Table of Contents

" امبراطورية الطاقة المتجددة في السكك الحديدية الخفيفة "

إن نظم السكك الحديدية الخفيفة هي العمود الفقري للتنقل الحضري الحديث، حيث توفر وسائل نقل ذات كفاءة عالية القدرة، مما يقلل من اكتظاظ حركة المرور ويقلل من الانبعاثات المحيطة بالسيارات، ومع ذلك فإن الأثر البيئي لنظام السكك الحديدية الخفيف يتوقف بشدة على كيفية توليد الكهرباء، ولا تزال العديد من النظم تستمد الطاقة من شبكات تعتمد على الفحم أو الغاز الطبيعي، حيث إن إدماج مصادر الطاقة المتجددة بصورة مباشرة في عمليات السك الحديدية الخفيفة يمكن أن يؤدي إلى تثبيت انبعاثات الكربون

الفوائد الموسعة لتكامل الطاقة المتجددة

الأثر البيئي العميق

وقد أصبحت نظم السكك الحديدية الخفيفة بالفعل وسيلة نقل أخضر من المركبات الخاصة، ولكن كثافة الكربون الحقيقية فيها هي وظيفة مزيج الوقود في الشبكة، وقد وجدت دراسة أجريت في عام 2020 من جانب الرابطة الأمريكية للنقل العام أن تحويل خط السكك الحديدية الخفيفة إلى 100 في المائة من الطاقة المتجددة يمكن أن يخفض انبعاثات غازات الدفيئة الدراجة بمعدل يصل إلى 85 في المائة لكل ميل من المسافرين، فيما عدا ثاني أكسيد الكربون، يزيل المواد الخاضعة للتجزئة وثاني أكسيد الكبريت المرتبطة بمحطام محطات توليد الطاقة الكهربائية الأحفورية، ويحسن نوعية الهواء المحلي.

ألف - المزايا المالية على المدى الطويل

وفي حين أن رأس المال الأمامي للصفائف الشمسية أو التوربينات الريحية كبير، فإن الطاقة المتجددة توفر استقرارا في الأسعار لا يمكن أن تضاهيه طاقة شبكة الكهرباء، فالصاروخ والرياح لا يتحملان تكاليف الوقود، ويمكن لاتفاقات شراء الطاقة أن تغلق معدلاتها لفترة تتراوح بين 20 و25 سنة، وبالنسبة لسلطة العبور التي تدير شبكة سكك حديدية خفيفة متوسطة الحجم، مما قد يعني الملايين في تجنب تقلب تكاليف الطاقة، علاوة على ذلك، تقدم حكومات كثيرة ائتمانات ضريبية أو منح أو قروضا أقل تكاملا.

الصندوق العام وقيمة براند

ويتزايد توقع المسافرين والمصوتين من الوكالات العامة أن تقود عملية الاستدامة، إذ يمكن لمشغل السكك الحديدية الخفيفة الذي يزود قطاراته بالطاقة الشمسية الموجودة في الموقع أو يشتري الطاقة المتجددة المعتمدة أن يستخدم هذه القصة لتعزيز السخرة، واجتذاب الشراكات، وتأمين التمويل العام، فعلى سبيل المثال، قامت منطقة المرور العابر الإقليمية التابعة لمؤسسة ساكرامنتو () ببناء علامتها التجارية حول مشاريع الكسب التي تنموها المجتمعات المحلية.

القدرة على التكيف والاستقلال

ويخلق توليد الطاقة المتجددة في الموقع مع تخزين البطاريات مجهراً يمكن أن يبقي القطارات قيد التشغيل أثناء انقطاع المرافق، وهو أمر حاسم للاستجابة في حالات الطوارئ، ويقلل استخدام الطاقة الشمسية أو الرياح المحلية من التعرض لتعطل سلاسل الإمداد وتقلبات الأسعار بالنسبة للغاز الطبيعي أو الفحم، كما أن استخدام الطاقة المتجددة مع التخزين يتيح أيضاً نظاماً للسكك الحديدية الخفيفة لبيع الطاقة الزائدة إلى الشبكة أثناء ارتفاع الطلب، مما يخلق تدفقاً جديداً للإيرادات.

مصادر الطاقة المتجددة: ديب ديب

الطاقة الشمسية - الخيار الأكثر إمكانية

Photovoltaic (PV) panels ] are the dominant renewable technology for light rail because they can be deployed at stations, in maintenanceyards, on canopies over park lots, and even along rights-of-way on noise walls or elevated structures. New bifacial reinforcements, which capture sunlight from both sides,PV, are especially productive when mounted above gravefilor.

ويتمتع الصومر بموجز يومي يمكن التنبؤ به للحمولة يتوافق مع عملية السكك الحديدية الخفيفة، وعادة ما تتزامن ساعات شمس الفيك مع الذروة في الصباح وبعد الظهر، وتتراوح قدرات النظام على خط سكك حديدي متوسط الحجم من 1 ميغاواط (لإضاءة الأحمال الإضافية) إلى 10 ميغاواط (لإكمال قوة الشباك) والعقب الرئيسي هو توافر الأراضي: يتطلب صفيفة أرضية واحدة من طراز MW 4-5 كحداثا تقريبا.

طاقة الرياح - القدرة على الصمود

يمكن أن تكون الاضطرابات الريحية الصغيرة والمتوسطة الحجم (50 كيلوواط إلى 2 ميغاواط) فعالة في ممرات مفتوحة وريحية، مثل المناطق الساحلية أو السهول المسطحة.

الطاقة الكهرمائية - الخيارات الصغيرة النطاق

ويمكن أن يكون تشغيل السكك الحديدية الخفيفة بالقرب من مجرى مائي مناسب، حيث أن هذه النظم تُحوِّل جزءاً من مجرى من خلال توربيني، مما يولد طاقة حمولة أساسية ذات تأثير بيئي ضئيل، ويتمثل التحدي الرئيسي في أن المواقع المناسبة نادرة في البيئات الحضرية، وفي بورتلاند، أوريغون، يستخدم نظام السكك الحديدية الخفيفة مزيجاً من الطاقة الكهربائية في بونفيل، بصورة فعالة.

الطاقة الحرارية الأرضية - حمولة قاعدية مستقرة

وتستخدم النباتات الحرارية الأرضية الحرارة الجوفية لإنتاج البخار والارتفاع بالطوارب، مما يوفر طاقة ثابتة تعتمد على الطقس، وفي حين أن تكاليف رأس المال مرتفعة، فإن الحرارة الأرضية هي أكثر المصادر المتجددة موثوقا بها، ولا توجد سوى بضعة مناطق لديها الظروف دون السطحية اللازمة (مثل غرب الولايات المتحدة، وآيسلندا، وأجزاء من جنوب شرق آسيا).

استراتيجيات التكامل الفعال

التوليد على الموقع وزجاجات الهجين

يمكن لوكالات النقل أن تصمم مجهراً تجمع بين الطاقة الشمسية والريح وتخزين البطاريات لخدمة ممر سكة خفيفة، تشكيلة نموذجية: لوحات شمسية سطحية على محطات تتغذى في مصرف للبطاريات؛ وتغذية ريح صغيرة (إن وجدت) قدرة؛ ونظام للمراقبة يعطي الأولوية للطاقة النظيفة من أجل نشر شبكات القطارات، مع دعم الشبكة حسب الحاجة.

اتفاقات شراء السلطة

وعندما يكون توليد الطاقة في الموقع محدوداً بالحيز أو رأس المال، يكون اتفاق شراء الطاقة البديلة (VPPA) أو اتفاق مادي PPA يسمح لوكالة النقل العابر بالتعاقد على الطاقة المتجددة خارج الموقع، ويبني المطور مزرعة للريح أو الطاقة الشمسية، وتتفق وكالة النقل العابر على شراء الناتج بسعر ثابت.

نظم تخزين الطاقة - الميسر الخام

وتحتاج الطاقة المتجددة إلى تخزين قوي، فبطاريات الليثيوم -يون هي الأكثر شيوعاً، حيث تتراوح القدرات بين 250 كيلوواط في محطة صغيرة و100+ساعة للمزرعة على نطاق الممر، كما أن التكنولوجيات الجديدة مثل بطاريات التدفق والتخزين المائي (عن طريق التحلل الكهربائي) آخذة في الظهور لتلبية احتياجات أطول من العمر، كما أن تخزين البطاريات يتيح أيضاً استخلاص الطاقة من القطارات.

إدماج المظالم وشحن الذكاء

ويتيح الربط بالشبكة المحلية نظاما للسكك الحديدية الخفيفة بيع فائض الطاقة الشمسية أو توليد الرياح إلى ما هو مفيد، أو شراء الطاقة المتجددة عندما يكون الإنتاج في الموقع منخفضا، ويمكن أن تُستخدم البنية التحتية المتقدمة للمقاييس وبرامجيات الاستجابة للطلبات على النحو الأمثل عند سحب القطارات للطاقة، وتحويل الحمولة إلى أوقات عالية من الإنتاج الشمسي أو أسعار فائدة مواتية، وتشارك بعض النظم في أسواق تنظيم الترددات، باستخدام خزن البطاريات للمساعدة على تثبيت الشبكة، مما يدر إيرادات إضافية.

التحديات واستراتيجيات التخفيف

التكاليف الرأسمالية العليا

ويمكن أن يتطلب تركيب الألواح الشمسية، والرياح، والتخزين عشرات الملايين من الدولارات، وتخفيف حدة الآثار: استخدام برامج العمل أو نماذج الإيجار التي يملك فيها طرف ثالث المعدات ويبيع الطاقة للوكالة، والاستفادة من الائتمانات الضريبية للاستثمارات الاتحادية للشمس والتخزين، ومنح على مستوى الولايات للمرور العابر النظيف، ويكرس قانون الاستثمار في الهياكل الأساسية والوظائف في الولايات المتحدة المدمجة بلايين من القروض.

تداخل البيانات وإمكانية الاعتماد على المظالم

وحتى مع تخزين البطاريات، فإن إمدادات الطاقة المتجددة بنسبة 100 في المائة لنظام السكك الحديدية الخفيفة تحد من الناحية التقنية إذا كان النظام يعمل بـ 18-20 ساعة يوميا، ومن النهج العملي أن يستهدف الاختراق المتجدد بنسبة 60-80 في المائة وأن يحتفظ بمساندة الشبكة للفترات الغائمة، مع استمرار فترات الارتفاع بالطاقة الشمسية مع الرياح، يؤدي إلى تحسين معامل القدرة العامة، حيث أن الرياح كثيرا ما ترتفع عند هبوط الشمس.

Constraints Space in Dense Urban Areas

وغالبا ما تكون الأراضي المتاحة قرب ممرات السكك الحديدية الخفيفة باهظة التكلفة ومحدودة، وتشمل الحلول تركيب أجهزة شمسية فوق أماكن وقوف السيارات في مرافق الحدائق والخطوط، باستخدام الصنادل الرأسية أو الألواح شبه الشفافة على زجاج المحطة، ووضع لوحات على أسطح القطارات نفسها (وإن كان هذا يولد طاقة دنيا بسبب محدودية المساحة السطحية والظل).

العقبات التنظيمية والتأثيرية

ويختلف منح تراخيص الجيل في الموقع اختلافا كبيرا حسب الولاية القضائية، إذ قد تقيد المقاطعات التاريخية ومدونات تقسيم المناطق وضع الألواح الشمسية أو ارتفاع التربينات الريحية، وتشتد سرعة الانتقال إلى إدارات التخطيط المحلية، وتستأجر خبراء استشاريين ذوي خبرة، وتنظر في البرامج الشمسية المجتمعية التي تشتريها الوكالة إلى صفيفة أكبر خارج الموقع بدلا من البناء محليا، ولدى العديد من الدول الآن برامج " تعريفية " تسمح لكبار العملاء مثل وكالات العبور بشراء الطاقة المتجددة مباشرة من مشاريع الطاقة.

دراسات حالة في مجال السكك الحديدية الخفيفة المتجددة

Sacramento Regional Transit (SacRT) — Solar Pioneers

وقد ركب فريق " ساكرت " الألواح الشمسية على هياكل الأصابع في عدة محطات للسكك الحديدية الخفيفة، مما أدى إلى توليد الكهرباء الكافية لتعويض 100 في المائة من طاقة الإضاءة والمصعد، وتقترن صفائف الفوتاتيكا بخزن البطاريات التي تلتقط طاقة متجددة من القطارات، كما يبيع الطاقة الزائدة إلى الشبكة، ويورد تقارير SacRT 500000 دولار سنويا في تكاليف الطاقة، بينما يقلص من انبعاثات الكربون بـ 000 6 طن سنويا.

ويستخدم نظام السكك الحديدية المتحركة في كل من خطوط الكهرباء والديزل، وبالنسبة للجزء المكهرب، يشتري 100 في المائة من الكهرباء المتجددة من خلال برنامج بي بي بي بي بي مأهول مع مزرعة رياح ومزرعة شمسية، كما قامت الوكالة بتركيب توربينات رياحية عمودية صغيرة في مرفق صيانة للتعويض عن الحمولات الإضافية، وتظهر البيانات الأولية انخفاضا بنسبة 15 في المائة في تكاليف الطاقة في المرافق.

غوثينبرغ، السويد - السكك الحديدية الخفيفة ذات الطاقة الهيدرولية

ويستمد نظام السكك الحديدية الخفيفة في غوتيبورغ من شبكة المياه السويدية والنووية إلى حد كبير كهربائها، ولكن الوكالة تجاوزت خطوة: فقد اشترت كهرباء متجددة معتمدة من محطات الطاقة الكهرمائية المحلية مع شهادات بيئية، كما يستخدم النظام برمجيات للشبكة الذكية لتسريع فترات توليد الطاقة الكهرمائية الفائضة، مما أدى إلى تخفيض التكاليف عن طريق السماح بتقليص توليد الطاقة المتجددة.

الاتجاهات والتكنولوجيات المستقبلية

مركبة إلى غاريد (V2G) مع السكك الحديدية الخفيفة

ويمكن أن تعمل مركبات السكك الحديدية الخفيفة التي تعمل بالبطارية والتي تُشحن بين الجرارات على أنها مخزن موزع، وعندما لا تكون في الخدمة، فإنها تستطيع أن تغذي الطاقة إلى الشبكة، رغم أن ذلك يتطلب إعادة شحن الهياكل الأساسية وكيمياء البطاريات الموحدة، وتختبر البرامج الرائدة في أوروبا أشعة V2G على الترام.

خلايا بيروفسكيت سولار

وتعود المواد الفولتاتية الضوئية الناشئة عن البروفسكيت بزيادة الكفاءة والمرونة عن السيليكون، مما يتيح طباعة الخلايا الشمسية على أفلام شفافة لنوافذ المحطة أو السطح المكشوف، وإذا ما تم تسويقها على نطاق واسع، فإنها يمكن أن تزيد بشكل كبير المساحة المتاحة للجيل في الموقع دون الحصول على أرض إضافية.

الهيدروجين الأخضر كبائع طاقة

ويمكن استخدام فائض الكهرباء المتجددة لإنتاج الهيدروجين عن طريق الهدروليك، ويمكن تخزين الهيدروجين ثم تحويله لاحقا إلى الكهرباء عن طريق خلايا الوقود خلال فترات انخفاض الإنتاج المتجدد، كما أن نظم السكك الحديدية الخفيفة التي لديها قطارات خلايا الوقود مخصصة، مثل تلك الموجودة في ألمانيا (مثلا، القاع الكراديا، يمكن أن تثبت قدرة التكنولوجيا على البقاء، وقد توفر شركة توليد الطاقة الكهربائية ذات الطاقة الاحتياطية القريبة الأجل والغاز الطبيعي في توربينات الدوارة.

الاستخبارات الفنية من أجل تحقيق الاستخدام الأمثل للطاقة

ويمكن أن تنبأ خوارزميات التعلم الماكنة بتوليد الطاقة الشمسية، وبعبء القطار، وبأسعار الطاقة قبل 48 ساعة، ويمكن أن تحدد نظم التحكم بعد ذلك تحديد مواعيد شحن البطاريات، وضبط المكابح المتجددة، وواردات المرافق العامة للتقليل من التكلفة وتأثير الكربون إلى أدنى حد، وقد تم بالفعل نشر إدارة الطاقة القائمة على أساس AI في عدة شبكات للسك الحديدية الأوروبية، مع ما أفيد عن تحقيقه من وفورات بنسبة تتراوح بين 10 و15 في المائة على رأس التكامل المتجدد.

خاتمة

إن إدراج الطاقة المتجددة في عمليات السكك الحديدية الخفيفة ليس حلاً غير مباشر بل هو حافظة استراتيجية من التكنولوجيات والنماذج التجارية مصممة حسب الجغرافيا المحلية، وظروف الشبكات، والميزانيات، وأن أكثر النهج فعالية تجمع بين الطاقة الشمسية والتخزين في الموقع وبين برامج العمل الخارجية، مدعومة بالضوابط الذكية والتكامل الشبكي، وفي حين أن التكاليف الأولية والتداخلية ستظل تحديات، فإن الانبعاثات الطويلة الأجل من حيث الطاقة، واستقرار الأسعار، والقدرة على التكيف، والمدن، وتبرر،