System dynamics model driven by process parameters for carbon emission prediction and mitigation scenario evaluation in open-pit metal mines
تُطوّر هذه الدراسة وتتحقق من صحة نموذج ديناميكيات نظام مدفوع بمعايير العمليات للتنبؤ بانبعاثات الكربون في المناجم المعدنية المفتوحة وتقييم سيناريوهات التخفيف، كاشفةً أنه في حين تهيمن عمليات المعالجة والتعامل مع المخلفات على الانبعاثات، فإن التحسينات المشتركة في الكفاءة واستراتيجيات إزالة الكربون يمكن أن تقلل بشكل كبير من إجمالي الانبعاثات والتكاليف المرتبطة بها.
البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي للبحث أدناه. لم يكتبه المؤلفون ولم يصادقوا عليه. وللتحقق من الدقة التقنية، يرجى الرجوع إلى البحث الأصلي. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل
يتجه العالم نحو مستقبل منخفض الكربون، وهو تحول يتطلب كميات هائلة من المعادن للسيارات الكهربائية، وتوربينات الرياح، وأنظمة تخزين الطاقة. ولتلبية هذا الطلب، يجب أن تتوسع عمليات التعدين، ومع ذلك فإن عملية استخراج هذه الموارد بحد ذاتها تستهلك طاقة كبيرة وتولد غازات دفيئة كبيرة. لعقود من الزمن، حاول العلماء والمهندسون قياس هذه الانبعاثات، لكن الطرق التقليدية غالبًا ما تعتمد على النظر إلى الوراء فيما يتعلق بما حدث بالفعل؛ حيث يقومون بحساب الوقود المحترق أو الكهرباء المستخدمة بعد وقوع الحدث. هذا النهج، رغم كونه مفيدًا لإعداد التقارير، يواجه صعوبة في التنبؤ بكيفية تغير الانبعاثات مع تعمق المنجم، أو طول الطرق، أو استبدال المعدات. إنه يعامل المنجم كلقطة ثابتة وليس كنظام حي يتنفس، حيث تؤدي كل عملية اتخاذ قرار في مرحلة التخطيط إلى تأثيرات تمتد عبر العملية بأكملها، مما يغير استهلاك الطاقة ومخرجات الكربون بعد أشهر أو سنوات.
لقد طور باحثون في جامعة العلوم والتكنولوجيا ببكين طريقة جديدة للنظر إلى هذه المشكلة؛ حيث أنشأوا نموذجًا حاسوبيًا يعمل كمحرك محاكاة ديناميكي، مصمم خصيًا لمناجم المعادن ذات الحفر المفتوحة. وبدلاً من مجرد إحصاء الانبعاثات الماضية، يأخذ هذا النموذج خطط إنتاج المنجم — كمية الصخور المراد نقلها، والمسافة التي ستُنقل إليها، والمعدات التي ستُستخدم — ويحسب بصمة الكربون الناتجة شهرًا بشهر. يقسم النموذج المنجم إلى أنشطته الأساسية: حفر الثقوب للمتفجرات، وتفجير الصخور، وتحميل الشاحنات، ونقل المواد، وسحق الحجارة، ومعالجة الخام. بل إنه يأخذ في الاعتبار أيضًا فقدان التخزين الطبيعي للكربون عند اضطراب الأرض. ومن خلال ربط هذه العمليات معًا، يمكن للباحثين رؤية كيف يؤثر التغيير في منطقة ما، مثل زيادة مسافة النقل أو الانتقال إلى الشاحنات الكهربائية، على إجمالي انبعاثات الموقع بأكمله.
ولاختبار ابتكارهم، طبق الفريق النموذج على منجم معادن كبير وحقيقي في الصين. قاموا أولاً بتغذية النموذج ببيانات من عام 2024 لمعرفة ما إذا كان بإمكانه إعادة إنشاء استهلاك الطاقة والانبعاثات الفعلية للمنجم بدقة. كانت النتائج قريبة بشكل مذهل من الواقع؛ حيث كانت توقعات النموذج لاستهلاك الكهرباء والديزل والمتفجرات ضمن بضعة نقاط مئوية من السجلات الفعلية. منح هذا الباحثين الثقة لاستخدام الأداة للنظر إلى الأمام، ومحاكاة عمليات المنجم لعام 2027. في هذا السيناريو المستقبلي، توقع النموذج أن المنجم سيصدر ما يقرب من 1.76 مليون طن من مكافئ ثاني أكسيد الكربون. وكشفت المحاكاة أن التقلبات الشهرية في الانبعاثات كانت مدفوعة بالكامل تقريبًا بكمية الصخور التي يخطط المنجم لنقلها في ذلك الشهر؛ فعندما تطلبت جداول الإنتاج نقل المزيد من الصخور، ارتفعت الانبعاثات، وعندما تباطأت الجداول، انخفضت الانبعاثات. وكانت المسافة التي تقطعها الشاحنات مهمة، لكنها كانت عاملًا ثانويًا مقارنة بحجم العمل الفعلي.
كما كشفت المحاكاة عن مصدر هذه الانبعاثات. وخلافًا للافتراض الشائع بأن الشاحنات الثقيلة التي تصعد وتنزل في الحفرة هي الملوث الرئيسي، أظهر النموذج أن معالجة الخام هي المصدر المهيمن. فالخطوات المتعلقة بطحن الصخور وفصل المعادن الثمينة، والمعروفة باسم "المعالجة" (beneficiation)، إلى جانب التعامل مع المواد المتبقية من النفايات، شكلت حوالي 91 بالمائة من إجمالي انبعاثات المنجم. أما الشاحنات، رغم ضجيجها وقوتها، فقد ساهمت بأقل من 5 بالمائة. وهذا الاكتشاف أمر بالغ الأهمية لأنه يشير إلى أن مجرد استبدال شاحنات الديزل بشاحنات كهربائية، رغم كونه مفيدًا للشاحنات نفسها، سيكون له تأثير ضئيل بشكل مفاجئ على إجمالي البصمة الكربونية للمنجم. في المحاكاة، أدى استبدال 30 بالمائة من عبء عمل شاحنات الديزل بشاحنات كهربائية إلى تقليل الانبعاثات الناتجة عن الشاحنات بنسبة تقرب من 19 بالمائة، لكن إجمالي انبعاثات المنجم انخفض بأقل من 1 بالمائة. والسبب بسيط: الشاحنات لم تكن هي المشكلة الرئيسية من الأساس.
عندما اختبر الباحثون استراتيجيات مختلفة لخفض الانبعاثات، أصبح المسار الأكثر فعالية واضحًا. جاءت أكبر المكاسب من تحسين كفاءة الطاقة في مصنع معالجة الخام وتحويل الكهرباء التي تغذي المنجم بأكد إلى مصدر أنظف. فإذا تمكن المنجم من تقليل الكهرباء اللازمة لمعالجة الخام بنسبة 10 بالمائ%， فإن إجمالي الانبعاثات سينخفض بنسبة تقارب 8 بالمائ%. وإذا أصبحت شبكة الكهرباء نفسها أنظف، مما يقلل من كثافة الكربون في الطاقة بنسبة 15 بالمائ%، فإن إجمالي الانبعاثات سينخفض بأكثر من 14 بالمائ%. وكانت النتيجة الأكثر قوة هي الجمع بين هذه التدابير مع كهربة الشاحنات؛ فمن خلال القيام بالأمور الثلاثة معًا، أظهر النموذج أن المنجم يمكنه خفض إجمالي انبعاثاته السنوية إلى حوالي 1.38 مليون طن، أي انخفاض بنسبة تقارب 22 بالمائ%. كما سيوفر هذا النهج المتكامل للمنجم ملايين الدولارات من تكاليف الكربون المحتملة، بافتراض وضع سعر لانبعاثات الكربون.
لا تدعي الدراسة أنها حلت مشكلة انبعاثات التعدين، ولا تقترح أن الشاحنات الكهربائية فكرة سيئة. بدلاً من ذلك، فهي تقدم خريطة دقيقة للمكان الذي يجب تركيز الجهود فيه. بالنسبة لهذا النوع المحدد من المناجم، فإن الطريق نحو مستقبل منخفض الكربون يكمن في تحسين مصنع المعالجة وتأمين طاقة أنظف، وليس في تغيير المركبات فحسب. يعمل النموذج كأداة لاتخاذ القرار، مما يسمح لمخططي المناجم برؤية عواقب خياراتهم قبل اتخاذها. وهو يوضح أنه بينما يهم كل جزء من العملية، فإن الطاقة المستخدمة لتحويل الصخر إلى معدن هي المحرك الأساسي في معادلة الكربون. ومن خلال فهم هذه العلاقة الديناميكية، يمكن لشركات التعدين تخطيط عملياتها لتكون أكثر كفاءة وأقل ضررًا بالمناخ، مما يضمن استخراج المعادن اللازمة لمستقبل أخضر بأقل بصمة كربونية ممكنة.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.