الغاز أحد أهم الموارد الطبيعية للوقود. والواقع أننا نحرق الغاز ليمدنا بالحرارة والطاقة اللازمة لإدارة الآلات، كما أن الصناعات الكيميائية تستخدم المواد الكيميائية الموجودة في الغاز لتصنيع المنظفات الصناعية والأدوية والبلاستيك والعديد من المنتجات الأخرى.
يُعْتبر الوقود الغازي، مثله مثل الهواء والبخار، صورة غازية من المادة؛ ذلك لأنه لا يشغل حيزًا ثابتًا من الفراغ مثلما تفعل السوائل والمواد الصلبة. ولمزيد من المعلومات الخاصة بالغاز باعتباره شكلا من أشكال المادة، انظر: الغاز.
والغاز،بوصفه وقودًا، له عدة فوائد، حيث يستخدمه الملايين من الناس لتدفئة منازلهم وطبخ وجباتهم وحرق نفاياتهم وتسخين الماء وتجفيف الملابس وتبريد الهواء. ويستخدم الغاز في الفنادق والمطاعم والمستشفيات والمدارس وفي العديد من المؤسسات للطبخ وتدفئة المباني وتسخين الماء وتكييف الهواء وتوليد البخار. وينتج عن الغاز، عند حرقه كمية قليلة من ملوثات الهواء.
وفضلاً عن استخدام الغاز مادة خام لتصنيع المنتجات، تتعدد استخداماته في الصناعة، حيث تتفاوت من إحراق ريش الدجاج، إلى تقوية مخاريط مُقدّم المركبات الفضائية.
وهناك نوعان من الغاز طبيعي ومُصنّع. ويستخدم الغاز الطبيعي بنسبة أعلى في العالم. ويعْتَقد معظم العلماء أن الغاز الطبيعي قد تكون تحت سطح الأرض عبر مئات الملايين من السنين، وأن القوى الطبيعية التي كوّنت الغاز هي نفسها التي كوّنت النفط. لذلك، يوجد الغاز الطبيعي في الغالب مع الرواسب النفطية أو قريبًا منها. وتستخدم نفس طرق الاستكشاف والحفر لكلا النوعين من الوقود. لكن الغاز المصنّع يتم إنتاجه أساسًا من الفحم الحجري أو النفط باستخدام الحرارة والعمليات الكيميائية. ويعتبر الغاز المصنع أكثر كلفة من الغاز الطبيعي، ولهذا يستخدم في المناطق التي لا توجد فيها كميات كبيرة من الوقود الطبيعي.
وكان الاتحاد السوفييتي قبل انهياره المنتج الأول للغاز الطبيعي في العالم، يليه كل من الولايات المتحدة الأمريكية وكندا وهولندا والمملكة المتحدة، على التوالي. وحتى ستينيات القرن العشرين لم تكن الكميات الكبيرة من الغاز الطبيعي أمرًا متيسرًا في معظم الأقطار الأوروبية. وقد أدى التطوير في حقول الغاز حديثة الكشف، إلى سرعة التوسع في صناعة الغاز الطبيعي الأوروبي خلال الستينيات. وقد ازداد التوسع بشكلٍ ملحوظ، خصوصًا في الاتحاد السوفييتي (سابقًا) وفي هولندا. وفي عام 1966م، تم اكتشاف أكبر حقل غاز على مستوى العالم في الاتحاد السوفييتي (سابقًا). كما بدأت المملكة المتحدة في إنتاج كميات أكبر من الغاز الطبيعي من الترسبات التي وُجدتْ تحت قاع بحر الشمال في أواسط الستينيات. وقد غطى الغاز حوالي ربع احتياجات الطاقة الكلية في المملكة المتحدة في أوائل التسعينيات.
تتكون صناعة الغاز من ثلاثة أنشطة رئيسية: 1- إنتاج الغاز بحفر آبار للغاز الطبيعي، أو تصنيع الغاز. 2- نقل الغاز بالأنابيب في معظم الأحوال إلى مناطق الأسواق الكبيرة. 3- توزيع الغاز على المستهلكين.
تحتاج كل خطوة من خطوات تصنيع الغاز إلى مهارات وأجهزة خاصة. وتقوم بعض الشركات بأداء الأنشطة الثلاثة، ولكن معظم الشركات تتعامل مع واحدة منها فقط.
بدأت صناعةُ الغازِ الطبيعي في الولايات المتحدة، ثم أخذت في التوسع السريع في أواخر عشرينيات القرن العشرين، بعد تطوير الأنابيب المُحسنة القادرة على نقل الغاز لمسافات طويلة بطرق اقتصادية. ونتيجة للتطور السريع في صناعة الغاز في أوروبا خلال الستينيات والسبعينيات، وبسبب زيادة استعمال الغاز الطبيعي، عدلت الأجهزة المنزلية المصممة لاستخدام الغاز المصنع، كما عدلت الشبكات التي تقوم بعملية التوزيع على نطاق واسع. وقد بدأ استثمار الغاز الطبيعي في أستراليا ونيوزيلندا في الستينيات. وفي الوقت الحاضر، يتم إمداد معظم المدن بخطوط الأنابيب.
استخدامات الغاز
من المعروف أن الغاز وقود يُستَخْدَم في الطهي والتدفئة في المنازل. ولكن استخدامه الصناعي في العديد من البلدان يفوق ما يتم استهلاكه في المنازل. وتستهلك الصناعة في الولايات المتحدة وكندا، على سبيل المثال، ما يقارب ثلث الغاز المحروق، في حين أن ما يستهلك في المنازل يبلغ الربع فقط. ويُستَخدم الباقي في المكاتب والفنادق والمطاعم والدكاكين والمدارس وأماكن الأعمال الأخرى والمؤسسات.
يوفر الغاز نحو رُبع الطاقة الكلية التي تحتاج إليها العديد من الدول الصناعية التي تمتلك مصادر للغاز الطبيعي، مثل المملكة المتحدة والولايات المتحدة. ويزداد استخدام الغاز الطبيعي لتوليد الكهرباء في هولندا على وجه الخصوص. والكثير من البلدان قد لا تملك احتياطيًا مترسبًا من الغاز الطبيعي، أو لا تمتلك الأنظمة اللازمة لإنتاجه ونقله. ولذلك فإن هذه الدول تستهلك كميات صغيرة من الغاز معظمه من الغاز المصنع.
خطوط خدمة الغاز توزع الغاز على بيوت ملايين المستهلكين. وتظهر هنا عملية مد الخطوط إلى حي حديث.
الغاز في المنازل. عندما تكون هناك كميات كبيرة من الغاز الطبيعي، فإنه يعتبر وقود الطبخ الأكثر انتشارًا بسبب قلة كلفته قياسًا على الأنواع الأخرى من الوقود. وهو يوفر لأرباب المنازل الحرارة المطلوبة مع سهولة التحكم فيها بطريقة آلية وإطفائها بطريقة فورية.
ويستخدم العديد من المستهلكين في المنازل الغاز في تدفئة منازلهم وتسخين الماء وحرق المخلفات وتجفيف الملابس وتشغيل مُكيفات الهواء. ويسخن العديد من الناس أحواض السباحة بالغاز، كما يمتلك العديد منهم مصابيح الزينة الخارجية التي تضاء بالغاز حول منازلهم. ويطهو آخرون على شوايات الغاز خارج مساكنهم.
ويستخدم العديد من الناس الذين يقيمون في منازل متنقلة، أو أولئك الذين يعيشون في المناطق الريفية أو في الأماكن الأخرى البعيدة عن خطوط الغاز، الغاز للطهي والتسخين، وذلك باستخدام غاز النفط المسال. وهو يعرف باسم النفط المسال أو البروبان أو البيوتان أو الغاز المعبأ. وينتج الغاز المسال من بعض المركبات الموجودة في الغاز الطبيعي أو من بعض المركبات الغازية في النفط، والتي تتحول إلى الحالة السائلة بوضعها تحت تأثير الضغط العالي. ويَشغل السائل فراغًا أصغر بكثير من الغاز الأصلي، كما يمكن نقله بسهولة في أوعية مضغوطة صغيرة. وعند استخدام الوقود، يعيد ضغط الهواء الجوي السائل مرة أخرى إلى غاز. وتستخدم بعض الدول الأوروبية غاز النفط المسال وقودًا للسيارات.
نظام الطاقة الكلية للغاز الطبيعي
الغاز في الصناعة. له العديد من الاستخدامات. على سبيل المثال، تستخدم الشركات لهب الغاز أو حرارة الغاز في تغليف وقطع وتشكيل الفلزات والمواد الأخرى. وَتُستخدم حرارة الغاز في تقوية مُقدّم مخاريط المركبات الفضائية لكيلا تحترق من الحرارة المكثفة الناتجة عن الاحتكاك الجوي. ويستخدم لهب الغاز لإزالة الزغب من الأقمشة المخملية. ويؤدي الغاز العديد من العمليات الصناعية، حيث يستخدم في تصنيع أو معالجة الطوب والبلاط والإسمنت والخزف والزجاج والأغذية، والحديد والفولاذ، والورق والمنسوجات ومنتجات أخرى لا حصر لها. ويجد علماء الصناعة أهمية بالغة لاستعمال الغاز في الأبحاث الخاصة بتطوير أو عمليات جديدة.
ويكمن الاختلاف الأساسي بين استخدام الغاز في أعمال الطهي بالمنازل وبين استخدامه في الأعمال الصناعية، في درجة الحرارة المستعملة. فالكعك والفطائر واللحوم على سبيل المثال، يحتاج طهيها إلى درجة حرارة تتراوح بين 150°م و260°م. ولكن الأعمال الصناعية تتراوح درجة الحرارة المطلوبة فيها بين 175°م، كما في دهان السَّيارات وحوالي 1,600°م، في صناعة الفولاذ ومعالجات الفلزات الأخرى.
تستخدم أعداد متزايدة من المصانع أنظمة متكاملة للطاقة الناتجة عن الغاز وذلك لإمدادها بكل احتياجاتها من الطاقة. ويعتبر الغاز في مثل هذه الأنظمة المصدر الخارجي الوحيد للطاقة. يجري مثلا، إمداد التوربينات والآلات بالقدرة لإدارة المولّدات التي تنتج الكهرباء. وتستعمل الحرارة المنبعثة من التوربينات والآلات للتسخين والتبريد.
كذلك تستعمل الصناعة سخانات الغاز مصدرًا للأشعة تحت الحمراء. وتُسخن الأشعة تحت الحمراء الأجسام المسلطة عليها فقط دون الهواء. ولهذه النوعية من السخانات استعمالات خاصة، إذ تستعمل للتدفئة في المستودعات الكبيرة أو المباني التي يصعب تدفئتها. انظر: الأشعة تحت الحمراء.
المصانع البتروكيميائية تستخدم الغاز الطبيعي لإنتاج المركبات الكيميائية المستخدمة في تصنيع البويات (الدهانات) والبلاستيك والمنتجات الأخرى.
منتجات الغاز. يُعتبر الغاز الطبيعي مصدرًا مهمًا للبتروكيميائيات (الكيميائيات المصنعة من الغاز الطبيعي أو النفط). وتُستخدم البتروكيميائيات وحدات بناء في تَصْنيع العديد من المنتجات التي تتضمن المنظفات الصناعية والأدوية والأسمدة والبويات (الدهانات) والمطاط والصوف الصناعي والنيلون والبوليستر والمنسوجات الصناعية الأخرى.
يَعْتمد إنتاج البتروكيميائيات على العديد من مركبات الهيدروجين والكربون الموجودة في الغاز والزيت الخام. وتتضمن هذه المركبات الميثان والإيثان والبروبان. وهذه المواد يمكن فصلها عن المادة الخام واستخدامها بمفردها كما يمكن فصل مكوناتها وإعادة تركيبها لإنتاج مركبات لا توجد في الغاز الخام أصلاً. وتمزج المركبات أو أجزاؤها مع الكيميائيات الأخرى لتصنيع المنظفات الصناعية والأدوية وكذلك المنتجات الأخرى.
وليست هناك حاجة إلى جميع المركبات الموجودة في الغاز الطبيعي لإنتاج الحرارة. فمثلاً، يتم عادة، فصل منتجات تسمى سوائل الغاز الطبيعي ـ مجموعة المركبات الكيميائية التي تتضمن الإيثان والبروبان والبيوتان ـ لتصبح في صورة سوائل قبل دفع الغاز داخل خطوط الأنابيب. ويعمل العديد من مصانع سوائل الغاز الطبيعي والبتروكيميائيات بالقرب من حقول الغاز وذلك لأهمية مصادر الإمداد. وللمزيد من المعلومات عن كيمياء الغاز، انظر: القصة الكيميائية للغاز في هذه المقالة. انظر أيضًا: الغاز؛ البتروكيميائيات.
من البئر إلى المستهلك
يوجد الغاز الطبيعي في ثقوب الحجر الجيري والحجر الرملي كما يوجد في الصخور الأخرى المسامية المليئة بالثقوب الصغيرة. وتتكون قُبة من الصخر غير المسامي كسقف فوق الصخر الحامل للغاز محتجزة الغاز. ولا يمكن للغاز الإفلات مالم يفتح منقب البئر فجوة خلال الصخر الصلب أو يزحف سطح الأرض ويُكسر السقف الحاجز. ويوجد الغاز الطبيعي غالبًا فوق تجمعات الزيت أو ذائبًا فيه لأن كلا الوقودين تكون تحت نفس القوى الطبيعية.
من أين يأتي الغاز الطبيعي
استكشاف الغاز. أنتجت الطُرق الحديثة أكبر قدر من الإنتاج العالمي من الغاز الطبيعي في التاريخ. وأظهرت تلك الطرق أماكن وجود التكوينات الأرضية التي يمكن أن تحوي الغاز، مع أنه لا يمكنها أن تدل على الوجود الحقيقي للغاز. ويبقى حفر البئر الطريقة الأكيدة لاكتشاف المناطق التي تحتوي على تجمعات الغاز.
وفي المناطق المثبتة، وهي المناطق التي تم اكتشاف الغاز أو النفط فيها، نجد أن حوالي 75% من الآبار الجديدة التي تم حفرها تنتج أحد الوقودين. ويسمى الحفر في المناطق غير المعروفة بأنها مراكز منتجة للغاز التنقيب الجزافي (العشوائي). ويتم حفر بئر جزافية إذا ما اعتقد أحد المنقبين بأن الغاز أو الزيت يمكن أن يوجد في مناطق بعيدة عن الآبار المنتجة. وتنتج نحو 10% من الآبار الاستكشافية بعض الغاز أو الزيت، ولكن العديد من تلك الآبار تفشل في إنتاج الوقود الكافي لتغطية تكاليف حفرها. ويستمر المنقبون في الحفر في المناطق غير المعروفة بالإنتاج لاحتفاظهم بجزءٍ من حقوق الترسبات التي تم اكتشافها. ويمكن لبئر جزافية ناجحة تغطية تكلفة العديد من الآبار غير الناجحة.
استكشاف الغاز يمكن أن يبدأ بشاحنات رطامية تُرسل موجات صوتية في الأرض لتُساعد في تحديد تجمعات الغاز.
وفي المناطق غير المعروفة بإنتاجها يعتمد المنقبون في استكشاف الغاز على دراسات يقوم بها علماء الأرض المعروفون بالجيولوجيين أو الجيوفيزيائيين. وتتضمن هذه الدراسات خرائط وتسجيلات حفرية وقياسات.
يدرس الجيولوجي بعد اختيار الموقع الاحتمالي خريطة تفصيلية عن المعالم فوق وتحت سطح الأرض. وتمكن الخريطة الجيولوجي من تحديد تكوينات تحت سطح الأرض تدعى المكامن حيث يمكن تراكم الغاز والزيت. وإضافة إلى ذلك، يحاول الجيولوجيون تحديد إمكان وجود صخر خازن للزيت أو الغاز تحت الأرض. وتمتلك هذه النوعية من الصخور ثقوبًا صغيرة أو مسامات يمكن للغاز المرور من خلالها. ولمزيد من المعلومات عن المحابس أو الصخور الخازنة، انظر: النفط.
حفر بئر يُعد الطريقة الأكيدة الوحيدة لتحديد ما إذا كانت المنطقة تحوي غازًا. تحمل رافعة الأثقال الطويلة أجهزة حفر الآبار.
ويمكن للجيولوجيين دراسة سجلات البئر التي تمثل تسجيلات للتكوينات الصخرية المتراصة أثناء حفر البئر. وتحدد سجلات البئر خواص مثل المسامية (وجود مسام) ومحتوى الصخور من الموائع. ويتمكن الجيولوجيون من تحديد كيفية تغير الصخور أو عدم تغيرها من منطقة إلى أخرى بمقارنة سجلات البئر.
ويستخدم الجيوفيزيائيون عادة تقنية استكشاف تُعرف بسيزمولوجيا الانعكاس أو تسجيل الانعكاس. والطريقة المتبعة في ذلك هي أن يُطلق صوت عالٍ، كانفجار مثلاً، فوق سطح الأرض أو تحتها مباشرة. وتنتقل موجات الصوت المتولدة داخل الأرض وترتد منعكسة إلى السطح بوساطة طبقات الصخر. ويمكن استخدام شاحنة هزازة، وتُدعى أيضًا شاحنة رطامية (رطامة)، لإنتاج موجات صوتية في المناطق المأهولة بالسكان. وتمتلك الشاحنة الرطامية وسادة هزازة كبيرة تضرب الأرض بصورة مُتكررة. وتُنَتج الموجات الصوتية في المناطق الساحلية المغمورة بإرسال شحنة من الهواء المضغوط أو نبضة إلكترونية من سفينة إلى الماء.
وتلتقط مجموعة من السماعات الأرضية التي تشبه مكبرات الصوت الموجات الصوتية المنعكسة. ويسجل نمط الموجات الصوتية على جهاز يسمى مرسمة الزلازل. انظر: مرسمة الزلازل. وتتغير الموجات الصوتية في الاتساع (الارتفاع) عندما تنعكس من صخور تحتوي على غاز. وهذه التغيرات تبدو غير متناسقة على سجل مرسمة الزلازل، ويطلق عليها اسم النقط الساطعة.
الدول التي تتصدر إنتاج الغاز الطبيعي
الدول التي تتصدر احتياطي الغاز الطبيعي
إنتاج الغاز. يتضمن الحفر، للبحث عن الغاز، نفس الطرق المستخدمة للحفر عن الزيت. ويعتبر الحفر الدوراني أشهر الطرق المألوفة. وهي تشبه عمل ثقب في خشبة باستخدام مثقاب النجار. كما تستخدم طريقة أخرى، وهي الحفر المطرقي لعمل ثقوب سطحية في الصخور الرخوة. وهي مشابهة لعمل ثقب في خشبة بالضغط بوساطة مطرقة ومسمار. لمعلومات تفصيلية عن الحفر والعمليات الأخرى في إنتاج كل من الغاز والزيت، انظر: البترول.
يبلغ متوسط تكلفة حفر بئر على اليابسة في الولايات المتحدة ما يقرب من 500,000 دولار أمريكي. ويمكن أن تكلف الآبار العميقة ما يساوي هذه التكلفة عدة مرات. وقد حفرت إحدى أغلى الآبار في أوكلاهوما (الولايات المتحدة) عام 1972م، حيث بلغ عمقها ما يزيد على 9,100م، وكلفت ما يزيد على خمسة ملايين دولار أمريكي. وعلى الرغم من أن الحفارين لم يجدوا كمّا من الغاز كما كانوا يتوقعون، فقد أثبتوا وجود الغاز الطبيعي في طبقة عميقة تحت سطح الأرض.
تحفر الآبار البحرية أو المغمورة في الماء بعمق يصل إلى 2,400م. وتعد مياه بحر الشمال وسواحل الخليج في الولايات المتحدة من أغنى المناطق المغمورة إنتاجًا. وقد بدأ تطوير حقول الغاز المغمورة في الجرف القاري بشمال غربي أستراليا في أواخر سبعينيات القرن العشرين. وفي العادة، يكون الحفر في المناطق الساحلية المغمورة أكثر إنتاجًا من الحفر في المناطق اليابسة، وذلك لأن كمية الغاز والزيت المأخوذ حتى الآن من تحت سطح البحر أقل، ولكن تكلفة الحفر في المناطق المغمورة أكثر. فبدلاً من الحفر البسيط إلى أسفل في اليابسة، يضطر حفّارو المناطق المغمورة للعمل من سفينة الحفر أو برج الحفر المتنقل أو منصة ثابتة. انظر: النفط.
وفي عام 1967م، استخدم التفجير النووي في تحرير الغاز الطبيعي لأول مرة في مشروع التعاون بين الحكومة الأمريكية والقطاع الصناعي الخاص. فقد فُجِّر جهاز هيدروجـين تعـادل قوتـه 26,300 طن متري من مادة التي. إن. تي. تحت عمق 1,290م تحت سطح الأرض بشمال غربي ولاية نيومكسيكو بالولايات المتحدة الأمريكية. وقد فتح الانفجار تجمعات الغاز المحتجزة في تكوينات صخرية استعصت على الحفر الطبيعي. واستخدم التفجير النووي لتحرير الغاز الطبيعي في شمال غربي ولاية كولورادو بالولايات المتحدة الأمريكية عامي 1969 و1973م.
نقل وتوزيع الغاز. يجب تنظيف ومعالجة الغاز الطبيعي الخام المتدفق من البئر. وتحمل الغاز أنابيب تُسمى خط التجميع من البئر إلى وحدة الاستخلاص حيث تزال الشوائب: الغُبار والكبريت والماء وغيرها. ويؤخذ الغاز إلى مصانع المعالجة القريبة لإزالة البيوتان والبروبان والمواد الأخرى التي لا يحتاج لها في الوقود. ويُدفع الغاز الطبيعي المعالج بعد ذلك في خطوط نقل طويلة تحت سطح الأرض تحمله إلى المجتمعات الواقعة في مساره.
تمديد الأنابيب تحت سطح الأرض يحتاج إلى حفر خنادق. تحمل الأنابيب الغاز من حقول الإنتاج إلى مناطق التسويق.
يتم نقل الغاز خلال أنابيب تحت ضغط عال يبلغ نحو 70كجم لكل سم². ويقل الضغط على طول المسار نتيجة للاحتكاك مع جدران الأنبوب. كما أنه ينقص أيضا عندما تبدأ المجتمعات في استهلاك الغاز. لكن محطات الضغط على طول الخط تعيد الضغط إلى معدله وتدفع الغاز إلى أقصى غاية. وتمتلك العديد من الخطوط محطات تشغيل ذاتي لزيادة أو خفض الضغط لتلبية الاحتياجات المختلفة للمجتمعات. وينتقل الغاز عبر الأنابيب بنحو 25كم في الساعة غالبًا. ويمكن أن يستغرق ضخ الغاز من البئر وانسيابه خلال الأنابيب عدة أيام قبل أن يصل إلى محطته النهائية في سوق التوزيع المحلي.
ويقوم الخبراء، سيرًا على الأقدام أو عن طريق استخدام الطائرات، بالاختبارات اللازمة والتي من شأنها أن تحدد الظروف الضارة بالأنابيب. ويتأكد الخبراء، على سبيل المثال، بعد الفيضانات والأمطار الكثيفة، بأن التراب الذي يغطي الأنابيب قد أزيل. وذلك إلى جانب أن الأجهزة المركبة على طول الخط تقوم ذاتيًا بالتنبيه على حدوث أي تسرب للغاز أو عن أي أخطاء أخرى.
وتقوم خطوط الخدمات بحمل الوقود المباع من شركات خدمات الغاز إلى المنازل والمصانع والمطاعم والفنادق والمباني الأخرى. وتُضيف شركات الخدمات للغاز مادة كيميائية ذات رائحة نفّاذة، لأن الغاز الطبيعي النقي لا رائحة له. ويساعد هذا في اكتشاف التسرب الغازي ودرء أخطاره.
وتمتلك الولايات المتحدة ما يقرب من 3,200,000كم من خطوط أنابيب الغاز، فضلاً عن خطوط الخدمات الفرعية. والواقع أن هذا الكم من الأنابيب كاف لتطويق خط الاستواء 80 مرة تقريبًا. وتمتلك المملكة المتحدة ما يقرب من 5,000كم من خطوط الأنابيب. وفي أستراليا تربط خطوط أنابيب مختلفة بين مناطق إنتاج الغاز والمدن الرئيسية. وينقل الغاز من جنوبي أستراليا على سبيل المثال، في خط أنابيب طوله 1,344كم إلى مناطق سيدني وولونجونج ونيوكاسل وكانبرا. ويحمل خط أنابيب بطول 1,500كم الغاز من مشروع الجرف الشمالي الغربي إلى بيرث ومراكز أخرى في غربي أستراليا. انظر: خط الأنابيب.
تخزين الغاز يؤمن للمستهلكين إمدادات ثابتة. يحتفظ الخزان أعلاه بالغاز الطبيعي.
تخزين الغاز. يَسْتخدم المستهلكون كميات أكبر من الغاز في الشتاء عنه في الصيف. وفي بعض الدول يمكن استخدام ستة أضعاف كمية الغاز في اليوم الشديد البرودة قياسا إلى الكمية المستخدمة في الأيام الحارة. والواقع أنه لا يمكن لخطوط الأنابيب أن تحمل كميات كافية من الغاز لتلبية احتياجات الوقود في الأيام الباردة، لذلك يجب تخزين الغاز عندما يكون الطلب عليه قليلاً ليُستخدم عندما تزداد الحاجة إليه.
مرة أخرى تضخ العديد من شركات الغاز كميات كبيرة من الغاز الطبيعي خلال الصيف. وتتألف معظم مناطق التخزين تحت سطح الأرض من حقول غاز وزيت قديمة لم تَعُدْ تُنْتج أو من تكوينات مسامية صخرية أخرى. وفي كولورادو بالولايات المتحدة الأمريكية، حُولت المناجم التي هُجرت إلى كهوف لاختزان الغاز. والمخازن المثالية هي تلك التي تقع بالقرب من خطوط الأنابيب ومحطات الضغط. والأهم من هذا كله قربها من مناطق التسويق الكبيرة.
ويجب إعداد الموقع لاستقبال وتخزين الغاز عندما يقع اختيار شركة الغاز على حقل غاز أو زيت غير منتج للتخزين فيه. ويمكن أن تضطر الشركة إلى إصلاح أو تنظيف أو استبدال حافظة البئر (أنبوبة كبيرة تنزل في البئر لمنع انهياره). ويمكن للمؤسسة أيضًا إعادة حفر بئر قديمة أو حفر بئر جديدة أخرى. ويستخدم الجيولوجيون والمهندسون نفس الطرق التي اسُتخدمت للاستكشاف والحفر عن الغاز والزيت عند تهيئة وتجهيز موقع لمخزن جديد تحت سطح الأرض.وفي حقل التخزين الجديد، بعد تهيئته واختباره، تقوم آلات ضخمة بضخ الغاز تحت الضغط العالي. ويتم تنظيف ومعالجة الوقود قبل إرساله إلى المستهلكين عندما تعيد الشركة الغاز المخزن لتلبية الحاجة الملحة في الأجواء الباردة.
ولخزانات التخزين تحت سطح الأرض أهمية قصوى في المحافظة على الغاز الطبيعي. وقد اعتاد المنقبون عن الزيت حرق الغاز الطبيعي الموجود في آبار الزيت للتخلص منه في الفترات التي تقل فيها الحاجة قبل التوسع في استخدام الخزانات. ومازالت بعض الدول، التي تنتج الزيت بكثافة تهدرُ كمية كبيرة من الغاز بهذه الطريقة.
ويمكن أيضًا تخزين الغاز عن طريق إسالته. وذلك بخفض درجة حرارته إلى ما يقرب من -160°م، ويعود الوقود إلى الصورة الغازية برفع درجة حرارته. ويحتاج الغاز الطبيعي السائل إلى حيز تخزين أقل بكثير مما يحتاجه الغاز الطبيعي. ويشغل الغاز الطبيعي حيزًا يصل إلى نحو 600 ضعف عما يحتاج اليه الغاز الطبيعي السائل. ويمكن أيضًا شحن الغاز الطبيعي عبر البحار. ولهذا يُعتبر استخدام الغاز الطبيعي السائل بأحجام كبيرة أفضل من استخدام سوائل غاز النفط أو سوائل الغازات الأخرى التي تتمتع بنفس التركيب الكيميائي للغاز الطبيعي. ولذلك يَسْهُل على الموردين التحول بين سوائل الغاز الطبيعي والغاز الطبيعي.
القصة الكيميائية للغاز
كيف تكوّن الغاز الطبيعي. ترسبت بقايا الكائنات البحرية الدقيقة في أرضية البحار في العصور الماضية وطمرت بالرواسب كما يظهر في الصورة اليمنى. تحولت المواد المتحللة إلى غاز وزيت وحجزت في الصخور المسامية تحت صخر غير مسامي (الصورة الوسطى). وأخيرًا زحفت قشرة الأرض وظهرت أرض جافة فوق العديد من الترسبات (الصورة اليسرى).
كيف تكون الغاز الطبيعي. يعتقد معظم العلماء أن الغاز الطبيعي تكوّن قبل ملايين السنين عندما كانت المياه تُغطي مساحة من سطح الأرض أكبر مما تغطيه في هذه الأيام. وقد ترسبت كميات هائلة من الكائنات البحرية الميتة البالغة الصغر، تُدعى العوالق المائية، على أرضية المحيطات خلال العصور القديمة. انظر: العوالق المائية. وتراكمت الرمال الناعمة والطمي فوق العوالق. وتكدست الطبقات تلو الأخرى فوق بعضها. وحوّل الضغط الهائل لوزن المترسبات، وكذلك البكتيريا والحرارة والقوى الطبيعية الأخرى، المركبات الكيميائية في العوالق المائية إلى غاز طبيعي وزيت. وتسرّب الغاز والزيت إلى فجوات الحجر الجيري والحجر الرملي والنوعيات الأخرى من الصخور المسامية، وتكوّنت طبقات من الصخور الصماء فوق الصخور المسامية ومنعت تسرب الغاز والزيت تحتها. وتسببت تحركات القشرة الأرضية لاحقًا في تراجع البحار القديمة إلى الوراء وظهور أرض يابسة تعلو ترسبات الغاز والزيت.
تركيب الغاز الطبيعي. يتألف الغاز الطبيعي النقي من مركبات كيميائية لعنصري الهيدروجين والكربون. وتسمى هذه المركبات الهيدروكربونات. وتوجد بعض الهيدروكربونات في صورة طبيعية على هيئة غازية، وبعضها سائل وبعضها الآخر صلب. وتعتمد صيغ الهيدروكربونات على عدد وتوزيع ذرات الهيدروجين والكربون في الجزيء الهيدروكربوني. انظر: الهيدروكربون.
ويتكون الغاز الطبيعي أساسًا من الميثان، أخف الهيدروكربونات. وترتبط ذرة الكربون في جزيء الميثان بأربع ذرات من الهيدروجين، وصيغته الكيميائية CH4. وتتضمن الغازات الهيدروكربونية الأخرى التي عادة ما توجد في الغاز الطبيعي كلاً من الإيثان(C2H6) والبروبان (C3H8) والبيوتان(C4H10). ويمكن أن يحتوي الغاز الطبيعي غير النقي على ثاني أكسيد الكربون والهيليوم والنيتروجين. انظر: غاز البيوتان والبروبان؛ الميثان، غاز.
تتفكك جزيئات الهيدروكربونات إلى ذرات الكربون والهيدروجين عند حرق الغاز الطبيعي. وتتحد الذرات مع الأكسجين الموجود في الهواء لتكوّن مواد جديدة. ويكون الأكسجين والكربون غاز ثاني أكسيد الكربون عديم اللون والرائحة. وينتج الهيدروجين والأكسجين بخار الماء وتنطلق الحرارة عند تفكك وإعادة تركيب الجزيئات. وتقاس كمية الحرارة في نظام القياسات المعتاد بوحدة الحرارة البريطانية أو السعر الحراري في النظام المتري. ويطلق قدم مكعب واحد من الغاز المحترق (28,316سم§) ما يقرب من 1,000 وحدة حرارة بريطانية أو 252,000 سعر حراري. انظر: الوحدة الحرارية البريطانية.
كيف يصنّع الغاز .يُصنع الغاز لمنتجاته الكيميائية الثانوية ولاستخدامه وقودًا. ويمثل الغاز المصنع في الولايات المتحدة، على سبيل المثال، ما يقرب من 1% فقط من مجموع كمية الغاز المستهلك. ويوجد العديد من أنواع الغاز المصنع، وأهمها غاز فرن الكوك المسمى غاز الفحم أو الأسيتيلين.
غاز فرن الكوك. يُصنع بتحميص الفحم الحجري. فعندما يتحول الفحم الحجري إلى فحم الكوك تنبعث أبخرة من الفحم الحجري تتكون من العديد من الكيميائيات. تمرر الأبخرة خلال الماء الذي يمتص بعض الكيميائيات غير المرغوبة بينما يثير الغاز المتبقي الفقاقيع خلال صعوده في الماء. ويمكن زيادة تنقية هذا الغاز بالعمليات المختلفة التي تزيل الكيميائيات الثانوية. ويمتلك غاز فرن الكوك قيمة حرارية أقل بكثير من الغاز الطبيعي. انظر: غاز فرن الكوك.
الأسيتيلين.ينتج الأسيتيلين أساسًا بإسقاط الماء على هيئة قطرات على كربيد الكالسيوم (مركب من الكالسيوم والكربون)، ويمكن تصنيعه أيضًا بشطر جزيئات الميثان بالتسخين. ويمتلك الأسيتيلين قيمة حرارية أكبر من الغاز الطبيعي وينتج لهبًا شديد الحرارة. ويستخدم الأسيتيلين في اللحام وقطع الفلزات. انظر: الأسيتيلين.
الغازات المصنعة الأخرى. تتضمن هذه الغازات غاز الزيت والغاز المنتج وغاز الماء. ويُنتج غاز الزيت بتفكيك جزيئات النفط برش الزيت على طوب مسخن. ويصنع غاز المولدات بإمرار الهواء ببطء خلال طبقة عميقة من الفحم الحجري أو فحم الكوك الساخن لتكوين غاز أول أكسيد الكربون. ويصنع غاز الماء بإجبار بخار الماء على المرور خلال طبقة ساخنة من الفحم الحجري أو فحم الكوك لتكوين غاز أول أكسيد الكربون والهيدروجين.
تاريخ صناعة الغاز
الاستخدامات الأولى للغاز الطبيعي. كان قدماء الصينيين أوائل الذين عرفوا استخدام الغاز الطبيعي للأغراض الصناعية. فقد اكتشفوا رواسب الغاز الطبيعي وتعلموا ضخ الوقود خلال أعمدة الخيزران منذ آلاف السنين. وحرقوا الغاز لغلي الماء المالح وتجميع الملح المتبقي.
بنيت المعابد وبها ما أطلق عليه النار الخالدة بالقرب مما يعرف الآن بباكو في أذربيجان، في القرن السابع الميلادي. وجاء المتعبدون من مناطق بعيدة مثل فارس والهند لرؤية النار الغامضة الدائمة التوهج وكانوا يتعجبون من قدرة قسيسي المعبد. فقد كانت تحمل أنابيب سرية الغاز الطبيعي إلى المعبد من شقوق صخرية قريبة.
ترسبات ضخمة للغاز الطبيعي وُجدت تحت بحر الشمال في الستينيات من القرن العشرين. يستخرج الغاز من تحت البحر بوساطة أجهزة الحفر (إلى اليسار) وينقل إلى المناطق الداخلية بوساطة الأنابيب (في اليمين).
الاستخدامات الأولى للغاز المصنع. اكتشف الكيميائي والفيزيائي البلجيكي جان بابتستا فان هلمونت الغاز المصنع في عام 1609م. فقد اكتشف أن شيئًا خفيًا، سماه الغاز، انبعث من الفحم الحجري المسخن. وفي أواخر القرن السابع عشر الميلادي حمص القس الإنجليزي جون كلايتون الفحم الحجري وجمع الغاز في مثانات حيوانات. ثم ثقب كلايتن مثانات الحيوانات وأشعل الغاز المتسرب.
وأنار المهندس البريطاني وليم ميردوك منزله بالغاز الذي صنعه من الفحم الحجري في عام 1792م. وأنار مدخل أحد المصانع في عام 1802م بمصابيح الغاز. وقد ركب ميردوك 900 مصباح للغاز في درافل القطن سنة 1804م، وأصبح يعرف بأبي صناعة الغاز.
أعجبت أعمال ميردوك والتجريبيين الآخرين، رجل الأعمال الألماني فريدريك ألبرت ونسور الذي قرر تصنيع الغاز على نطاق واسع. وتعلم الطريقة من ميردوك وحصل على براءة اختراع بريطانية لتصنيع الغاز في عام 1804م. وأضاء ونسور وشركاؤه عام 1807م أول شارع عمومي بالغاز وذلك على امتداد شارع بال مال بلندن. وكونوا أول شركة للغاز في عام 1812م. وقد أُنشئت شركة للغاز في الولايات المتحدة في مدينة بلتيمور بولاية ماريلاند في عام 1817م لإنارة شوارع المدينة.
تطوير صناعة الغاز الطبيعي. بدأ تطوير صناعة الغاز الطبيعي في الولايات المتحدة. وقد حدثت أولى الاكتشافات المعروفة للغاز الطبيعي في الولايات المتحدة عام 1775م. فقد رأى المنصّرون الفرنسيون بوادي أوهايو في تلك السنة أعمدة من النيران حدثت بسبب تسرب الغاز الذي أشعل مصادفة. وكذلك رأى جورج واشنطن، أول رئيس للولايات المتحدة فيما بعد، ينبوعًا محترقاً يتصاعد فيه لهب من الماء بالقرب مما يعرف الآن بتشارلستون بفرجينيا الغربية.
وظهرت فقاعات غامضة عام 1821م في بئر حُفرت لاستخراج الماء بفردونيا بنيويورك، ثم تخلى المنقب عن جهوده. وأكمل صانع أسلحة يسمى وليم آرون هارت بعد ذلك مباشرة بنفس الموقع حفر أول بئر للغاز الطبيعي في الولايات المتحدة، وكان عمقها 8 أمتار. وضخ هارت الغاز إلى مبان مجاورة وأشعله للإنارة. وحفر بئرًا ضحلة أخرى للغاز الطبيعي قرب وستفيلد بنيويورك عام 1826م.
وتكوّنت أول شركة عرفت لتوزيع الغاز الطبيعي بفردونيا عام 1865م. وكانت هناك 300 شركة أمريكية آنذاك، توزع الغاز المصنّع. واكتشف الزيت قرب تيتسفيل بولاية بنسلفانيا عام 1859م، وأهُمل التطوير في الغاز الطبيعي نتيجة وفرة الزيت التي تلت. وافتقر الغاز الموجود في حقول الزيت لكل من الأسواق ونظام خطوط الأنابيب.
اكتمل أول خط أنابيب طويل المدى عام 1872م. وحمل هذا الخط ذو الأنابيب الخشبية البالغ طوله 40كم، الغاز الطبيعي إلى مئات المستهلكين في بروشستر، بنيويورك. كذلك بدأ أول خط أنابيب حديدي للغاز الطبيعي بنقل الوقود لمسافة 9كم إلى تيتسفيل، فوصل ما يزيد على 100,000م§ من الغاز يوميًا إلى ما يقرب من 250 مستهلكًا.
كاد اختراع توماس أديسون للمصباح الكهربائي عام 1879م وإدخال الكهرباء في الإنارة أن يدمر صناعة الغاز. ولكن بدأت الصناعة في النمو ثانية بازدياد المستهلكين الذين تحولوا للغاز المصنع في الطبخ وتسخين الماء، بينما بقي التطوير في الغاز الطبيعي متوقفًا. واكتشف بعد ذلك مخزون هائل للغاز في تكساس ولويزيانا وأوكلاهوما في أوائل القرن العشرين. وزاد إنتاج الغاز الطبيعي على الضعف في الولايات المتحدة خلال الفترة بين عامي 1906م و 1920م ليبلغ 23 بليون متر مكعب سنويًا.
وبدأت صناعة الغاز الطبيعي في التوسع السريع في أواخر العشرينيات من القرن العشرين بإدخال أنبوب الصلب الملحوم كهربائيًا بدون دروز (بلا عُقَد). وكان هذا الأنبوب أقوى من الأنبوب الأسبق حيث أمكنه نقل كميات ضخمة من الغاز تحت ضغط عال.
وأحدث اكتشاف الغاز الطبيعي بأستراليا ثورة في صناعة الغاز في الستينيات من القرن العشرين. وتمتلك أستراليا مخزونًا كليا يتجاوز تريليون متر مكعب من الغاز الطبيعي. ووجد الغاز الطبيعي لأول مرة في منطقة روما في كوينزلاند عام 1900م. ولكن لم تكتشف الكميات التجارية حتى الستينيات. واكتشف الغاز في جدجالبا بجنوب أستراليا عام 1963م ومومبا عام 1966م. وكانت أكبر الحقول هي حقول الغاز والزيت المغمورة في حوض جيبسلاند شرق مضيق باس. وقدر الخبراء أن هذه الحقول بها 0,24 تريليون م§.
بدأ التوسع في صناعة الغاز الطبيعي بأوروبا خلال الستينيات من القرن العشرين. واكتشف العلماء الهولنديون مخزونًا ضخمًا من الغاز الطبيعي في هولندا عام 1959م. وقد أكد الحفر التجريبي سنة 1965م، وجود رواسب ضخمة من الغاز تحت بحر الشمال. وزاد استهلاك الغاز سريعًا في السبعينينات والثمانينيات من القرن العشرين.
في مصانع تحويل الفحم الحجري، يتحول الفحم الحجري ليحل محل الغاز الطبيعي الذي يستخدم وقودًا لتدفئة المنازل.
صناعة الغاز اليوم. أدت طُرق الاستكشاف الحديثة للغاز الطبيعي إلى توفر أضخم إمداد عالمي من الغاز عبر التاريخ. فقد اكتشف عدد من الشعوب التي اعتمدت على الغاز المصنّع بكثافة، رواسب ضخمة من الغاز الطبيعي وتحولت إلى استخدامه لأنه وقود رخيص. وتصّدر الدول المنتجة كميات متزايدة من الغاز الطبيعي عبر خطوط الأنابيب أو على هيئة سائل في ناقلات صهريجية.
تنتج روسيا أكثر من 555 بليون م§ من الغاز الطبيعي سنويًا متقدمة أية دولة أخرى. وتصنف الولايات المتحدة الثانية بإنتاج سنوي يقارب 539 بليون م§ سنويًا. وتعتبر كندا الثالثة في الإنتاج السنوي بنحو 146 بليون م§. وتحتل المملكة المتحدة المرتبة الرابعة في الإنتاج حيث تنتج ما يقرب من 72 بليون م§ سنويًا، وتحتل هولندا المرتبة الخامسة بإنتاج سنوي يقارب 67 بليون م§ سنويا. وتصدر مقدارًا وافرًا من الغاز لألمانيا وفرنسا وإيطاليا. وتحل الجزائر في المرتبة السادسة (61بليون م§) والمملكة العربية السعودية في المرتبة التاسعة (40بليون م§) وإيران في المرتبة العاشرة (35بليون م§).
وتطور صناعة الغاز وخصوصًا في الولايات المتحدة طرائق أكثر فاعلية لاستخدام الغاز الطبيعي. وتعتبر خلية الوقود الغازية جهازًا تحت التطوير، حيث تنتج الكهرباء كيميائيًا باستخدام الميثان من الغاز الطبيعي. انظر: خلية الوقود.
ويستخدم الغاز الطبيعي على نطاق تجريبي غالبًا في تشغيل بعض السيارات والشاحنات والسفن. وقد أوجد تفاقم مشكلة تلوث الهواء اهتمامًا قويًا بالغاز الطبيعي كوقود لوسائل النقل. ويزعم منتجو الغاز بأن الغاز الطبيعي يلوث الهواء بنسبة أقل مما يلوثه البترول وزيت الديزل.
ويقلق بعض الناس من التناقص في مخزون الغاز علمًا بأن إمداداته ستستمر إلى سنوات عديدة، ويتخوفون من أن العالم سيواجه أزمة طاقة حيث لن تتوفر طاقة كافية من الغاز أو المصادر الأخرى تكفي لسد الاحتياج. ولا تزال صناعة الغاز تَسْتكشف مصادر أخرى للغاز في أنحاء العالم، كما أن صناعة الغاز تبحث عن طرق لإنتاج الغاز من الفحم الحجري. انظر: الفحم الحجري.
أسئلة
كيف تكون الغاز الطبيعي؟
ما أكثر ثلاث دول إنتاجًا للغاز الطبيعي في العالم؟
لماذا تضيف شركات الخدمات مواد كيميائية للغاز الطبيعي؟
أين استُخدم الغاز لأول مرة في إنارة الشوارع ؟ ومتى؟
ما النقطة الساطعة؟ وإلام تشير ؟
لماذا يُعْتبر تخزين الغاز مهمًا ؟
كيف يمكن للجيولوجيين والجيوفيزيائيين المساعدة في استكشاف الغاز الطبيعي؟
ما الغازات الأخرى التي توجد مع الغاز الطبيعي؟
لماذا بدأت صناعة الغاز الطبيعي في التوسع السريع في أواخر العشرينيات من القرن العشرين؟
يُعْتبر الوقود الغازي، مثله مثل الهواء والبخار، صورة غازية من المادة؛ ذلك لأنه لا يشغل حيزًا ثابتًا من الفراغ مثلما تفعل السوائل والمواد الصلبة. ولمزيد من المعلومات الخاصة بالغاز باعتباره شكلا من أشكال المادة، انظر: الغاز.
والغاز،بوصفه وقودًا، له عدة فوائد، حيث يستخدمه الملايين من الناس لتدفئة منازلهم وطبخ وجباتهم وحرق نفاياتهم وتسخين الماء وتجفيف الملابس وتبريد الهواء. ويستخدم الغاز في الفنادق والمطاعم والمستشفيات والمدارس وفي العديد من المؤسسات للطبخ وتدفئة المباني وتسخين الماء وتكييف الهواء وتوليد البخار. وينتج عن الغاز، عند حرقه كمية قليلة من ملوثات الهواء.
وفضلاً عن استخدام الغاز مادة خام لتصنيع المنتجات، تتعدد استخداماته في الصناعة، حيث تتفاوت من إحراق ريش الدجاج، إلى تقوية مخاريط مُقدّم المركبات الفضائية.
وهناك نوعان من الغاز طبيعي ومُصنّع. ويستخدم الغاز الطبيعي بنسبة أعلى في العالم. ويعْتَقد معظم العلماء أن الغاز الطبيعي قد تكون تحت سطح الأرض عبر مئات الملايين من السنين، وأن القوى الطبيعية التي كوّنت الغاز هي نفسها التي كوّنت النفط. لذلك، يوجد الغاز الطبيعي في الغالب مع الرواسب النفطية أو قريبًا منها. وتستخدم نفس طرق الاستكشاف والحفر لكلا النوعين من الوقود. لكن الغاز المصنّع يتم إنتاجه أساسًا من الفحم الحجري أو النفط باستخدام الحرارة والعمليات الكيميائية. ويعتبر الغاز المصنع أكثر كلفة من الغاز الطبيعي، ولهذا يستخدم في المناطق التي لا توجد فيها كميات كبيرة من الوقود الطبيعي.
وكان الاتحاد السوفييتي قبل انهياره المنتج الأول للغاز الطبيعي في العالم، يليه كل من الولايات المتحدة الأمريكية وكندا وهولندا والمملكة المتحدة، على التوالي. وحتى ستينيات القرن العشرين لم تكن الكميات الكبيرة من الغاز الطبيعي أمرًا متيسرًا في معظم الأقطار الأوروبية. وقد أدى التطوير في حقول الغاز حديثة الكشف، إلى سرعة التوسع في صناعة الغاز الطبيعي الأوروبي خلال الستينيات. وقد ازداد التوسع بشكلٍ ملحوظ، خصوصًا في الاتحاد السوفييتي (سابقًا) وفي هولندا. وفي عام 1966م، تم اكتشاف أكبر حقل غاز على مستوى العالم في الاتحاد السوفييتي (سابقًا). كما بدأت المملكة المتحدة في إنتاج كميات أكبر من الغاز الطبيعي من الترسبات التي وُجدتْ تحت قاع بحر الشمال في أواسط الستينيات. وقد غطى الغاز حوالي ربع احتياجات الطاقة الكلية في المملكة المتحدة في أوائل التسعينيات.
تتكون صناعة الغاز من ثلاثة أنشطة رئيسية: 1- إنتاج الغاز بحفر آبار للغاز الطبيعي، أو تصنيع الغاز. 2- نقل الغاز بالأنابيب في معظم الأحوال إلى مناطق الأسواق الكبيرة. 3- توزيع الغاز على المستهلكين.
تحتاج كل خطوة من خطوات تصنيع الغاز إلى مهارات وأجهزة خاصة. وتقوم بعض الشركات بأداء الأنشطة الثلاثة، ولكن معظم الشركات تتعامل مع واحدة منها فقط.
بدأت صناعةُ الغازِ الطبيعي في الولايات المتحدة، ثم أخذت في التوسع السريع في أواخر عشرينيات القرن العشرين، بعد تطوير الأنابيب المُحسنة القادرة على نقل الغاز لمسافات طويلة بطرق اقتصادية. ونتيجة للتطور السريع في صناعة الغاز في أوروبا خلال الستينيات والسبعينيات، وبسبب زيادة استعمال الغاز الطبيعي، عدلت الأجهزة المنزلية المصممة لاستخدام الغاز المصنع، كما عدلت الشبكات التي تقوم بعملية التوزيع على نطاق واسع. وقد بدأ استثمار الغاز الطبيعي في أستراليا ونيوزيلندا في الستينيات. وفي الوقت الحاضر، يتم إمداد معظم المدن بخطوط الأنابيب.
استخدامات الغاز
من المعروف أن الغاز وقود يُستَخْدَم في الطهي والتدفئة في المنازل. ولكن استخدامه الصناعي في العديد من البلدان يفوق ما يتم استهلاكه في المنازل. وتستهلك الصناعة في الولايات المتحدة وكندا، على سبيل المثال، ما يقارب ثلث الغاز المحروق، في حين أن ما يستهلك في المنازل يبلغ الربع فقط. ويُستَخدم الباقي في المكاتب والفنادق والمطاعم والدكاكين والمدارس وأماكن الأعمال الأخرى والمؤسسات.
يوفر الغاز نحو رُبع الطاقة الكلية التي تحتاج إليها العديد من الدول الصناعية التي تمتلك مصادر للغاز الطبيعي، مثل المملكة المتحدة والولايات المتحدة. ويزداد استخدام الغاز الطبيعي لتوليد الكهرباء في هولندا على وجه الخصوص. والكثير من البلدان قد لا تملك احتياطيًا مترسبًا من الغاز الطبيعي، أو لا تمتلك الأنظمة اللازمة لإنتاجه ونقله. ولذلك فإن هذه الدول تستهلك كميات صغيرة من الغاز معظمه من الغاز المصنع.
خطوط خدمة الغاز توزع الغاز على بيوت ملايين المستهلكين. وتظهر هنا عملية مد الخطوط إلى حي حديث.
الغاز في المنازل. عندما تكون هناك كميات كبيرة من الغاز الطبيعي، فإنه يعتبر وقود الطبخ الأكثر انتشارًا بسبب قلة كلفته قياسًا على الأنواع الأخرى من الوقود. وهو يوفر لأرباب المنازل الحرارة المطلوبة مع سهولة التحكم فيها بطريقة آلية وإطفائها بطريقة فورية.
ويستخدم العديد من المستهلكين في المنازل الغاز في تدفئة منازلهم وتسخين الماء وحرق المخلفات وتجفيف الملابس وتشغيل مُكيفات الهواء. ويسخن العديد من الناس أحواض السباحة بالغاز، كما يمتلك العديد منهم مصابيح الزينة الخارجية التي تضاء بالغاز حول منازلهم. ويطهو آخرون على شوايات الغاز خارج مساكنهم.
ويستخدم العديد من الناس الذين يقيمون في منازل متنقلة، أو أولئك الذين يعيشون في المناطق الريفية أو في الأماكن الأخرى البعيدة عن خطوط الغاز، الغاز للطهي والتسخين، وذلك باستخدام غاز النفط المسال. وهو يعرف باسم النفط المسال أو البروبان أو البيوتان أو الغاز المعبأ. وينتج الغاز المسال من بعض المركبات الموجودة في الغاز الطبيعي أو من بعض المركبات الغازية في النفط، والتي تتحول إلى الحالة السائلة بوضعها تحت تأثير الضغط العالي. ويَشغل السائل فراغًا أصغر بكثير من الغاز الأصلي، كما يمكن نقله بسهولة في أوعية مضغوطة صغيرة. وعند استخدام الوقود، يعيد ضغط الهواء الجوي السائل مرة أخرى إلى غاز. وتستخدم بعض الدول الأوروبية غاز النفط المسال وقودًا للسيارات.
نظام الطاقة الكلية للغاز الطبيعي
الغاز في الصناعة. له العديد من الاستخدامات. على سبيل المثال، تستخدم الشركات لهب الغاز أو حرارة الغاز في تغليف وقطع وتشكيل الفلزات والمواد الأخرى. وَتُستخدم حرارة الغاز في تقوية مُقدّم مخاريط المركبات الفضائية لكيلا تحترق من الحرارة المكثفة الناتجة عن الاحتكاك الجوي. ويستخدم لهب الغاز لإزالة الزغب من الأقمشة المخملية. ويؤدي الغاز العديد من العمليات الصناعية، حيث يستخدم في تصنيع أو معالجة الطوب والبلاط والإسمنت والخزف والزجاج والأغذية، والحديد والفولاذ، والورق والمنسوجات ومنتجات أخرى لا حصر لها. ويجد علماء الصناعة أهمية بالغة لاستعمال الغاز في الأبحاث الخاصة بتطوير أو عمليات جديدة.
ويكمن الاختلاف الأساسي بين استخدام الغاز في أعمال الطهي بالمنازل وبين استخدامه في الأعمال الصناعية، في درجة الحرارة المستعملة. فالكعك والفطائر واللحوم على سبيل المثال، يحتاج طهيها إلى درجة حرارة تتراوح بين 150°م و260°م. ولكن الأعمال الصناعية تتراوح درجة الحرارة المطلوبة فيها بين 175°م، كما في دهان السَّيارات وحوالي 1,600°م، في صناعة الفولاذ ومعالجات الفلزات الأخرى.
تستخدم أعداد متزايدة من المصانع أنظمة متكاملة للطاقة الناتجة عن الغاز وذلك لإمدادها بكل احتياجاتها من الطاقة. ويعتبر الغاز في مثل هذه الأنظمة المصدر الخارجي الوحيد للطاقة. يجري مثلا، إمداد التوربينات والآلات بالقدرة لإدارة المولّدات التي تنتج الكهرباء. وتستعمل الحرارة المنبعثة من التوربينات والآلات للتسخين والتبريد.
كذلك تستعمل الصناعة سخانات الغاز مصدرًا للأشعة تحت الحمراء. وتُسخن الأشعة تحت الحمراء الأجسام المسلطة عليها فقط دون الهواء. ولهذه النوعية من السخانات استعمالات خاصة، إذ تستعمل للتدفئة في المستودعات الكبيرة أو المباني التي يصعب تدفئتها. انظر: الأشعة تحت الحمراء.
المصانع البتروكيميائية تستخدم الغاز الطبيعي لإنتاج المركبات الكيميائية المستخدمة في تصنيع البويات (الدهانات) والبلاستيك والمنتجات الأخرى.
منتجات الغاز. يُعتبر الغاز الطبيعي مصدرًا مهمًا للبتروكيميائيات (الكيميائيات المصنعة من الغاز الطبيعي أو النفط). وتُستخدم البتروكيميائيات وحدات بناء في تَصْنيع العديد من المنتجات التي تتضمن المنظفات الصناعية والأدوية والأسمدة والبويات (الدهانات) والمطاط والصوف الصناعي والنيلون والبوليستر والمنسوجات الصناعية الأخرى.
يَعْتمد إنتاج البتروكيميائيات على العديد من مركبات الهيدروجين والكربون الموجودة في الغاز والزيت الخام. وتتضمن هذه المركبات الميثان والإيثان والبروبان. وهذه المواد يمكن فصلها عن المادة الخام واستخدامها بمفردها كما يمكن فصل مكوناتها وإعادة تركيبها لإنتاج مركبات لا توجد في الغاز الخام أصلاً. وتمزج المركبات أو أجزاؤها مع الكيميائيات الأخرى لتصنيع المنظفات الصناعية والأدوية وكذلك المنتجات الأخرى.
وليست هناك حاجة إلى جميع المركبات الموجودة في الغاز الطبيعي لإنتاج الحرارة. فمثلاً، يتم عادة، فصل منتجات تسمى سوائل الغاز الطبيعي ـ مجموعة المركبات الكيميائية التي تتضمن الإيثان والبروبان والبيوتان ـ لتصبح في صورة سوائل قبل دفع الغاز داخل خطوط الأنابيب. ويعمل العديد من مصانع سوائل الغاز الطبيعي والبتروكيميائيات بالقرب من حقول الغاز وذلك لأهمية مصادر الإمداد. وللمزيد من المعلومات عن كيمياء الغاز، انظر: القصة الكيميائية للغاز في هذه المقالة. انظر أيضًا: الغاز؛ البتروكيميائيات.
من البئر إلى المستهلك
يوجد الغاز الطبيعي في ثقوب الحجر الجيري والحجر الرملي كما يوجد في الصخور الأخرى المسامية المليئة بالثقوب الصغيرة. وتتكون قُبة من الصخر غير المسامي كسقف فوق الصخر الحامل للغاز محتجزة الغاز. ولا يمكن للغاز الإفلات مالم يفتح منقب البئر فجوة خلال الصخر الصلب أو يزحف سطح الأرض ويُكسر السقف الحاجز. ويوجد الغاز الطبيعي غالبًا فوق تجمعات الزيت أو ذائبًا فيه لأن كلا الوقودين تكون تحت نفس القوى الطبيعية.
من أين يأتي الغاز الطبيعي
استكشاف الغاز. أنتجت الطُرق الحديثة أكبر قدر من الإنتاج العالمي من الغاز الطبيعي في التاريخ. وأظهرت تلك الطرق أماكن وجود التكوينات الأرضية التي يمكن أن تحوي الغاز، مع أنه لا يمكنها أن تدل على الوجود الحقيقي للغاز. ويبقى حفر البئر الطريقة الأكيدة لاكتشاف المناطق التي تحتوي على تجمعات الغاز.
وفي المناطق المثبتة، وهي المناطق التي تم اكتشاف الغاز أو النفط فيها، نجد أن حوالي 75% من الآبار الجديدة التي تم حفرها تنتج أحد الوقودين. ويسمى الحفر في المناطق غير المعروفة بأنها مراكز منتجة للغاز التنقيب الجزافي (العشوائي). ويتم حفر بئر جزافية إذا ما اعتقد أحد المنقبين بأن الغاز أو الزيت يمكن أن يوجد في مناطق بعيدة عن الآبار المنتجة. وتنتج نحو 10% من الآبار الاستكشافية بعض الغاز أو الزيت، ولكن العديد من تلك الآبار تفشل في إنتاج الوقود الكافي لتغطية تكاليف حفرها. ويستمر المنقبون في الحفر في المناطق غير المعروفة بالإنتاج لاحتفاظهم بجزءٍ من حقوق الترسبات التي تم اكتشافها. ويمكن لبئر جزافية ناجحة تغطية تكلفة العديد من الآبار غير الناجحة.
استكشاف الغاز يمكن أن يبدأ بشاحنات رطامية تُرسل موجات صوتية في الأرض لتُساعد في تحديد تجمعات الغاز.
وفي المناطق غير المعروفة بإنتاجها يعتمد المنقبون في استكشاف الغاز على دراسات يقوم بها علماء الأرض المعروفون بالجيولوجيين أو الجيوفيزيائيين. وتتضمن هذه الدراسات خرائط وتسجيلات حفرية وقياسات.
يدرس الجيولوجي بعد اختيار الموقع الاحتمالي خريطة تفصيلية عن المعالم فوق وتحت سطح الأرض. وتمكن الخريطة الجيولوجي من تحديد تكوينات تحت سطح الأرض تدعى المكامن حيث يمكن تراكم الغاز والزيت. وإضافة إلى ذلك، يحاول الجيولوجيون تحديد إمكان وجود صخر خازن للزيت أو الغاز تحت الأرض. وتمتلك هذه النوعية من الصخور ثقوبًا صغيرة أو مسامات يمكن للغاز المرور من خلالها. ولمزيد من المعلومات عن المحابس أو الصخور الخازنة، انظر: النفط.
حفر بئر يُعد الطريقة الأكيدة الوحيدة لتحديد ما إذا كانت المنطقة تحوي غازًا. تحمل رافعة الأثقال الطويلة أجهزة حفر الآبار.
ويمكن للجيولوجيين دراسة سجلات البئر التي تمثل تسجيلات للتكوينات الصخرية المتراصة أثناء حفر البئر. وتحدد سجلات البئر خواص مثل المسامية (وجود مسام) ومحتوى الصخور من الموائع. ويتمكن الجيولوجيون من تحديد كيفية تغير الصخور أو عدم تغيرها من منطقة إلى أخرى بمقارنة سجلات البئر.
ويستخدم الجيوفيزيائيون عادة تقنية استكشاف تُعرف بسيزمولوجيا الانعكاس أو تسجيل الانعكاس. والطريقة المتبعة في ذلك هي أن يُطلق صوت عالٍ، كانفجار مثلاً، فوق سطح الأرض أو تحتها مباشرة. وتنتقل موجات الصوت المتولدة داخل الأرض وترتد منعكسة إلى السطح بوساطة طبقات الصخر. ويمكن استخدام شاحنة هزازة، وتُدعى أيضًا شاحنة رطامية (رطامة)، لإنتاج موجات صوتية في المناطق المأهولة بالسكان. وتمتلك الشاحنة الرطامية وسادة هزازة كبيرة تضرب الأرض بصورة مُتكررة. وتُنَتج الموجات الصوتية في المناطق الساحلية المغمورة بإرسال شحنة من الهواء المضغوط أو نبضة إلكترونية من سفينة إلى الماء.
وتلتقط مجموعة من السماعات الأرضية التي تشبه مكبرات الصوت الموجات الصوتية المنعكسة. ويسجل نمط الموجات الصوتية على جهاز يسمى مرسمة الزلازل. انظر: مرسمة الزلازل. وتتغير الموجات الصوتية في الاتساع (الارتفاع) عندما تنعكس من صخور تحتوي على غاز. وهذه التغيرات تبدو غير متناسقة على سجل مرسمة الزلازل، ويطلق عليها اسم النقط الساطعة.
الدول التي تتصدر إنتاج الغاز الطبيعي
الدول التي تتصدر احتياطي الغاز الطبيعي
إنتاج الغاز. يتضمن الحفر، للبحث عن الغاز، نفس الطرق المستخدمة للحفر عن الزيت. ويعتبر الحفر الدوراني أشهر الطرق المألوفة. وهي تشبه عمل ثقب في خشبة باستخدام مثقاب النجار. كما تستخدم طريقة أخرى، وهي الحفر المطرقي لعمل ثقوب سطحية في الصخور الرخوة. وهي مشابهة لعمل ثقب في خشبة بالضغط بوساطة مطرقة ومسمار. لمعلومات تفصيلية عن الحفر والعمليات الأخرى في إنتاج كل من الغاز والزيت، انظر: البترول.
يبلغ متوسط تكلفة حفر بئر على اليابسة في الولايات المتحدة ما يقرب من 500,000 دولار أمريكي. ويمكن أن تكلف الآبار العميقة ما يساوي هذه التكلفة عدة مرات. وقد حفرت إحدى أغلى الآبار في أوكلاهوما (الولايات المتحدة) عام 1972م، حيث بلغ عمقها ما يزيد على 9,100م، وكلفت ما يزيد على خمسة ملايين دولار أمريكي. وعلى الرغم من أن الحفارين لم يجدوا كمّا من الغاز كما كانوا يتوقعون، فقد أثبتوا وجود الغاز الطبيعي في طبقة عميقة تحت سطح الأرض.
تحفر الآبار البحرية أو المغمورة في الماء بعمق يصل إلى 2,400م. وتعد مياه بحر الشمال وسواحل الخليج في الولايات المتحدة من أغنى المناطق المغمورة إنتاجًا. وقد بدأ تطوير حقول الغاز المغمورة في الجرف القاري بشمال غربي أستراليا في أواخر سبعينيات القرن العشرين. وفي العادة، يكون الحفر في المناطق الساحلية المغمورة أكثر إنتاجًا من الحفر في المناطق اليابسة، وذلك لأن كمية الغاز والزيت المأخوذ حتى الآن من تحت سطح البحر أقل، ولكن تكلفة الحفر في المناطق المغمورة أكثر. فبدلاً من الحفر البسيط إلى أسفل في اليابسة، يضطر حفّارو المناطق المغمورة للعمل من سفينة الحفر أو برج الحفر المتنقل أو منصة ثابتة. انظر: النفط.
وفي عام 1967م، استخدم التفجير النووي في تحرير الغاز الطبيعي لأول مرة في مشروع التعاون بين الحكومة الأمريكية والقطاع الصناعي الخاص. فقد فُجِّر جهاز هيدروجـين تعـادل قوتـه 26,300 طن متري من مادة التي. إن. تي. تحت عمق 1,290م تحت سطح الأرض بشمال غربي ولاية نيومكسيكو بالولايات المتحدة الأمريكية. وقد فتح الانفجار تجمعات الغاز المحتجزة في تكوينات صخرية استعصت على الحفر الطبيعي. واستخدم التفجير النووي لتحرير الغاز الطبيعي في شمال غربي ولاية كولورادو بالولايات المتحدة الأمريكية عامي 1969 و1973م.
نقل وتوزيع الغاز. يجب تنظيف ومعالجة الغاز الطبيعي الخام المتدفق من البئر. وتحمل الغاز أنابيب تُسمى خط التجميع من البئر إلى وحدة الاستخلاص حيث تزال الشوائب: الغُبار والكبريت والماء وغيرها. ويؤخذ الغاز إلى مصانع المعالجة القريبة لإزالة البيوتان والبروبان والمواد الأخرى التي لا يحتاج لها في الوقود. ويُدفع الغاز الطبيعي المعالج بعد ذلك في خطوط نقل طويلة تحت سطح الأرض تحمله إلى المجتمعات الواقعة في مساره.
تمديد الأنابيب تحت سطح الأرض يحتاج إلى حفر خنادق. تحمل الأنابيب الغاز من حقول الإنتاج إلى مناطق التسويق.
يتم نقل الغاز خلال أنابيب تحت ضغط عال يبلغ نحو 70كجم لكل سم². ويقل الضغط على طول المسار نتيجة للاحتكاك مع جدران الأنبوب. كما أنه ينقص أيضا عندما تبدأ المجتمعات في استهلاك الغاز. لكن محطات الضغط على طول الخط تعيد الضغط إلى معدله وتدفع الغاز إلى أقصى غاية. وتمتلك العديد من الخطوط محطات تشغيل ذاتي لزيادة أو خفض الضغط لتلبية الاحتياجات المختلفة للمجتمعات. وينتقل الغاز عبر الأنابيب بنحو 25كم في الساعة غالبًا. ويمكن أن يستغرق ضخ الغاز من البئر وانسيابه خلال الأنابيب عدة أيام قبل أن يصل إلى محطته النهائية في سوق التوزيع المحلي.
ويقوم الخبراء، سيرًا على الأقدام أو عن طريق استخدام الطائرات، بالاختبارات اللازمة والتي من شأنها أن تحدد الظروف الضارة بالأنابيب. ويتأكد الخبراء، على سبيل المثال، بعد الفيضانات والأمطار الكثيفة، بأن التراب الذي يغطي الأنابيب قد أزيل. وذلك إلى جانب أن الأجهزة المركبة على طول الخط تقوم ذاتيًا بالتنبيه على حدوث أي تسرب للغاز أو عن أي أخطاء أخرى.
وتقوم خطوط الخدمات بحمل الوقود المباع من شركات خدمات الغاز إلى المنازل والمصانع والمطاعم والفنادق والمباني الأخرى. وتُضيف شركات الخدمات للغاز مادة كيميائية ذات رائحة نفّاذة، لأن الغاز الطبيعي النقي لا رائحة له. ويساعد هذا في اكتشاف التسرب الغازي ودرء أخطاره.
وتمتلك الولايات المتحدة ما يقرب من 3,200,000كم من خطوط أنابيب الغاز، فضلاً عن خطوط الخدمات الفرعية. والواقع أن هذا الكم من الأنابيب كاف لتطويق خط الاستواء 80 مرة تقريبًا. وتمتلك المملكة المتحدة ما يقرب من 5,000كم من خطوط الأنابيب. وفي أستراليا تربط خطوط أنابيب مختلفة بين مناطق إنتاج الغاز والمدن الرئيسية. وينقل الغاز من جنوبي أستراليا على سبيل المثال، في خط أنابيب طوله 1,344كم إلى مناطق سيدني وولونجونج ونيوكاسل وكانبرا. ويحمل خط أنابيب بطول 1,500كم الغاز من مشروع الجرف الشمالي الغربي إلى بيرث ومراكز أخرى في غربي أستراليا. انظر: خط الأنابيب.
تخزين الغاز يؤمن للمستهلكين إمدادات ثابتة. يحتفظ الخزان أعلاه بالغاز الطبيعي.
تخزين الغاز. يَسْتخدم المستهلكون كميات أكبر من الغاز في الشتاء عنه في الصيف. وفي بعض الدول يمكن استخدام ستة أضعاف كمية الغاز في اليوم الشديد البرودة قياسا إلى الكمية المستخدمة في الأيام الحارة. والواقع أنه لا يمكن لخطوط الأنابيب أن تحمل كميات كافية من الغاز لتلبية احتياجات الوقود في الأيام الباردة، لذلك يجب تخزين الغاز عندما يكون الطلب عليه قليلاً ليُستخدم عندما تزداد الحاجة إليه.
مرة أخرى تضخ العديد من شركات الغاز كميات كبيرة من الغاز الطبيعي خلال الصيف. وتتألف معظم مناطق التخزين تحت سطح الأرض من حقول غاز وزيت قديمة لم تَعُدْ تُنْتج أو من تكوينات مسامية صخرية أخرى. وفي كولورادو بالولايات المتحدة الأمريكية، حُولت المناجم التي هُجرت إلى كهوف لاختزان الغاز. والمخازن المثالية هي تلك التي تقع بالقرب من خطوط الأنابيب ومحطات الضغط. والأهم من هذا كله قربها من مناطق التسويق الكبيرة.
ويجب إعداد الموقع لاستقبال وتخزين الغاز عندما يقع اختيار شركة الغاز على حقل غاز أو زيت غير منتج للتخزين فيه. ويمكن أن تضطر الشركة إلى إصلاح أو تنظيف أو استبدال حافظة البئر (أنبوبة كبيرة تنزل في البئر لمنع انهياره). ويمكن للمؤسسة أيضًا إعادة حفر بئر قديمة أو حفر بئر جديدة أخرى. ويستخدم الجيولوجيون والمهندسون نفس الطرق التي اسُتخدمت للاستكشاف والحفر عن الغاز والزيت عند تهيئة وتجهيز موقع لمخزن جديد تحت سطح الأرض.وفي حقل التخزين الجديد، بعد تهيئته واختباره، تقوم آلات ضخمة بضخ الغاز تحت الضغط العالي. ويتم تنظيف ومعالجة الوقود قبل إرساله إلى المستهلكين عندما تعيد الشركة الغاز المخزن لتلبية الحاجة الملحة في الأجواء الباردة.
ولخزانات التخزين تحت سطح الأرض أهمية قصوى في المحافظة على الغاز الطبيعي. وقد اعتاد المنقبون عن الزيت حرق الغاز الطبيعي الموجود في آبار الزيت للتخلص منه في الفترات التي تقل فيها الحاجة قبل التوسع في استخدام الخزانات. ومازالت بعض الدول، التي تنتج الزيت بكثافة تهدرُ كمية كبيرة من الغاز بهذه الطريقة.
ويمكن أيضًا تخزين الغاز عن طريق إسالته. وذلك بخفض درجة حرارته إلى ما يقرب من -160°م، ويعود الوقود إلى الصورة الغازية برفع درجة حرارته. ويحتاج الغاز الطبيعي السائل إلى حيز تخزين أقل بكثير مما يحتاجه الغاز الطبيعي. ويشغل الغاز الطبيعي حيزًا يصل إلى نحو 600 ضعف عما يحتاج اليه الغاز الطبيعي السائل. ويمكن أيضًا شحن الغاز الطبيعي عبر البحار. ولهذا يُعتبر استخدام الغاز الطبيعي السائل بأحجام كبيرة أفضل من استخدام سوائل غاز النفط أو سوائل الغازات الأخرى التي تتمتع بنفس التركيب الكيميائي للغاز الطبيعي. ولذلك يَسْهُل على الموردين التحول بين سوائل الغاز الطبيعي والغاز الطبيعي.
القصة الكيميائية للغاز
كيف تكوّن الغاز الطبيعي. ترسبت بقايا الكائنات البحرية الدقيقة في أرضية البحار في العصور الماضية وطمرت بالرواسب كما يظهر في الصورة اليمنى. تحولت المواد المتحللة إلى غاز وزيت وحجزت في الصخور المسامية تحت صخر غير مسامي (الصورة الوسطى). وأخيرًا زحفت قشرة الأرض وظهرت أرض جافة فوق العديد من الترسبات (الصورة اليسرى).
كيف تكون الغاز الطبيعي. يعتقد معظم العلماء أن الغاز الطبيعي تكوّن قبل ملايين السنين عندما كانت المياه تُغطي مساحة من سطح الأرض أكبر مما تغطيه في هذه الأيام. وقد ترسبت كميات هائلة من الكائنات البحرية الميتة البالغة الصغر، تُدعى العوالق المائية، على أرضية المحيطات خلال العصور القديمة. انظر: العوالق المائية. وتراكمت الرمال الناعمة والطمي فوق العوالق. وتكدست الطبقات تلو الأخرى فوق بعضها. وحوّل الضغط الهائل لوزن المترسبات، وكذلك البكتيريا والحرارة والقوى الطبيعية الأخرى، المركبات الكيميائية في العوالق المائية إلى غاز طبيعي وزيت. وتسرّب الغاز والزيت إلى فجوات الحجر الجيري والحجر الرملي والنوعيات الأخرى من الصخور المسامية، وتكوّنت طبقات من الصخور الصماء فوق الصخور المسامية ومنعت تسرب الغاز والزيت تحتها. وتسببت تحركات القشرة الأرضية لاحقًا في تراجع البحار القديمة إلى الوراء وظهور أرض يابسة تعلو ترسبات الغاز والزيت.
تركيب الغاز الطبيعي. يتألف الغاز الطبيعي النقي من مركبات كيميائية لعنصري الهيدروجين والكربون. وتسمى هذه المركبات الهيدروكربونات. وتوجد بعض الهيدروكربونات في صورة طبيعية على هيئة غازية، وبعضها سائل وبعضها الآخر صلب. وتعتمد صيغ الهيدروكربونات على عدد وتوزيع ذرات الهيدروجين والكربون في الجزيء الهيدروكربوني. انظر: الهيدروكربون.
ويتكون الغاز الطبيعي أساسًا من الميثان، أخف الهيدروكربونات. وترتبط ذرة الكربون في جزيء الميثان بأربع ذرات من الهيدروجين، وصيغته الكيميائية CH4. وتتضمن الغازات الهيدروكربونية الأخرى التي عادة ما توجد في الغاز الطبيعي كلاً من الإيثان(C2H6) والبروبان (C3H8) والبيوتان(C4H10). ويمكن أن يحتوي الغاز الطبيعي غير النقي على ثاني أكسيد الكربون والهيليوم والنيتروجين. انظر: غاز البيوتان والبروبان؛ الميثان، غاز.
تتفكك جزيئات الهيدروكربونات إلى ذرات الكربون والهيدروجين عند حرق الغاز الطبيعي. وتتحد الذرات مع الأكسجين الموجود في الهواء لتكوّن مواد جديدة. ويكون الأكسجين والكربون غاز ثاني أكسيد الكربون عديم اللون والرائحة. وينتج الهيدروجين والأكسجين بخار الماء وتنطلق الحرارة عند تفكك وإعادة تركيب الجزيئات. وتقاس كمية الحرارة في نظام القياسات المعتاد بوحدة الحرارة البريطانية أو السعر الحراري في النظام المتري. ويطلق قدم مكعب واحد من الغاز المحترق (28,316سم§) ما يقرب من 1,000 وحدة حرارة بريطانية أو 252,000 سعر حراري. انظر: الوحدة الحرارية البريطانية.
كيف يصنّع الغاز .يُصنع الغاز لمنتجاته الكيميائية الثانوية ولاستخدامه وقودًا. ويمثل الغاز المصنع في الولايات المتحدة، على سبيل المثال، ما يقرب من 1% فقط من مجموع كمية الغاز المستهلك. ويوجد العديد من أنواع الغاز المصنع، وأهمها غاز فرن الكوك المسمى غاز الفحم أو الأسيتيلين.
غاز فرن الكوك. يُصنع بتحميص الفحم الحجري. فعندما يتحول الفحم الحجري إلى فحم الكوك تنبعث أبخرة من الفحم الحجري تتكون من العديد من الكيميائيات. تمرر الأبخرة خلال الماء الذي يمتص بعض الكيميائيات غير المرغوبة بينما يثير الغاز المتبقي الفقاقيع خلال صعوده في الماء. ويمكن زيادة تنقية هذا الغاز بالعمليات المختلفة التي تزيل الكيميائيات الثانوية. ويمتلك غاز فرن الكوك قيمة حرارية أقل بكثير من الغاز الطبيعي. انظر: غاز فرن الكوك.
الأسيتيلين.ينتج الأسيتيلين أساسًا بإسقاط الماء على هيئة قطرات على كربيد الكالسيوم (مركب من الكالسيوم والكربون)، ويمكن تصنيعه أيضًا بشطر جزيئات الميثان بالتسخين. ويمتلك الأسيتيلين قيمة حرارية أكبر من الغاز الطبيعي وينتج لهبًا شديد الحرارة. ويستخدم الأسيتيلين في اللحام وقطع الفلزات. انظر: الأسيتيلين.
الغازات المصنعة الأخرى. تتضمن هذه الغازات غاز الزيت والغاز المنتج وغاز الماء. ويُنتج غاز الزيت بتفكيك جزيئات النفط برش الزيت على طوب مسخن. ويصنع غاز المولدات بإمرار الهواء ببطء خلال طبقة عميقة من الفحم الحجري أو فحم الكوك الساخن لتكوين غاز أول أكسيد الكربون. ويصنع غاز الماء بإجبار بخار الماء على المرور خلال طبقة ساخنة من الفحم الحجري أو فحم الكوك لتكوين غاز أول أكسيد الكربون والهيدروجين.
تاريخ صناعة الغاز
الاستخدامات الأولى للغاز الطبيعي. كان قدماء الصينيين أوائل الذين عرفوا استخدام الغاز الطبيعي للأغراض الصناعية. فقد اكتشفوا رواسب الغاز الطبيعي وتعلموا ضخ الوقود خلال أعمدة الخيزران منذ آلاف السنين. وحرقوا الغاز لغلي الماء المالح وتجميع الملح المتبقي.
بنيت المعابد وبها ما أطلق عليه النار الخالدة بالقرب مما يعرف الآن بباكو في أذربيجان، في القرن السابع الميلادي. وجاء المتعبدون من مناطق بعيدة مثل فارس والهند لرؤية النار الغامضة الدائمة التوهج وكانوا يتعجبون من قدرة قسيسي المعبد. فقد كانت تحمل أنابيب سرية الغاز الطبيعي إلى المعبد من شقوق صخرية قريبة.
ترسبات ضخمة للغاز الطبيعي وُجدت تحت بحر الشمال في الستينيات من القرن العشرين. يستخرج الغاز من تحت البحر بوساطة أجهزة الحفر (إلى اليسار) وينقل إلى المناطق الداخلية بوساطة الأنابيب (في اليمين).
الاستخدامات الأولى للغاز المصنع. اكتشف الكيميائي والفيزيائي البلجيكي جان بابتستا فان هلمونت الغاز المصنع في عام 1609م. فقد اكتشف أن شيئًا خفيًا، سماه الغاز، انبعث من الفحم الحجري المسخن. وفي أواخر القرن السابع عشر الميلادي حمص القس الإنجليزي جون كلايتون الفحم الحجري وجمع الغاز في مثانات حيوانات. ثم ثقب كلايتن مثانات الحيوانات وأشعل الغاز المتسرب.
وأنار المهندس البريطاني وليم ميردوك منزله بالغاز الذي صنعه من الفحم الحجري في عام 1792م. وأنار مدخل أحد المصانع في عام 1802م بمصابيح الغاز. وقد ركب ميردوك 900 مصباح للغاز في درافل القطن سنة 1804م، وأصبح يعرف بأبي صناعة الغاز.
أعجبت أعمال ميردوك والتجريبيين الآخرين، رجل الأعمال الألماني فريدريك ألبرت ونسور الذي قرر تصنيع الغاز على نطاق واسع. وتعلم الطريقة من ميردوك وحصل على براءة اختراع بريطانية لتصنيع الغاز في عام 1804م. وأضاء ونسور وشركاؤه عام 1807م أول شارع عمومي بالغاز وذلك على امتداد شارع بال مال بلندن. وكونوا أول شركة للغاز في عام 1812م. وقد أُنشئت شركة للغاز في الولايات المتحدة في مدينة بلتيمور بولاية ماريلاند في عام 1817م لإنارة شوارع المدينة.
تطوير صناعة الغاز الطبيعي. بدأ تطوير صناعة الغاز الطبيعي في الولايات المتحدة. وقد حدثت أولى الاكتشافات المعروفة للغاز الطبيعي في الولايات المتحدة عام 1775م. فقد رأى المنصّرون الفرنسيون بوادي أوهايو في تلك السنة أعمدة من النيران حدثت بسبب تسرب الغاز الذي أشعل مصادفة. وكذلك رأى جورج واشنطن، أول رئيس للولايات المتحدة فيما بعد، ينبوعًا محترقاً يتصاعد فيه لهب من الماء بالقرب مما يعرف الآن بتشارلستون بفرجينيا الغربية.
وظهرت فقاعات غامضة عام 1821م في بئر حُفرت لاستخراج الماء بفردونيا بنيويورك، ثم تخلى المنقب عن جهوده. وأكمل صانع أسلحة يسمى وليم آرون هارت بعد ذلك مباشرة بنفس الموقع حفر أول بئر للغاز الطبيعي في الولايات المتحدة، وكان عمقها 8 أمتار. وضخ هارت الغاز إلى مبان مجاورة وأشعله للإنارة. وحفر بئرًا ضحلة أخرى للغاز الطبيعي قرب وستفيلد بنيويورك عام 1826م.
وتكوّنت أول شركة عرفت لتوزيع الغاز الطبيعي بفردونيا عام 1865م. وكانت هناك 300 شركة أمريكية آنذاك، توزع الغاز المصنّع. واكتشف الزيت قرب تيتسفيل بولاية بنسلفانيا عام 1859م، وأهُمل التطوير في الغاز الطبيعي نتيجة وفرة الزيت التي تلت. وافتقر الغاز الموجود في حقول الزيت لكل من الأسواق ونظام خطوط الأنابيب.
اكتمل أول خط أنابيب طويل المدى عام 1872م. وحمل هذا الخط ذو الأنابيب الخشبية البالغ طوله 40كم، الغاز الطبيعي إلى مئات المستهلكين في بروشستر، بنيويورك. كذلك بدأ أول خط أنابيب حديدي للغاز الطبيعي بنقل الوقود لمسافة 9كم إلى تيتسفيل، فوصل ما يزيد على 100,000م§ من الغاز يوميًا إلى ما يقرب من 250 مستهلكًا.
كاد اختراع توماس أديسون للمصباح الكهربائي عام 1879م وإدخال الكهرباء في الإنارة أن يدمر صناعة الغاز. ولكن بدأت الصناعة في النمو ثانية بازدياد المستهلكين الذين تحولوا للغاز المصنع في الطبخ وتسخين الماء، بينما بقي التطوير في الغاز الطبيعي متوقفًا. واكتشف بعد ذلك مخزون هائل للغاز في تكساس ولويزيانا وأوكلاهوما في أوائل القرن العشرين. وزاد إنتاج الغاز الطبيعي على الضعف في الولايات المتحدة خلال الفترة بين عامي 1906م و 1920م ليبلغ 23 بليون متر مكعب سنويًا.
وبدأت صناعة الغاز الطبيعي في التوسع السريع في أواخر العشرينيات من القرن العشرين بإدخال أنبوب الصلب الملحوم كهربائيًا بدون دروز (بلا عُقَد). وكان هذا الأنبوب أقوى من الأنبوب الأسبق حيث أمكنه نقل كميات ضخمة من الغاز تحت ضغط عال.
وأحدث اكتشاف الغاز الطبيعي بأستراليا ثورة في صناعة الغاز في الستينيات من القرن العشرين. وتمتلك أستراليا مخزونًا كليا يتجاوز تريليون متر مكعب من الغاز الطبيعي. ووجد الغاز الطبيعي لأول مرة في منطقة روما في كوينزلاند عام 1900م. ولكن لم تكتشف الكميات التجارية حتى الستينيات. واكتشف الغاز في جدجالبا بجنوب أستراليا عام 1963م ومومبا عام 1966م. وكانت أكبر الحقول هي حقول الغاز والزيت المغمورة في حوض جيبسلاند شرق مضيق باس. وقدر الخبراء أن هذه الحقول بها 0,24 تريليون م§.
بدأ التوسع في صناعة الغاز الطبيعي بأوروبا خلال الستينيات من القرن العشرين. واكتشف العلماء الهولنديون مخزونًا ضخمًا من الغاز الطبيعي في هولندا عام 1959م. وقد أكد الحفر التجريبي سنة 1965م، وجود رواسب ضخمة من الغاز تحت بحر الشمال. وزاد استهلاك الغاز سريعًا في السبعينينات والثمانينيات من القرن العشرين.
في مصانع تحويل الفحم الحجري، يتحول الفحم الحجري ليحل محل الغاز الطبيعي الذي يستخدم وقودًا لتدفئة المنازل.
صناعة الغاز اليوم. أدت طُرق الاستكشاف الحديثة للغاز الطبيعي إلى توفر أضخم إمداد عالمي من الغاز عبر التاريخ. فقد اكتشف عدد من الشعوب التي اعتمدت على الغاز المصنّع بكثافة، رواسب ضخمة من الغاز الطبيعي وتحولت إلى استخدامه لأنه وقود رخيص. وتصّدر الدول المنتجة كميات متزايدة من الغاز الطبيعي عبر خطوط الأنابيب أو على هيئة سائل في ناقلات صهريجية.
تنتج روسيا أكثر من 555 بليون م§ من الغاز الطبيعي سنويًا متقدمة أية دولة أخرى. وتصنف الولايات المتحدة الثانية بإنتاج سنوي يقارب 539 بليون م§ سنويًا. وتعتبر كندا الثالثة في الإنتاج السنوي بنحو 146 بليون م§. وتحتل المملكة المتحدة المرتبة الرابعة في الإنتاج حيث تنتج ما يقرب من 72 بليون م§ سنويًا، وتحتل هولندا المرتبة الخامسة بإنتاج سنوي يقارب 67 بليون م§ سنويا. وتصدر مقدارًا وافرًا من الغاز لألمانيا وفرنسا وإيطاليا. وتحل الجزائر في المرتبة السادسة (61بليون م§) والمملكة العربية السعودية في المرتبة التاسعة (40بليون م§) وإيران في المرتبة العاشرة (35بليون م§).
وتطور صناعة الغاز وخصوصًا في الولايات المتحدة طرائق أكثر فاعلية لاستخدام الغاز الطبيعي. وتعتبر خلية الوقود الغازية جهازًا تحت التطوير، حيث تنتج الكهرباء كيميائيًا باستخدام الميثان من الغاز الطبيعي. انظر: خلية الوقود.
ويستخدم الغاز الطبيعي على نطاق تجريبي غالبًا في تشغيل بعض السيارات والشاحنات والسفن. وقد أوجد تفاقم مشكلة تلوث الهواء اهتمامًا قويًا بالغاز الطبيعي كوقود لوسائل النقل. ويزعم منتجو الغاز بأن الغاز الطبيعي يلوث الهواء بنسبة أقل مما يلوثه البترول وزيت الديزل.
ويقلق بعض الناس من التناقص في مخزون الغاز علمًا بأن إمداداته ستستمر إلى سنوات عديدة، ويتخوفون من أن العالم سيواجه أزمة طاقة حيث لن تتوفر طاقة كافية من الغاز أو المصادر الأخرى تكفي لسد الاحتياج. ولا تزال صناعة الغاز تَسْتكشف مصادر أخرى للغاز في أنحاء العالم، كما أن صناعة الغاز تبحث عن طرق لإنتاج الغاز من الفحم الحجري. انظر: الفحم الحجري.
أسئلة
كيف تكون الغاز الطبيعي؟
ما أكثر ثلاث دول إنتاجًا للغاز الطبيعي في العالم؟
لماذا تضيف شركات الخدمات مواد كيميائية للغاز الطبيعي؟
أين استُخدم الغاز لأول مرة في إنارة الشوارع ؟ ومتى؟
ما النقطة الساطعة؟ وإلام تشير ؟
لماذا يُعْتبر تخزين الغاز مهمًا ؟
كيف يمكن للجيولوجيين والجيوفيزيائيين المساعدة في استكشاف الغاز الطبيعي؟
ما الغازات الأخرى التي توجد مع الغاز الطبيعي؟
لماذا بدأت صناعة الغاز الطبيعي في التوسع السريع في أواخر العشرينيات من القرن العشرين؟
