علوم القطيف مقالات علمية في شتى المجالات العلمية
تُمَكِّن تقنية احتجاز الكربون وتخزينه التقاط ما يقارب ٩٠٪ من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون الناتجة عن استخدام الوقود الأحفوري في توليد الكهرباء والعمليات الصناعية ، مما يمنع ثاني أكسيد الكربون من دخول الغلاف الجوي.
وعلاوة على ذلك ، يُعَد احتجاز الكربون وتخزينه واستخدام الكتلة الحيوية (بقايا الحيوان والنباتات) في انتاج الطاقة المتجددة أحد تقنيات تقليل الكربون القليلة التي يمكن استخدامها في الوضع “السلبي للكربون” مما يؤدي في الواقع إلى إخراج ثاني أكسيد الكربون من الغلاف الجوي.
وتتكون سلسلة احتجاز الكربون وتخزينه من ثلاثة أجزاء:
- الاستيلاء على ثاني أكسيد الكربون
- نقل ثاني أكسيد الكربون
- تخزين ثاني أكسيد الكربون بشكل آمن تحت الأرض في حقول النفط والغاز المستنفدة أو تكوينات المياه الجوفية المالحة العميقة.
وتسمح تقنيات الالتقاط – أولا – بفصل ثاني أكسيد الكربون عن الغازات المُنتَجَة في توليد الكهرباء والعمليات الصناعية بإحدى الطرق الثلاث: التقاط ما قبل الاحتراق ، والتقاط ما بعد الاحتراق ، واحتراق الأكسجين.
ثم يُنْقَل ثاني أكسيد الكربون عن طريق خطوط الأنابيب أو عن طريق السفن للتخزين الآمن. ويتم بالفعل نقل ملايين الأطنان من ثاني أكسيد الكربون سنويًا للأغراض التجارية بواسطة ناقلات الطرق والسفن وخطوط الأنابيب. وتمتلك الولايات المتحدة أربعة عقود من الخبرة في نقل ثاني أكسيد الكربون عبر خطوط الأنابيب لاستخدامه في مشاريع استخلاص النفط المحسنة.
ويتم تخزين ثاني أكسيد الكربون – عادة – في تكوين صخري جيولوجي ، منتقى بعناية ، ويقع عادة على بعد عدة كيلومترات تحت سطح الأرض.
وفي كل نقطة في سلسلة احتجاز الكربون وتخزينه ، من الإنتاج إلى التخزين ، تحتفظ الصناعة بعدد من تقنيات العمليات المفهومة جيدًا ، ولديها سجلات ممتازة للصحة والسلامة. وينطوي التبني التجاري لمشاريع احتجاز الكربون وتخزينه على اعتمادٍ واسع النطاق لتقنيات احتجاز وتخزين الكربون ، إلى جانب تقنيات المراقبة القوية واللوائح والضوابط الحكومية.
وهناك ١٠ حقائق عن احتجاز الكربون وتخزينه هي:
- معالجة تغير المناخ دون احتجاز الكربون وتخزينه ستكون أكثر تكلفة
- احتجاز الكربون وتخزينه ينطبق على المصادر الصناعية لثاني أكسيد الكربون ، وليس فقط محطات انتاج الكهرباء التي تعمل بالوقود الأحفوري
- ينتج عن الكتلة الحيوية واحتجاز ثاني أكسيد الكربون وتخزينه انبعاثات سلبية لثاني أكسيد الكربون
- احتجاز الكربون وتخزينه يحدث على أرض الواقع بالفعل في أكثر من دولة في العالم
- تقنية احتجاز الكربون وتخزينه تساهم في خلق وظائف جديدة في العالم
- عمليات احتجاز ثاني أكسيد الكربون وتخزينه ونقله تتم بأمان ولعقود طويلة
- تعمل محطات انتاج الكهرباء التي تُشَغَل بالوقود الأحفوري حتى لو لم يكن الطقس عاصفًا أو مشمسًا ، لذا فإن المحطات المنخفضة الكربون والمزودة بتقنية احتجاز ثاني أكسيد الكربون تعد معينة ومعززة لمصادر الطاقة المتجددة المتقطعة والطاقة النووية الغير مرنة
- بالإمكان إعادة استخدام أنابيب النفط والغاز غير المستخدمة لنقل ثاني أكسيد الكربون
- تقنية احتجاز الكربون وتخزينه تمثل تكنولوجيا رئيسية
- بالإمكان استخدام الهيدروجين المنتج في منشآت “التقاط ما قبل الاحتراق” لتشغيل المركبات.
الإلتقاط
المرحلة الأولى في عملية احتجاز ثاني أكسيد الكربون وتخزينه هي التقاط ثاني أكسيد الكربون المنبعث أثناء حرق الوقود الأحفوري ، أو نتيجة للعمليات الصناعية مثل صناعة الأسمنت أو الفولاذ ، أو المنتج في الصناعة الكيميائية.
وتعمل تقنيات الالتقاط على فصل ثاني أكسيد الكربون عن الغازات الناتجة عن توليد الكهرباء ويمكن إجراؤه بثلاث طرق مختلفة على الأقل: التقاط ما قبل الاحتراق ، والتقاط ما بعد الاحتراق ، واحتراق وقود الأكسجين. كما تستخدم طرق مماثلة للعمليات الصناعية.
ويمكن بناء محطات توليد الكهرباء ، التي تعمل بالوقود الأحفوري ، واضافة تقنية تكاملية لالتقاط الكربون ، أو يمكن بناؤها جاهزة بقدرات لالتقاط الكربون ، مما يمكنها من احتجازه في المستقبل.
التقاط ما قبل الاحتراق
يشمل نظام ما قبل الاحتراق تحويل الوقود الصلب أو السائل أو الغازي أولاً إلى خليط من الهيدروجين وثاني أكسيد الكربون باستخدام إحدى العمليات المتعددة مثل “التغويز Gasification” أو “الإصلاح Reforming “.
إن عملية إصلاح الغاز معروفة وراسخة وتستخدم بالفعل على نطاق واسع في المصافي والمصانع الكيميائية في جميع أنحاء العالم ، ويُمَارَس التغويز على نطاق واسع في جميع أنحاء العالم ، وهو مشابه في بعض النواحي لذلك المستخدم لسنوات عديدة لإنتاج غاز المدينة وهو الغاز المصنع لبيعه على المستهلكين في المدن.
ويمكن استخدام الهيدروجين الناتج عن هذه العمليات ، ليس فقط لتغذية إنتاج الكهرباء ، ولكن لتشغيل السيارات وتسخين المنازل بدون انبعاثات في المستقبل أيضًا.
التقاط ما بعد الاحتراق
يمكن التقاط ثاني أكسيد الكربون من عادم عملية الاحتراق عن طريق امتصاصه في مذيب مناسب ، وهذا ما يسمى التقاط ما بعد الاحتراق ، ويتم تحرير ثاني أكسيد الكربون الممتص من المذيب ، ثم ضغطه للنقل والتخزين.
وتشمل الطرق الأخرى لفصل ثاني أكسيد الكربون:
- ترشيح الأغشية ذات الضغط العالي
- عمليات الامتزاز / الانتزاز [ adsorption/desorption] ؛ {عملية الامتزاز هي تراكم ذرات أو جزيئات مائع على سطح مادة صلبة ، وتخلق هذه العملية طبقة من الجزيئات أو الذرات التي تراكمت بكثافة على السطح وتعرف بالعملية التي تحتفظ بها المادة الصلبة بجزيئات من الغاز أو السائل أو الذوبان كغشاء رقيق ؛ أما عملية الانتزاز فهي عملية عكسية يتم من خلالها إطلاق مادة من سطح أو من خلاله}
- الفصل المبرد [ Cryogenic Separation ] .
أنظمة احتراق وقود الأكسجين
في عملية احتراق وقود الأكسجين ، يتم فصل الأكسجين المطلوب عن الهواء قبل الاحتراق ، ويتم حرق الوقود في الأكسجين المخفف بغاز المداخن المعاد تدويره بدلاً من الهواء.
وينتج عن هذا الجو الغني بالأكسجين والخالي من النيتروجين غازات المداخن النهائية التي تتكون بشكل رئيسي من ثاني أكسيد الكربون والماء ، مما ينتج تيارًا أكثر تركيزًا من ثاني أكسيد الكربون لتسهيل التنقية.
النقل
بمجرد التقاط ثاني أكسيد الكربون ، يجب نقله عن طريق خط الأنابيب أو السفينة للتخزين في موقع مناسب.
ان التقنيات المستخدمة في نقل ثاني أكسيد الكربون عبر خطوط الأنابيب هي نفسها المستخدمة على نطاق واسع حول العالم لنقل الغاز الطبيعي والنفط والعديد من السوائل الأخرى.
وفي بعض الحالات ، قد يكون من الممكن إعادة استخدام خطوط الأنابيب الحالية الزائدة عن الحاجة. ويتم حاليًا نقل ثاني أكسيد الكربون للأغراض التجارية بواسطة ناقلات الطرق والسفن وخطوط الأنابيب ، حيث يختار كل مشروع احتجاز وتخزين الكربون الطريقة الأنسب لنقل ثاني أكسيد الكربون ، ويخضع النقل للتخطيط ولوائح الصحة والسلامة. وقد تم تشغيل شبكات تجارية كبيرة من خطوط أنابيب ثاني أكسيد الكربون لأكثر من 30 عامًا ، بسجلات أمان وموثوقية ممتازة.
وتوجد إمكانات كبيرة لتطوير البنية التحتية المحلية والإقليمية لخطوط أنابيب احتجاز ثاني أكسيد الكربون وتخزينه ، مما يؤدي إلى انشاء تكتلات لاحتجاز ثاني أكسيد الكربون وتخزينه ، حيث يمكن تحديد موقع صناعات ثاني أكسيد الكربون الكثيفة. ويؤدي تطوير التكتلات ، التي تُمَكِن تقاسم البنية التحتية من قبل عدد من المصادر الصناعية لانبعاثات ثاني أكسيد الكربون ، إلى الطريقة الأكثر فعالية من حيث التكلفة لتطوير البنية التحتية لاحتجاز ثاني أكسيد الكربون وتخفيض التكاليف على المستهلكين في نهاية المطاف.
التخزين
بمجرد نقل ثاني أكسيد الكربون ، يتم تخزينه في تكوينات جيولوجية مسامية تقع عادةً على بعد عدة كيلومترات تحت سطح الأرض ، تحت ضغط عال ودرجات حرارة عالية بحيث يكون ثاني أكسيد الكربون في الحالة السائلة أو “المرحلة فوق الحرجة”. وتشمل مواقع التخزين المناسبة حقول سابقة للغاز والنفط ، وتشكيلات ملحية عميقة (صخور مسامية مملوءة بمياه مالحة للغاية) ، أو حقول النفط والغاز المستنفذة التي قد يؤدي حقن ثاني أكسيد الكربون فيها الى زيادة كمية النفط المستخلص منها. ومن المرجح استخدام مكامن النفط والغاز المستنفدة في المشروعات المبكرة ، حيث تتوفر بالفعل معلومات شاملة من التقييمات الجيولوجية والهيدروديناميكية. كما تمثل طبقات المياه الجوفية المالحة العميقة أكبر سعة تخزين محتملة على المدى الطويل لثاني أكسيد الكربون ، رغم قلة معرفة وتقييم وضعها حاليًا.
وفي موقع التخزين ، يتم حقن ثاني أكسيد الكربون تحت الضغط في التكوين الجيولوجي. وبمجرد الحقن ، يتحرك ثاني أكسيد الكربون إلى أعلى عبر موقع التخزين حتى يصل إلى طبقة غير نفاذية من الصخور (التي لا يمكن ثاني أكسيد الكربون اختراقها) تغطي موقع التخزين ؛ تُعرف هذه الطبقة باسم صخرة الغطاء وتحجز ثاني أكسيد الكربون في تكوين التخزين. وتسمى آلية التخزين هذه “التخزين الهيكلي”.
ويمثل التخزين الهيكلي آلية التخزين الأساسية في احتجاز الكربون وتخزينه وهي نفس العملية التي أبقت النفط والغاز الطبيعي محاصرين بشكل آمن تحت الأرض لملايين السنين ، مما يوفر الثقة في إمكانية تخزين ثاني أكسيد الكربون بأمان إلى أجل غير مسمى. وبينما يتحرك ثاني أكسيد الكربون المحقون إلى أعلى عبر موقع التخزين الجيولوجي باتجاه صخرة الغطاء ، يبقى جزء منه في مسام الصخور المجهرية ، ويكون محاصرًا بإحكام في مسامات الطبقة بآلية تعرف باسم “التخزين المتبقي”.
وبمرور الوقت ، يبدأ ثاني أكسيد الكربون المُخَزَّن في التكوين الجيولوجي في الذوبان في الماء المالح المحيط به ، وهذا يجعل الماء المالح أكثر كثافة ويبدأ في الهبوط إلى أسفل طبقة التخزين ، ويُعرف هذا باسم “تخزين الذوبان”. وأخيرًا ، يحدث “تخزين المعادن” عندما يرتبط ثاني أكسيد الكربون الموجود داخل موقع التخزين كيميائيًا وبالصخور المحيطة بلا رجعة.
ومع تغير آليات التخزين بمرور الوقت من الهيكلية إلى المتبقية ، والذوبان ثم تخزين المعادن ، يصبح ثاني أكسيد الكربون أقل وأقل حركية ، ولذلك كلما تم تخزين أطول لثاني أكسيد الكربون ، قلَّ خطر أي تسرب.
وهناك بالفعل خبرة كبيرة في حقن ثاني أكسيد الكربون في أعماق الأرض للتخزين في عدد من مشاريع احتجاز وتخزين ثاني أكسيد الكربون على المستوى الصناعي في مواقع تخزين تم اختيارها بعناية ، حيث تشير دلائل المراقبة إلى أن ثاني أكسيد الكربون قد تم حجزه بشكل كامل وآمن في التكوينات الجيولوجية. وقد تم تخزين ثاني أكسيد الكربون لأكثر من 30 عامًا في مشاريع تحسين استخلاص النفط. ومشاريع التخزين مستمرة بنجاح ، فعلى سبيل المثال ، يعمل مشروع سليبنر منذ عام 1996 م. وتشمل المشاريع الأخرى مشروع شركة بريتش بتروليوم في لنصلاح ( ln Salah ) في الجزائر ومشروع ويبرن-ميديل ( Weyburn-Midale ) في كندا.
وفي تقرير خاص عن احتجاز ثاني أكسيد الكربون وتخزينه ، خلصت الهيئة الحكومية الدولية المعنية بتغير المناخ (IPCC) إلى أنه في مواقع التخزين التي تم اختيارها وادارتها بعناية ، من المحتمل أن تتجاوز نسبة ثاني أكسيد الكربون المحتفظ به ٩٩ ٪ على مدى ١٠٠٠ عام. وتم عمل تقدير مخاطر إطلاق ثاني أكسيد الكربون والمساهمة في تغير المناخ بناءً على ملاحظات وتحليل مواقع تخزين ثاني أكسيد الكربون الحالية والأنظمة الطبيعية والأنظمة الهندسية والنماذج ، حيث لاحظت الهيئة الحكومية الدولية المعنية بتغير المناخ أن الكسور المماثلة المحتفظ بها من المحتمل أن تستمر لفترات أطول من الزمن بالنظر إلى الأدوار المتطورة لآليات الاصطياد trapping mechanisms المختلفة مما يقلل من مخاطر التسرب.
استخلاص محسن للهيدروكربونات
وبصرف النظر عن التخزين النقي ، يمكن أيضًا استخدام ثاني أكسيد الكربون الذي يتم التقاطه لتحسين استخلاص الهيدروكربونات ، وهذا يشمل الاستخلاص المحسن للنفط (EOR) ، والاستخلاص المحسن للغاز (EGR) ، واستخلاص الميثان المحسن من طبقات الفحم الحجري (ECBM).
وبخلاف ذلك ، لن يتم استخراج أي نفط أو غاز يتم استعادته من خلال هذه الطرق ، وبالتالي فإن له قيمة اقتصادية تعوض بدورها عن بعض تكاليف عزل ثاني أكسيد الكربون. ووجد تقريرٌ نُشِر في عام ٢٠١٠ م من قبل وزارة الطاقة وتغير المناخ في المملكة المتحدة أن “الجمع بين الاستخلاص المحسن لثاني أكسيد الكربون (CO2-EOR) والتخزين الدائم لثاني أكسيد الكربون في مكامن النفط لديه القدرة على توفير حل حاسم على المدى القريب للحد من انبعاثات غازات الدفيئة”.
وعلاوة على ذلك ، وجدت دراسة أجرتها جامعة دورهام (أسست في عام ١٨٣٢ م ، وهي ثالث أقدم جامعة في إنجلترا بعد جامعتي أكسفورد وكامبرج ، ويقع حرمها الجامعي في مدينة دورهام) أن ثاني أكسيد الكربون الذي تم التقاطه من خلال احتجاز ثاني أكسيد الكربون وتخزينه واستخدامه في الاستخلاص المحسن للنفط يمكن أن يؤدي إلى الحصول على 150 مليار جنيه استرليني من انتاج النفط من حقول النفط الموجودة في بحر الشمال وحدها ، التي لم يكن انتاج هذا النفط منها ممكنًا بدون حقن ثاني أكسيد الكربون. وسيكون انتاج النفط هذا ذا قيمة اقتصادية كبيرة للمملكة المتحدة أيضًا ، حيث سيضيف حوالي 60 مليار جنيه إسترليني إلى الخزانة.
الاستخلاص المحسن للنفط
يحدث إنتاج النفط التقليدي على ثلاث مراحل: الأولية والثانوية والثالثية. ففي المرحلة الأولية ، يدفعه الضغط الطبيعي في طبقات الزيت باتجاه آبار الإنتاج ثم الى السطح، وبمساعدة المضخات أو الآليات الأخرى. ويكون الإنتاج الثانوي عادة بمساعدة حقن الماء في مكمن النفط لزيادة الضغط ودفع الزيت مرة أخرى نحو آبار الإنتاج. أما الاستخلاص المحسن للنفط (EOR) فهو طريقة ثالثة لاستخلاص النفط ويمكن أن يتيح استخراج كميات إضافية كبيرة من النفط.
وهناك طريقتان رئيسيتان للاستخلاص المحسن للنفط باستخدام ثاني أكسيد الكربون: تستخدم إحداهما ثاني أكسيد الكربون فقط ، بينما تستخدم العملية الأخرى الحقن المتبادل لثاني أكسيد الكربون والماء ، لدفع الزيت عبر المكمن ونحو آبار الإنتاج. ومن المتوقع أن يتم استخدام العملية الأخيرة في معظم الحقول نظرًا لكون وقت استرداد الاستثمار أقصر بشكل عام.
الاستخلاص المحسن للغاز (EGR)
يمكن تحقيق الاستخلاص المحسن للغاز باستخدام ثاني أكسيد الكربون لأنه أثقل من الغاز الطبيعي ، حيث يتم حقن ثاني أكسيد الكربون في أسفل مكمن غاز مستنفد وسوف يميل إلى التجمع هناك ، مما يؤدي إلى “تعويم” أي غاز طبيعي متبقٍ فوقه ، وهذا بدوره يدفع الغاز الطبيعي نحو آبار الإنتاج. ومع ذلك ، فإن النسبة المحتملة لاستخلاص الغاز المحسن صغيرة ، نظرًا لأنه يمكن استخلاص نسبة عالية من الغاز الطبيعي الموجود في العديد من حقول الغاز دون استخدام تقنيات الاستخلاص المحسنة.
استخلاص الميثان المحسن من طبقات الفحم الحجري (ECBM)
يمكن أن تكون طبقات الفحم الحجري (المعروفة أيضًا بدرزات الفحم) مكامن للغازات ، بسبب الكسور والبثور الدقيقة حيث يمكن العثور على الغاز الطبيعي ، المعروف باسم غاز ميثان الفحم الحجري (CBM) ، ممتزًا على السطح. ومع ذلك ، فإن لدى ثاني أكسيد الكربون تقارب امتزاز في الفحم الحجري أكبر من غاز الميثان. وبالتالي ، إذا تم ضخ ثاني أكسيد الكربون في بدرزات الفحم الحجري في نهاية مشروع إنتاج غاز الميثان من الفحم الحجري ، فإنه يقوم بإزاحة أي غاز متبقٍ في مواقع الامتزاز (مما يسمح باستخلاص الميثان كما يسمح بتخزين ثاني أكسيد الكربون).
تم إجراء التجارب في حوض سان خوان (حوض هيكلي جيولوجي يقع بالقرب من منطقة فور كورنرز Four Corners في جنوب غرب الولايات المتحدة ويغطي 7500 ميل مربع ويتواجد في شمال غرب ولاية نيومكسيكو وجنوب غرب ولاية كولورادو وأجزاء من ولايتي يوتا وأريزونا. على وجه التحديد ، يشغل الحوض مساحة في مقاطعات سان خوان وريو أريبا وساندوفال وماكينلي في نيو مكسيكو ، ولا بلاتا وأرتشوليتا في كولورادو. ويمتد على بعد 100 ميل (160 كم) من الشمال الى الجنوب و 90 ميل (140 كم) من الشرق الى الغرب) ، وتبين أن حقن ثاني أكسيد الكربون أدى إلى تحسين إنتاج ميثان الفحم الحجري. وتجري تجارب ميدانية على نطاق أصغر لإنتاج غاز ميثان الفحم الحجري باستخدام ثاني أكسيد الكربون في أوروبا وكندا واليابان.
وعلى الرغم من ذلك ، هناك مشاكل تصاحب استخلاص الميثان المحسن من طبقات الفحم الحجري ؛ فعلى سبيل المثال قد تكون هناك حاجة إلى عدد كبير من الآبار لحقن كميات كافية من ثاني أكسيد الكربون بسبب النفاذية المنخفضة بدرزات الفحم الحجري. وعلاوة على ذلك ، لا يمثل غاز الميثان الموجود في الفحم الحجري سوى نسبة صغيرة من قيمة الطاقة للفحم الحجري ، ولا يمكن تعدين الفحم المتبقي أو تغويزه تحت الأرض دون إطلاق ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي. وأخيرًا ، يعد غاز الميثان من غازات الدفيئة أكثر فاعلية بكثير من غاز ثاني أكسيد الكربون ، لذلك يجب اتخاذ خطوات لضمان عدم حدوث تسربٍ للميثان الى الغلاف الجوي.
*تمت الترجمة بتصرف
المصدر:
http://www.ccsassociation.org/what-is-ccs