يستخدم الفحم الحجري بشكل كبير حول العالم، وبشكل رئيس من أجل توليد الكهرباء وإرجاع فلزات الحديد الخام في مصانع الفولاذ بما أن مصادر الفحم الحجري كبيرة جداً والفحم الحجري متوافر بكثرة في العديد من المناطق هناك اهتمام كبير في توسيع استعمال الفحم الحجري. غير أن الاحتراق التقليدي للفحم الحجري يحمل معه ضرائب بيئية مهمة، من ضمنها انبعاثات غازات NO و SO وجسيمات دقيقة، التي يمكن بمجموعها أن تسبب تأثيرات صحية كبيرة. أيضاً، بسبب النسبة العالية للكربون - إلى- الهيدروجين، يُنتج الفحم الحجري كميات أكبر بكثير من غاز CO₂ بوحدة طاقة الخرج بالمقارنة مما تنتجه أنواع الوقود الأحفوري الأخرى. وقد أدى ذلك إلى أبحاث مهمة في ما يسمى تكنولوجيا الفحم النظيف» (Clean Coal) التي تسعى إلى تخفيض التأثيرات البيئية لاستخدام الفحم. بما أن مصادر الفحم هي أكثر بكثير من كل من مصادر النفط والغاز وموزعة على نطاق واسع حول العالم، هناك أيضاً مسعى كبير من البحث موجه إلى تحويل الفحم الحجري إلى مصادر يمكن نقلها بشكل أكبر ومن السهل استخدامها على شكل وقود سائل وغازي مشتق من الفحم الحجري. في المستقبل، عندما تصبح مخزونات الغاز والنفط التقليدية قليلة وبالتالي مكلفة، يمكن أن يكون هناك حاجة إلى الاعتماد على الفحم الحجري كمصدر للمواد الأولية الكربوهيدراتية من أجل إنتاج المواد الكيميائية والبلاستيكية.

إن معظم محطات الطاقة الكهربائية التي تعمل على الفحم الحجري تستخدم اليوم تكنولوجيا الوقود المسحوق أو Pulverized) (Fuel - PF ، حيث يتم فيها طحن الفحم إلى مسحوق ناعم جداً، وبعدئذ يُنفخ إلى حجرة الاحتراق في المرجل حيث يُحرق بشكل معلق. يرفع مرجل تقليدي ضغط البخار إلى حوالى 165 بار، وإلى درجة حرارة تصل إلى حوالي 565 درجة مئوية. ضمن هذه الظروف تكون الكفاءة الحرارية الكلية لمنشأة توليد الطاقة الكهربائية، مأخوذة كنسبة القدرة الكهربائية المتولدة إلى معدل استهلاك الفحم، أقل من 40 في المئة بقليل. وتبين القوانين الأساسية للثرموديناميك أنه يمكن الحصول على كفاءة حرارية متزايدة بزيادة متوسط درجة حرارة البخار، ولذلك يبحث المهندسون دائماً عن طرق لتنفيذ ذلك. هناك الآن انتشارها تجارياً تعتمد على رفع ضغط البخار إلى ما طريقة يتم يدعى الضغوطات فوق الحرجة»، حيث لا يتغير فيها طور البخار في المرجل من بخار إلى سائل مطلقاً، لكن يبقى مائعاً بطور وحيد وكثيف جداً. ثم يتم نقل الحرارة في المرجل إلى هذا المائع ذي الكثافة العالية عند متوسط درجة حرارة أعلى بكثير من درجة الحرارة التي يمكن تحقيقها في مرجل تقليدي، حيث يتم أولاً تحويل كل الماء إلى بخار عند درجة حرارة منخفضة ومن ثم تسخينه (Super Heat) إلى درجة حرارة أعلى تعمل هذه المنشآت فوق الحرجة عند ضغط حوالى 240 ،بار ونتيجة ذلك تزداد الكفاءة الحرارية إلى حوالى 44 في المئة. على الرغم من هذه العملية يمكن أن تبدو إنجازاً متواضعاً إلى حدٍ ما مقارنة بـ 40 في المئة كفاءة تقريباً حققت بواسطة محطات الطاقة التقليدية، إلا أنها تمثل تخفيضاً قيماً 10 في المئة في كمية الوقود المطلوبة لتوليد كمية معينة من الكهرباء، وفي حجم انبعاثات غاز CO₂ الناتج هناك أكثر من400 منشأة كهربائية فوق حرجة تم إنشاؤها الآن عالمياً، وستصبح هذه التكنولوجيا بسرعة معياراً جديداً لمحطات الطاقة التي تعمل على الفحم الحجري المطحون هناك طرق أخرى لاستخدام الفحم الحجري مباشرة في توليد الطاقة الكهربائية بكفاءة حرارية عالية وانبعاثات أقل هي أيضاً قيد التطوير، لكنها لم تحقق تسويقاً واسع الانتشار بعد من هذه الطرق عملية الطبقة المائعة المضغوطة حيث يُحرق الفحم في وعاء مضغوط محكم، ما يتيح إمكانية استخدام غازات الاحتراق الحارة لإدارة توربين غازي، بينما يتم توليد البخار في الوقت نفسه باستخدام أنابيب نقل الحرارة المغطسة في الطبقة المميعة، إن الفائدة من هكذا نظام هي زيادة الكفاءة التي أصبحت ممكنة بتشغيل كل من التوربين الغازي والتوربين البخاري بطريقة الدارة المركبة (الموصوفة أدناه التي يمكن أن تؤدي إلى كفاءة حرارية بقيم تصل إلى 50 في المئة. ويبقى الكثير من عمل التطوير بحاجة إلى الإنجاز لكي يضمن أن غازات الاحتراق لن تضر التوربين الغازي بسبب جسيمات الرماد المحمولة والناتجة من عملية الاحتراق.

إن كلاً من عمليتي تحويل الفحم الحجري إلى غاز (Gasification) وتسييله (Liquefaction) قد درستا بشكل مكثف واستخدمتا في الماضي لإنتاج الكربوهيدرات السائلة والغازية المشتقة من الفحم. وبسبب التوافر الكبير للمصادر التقليدية للنفط والغاز في النصف الثاني من القرن العشرين، لم يتم استثمار هذه المصادر كثيراً. يمكن لهذه الحالة أن تتغير كثيراً مع النضوب المتزايد لهذه المصادر التقليدية وازدياد ثمنها، لذا يمكن للفحم الحجري أن يستخدم بكثرة ثانية لإنتاج الوقود السائل والغازي. لقد كان تحويل الفحم إلى غاز مستخدماً منذ بدايات القرن التاسع عشر لإنتاج غاز من الفحم أو غاز المدينة» (Town as)، وهو بشكل أساسي خليط ذو قيمة حرارية ضعيفة مكوّن من أول أكسيد الكربون والهيدروجين. ولإنتاج هذا الغاز يقوم محول الفحم إلى غاز بتسخين الفحم الحجري بوجود الأكسجين والبخار، بحيث يتفكك الفحم إلى مزيج قابل للاحتراق من أول أكسيد الكربون والهيدروجين ونواتج أخرى. ويمكن بعد ذلك توزيع غاز المدينة القابل للاحتراق إلى المنازل والمصانع ليتم استخدامه للإنارة ولتأمين التدفئة والوقود للعمليات الصناعية. وقد تم استبدال توليد وتوزيع هذا الوقود المهم في القرن العشرين نتيجة التوافر الكبير للغاز الطبيعي الذي يستخدم الآن كثيراً في العمليات الصناعية والتدفئة في الأبنية السكنية والتجارية، بالإضافة إلى توليد الكهرباء، إلا أن التقنية الأساسية لتحويل الفحم الحجري إلى غاز التي طورت بالأصل لإنتاج غاز المدينة قد تم تعديلها وتحسينها للاستخدام في منشآت توليد الطاقة الكهربائية المعروفة بـ دورة التغويز المتكاملة - Integrated Gasification Combined Cycle) المتطورة، ولإنتاج الغاز الصناعي (Syngas) كمادة أولية من أجل تركيب الوقود السائل في عمليات تحويل الغاز إلى سوائل.(GTL)

مكنت عملية توليد الطاقة الكهربائية بواسطة (IGCC) غاز الفحم الحجري ليُستخدم كوقود من أجل التوربين الغازي، الذي يولد الكهرباء ويوفّر أيضاً غازات العادم الحارة لتوليد البخار في مرجل لكي يستخدم لاحقاً في توربين بخاري تقليدي. يُقدم هذا التركيب لكل من التوربين الغازي والتوربين البخاري (الدارة المركبة)، الذي هو مماثل للتركيب المستخدم في منشآت الطاقة الحديثة ذات الدارة المركبة التي تعمل على الغاز الطبيعي، كفاءة أعلى بكثير من منشأة طاقة بسيطة بخارية تعمل على الفحم نوع (PF) بسبب درجات الحرارة العالية المحققة في التوربين الغازي. وفي الحقيقة أنه عندما تتم في البدء معالجة الفحم إلى وسائط غازية يعني أن المواد الصلبة التي تبقى بعد تحويل الفحم إلى غاز هي في الأغلب رماد يبقى في المرجل عوضاً عن تمريره إلى الغلاف الجوي كمادة جسيمية. مع وصول الكفاءة الحرارية الكلية إلى 50 في المئة عوضاً عن أقل بقليل من 40 في المئة، كما هو الحال في منشأة الطاقة الكبيرة التي تعمل على الفحم المسحوق تؤدي أيضاً الدارة المركبة إلى تخفيض كبير في إنتاج غاز CO₂ في الوقت الحالي تم فقط بناء محطات نموذجية قليلة، بشكل أوّلي لتوضيح التكنولوجيا ولتعمل كوحدات اختبار لتقنيات جديدة في تحويل الفحم إلى غاز. ومع أعمال تطوير لاحقة لتخفيض كلفة منشآت (IGCC) وازدياد كلفة الغاز الطبيعي، فإنها فقط مسألة وقت قبل أن تصبح محطات كهربائية مستقبلية عديدة ذات وحدات عالية الكفاءة، وتصبح (IGCC) تعمل على الفحم مع انبعاثات منخفضة. وإذا استخدم الأكسجين عوضاً عن الهواء كمؤكسد في حراق الفحم، فإن حجم تدفق الغاز أو العادم) سينخفض كثيراً بسبب غياب النيتروجين الذي يشكل 80 في المئة تقريباً . من الهواء المستخدم عادة في الاحتراق التقليدي أو التحويل إلى غاز يتألف الغاز المتدفق رئيسياً من غاز CO₂ عالي التركيز، جاعلاً عملية فصل غاز CO₂ لغرض الحجز والتخزين تناقش في الفقرة التالية) أسهل بكثير وأقل كلفة. إذا أصبح حجز الكربون وتخزينه الطريقة المقبولة للتعامل مع انبعاثات غاز CO₂ من منشآت توليد الطاقة الكهربائية من الفحم الحجري، بعدئذ سوف تكون أنظمة (IGCC) مناسبة أكثر بكثير منشآت الفحم المسحوق التقليدية. هناك فائدة أخرى من التطور الجاري لحراقات هذه المنشآت وهي أنه يمكن استخدام التكنولوجيا في المستقبل لإنتاج الغاز الصناعي (Syngas)، إما كبديل عن الغاز الطبيعي، أو لإنتاج وقود سائل في منشأة تحويل الغاز إلى سوائل عندما يُطلب ذلك.

إن عملية تحويل الفحم الحجري إلى غاز تحت الأرض على المدى الطويل، حيث يتم تحويل الفحم الحجري في مكانه الطبيعي من دون الحاجة إلى استخراجه من المنجم المكلف والمثير للجدل بيئياً، يمكن أن تكون الطريقة المفضلة لتحويل أجزاء كبيرة من مصدر الفحم مباشرة إلى غاز صناعي. يمكن أيضاً لهذه التقنية أن تستخدم من أجل الوصول إلى الفحم الحجري الذي يمكن أن يتعذر الوصول إليه طبيعياً بسبب تواجده في أعماق كبيرة، أو أن إنتاجه ليس اقتصادياً بواسطة طرق الاستخراج التقليدية، ويعتبر تحويل الفحم الحجري إلى غاز تحت الأرض عملية أكسدة جزئية بسيطة إلى حدٍ بعيد حيث يُسخن فيها الفحم لإطلاق المركبات المتطايرة بواسطة الاحتراق المضبوط مع كمية هواء أقل من الكمية المستخدمة في الاحتراق التام، عملياً، تستلزم هذه العملية إحداث ثقبين متباعدين عن بعضهما بعضاً مسافة معينة في الطبقات المجعدة للفحم الحجري. يُنفخ بعدها الهواء أو الأكسجين في أحد طرفي الطبقة المجعدة اليحرق بعض الفحم الحجري جزئياً. بعد ذلك تحوّل الحرارة المولدة باقي الفحم إلى غاز صناعي، ويمكن استخراج هذا الغاز الصناعي من الثقب الثاني لكي يُستخدم مباشرة إما من أجل توليد الكهرباء أو لتركيب الوقود السائل من ناحية المبدأ، تشبه هذه العملية عملية التحويل في المحوّل التقليدي للفحم الحجري إلى غاز، لكنها عملياً أكثر صعوبة بكثير من ناحية ضبط العملية نتيجة الحجم الكبير لطبقات الفحم الحجري المتجعدة وتقلباتها ظهر تحويل الفحم إلى غاز تحت الأرض أولاً في المملكة المتحدة وفي روسيا في العشرينيات والثلاثينيات من القرن الماضي، وبعدئذ تطور أكثر في الولايات المتحدة في السبعينيات. وبسبب الكلفة المنخفضة نسبياً للغاز الطبيعي، والصعوبة في التحكم بعملية تحويل الفحم إلى غاز تحت الأرض، لم تستمر هذه الطريقة إلى مرحلة الإنتاج التجاري الواسع. ومع التطور الإضافي والازدياد بأسعار الغاز الطبيعي، يمكن لهذه التقنية أن تثبت أنها فعالة جداً من ناحية الكلفة في إطلاق الطاقة المحتواة في المصادر الضخمة للفحم الحجري التي لم تعتبر عادة صالحة اقتصادياً.

تم تطوير العمليات الأولى في العالم من أجل تسبيل الفحم الحجري في ألمانيا خلال عشرينيات القرن الماضي لتضمن أنه يمكن التجاوب مع الطلب المتنامي سريعاً على منتجات البترول في بلد ذي احتياطيات صغيرة جداً من النفط الخام، لكن مع وجود مصادر كبيرة من الفحم الحجري. إن عمليات هدرجة (Hydrogenation) الفحم وعمليات فسشر - ترویسش لتحويل الغاز إلى سائل كانت مستخدمة لتركيب الوقود السائل من الفحم الحجري ومن الغاز الصناعي المنتج بواسطة محوّل الفحم إلى غاز. هناك حوالي 24 منشأة هذا النوع لإسالة الفحم تم بناؤها خلال الحرب العالمية الثانية كي لا تعتمد ألمانيا على النفط الخام لتأمين حاجات قواتها المسلحة، وعلى الرغم من تعطل منشآت الهدرجة قبيل نهاية الحرب نتيجة قصف قوات الحلفاء، فإنها كانت قادرة على تأمين معظم بنزين الطيران ذي الجودة العالية المطلوب للقوة الجوية الألمانية (Luftwaffe) حتى عام 1944. إضافة إلى ذلك، فإن تركيب فسشر - تروبسش الأقل تطوراً كان قادراً على تزويد جزء مهم من وقود الديزل وزيوت المحركات المطلوبة للجيش وللنقل المدني بعد الحرب، لم تعد هذه المنشآت منافسة اقتصادياً مع وجود عملية تكرير مخزونات النفط الخام غير المكلفة المتوافرة بشكل متزايد، ولذلك تم التخلي عنها، إن شركة (SASOL) في جنوب أفريقيا هي المنشأة الوحيدة في العالم التي تستخدم هذه التكنولوجيا اليوم لإنتاج الوقود السائل من الفحم، بما فيه البنزين ووقود الديزل. تم بناء المنشأة في عصر التمييز العنصري عندما كانت حكومة جنوب أفريقيا مهتمة باحتمال حظر استيراد النفط، حيث كان سيشل الاقتصاد في بلد لا يملك احتياطيات طبيعية من النفط الخام. وتخدم هذه المنشأة الآن كواجهة عرض للعالم لهذه التكنولوجيا، وتوضح أن التكنولوجيا متوافرة اليوم لإنتاج الوقود السائل مباشرة من الفحم الحجري في عام 2004 أنتجت منشأة (SASOL) أكثر بقليل من5 مليون طن من الوقود السائل والغازي من الفحم الحجري. وبما أن مخزونات النفط التقليدي تصبح نادرة وأكثر غلاء، يمكن أن نشاهد منشآت أكثر مماثلة لهذه تُنتج وقوداً أحفورياً تركيبياً سائلاً.

اخر الاخبار

اخبار العتبة العباسية المقدسة

مستشفى الكفيل يدخل قائمة الاعتماد الدولية بجودة الخدمة وسلامة المرضى

جامعة العميد تقيم ورشة عمل تدريبية في مجال التعليم الطبي الحديث

سماحة السيد الصافي يدعو إلى الاستمرار في تحقيق تراث العلماء الأعلام وتسليط الضوء على فكرهم

شعبة الخطابة الحسينية تختتم الموسم الثامن من مشروع الدورات الصيفية في كربلاء

المزيد

الآخبار الصحية

الأطعمة الحارة.. "سر صغير" يغير صحة قلبك وعقلك

وباء صامت.. الملايين حول العالم مصابون بالسكري دون أن يعلموا !

لماذا ينصح بتناول تفاحة يوميا؟

8 فواكه طبيعية تمنحك نوما هنيئا.. وتخلصك من الأرق

المزيد

الآخبار التكنلوجية

ثلاث علامات على وجود مشاكل خطيرة في محرك السيارة ؟

ماذا نعرف عن اللقاح الروسي ضد السرطان؟

مركبة فضاء تعثر على دليل عن وجود حياة قديمة على المريخ

لتدريب الذكاء الاصطناعي.. الصين تخطط لإنشاء شبكة حوسبة موحدة

المزيد

مواضيع ذات صلة

مصادر جديدة للنفط والغاز

مصادر الطاقة المتجددة

طاقة الكتلة الحيوية

مفاعلات الماء الثقيل

طاقة الرياح

الطلب العالمي على الطاقة

الطاقة والبيئة (الطاقة الأحفورية وتلوث الهواء: من الأثر المحلي إلى التغير المناخي العالمي)

بين التكيف والتلطيف: الاستجابات الفيزيائية لتحدي الاحترار العالمي (التكيف والتلطيف)

الاهتمامات البيئية المحلية

الطاقة الكهرومائية

الطاقة الجيوحرارية

ميزان الطاقة