أنظمة تكسير النفط منخفضة الانبعاثات المتوافقة مع قواعد الكربون لعام 2025

فهم الضغط التنظيمي لتبني أنظمة تكسير نفطية منخفضة الانبعاثات

الظاهرة: زيادة الضغوط التنظيمية على الانبعاثات من مصافي التكرير

تتعرض مصافي النفط في جميع أنحاء العالم لمزيد من التدقيق أكثر من أي وقت مضى، وذلك بسبب تشديد الحكومات لقواعد الانبعاثات الكربونية. خذ على سبيل المثال نظام الاتحاد الأوروبي للتجارة في الانبعاثات، الذي بدأ الآن في فرض غرامات تزيد عن 110 دولارات لكل طن متري على الشركات التي تتجاوز حدود ثاني أكسيد الكربون المسموحة لها. وهناك أيضًا لائحة Euro VI التي تطالب المصافي بخفض الجسيمات الدقيقة في الهواء بنسبة تقارب 30٪ بحلول عام 2025 مقارنة بمستويات عام 2020، وفقًا لبحث نشرته ICCT السنة الماضية. هذه الأنواع من اللوائح لا تحدث فقط في أوروبا. فحوالي ربع الولايات الأمريكية نسخت بشكل أساسي برنامج كاليفورنيا للوقود منخفض الكربون. وفي المقابل، أطلقت الصين نظامها الخاص للسوق الكربونية الوطنية، والذي يشمل تقريبًا 2200 منشأة صناعية مختلفة، كثير منها يقوم بمعالجة النفط الخام عبر عمليات التكسير.

كيف تؤثر أنظمة تكسير النفط على البصمة الكربونية

تُعد وحدات التكسير الحفزي السائل (FCC) مسؤولة عن حوالي 40 إلى 60 بالمائة من البصمة الكربونية لمصفاة النفط، وذلك لأن هذه العمليات تتطلب كمًا كبيرًا من الطاقة لعملياتها الحرارية بالإضافة إلى دورات تجديد الحفازات العديدة. وبحسب بحث حديث من دراسة توازن المواد والطاقة المنشورة في عام 2024، فإن تحديث الأنظمة القديمة للتكسير قد يؤدي فعليًا إلى خفض الانبعاثات من النوع الأول (Scope 1) بنسبة تصل إلى 34 بالمائة لكل برميل يتم معالجته عبر هذه الأنظمة. هناك عدة مجالات يمكن فيها التحسين أن يحدث فرقًا حقيقيًا. أولاً، يساعد ضبط درجات حرارة المفاعل بشكل صحيح في منع التكاثف المفرط للكوك، مما يوفر وحدها ما بين 12 إلى 18 بالمائة من استهلاك الغاز الوقود. ومن بين المكاسب الكبيرة الأخرى تركيب أنظمة استعادة الحرارة المهدرة، والتي تخفض متطلبات البخار بشكل ملحوظ بنسبة تصل إلى 25 بالمائة. ولا ننسَ أيضًا التحول إلى مواد خام مستخلصة من الكتلة الحيوية. إن هذا التغيير وحده يقلل الانبعاثات على مدار دورة الحياة بنسبة تصل إلى 52 بالمائة، مما يجعله من بين أكثر الاستراتيجيات المتاحة تأثيرًا في الوقت الحالي.

دراسة حالة: مصافي النفط الأوروبية التي تلتزم بمعايير يورو السادس ونظام الاتحاد الأوروبي للتجارة في الانبعاثات

حقق تحالف من مصافي منطقة الراين-روهر خفضًا بنسبة 22% في الانبعاثات عبر ست وحدات تكسير في عام 2023 من خلال تدخلات متدرّجة:

بلغت تكاليف المشروع الرأسمالية 740 مليون دولار، مما وفر 210 ملايين دولار سنويًا في رسوم الكربون المُحتملة والمكاسب الإنتاجية، مما يُظهر الحجة الاقتصادية للامتثال.

التكامل الاستراتيجي بين الجوانب البيئية والاجتماعية والحوكمة (ESG) والامتثال في عمليات التكرير

يقوم المشغلون الذين يرغبون في التقدم بربط استراتيجياتهم لمراقبة الانبعاثات بمعايير ESG التي تضع تركيزًا كبيرًا على شدة الانبعاثات الكربونية. وبحسب أحدث توصيات معهد الطاقة لعام 2024، يجب على الشركات دمج تتبع الانبعاثات في الوقت الفعلي مباشرةً في شاشات العمليات اليومية. بل إن بعض الشركات بدأت بالفعل بربط ما يقارب الثلث من مكافآت الإدارة العليا بكيفية تحقيقها لأهداف التخلص من الكربون. تُعد هذه الطريقة إجابةً عن ما يهتم به المستثمرون أكثر في الوقت الحالي فيما يتعلق بالإبلاغ البيئي، ولكن هناك جانبًا آخر أيضًا. فالشركات التي تتبنى هذه الممارسات الآن ستكون في وضع أفضل عندما تواصل أسعار الكربون الارتفاع، وهو ما يتوقعه العديد من الخبراء أن يحدث خلال السنوات القليلة القادمة مع تشديد الحكومات للوائح المتعلقة بالغازات الدفيئة.

ابتكارات في عمليات التكسير منخفضة الانبعاثات وتكنولوجيا المحفزات

عمليات تكسير صديقة للبيئة: تطورات التكسير الهيدروجيني وتقنية FCC

يعمل التكسير الهيدروجيني اليوم بدرجة حرارة أقل بنسبة 15 إلى 20 بالمائة مقارنة بالطرق التقليدية، وعادة ما تكون درجة الحرارة بين 300 و400 درجة مئوية. يعني هذا الانخفاض في درجة الحرارة الحاجة إلى طاقة أقل بشكل عام، مع الحفاظ مع ذلك على مستويات إنتاج قوية. كما شهدت وحدات التكسير الحفزي السائل مؤخرًا تحسينات أيضًا، حيث تجعل تصميمات جديدة للمُجدّد احتراق الوقود أكثر كفاءة بكثير. تساعد هذه التغييرات في تقليل انبعاثات ثاني أكسيد الكربون بنسبة تتراوح بين 12 إلى 18 بالمائة لكل دورة معالجة. أما بالنسبة للمحفزات، فإن الإصدارات المصنوعة من السيليكا-الألومينا تُظهر أيضًا وعدًا حقيقيًا. إذ تزيد هذه المحفزات من معدلات تحويل الهيدروكربونات بنحو 25 بالمائة مقارنة بما كان ممكنًا من قبل، وفقًا للبحث المنشور من قِبل ميزونو وزملائه في عام 2023. تجعل هذه التطورات من الأسهل على مصافي التكرير الامتثال لمتطلبات النظام الأوروبي للتجارة في الانبعاثات.

محفزات الجيل التالي لخفض CO− في أنظمة تكسير النفط

الابتكار في المحفزات ضروري لتحقيق التخلص من الكربون. تُحسّن الزيلولات ذات البنية النانوية المُعدّلة بمعادن الأرض النادرة من كفاءة التكسير، مما يُحقّق سرعة تفاعل أسرع بنسبة 30–40%. أصبحت المحفزات الانتقائية تركز حاليًا على إنتاج الأوليفينات مع تقليل تشكّل الكوك، وهو مصدر رئيسي للانبعاثات المباشرة، ما يُحقق انتقائية للمنتج أعلى بنسبة 10–15% ويقلل من الحاجة لإعادة المعالجة وهدر الطاقة المرتبط بها.

دراسة حالة: محفزات انتقائية تحقّق انخفاضًا بنسبة 18–22% في انبعاثات CO−

في أواخر عام 2023، قام مصفاة قرب هامبورغ بإجراء اختبارات على محفزات FCC معدلة بالكوبالت مباشرة في بيئة الإنتاج الفعلية الخاصة بهم. وبعد حوالي ستة أشهر، لاحظوا انخفاضًا في انبعاثات ثاني أكسيد الكربون ما بين 18 و22 بالمائة مقارنةً بما كانوا يحصلون عليه من المحفزات التقليدية. الأفضل من ذلك؟ ظل إنتاج الديزل كما هو تمامًا طوال هذه الفترة. ما حدث هو أن المحفزات الجديدة نشرت المعدن بشكل أفضل على الأسطح، مما جعل تفاعلات نقل الهيدروجين تعمل بجدٍ أكثر بكثير. كما انتهى الأمر بكمية أقل من الغاز الوقود تذهب سدىً أيضًا. في المجمل، كل هذا أدى إلى توفير حوالي 2.7 مليون يورو سنويًا فقط من شراء عدد أقل من اعتمادات الكربون في الاتحاد الأوروبي. إذن، لدينا هنا دليلٌ على أن الذهاب نحو النظافة البيئية لا يعني دائمًا دفع المزيد من المال.

دمج تقنيات التقاط والتخزين الكربوني في أنظمة تكسير النفط

تقنيات CCUS في المصافي: التطبيق في وحدات التكسير

تلعب أنظمة التقاط والتخزين المعزز للكربون (CCUS) دوراً كبيراً في تقليل انبعاثات ثاني أكسيد الكربون الناتجة عن مصافي النفط، خاصةً فيما يتعلق بوحدات التكسير. في الأساس، تقوم هذه الأنظمة باعتراض الانبعاثات من موقع إنتاجها، وضغطها لتحويلها إلى شكل يمكن نقله، ثم إرسالها إلى أماكن مثل الخزانات الملحية العميقة تحت الأرض لتخزينها على المدى الطويل. وقد أفادت لجنة تغير المناخ في المملكة المتحدة في تقرير لها السنة الماضية بأنه إذا اتخذت الصناعات موقفاً جاداً بشأن اعتماد تقنيات CCUS، فقد نشهد اختفاء نحو نصف انبعاثات المصافي بحلول عام 2035. ولنوضح الأمور بشكل أفضل: تقوم وحدات التكسير بتحويل الهيدروكربونات الثقيلة والكثيفة إلى وقود أخف يفضله المستهلكون حقاً. وتساهم هذه الوحدات تحديداً بنسبة تتراوح بين 15% و25% من إجمالي الانبعاثات الكربونية، لا عجب إذن أنها تأتي على رأس القائمة عندما تفكر الشركات في تحديث مرافقها بأنظمة التقاط الكربون.

حلول التقاط الكربون (CCS) المخصصة لوحدات التكسير الحفزي السائل (FCC)

بدأت وحدات التكسير الحفازي السائل (FCC)، التي تقوم بتحويل زيوت الغاز الثقيلة إلى بنزين قابل للاستخدام، في دمج تقنيات التقاطع والتخزين الجاف للكربون (CCS) المصممة خصيصًا لهذه العمليات ذات الحرارة العالية والمحفزة. يمكن لجيل أحدث من المذيبات القائمة على الأمين أن يلتقط حوالي 90 إلى 95 بالمئة من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون دون استهلاك طاقة إضافية كبيرة من النظام. وبحسب بحث حديث نشرته إنسبينيت في عام 2024، فإن دمج تقنية CCS في عمليات FCC يقلل الانبعاثات الكلية بنحو 18 إلى 22 طنًا متريًا كل ساعة. نحن أيضًا نشهد انتشار أنظمة هجينة بشكل متزايد في الآونة الأخيرة، حيث يتم الجمع بين طرق التقاط ما بعد الاحتراق مع تقنيات الاحتراق بالأكسجين النقي. تميل هذه الأساليب المختلطة إلى أن تكون الأكثر فاعلية في المناطق التي تجاوزت فيها أسعار الكربون 80 دولارًا لكل طن، مما يجعل الاستثمار أكثر جدوى اقتصادية لمديري المصانع الذين يسعون إلى تقليل البصمة البيئية الخاصة بهم.

التوازن بين التكلفة والاستدامة في تبني تقنية CCS

من المؤكد أن التقاط والتخزين الكربوني (CCS) يمتلك مزايا بيئية، لكن اعتماده على نطاق واسع يعتمد على خفض تلك التكاليف وتوحيد السياسات الداعمة. حالياً، يؤدي تطبيق CCS إلى إضافة حوالي 12 إلى 18 دولاراً لكل برميل من النفط المكرر، ومعظم هذه التكاليف تأتي من بناء مرافق التخزين وشبكات النقل. الأخبار الجيدة هي أننا نشهد بعض التطورات المشجعة. إن الأنظمة المعيارية لالتقاط الكربون وشبكات خطوط أنابيب ثاني أكسيد الكربون المشتركة تخفض بالفعل متطلبات الاستثمار الأولية بنسبة تتراوح بين 30 إلى 40 بالمئة في العديد من الحالات. وباستناداً إلى ما ذكرته الحكومة البريطانية في استراتيجيتها لـ CCS لعام 2024، يشير الخبراء إلى أن الجمع بين الحوافز المالية مثل ائتمان ضريبي بقيمة 85 دولاراً لكل طن مع جهود إنتاج كبير للهيدروجين قد يحول بالفعل مشاريع CCS في مصافي التكرير إلى استثمارات مجدية مالياً في أقرب وقت عام 2027.

الرقمنة والذكاء الاصطناعي لتحسين الانبعاثات في عمليات التكسير

تحسين العمليات باستخدام الذكاء الاصطناعي في أنظمة تكسير النفط

تُلقي الأنظمة الحديثة للتعلم الآلي نظرة على جميع أنواع البيانات الصادرة عن عمليات تكسير النفط في الوقت الحالي. فهي تتابع أشياء مثل نوع المواد الخام المستخدمة، وكيفية تغير درجات الحرارة بمرور الوقت، وكفاءة أداء المحفزات قبل إجراء التعديلات في الوقت الفعلي. يمكن لبعض الخوارزميات الذكية للغاية أن تتوقع فعليًا الأوقات المثلى لعمليات التكسير، وعادة ما تكون في فترة تتراوح بين يوم إلى يومين مقبلين. يساعد هذا في تقليل هدر الطاقة في كل مرة تتحول فيها العمليات من حالة إلى أخرى. وبحسب أحدث النتائج الصادرة عن وكالة الطاقة الدولية، فإن المصانع التي نفذت الذكاء الاصطناعي في وحدات التكسير توفر عادةً حوالي 12 إلى ربما 18 بالمئة من تكاليف الطاقة مقارنة بالطرق القديمة التي كان يتوجب فيها على الأشخاص التحكم يدويًا في كل شيء. هذا فرق كبير للغاية إذا أخذنا في الاعتبار ارتفاع تكاليف الطاقة مؤخرًا.

التشغيل الآلي والمراقبة في الوقت الفعلي من أجل كفاءة الطاقة

تتميز وحدات التكسير الحفزي الآن بوجود أجهزة استشعار إنترنت الأشياء التي تقوم بقياس مستويات ثاني أكسيد الكربون وأنماط توزيع الحرارة وكفاءة عمل الحفازات. تقوم هذه الأنظمة الذكية بإجراء تعديلات تلقائية على عوامل مثل نسبة خليط الهواء والوقود وتوقيت حقن البخار ودرجة حرارة تشغيل المفاعلات أثناء سير العمليات. أظهرت أبحاث أجريت السنة الماضية حول التحكم في الانبعاثات باستخدام أجهزة الاستشعار نتائج مثيرة للاهتمام، حيث أثبتت أن هذه التعديلات الصغيرة قادرة على تقليل الغازات الدفيئة الناتجة أثناء التكرير بنسبة تصل إلى 20 بالمئة. بالنسبة للمصافي التي تسعى لتحقيق معايير البيئة دون التأثير على الإنتاج، فإن هذا النوع من المراقبة الفورية يُحدث فرقاً كبيراً.

دراسة حالة: وحدات التكسير الحفزي المُحسَّنة بالذكاء الاصطناعي تقلل استهلاك الطاقة بنسبة 15%

لقد قام أحد مصافي النفط الأوروبية مؤخراً بتركيب أنظمة تحكم تنبؤية مدعومة بالذكاء الاصطناعي لوحدة FCC الخاصة به، مع التركيز بشكل خاص على دورات التجديد التي تستهلك الكثير من الطاقة. وقد حددت أنظمة التعلم الآلي الإعدادات المثلى لحرّاقات ومعدل دوران المحفّزات بناءً على نوع المادة الخام التي تمر في كل لحظة. وبعد تشغيل هذا النظام لمدة 18 شهراً تقريباً، تم تسجيل انخفاض ملحوظ في استهلاك الغاز الطبيعي بنسبة 15%، أي ما يعادل تقريباً 3.2 مليون وحدة حرارية بريطانية لكل برميل معالج. والأمر الأفضل هو أن الكفاءة في التكسير ظلت مرتفعة جداً عند مستوى 99.2%. وتُظهر هذه القصة الناجحة أن منهجيات مماثلة يمكن أن تحقق نتائج جيدة على نطاق واسع، خاصة في المنشآت الكبيرة التي تعالج أكثر من 200 ألف برميل يومياً دون التفريط في معايير الأداء.

أسئلة شائعة

ما هي العوامل الرئيسية التي تقود الضغوط التنظيمية نحو أنظمة التكسير ذات الانبعاثات المنخفضة؟

تجبر لوائح الانبعاثات الصارمة، مثل نظام الاتحاد الأوروبي للتجارة في الانبعاثات و Euro VI، المصافي على اعتماد أنظمة منخفضة الانبعاثات لتجنب الغرامات والامتثال للوائح.

كيف تؤثر أنظمة تكسير النفط على البصمة الكربونية للمصفاة؟

تساهم أنظمة التكسير، وخاصة وحدات التكسير الحفزي السائل (FCC)، بشكل كبير في البصمة الكربونية للمصفاة بسبب الطلب العالي على الطاقة ودورات تجديد المحفزات.

ما التكنولوجيا التي يمكن للمصافي تنفيذها لتقليل الانبعاثات؟

يمكن للمصافي تنفيذ أنظمة استعادة الحرارة المهدرة، والتحول إلى مواد خام مشتقة من الكتلة الحيوية، واعتماد تقنيات CCUS والتحسينات المدفوعة بالذكاء الاصطناعي لتقليل الانبعاثات بشكل فعال.

كيف يمكن لمصافي التكرير تحقيق توازن بين التكلفة والاستدامة عند اعتماد تقنيات CCS؟

يمكن للحوافز المالية وأنظمة التقاط المودولارية وشبكات خطوط أنابيب CO2 المشتركة أن تساعد المصافي في تحقيق توازن بين التكلفة والاستدامة، مما يجعل اعتماد تقنيات CCS أكثر عملية.