محطة توليد الطاقة بالوقود الأحفوري

(تم التحويل من Coal-fired power station)
وحدة فحم في روشتر، مينيسوتا.
محطة سانت كلير للطاقة، محطة عملاقة لتوليد الطاقة بالفحم في مشيگن.
مصارد الكهرباء في الولايات المتحدة عام 2009[1]

محطات توليد الطاقة بالوقود الأحفوري Fossil-fuel power station، بها آلات دوار لتحويل الطاقة الحرارية الناتجة عن الاحتراق إلى طاقة ميكانيكية، والتي تقوم بتشغيل المولدات الكهربائية. المحرك الرئيسي قد يكون توربين بخاري، توربين الغاز أو، محطات صغيرة، محرك احتراق داخلي متردد. جميع المحطات تستخدم الطاقة المستخدمة من الغاز - البخار أو غازات الاحتراق المتصاعدة. أعداد قليلة جداً المحركات الهيدروديناميكة المغناطيسية والتي تم بناؤها تقوم مباشرة بتحويل الطاقة الناتج من الغاز الساخن المتحرك إلى كهرباء.

النواتج الثانوية من تشغيل محطة الطاقة الحرارية يجب وضعها في الحسبان أثناء التصميم والتشغيل. الطاقة الحرارية المهدرة، والتي تظل نظراً لكفاءتها المحدودة في دورات طاقة كارنو، رانكين، أو الديزل، تنبعث مباشرة إلى الغلاف الجوي، مباشرة إلى مياه الأنهار أو البحيرات تستخدم كوسط تبريد. غاز الوقود الناتج من احتراق الوقود الأحفوري ينطلق إلى الهواء. هذا الغاز يحتوي على ثاني أكسيد الكربون وبخار الماء، بالإضافة إلى مواد أخرى مثل ثاني أكسيد النيتروجين (NOxأكاسيد الكبريت (SOxالزئبق، آثار لمعادن أخرى، وبالنسبة لمحطات توليد الطاقة باستخدام الفحم، الرماد المتطاير. الرماد الصلب الناتج من مراجل الفحم يجب التخلص منها أيضاً. بعض رماد الفحم يمكن إعادة تدويره ليدخل في صناعة مواد البناء.[2]

محطات توليد الطاقة بالوقود الأحفوري تعتبر بواعث رئيسية لثاني أكسيد الكربون، الغازات الدفيئة والتي بإجماع آراء المنظمات العلمية هي مساهم في الإحترار العالمي كما لوحظ على مدار أكثر من 100 عام مضت. لكل وحدة طاقة كهربائية، ينبعث من الفحم البني حوالي ثلاث أضعاف ثاني أكسيد الكربون الموجود في الغاز الطبيعي، ينبعث من الفحم الأسود حوالي ضعفي كمية ثاني أكسيد الكربون.[بحاجة لمصدر] عزل وتخزين الكربون من الانبعاثات ليس من المتوقع أن يصبح متاحاً لإجبار كبار الأنظمة الحكومية الملوثة للبيئة على التقليل أو القضاء على إنبعاثات ثاني أكسيد الكربون.[بحاجة لمصدر]

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

مفاهيم أساسية

في محطات توليد الطاقة بالوقود الأحفوري الطاقة الكيميائية المختزنة في الوقود الأحفوري مثل الفحم، النفط، الغز الطبيعي أو سجيل الزيت والأكسجين الموجود في الهواء تتحول تباعاً إلى طاقة حرارية، طاقة ميكانيكية، وأخيراً، طاقة كهربائية. كل محطة لتوليد الطاقة بالوقود الأحفوري هي مجمع، نظام مصمم بشكل خاص. تكاليف الانشاء، اعتبارا من 2004، 1.300 دولار لكل كيلو واط، أو 650 مليون دولار لكل 500 مـِگاواط[بحاجة لمصدر]. قد يتم بناء وحدات توليد متعددة في موقع واحد لاستفاد بأقصى استخدام للأرض، الموارد الطبيعية والأيدي العاملة. معظم محطات الطاقة الحرارية في العالم تستخدم الوقود الأحفوري، يفوقها عدداً محطات الطاقة النووية، الأرضية الحرارية، الكتلة الحيوية، أو الشمسية.


تحويل الحرارة إلى طاقة ميكانيكية

قانون الديناميكا الحرارية الثاني ينص على أن أي دورة ذات حلقة مغلقة يمكنها أن تحول فقط جزء من الحرارة التي تنتج أثناء الاحتراق إلى عمل ميكانيكي. الحرارة المتبقية، تسمى الحرارة المهدرة، والتي يجب أن تنطلق إلى بيئة أكثر برودة أثناء مرحلة العودة في الدورة. جزء الحرارة المنطلق إلى بيئة أبرد يجب أن يساوي أو يكون أكبر من نسبة درجات الحرارة المطلقة في نظام التبريد (البيئة) ومصدر الحرارة (فرن الاحتراق). ارتفاع درجة حرارة الفرن يزيد من الكفاءة لكنه يعقد التصميم، وخاصة عند اختيار السبائك المستخدمة في الانشاء، صنع الفرن يكون أكثر تكلفة. الحرارة المهدرة لا يمكن تحويلها إلى طاقة ميكانيكية بدون نظام تبريد أكثر برودة. ومع ذلك، فيمكن أن تستخدم في محطات التوليد المشترك للمبناء الحرارية، انتاج المياه الساخنة، أو المواد الساخنة على النطاق الصناعي، مثل تلك المستخدمة في مصافي النفط، المحطات، ومحطات الاصطناع الكيميائي.

الكفاءة الحرارية التقليدية للمولدات الكهربائية على النطاق النفعي حوالي 33% من محطات توليد الطاقة بالفحم والنفط، 56-60% من محطات توليد الطاقة بالغاز (دورة مجمعة. المحطات مصممة لتحقيق المنفعة القصوى بينما يتم تشغيلها بقدرة أكل كفاءة عندما يتم تشغيلها خارج التصميم (مثل درجات حرارة الدنيا).[3]

المحطات العملية لتوليد الطاقة بالوقود الأحفوري تعمل كمحركات حرارية لا يمكنها تجاوز حدود دورة كارنو لتحويل الطاقة الحرارية إلى عمل مفيد. وحدات الوقود ليس لديها نفس الحدود الديناميكية الحرارية لأنها ليست محركات حرارية.

الفحم

مخطط لمحطة تقليدية لتوليد الطاقة بالفحم-البخار (عملية التشغيل من اليسار إلى اليمين).

الفحم هو أكثر أنواع الوقود الأحفوري وفرة في المحطات. وهو وقود رخيص نسبياً، وتتوافر ودائع كبيرة منهم في مناطق مستقرة سياسياً نسبياً، مثل الصين، الهند، والولايات المتحدة. يتناقض هذا مع الغاز الطبيعي والنفط، حيث توجد أكبر ودائع لهما في الخليج العربي المتقلب سياسياً. الفحم الصلب لا يمكن أن يحل مباشرة محل الغاز الطبيعي أو النفط في معظم التطبيقات، النفط يستخدم بكثرة في النقل والغاز الطبيعي لا يمكن استخدامه لتوليد الكهرباء المستخدمة في تدفئة الهواء، المياه والتدفئة الصناعية. يمكن أن يتحول الفحم إلى غاز أو وقود سائل، لكن الفوائد والعائدات الاقتصادية لمثل هذه العمليات قد تجعله غير مجدي.[بحاجة لمصدر] المركبات أو السخانات قد تتطلب تعديل لكي تتمكن من استخدام وقود الفحم. يمكن أن ينتج الفحم تلوث إضافي أكثر من النفط والغاز الطبيعي.

اعتبارا من 2009 أكبر محطات لتوليد الطاقة بالفحم هي محطة تاي‌چونگ للطاقة في تايوان. أكثر محطات توليد الطاقة بالفحم كفاءة في انتاج الطاقة هي محطة أڤـِدوره للطاقة في الدنمارك.[4]

نقل وتوصيل الطاقة

محطة توليد الطاقة بالفحم توفر حوالي 46% من الكهرباء المستخدمة في الولايات المتحدة. هذه هي محطة كاستل گيت، بالقرب هلپر، يوتا.

الفحم يتم توصيله عن طريق قاطرات الطرق السريعة، السكك الحديدية، صنادل الشحن، ناقلات الفحم أو خطوط نقل الفحم. بعض المحطات يتم بناؤها بالقرب من مناجم الفحم ويتم توصيل الفحم بواسطة عمال النقل. قطار الفحم العملاق يسمى "قطار الوحدة" وقد يمتد لطول 2 كم (أكثر من ميل)، ويحتوي 130-140 عربة كل منها تحمل 100 طن قصير من الفحم، بإجمالي حمولة أكثر من 15.000 طن. المحطات الكبرى طبقاً لمتطلبات الحمولة الكاملة توصل حمولة فحم واحدة على الأقل من هذا الحجم كل يوم. قد يصل للمحطات ثلاث أو خمس قطارات يومياً، خاصة في "موسم الذروة" أثناء شهور الصيف الحار أو الشتاء البارد (تعمد على المناخ المحلي) عندما يكون استهلاك الطاقة مرتفع. محطات طاقة حرارية كبرى مثل محطة ناتيكوك، أونتاريو، تخزن ملايين الأطنان المترية من الفحم للشتاء كي تستخدم عندما تكون البحيرات مجمدة.

المفرغات الحديثة تستخدم أجهزة تفريغ دوارة، والتي تقضي على مشكلة تجمد الفحم على قمة عربات التفريغ. هذه المفرغات تشمل ذراع جر متمركز يجر القطار بالكامل لموقع كل عربة over a coal hopper. مشابك القلابات في كل عربة على المنصة تدير العربة من أعلى إلى أسفل لإفراغ الفحم. Swiveling couplers enable the entire operation to occur while the cars are still coupled together. تفريغ قطار الوحدة يستغرق حوالي ثلاث ساعات.

القطارات الأقصر قد تستخدم عربات قطارات "بذراع هوائي"، والذي يعتمد على ضغط الهواء من محرك مزود "بحدوة ساخنة" على كل عربة. هذه "الحدوة الساخنة" عندما تتصل مع "القضيب الساخن" في منصات التفريغ، تطلق شحنة كهربائية عن طريق جهاز تفريغ هواء وتسبب في فتح الأبواب الموجودة أسفل العربة، تفريغ الفحم عن طريق الفتحات في المنصات. تفريغ واحد من هذه القطارات قد يستغري من ساعة إلى ساعة ونصف. المفرغات الأقدم لا تزال تستخدم الطرق اليدوية لتشغيل عربات القطارات التي يتم تفريغها من أسفل و"رجاج" مرفق لتفريغ الفحم. محطات التوليد المجاورة للمناجم قد يصلها الفحم بواسطة سير نقل أو قاطرات عملاقة تعمل بالديزل-الكهرباء.

ناقلات الفحم (سفن شحن تحمل الفحم) قد تحمل 40.000 طن طويل من الفحم وتستغرق أيام للتفريغ. بعض حاملات الفحم لديها معدات خاصة لتفريغ الحمولة؛ وأخرى تعتمد على معدات موجود بالمحطات. حاملات الفحم، هي سفن ضخمة، صالحة للابحار، وذاتية الطاقة. الفحم المنقول في المياه الهادئة، مثل الأنهار والبحيرات، عادة ما تستخدم السفن المسطحة تسمى صنادل الشحن. صنادل الشحن عادة ما تعمل بدون مصدر للطاقة ويتم تحريكها بواسطة قوارب السحب أو الجر.

للبدء أو لأغراض المساعدة، قد تستخدم المحطة زيت الوقود أيضاً. زيت الوقود قد يتم توصيله للمحطات بواسطة خطوط أنابيب، ناقلات، عربة نقل أو شاحنة. يتم تخزين الزيت في قاطرات صلب إسطوانية أفقية بقدرة تزيد عن 90,000 برميلs (14,000 م3). The heavier no. 5 "bunker" and no. 6 fuels are عادة يتم تسخين البخار قبل ضخه في الطقس البارد.


. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

معالجة الوقود

يتم تحضير الفحم بسحق الفحم الخشن إلى قطع حجمها أقل من 2 بوصة (5 cم). بعدها يتم نقله من باحة التخزين إلى صوامع التخزين بالمحطة بواسطة سيور نقل مطاطية بمعدل أكبر من 4.000 طن قصير في الساعة.

في المحطات يتم حرق الفحم المسحوق، تغذي الصوامع ساحق الفحم (طواحين الفحم) التي تأخذ القطع الأكبر من 2-بوصة (51 mم)، فتقوم بسحقها حتى يشابه قوام بودرة التلك، فرزها، ثم خلطها مع هواء الاحتراق الرئيسي الذي ينقل الفحم إلى فرن المرجل ويسخن الفحم للتخلص من محتوى الرطوبة الزائد. محطة بقدرة 500 م.و. قد يكون لديها ستة من هذه السواحق، خمسة منها يمكنها أن توصل الفحم للفرن بقدرة 350 طن في الساعة بأقصى حمولة.

المحطات التي لا تحرق الفحم المسحوق، القطع الأصغر 2-بوصة (51 mم) يمكن تتغذى مباشرة عن طريق الصوامع والتي تتغذى عن طريق موزعات آلية تفرغ الفحم على حاملات متحركة أو حارقات حلزونية، وخاصة الحارقات التي يمكن أن تحرق بكفاءة القطع الأكبر من الوقود.

البخارية-الكهربائية

معظم الطاقة الكهربائية المولدة من الوقود الأحفوري يتم انتاجها من محطات الطاقة الحرارية. المحركات البخارية الترددية خرجت من الاستخدام بسرعة بعد طرح أول توربين بخاري حوالي عام 1906.

محطات توربينات الغاز

توربين غازي بقدرة 480 مـِگاواط لتوليد الطاقة بتوربينات الغاز.
محطة كارانت كريك للطاقة بالقرب من مونا، يوتا، هي محطة لتوليد الكهرباء بالغاز الطبيعي.

توجد أنواع من محطات توليد الطاقة بالوقود الأحفوري تستخدم التوربينات الغازية المقترنة مع غلاية استرجاع الحرارة (HRSG). ويشار إليها بمحطات توليد الطاقة بالدورة المجمعة لأنها تجمع بين دورة برايتون في التوربينات الغازية ودورة رانكين في غلايات استرجاع الحرارة. الكفاءة الحرارية لهذه الوحدات وصلت إلى معدل حرارة قياسي وصل بقيمة 5690 Btu/(kW·h)، أو أقل من 60%، في مرفق يوجد في باگلان باي، ويلز.[5]

تعمل التوربينات الغازية بالغاز الطبيعي، الغاز الإصطناعي أو زيت الوقود. بينما المحطات الأكثر كفاءة وسرعة لانشاءها (محطات بقدرة 1.000 م.و. قد يكتمل إنشاؤها في أقل من 18 شهر من بداية الانشاء) بتكلفة وقود غير ثابتة، عادة الغاز الطبيعي. محطة الدورة المجمعة يتم تصميمها بتكوينات متنوعة تتألف من عدد من التوربينات الغازية يليها توربينات بخارية. على سبيل مرفق الدورة المجمعة 3-1 يوجد بها ثلاثة توربينات غازية مربوطة بتوربين بخاري واحد. التكوينات تترواح بين (1-1)، (2-1)، (3-1)، (4-1)، (5-1)، إلى (6-1).[بحاجة لمصدر]

محطات التوربينات الغازية ذات الدورة البسيطة أو الدورة المفتوحة ، بدون دورة بخارية، يتم بناؤها أحياناً للقدرات الطوارئ أو الذروة؛ كفائها الحرارية منخفضة جداً. تكلفة التشغيل المرتفعة لكل ساعة يقابلها تكلفة رأس مال منخفضة ونية تشغيل مثل هذه الوحدات لبعض مئات الساعات سنوياً. محطات التوربينات الغازية الأخرى يتم إنشائها على مراحل، بتوربين غازي ذو دورة مفتوحة في المرحلة الأولى وتوربينات إضافية أو تحويلية لجزء الدورة المغلقة في وحدات المشروع المستقبلية.

المحركات الترددية

وحدات مولدات محركات الديزل عادة ما تستخدم كطاقة رئيسية في التجمعات الغير متصلة بشبكة طاقة واسعة النطاق. نظم طاقة الطارئ قد تستخدم محركات الاحتراق الداخلي الترددية والتي تعمل بزيت الوقود أو الغاز الطبيعي. مولدات الطوارئ تخدم كمصدر لطاقة طوارئ في المصانع أو مراكز البيانات، أو قد تعمل بالتوازي مع نظام المرفق المحلي لتقليل ذروة الطلب على الطاقة من المرفق. محركات الديزل قد تنتج عزم دوران قوي على سرعات دوران منخفضة نسبياً، وهو غير مرغوب فيه عموماً عند تشغيل مولد التيار البديل، لكن وقود الديزل عند التخزين على المدى الطويل قد يؤيدي لمشكلات بسبب تراكم المياه والتحلل الكيميائي. نادراً ما تستخدم وحدات المولدات في مقابل تلك التي تستخدم الغاز الطبيعي أو الغاز النفطي المسال لتقليل متطلبات صيانة نظام الوقود.

محركات الاحتراق الداخلي بشرارة الاشتغال تعمل بالگازولين، الپروپان، أو الغاز النفطي المسال والتي يشيع استخدامها كمصادر طاقة مؤقتة محمولة في أعمال الانشاءات، طاقة طوارئ، أو للاستخدامات الترفيهية.

محركات الاحتراق الخارجي الترددية مثل محرك ستريلينگ يمكن تشغيلها بأنواع مختلفة من الوقود الأحفوري، بالإضافة للوقود المتجدد أو الحرار المهدرة الصناعية. تثبيت محركات ستريلينگ لانتاج الطاقة غير شائع نسبياً.


. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

التأثيرات البيئية

محطة موهاڤ للطاقة، محطة لتوليد الطاقة بالفحم بقدرة 1.580 مـِگاواط بالقرب من لوگلين، نـِڤادا، خارج الخدمة من 2005 بسبب القيود البيئية[6]

الطلب العالمي للطاقة من المتوقع أن يرتفع إلى 60% بحلول 2030.[7] في 2007 كان هناك أكثر من 50.000 محطة طاقة بالفحم في الخدمة عالمياً وهذا من المتوقع أن ينمو هذا الرقم.[8] عام 2004، قدرت الوكالة الدولية للطاقة أ، الوقود الأحفوري سيساهم ب85% في سوق الطاقة بحلول 2030.[7]

المنظمات العالمية والوكالات الدولية، مثل الوكالة الدولية للطاقة، معنية بالتأثيرات البيئية لحرق الوقود الأحفوري، وخاصة الفحم. احتراق الفحم المساهم الأكبر في الأمطار الحمضية وتلوث الهواء، وعلى صلة بالإحترار العالمي. بسبب التركيب الكيميائي للفحم هناك صعوبات في إزالة الشوائب من الوقود الصلب قبل حرقه. المحطات الحديثة لتوليد الطاقة بالفحم تنتج تلوث أقل من التصميمات القديمة بسبب تكنولوجيا "scrubber" الجديدة والتي تصفي عادم الهواء في مداخن؛ ومع ذلك فمستويات الإنبعاث لمختلف الملوثات لا تزال في المتوسط أكبر بمرات عديدة عن محطات توليد الطاقة بالغاز الطبيعي. في التصميمات الحديثة، التلوث الناتج عن محطات توليد الطاقة بالفحم يأتي من إنبعاث الغازات مثل ثاني أكسيد الكربون، أكاسيد النيتروجين، وثاني أكسيد الكبريت إلى الهواء.

المطر الحمضي ينتج من إنبعاث أكاسيد النيتروجين وثاني أكسيد الكبريت. هذه الغازات قد تكون هي نفسها متوسطة الحمضية، لكن عندما تتفاعل مع الغلاف الجوي، تكون مركبات حمضية مثل أكسيد الكبريت، حمض النيتريك وحمض الكبريتيك والذي يتساقط في صورة أمطار، من ثم أطلق عليه المطر الحمضي. في أوروپا والولايات المتحدة هناك قوانين أكثر صرامة للإنبعاثات وتنخفض في الصناعات الثقيلة التي خفضت من المخاطر البيئية المرتبطة بهذه المشكلة، مما أدى لانبعاثات أقل بعد أن بلغت ذروتها في الستينيات.

عام 2008، الوكالة الأوروپية للبيئة وثقت عوامر الانبعاثات الناتجة عن الوقود معتمدة على الانبعاثات الفعلية من محطات الطاقة في الاتحاد الأوروپي.[9]

الملوث الفحم الصلب الفحم البني زيت الوقود زيوت أخرى الغاز
CO2 (g/GJ) 94,600 101,000 77,400 74,100 56,100
SO2 (g/GJ) 765 1,361 1,350 228 0.68
NOx (g/GJ) 292 183 195 129 93.3
CO (g/GJ) 89.1 89.1 15.7 15.7 14.5
مركبات عضوية أخرى غير الميثان (g/GJ) 4.92 7.78 3.70 3.24 1.58
Particulate matter (g/GJ) 1,203 3,254 16 1.91 0.1
اجمالي غاز المداخن (m3/GJ) 360 444 279 276 272

ثاني أكسيد الكربون

محطة تاي‌چونگ لتوليد الطاقة بالفحم في تايوان، أكبر باعث لثاني أكسيد الكربون في العالم.[10]

توليد الطاقة باستخدام الوقود المعتمد على الكربون هو المسؤول عن أكبر كم من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون (CO2) في العالم وعن 34% من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون التي تنتج بأسباب بشرية في الولايات المتحدة في 2010. في الولايات المتحدة، 70% من توليد الطاقة الكهربائية ينتج عن حرق الوقود الأحفوري.[11]

من بين أنواع الوقود الأحفوري، الفحم هو الوقود الذي يحتوي على أكثر كمية من الكربون عن النفط أو الغاز الطبيعي، مما يسفر عن كميات أكبر من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون لكل وحدة من الطاقة المولدة. في 2010، ساهم الفحم في حوالي 81% من انبعاثات CO2 من توليد الطاقة وساهم في حوالي 45% من الطاقة المولدة في الولايات المتحدة.[12] عام 2000، كانت كثافة الكربون في عمليات الاحتراق الحراري للفحم في الولايات المتحدة 2249 lbs/MWh (1,029 kg/MWh).[13]) بينما كانت كثافة الكربون في عمليات التوليد الحراري بالنفط في الولايات المتحدة 1672 lb/MWh (758 kg/MWh أو 211 kg/GJ)[14] وكثافة الكربون في الانتاج الحراري للغاز الطبيعي في الولايات المتحدة كانت 1135 lb/MWh (515 kg/MWh or 143 kg/GJ).[15])

الفريقي الحكومي حول تغير المناخ (انظر IPCC) أعلن أن ثاني أكسيد الكربون هو أحد الغازات الدفيئة وأن الكميات المتزايدة داخل الغلاف الجوي "من المرجح جداً" أن تؤدي إلى متوسط درجات حرارة أعلى على النطاق العالمي (احترار حراري)؛ مخاوف متعلقة باحتمالية وقوع مثل هذا الاحترار والذي يغير المناخ العالمي تعزز توصيات IPCC والتي تدعو إلى تخفيض أكبر لانبعاثات ثاني أكسيد الكربون حول العالم.[16]

قد تقل تلك الانبعاثات عمليات احتراق أكثر كفاءة وبدرجات حرارة أعلى وعن طريق انتاج أكثر كفاءة من الكهرباء داخل الدائرة. عزل ثاني أكسيد الكربون في الانبعاثات عن محطات توليد الطاقة بالفحم هي بديل آخر لكن التكنولوجيا لا تزال تحت التطوير وستزيد من تكلفة انتاج الكهرباء باستخدام الوقود الأحفوري. قد يكون عزل ثاني أكسيد الكربون غير مجدي اقتصادياً، باسثناء ثمن انبعاث ثاني أكسيد الكربون إلى الغلاف الجوي.

مشكلة الجسيمات

مشكلة أخرى متعلقة باحتراق الفحم هي انبعاث جسيمات لها تأثير خطير على الصحة العامة. محطات الطاقة تزيل الجزيئات من غاز المداخن باستخدام bag house أو الترسيب الكهربائي الساكن. مختلف المحطات الجديدة التي تحرق الفحم تستخدم عمليات مختلفة، دائرة تغويز مجمعة متكاملة فيها ينتج الغاز الاصطناعي عن تفاعل بين الفحم والماء. الغاز الاصطناعي يعالج لازالة معظم الملوثات وبعدها يستخدم في البداية لتشغيل التوربينات الغازية. قعد ذلك الغازات الساخنة الخارجة من التوربينات الغازية يتم استخدامها لتوليد تيار لتشغيل المخطات البخارية. مستويات التلوث في مثل هذه المحطات أقل بكثير من المحطات "التقليدية" التي تستخدم الفحم.[17]

الجسيمات الصادرة من محطات توليد الطاقة بالفحم يمكن أن تكون ضارة ولديها تأثيرات صحية سلبية. أظهرت الدراسات أن الجسميات مرتبطة بزيادة أمراض الجهاز التنفسي والقلب.[18] قد تتسبب تلك الجسيمات في هيج القنوات التنفسية الصغيرة في الرئة، والذي يؤدي إلى مشاكل متزايدة مثل الربو والتهاب الشعب الهوائية المزمن، وانسداد مجرى الهواء، وتبادل الغازات.[18]

هناك أنواع مختلفة من الجسيمات، تعتمد على التركيب الكيميائي والحكم. الصيغة الغالبة على الجسيمات الناتجة من محطات توليد الطاقة بالفحم هي رماد الفحم المتطاير، لكن السلفات والنترات الثانوية تشكل أيضاً جزء كبير من الجزئيات في محطات توليد الطاقة بالفحم.[19] رماد الفحم المتطاير هو الذي يظل بعد حرق الفحم، ولذلك فهو يحتوي على المواد الغير قابلة للاحتراق الموجودة في الفحم.[20]

الحجم والتركيب الكيميائي لهذه الجزيئات تتحكم في التأثيرات على صحة الإنسان.[18][19] حالياً، الجزيئات الخشنة (قطرها أكبر من 2.5 μm) والناعمة (قطرها بين 0.1 μm و2.5 μm) هي منظمة، لكن الجزيئات الناعمة جداً (قطرها أقل من 0.1 μm) هي حالياً غير منظمة، وتشكل حالياً الكثير من المخاطر.[18] لسوء الحظ لا يزال غير معلوم أي نوع من الجزيئات هو الأكثر ضرراً، مما يجعل من الصعوبة وضع تنظيم لتنظيم هذه الجزيئات.[19]

توجد عدة طرق للمساعدة في تقليل انبعاثات الجزيئات من وحدات توليد الطاقة بالفحم. حوالي 80% من الرماد المتساقط داخل أوعية الرماد، لكن بقية الرماد سيحمل في الهواء إلى الغلاف الجوي ليصبح رماد فحم متطاير.[20] الطرق التي تقلل من انبعاثات الجزيئات تشمل:

  1. a baghouse
  2. المرسب الكهربائي الساكن (ESP)
  3. الجامع الحلزوني

The baghouse يوجد بها مصفاة دقيقة لجمع جزئيات الرماد، المرسب الكهربائي الساكن يستخدم المجال الكهربائي لاصطياد جزيئات الرماد على صفائح ذات ضغط عالي، والجامع الحلزوني يستخدم قوة الطرد المركزي لاصطياد الجزيئات على الجدران.[20] تشير دراسة حديثة أن انبعاثات الكبريت من محطات توليد الطاقة بالوقود الأحفوري في الصين قد تسببت في خمود لعشر سنوات في الاحترار العالمي (1998-2008)[21]

العناصر المشعة

الفحم هو صخر رسوبي يتشكل بصفة أساسية من المواد النباتية المتراكمة، ويتضمن أملاح وعناصر غير عضوية كثيرة التي تراكمت مع مواد عضوية أثناء تشكيله. مثل بقية القشرة الأرضية، الفحم يحتوي أيضاً على مستويات منخفضة من اليورانيوم، الثوريوم، ونظائر مشعة طبيعية أخرى التي تنطلق في البيئة لتؤدي إلى حدوث تلوث إشعاعي. بينما هذه المواد موجودة كشوائب صغيرة جداً، فعند حرق كميات كافية من الفحم يؤدي إلى إنطلاق كميات كبيرة من هذه المواد. محطة توليد طاقة باستخدام الفحم بقدرة 1.000 م.و. لها اطلاق خارج عن السيطرة لمقدار 5.2 طن متري/سنوياً من اليورانيوم (يحتوي على 74 رطلs (34 kغ) من يورانيوم-235) و12.8 طن متري سنوياً من الثوريوم.[22] في مقارنة محطة طاقة نووية بقدرة 1.000 م.و. ستولد حوالي 30 طن قصير من النفايات المعبأة الصلبة ذات المستويات الإشعاعية المرتفعة سنوياً.[23] وقدرت في عام 1982، الانبعاثات النتاجة عن احتراق الفحم في الولايات المتحدة 155 ضعف المواد المشعة الخارجة عن السيطرة إلى الغلاف الجوي كما في حادث ثري مايل آيلاند.[24] النشاط الإشعاعي المجمع النتاج عن حرق الفحم في العالم بين عام 1937 و2040 يقدر ب2.700.000 كوري أو 0.101 EBq.[22] ويلاحظ أيضاً أنه خلال العملية الطبيعية، فجرعة التأثير تكافئ تلك الصادرة عن الوحدات المستخدمة للفحم بمائة ضعف عن تلك الصادرة عن المحطات النووية.[22] لكن من الجدير بالملاحظة أن العملية الطبيعية خط أساس خادع للمقارنة: في كارثة تشرنوبيل، أطلق من اليود-131 وحده، ما يقدر ب1.76 EBq .[25] من الإشعاعات، قيمة واحدة من هذا المقدار يزيد عن قيمة إجمالي الانبعاثات الصادرة من جميع محطات توليد الطاقة بالفحم خلال قرن. لكن في الوقت نفسه، يجب أن يكون مفهوماً أيضاً أن اليود-131، المادة الإشعاعية الرئيسية والتي إنطلقت في الحادث، نصف عمرها 8 أيام فقط.

تلوث الماء والهواء برماد الفحم

في دراسة صدرت في أغسطس 2010 والتي تفحصت بيانات التلوث حسب الولاية في الولايات المتحدة صدرت عن منظمات مشروع السلامة البيئية، وجدت سييرا كلب وإيرث‌جستيس أن رماد الفحم الناتج عن محطات توليد الطاقة بالفحم والموجودة في مواقع ضمن 21 ولاية أمريكية قد لوثت المياه الجوفية بمواد سامة. تشمل هذه الملوثات الزرنيخ والرصاص السام.[26]

الزرنيخ يتسبب في الإصابة بسرطان الجلد، سرطان المثانة وسرطان الرئة، ويؤدي لحدوث أضرار في الجهاز العصبي.[27] ملوثات رماد الفحم مرتبطة أيضاً بأمراض الجهاز التنفيذي ومشكلات صحية وبيئية أخرى، وأثرت على الحياة المائية المحلية.[26] يطلق رماد الفحم أيضاً مجموعة من الملوثات السامة إلى الهواء القريب، مما يشكل تهديد صحي على أولئك الذين يستنشقون رماد الفحم المتطاير. [27]

حالياً وكالة حماية البيئة الأمريكية لا تنظم عملية التخلص من رماد الفحم؛ التنظيم متروك للولاية وقد تعرضت صناعة الطاقة الكهربائية لضغط من أجل الحفاظ على الوضع الراهن. معظم الولايات لا تلزم برقابة على مياه الشرب المجاورة لمحطات حرق الفحم. عثرت الدراسة على 39 موقع أمريكي إضافي ملوث وتوصلت إلى أن مشكلة المياه الملوثة برماد الفحم هي الأكثر اتساعاً في الولايات المتحدة على عكس ما كان مقدر. أوردت الدراسة عدد 137 من مواقع المياه الجوفية عبر الولايات المتحدة والملوثة برماد الفحم الصادر عن محطة توليد الطاقة بالفحم.[26]

تلوث الزئبق

اختبر علماء حكوميين أمرييكيين أسماك من 291 تيار مائي حول البلاد للتلوث بالزئبق. عثروا على زئبق في كل سمكة تحت فحصها، حسب دراسة قامت بها وزارة الداخلية الأمريكية. عثروا على زئبق حتى في الأسماك التي تم جمعها من الممرات المائية الريفية. 25% من الأسماك محل الاختبار كان بها مستويات زئبق أعلى من المستويات الآمنة والتي حددها وكالة حماية البيئة الأمريكية بالنسبة للأشخاص الذين يتناولون السمك بانتظام. أكبر مصدر من التلوث بالزئبق في الولايات المتحدة ناتج عن انبعاثات محطات توليد الطاقة بالفحم.[28]

تخضير محطات توليد الطاقة من الوقود الأحفوري

توجد طرق مختلفة لتعزيز كفاءة محطات توليد الطاقة بالوقود الأحفوري. الطرق الشائعة الاستخدام وذات التكلفة الفعالة تحول الوحدة لاستخدام وقود مخلف. يشمل هذا تحويلات إلى الكتل الحيوية والنفايات.[29][30][31] التحويل لمحطات الطاقة باستخدام النفايات من فوائده تقليل دفن النفايات. بالإضافة إلى ذلك، فمحطات الطاقة باستخدام النفايات يمكن أن تكون مجهزة باستعادة المواد، والتي تكون مفيدة أيضاً للبيئة.

Regardless of the conversion, a truly green fossil fuel power plant implements الإمساك بالكربون وتخزينه (CCS). فالإمساك بالكربون وتخزينه يعني أن عادم ثاني أكسيد الكربون لن ينطلق للبيئة وأن محطة توليد الطاقة بالوقود الأحفوري ستصبح محطة طاقة بدون انبعاثات. مثال لمحطات توليد الطاقة بالإمساك بالكربون وتخزينه في 2006، هي محطة إلسام التجريبية بالقرب من إسبيرگ، الدنمارك.[32]

حارقات أكاسيد النيتروجين المنخفضة

هناك تحديث شائع في محطات توليد الطاقة بالوقود الأحفوري وهو استبدال المواد الحارقة الأصلية بمواد حارقة ذات محتوى منخفض من أكاسيد النيترويج. الدراسة المتأنية لديناميكا الموائع والديناميكا الحرارية للهب مكنت من إحداث تقليل كبير في درجة حرارة اللهب، مما أدى لتشكل مخفض من أكاسيد النيتروجين.

الفحم النظيف

"الفحم النظيف" هو اسم يطلق على العملية التي يتم فيها غسل الفحم كيميائياً من المعادن والشوائب، وفي بعض الأحيان يحول إلى غاز، يحرق وينتج غازات مداخن معالجة بالبخار، بهدف إزالة ثاني أكسيد الكبريت، وإعادة الحرق لجعل ثاني أكسيد الكربون الموجود في غاز المداخن ذو جدوى اقتصادية. صناعة الفحم تستخدم كلاً من الملائمة الاقتصادية والبيئية في استخراج، تحضير واستخدام الفحم،[33] لكنها لم تضع قيود كمومية محددة على أي انبعاثات، خاصة ثاني أكسيد الكربون. حيث تكون الملوثات مثل الفوسفور أو الزئبق تم إزالتها من الفحم، الكربون لا يمكن إزالته بكفاءة بينما يظل وقوداً قابلاً للاستخدام، ومحطات الفحم النظيف بدون حبس وتخزين للكربون لا تقلل بشكل كبير من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون. جيمس هانسن في رسالة مفتوحة للرئيس الأمريكي باراك اوباما دعا فيها إلى "الوقف والتخلص التدريجي من محطات انتاج الطاقة بالفحم التي لا تقوم بحبس وتخزين ثاني أكسيد الكربون". في كتابه عواصف أحفادي بشكل مشابه، يناقش هانسن اعلان الإشراف الخاص به أول مبدأ منه يتطلب "وقف محطات انتاج الطاقة بالفحم والتي لا تقوم بحبس وتخزين الكربون".[34]

الحرارة والطاقة المجمعة

الحرارة والطاقة المجمعة، وتعرف أيضاً بالتوليد المشترك، هي استخدام محطة الطاقة لتوفير الطاقة الكهربائية معالجة الحرارة أو الشبكة الحرارية. بينما طرح الطاقة عند درجات حرارة مرتفعة أكثر من درجة الحرارة العادية للتمكين من بناء محطة تدفئة lowers overall plant electric power efficiency, الوقود الإضافي المحروق أكثر من الوقود المعوض بتقليل الوقود الأحفوري الذي يجب استخدامه في المقابل لتدفئة المباني. هذه التكنولوجيا تستخدم على نطاق واسع على سبيل المثال في الدنمارك، وبلدان إسكاندناڤية أخرى ومناطق من ألمانيا. تظهر الحسابات أن التوليد المشترك أرخص طريقة لتقليل انبعاثات الكربون.[35]

بدائل محطات الطاقة بالوقود الأحفوري

بدائل محطات الطاقة بالوقود الأحفوري تشمل الطاقة النووية، الطاقة الأرضية الحرارية، طاقة الرياح، طاقة المد والجزر، الطاقة الكهرومائية (كهرومائية)، وأنواع أخرى من الطاقة المتجددة (انظر اقتصاد الكربون المنخفض). بعض من هذه التكنولوجيات تستخدم على نطاق صناعي (مثل الطاقة النووية، الرياح، المد والجزر والكهرومائية) بينما لا تزال الأخرى في الصيغة التجريبية.

الطاقة النووية، والطاقة الأرضية الحرارية قد تصنف كملوثات حرارية حيث أنها تضيق طاقة حرارية للمحيط الحيوي that would not otherwise be released.[بحاجة لمصدر] الكمية الصافية لتحويل الطاقة داخل المحيط الحيوي والتي تعود لاستخدام طاقة الرياح، الطاقة الشمسية، طاقة المد والجزر، الطاقة الكهرومائية هي ثابتة وتأتي من تأثيرات ضوء الشمس وحركة القمر والكواكب.

بصفة عامة، تكلف الطاقة الكهربائية المنتجة من محطات حرق الوقود غير الأحفوري أكبر من تلك التي تنتج بحرق الوقود الأحفوري. ومع ذلك فهذا البيان يشمل فقط تكلفة انتاج الطاقة الكهربائية ولا يأخذ في الحسبان التكاليف الغير مباشرة المرتبطة بالكثير من الملوثات التي تنتج بحرق الوقود الأحفوري (مثل تكلفة زيادة حالات الدخول للمستشفيات بسبب أمراض الجهاز التنفسي التي تسببها الجزئيات الدخان).

التكلفة النسبية لمصادر التوليد

انظر أيضاً الثمن النسبي للكهرباء المولدة من المصادر المختلفة

حين نقارن تكلفة محطات الطاقة، فمن المعتاد أن نبدأ بحساب تكلفة الطاقة عند محطات التوليد بالأخذ في الاعتبار العديد من العوامل الرئيسية. فالتكاليف الخارجية مثل ثمن الربط، وأثر كل محطة على شبكة التوزيع تؤخذ في الاعتبار، كلُ على حدة، كتكلفة اضافية لتكلفة الطاقة المحسوبة عند المحطات.

العوامل المبدئية المأخوذة في الاعتبار هي:

  • التكلفة الرأسمالية (وتتضمن التخلص من النفايات وتكاليف الإغلاق للطاقة النووية)
  • تكاليف التشغيل والصيانة
  • تكاليف الوقود (للوقود الأحفوري ومصادر الكتلة الحيوية، والتي قد تكون سالبة من حيث المخلفات)
  • عدد ساعات التشغيل السنوية المحتملة أو معامل التحميل (قد يكون 30% لطاقة الرياح، ولكن 90% للطاقة النووية)
  • Offset sales of heat (فعلى سبيل المثال في combined heat and power district heating (CHP/DH)).

هذه التكاليف تحدث على مدار عمر محطة توليد الطاقة بالوقود الأحفوري، أي 30-50 عاماً، باستخدام discounted cash flows. وعموماً، فإن محطات الوقود الأحفوري تكون أكثر جاذبية بسبب انخفاض تكلفتها الرأسمالية المبدئية—عادة حوالي £750–£1000 لكل كيلوواط من الكهرباء، بالمقارنة بنحو £1500 للكيلوواط لطاقة الرياح البرية.[بحاجة لمصدر]

انظر أيضاً

المصادر

  1. ^ EIA.doe.go-fuel محطة الوقود هي نوع من محطات الطاقة التي تقوم بحرق الوقود الأحفوري مثل الفحم، الغاز الطبيعي أو النفط لانتاج الكهرباء. المحطات المركزية توليد الطاقة بالوقود الأحفوري مصممة على نطاق واسع للتشغيل المستعر. في الكثير من البلدان، مثل هذه المحطات توفر معظم الطاقة الكهربائية المستخدمة.
  2. ^ Charles Camp. "PCA Manual" (PDF). University of Memphis, Herff College of Civil Engineering. Retrieved 8 January 2013. Unknown parameter |coauthors= ignored (|author= suggested) (help)
  3. ^ "ELECTRIC GENERATION EFFICIENCY: Working Document of the NPC Global Oil & Gas Study" (PDF). Highbeam Research. Retrieved 18 July 2007.
  4. ^ Avedøre Power Station from the web page of DONG Energy
  5. ^ GE Power’s H Series Turbine
  6. ^ SEC Mohave Generation Station Retrieved 24-07-2008
  7. ^ أ ب World Outlook 2004, Paris: IEA, 2004-10-26, pp. 31, ISBN 92-64-10817-3, http://www.iea.org/textbase/nppdf/free/2004/weo2004.pdf, retrieved on 2006-06-13 
  8. ^ "Carbon Dioxide Emissions From Power Plants Rated Worldwide". Science News. 2007-11-15. Retrieved 2008-01-29.
  9. ^ (pdf)Air pollution from electricity-generating large combustion plants, Copenhagen: European Environment Agency (EEA), 2008, ISBN 978-92-9167-355-1, http://www.eea.europa.eu/publications/technical_report_2008_4/at_download/file 
  10. ^ http://thephoenixsun.com/archives/6548
  11. ^ "Sources Climate Change". US EPA. 2012. Retrieved August 26, 2012.
  12. ^ "Electricity Sector Emissions Climate Change". US EPA. 2012. Retrieved August 26, 2012.
  13. ^ US EPA Clean Energy—Coal
  14. ^ US EPA Clean Energy—Oil
  15. ^ US EPA Clean Energy—Gas
  16. ^ Solomon, S.; et al. (2007). "Summary for policymakers" (PDF). A report of Working Group I of the Intergovernmental Panel on Climate Change. IPCC. Retrieved 24 March 2010. Explicit use of et al. in: |last= (help)
  17. ^ Committee on Benefits of DOE R&D on Energy Efficiency and Fossil Energy, US NRC (2001), Energy research at DOE: was it worth it? Energy efficiency and fossil energy research 1978 to 2000, National Academies Press, p. 174, ISBN 0-309-07448-7 
  18. ^ أ ب ت ث Nel, A. (2005, May 6). Air Pollution-Related Illness: Effects of Particles. Science, 308(5723), 804-806.
  19. ^ أ ب ت Grahame, T., & Schlesinger, R. (2007, April 15). Health Effects of Airborne Particulate Matter: Do We Know Enough to Consider Regulating Specific Particle Types or Sources?. Inhalation Toxicology, 19(6–7), 457–481.
  20. ^ أ ب ت Schobert, H. H. (2002). Energy and Society. New York: Taylor & Francis, 241–255.
  21. ^ Washington Post 7-5-2011 | http://www.washingtonpost.com/blogs/capital-weather-gang/post/new-study-blames-10-year-lull-in-global-warming-on-china-coal-use-air-pollution/2011/07/05/gHQAwjV8yH_blog.html
  22. ^ أ ب ت Coal Combustion: Nuclear Resource or Danger? by Alex Gabbard, ORNL Review, Summer/Fall 1993, Vol. 26, Nos. 3 and 4.
  23. ^ International Atomic Energy Agency—Managing Radioactive Waste
  24. ^ Physics.ohio-state.edu
  25. ^ "Fukushima radioactive fallout nears Chernobyl levels". Newscientist.com. Retrieved 24 April 2011.
  26. ^ أ ب ت "Study of Coal Ash Sites Finds Extensive Water Contamination" McClatchy; also archived at: commondreams.org
  27. ^ أ ب EarthJustice news release, 2010 Sept. 16, "New Report—Coal Ash Linked To Cancer and Other Maladies; Coal's Waste Is Poisoning Communities in 34 States" Earthjustice.org and Physicians for Social Responsibility, "Coal Ash: The Toxic Threat to Our Communities and Our Environment" 2010 September 16, earthjustice.org
  28. ^ nytimes.com "Mercury Found in Every Fish Tested, Scientists Say" New York Times, 2009 Aug. 19
  29. ^ Coal to biomass power plant conversion
  30. ^ Coal to biomass conversion by Georgia Power
  31. ^ Conversion of coal to waste-fired power plant
  32. ^ ENS (March 15, 2006). "Europe Tests Carbon Capture at Coal-Fired Power Plant". Environment News Service. Retrieved 15 July 2012.
  33. ^ AustralianCoal.com.au—Clean Coal Overview[dead link]
  34. ^ Hansen, James (2009). Storms of My Grandchildren. London: Bloomsbury Publishing. p. 242. ISBN 1-4088-0745-9.
  35. ^ Claverton-energy.co.uk

المراجع

  • Steam: Its Generation and Use (2005). 41st edition, Babcock & Wilcox Company, ISBN 0-9634570-0-4
  • Steam Plant Operation (2011). 9th edition, Everett B. Woodruff, Herbert B. Lammers, Thomas F. Lammers (coauthors), McGraw-Hill Professional, ISBN 0-07-166796-8
  • Power Generation Handbook: Fundamentals of Low-Emission, High-Efficiency Power Plant Operation (2012). 2nd edition. Philip Kiameh, McGraw-Hill Professional, ISBN 978-0-07-177227-3
  • Standard Handbook of Powerplant Engineering (1997). 2nd edition, Thomas C. Elliott, Kao Chen, Robert Swanekamp (coauthors), McGraw-Hill Professional, ISBN 0-07-019435-1

وصلات خارجية