محطة طاقة وقود أحفوري

تُحول محطات توليد الطاقة بالوقود الأحفوري الطاقة الكيميائية المخزنة في الوقود الأحفوري، مثل: الفحم الحجري، وزيت الوقود، والغاز الطبيعي، والصخر الزيتي، والأكسجين في الهواء إلى طاقة حرارية، ثم إلى طاقة ميكانيكية، وأخيرًا إلى طاقة كهربائية.

تشكل كل محطة نظامًا معقدًا ومصممًا بطريقة خاصة. يمكن بناء وحدات متعددة لتوليد الطاقة في نفس الموقع بهدف زيادة الاستخدام الفعال للأراضي، والموارد الطبيعية، والعمالة. يفوق عدد محطات توليد الطاقة بالوقود الأحفوري أعداد محطات الطاقة النووية، والطاقة الحرارية الأرضية، وطاقة الكتلة الحيوية، ومحطات الطاقة الشمسية المركزة، ويعود السبب إلى استخدام معظم محطات الطاقة الحرارية في العالم للوقود الأحفوري.

ينصُ قانون الديناميكا الحرارية الثاني على أن أي دورة تحريك حراري يمكنها تحويل جزء ضئيل من الحرارة المنتجة أثناء الاحتراق إلى شغل ميكانيكي. تطلق الحرارة المتبقية (الحرارة المهدرة) في وسط أكثر برودة خلال مرحلة العودة في الدورة، ويجب أن تكون الحرارة المنبعثة إلى الوسط البارد تساوي أو تزيد عن درجة الحرارة المطلقة في نظام التبريد ومصدر الحرارة (فرن الاحتراق). يُحسن رفع درجة حرارة الفرن من الكفاءة، لكنه يحتاج تصميمًا أكثر تعقيدًا.

لا يمكن تحويل الحرارة المهدرة إلى طاقة ميكانيكية دون وجود نظام تبريد، ويمكن استخدام نظام التبريد في محطات التوليد المشترك لتدفئة المباني، أو تسخين المياه، أو تسخين المواد على النطاق الصناعي، كما يحدث في بعض المصانع، ومصافي النفط، ومحطات التخليق الكيميائي.[5][6]

تبلغ الكفاءة الحرارية النموذجية للمولدات الكهربائية نحو 37% في محطات الفحم وزيت الوقود، ونحو 56-60% في محطات الغاز ذات الدورة المركبة. تُصمم بعض المحطات لتحقق أعلى مستويات الكفاءة عند عملها بطاقتها الكاملة، لكن تقل كفاءتها عند تشغيلها خارج ظروف التصميم (مثل درجات الحرارة المنخفضة جدًا). يعبر عن كفاءة محطة الوقود الأحفوري بمعدلها الحراري، ويقاس بوحدة حرارة بريطانية/كيلوواط ساعة (BTU/kilowatthour) أو ميجا جول/كيلوواط ساعة (megajoules/kilowatthour).

تعد محطات الطاقة الحرارية إحدى المصادر الصناعية الرئيسية لإنتاج الغازات السامة والجسيمات المعلقة. تسبب محطات الطاقة بالوقود الأحفوري انبعاث ملوثات، مثل: أكاسيد النيتروجين، وأكاسيد الكبريت، وثاني أكسيد الكربون، وأول أكسيد الكربون، والجسيمات المعلقة، والغازات العضوية، والهيدروكربونات العطرية متعددة الحلقات.[7]

تشعر المنظمات العالمية والوكالات الدولية، مثل وكالة الطاقة الدولية، بالقلق إزاء الأثر البيئي لصناعة الطاقة باستخدام الوقود الأحفوري، وتحديدًا الفحم الحجري. يُسهم حرق الفحم الحجري إلى حد كبير في تكون المطر الحمضي، وتلوث الهواء، بالإضافة إلى ارتباطه بالاحتباس الحراري. يصعب إزالة الشوائب من الفحم الحجري قبل حرقه بسبب تركيبه الكيميائي. تسبب المحطات الحديثة لتوليد الطاقة بالفحم الحجري تلوثًا أقل مقارنةً بالتصاميم القديمة، ويعود السبب للتقنيات الحديثة (جهاز غسل الغاز) التي تعمل على تصفية هواء العوادم في المداخن.

رغم ذلك لا تزال مستويات انبعاث الملوثات المختلفة في المتوسط أكبر بعدة مرات من محطات توليد الطاقة بالغاز الطبيعي. تنقل أجهزة غسل الغاز الملوثات الملتقطة إلى مياه الصرف الصحي، ويتطلب الأمر معالجة لتجنب تلوث الأجسام المائية. في التصميمات الحديثة لمحطات الطاقة، يأتي التلوث الناجم عن محطات الطاقة الفحمية نتيجة انبعاث عدد من الغازات في الهواء، مثل: ثاني أكسيد الكربون، وأكاسيد النيتروجين، وثاني أكسيد الكبريت، فضلًا عن الكميات الكبيرة من مياه الصرف الصحي، والتي من الممكن أن تحتوي على الرصاص، والزئبق، والكادميوم، والكروم، بالإضافة إلى الزرنيخ، والسيلينيوم، ومركبات النيتروجين (النترات والنيتريت).[8]

ينتج المطر الحمضي عن انبعاث أكاسيد النيتروجين وثاني أكسيد الكبريت. تكون هذه الغازات بطبيعتها حمضية قليلًا، وتنتج عند تفاعلها مع الغلاف الجوي مركبات حمضية، مثل: حمض الكبريت، وحمض النيتريك، وحمض الكبريتيك، التي تسقط كالمطر ويعبر عنها بمصطلح المطر الحمضي. تسببت قوانين الانبعاثات الصارمة وانحدار الصناعات الثقيلة في أوروبا والولايات المتحدة، في الحد من المخاطر البيئية المرتبطة بهذه المشكلة، ما أدى إلى انخفاض الانبعاثات بعد الذروة التي بلغتها في الستينيات من القرن العشرين.

وثقت الوكالة الأوروبية للبيئة عام 2008، عوامل الانبعاثات المعتمدة على الوقود بالاستناد إلى الانبعاثات الفعلية من محطات الطاقة في الاتحاد الأوروبي.[9]

يُعرف التوليد المشترك باستخدام محطات الطاقة الحرارية لتوفير الطاقة الكهربائية والحرارية معًا، وتستخدم الطاقة الحرارية لأغراض التدفئة. لا يقتصر استخدام هذه التقنية لأغراض التدفئة المنزلية فحسب، بل يمتد لتسخين العمليات الصناعية التي تحتاج في الغالب إلى درجات حرارة عالية، وتشير الحسابات إلى أن عملية التدفئة المناطقية (شبكة التدفئة) هي الطريقة الأرخص لخفض انبعاثات الكربون، في حال بقي الوقود الأحفوري التقليدي بحاجةٍ إلى الحرق.

• بوابة طاقة