دمج القابلية للتجديد مصادر الطاقة في السكك الحديدية العالية السرعة نظم الطاقة

The Integration of Renewable Energy Sources in High-speed Rail Power Systems

إن شبكات السكك الحديدية العالية السرعة هي بالفعل واحدة من أكثر وسائل النقل الجماعي كفاءة من حيث الطاقة، ولكن آثارها البيئية بعيدة عن المحايدة، والكهرباء التي تُعطي هذه القطارات غالبا ما تأتي من شبكات لا تزال تعتمد على الوقود الأحفوري، ومع أن البلدان تعجل بأهدافها المتعلقة بإزالة الكربون، وإدماج مصادر الطاقة المتجددة - العزل والريح والهرومائية والتكنولوجيات الناشئة - مباشرة في نظم الطاقة المرتفعة - أصبحت تشكل ضرورة استراتيجية.

The Strategic Case for Renewable Energy in High-Speed Rail

أما العامل الرئيسي في إدماج مصادر الطاقة المتجددة في جمهورية صربسكا فهو خفض انبعاثات غازات الدفيئة التي تدوم دورة الحياة، وفي حين لا تنتج القطارات الكهربائية أي ستنفد مباشر، فإن الانبعاثات الكاملة من الوقود تعتمد كليا على مزيج توليد شبكة الإمداد، وفي البلدان التي لا يزال فيها الفحم أو الغاز الطبيعي يهيمن عليها، يمكن لنظام HSR أن يكون له أثر كربوني مقارنة بالطيران القصير المدى، ومن خلال مصادر مباشرة أو توليد الكهرباء المتجددة، يمكن للمشغلين أن يقطعوا هذه الانبعاثات غير المباشرة.

فبعد تخفيض الكربون، هناك فوائد اقتصادية واستراتيجية، وقد انخفضت أسعار الطاقة المتجددة انخفاضاً كبيراً: فالشمس والرياح على نطاق المرافق العامة أرخص الآن من محطات الوقود الأحفوري الجديدة في معظم المناطق، كما أن اتفاقات شراء الطاقة الطويلة الأجل مع مطوري الطاقة المتجددة يمكن أن تغلق في ظل تكاليف ثابتة للكهرباء لعقود، وتزرع مشغلي السكك الحديدية من أسعار الوقود الأحفوري المتقلبة، كما أن استقلال الطاقة يقلل من التعرض للاضطرابات الجيوسياسية في سلاسل الإمداد بالوقود.

أساليب إدماج المواد المتجددة في نظم الطاقة السكك الحديدية العالية السرعة

الجيل على الموقع على طول اليمين

وكثيرا ما تتحول ممرات السكك الحديدية العالية السرعة إلى مشهد مفتوح، ومناظر ريفية ذات عرض للشمس والطيرانية الكثيفة، حيث إن تركيب ألواح فلطية شمسية على أسطح المحطة، والحواجز الصوتية، وحتى على طول المسافات المتطاولة يمكن أن يولد الطاقة مباشرة للارتطام أو التحميلات الإضافية، فعلى سبيل المثال، نشرت شبكة سقف المملكة المتحدة صفائف شمسية في عدة محطات لاستخدامات من الصور غير المتحركة.

ويمكن أيضاً تحديد مواقع التوربينات الفائزة بالقرب من البنية التحتية لأجهزة إصلاح الأراضي، شريطة أن تكون هذه الأجهزة بعيدة عن المسارات لمنع مخاطر القذف بالجليد أو الفشل الصارخ، كما أن التربينات الصغيرة إلى المتوسطة في مواقع التخزين يمكن أن تعوض استخدام الطاقة في المحطات، غير أن تقلب الرياح والحاجة إلى قوة ثابتة لنظم الإشارة وخطوط المطاعم تعني أن المتجددات الموجودة في المواقع القائمة وحدها نادراً ما تغطي حمولة التخزين الكاملة.

اتفاقات التكامل بين الجماعات والمجتمعات المحلية

وتتمثل الطريقة الأكثر قابلية للارتحال في ربط شبكة السكك الحديدية بشبكة عالية التوليد، حيث عادة ما يسحب السكك الحديدية العالية السرعة الطاقة في فولتاج مرتفع جدا )مثل ٢٥ كيلوفولت أم ٢ x ٢٥ كيلوفولط أو نظام النقل الآلي في أوروبا( ويمكن لمشغلي السكك الحديدية أن يدخلوا في مناطق شبه ثابتة ذات رياح غير موقعية أو مزارع شمسية، مما يضاهي استهلاكهم من الكهرباء باستخدام متجدد في نفس الشبكة.

وقد حققت بلدان مثل إسبانيا حوالي 100 في المائة من خدمات السرعة العالية المتجددة من خلال هذه الآليات، ووقعت شركة رينفي، وهي المشغلة الوطنية، برامج عمل طويلة الأجل مع مطوري الطاقة المتجددة لتغطية الطلب على الكهرباء في قطارات الإنقاذ التابعة لها، وتعمل بالتنسيق مع مشغل الشبكة [()]Red Eléctrica de España، ويعزز هذا النهج الهياكل الأساسية القائمة بينما يقود قدرة جديدة على التوليد.

نظم تخزين الطاقة

إن تداخل دورات الطاقة الشمسية ودورات يومية الرياح/الليل، والغطاء السحابي، وفترات الهدوء، يخلق خطأ في الطلب على عمليات السكك الحديدية على مدار الساعة، ويحد من هذا الثغرة في تخزين الطاقة، وتوزع مصارف البطاريات الليثيومية في فترات فرعية لتقلبات قصيرة سلسة، وتوفر الدعم للإشارات الطارئة، بل وتلتقط الطاقة المتجددة من القطارات.

كما أن استخدام التخزين الثابت يتيح للمشغلين تخفيض رسوم الطلب على السلع الأساسية من المرافق، وتكاليف الادخار، وقد قامت بعض نظم الاسترداد الذاتي، مثل نظام اليابان [(FLT:0]JR Central ، باستكشاف تخزين الطاقة من أجل تثبيت الفولط المغذي، وتقليل الحاجة إلى وحدات فرعية إضافية.

الهيدروجين والوقود البديلة

وفي حين أن الهيدروجين ليس مصدرا للطاقة المتجددة على نحو صارم (يجب إنتاجه باستخدام الكهرباء المتجددة ليكون " الهيدروجين الأخضر " )، فإنه يوفر مسارا واعدا لتطهير الأجزاء غير المصحوبة بالكهرباء أو كدعم، فالقطارات العالية السرعة تتطلب عمليات هائلة في مجال الطاقة الكهربائية - نحو 8-10 ميغاواط لكل قطار على مسافة 300 كيلومتر/ساعة - حتى الآن لا تزال خلايا وقود الهيدروجين صالحة للانتقال الكامل.

Global Case Studies in Renewable-Powered High-Speed Rail

اسبانيا: الالتزام الشامل بالتجديد في رينفي

وتقود إسبانيا العالم في مجال التكامل المتجدد لمؤسسة HSR. ومنذ عام 2019، اشترت شركة رينفي 100 في المائة من الكهرباء المتجددة المصدق عليها لمحطة إي في وقودها الطويلة، تغطي حوالي 500 2 كيلومتر من المسار، ووقعت الشركة على أجهزة PPAs ذات أجهزة تطوير الطاقة الشمسية والريحية التي يبلغ إجماليها أكثر من 600 جيه سنويا، وقد سمحت هذه الحركة، إلى جانب ارتفاع قدرة إسبانيا على الطاقة الشمسية والريحية، بأن تطالب شركة رينفي بالكهرباء المحا بنسبة 81 في المائة من خدماتها المرتفعة.

اليابان: سولار وابتكارات على شينكانسن

وقد كانت قطارات الرصاص في شينكانسن اليابان معروفة منذ وقت طويل بالدقة والكفاءة في استخدام الطاقة، وقد ركّبت منطقة الشرق الأوسط الألواح الشمسية في عدة محطات، وهي تختبر نموذجاً للاستهلاك الذاتي حيث لا تزال شبكة القوى الفلطية السطحية تضيء وتصعيد، ويستخدم السكك الحديدية بشكل أكثر استخلاصاً لتوليد الطاقة إلى شكل كهرباء نووي.

فرنسا: الاستراتيجية الشمسية للصندوق الوطني الصومالي

وقد أطلق الصندوق الوطني الصيني برنامجا طموحا لتغطية مليون متر مربع من الأراضي غير المستخدمة (محطات القطار، والمخازن، ومواقع البني) مع لوحات شمسية بحلول عام 2025، والهدف هو توليد الكهرباء الكافية لتوليد الطاقة 15 في المائة من احتياجاته من المواد الانشطارية، كما أن استراتيجية الانتقال من الطاقة التي وضعها الصندوق الوطني الصيني للطاقة (FNCF) تشمل أيضاً عمليات شراء الطاقة في الموقع في عدة مناطق وشراكة.

الصين: الشبكة العالمية لأفضل الخدمات الصحية المباشرة

وتشغل الصين أكثر من ٠٠٠ ٤٠ كيلومتر من السكك الحديدية العالية السرعة - أكثر من بقية العالم مجتمعة، وتظل شبكتها تعتمد بشدة على الفحم، ولكن الحكومة قد كلفت بأن تتضمن مشاريع جديدة في مجال الطاقة الشمسية الطاقة المتجددة منذ البداية، كما أن خط بيجين - زانغيكو السريع، الذي بني لألعاب أوليمتر الشتاء ٢٠٢٢، يمتد أيضا على مزيج من الطاقة الشمسية الكهربية العالية، والكهرباء، والكهرباء العالية.

التحديات والحلول في مجال التكامل المتجددة

القابلية للاحتجاز المظلم ونوعية الطاقة

وتسحب القطارات العالية السرعة كميات كبيرة من التحميلات المفلورة - خاصة أثناء التسارع من المحطات - وتتغير المصادر المتجددة مثل الطاقة الشمسية والريحية ويمكن أن تخفض من الناتج فجأة، مما قد يؤدي إلى اضطرابات في التردد والفولط في نظام القدرة على التخصيب، ومن أجل التخفيف من ذلك، يقوم مشغلو شبكات السكك الحديدية بنشر مقارنات ثابتة متقدمة بين المعالم وأجهزة قياسية متزامنة.

التكاليف الرأسمالية الأولية المرتفعة

ويستلزم تركيب الألواح الشمسية أو التوربينات الريحية أو مصارف البطاريات على امتداد آلاف كيلومترات من ممرات السكك الحديدية استثمارا كبيرا في البداية، غير أن الاتجاه آخذ في الانخفاض: فقد انخفضت تكاليف الطاقة الشمسية الفلطائية 90 في المائة منذ عام 2000، وتقدم حكومات كثيرة إعانات أو سندات خضراء لهذه الهياكل الأساسية، وتجعل هذه الاستثمارات طويلة (30 سنة +) جذابة إذا ما حُسبت على تواتر دورة الحياة الكاملة، وعلاوة على ذلك، فإن ربط رسوم العائدات المتجددة برسوم التخزين يمكن أن يقلل من الإيرادات.

استخدام الأراضي والنزاعات البيئية

فالحقوق في السكك الحديدية هي خطوطية وضيقة في كثير من الأحيان، مما يحد من مساحة المزارع الشمسية الكبيرة، ويجمع الألواح على الحواجز الضوضاء أو أسطح المحطات ويتجنب مسائل حيازة الأراضي، ولكنه يولد قدراً أقل من الطاقة، ويجب أن توضع المشاريع الكبيرة المتجددة في موقع خارج مستهلها، وتحتاج إلى خطوط نقل إضافية وتصاريح لاستخدام الأراضي قد تتعارض مع الموائل الزراعية أو الطبيعية، ومن أجل التصدي لذلك، يستخدم بعض المشغلين زراعة السكلورين الزبيبة.

السياسات العامة والحواجز التنظيمية

وفي كثير من البلدان، تُعامل نظم الطاقة السكك الحديدية على أنها " شبكات جذب " منفصلة بأطرها التنظيمية التي قد لا تسمح بعجلة الكهرباء من المولدات الخاصة أو القياس الصافي.() ويمكن أن تكون رسوم الربط المظلم للمنشآت الصغيرة المتجددة باهظة، وعلى سبيل المثال، تتيح لمشغلي السكك الحديدية شراء مصادر متجددة مباشرة من خلال برامج عمل إلكترونية أو بيع فائض الطاقة إلى خطوات التكامل التي يمكن أن تعجل بها.()

الآفاق المستقبلية: التكنولوجيات والنظم

الاستخبارات الفنية للتنبؤ والتعظيم

ويتطلب إدماج المتغيرات المتجددة التنبؤ الدقيق بالرأس اليومي والتنبؤ الداخلي لكل من الناتج المتجدد والطلب على الطاقة، ويمكن أن تنبئ نماذج التعلم الآلات التي تغذي بيانات الطقس القصوى، والجدول الزمني، والاستهلاك التاريخي بحجم صافي مع دقة عالية، وتغذي هذه التوقعات بنظم إدارة الطاقة في الوقت الحقيقي التي تقرر متى تشحن أو تفرغ من المستودع، ومتى تستخدم في الحد من التوليد المتجدد لتجنب التفاؤل في النواتج.

The next-Generation Energy Storage

وفيما عدا الليثيوم والبطاريات ذات الولاية الصلبة وبطاريات التدفق الأحمر للفاناديوم والهيدروجين الأخضر (للفترة أطول) يمكن أن يعيد تشكيل توازن الشبكة، ولا سيما أن البطاريات المتدفقة تتيح حياة غير محدودة من الدورة وقدرة على توليد الطاقة/الطاقة، مما يجعلها مناسبة للتخزين الأسبوعي أو الموسمي، أما بالنسبة للتطبيقات الفورية للسفن المغناطيسية، فيمكن في نهاية المطاف من الجمع بين الإجهاد الناتج عن طريق المغناطيسي

رسوم المركبات إلى القاحلة والشحنات الثنائية الاتجاه

وعلى الرغم من أن القطارات السريعة لا تقف مثل السيارات الكهربائية، فإن مفهوم استخدام مصارف البطاريات الثابتة في محطات الطاقة الافتراضية يمكن توسيعه، وعندما يكون القطار في محطة، فإن بطارياته على متن الطائرة )إذا كانت مجهزة( يمكن أن تفرغ نظريا إلى المحطة لدعم الشبكة، ويقوم عدد من الصانعين بتطوير قطارات عالية السرعة مزروعة أو تعمل في محطات طرفية غير منتخبة.

Smart Grids and Microgrids for Railway Stations

محطات السكك الحديدية هي محاور للطاقة تجمع بين طاقة الترام والمستأجرين التجاريين والإضاءة العامة والشحن الإلكتروني للمسافرين، والحمولات الاحتياطية، وقد أصبح المايكريد المصغر الموصل بالشمس المحلية، وتخزين البطاريات، ووحدة حرارية وكهرباء مشتركة (إذا كانت الغازات الأحيائية) قادرة على تحقيق الحد الأمثل من تكاليف الطاقة والجزيرة نفسها من الفشل في الشبكات.

محاسبة وشهادة دورة الحياة

ولضمان أن يخفض الاندماج المتجدد حقاً الانبعاثات، يجب على المشغلين أن يعتمدوا محاسبة قوية للكربون تشمل النطاق 2 والنطاق 3، ويمكن لشهادات الطاقة المتجددة أو ضمانات المنشأ التحقق من أن الطاقة المستهلكة مطابقة للجيل المتجدد، غير أن النقاد يشير إلى أن هذه المركبات يمكن أن تكون مضاعفة أو مصدرها من الطاقة الكهرمائية القديمة التي كانت ستنشأ على أي حال، ولذلك فإن زيادة القدرة الكهربائية 100 على شراء

الاستنتاج: A New Era for Sustainable High-Speed Rail

إن إدماج الطاقة المتجددة في نظم الطاقة السكك الحديدية العالية السرعة لم يعد أملاً متيناً، بل هو واقع تقني واقتصادي يجري تنفيذه من إسبانيا إلى اليابان، حيث أن الطاقة الشمسية على طول المسارات، وأجهزة الحماية الافتراضية، والتخزين على نطاق الشبكة، وإدارة الطاقة الذكية هي أساليب يمكن أن تزيل الكربون حتى أكثر الحمولات كثافة، وتزيد التحديات التي تواجه التقلبات، والتكاليف، والابتكارات التنظيمية من حيث إنها حقيقية.