استكشاف إمكانية استخدام نظامي هيبريد غاس توربين وويند باور

ومع تباطؤ عملية الانتقال في مجال الطاقة على الصعيد العالمي، تكثف البحث عن توليد الطاقة الكهربائية الموثوقة والمرنة والخفيضة الكربون، وتبرز النظم الهجينة التي تجمع بين التوربينات الغازية والطاقة الريحية كحل عملي يوازن بين تداخل المصادر المتجددة وقابلية التجدد الحراري، ومن خلال إدماج هاتين التكنولوجيات، يمكن للمشغلين تحقيق كفاءة عامة أعلى، وانخفاض الانبعاثات، وتحسين استقرار صانعي الشبكات في المستقبل.

ما هي "هيبريد غاس توربين" و "ويند باور" ؟

إن نظام الطاقة الكهربائية والرياحية المختلط هو تشكيلة متكاملة لتوليد الطاقة تعمل فيها مجموعة أو أكثر من التوربينات الغازية إلى جانب التوربينات الريحية، وكثيرا ما تتقاسم نقطة اتصال مشتركة مع الشبكة الكهربائية أو توفر بشكل مباشر حمولة صناعية، والفكرة الأساسية هي تعزيز الخصائص التكميلية لكل تكنولوجيا: فالتربينات الريحية تنتج الكهرباء الصفرية عندما تهب الرياح، بينما يمكن إرسال أوابيب الغازات الريحية عند الطلب.

وفي الممارسة العملية، تتراوح هذه النظم من مجرد تجميع الأصول (الهياكل الأساسية لتقاسمها مثل خطوط النقل) إلى مخططات متكاملة تماما للمراقبة حيث يؤدي نظام مركزي لإدارة الطاقة إلى تحقيق أقصى قدر من ناتج كلا المصدرين في الوقت الحقيقي، وقد تشمل التشكيلات المتقدمة أيضا تخزين الطاقة، مثل البطاريات أو التخزين الحراري المغنطيسي، لزيادة التقلبات السلسة وزيادة حصة الطاقة المتجددة التي يمكن استخدامها.

فالمفهوم ليس جديدا تماما، إذ أن التوربينات الغازية الصناعية قد اختلطت بمزارع الرياح في مواقع بعيدة عن المناطق، وكثيرا ما توفر الطاقة الأساسية عندما تكون الموارد المتجددة غير كافية، غير أن التقدم الذي أحرز مؤخرا في الضوابط الرقمية، وتخزين الطاقة، ومواد التوربين الخفيفة ذات الوزن الخفيف قد جعل من المهاجينات ذات النطاق الواسع النطاق المترابط بشكل متزايد التكلفة - القدرة على تركيب نظم الطاقة الريحية على الصعيد العالمي.

أهم مزايا تطهير توربينات الغازات مع قوة الرياح

تعزيز الموثوقية والاستقرار المظلم

ومن أكثر المزايا إلحاحا تحسين الموثوقية، حيث أن الطاقة المتقلبة هي بطبيعتها متغيرة يمكن أن تنخفض من القدرة الكاملة إلى الصفر في دقائق بسبب أنماط الطقس المحلية، وعلى النقيض من ذلك، يمكن أن ترتفع من بداية باردة إلى حمولتها الكاملة في أقل من 10 دقائق، كما أن العديد من الوحدات الحديثة تحقق معدلات انقطاع الكهرباء تتراوح بين 5 و10 في المائة في الثانية، وعندما تكون مدمجة في نظام مراقبة مكرس، فإن توربين الغازات الغازات الغازات قابلة للتك الثابتة يمكن أن تعوض تلقائيا عن توليد الطاقة المتجددة.

فعلى سبيل المثال، تستخدم محطة هجينة في تكساس تربين غازي بسيط من طراز MW مركب مزود بمزرعة ريح 150 ميغاواط، وفي فترات الرياح الهادئة، تعمل توربين الغازات في شكل حمولة أعلى؛ وعندما ترتفع الرياح، تعود التوربين وحده، وتنقذ الوقود وتخفض الانبعاثات، ويحدث الأثر الصافي ناتجاً من الطاقة يطابق جدولاً زمنياً للإرسال 24/7، مما يجعل من المورد أكثر موثوقية.

الكفاءة التشغيلية ووفورات الوقود

فعملية التوربينات الغازية تعمل بأقصى قدر من الكفاءة في حمولة الغاز أو قربها، وعندما تضطر إلى التدوير والانتقال إلى أعقاب تقلبات الرياح، وتخفض كفاءة الشحن الجزئي، وترتدي على ارتفاع مكونات الممرات الغازية الساخنة، وفي نظام هجين مصمم تصميما جيدا، يمكن تشغيل توربين الغاز في شكل حمولة أساسية أو متوسطة الحجم، مع معالجة الطاقة الريحية للتقلب، مما يقلل من عدد ساعات التشغيل الأولية، ويحسن

وبالإضافة إلى ذلك، فإن استخدام الطاقة الريحية للتعويض عن استهلاك الغاز، فإن كثافة الكربون الإجمالية للنباتات الهجينة لكل ساعة من ساعات العمل الميغوات منخفضة، وقد تبين من دراسة أجراها مختبر الطاقة المتجددة الوطني (NREL) أن 50 في المائة من الغازات الريحية - 50 في المائة يمكن أن تقلل من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون بنسبة 30 إلى 50 في المائة مقارنة بمعامل طاقة احتياطية من مكافئات الطاقة.

انخفاض الانبعاثات وتأثيرها البيئي

فبعد ثاني أكسيد الكربون، يمكن أن تؤدي النظم الهجينة إلى انخفاض كبير في الملوثات الأخرى، كما أن توربينات الغاز المجهزة بمحرقات منخفضة جداً تنتج بالفعل انبعاثات أكسيد النيتروجين أقل بكثير من مصانع الفحم، وعندما تقترن بالطاقة المتجددة، فإن البصمة البيئية العامة لكل كيلوت ساعة تنخفض أكثر، علاوة على ذلك، فإن القدرة على إدارة توربين الغاز في حمولات أكثر استقراراً تقلل من حجم الانبعاثات العابرة التي تحدث بسرعة.

فبعض المفاهيم الهجينة المتقدمة تستكشف استخدام الوقود المشبع بالهيدروجين أو احتجاز الكربون وتخزينه على جانب توربين الغاز، وحتى بدون هذه الإضافات، فإن الهجين الذي يحقق تسرب الرياح السنوي بنسبة تتراوح بين 30 و40 في المائة سينتج مادة جزيئية أقل بكثير وثاني أكسيد الكبريت من مصنع مقارن للفحم أو النفط المشتعل، وفي المناطق التي توجد فيها أنظمة احتياطية صارمة للانبعاثات، يمكن أن يساعد المشغلين على تحقيق أهداف بناء البطارية باهظايا.

المنافع الاقتصادية وتكاليف الطاقة المخفضة

ويمكن أن يؤدي التهوية إلى تحسين اقتصاديات كلتا هاتين التقنيتين، وكثيرا ما تواجه المزارع الفائزة تقليصا خلال فترات العرض المفرط، وتهدر الإيرادات المحتملة، كما أن توربين الغاز المتراكم يوفر سوقا بديلة للطاقة الريحية الزائدة (مثل استخدامه في الهواء الطلق أو إنتاج الهيدروجين) مما يقلل من خسائر العائد الحاد، وبالمثل، فإن فوائد توربين الغاز من ارتفاع في حجم الطاقة الريحية، لأنها يمكن أن تدار.

ويشير تحليل الوكالة الدولية للطاقة إلى أن نظم الطاقة الهجينة تعمل بالريح يمكن أن تحقق تكلفة مخفضة من الكهرباء قادرة على المنافسة مع تكلفة محطات الدراجات المستقلة ذات الطاقة المتجمعة في المناطق ذات الموارد الريحية القوية، لا سيما عندما تكون أسعار الغاز الطبيعي منخفضة وأسعار الكربون متوسطة، وكثيرا ما يكون مجموع التكلفة المركبة لكل ميغاواط من الهجين أقل من بناء محطة غازية موزعة بنفس القدر إضافة إلى نظام ثابت لتخزين البطاريات.

التحديات التقنية وأوجه التكامل

تعقيد نظام المراقبة

ويتمثل أكبر تحد تقني في تصميم نظام للمراقبة يمكن أن ينسق دون هوادة مصدرين مختلفين جوهرياً من مصادر توليد الطاقة، وقد يستجيب التوربينات الفائزة للتغيرات في سرعة الرياح، بينما يجب أن يستجيب توربين الغازي لاشارات التحكم من جهاز التحكم الهجين ومشغل الشبكة، وبدون تحقيق أقصى قدر ممكن من الوقت الحقيقي، قد يواجه النظام تقلبات أو استخدام وقود دون المستوى الأمثل أو زيادة الضغط الميكانيكي.

Site Selection and Grid Connection

وتتطلب النظم الهجينة موقعاً له موارد الرياح الجيدة وإمكانية الوصول إلى أنابيب الغاز الطبيعي أو تخزين الغاز في الموقع، وهذا الجمع نادر؛ وهناك العديد من مواقع الرياح الممتازة بعيدة عن البنية الأساسية للغاز، والعكس بالعكس، وحتى عندما يكون كلاهما متاحين، يجب أن تدعم شبكة الربط تدفقات الطاقة ذات الاتجاهين والسلوك الدينامي لمولدين متميزين، ويمكن أن تكون المحولات المتطورة، ونظم التبديل، ونظم الحماية اللازمة لمعالجة المستويات الحالية المقترنة بالانخفاض باه باهظة باهظة باهظة.

Energy Storage Integration

وعلى الرغم من أن توربين الغاز يمكن أن يتعامل مع المتحولين السريعين، فإن إضافة البطاريات أو غيرها من التخزين يمكن أن يزيد من تحسين الأداء ويسمح بأن يدار توربين الغاز بصورة أقل من ذلك، غير أن تكامل التخزين يستحدث طبقة أخرى من التعقيد: الإدارة الحرارية، ونظم تحويل الطاقة، والتحكم في التسلسل الهرمي، وقد اختارت مشاريع كثيرة مهجنة مبكرة تشكيلة بسيطة " الغازات + الرياح " دون تخزين، ولكن مع انخفاض تكاليف البطاريات، أصبح التخزين إضافة جذابة.

اعتبارات الصيانة ودورات الحياة

وقد يتطلب توربينات الغاز المصممة للتدوير المتواتر صيانة أكثر من تلك التي تعمل بصورة مطردة، وفي الهجين، قد لا تزال التربينات تبدأ وتتوقف مئات المرات في السنة إذا كانت الرياح تهيمن، وهذا يزيد من تكاليف عمليات التفتيش على مسارات الغازات الساخنة واستبدال المكونات، ويعمل المصانع على ترابين " الدراجة المرنة " مع تحسين القابلية للتحليل، ولكن إلى أن يتم نشر هذه التوقعات على نطاق واسع.

الأسواق الحالية

وهناك عدة مشاريع هجينة بارزة قيد التشغيل أو قيد البناء في جميع أنحاء العالم، ففي المملكة المتحدة، يمكن أن تُحرق في موقعي تصميم الطاقة الشمسية المشابهة، وهما مركبتان مركبتان من طراز EG9H، هما: (FLT:1]، مع الرياح البحرية في دراسة مفاهيمية لموقع الطاقة الشمسية الشتوية في البحر الشمالي، حيث يمكن أن تُحرق الهيدروجين الناتج من طاقة الرياح الزائدة في التربين عند الحاجة.

وفي الولايات المتحدة، يتجمع مشروع " فوتو كريك ريم " في ويومنغ مع مزرعة رياحية تضم اضطرابات غازية تبلغ 50 ميغاواط، وتوفر قدرة ثابتة على تحقيق فائدة محلية، وقد أثبت هذا النظام وجود معامل قدرة بنسبة 90 في المائة على مدار العام، وهو ما يزيد كثيرا عن أي من الموارد وحده، ففي ألمانيا، تستخدم محطة ستادتورك هيبري في سنفينبرغ تضخما في إنتاج الغازات الريحية.

كما يقوم مشغلو النفط والغاز في الشرق الأوسط باستكشاف الهجينات لتقليل البصمة الكربونية لعملياتهم في أعلى المجرى حيث يلزم توفير طاقة موثوقة للمضخات والمضغطات، وبإدماج التوربينات الغازية الصغيرة مع التوربينات الريحية في الأرصفة البعيدة، يمكن أن يقلل استهلاك الديزل وانبعاثاته مع الحفاظ على الوقت الإضافي.

دور تخزين الطاقة في النظم الهجينة

وفي حين أن توربين الغاز نفسه يمكن أن يوفر استجابة سريعة، فإن إضافة نظام لتخزين الطاقة بالبطارية يمكن أن يزيد بشكل كبير من مرونة وتسرب متجدد من الهجين، فالترتيب النموذجي هو نظام للنباتات المزودة بالغازات الريحية، ويعالج البطاريات تقلبات من المستوى الثاني إلى المستوى الدقيق، ويستجيب توربين الغاز في ثوان إلى دقائق، ويتيح الريح استخدام الطاقة المتجددة الأساسية.

ووفقا لتقرير صدر في عام 2024 عن الوكالة الدولية للطاقة المتجددة (IRENA) ، يمكن لنظم المجلس أن تحقق حصصا من الطاقة المتجددة تتراوح بين 60 و80 في المائة مع الحفاظ على إمكانية إرسال 24/7، مع وجود قدرة على الانتقال من مكافئة طويلة الأجل قادرة بالفعل على المنافسة مع توليد الغازات المشتعلة في أسواق كثيرة، ولا يزال العقبة الرئيسية هي ارتفاع تكلفة رأس المال للبطارية، ولا سيما لمدة تتجاوز 4 ساعات.

التوقعات المستقبلية والتوجيهات المتعلقة بالتطوير

Hydrogen —Ready Gas Turbines and Carbon Capture

وفي الأجل الطويل، فإن أكثر التطورات إثارة هو إمكانية استخدام الهيدروجين الأخضر الذي ينتجه توربينات الرياح (عن طريق التحلل الكهربائي) كوقود للتربين الغازي، إذ أن العديد من الصانعين، بمن فيهم سيمنز للطاقة وشركة ميتسوبيشي، لا يزالون يطورون توربينات الغاز القادرة على إحراق 100 في المائة من الهيدروجين، وسيكون من محطات توليد الطاقة الكهربائية ذات الوجهة العالية من حيث الارتداد الكربون، محطة توليد الطاقة.

التواؤم الرقمية والتصويب الأمثل

وتسمح التكنولوجيا الرقمية التوأم للمشغلين بتحفيز سلوك المصنع الهجين في الوقت الحقيقي، والتنبؤ بمصابيح الرياح، والأداء الاضطراباتي للغاز، والمطالب بالشبكات، وبجمع التوأم الرقمي مع أجهزة التحكم بالتعلم الآلي، يمكن للنظام أن يُستخدم لنفسه كحد أدنى من التكلفة، أو الحد الأقصى من الكسر المتجدد، أو أدنى الانبعاثات، وقد أظهرت التجارب المبكرة انخفاضا بنسبة تتراوح بين 5 و8 في المائة في تكاليف الوقود مقارنة بمخطط الرقابة التقليدية.

طاحونة الرياح وهجينات الشاطئ

وكثيرا ما تكون الرياح البحرية أقوى وأكثر اتساقا من الشاطىء، ولكن ربط التوربينات العائمة بالرياح بالمنصات الغازية أو توربينات الغاز العائمة يشكل تحديات هندسية فريدة، وتقوم الشركة النرويجية إيكنور بوضع مفهوم هجين خارجي يجمع بين الرياح العائمة وبين توربين الغازات المتوسطة الحجم على منصة محولة، ويوفر الطاقة لمجال النفط المنتج، مع الحد من انبعاثاته.

السياسات والاعتبارات الاقتصادية

وتؤدي الحوافز الحكومية دورا حاسما في دفع الاعتماد الهجين، إذ أن الائتمانات الضريبية لإنتاج الرياح، والائتمانات الضريبية للاستثمار في التخزين، وتسعير الكربون كلها تحسن الاقتصاد الهجين، وتطبق بعض الولايات القضائية، مثل الاتحاد الأوروبي، حصصا " الغاز الأخضر " التي تتطلب استبدال جزء من الغاز الطبيعي بميثان متجدد أو هيدروجين، تدعم بصورة غير مباشرة الهجينات.

ومن العوامل الاقتصادية الحاسمة الأهمية قيمة الطاقة المتجددة الثابتة والممكنة الإيفاد، إذ أن مشغلي المحاجرين على استعداد متزايد لدفع قسط من الطاقة يمكن ضمانه في ساعات معينة، مما يتيح فتح مسارات للإيرادات للمختلطين من خلال أسواق القدرة وشهادات الطاقة المتجددة ذات خصائص متطورة زمنيا، ويمكن أن يكون للمصنع الهجين الذي يوفر الطاقة النظيفة والقدرة الثابتة سعرا أعلى من سعر مزرعة رياحية قائمة بذاتها.

خاتمة

إن الاضطرابات الناجمة عن الغاز الهجين ونظم الطاقة الريحية تمثل جسرا عمليا في التحول العالمي للطاقة، مما يتيح وسيلة لتخفيض الانبعاثات بدرجة كبيرة مع الحفاظ على الموثوقية التي تتطلبها الشبكات الحديثة، وعلى الرغم من أن العقبات التقنية والاقتصادية لا تزال قائمة - خاصة في مجالات الضوابط واختيار المواقع وتكاليف دورة الحياة - وهي سرعة سرعة وتيرة الابتكار في مجال الاستخدام الأمثل الرقمي، وتخزين الطاقة، والوقود المولد للهيدروجين - تؤدي إلى تحسين سرعة في وضع القيمة.