Table of Contents
The New Frontier of Energy Transmission
وقد اعتمدت الشبكة الكهربائية العالمية على ما يزيد على قرن على موصلات النحاس والألومنيوم لنقل الطاقة من المولدات إلى المستهلكين، ونظرا لأن مسافات الانتقال تنمو في قارات أطول فتتحول إلى قارات تتسع فيها المحيطات، أو تربط المزارع المتجددة النائية بالخسائر التي تصيب المدن في الكابلات التقليدية، فإنها تصبح حاجزا اقتصاديا وتقنيا مسببا للاضطرابات، حيث إن انتقال الطاقة الكيدولوجية الذي يستغل ظاهرة التنافر، يوفر بديلا هائلا.
وتدرس هذه المادة آخر التطورات في تكنولوجيا النقل المسببة للبرد، من المواد الحديثة التي تؤدي إلى نظم التبريد المتطورة، وتقيم أداء الطيارين التنفيذيين في العالم الحقيقي، كما نستكشف التحديات المستمرة - التكلفة والموثوقية وتعقيد الهياكل الأساسية - وخارطة الطريق التي يمكن أن تجعل من المثير للسخرة " الطرق السريعة للطاقة " سمة موحدة لنظم الطاقة في المستقبل.
Understanding Cryogenic Power Transmission
فيزياء مقاومة صفر
ويحدث التأقلم الشديد عندما تبرد مواد معينة تحت درجة حرارة حرجة، وفي هذه المرحلة يفقدون بشكل مفاجئ كل المقاومة الكهربائية، وفي كابل مخطوف، يربط الإلكترونيات بزوجين من كوبر ينتقلان من خلال التمزق دون التحطيم، مما يتيح الكثافة الحالية التي تزيد مئات المرات عن الكوادر العادية، ويعني ذلك بالنسبة لنقل الطاقة أن الكابلات التي تستهلك كميات كبيرة من الطاقة الكهربائية لا تحمل سوى بضع سنتيمترات.
وتحافظ نظم نقل المواد الكيميائية على درجات الحرارة هذه باستخدام محطات التبريد المتخصصة والأنابيب المجهزة بالفراغ، وعادة ما تكون الكابل نفسه مجموعة من الأشرطة المسببة للاختراق الفوقية التي تصيب في السابق، محاطة بمستويات من العزل الحراري وجاكيت تبريد النيتروجين السائل أو السائل، وفي نهاية الخط، تربط الإنهاءات بين الفرع المبرد وبين البنية التحتية لسلوك الشبكات التقليدية، التي تدير الانتقال من الموصلات السطحية.
لماذا تتطلّب "أولترا لونغ" نهجاً جديداً
وتعاني خطوط التيار السريع التقليدي للسيارات (HVAC) والسيارات العالية الحركة من خسائر مقاومة تراكمية تتراوح عادة بين 2 في المائة و 5 في المائة لكل 000 1 كيلومتر، وبالنسبة للمسافات التي تتجاوز 000 3 كيلومتر، يمكن أن تتجاوز هذه الخسائر 15 في المائة من الطاقة الكهربائية المبثوثة عن الشبكات، مما يجعل المشاريع غير اقتصادية.
السياق التاريخي وأوائل الميلستون
ويعود مفهوم كابلات الكهرباء المُنتَجة إلى الستينات بعد اكتشاف الموصلات الخارقة من النوع الثاني بوقت قصير، وقد استخدمت التجارب المبكرة سبائك النيوبيوم - التيتانيوم التي تبددت بالهيليوم السائل (269 درجة مئوية)، مما حقق قدرات حديثة مثيرة للإعجاب، ولكن بتكلفة باهظة، وقد أدى اكتشاف موصلات خارقة عالية الحرارة (HTS) إلى انخفاض كبير في معدلات نمو الأمواج السائلة (Müller) التي تعمل
وقد تم تركيب أول كابل من طراز HTS على نطاق المرافق العامة في عام 2006 في ألباني، نيويورك، تحتضن 48 ميغاواط. ومنذ ذلك الحين، أظهرت المشاريع في اليابان وألمانيا وكوريا الجنوبية والولايات المتحدة تدريجيا خطوطا أطول وأعلى لقدرة على العمل، حيث حدد تركيبة من العلامات الأرضية في إيسين، ألمانيا، في عام 2014، مساحة قدرها كيلومتر واحد من كابل HTS في بيئة حضرية، بينما كلفت شركة كوريا للكهرباء بخطوط الأساسية القائمة على طولها 1.5 كيلومتر.
آخر المنجزات التكنولوجية
المواد المؤثرة على التخدير
(أ) أحدث تقدم قد تحقق من التقدم في الموصلات الخارقة ذات الحرارة العالية.
وثمة مادة واعدة أخرى هي ديبورايد المغنيسيوم (MgB2)، الذي يُنتج بمنتجات خارقة تبلغ 39 كيلو غراماً من سبائك النيوبيوم، ولكنها أقل من HTS. MgB2، ويمكن تصنيع أسلاكها بتكلفة أقل بكثير من أشرطة YBCO، وتعمل بكفاءة عندما تبرد بواسطة أجهزة التبريد المغلقة أو الهيدروجين السائل.
Cryogenic Coling System Innovations
ولا يزال التبريد هو أكبر نفقات التشغيل في مجال النقل المسبب للبرد، وقد ركزت التطورات الأخيرة على خفض متطلبات توليد الطاقة وتحسين موثوقية النظام، كما أن أجهزة التبريد العكسية لدورة برايتون التي تستخدم أجهزة التركيب بدلا من أجهزة الضغط، تحقق الآن قدرات التبريد تبلغ ٣٠ كيلوواط في ال ٧٧ كيلوواط مع قيم معامل الأداء تتجاوز ٠,١٥ - أكثر من ضعف كفاءة وحدات الصيانة الآلات الأقدم.
وقد قامت نُهج التبريد السيء، مثل استخدام النيتروجين السائل ككل من التبريد والديليكتري، بتبسيط تصميم إنهاء الكابلات. وقد أدت الأنابيب المرنة التي تم تركيبها في إطار البرمجيات المغلقة إلى خفض التسرب الحراري إلى أقل من 1 دبليوم، مما أتاح لمراكز التبريد الوحيدة إدارة الكابلات التي تصل إلى 50 كيلومتراً.() ومن الأمثلة البارزة ذلك [FLT:]U.S.
سلف التصميم والتصنيع
الكابلات المبردة الحديثة تستخدم بشكل متزايد تصميماً للديليكت القديم حيث يُحاط الموصل المُنتج عن طريق الورق المُعَبَّل بالسائل أو العزلة المُعدَّدة، وهذا النهج يسمح للكابل بالعمل في فولتات أعلى (حتى 400 كيلو فولت) بينما يُبقي على المقياس الإجمالي صغير.
وقد طور بعض المصنعين كابلات " مُنعَة " يمكن تركيبها في طول مستمر واحد يصل إلى خمسة كيلومترات، مما قلل من عدد البثور، وأولى كابل مُعدَّل في العالم، سلمه نيكسان في عام 2021 لمشروع ]Long Island Power Authority ، وألغى الإنهاءات الميدانية بشكل كامل، مما أدى إلى تحسين موثوقيتها بشكل كبير.
المنافع الرئيسية لتوزيع الطاقة على مستوى المنطقة دون الإقليمية
Losses Near-Zero Transmission
ويأتي القضاء على الخسائر المقاومة أكثر الميزة وضوحاً، إذ إن كابل مُنتج فوق سطح الأرض يعمل بـ 200 كيلو فولط و10 كيلو فولط أمتار تُعاني من أقل من 0.5 في المائة من إجمالي فقدان الطاقة، بما في ذلك طاقة التبريد، ويقارن هذا المبلغ بـ 15 إلى 20 في المائة من الخسائر في مجال الطاقة التقليدية HVDC، ويُحدث أثراً اقتصادياً هائلاً: بالنسبة لـ 10 جي دبلومتر، مما يقلل الخسائر بنسبة 1 في المائة، ويُوفر حوالي 8 ملايين دولار سنوياً من تكاليف الكهرباء بالجملة.
كثافة الطاقة في مشهد صغير
ويمكن أن يحمل زوج واحد من الكابلات المبردة ٥-١٠ من طراز GW - يعادل إنتاج خمسة مفاعلات نووية كبيرة - في قسم متداخل يبلغ ٢٠ سنتيمتر، مما يعني أن ممرا تحت الأرض يبلغ ٥ كيلومترا يمكن أن يحل محل خط علوي يبلغ ٥٠٠ كيلوفولت، ويتطلب خطا يمينا للطريق على نطاق واسع، ويحد من استخدام الأراضي والأثر البصري، وبالنسبة للتطبيقات الخارجية والحضرية، فإن هذه الكثافة تحولية.
دمج الموارد المتجددة عن بعد
وغالبا ما تكون أفضل موارد الطاقة الشمسية والريحية بعيدة عن المراكز السكانية، فالإرسال المسبب للسرطان يجعل من الممكن اقتصاديا بناء مشاريع كبيرة من مصادر الطاقة المتجددة في الصحراء، أو صحراء غوبي، أو باتاغونيا، ووصل الطاقة إلى القارات بعيدا عن الكم، كما أن الإقتران بخسائر التحويل في أجهزة الإلكتروليزر لإنتاج الهيدروجين، يمكن أن يؤدي أيضا إلى زيادة إنتاج الهيدروجين على نطاق واسع في وصلات الإنتاج.
Enhanced Grid Stability and Power Quality
ونظراً لأن الكابلات المسببة للبرد منخفضة جداً في المصيد والارتفاع بالمقارنة مع الخطوط العامة، فإنها يمكن أن تستجيب بسرعة لتغييرات الحمولة وتخفض من النسيج، كما أنها لا تُحدث أي تشوه متناسق، مما يجعلها مثالية لربط حمولات صناعية حساسة أو الاندماج مع محطات تحويلات التردد العالي التحلل، كما أن القدرة على حمل الطاقة النشطة والردية تؤدي إلى تحسين قدرة النظام على مواجهة الطوارئ.
التحديات القائمة وتوجيهات البحوث الحالية
رأس المال والاستثمار في الهياكل الأساسية
ورغم انخفاض التكاليف المادية، فإن الإرسال المسبب للبكاء يظل باهظ التكلفة، إذ يتوقع أن تبلغ تكلفة وصلة طولها 000 3 كيلومتر 8-12 بليون دولار، أي ما يعادل تقريباً 2-3 أضعاف تكلفة خط مماثل من سداسي البروم ثنائي الفينيل، وتبرر هذه العلاوة بنقصان الخسائر في العمر، ولكن المرافق والمستثمرين من القطاع الخاص يحتاجون إلى أداء مضمون على مدى 30 سنة، ويجري حالياً بحث هياكل السلوك الأقل تكلفة، مثل استخدام ميغاغرام/ثانياً بدلاً من طراز YBCO لسدائمة.
طول المدة التي يستغرقها الاعتماد على الغير وإدارة الخزن
وتعاني الكابلات المُسدِّرة من أحداث كارثية إذا تجاوزت معدلات الخطأ العتبات الحرجة، وقد أظهرت التطورات في الحد الأدنى الحالي من الأخطاء التي تُضم الكابل نفسه وعوداً في الحد من التيارات القصوى، وبالإضافة إلى ذلك، يقوم مختبر الطاقة المتجددة الوطني في الولايات المتحدة باستكشاف الكابلات الهجينة التي تشمل موصلاً تقليدياً موازياً لمعالجة الحمولات العابرة دون أي حد، والهدف من البنية التحتية المُقابلة 99.
التكرار المسبب للسرطان
ويتطلب خط الانتقال المبرد استمرار التبريد: أي انقطاع يمكن أن يدفئ الكابل فوق درجة الحرارة الحرجة، مما يؤدي إلى فشل مقاومة ما لم يتم التخلص من خط الانتقال بسرعة، كما أن محطات التبريد ذات أجهزة التبريد المزودة بأجهزة التبريد، وكلها مدعومة بمستودعات النيتروجين السائلة، توفر درجة من الموثوقية الحرارية وتتيح 48 ساعة من التشغيل بعد انقطاع الكهرباء.
الاعتبارات البيئية والمتعلقة بالسلامة
والنيتروجين السائل غير متوفر ووارث وغير قابل للاشتعال، مما يجعله آمناً للنشر الحضري، غير أن كميات كبيرة من الهيليوم السائل (المستخدمة في النظم المبكرة) شحيحة ومكلفة، كما أن النظم الحديثة تستخدم حصراً النيتروجين أو الهيدروجين، كما أن الكابلات المحتوية على الهيدروجين - ملغ ثنائي الفينيل متعدد الكلور، مع توفير درجات حرارة أعلى من حيث التشغيل، تنطوي على مخاطر انفجار تتطلب أيضاًاً مضافاًاًاً من حيث الته وتراعياًاًاً.
التوقعات المستقبلية والتطبيقات الناشئة
Global Intercontinental Energy Networks
وهناك عدة مقترحات مرئية تتضمن الآن نقلا مسببا للبرد باعتباره العمود الفقري لشبكة عالمية للطاقة المتجددة، وتستدعي خطط مؤسسة ديزيرتك المستكملة كابلات مخطّطة فوق البحر الأبيض المتوسط لربط شمال أفريقيا بالطاقة الشمسية بالأحمولة الأوروبية، بينما يظل الظلم الآسيوي، الذي تشجعه شبكة اليابان للبيع، يرتقب 000 5 كيلومتر من خطوط HTS تربط بين موارد ريح منغوليا وطوكيو وشنغهاي وسيول.
المواد الكيميائية المسببة للسرطان
وتواجه عملية النقل البكتري في البحر تحديات فريدة: احتواء الضغط، وتركيب المياه العميقة، والحماية من الحياة البحرية، وقد خلصت دراسة DNV] بشأن كابلات الهاتف في أعماق البحار إلى أنه يمكن التحكم في تكلفة الأشعة المعززة، وأن إزالة محطات المحولات البحرية يمكن أن يقابل النفقات المنجزة.
التكامل مع الهياكل الأساسية للهيدروجين
(ب) الهيدروجين السائل (نقطة التكفير 253 درجة مئوية) هو مبرد طبيعي للموصلات الخارقة لبروميد الميثيل (MgB2)، ويمكن أن يؤدي خط أنابيب الهيدروجين وكابل الطاقة الموصل إلى إنتاج كلا ناقلي الطاقة في خندق واحد، مما يقلل بشكل كبير من تكاليف البنية التحتية، وقد موّلت الحكومة اليابانية خطاً بيانياً يربط بين محطة مائية مصففة وبين كابل كهربائي مبرد، بهدف إثبات مفهوم الهيدروجين.
الأطر التنظيمية والتوحيد القياسي
وتقوم هيئات المعايير الدولية، ولا سيما لجنة البلدان الأمريكية المعنية بالتكنولوجيات - 90 وEEEE، بوضع مبادئ توجيهية لفحص الكابلات المسببة للبكاء، والتجميع والتشغيل، وقد وفر منشور اللجنة الأوَّل 63017 في عام 2022 أول إجراء معياري لفحص كابلات الطاقة في إطار المبادرة حتى 100 كيلوفولت، ومن المتوقع أن تتراجع تكاليف المشتريات وتخفض جداول زمنية للانتشار.
خاتمة
وقد تطور انتقال الطاقة الجاهزة من ظاهرة مختبرية متطورة إلى خيار ذي مصداقية وقابل للتنفيذ بالنسبة لتحديات توزيع الطاقة الأكثر طلباً في القرن الحادي والعشرين، حيث أن الجمع بين المواد المحسنة الموصلات، ونظم التبريد الفعالة، وصناعة الكابلات المتقدمة قد أدى إلى انخفاض التكاليف حسب الحجم خلال العقدين الماضيين، بينما تسارعت الموثوقية إلى مستويات تلبي متطلبات الفائدة.