الوقود الأحفوري وغازات الدفيئة

غازات الدفيئة: ما هي وكم تمكث في الجو؟

ارتفع تركيز غازات الدفيئة في الغلاف الجوي منذ الثورة الصناعية.

• المصدر الرئيس: الأنشطة البشرية هي المصدر الرئيس لغازات الدفيئة.
• أهم غازات الدفيئة المنبعثة من الأنشطة البشرية:
• ثاني أكسيد الكربون ($CO_2$)
• الميثان ($CH_4$)
• أكسيد النيتروز ($N_2O$)
• الغازات المفلورة: الكلوروفلوروكربون $CCl_3F$ وهيدروفلوروكربون $CH_2F_2$
• أثرها: تؤثر هذه الغازات في التغير المناخي.

• الشكل (1): يمثل النسبة المئوية لبعض غازات الدفيئة في الغلاف الجوي في عام 2023م.

• فترات المكوث: تختلف فترات مكوث تلك الغازات في الغلاف الجوي.
• ثاني أكسيد الكربون: يمكث مُددًا طويلة، من 200 سنة إلى آلاف السنين.
• الميثان: يمكث مُددًا قصيرة، يبقى نحو $11.8\ \text{years}$ تقريبًا.

فمن أي قطاعات تنبعث هذه الغازات؟

أي قطاع ينتج أكثر غازات الدفيئة؟

تتنوع القطاعات التي تنتج غازات الدفيئة

• قطاع الطاقة (الأكثر): تُقدّر نسبة انبعاثاته حوالي 73.2% تقريبًا، مثل غاز ثاني أكسيد الكربون.
• يشمل الطاقة المُستخدمة في الصناعة والنقل والأبنية والقطاع الصحي.
• قطاع الزراعة: حوالي 18.4%، مثل غاز الميثان وغاز أكسيد النيتروز.
• يشمل إزالة الغابات، واستخدامات الأراضي، والماشية.
• قطاع الصناعة (الثالث): بـ (5.2%) تقريبًا، مثل غاز ثاني أكسيد الكربون.
• مثل: صناعة الأسمنت، وصناعة الأمونيا.
• قطاع النفايات (الأقل): حوالي 3.2%، مثل غاز الميثان.
• يشمل معالجة المياه العادمة، وطمر النفايات الصلبة.

الاحتراق: كيف نحصل على طاقة من الوقود؟

يُستخدم الوقود الأحفوري في معظم القطاعات

• مصدر الطاقة: معظم الطاقة المُستخدمة اليوم في النقل وتوليد الطاقة الكهربائية والأبنية تنتج من حرقه.
• أشكاله: الفحم الحجري، والنفط، والغاز الطبيعي.

• المعادلة العامة لاحتراق الوقود الأحفوري في الهواء:

وقود أحفوري + أكسجين $\rightarrow$ ثاني أكسيد الكربون + بخار ماء + طاقة

• محطة طاقة حرارية تستخدم الفحم الحجري:
• يُنقل الفحم الحجري ويُطحن إلى قطع صغيرة، ثم يُحرق في فرن التسخين.
• فيولّد طاقة حرارية تُسخّن الماء البارد المار في الأنابيب الفولاذية.
• ينتقل بخار الماء عبر توربينات موصولة بمولّد كهربائي، فيتسبّب في دورانها.
• تتحوّل الطاقة الحرارية في البخار إلى طاقة حركية، ثم يحوّلها المولّد إلى كهربائية.
• تُنقل الكهرباء المولّدة إلى المحولات لتوزيعها إلى المنازل والمصانع.
• يخرج البخار إلى المكثف حيث يُبرَّد ليعود ماءً يُعاد استخدامه في فرن التسخين.

غازات تخرج مع الاحتراق وتلوّث الهواء

الغازات الناتجة عن احتراق الوقود الأحفوري من عوادم السيارات والمصانع ومولّدات الطاقة من أخطر ملوّثات الهواء.

• أكاسيد الكربون: للكربون أكسيدان.
• أول أكسيد الكربون ⁦CO⁩: ينتج بفعل الاحتراق غير الكامل ويوجد بكميات قليلة في الهواء.
• هو سام ويمكن أن يسبّب الوفاة بسبب تفاعله مع هيموغلوبين الدم.

• ثاني أكسيد الكربون $CO_{2}$: الأكثر شيوعًا وغير سام، وتُسبّب تراكماته زيادة الحرارة المُحتبسة في الغلاف الجوي.
• ينتج من حرق الوقود الأحفوري في محطات توليد الطاقة الكهربائية ووسائل النقل والمصانع.

• مثال: حرق الأوكتان $C_{8}H_{18}$ في محرك السيارات التي تعمل بالبنزين ينتج غاز ثاني أكسيد الكربون وفق المعادلة:

• $2\,\text{C}_8\text{H}_{18}(g) + 25\,\text{O}_2(g) \rightarrow 16\,\text{CO}_2(g) + 18\,\text{H}_2\text{O}(g) + \text{energy}$

• أكاسيد النيتروجين:
• مثل: أول أكسيد النيتروجين ⁦NO⁩، وثاني أكسيد النيتروجين $NO_{2}$، وأكسيد النيتروز $N_{2}O$.
• تؤدي دورًا رئيسًا في تكوين الهطل الحمضي، والأوزون في طبقة التروبوسفير، والضباب الدخاني (الشكل 4).

• أكاسيد الكبريت:
• تنتج من المحطات الحرارية لإنتاج الطاقة الكهربائية، ومحطات تكرير البترول ومصانع الورق.
• أهمها: ثاني أكسيد الكبريت $SO_{2}$، وثالث أكسيد الكبريت $SO_{3}$.
• تسهم في تكوين الهطل الحمضي والضباب الدخاني الشتوي.

لماذا يتم تكثيف بخار الماء في محطات توليد الطاقة الكهربائية التي تستخدم الفحم الحجري؟

لماذا نستهلك الوقود الأحفوري، وماذا يعني ذلك؟

يُستخدم الوقود الأحفوري على نطاق واسع في إنتاج الطاقة

• سبب الاستخدام الواسع: سهولة تخزينه ونقله من مكان إلى آخر، وسهولة تحويله من حالة إلى أخرى.
• الأردن: يستخدم الغاز الطبيعي والصخر الزيتي في توليد الطاقة الكهربائية.

• مصدر غير متجدد: لأن تكوّنه يستغرق ملايين السنين، وقد يؤدي استهلاكه بصورة كبيرة إلى استنزافه.
• النفط: يُستخدم في تصنيع الوقود اللازم لتحريك السيارات والحافلات والطائرات والقطارات.
• الفحم الحجري والغاز الطبيعي: يُستخدمان عالميًا بصورة رئيسة وقودًا في محطات توليد الطاقة الكهربائية.
• الطلب يزداد: بسبب التطور الكبير في الصناعات وزيادة عدد سكان العالم، فتزداد احتمالية نضوبه.
• الوحدة: كمية استهلاك الطاقة بوحدة تيراواط. ساعة ⁦(terawatt-hours)⁩، وتُعرف اختصارًا بـ ⁦(TWh)⁩.

أفسّر: لماذا تزداد احتمالية نضوب الوقود الأحفوري؟

نشاط: هل يزداد استهلاك العالم للوقود الأحفوري؟

ويمثل الجدول الآتي استهلاك محتوى الطاقة من الوقود الأحفوري عالميًا.

• أستنتج الفروق في انبعاثات غازات الدفيئة من قطاعات الطاقة والنقل والمياه والزراعة والصحة، وأبررها.
• أعدد الغازات الناتجة من عملية احتراق الوقود الأحفوري.
• أشرح كيفية تشكّل الغازات الناتجة من عملية احتراق الوقود الأحفوري مع معادلاتها الكيميائية.
• أوضح بأرقام معتمدة عالميًّا كمية استهلاك محتوى الطاقة من استخدام الوقود الأحفوري.
• أحسب كميات غازات الدفيئة المنبعثة من القطاعات المختلفة.
• أرسم بيانيًا تزايد كميات الوقود الأحفوري المستهلك في السنوات العشر الماضية.

أحدد السنة التي تُظهر أعلى كمية استهلاك وأقل كمية استهلاك لمحتوى الطاقة من الوقود الأحفوري.

أحسب: كم (واط. ساعة) ⁦(Wh)⁩ استهلك العالم في سنة (2019م) من محتوى الطاقة في الوقود الأحفوري؟ علمًا أن $1 \text{ terawatt} = 10^{12} \text{ watt}$.

أستنتج سبب الزيادة في كمية استهلاك الطاقة من الوقود الأحفوري.

أتوقع: إذا نفد الوقود الأحفوري، فكيف يؤثر ذلك في حياتنا؟

كيف نحسب كمية ما ينبعث من غازات؟

مع زيادة التطور الصناعي زادت انبعاثات غازات الدفيئة إلى الغلاف الجوي بشكل كبير

• الهدف: للحدّ من آثار تراكم تلك الغازات وتخفيف انبعاثاتها، يجب حساب كمياتها الناتجة من القطاعات المختلفة.
• الطريقة: جمع البيانات المتعلّقة بالأنشطة والقطاعات المنتجة لها وتحليلها.
• الاعتماد: تُحسَب الكميات اعتمادًا على معامل الانبعاث ⁦Emission Factor⁩.

• تختلف قيمته لغاز الدفيئة الواحد اعتمادًا على مصدره.
• وحدته: كمية الانبعاثات لكل وحدة من النشاط.
• مثال: معامل انبعاث $\text{CO}_2$ من حرق الديزل يساوي $2.68 \text{ kg CO}_2/\text{L}$.
• أي ينتج من حرق $1 \text{ L}$ من الديزل $2.68 \text{ kg}$ من $\text{CO}_2$.

• لحساب كمية انبعاثات غازات الدفيئة تُستخدم المعادلة الآتية:

• $E$: كمية انبعاثات غاز الدفيئة.
• $EF$: معامل الانبعاث.
• $A$: كمية المادة (مصدر الانبعاث).

• الجدول للمطالعة الذاتية.

وماذا لو كان المصدر حيوانات المزرعة بدل الديزل؟

مكافئ ثاني أكسيد الكربون: رقم واحد لأثر كل الغازات

المصادر التي تنتج منها غازات الدفيئة متعددة، ووحدة قياس هذه الغازات تختلف باختلاف تلك المصادر. وتأثير هذه الغازات على الاحتباس الحراري مختلف.

• الغاية: حساب كمية انبعاثات غازات الدفيئة كافة في الغلاف الجوي وتحديد أثرها في الاحترار العالمي.

• $\text{CO}_2\text{e}$: مكافئ ثاني أكسيد الكربون.
• $E$: كمية انبعاثات غاز الدفيئة.

• قيمة ⁦GWP⁩ لغاز ثاني أكسيد الكربون تبلغ (1).
• مثال: كيلوغرام واحد من غاز الميثان يُسبّب الاحترار نفسه الذي يُسبّبه $27\ \text{kg}$ من $\text{CO}_2$ في (100) عام.
• في منطقة ما: تُجمّع كل مكافئات ثاني أكسيد الكربون من القطاعات كافة في فترة زمنية محددة.

مراجعة الدرس: أختبر نفسي

الفكرة الرئيسة: أحدّد ثلاثة غازات دفيئة تنتج من احتراق الوقود الأحفوري.

أفسّر سبب استخدام الوقود الأحفوري على نطاق واسع في معظم القطاعات.

أرتّب غازات الدفيئة الآتية بحسب نسب كمياتها المتراكمة في الغلاف الجوي: ($CH_4$, $CH_2F_2$, $N_2O$, $CO_2$).

يمثل الشكل المجاور نسب غازات الدفيئة المنبعثة في القطاعات المختلفة.

• أ. أحدد أي القطاعات تنتج غاز الميثان بصورة رئيسة.

• ب. أستنتج أي غازات الدفيئة التي تنبعث من قطاع الصناعة.

• جـ. أقارن بين قطاعي الطاقة والزراعة من حيث نسبة غازات الدفيئة المنبعثة منهما، ونوعها.

تُنتج إحدى شركات التبريد $75\ \text{kg}$ من غاز ⁦CFC-11⁩، وهو أحد مركبات الكلوروفلوروكربون.

إذا علمت أن إمكانية إحداث الاحترار العالمي لغاز ⁦CFC-11⁩ تساوي 6230، فما مكافئ ثاني أكسيد الكربون له؟

ينبعث من أحد مصانع الأسمدة $250\ \text{kg}$ من غاز الميثان.

إذا علمت أن إمكانية إحداث الاحترار العالمي لغاز الميثان تساوي 27، فإن مكافئ ثاني أكسيد الكربون ($CO_2e$) لهذا الانبعاث:

• أ. $6750\ \text{kg CO}_2\text{e}$

• ب. $9.26\ \text{kg CO}_2\text{e}$

• جـ. $182250\ \text{kg CO}_2\text{e}$

• د. $277\ \text{kg CO}_2\text{e}$

أكثر غازات الدفيئة وفرة في الغلاف الجوي هو غاز:

• أ. الميثان.

• ب. ثاني أكسيد الكربون.

• جـ. أكسيد النيتروز.

• د. الأوزون.

الغاز الذي يتفاعل مع الهيموغلوبين في الدم ويسبب الوفاة هو غاز:

• جـ. الأوزون.

• د. أول أكسيد الكربون.

الغاز الذي يُعدّ من غازات الدفيئة:

• أ. النيتروجين.

• ب. الأكسجين.

• جـ. الأرغون.

• د. الكلوروفلوروكربون.

أي من العبارات الآتية صحيحة فيما يتعلق بمعامل الانبعاث:

• أ. يمثل تأثير غازات الدفيئة مقارنة بتأثير غاز ثاني أكسيد الكربون.

• ب. يمثل كمية انبعاثات غازات الدفيئة الناتجة في منطقة ما.

• جـ. يمثل كمية انبعاثات غاز دفيئة محدّد ناتج من نشاط معين.

• د. تتساوى قيم معامل الانبعاث لغاز الدفيئة بغض النظر عن مصدره.