تصميم محطات توليد الطاقة الحرارية الأرضية الهجينة من أجل تعزيز ناتج الطاقة

وتمثل محطات الطاقة الحرارية الحرارية الأرضية الهجينة نهجاً تحوّلاً في توليد الطاقة المتجددة، يجمع بين القدرة الثابتة والمستقرة على التحميل الحراري الحراري للأرض، وبين القوة الوفيرة ولكن المتقطعة لضوء الشمس، ومن خلال إدماج هذين الموردين المستدامين، تهدف هذه النباتات إلى تحقيق أقصى قدر من إنتاج الطاقة، وتحسين موثوقية الشبكة، والحد من التأثير البيئي العام، ومع ارتفاع الطلب العالمي على الطاقة، واتباع نظم الطاقة الخفيفة في فترات زمنية طويلة، مع تصميم أهداف تتسم بالكفاءة.

Understanding Hybrid Geothermal-Solar Power Plants

ويدمج مصنع الطاقة الحرارية الأرضية الهجينة الحرارية الحرارية الأرضية - الحرارية الأرضية - تحت سطح الأرض - مع الطاقة الشمسية المستخرجة من ضوء الشمس المباشر، ويتيح هذا الجمع إمدادات للطاقة أكثر اتساقاً وموثوقية من أي مصدر بمفرده، وتقلبات الطاقة الشمسية بسبب الدورات والأنماط الجوية، بينما يوفر الطاقة الحرارية الأرضية ناتجاً أساسياً ثابتاً ومستمراً، ويمكن تحقيق التآزر بين استراتيجيتين مختلفتين عن طريق عدة تكامل.

أنواع التكامل الهجين

وتشمل أكثر التشكيلات شيوعا ما يلي:

• Solar Thermal Preheating:] Solar collectors generate heat (often at moderate temperatures) to preheat the working liquid before it enters the geothermal heat exchanger. This reduces the thermal load on the geothermal resource, allowing it to last longer or operate at higher efficiency.
• Solar-augmented Geothermal:] Concentrated solar power (CSP) is used to superheat steam from a geothermal binary or flash plant, increasing the temperature differential and boosting turbine output.
• Hybrid Photovoltaic (PV) plus Geothermal:] Solar PV arrays generate electricity directly, which can power pumps or other auxiliary loads in the geothermal plant, or be fed into the grid along geothermal output. This formation is simpler but does not directly improve geothermal cycle efficiency.
• Seasonal Thermal Energy Storage:] Geothermal underground reservoirs can serve as long-term heat storage for solar thermal excess, enabling generation during top demand periods or unfavorable weather.

ويتطلب كل نهج تطابقا دقيقا لخصائص الموارد (الدرجة الزمنية، ومعدل التدفق، والتعقيم الشمسي) وحجم النباتات لتحقيق التآزر الأمثل.

تقييم الموارد واتساقها

وتجمع المواقع الشهيرة بين ارتفاع تدفق الحرارة الحرارية الأرضية - الذي يعثر عليه بصورة ثابتة في المناطق أو المناطق التي تنشط فيها طواعية بطبقات مياه جوفية ساخنة - مع ارتفاع درجة الإشعاع الطبيعي في نظام الأفضليات المعمم أو الإشعاع الأفقي العالمي (GHI) بالنسبة للفولاذ. وتوجد العديد من هذه المواقع في المناطق الغربية للولايات المتحدة وشرق أفريقيا وأجزاء من أمريكا الجنوبية والبحر الأبيض المتوسط.

مبادئ التصميم الأساسية لتعزيز ناتج الطاقة

ويتطلب تصميم مصنع هجين فعال إدماج المبادئ التي تتجاوز تلك التي تحكم النظم القائمة بذاتها، وتشكل المبادئ التالية الأساس لتحقيق أقصى قدر من الأداء، وتقليل التكاليف إلى أدنى حد، وضمان المرونة التشغيلية.

اختيار الموقع الأمثل

يجب أن يُعتبر تقييم الموقع التدرج الحراري للأرض، وقابلية الكيمياء السائلة، والتعقيم الشمسي على دورة حياة المصنع، وينطوي استكشاف الموارد الحرارية الأرضية في كثير من الأحيان على حفر آبار الاستكشاف - خطوة كثيفة رأسمالية - إضافة الشمس تتطلب مساحة كافية من الأراضي ذات الحد الأدنى من التشويش أو التضاريس.

الهياكل الأساسية المتكاملة

وبالإضافة إلى ذلك، يمكن أن يُصمم تقاسم الهياكل الأساسية المشتركة مثل نظم تحويل الطاقة )التربينات، والمولدات الكهربائية(، وأبراج التبريد، والربط الشبكي، والإضافة إلى التخفيضات الفرعية، بحيث يؤدي إلى خفض الإنفاق الرأسمالي والتعقيد التشغيلي، مثلاً إلى وضع تربة واحدة من البخار الحراري، بحيث يُحترم البخار الحراري الجيولوجي والبخاري من الزيادة الحرارية الشمسية، وتُعد نظم التبريد التي كثيراً أكبر مستهلكين للمياه في الأسواق الحرارية.

المراقبة التصحيحية والتفعيل الفعلي للسنتين

ويمكن أن تُعدل نظم التحكم المتقدمة باستخدام نموذج التحكم بالتنبؤ أو خوارزميات التعاضد عمليات النبات استجابةً لتوافر الطاقة الشمسية، وإشارات الشبكة، وظروف الخزان الحراري الجيولوجي، مثلاً، يمكن أن تُنخفض المساهمة الشمسية في اليوم المشمس بينما تُخفض مدخلات الطاقة الحرارية الأرضية إلى مستوى ثابت لتدفئة الموارد.

القابلية للتقسيم والتصميم النموذجي

ويمكن أن تؤدي العناصر النموذجية - مثل جامعي الطاقة الشمسية الموحدين، ووحدات الطاقة الثنائية، ووحدات موازين الزراعة المصممة مسبقاً - إلى بناء مصانع متفجرة على مراحل، مما يقلل من المخاطر الرئيسية ويتيح توسيع القدرات مع نمو الطلب أو مع إثبات وجود المزيد من الموارد الحرارية الأرضية، وعلى سبيل المثال، يمكن أن تتألف المرحلة الأولى من 10 مصانع ثنائية للطاقة الحرارية الأرضية تحتوي على 5 مرحلات إضافية من ميغاواط.

استراتيجيات التكامل التقني

وتحدد الخيارات الهندسية المفصلة ما إذا كانت إحدى المنشآت الهجينة تحقق المكاسب الموعودة، فيما يلي استراتيجيات التكامل الرئيسية التي تدعمها المشاريع والبحوث الأخيرة.

التسخين الشمسي لفلوريد العاملة

وفي محطة توليد الطاقة الحرارية الأرضية في دورة ثنائية، كان هناك سائل ثانوي يعمل (مثل الإيزوبانتين أو R-134a) مسخَّراً بواسطة مبادِل حرارية تستخدم فيها مادة " ريمال " (GW) ذات قدرة مدارية شمسية (الطاقات المشابهة أو أجهزة التليف الصامتة) حيث كان يمكن استخدام هذا السائل العامل قبل مبادلات الحرارة الحرارية الرئيسية (300).

التسخين العالي مع قوة الشمس المركزة

في محطات الحرارة الأرضية البخارية، يُمضى الرنين إلى البخار عند ضغط أقل ثم يُرسل إلى توربين، ويمكن أن يُسخن هذا البخار من حوالي 150 إلى 180 درجة مئوية إلى 350 درجة مئوية، ويزيد بدرجة كبيرة من حجم سائل العمل، وبالتالي ناتج الطاقة لكل كتلة من البخار، هذا التشكيل يتطلب اختيار مواد دقيقة لمعالجة درجات الحرارة العالية والارتفاع في المحتويات الحرارية.

هجينة من PV-Geothermal مع Shared Grid and Storage

ويمكن التلازم بين صفائف الفولط المزودة بمحطات حرارية جغرافية دون تكامل حراري مباشر، ويمكن استخدام الكهرباء من الفلط الحراري في الطاقة الطفيلية الحرارية الأرضية (المضخات، المراوح، نظم التبريد) خلال ساعات مشمسة، مما يتيح إرسال ناتج حراري جغرافي أكثر إلى الشبكة، ويمكن التعويض عنه، بدلا من ذلك، أن يُستخدم الجيل الشمسي في شحن البطاريات أو في ضخ الطاقة الحرارية.

إدارة المستودعات وشحن الحرارة

ويستخدم مفهوم مبتكر فائض الطاقة الحرارية الشمسية لإعادة شحن أو حرق خزان حراري جيولوجي خلال ساعات العمل أو أشهر الصيف، ويمكن القيام بذلك عن طريق حقن الماء الساخن من جامعي الطاقة الشمسية إلى آبار الحقن، ورفع درجة حرارة الخزان بمرور الوقت، وفي حين أن أيسلندا لا تزال في مراحل البحث المبكرة، فإن إعادة شحن الطاقة الحرارية الأرضية المطلقة يمكن أن تمد فترة الحياة في الحقول الحرارية الأرضية عن طريق إبطاء عمليات السحب.

المنافع الاقتصادية والبيئية

وتوفر النباتات الهجينة مزايا قاهرة تبرر ارتفاع درجة تعقيدها الأولية وتكلفتها، ويلي ذلك ندرس القياسات الرئيسية.

التكلفة المقيسة للطاقة

ومن خلال تقاسم التكاليف الثابتة )مثل الأرض والربط الشبكي والعامل الميسر( وتحسين القدرة، يمكن أن يكون مجمع LCOE من مصنع هجين أقل من مجموع نظامين مستقلين، وتشير الدراسات التي أجراها ](FLT:0]NREL Hybrid Systems Analysis) إلى أنه بالنسبة للمواقع المثالية، يمكن أن تكون أسواق التزود بالبطاقات الحرارية الأرضية أقل من ٥٢٪ من حجم القوة القصوى)٣(.

Carbon Reduction and Environmental Footprint

وتُعدّ كل من الطاقة الحرارية الأرضية والشمسية تكنولوجيات منخفضة الكربون، وتخفض النباتات الهجينة الحاجة إلى دعم الوقود الأحفوري، أو تفكيك الفحم أو توليد الغاز الطبيعي أثناء ذروة الطلب، وتظهر تقييمات دورة الحياة أن النباتات المهجورة تنبعث من 40 إلى 90 غم من ثاني أكسيد الكربون/كواه، مقارنة بـ 400 إلى 500 غ/كه من أجل دورة الغاز الطبيعي مجتمعة، وأن استهلاك المياه هو شاغل بالنسبة للنباتات الحرارية؛ غير أن التبريدة يمكن أن تُنفذ في المبرد.

خلق الوظائف والتنوع الاقتصادي

إن بناء وتشغيل النباتات المختلطة يخلقان وظائف محلية في مجالات التصنيع والهندسة والصيانة، وتستفيد المناطق الريفية التي تتوفر فيها موارد حرارية جغرافية (في كثير من الأحيان في الولايات المتحدة الغربية) من العمالة الثابتة على مدار السنة، علاوة على ذلك، فإن تنويع مسارات الإيرادات (بيع الكهرباء بالطاقة الشمسية والطاقة الحرارية الأرضية، بالإضافة إلى إمكانية الحصول على ائتمانات الطاقة المتجددة) يقلل من مخاطر المستثمرين ويجتذب التمويل.

التحديات واستراتيجيات التخفيف

وعلى الرغم من الوعد، فإن التنمية المختلطة تواجه عقبات كبيرة تتطلب التخطيط المتأنق والابتكار.

التحديات المالية

ويمكن أن تكون التكاليف الرأسمالية المرتفعة لكل من الحفر الحراري الأرضي والتركيب الميداني للطاقة الشمسية حاجزاً، إذ يمكن أن تُكلف الطاقة الحرارية الأرضية وحدها ما يتراوح بين 4 و7 ملايين دولار لكل ميغاواط من أجل الحفر وتحفيز الخزانات، ويُعتبر حجم الطاقة الشمسية أرخص (نحو 1 دولار من دولارات الولايات المتحدة)، ولكن مقترناً بورقة استراتيجية المناخ، فإن استراتيجيات التخفيف تشمل التطوير التدريجي لنشر رؤوس الأموال والمنح الحكومية وضمانات القروض (مثل اتفاقات الشراء المبتكرة).

تعقيد التكامل التقني

وتستحدث دورات حرارية مختلفة (مفردة ضد الوميض) ونظم التحكم والتوافق مع السوائل تعقيدات هندسية، ويمكن للتدوير الحراري بين تشغيل الطاقة الشمسية والحرارية الأرضية أن يضغط على المواد، ولا سيما في زيادة نظام الأفضليات المعمم، والتخفيف من حدة: استخدام السكك الحديدية العالية الحرارة أو الطلاءات الخزفية في الأقسام المسخية؛ وتنفيذ بروتوكولات الترميزية التدريجية؛ واستخدام خوارزميات القوية التي تقلل إلى أدنى حد ممكن.

المسائل التنظيمية ومسائل الحد من الانبعاثات

وتقع النباتات الهجينة بين الفئات التنظيمية - وهي ليست حرارية جغرافية محضة ولا شمسية محضة - وقد يتطلب التملص بيانات منفصلة عن الأثر البيئي، وحقوق المياه، وتأجير الأراضي، وقد قامت بعض الولايات بتبسيط السماح بالهجينات المتجددة، بينما تتطلب بعضها عمليات طويلة، وقد تضغط مجموعات الدعوة، مثل منظمة الارتفاع الحراري في الأرض، على الأطر التنظيمية الهجينة المحددة.

عدم اليقين في الموارد

إن استنفاد الموارد الحرارية الأرضية مع مرور الوقت هو خطر معروف، فإضافة الطاقة الشمسية يمكن أن تعوض عن انخفاض الناتج الحراري الأرضي، ولكن يجب أن يوضع النظام الموحد على نحو سليم، فالرصد الطويل الأجل لدرجات الحرارة والضغط والكيمياء أمر أساسي، ويمكن لاستراتيجيات إعادة رسم الأسعار (استخدام الطاقة الشمسية لأغراض الحقن) أن تخفف من النضوب، ولكنها تتطلب بحوثاً لتجنب ردود الفعل الجيوكيميائية غير المقصودة.

الاتجاهات المستقبلية وأولويات البحوث

وثمة حاجة إلى مواصلة الابتكار لفتح كامل إمكانات النظم الهجينة ذات الحرارة الحرارية الأرضية، وهناك مجالات بحثية عديدة واعدة بشكل خاص.

الرقابة المتقدمة والتعلم في مجال الآلات

ويجري حاليا تطوير نماذج للتعلم المعزز والشبكات العصبية من أجل تحديد مواعيد إرسال وصيانة في الوقت الحقيقي، ويمكن لهذه النظم أن تدمج التنبؤات الجوية، وعمليات المحاكاة التي تقوم بها الخزانات، وأسعار سوق الكهرباء لاتخاذ القرارات التي تعظيم الإيرادات مع الحفاظ على حياة المعدات، وقد أظهرت التجارب الميدانية المبكرة في النباتات التجريبية تحسنا بنسبة تتراوح بين ٥ و ١٠ في المائة في الإنتاج السنوي للطاقة.

المواد التالية للتكوين

وتحتاج الموارد الحرارية الأرضية العالية الحرارة (فوق 300 درجة مئوية) إلى سبائك مقاومة للتآكل لكل من الآبار والمعدات السطحية، مع وجود نظام الأفضليات المعمم في درجات حرارة أعلى، يجب أن تكون المواد متوافقة مع درجة الحرارة العالية والتدوير الحراري، ويجري التحقيق في السبيكات السطحية المرتكزة على النيكل والسيراميات المتقدمة.() وفي الطرف الآخر، يمكن أن تكون الحرارة الأرضية المنخفضة الحرارة العضوية ذات الارتفاع بالطاقة الشمسية.

Hybrid Energy Storage Integration

ويمكن أن يؤدي إضافة تخزين الطاقة الحرارية إلى مصنع هجين إلى تحويل الحرارة الشمسية إلى ساعات العمل الليلي، وزيادة عامل القدرة، كما أن تخزين الملح المتحرك، وتخزين الطاقة الحرارية الخرسانية، أو حتى التكوينات الحرارية الأرضية المُعاد استخدامها كمستودعات تخزين، كما أن الخلط مع البطاريات من أجل جودة الطاقة القصيرة الأجل أمر ممكن أيضاً.

تصميم السياسات والأسواق

وللتعجيل بالنشر، ينبغي للسياسات أن تعترف بالمهجرين بوصفهم أنواعا متميزة من الموارد مؤهلة للحصول على حوافز مشتركة، ويمكن تنظيم الائتمانات الضريبية للإنتاج لكل وزارة، بغض النظر عن المصدر، وتفادي التعقيد الإداري، كما يمكن أن ينطبق الأمر 2222 (تخفيض الموارد الموزعة للمشاركة في أسواق البيع بالجملة) على النباتات المختلطة إذا جمعت بشكل مناسب، ويمكن للتعاون الدولي من خلال الوكالة الدولية للطاقة النظيفة أن يتقاسم أفضل الممارسات ويخفض تكاليف التكنولوجيا على الصعيد العالمي.

وباختصار، تمثل محطات الطاقة الحرارية الأرضية المختلطة مساراً قاهراً نحو الكهرباء الموثوق بها المنخفضة الكربون، ومن خلال الاستفادة من مواطن القوة التكميلية للطاقة الأرضية الحرارية والمرونة الشمسية، تحقق هذه النظم عوامل قدرة أعلى، وتخفض مستوى الطاقة، وتخفض تأثيرها البيئي مقارنة بالبدائل القائمة، ويتوقف التنفيذ الناجح على انتقاء المواقع بدقة، والتحكم في التكييف، وتصميم النماذج، والسياسات الداعمة.