مسارات البخار الخالي من الكربون

قد يبدو تركيزنا غالبًا منصبًا على التحسين. جعل أنظمة البخار فعالة قدر الإمكان لا يزال جزءًا أساسيًا من أعمالنا، وسيستمر كذلك. الأسباب التي تجعل هذا منطقيًا لن تختفي مع زوال استخدام الوقود الأحفوري.

أي مسار تقرر صناعة اتباعه على طريق إزالة الكربون، سيكون دائمًا خطوة أولى حرجة لتعظيم الكفاءة. تحسين كيفية توليد الحرارة وتوصيلها واستهلاكها لا يقلل تكاليف الطاقة الآن فحسب، بل يُنشئ الأساس للأجزاء التالية من الرحلة. لكن إزالة وقود مُصدر للكربون هو الهدف النهائي - إزالة الكربون. الرهانات عالية، والتحدي كبير. الطاقة الحرارية حيوية للعديد من الصناعات، ومع وجود طرق متعددة لاستخدامها، لا يوجد مسار واحد للوصول إلى أهداف صافي الانبعاثات الصفرية. تُعد الحرارة مسؤولة عن ثلثي الطلب على الطاقة في الصناعة في الولايات المتحدة، لكن 10% فقط من هذا يأتي من مصادر متجددة. في المملكة المتحدة، القصة مماثلة؛ 70% من الطلب الصناعي على الطاقة في المملكة المتحدة للحرارة.

كيف أصبح البخار منتشرًا بهذا الشكل في جميع أنواع الصناعة ليس محل سؤال. إنه مسألة فيزياء؛ أو بشكل أكثر دقة، الديناميكا الحرارية. قدرة البخار على نقل الطاقة الحرارية إلى المكان المطلوب لا مثيل لها من قبل أي شيء آخر. السهولة النسبية التي يمكن بها أن يقطع مسافات - حتى أميال في مصنع كبير - تعني أنه أيضًا وسط فعال للغاية. لا تتخذ الصناعات قرارات بسهولة؛ إذا استخدمت البخار، فذلك لأنه لم يُعثر بعد على بديل أفضل.

في الواقع، ليس البخار نفسه هو الذي يحتاج إزالة كربون. كما طالما دافعنا عنه، البخار تكنولوجيا طبيعية تعمل بأفضل حالاتها. تكمن المشكلة في كيفية توليده أصلًا. هذا تمييز مهم، لأن البخار غالبًا ما يُجمع مع الوقود الأحفوري الذي استُخدم تقليديًا لإنتاجه - الغاز والنفط والفحم. نحن الآن نعلم أن هذه المصادر الطاقية تُلحق الضرر بكوكبنا من خلال رفع مستويات غازات الدفيئة إلى نقطة تُلحق ضررًا. البخار لا يفعل ذلك؛ ليس مصدر طاقة، بل هو وسط لنقل الطاقة. للصناعات العديدة التي تحتاج البخار لتعمل بمستويات الإنتاج والكفاءة التي اعتدنا عليها جميعًا، هذه أخبار جيدة. نحتاج فقط إلى المضي قدمًا على مسار إزالة كربون إنتاج البخار.

تُعد بالذاكرة سنوات قليلة إلى الوراء، وفكر كم عدد السيارات الكهربائية (EV) التي رأيتها يوميًا. قليلة جدًا، مع محركات الاحتراق الداخلي، التي تعمل بالبنزين أو الديزل، مهيمنة تمامًا. ثم في عام 2003، ظهرت تيسلا على الساحة وروّجت بلا كلل لوعد السيارات الكهربائية. التقدم في تقنية البطاريات، وفي نهاية المطاف طرازات أكثر بأسعار معقولة، زاد من تبني الخيارات الخالية من الكربون. اليوم، ترتفع مبيعات السيارات الكهربائية بشكل أُسّي، وإن من قاعدة صغيرة جدًا.

لكن شيئًا واحدًا لم يتغير؛ لا يزالون يعتمدون على العجلة. الفيزياء خلف محور مدمج مع عجلات لم تتغير كثيرًا لأكثر من 6,000 عام، لكن وسيلة تشغيلها تغيرت. ومثل العجلة، من الممكن تمامًا الاحتفاظ بجميع الفوائد التي يُقدمها البخار بتغيير طريقة إنتاجه.

الطبيعة المتعددة لاستخدام البخار في الصناعة تعني أن كل صناعة ستحتاج اختيار مسارها الخاص لإزالة الكربون. قد لا يتبع حتى مسار خطي من A إلى Z؛ من المرجح أن تكون هناك تدابير مختلفة يمكن توظيفها للوصول إلى ذلك الهدف النهائي.

لكن، إذا كان البخار لا يزال يُعتبر جزءًا حيويًا من عمليات تلك الصناعة، ففي مرحلة ما إيجاد طريقة لاستخدامه لا تؤدي إلى انبعاثات كربون (أو تُقلل منها بشكل كبير) أمر حاسم. الآن، هناك خمسة متنافسين رئيسيين لتلبية هذا التحدي.

استخدام الكهرباء المولدة من مصادر متجددة، أو الطاقة النووية، المعروفة باسم “الكهرباء المفيدة” هو مُتقدم. هناك أسباب مختلفة لذلك. الأول أنه تقنية مجربة ومُختبرة، مع غلايات كهربائية قادرة على تحويل الكهرباء إلى حرارة بكفاءة تقارب 100% مع خسائر إشعاعية ضئيلة من أسطح الغلايات. ثم هناك تكلفة رأسمالية جذابة محتملة، حيث وجدت إحدى الدراسات أن الغلايات الكهربائية أرخص بنسبة 40% تقريبًا من غلاية غاز طبيعي معادلة.¹

إيجابيات إضافية مع عدم الحاجة إلى تغييرات في عمليات الاستخدام النهائي، فقط في غرفة الغلايات نفسها. تتوفر خيارات لتكهيب أجزاء أخرى من العمليات الصناعية، لكنها غالبًا تحتاج تغييرات في عمليات الإنتاج والتقنيات الحالية. الحاجز الرئيسي لرؤية زيادة تبني هذا الخيار هو أن الكهرباء لا تزال أكثر تكلفة نسبيًا من الوقود الأحفوري. حتى عندما تنخفض، وهو مرجح مع زيادة حصص المتجددة في توليد الكهرباء، ستحتاج الشبكات التوسع لتلبية الزيادة في الطلب. لهذا السبط من المتوقع أن تزداد انبعاثات CO2 مؤقتًا، بينما تواكب صناعة توليد وتوزيع الكهرباء التحول.

إذا أُنتجت بشكل مستدام، تُعد الكتلة الحيوية آفاقًا واعدًا لاستبدال الوقود الأحفوري في بعض الصناعات، على الرغم من أن الكربون قد يُصدر من احتراقها، بمستويات أقل من الوقود الأحفوري. في الدنمارك مثلًا، أزالت إحدى شركات الطاقة بالفعل الكربون تمامًا من إنتاج الحرارة، بما في ذلك توفير البخار للصناعة، باستخدام الكتلة الحيوية بدلاً من الفحم لوحدات الدمج الحراري والكهربائي (CHPs).

لا يزال في مراحله الأولى، ولا يزال مكلفًا نسبيًا، يُرى الهيدروجين كإمكانية حقيقية لاستبدال الوقود الأحفوري في العمليات عالية الحرارة، وسيكون قادرًا على توليد بخار عند أي درجة حرارة مطلوبة. لا تزال هناك مشاكل في ضرورة التقاط بعض الانبعاثات أثناء إنتاجه واستخدامه، والتحكم بالمشاعل ليس بسيطًا.

هذا المجال النظيف الناشئ واعد للغاية، خاصة بالنظر إلى الطبيعة المتقطعة لبعض مصادر الطاقة المتجددة. القدرة على التقاط الكهرباء المتجددة الفائضة أو المنخفضة التكلفة من خلال تدفئة وسيط تخزين إلى درجات حرارة تصل إلى 400 درجة مئوية حاليًا أعلى بكثير من تلك المحققة مع مضخات الحرارة. تُجرى أيضأ أعمال على التقاط البخار نفسه لفترات قصيرة، مفيد حيث لا يُحتاج إليه بشكل مستمر.

بعض الصناعات، بسبب الطبيعة المكثفة لعملياتها، من المرح أن تستمر في الحاجة إلى الوقود الأحفوري، على الأقل جزئيًا. أحيانًا قد يكون هذا لسد الفترات التي لا يمكن فيها إيقاف الإنتاج، لكن البدائل الخالية من الكربون أو المنخفضة الكربون غير متاحة.

لم يصل البخار إلى مهيمنته كوسيلة لا غنى عنها للحرارة الصناعية بين ليلة وضحاها. ولا نحتاج إلى افتراض أننا لم نعد قادرين على الاستفادة من مزاياه العديدة. الفصل الجديد للبخار الخالي من الكربون يتكشّف بالفعل. الأمر أقل عن التخلي عما عمل بشكل جيد لعقود، وأكثر عن إعادة تصوره للمستقبل. بالالتزام والابتكار المناسبين، يمكن للصناعات الاستمرار في استثمار قوة البخار، بطريقة تتوافق مع الالتزام العالمي بمستقبل مستدام. تبدو ال prospects واعدة، ومع الجهد الجماعي، فإن مستقبل خالي من الكربون ليس مجرد احتمال، بل حقيقة وشيكة.

المصادر:

1: Ali Hasanbeigi, Lynn A. Kirshbaum, Blaine Collison, and David Gardiner: Electrifying U.S. Industry: A Technology- and Process-Based Approach to Decarbonization, 2021.

Edward Rightor, Andrew Whitlock, and R. Neal Elliott: Beneficial Electrification in Industry, July 2020

Ricardo: Pathways to Industrial Heat Decarbonisation, November 2022.

M. Jibran S. Zuberi, Ali Hasanbeigi, William R. Morrow: Electrification of Boilers in U.S. Manufacturing, 2021.

Lisa Neusel, Simon Hirzel, Matthias Rehfeldt: Still alive, but different in the future? Decarbonisation of industrial steam boilers from a multi-dimensional perspective, 2022.

Electrifying U.S. Industry — Global Efficiency Intelligence