Summary:] Natural gas combined‐cycle plants are roughly 50% more efficient than the average coal or nuclear plant. This efficiency advantage directly translates into lower fuel consumption and reduced CO2 emissions per unit of electricity.

موجز الانبعاثات: الملوثات الجوية وغازات الدفيئة

أكسيد الكربون (CO2)

وتكاد تنبعث غازات طبيعية من حوالي 400-500 غرام من ثاني أكسيد الكربون/كيلوواط (الدراجة المشتركة)، بينما تنتج إمبراطوريات الفحم 900-1100 ميكروغرام/كيلوواط - عامل متجدد من عوامل توليد الطاقة النووية صفر من ثاني أكسيد الكربون أثناء العملية، وإن كانت تضيف دورة حياة للبناء

Sulfur Dioxide (SO2), Nitrogen Oxides (NOx), and Particulates

(ب) إن استخراج الفحم يحتوي على الكبريت والزئبق والرماد وغيرها من الاحتمالات، وحتى مع المحارق الحديثة والتخفيض الحافز الانتقائي، فإن محطات الفحم تُحدث الاصطناعي (Sstrong) و(SO2) و(strong ⁇ ) يمكن أن تُسرب كميات كبيرة من الغازات التي تخضع للرقابة (بمعدلات تتراوح بين 10 و20 مرة في كل ميغاواط مقارنة بالغاز الطبيعي، كما أن الغاز الطبيعي لا يُقدر على الإطلاق من الكبريت (P2) وينتج

النفايات المشعة والنفايات الخطرة

إنتاج الطاقة النووية للوقود المستهلك والنفايات المشعة العالية المستوى التي يجب عزلها لعشرات الآلاف من السنوات، وبينما يكون الحجم صغيرا (حوالي 20 طنا متريا لكل مفاعل في السنة)، لا يزال التخلص الطويل الأجل غير مسوَّق في العديد من البلدان، ولا يُطلق الاحتراق الفحم عناصر مشعة (اليورانيوم، والثوريوم) في رماد الطي؛ وعلى أساس كل ميغاواط، فإن الرماد الفحمي يحتوي فعلا على [النفايات الصاعدة]

الزئبق والمعادن الثقيلة

الفحم مصدر رئيسي لانبعاثات الزئبق البشرية المنشأ، فالغاز الطبيعي يحتوي على الزئبق غير ذي القيمة الدهون، والنباتات النووية لا تُدخل المعادن أثناء التشغيل.

الاعتبارات البيئية والمتعلقة بالسلامة

استخدام المياه

وتحتاج محطات توليد الطاقة الحرارية إلى مياه تبريد، إذ تستهلك محطات الغاز الطبيعي المجمّعة نحو 0.4 إلى 0.6 م3/متر/ساعة (من خلال) أو 0.2 إلى 0.3 م3/متر/متر (تبريد مقفل) وتستهلك محطات الفحم 0.5 إلى 2 متر/م3/ميغاواط، ويعود ذلك إلى حد كبير إلى تحلل غاز المداخن المفلط.

Land Footprint

وتحتاج محطات الفحم إلى ساحات كبيرة من الفحم ومجسات الرماد؛ وتحتاج النباتات النووية إلى مناطق استبعاد (نحو 0.5 إلى 2 كيلومتراً مربعاً) وتعاني محطات الغاز الطبيعي من أصغر بصمة من مخلفات الحرب، حيث يتم تسليم الوقود بواسطة خط أنابيب ولا يلزم تخزينه في الموقع خارج خزانات الطوارئ الصغيرة، وعلى مدى 50 عاماً، تتجاوز مساحة الأراضي التي تزعجها تعدين الفحم (مناجم سطحية) إلى حد كبير مساحة من قطع الغاز الطبيعي، رغم هدرها.

سجلات السلامة

ومن جراء الوفيات الناجمة عن الغاز النووي والطبيعي، فإن أدنى معدلات الوفيات (0.04 إلى 0.09 الوفيات/الساعة) عند إدراج الحوادث وتلوث الهواء، وتشمل أسباب الفحم )(20)-30 الوفيات/TWh) الناجمة عن حوادث التعدين، وأمراض الرئة السوداء، والتلوث الجسيمي الغرامي، والحوادث النووية الرئيسية التي تنجم عنها مخاطر كبيرة (ال، ومركبات الأساسية المباشرة المميتة).

العوامل الاقتصادية: رأس المال والوقود وتكاليف الكهرباء المخفضة

التكاليف الرأسمالية

وتعاني محطات الغاز الطبيعي المجمّعة من تكاليف رأس المال بين عشية وضحاها )حوالي ٠٠٧-١٠٠/كيلوواط( وفترة التشييد القصيرة )٢-٣ سنوات( وتكلف محطات الفحم ٠٠٠ ٢-٠٠٠ ٤ دولار/كيلوواط وتستغرق ٤-٨ سنوات لبناءها؛ وقد ارتفعت التكاليف بسبب ضوابط أشد صرامة للانبعاثات، وتعاني النباتات النووية من كثافة رأسمالية: ٠٠٠ ٦-٠٠٠ ١٢ دولار/كيلو من أجل البناء الغربي الأخير )أرقام التصميم المتقدمة، والتصميمات المتطورة، والتصميمات، والفولية، والمفاعلة، والمزيدة(.

تكاليف الوقود

وقود الغاز الطبيعي هو عامل رئيسي في التكاليف والتقلبات، وقد تراوحت أسعار الغاز في الولايات المتحدة من ٢ إلى ٦/٢ في المائة من دولارات الولايات المتحدة، وأسعار الفحم أكثر استقرارا، ولكنها آخذة في الارتفاع في بعض المناطق بسبب النضوب وتكاليف النقل، وتدني تكاليف الوقود النووي )حوالي ٥,٠ في المائة من ٠,٥ في المائة/كيلوواط( واستقرارا، حيث أن اليورانيوم متنوع جغرافيا وصغير الحجم.

التكلفة المنخفضة للكهرباء

ووفقا لتوقعات إدارة المعلومات المتعلقة بالطاقة في الولايات المتحدة لعام ٢٠٢٣، فإن دورة الغاز الطبيعي مجتمعة بها دراجة LCOE تبلغ ٣٥-٥٠ دولارا/ميغاواط )بمعدل الغاز(؛ والفحم هو ٧٠-١٢٠/ميغاه )بما في ذلك مراقبة التلوث(؛ والنووية هي ١٠٠-١٦٠ مليون دولار )البناء الجديد(، والنباتات النووية القائمة، التي تستهلك بالكامل، تنتج الطاقة الرجعية ب ٢٥-٣٥ دولارا/ساعة/ساعة-٥٥٥ دولارا من اليوم(.

التكامل بين الأزواج والمرونة التشغيلية

ويمكن لمصانع الغاز الطبيعي أن تنفجر وتهبط بسرعة )١٠ دقائق من بداية التبريد لدورة بسيطة، ٢٠-٣٠ دقيقة للدراجة المشتركة(، مما يجعلها مثالية لموازنة المتغيرات المتجددة مثل الرياح والطاقة الشمسية، كما أن محطات الفحم أبطأ )ساعات لبدء التشغيل من البرد( وكثيرا ما تعمل كعبء أساسي، وأفضل النباتات النووية هي التي تعمل على تحقيق أكبر قدر من الكفاءة في استخدام الوقود؛ والتحول في الميزات العالية الكفاءة هو ممكن )بعض من تكاليف المفاعلات الفرنسية يوميا(.

المستقبل: الانتقال والتكنولوجيات المتقدمة

الغاز الطبيعي مع كابينة الكربون

ويمكن لاستخلاص الكربون وتخزينه بعد الاحتراق أن يقلل انبعاثات ثاني أكسيد الكربون من محطات الغاز بنسبة 90 في المائة، ولكن بتكلفة قدرها 60-100/طن ثاني أكسيد الكربون المأخوذة وعقوبة الكفاءة البالغة 8-12 نقطة مئوية، والغاز الطبيعي مع ثاني أكسيد الكربون وتخزينه هو تكنولوجيا جسر، ولكن نشره يتوقف على البنية التحتية للخطوط الجوية ومواقع التخزين وولايات السياسة العامة.

المفاعلات النووية المتقدمة

وتعود المفاعلات النموذجية الصغيرة بتدني تكاليف رأس المال، وخصائص السلامة المتأصلة، وإمكانات حرارة العمليات، ويجري استعراض تنظيمي للعديد من التصميمات، ويمكن للنجاح أن يجعل الأسلحة النووية مكملة ثابتة منخفضة الكربون للمتجددات، ولكن من غير المحتمل أن تكون متاحة تجاريا قبل عام 2030.

خيارات الإنقاذ وإعادة الاستخدام

وهناك بلدان كثيرة تتقاعد من محطات الفحم في وقت مبكر أو تعيد تشغيلها من أجل الغاز الطبيعي، أو تكديس الكتلة الإحيائية، أو تخزين الطاقة الحرارية، ويمكن إعادة تجهيز محطات الفحم الموجودة بمغليات متقدمة من فوق الصوتيات أو دمجها في نظام احتجاز ثاني أكسيد الكربون، ولكن الاقتصادات تفضل إغلاق النباتات على الاستثمار الرئيسي.

الاستنتاج: الموازنة بين التجارة - الجوانب

وتوفر محطات توليد الطاقة الغازية الطبيعية ميزة واضحة في الكفاءة وانخفاض الانبعاثات الجوية مقارنة بالفحم، مما يجعلها بديلا فعالاً قريباً من أجل الفحم في مناطق كثيرة، ولا تزال الطاقة النووية مصدراً من مصادر الطاقة العاملة الصفرية ذات القدرة على تحميلها الأساسية الموثوقة، ولكنها تواجه تكاليف عالية في البداية وقضايا إدارة النفايات التي لم تحل، ولا توجد تكنولوجيا واحدة هي رصاصة فضية؛ وحافظة متنوعة تشمل الغاز الطبيعي، والنووية، والمتجددة، وتخزين مدعومة بسياسات محددة الأهداف ومسار الكربون.

For detailed data on U.S. power plant emissions and costs, see the U.S. Energy Information Administration and ]EPA Greenhouse Gas Equivalencies Calculator. International comparisons are available from the IEF World Energylook[