وتمثل نظم الطاقة المتجددة الهجينة تقاربا استراتيجيا بين مصادر الطاقة النظيفة المتعددة التي تهدف إلى التغلب على الطابع المتقطع للتكنولوجيات الفردية، ومن بين أكثر الأزواج إلحاحا دمج المواد الفولطية الشمسية مع مزيج من الطاقة الأحيائية يوازن بين الناتج المتغير للطاقة الشمسية والطاقة العضوية القابلة للتداول، وبين القدرة على استخدام الكتلة الحيوية، وهذا التآزر لا يؤدي إلى تحسين موثوقية الشبكات فحسب، بل أيضا إلى زيادة كفاءة النظم العضوية في مجال الطاقة.

لماذا يعمل (الطاقة الشمسية) و(بيولوجي) معاً

فالكهرباء الشمسية وفرة خلال ساعات النهار، ولكنها تهبط إلى الصفر في الليل ويمكن تخفيضها بدرجة كبيرة من خلال الغطاء السحابي، فالطاقة الأحيائية المستمدة من مواد عضوية مثل المخلفات الزراعية، أو نفايات الغابات، أو محاصيل الطاقة المخصصة، يمكن تخزينها وتجميعها أو تخميرها عند الطلب، وعندما يقترن ذلك، فإن السلوك الفرعي للطاقة الأحيائية يعمل كعبء أساسي مرن أو كمصدر للطاقة الذرية، مما يؤدي إلى سد الثغرات في الإنتاج الشمسي.

وعلاوة على ذلك، يمكن تشغيل محطات الطاقة الأحيائية بطريقة مُثبطة للثغرات: فهي تستطيع أن تُنشق بسرعة أكبر من النباتات التقليدية للفحم أو النووية، وإن كانت أبطأ من ذروة الغاز الطبيعي، وعندما تقترن بتنبؤات شمسية ونظم رقابة ذكية في الوقت الحقيقي، يمكن للهيجين أن يستجيب لإشارات الشبكة أو لتغييرات الطلب المحلي بأقل قدر من التقليص.

الفوائد الرئيسية للنظم الهجينة للطاقة الشمسية - البيونيرغية

تعزيز الموثوقية والاستقرار المظلم

ومن خلال الجمع بين موارد الطاقة الشمسية التي يمكن التنبؤ بها ولكن المتقطعة ذات الطابع المرسل للكتلة الأحيائية، يمكن للنظم الهجينة أن توفر طاقة ثابتة ومدورة على مدار الساعة، مما يقلل من الحاجة إلى مولدات الديزل الاحتياطية أو محطات ذروة الغاز الطبيعي، التي تكون مشتركة في نظم تعتمد فقط على الطاقة الشمسية، وفي الشبكات النائية أو الجزرية التي يكون فيها الإمداد بالوقود باهظ التكلفة وغير موثوق به، يمكن أن توفر الطاقة الهجينة للطاقة الشمسية.

عوامل القدرة العالية والكفاءة

وعادة ما تحقق نظم الطاقة الشمسية القائمة بذاتها عوامل القدرة بنسبة ١٥-٢٥ في المائة، حسب الموقع، وعندما تكون مدمجة مع الطاقة الأحيائية، يمكن للنظام الهجين أن يحقق عوامل القدرة بنسبة ٤٠-٧٠ في المائة، تبعا لحجم عنصر الكتلة الحيوية واستراتيجية التشغيل، وعلاوة على ذلك، يمكن استخلاص حرارة النفايات من محرك الاحتراق أو الغاز الحيوي واستخدامه في أجهزة التدفئة والتسخين في المياه، بل وحتى في دفع المزيد من الكفاءة إلى)ب(.

رابطة إدارة النفايات

وكثيراً ما تعتمد نظم الطاقة الأحيائية على النفايات العضوية مثل المكورات، ومخلفات المحاصيل، والنفايات المجهزة للأغذية، أو النفايات الصلبة البلدية، ولا يتفادى استخدام هذه المواد للطاقة انبعاثات الميثان من التحلل فحسب، بل يخفض أيضاً حجم النفايات التي يجب أن تُنصب أو تعالج، وفي نظام هجين، توفر الصفيفة الشمسية الكهرباء النظيفة بينما تحل وحدة الكتلة الأحيائية مشكلة النفايات، مما يخلق حلقة إنتاجية تُفيد الطاقة.

انخفاض تكاليف الطاقة على المستوى الأدنى

وفي حين أن وقود الكتلة الحيوية يمكن أن يكون أكثر تكلفة لكل كيلوواط من الشمس على أساس التكلفة الهامشية، فإن البنية التحتية المشتركة - مثل المحولات والمحولات والربط الشبكي ونظم الرصد - تقلل من النفقات الرأسمالية الإجمالية مقارنة ببناء محطات منفصلة للطاقات الشمسية والكتلة الأحيائية - كما أن العمليات المجمعة - تقلل من إمكانية الحصول على الأراضي ورؤوسها فوق سطح الأرض، ونتيجة لذلك، يمكن أن يؤدي نظام ليكو للشحنات الشمسية الأقل تصميماً من حيث الحجم إلى الحد الأدنى من الكهرباء.

عناصر النظام وهيكله

ويضم نظام الطاقة الشمسية - الطاقة الهجينة النموذجي أربعة نظم فرعية أساسية: الجيل الشمسي، وتحويل الطاقة الأحيائية، وتخزين الطاقة )إذا لزم الأمر(، ووحدة مراقبة إشرافية، ووحدة المراقبة هي مخ العملية، باستخدام التنبؤات الجوية، وبيانات توافر الوقود، وإشارة الشحن التي تقرر في الوقت الحقيقي كيفية إرسال مختلف المصادر.

النظام الفرعي للجيل الشمسي

  • Photovoltaic (PV) panels -monocrystalline or polycrystalline silicon modules are most common, but little‐film options (CdTe, CIGS) may be used for building —integrated or space —constrained sites.
  • Inverters and transformers] -central or string inverters convert DC to AC; stepup transformers connected to the medium —voltage grid.
  • Tracking systems] —single —axis or dual —axis trackers can increase solar yield by 25 -35% but addميكانيكية complexity and O-M costs.
  • Monitoring and instrumentation] -pyranometers, temperature sensors, and DC/AC meters feed data to the control system.

النظام الفرعي للتحويلات الحيوية

ويعتمد اختيار تكنولوجيا الطاقة الأحيائية على نوع المواد الوسيطة، ومحتويات الرطوبة، والحجم، أما المسارات الثلاثة الأكثر شيوعا فهي:

  • Direct combustion with steam turbine] -suitable for dry woody biomass (moisture <30%) The biomass is burned in a boiler to produce steam that drives a turbine. Efficiencies range from 20-30% for small plants to 35% for larger, high structure
  • ]Anaerobic digestion with biogas motor] -wet feedstocks (manure, food waste, sewage sludge) are digested in an oxygen —free tank to produce biogas (mainly methane and CO2). The biogas is cleaned and burned in a reciprocating motor or microturbine.
  • (ب) التسخين بمحرك الغازات أو توربين - بيوماس مسخَّن في بيئة منخفضة الأوكسجين لإنتاج غاز مركب قابل للحرق (CO + H2). ويمكن إحراق سينغاس في محرك احتراق داخلي أو بعد التنظيف في توربين الغاز.

تخزين الطاقة

وعلى الرغم من أن عنصر الطاقة الأحيائية يمكن تعديله، فإن إضافة مصرف صغير للبطاريات (الليثيوم أو التدفق البطاري) يمكن أن يوفر سلاسة فورية للطاقة، ويتيح لوحدة الكتلة الأحيائية العمل على أكفأ مستوى ثابت من حيث الطاقة، وفي العديد من التصميمات الهجينة، يتم تركيب البطارية لتغطية المصابيح الشمسية (مثلاً، التقلبات الطويلة الأجل للأملاح، وفي الوقت الذي تعالج فيه وحدة الكتلة الحيوية.

نظام مراقبة وإدارة الطاقة

وتستخدم نظم الإدارة البيئية الخوارزميات لتحقيق الاستخدام الأمثل للإرسال، وغالباً ما تكون أهدافه هي تقليل تكاليف التشغيل إلى أدنى حد، أو تلبية جدول زمني ثابت للشحن، أو زيادة الاستهلاك الذاتي المتجددة إلى أقصى حد، وتشمل أجهزة التحكم المتقدمة التعلم الآلي للتنبؤ بالمنتجات الشمسية وتوافر الكتلة الحيوية، كما تدير إدارة البيئة متطلبات الربط الشبكي، مثل تنظيم الفولط والتواتر، ويمكنها المشاركة في أسواق الخدمات الفرعية.

الاعتبارات والتحديات المتعلقة بالتصميم

تجهيز المواد الغذائية والسوقيات

إن تأمين إمدادات موثوقة وفعالة من حيث التكلفة للكتلة الأحيائية هو أكثر العقبات التشغيلية شيوعاً، ويمكن أن تتباين تكاليف المواد الخام بشكل موسمي وبأسعار السلع الأساسية، ويمكن للنقل على مسافات طويلة أن يضعف الفوائد الاقتصادية والبيئية، وكثيراً ما تتوقف قدرة النظام الهجين على البقاء على قرب من مصادر النفايات الزراعية أو الحراجية أو البلدية، كما أن العقود الطويلة الأجل وتنوع مسارات المواد الوسيطة يقلل من المخاطر.

Seasonal Mismatches

وفي كثير من المناخات، بلغت ذروت التشعيع الشمسي في الصيف، بينما قد يكون توافر الكتلة الأحيائية أعلى بعد الحصاد في الخريف أو أثناء دورات الفرز الموسمي، ويمكن إدارة هذا التخريب عن طريق تخزين الكتلة الأحيائية المجففة أو باستخدام الحفر الهوائي مع تدفقات النفايات الأرضية ذات الصبغة الشمسية، وبعض المرافق التي تتشارك في إطلاق الغازات الأحيائية ذات الغاز الطبيعي أو تستخدم محركاً ثنائياً للوقود للحفاظ على الإنتاج.

الحياد والاستدامة

ولا يُخلق كل الكتلة الحيوية على قدم المساواة، إذ يمكن أن تتنافس المحاصيل ذات الأغراض المزروعة للطاقة مع إنتاج الأغذية وقد تتطلب مدخلات عالية من الأسمدة والمياه، كما أن حياد الكربون في الطاقة الأحيائية يعتمد على الانبعاثات الناشئة عن عمليات الحصاد والتجهيز والنقل، ويجب أن يُحسب لها في شكل متغيرات، كما أن شهادات الاستدامة (مثلاً من المائدة المستديرة بشأن المواد البيولوجية المستدامة) تتطلب من المستثمرين والمستثمرين في مجال الإنتاج.

الترابط بين الأزواج والقيادة

ويجب أن تتقيد النظم الهجينة التي تجمع بين محركين رئيسيين مختلفين (المتحولين من ذوي الفول السوداني ومولدات الكتلة الأحيائية) بمعايير الربط المحلية بين المنافع، التي يمكن أن تكون معقدة، ويجب معالجة نوعية الطاقة، والإسهام الحالي في حالة حدوث خطأ، وحماية من القذف، وفي العديد من الولايات، تكون عملية السماح لمصانع الكتلة الأحيائية أكثر حدة من عملية الطاقة الشمسية وحدها، ولا سيما فيما يتعلق بالانبعاثات الجوية، كما أن المشاركة المبكرة مع الجهات التنظيمية وتقييم الأثر البيئي الشامل أمران بالغا.

التكاليف الرأسمالية والتمويل

وتتحمل محطات الكتلة الحيوية تكاليف رأسمالية أعلى لكل كيلوواط متر مكبوتة من الطاقة الشمسية، ولكنها توفر إمكانية الإرسال، وكثيرا ما تتطلب المشاريع المختلطة التمويل - الضرائب المختلط للجزء الشمسي والقروض التجارية أو السندات الخضراء لجزء الكتلة الحيوية، ويمكن أن تزيد مخاطر التكنولوجيا المتصور، ولا سيما بالنسبة لمخططات التكامل الجديدة، تكلفة رأس المال.

التطبيقات العالمية الحقيقية ودراسات الحالات الإفرادية

Remote Community Microgrids

وفي شمال كندا وألاسكا، نشرت عدة مجتمعات من خارج المناطق الحاج نظما هجينة من الطاقة الشمسية - البيوماس لتحل محل مولدات الديزل، ويستخدم عنصر الكتلة الأحيائية عادة رقائق الخشب المستخرج محليا أو نفايات من مطاحن الخشب، وتوفر صفائف الشمس الطاقة النهارية، بينما تقل تكاليف الديزل في الكتلة الأحيائية والتوربينات السائلة أو الكراكين العضوي بنسبة ٧٠ في المائة من مشاريع استهلاك السائل الكهربائية في المساء.

المرافق الزراعية والصناعية

وقد قامت مزرعة ألبان في كاليفورنيا بتركيب عبوة شمسية واحدة من طراز MW فوق باحاناتها وحفرة من طراز anaerobic 500 كيلوواط تعمل على هوايات الجير والألمز، ويعطي نظام التحكم الأولوية للشمس عندما تشرق الشمس، ويتحول إلى الغاز الحيوي خلال فترات الغيوم والمساءات، ويستخدم بطارية صغيرة لمعالجة التغيرات المفاجئة في الحمولة، وتصدر المزارع الآن طاقة زائدة إلى الشبكة وتبيع أغلفة.

Utility —Scale Hybrid Power Plants

وفي البرازيل، تجمع محطة هجينة مكونة من ٥٠ ميغاواط بين ٣٠ ميغاواط من الطاقة الشمسية و ٢٠ ميغاواط من الكتلة الحيوية التي تغذيها أكياس السكر ورقائق الأوكليتوبتوس، وتعمل هذه المحطة بمعامل قدرة يزيد على ٦٠ في المائة، وتزود الشبكة الوطنية بالطاقة الحيوية وتستخدم أيضا في توفير القدرة على إنتاج الغازات الخفية، مما يساعد على إعادة تشغيل الشبكة بعد انقطاع التيار الكهربائي.

التوقعات المستقبلية والاتجاهات الناشئة

ومع ازدياد اختراق الطاقة المتجددة، سيحتاج مشغلو الشبكات إلى طاقة نظيفة أكثر مرونة، ويمكن إرسالها، وتستعد النظم الهجينة للطاقة الشمسية - الطاقة لتمويل هذا الدور، وستعجل عدة تطورات باعتمادها:

  • ][التحكم المكثف والإيطالي ]الجبهة[[[[[[[1] - يمكن أن يؤدي الاستخدام الأمثل للوقت باستخدام التعلم الآلات إلى تحسين الكفاءة بنسبة ٥-١٥ في المائة والحد من استهلاك الوقود.
  • ] Co-insiting with agriculture (agrivoltaics)-Growing crops under or between solar panels can provide dual use of land. Crop residues can then feed the biomass unit, creating an integrated food-energy system. Early experiments in Europe and Japan show promising yields for shade-tolerant crops like lettuce, beans.
  • Carbon capture and bioenergy (BECCS)] -Adding carbon capture to the biomass unit can result in negative emissions, which is attractive for companies and governments pursuing net —zero targets. Hybrid systems with BECCS could become carbon —negative power plants, though the technology is still in early development and increases costs.
  • ] Standardized modular designs - تقوم شركات تصنيع المعدات الشفرية بتطوير كتل هجينة من الطرازات واللعب تجمع بين حقل صغير من الطاقة الشمسية ومزود بغاز وبطارية الكتلة الحيوية الحاوية، ويمكن نشر هذه الوحدات الجاهزة في أسابيع بدلا من أشهر، وتخفيض تكاليف التركيب وفتح أسواق جديدة في البلدان النامية.
  • دعم السياسات والتمويل الأخضر - بدأت الحكومات في إدراج نظم متجددة مختلطة في التعريفات الجمركية على أساس التغذي ومعايير الحافظة المتجددة، وتزيد السندات الخضراء والقروض المرتبطة بالاستدامة من تفضيل المشاريع التي تثبت إمكانية الإرسال وتكامل النفايات فيما بين الطاقة.

خاتمة

فإدماج نظم الطاقة الشمسية والطاقة الأحيائية يخلق محطة توليد الطاقة المتجددة الهجينة تجمع بين الطبيعة المنخفضة التكلفة والوفيرة للطاقة الشمسية وفوائد التسلية والادارة المهددة للكتلة الأحيائية، وفي حين أن التحديات لا تزال قائمة حول السوقيات الوسيطة، مما يتيح التعقيد، وتكاليف الشبكة الرأسمالية، فإن التكنولوجيا ناضجة بما يكفي للانتشار الفوري في كثير من السياقات، مع تصميم نظم دقيقة، ومراقبة ذكية، وسياسات داعمة للطاقة الشمسية.

For further reading:]