مقدمة

وتشكل الطاقة المحدودة حجر الزاوية في التحول العالمي إلى الطاقة المتجددة، مع تسارع القدرة على العمل كل عام، ومع ذلك، فإن المطورين يسعون إلى الحصول على موارد الرياح الأولية، يواجهون على نحو متزايد جيولوجيات تحد من أساليب البناء الموحدة، وتضاريس الصخرة، والجزر الصغيرة، والمنحدرات المغلقة، والمناطق الناشطة من الناحية الزلزالية، كلها عقبات هائلة أمام تركيب قاعدة ضخمة من الجاذبية أو المحور الاحتكاري.

The Geotechnical Hurdles of Traditional Foundations

فالأساسات التقليدية لاضطرابات الرياح تعتمد على اساس واسع النطاق من الخرسانة المعززة )قاعدة الجاذبية( أو كومة فولاذية ذات دوافع عميقة )موبول( ويفترض كلا النهجين ظروفا أرضية موحدة نسبيا، وقدرات ملائمة على الوصول، وقليلا من المستوطنات، وفي الواقع، فإن العديد من أفضل مواقع الرياح في العالم تتجه نحو الجيولوجيا المعقدة، فالزراعة الصخرية، مثلا، تتطلب الانهيار أو التطهير من الصخور على نطاق واسع لخلق من أجل خلق رباط من أجل خلق مستوى أعلى من التكاليف.

ومن شأن التربة الصالحة، مثل السكك أو الطين أو الخزف، أن تؤدي إلى تسوية مختلفة، وأن تؤدي إلى تفاضلية كبيرة، وتغليب البرج التوربين، وتؤثر على المواءمة بين الحواف، ومن أجل التصدي لذلك، يجب على المهندسين أن يحفروا أعمق، أو يملأوا المستوردون، أو أن يعززوا الأرض من خلال تقنيات مثل مزيج الأسمنت أو التكافل الفي.

فبعد ميكانيكيات التربة، تصبح إمكانية الوصول إلى الأسواق محدودة للغاية، وقد تفتقر المواقع الجبلية أو الحرجية إلى شبكة الطرق اللازمة لإيصال شاحنات محددة، وأقفاص اعادة للحاجز، وحفر الحفر الثقيلة، وفي الشمال البعيد، تتحول البخار تحت أعالية القاع الدافئة، وتتحول إلى طين صلب، وتترك المؤسسات التقليدية أيضاً بصمة بيئية كبيرة: يمكن أن يتجاوز حجم الخرسانة وحدها لتركبة الواحدة من ثلاث ماءات من الكربون.

نظم التجهيز المتطورة للمواقع المعقدة

وعلى مدى العقد الماضي، انتقلت عدة تكنولوجيات تأسيسية من مشاريع تجريبية إلى نشر تجاري، وفيما يلي دراسة النظم الخمسة الأكثر تأثيرا التي تعيد تشكيل الطاقة الريحية في الجيولوجيا الصعبة.

Helical Piles: Screwing Stability into Soft and Mixed Soils

وتتكون أكوام الهيلليكية من مشقق فولاذي مركزي به صفائح من نوع واحد أو أكثر من لوحات الهيليكس التي تلتق قرب النصيحة، وتقود سيارة من طراز هيدروليكية الكومة إلى الأرض، بينما تدور لوحات الهيليكس تسحب الكومة إلى الأسفل بينما تدمج التربة المحيطة بها، وهذه الآلية البسيطة توفر قدرة على الرفع الفوري دون الحاجة إلى ذلك.

فالكوارث الهيليولوجية فعالة بوجه خاص في التربة ذات طبقات متغيرة - وبقايا زائدة، مثلاً لأنها يمكن أن تدفع حتى تصل إلى طبقة مختصة، كما أن العوارض اللازمة لتركيبها ترتبط مباشرة بالقدرات، مما يتيح التحقق الفعلي من القدرة الأساسية، كما أن مجموعات من الأكوام الوبائية المهيمنة كثيراً ما تتراكم مع قطع نقل فولاذية.

وتشمل عمليات الانتشار في العالم الحقيقي مزارع ريح سان غورجونيو في كاليفورنيا، حيث جعل المعجبون السوفيون الرافدون التقليديون من الطبقة المنتشرة غير اقتصادية، وقللت الكوابيس الهلالية من وقت التركيب بنسبة 50 في المائة تقريبا، وإلغاء الحاجة إلى مئات حمولات الشاحنات من الخرسانة، وأبرزت دراسة أجريت في عام 2021 من مختبر الطاقة المتجددة الوطني أن الكمائن الوبائية " خيارا آخر قابلا للاستمرار " .

المؤسسات الهجينة: الزواج من الدقة المعينة مع إمكانية التكيف

وتجمع المؤسسات الهجينة بين قاعدة خرسانية ضحلة وعناصر تكيفية محددة من الصلب أو الافتراض الافتراضي، والفكرة الرئيسية هي فك شكل الأساس من السطح الأرضي، وبدلا من حفر رصيف كبير، فإن الأطقم التي تعمل على أرض معدة أصغر حجما (التي غالبا ما تزيل الغطاء النباتي والطبق العلوي) ثم ترفق بها أرجل صلبة قابلة للتعديل أو حيلة إلى القمة، ويمكن رفع هذه الأرجل إلى مستوى مستقل.

ومن الأمثلة البارزة على ذلك، مؤسسة الوافل - المستعملة في مزارع الرياح عبر الهمالايا والأنديز، حيث يتم وضع سلالة صلبة رقيقة على طبقة فصلية من نوع جيوتسي، وتتم تركيب مثبتات فولاذية في مواقع دقيقة، وتتصرف العبوة نفسها كحمار صلب، بينما يجلس خاتم قاعدة برج الفولاذ على خصيتين يسمحان بتعديل دقيق بعد معالجة الخرسانة الأولية.

كما تيسر المؤسسات الهجينة وقف التشغيل في المستقبل: يمكن إزالة مكونات الصلب، ويمكن تفكيك الكتلة الخرسانية واستخدامها كمجموع، مما يترك أثرا أقل بكثير من الأساس التقليدي للكتل، وفي أوروبا، اعتمدت عدة مشاريع على المرتفعات الاسكتلندية ذات الهواء الطلق والمفترسات النرويجية نظما هجينة، وذلك تحديدا لأنها تقلل من الاضطرابات التي تصيب النظم الإيكولوجية الهشة للأراضي الخبيثة.

مؤسسة التزحلق: فتح المياه العميقة والتضاريس الأرضية المزروعة

وبالنسبة لمطوري الرياح البحرية، استلزم الانتقال إلى المياه الأعمق (نحو 50 إلى 60 مترا) التحول من الأوعية الثابتة إلى هياكل عائمة، وتستخدم مؤسسات الطوابق الطفرة لدعم التربين، المرسَمة إلى قاع البحار عبر خطوط وسلاسل الرعي، وقد ظهرت ثلاثة تصميمات رئيسية هي: الغطاس المتناثر، وشبه الشبه المجهول، ومنصة المتوترات.

وتتكون منابر السائل المُنشق من طبقة طويلة من الكيس المُسلّح بالماء والمسرب في قاعها، وتتحقق الاستقرار بإبقائها مركز الكتلة تحت مركز الطفاف، مثل قارب بحري عميق، وتنشر منابر السحب شبه المُتَصَلَّق عبر أعمدة متعددة، وتربطها بخطوط جانبية، وتوفر أرضاً واسعة ومستقرة من أجل منصة التربين.

ولم تعد المؤسسات المزروعة تجريبية، إذ تعمل أول مزرعة رياح عائمة في العالم، هيويند سكوتلاند (إكوادور)، منذ عام 2017 في أعماق المياه تصل إلى 129 مترا، ويجري الآن تطوير مشاريع تجارية على نطاق واسع في البحر الأبيض المتوسط، وبحر اليابان، وبحر الساحل الغربي الأمريكي، كما يمكن في حالة الرياح الداخلية، نشر المؤسسات العائمة على مواقع شاسعة، أو مناجم شحيحة فيضانات، أو بحيرات جديدة.

مؤسسة الروك آنكورد: مؤسسة خضراء لدعم اليونيلدينغ

وفي المناطق الجبلية التي يقترب فيها الصخور من السطح، توفر المؤسسات المرسوسة الصخرية بديلاً بارزاً عن المواصف الخرسانية الضخمة، وتحفر شبكة من الحفر في الصخر باستخدام الحفر الدوارة أو الجرادية؛ وتوزع المنافذ الصلبة العالية الوطأة (التي تعد من الناحية المتعددة الكبلات المفترسة) على مواقعها، وبعد أن تتحول الرواسب إلى توترات.

والمزايا الأساسية هي أن الصخرة نفسها تعمل كقاعدة، مما يقلل الاستهلاك الملموس بنسبة 70 في المائة تقريبا مقارنة بقاعدة الجاذبية، كما أن مرساة الصخر تتيح تركيب منحدرات شديدة حيث يكون وضع سلة ملموسة غير عملي، وتركيب مزرعة ألتو سيرتاون الثالثة للريح في البرازيل حيث تم تحديد عشرات من التوربينات على منحدرات من الرنة، وحفرت فيها حفرات على مسافة 1.2 مترا مربعة.

ومن الضروري إجراء تحقيق جيوتقني دقيق لضمان كفاءة كتلة الصخور وخلوها من كسور كبيرة، كما يجب أن تدار المياه في حفر المرساة لحماية التآكل، كما أن نظم الحماية الحديثة المزدوجة الارتداد - التي تستوعب السلاسل المسببة للثورة داخل قفص هاب - قد أثبتت فعاليتها، مع تداعيات الحياة على مدى 25 عاما.

مؤسسات باكت: القابلية للتحمل

إن نظاماً أقل شهرة ولكن واعداً بصورة متزايدة هو أساس دلو الخياطة أو الخياطة، وهذا الفولاذ أو الخرسانة المحفورة ينزلان إلى قاع البحر ثم يغلقان حول القمة، ويستخرج المضخة من داخل الدلو، ويخلق فرقاً في الضغط يقود الدلو إلى الرواسب، ويعود ذلك في كثير من الأحيان إلى أعماق ضوضاء جذابة تتراوح بين 5 و15 متراً.

وقد أظهرت مشاريع مثل مشروع القرن الأول في المملكة المتحدة ومؤسسة بوركوم ريفغروند في ألمانيا أسساً لطلاء الخياطة على نطاق المرافق العامة، وبالنسبة للاستخدام على الشاطئ، جرى اختبار صيغة متطورة - أحياناً تسمى " مرساة للإنقاذ " في التربة الرطبة الموسمية، حيث ستواجه المؤسسات الضحلة التقليدية قضايا تتعلق بالطفولة أو التناوب.

المزايا الملموسة للنظم المؤسسة التكيفية

فبعد أن تجعل هذه المؤسسات الابتكارية ممكنة، فإنها توفر مزايا قابلة للقياس على الأساليب التقليدية، وتورد الفروع التالية تفاصيل أهم الفوائد.

التكاليف والجداول

وتقضي المراسي المروحية والمراسي الصخرية على الحاجة إلى معالجة ملموسة واسعة النطاق، إذ إن قاعدة الجاذبية النموذجية تتطلب ما يصل إلى 28 يوماً من العلاج قبل أن يتم إنشاء التربين، في حين يمكن للمزمار الشائكة أن تقبل الحمولة مباشرة بعد القيادة، ويمكن لهذا الجدول أن يقصر جداول المشاريع لعدة أسابيع، ويخفض تكاليف التمويل ويمكّن من توليد الدخل في الخارج، وتتيح المنابر العائمة تجميعاً موازياً لسفن التي تعمل على التراب

كما أن الادخار المادي له نفس القدر من الإلحاح، إذ أن قاعدة الجاذبية لتصلب 5 أمتار ميغاواط قد تحتوي على 600 متر مكعب من الخرسانة و60 طناً من البقايا، ويمكن أن يخفض هذا البديل إلى أقل من 200 متر مكعب، مع التخفيضات التناسبية في انبعاثات النقل وتأثير الحجارة، كما أن المؤسسات الهجينة تقلل من الاستخدام الخرساني بنسبة تتراوح بين 30 و50 في المائة، حسب الظروف الأرضية.

Environmental Stewardship

وتترك المؤسسات الأقل غزاة آثاراً أصغر، فالكوارث الهيليّة تزعج المنطقة الصغيرة التي تخترق فيها التربة؛ ولا تزال النباتات الأصلية وهيكل التربة سليماً إلى حد كبير، وبالنسبة للمؤسسات البحرية العائمة، يمكن تصميم نظم الشعار لتجنب الموائل الحساسة من البقاع، وتزيل دلائل التصريف الضجيج تحت الماء من القذف، وهو مصدر إجهاد كبير للحياة البحرية مثل الفقمة.

وعلاوة على ذلك، فإن التخفيض الملموس للمؤسسات المبتكرة يقلل مباشرة انبعاثات ثاني أكسيد الكربون المرتبطة بإنتاج الأسمنت، التي تمثل نحو 8 في المائة من الانبعاثات العالمية البشرية المنشأ، وكثيرا ما تتضمن قاعدة واحدة من توربين الرياح أكثر تحديدا من برج الفولاذ فوقه؛ ويستطيع الاصطدام بهذا الحجم بمقدار النصف تجنب آلاف الأطنان من ثاني أكسيد الكربون (2) لكل مشروع.

الأداء الطويل الأجل والاعتماد

فالأسس المصممة خصيصا للظروف الجيولوجية المحلية تميل إلى أداء أفضل من حياة التربين في الفترة من ٢٠ إلى ٢٥ سنة، وعلى سبيل المثال، فإن الأكياس الشافية التي تصل إلى طبقات مختصة أقل عرضة للتسوية التفاضلية من الطبق الضحلي على المسامير المتغيرة، ويمكن أن تحتفظ مرساحات الصخر التي يتم اختبارها ورصدها على النحو الصحيح بفترات طويلة من الخسائر الطفولة، مع اشتراط صيانة مواقع أكثر تعقيدا.

وقد أصبحت أجهزة حديثة مثل المليارات وقياسات الإجهاد ومجسات التآكل، في هذه المؤسسات المبتكرة، وهي تغذي البيانات الناتجة عن ذلك في برامج الصيانة التنبؤية، مما يتيح للمشغلين اكتشاف علامات مبكرة على الحركة أو الإهانة قبل أن تصبح حاسمة، وهذا النهج الرقمي ذو قيمة خاصة بالنسبة للمواقع النائية التي يصعب فيها إجراء عمليات التفتيش المادي.

التصميم وتقييم الموقع: مؤسسة النجاح

ولا يهم مدى ذكاء مفهوم الأساس، فإن نجاحه يتوقف على إجراء تحقيق جيوتقني شامل وتصميم هندسي دقيق، وتشمل الممارسة الموحدة للتحدي في الجغرافيا الآن الجيوفيزيائيات المتقدمة (الارتفاع السيزمي، والرادار المزود بالشبكة الأرضية) إلى جانب الثقوب التقليدية واختبارات اختراق المخروط، وبالنسبة للتصميمات التي تُعد صخرا، يقوم المهندسون بتقييم درجة الكتل الصخرية، والتوجه المتباعد لتأكيد عدم الاستقرار.

وبالنسبة للمؤسسات العائمة، فإن التحليل الطيفي للموجات، والتنميط الحالي، وعمليات المحاكاة الدينامية إلزامية، كما أن هيئات التصديق مثل DNVGL والمكتب الأمريكي للشحن قد نشرت معايير خاصة لهياكل التوربين العائمة، تغطي القوة القصوى، والإجهاد، والمسك الثابت، وبالمثل، فإن الأكوام الشائكة تتطلب اختبارا صارما للقدرات الحرارية ورصدا للتسوية أثناء تقديم الأدلة.

كما أن الوصول إلى المواقع والسوقيات يؤثران على اختيار المؤسسات، ففي المناطق الجبلية النائية، يمكن استخدام أجهزة تركيب الصواريخ الشعابية المحمولة حيث لا توجد طرق، وفي المناطق المحيطة، يمكن إضافة مركبات الرموزفونية (أنابيب الحرارة العابرة) إلى قاعدة هجينة لإبقاء الأرض مجمدة ومنع إعادة التوطين، وتبرز هذه التكييفات الخاصة بالمواقع التحول من أسس موحدة إلى حلول مصممة الغرض.

الاتجاهات المستقبلية: صانع، لايتر، وأكثر قابلية للتعديل

ولا تزال الابتكارات مستمرة، وتستكشف أفرقة البحوث استخدام الخرسانة التي تعمل على أساس أعلى مستوى من الأداء بالنسبة للمؤسسات ذات الكشوف العالية التي تقلل من الوزن دون تضحية بالقوة، ويجري حالياً اختبار التصنيع الإضافي (الطباعة بواسطة د) من مكونات المؤسسة في البيئات الخاضعة للرقابة، والشكل الواعد الذي يُلقي في الموقع بأقل قدر من النفايات.

وثمة حدود أخرى تتمثل في دمج أجهزة الاستشعار الجيوتقنية مع أجهزة قياس التكوين الآلي التي يمكن أن تتنبأ بالاستجابة الأساسية على حياة التربين، وبالنسبة للمؤسسات العائمة، فإن التوأم الرقمي الذي يتيحان للزوجين من بيانات الميض في الوقت الحقيقي مع النماذج الهيكلية التكيف المستقل للتوترات أو التسبب في الحزن، وقد يتيح مفهوم " الأساس الذكي " هذا يوما ما تكييف ظروف التربين مع تغيرها.

ومن الناحية التنظيمية، تقوم المهمة الثلاثين لربح الوكالة الدولية للطاقة بوضع معايير للموثوقية فيما يتعلق بتصميمات المؤسسات البديلة، مما يساعد على الحد من خطر اعتمادها في الأسواق الجديدة، حيث تتقاسم المزيد من البيانات من المشاريع التنفيذية، تنمو ثقة المستثمرين وشركات التأمين، وتعجل بتنفيذ هذه التكنولوجيات تجاريا. ] القراءة الأخرى عن بحوث رياح الشبكة ] توفر سياقا إضافيا بشأن الابتكارات الجارية.

خاتمة

(ب) [وإن صناعة الطاقة الريحية قد بلغت لحظة محورية، حيث إن ثمار الأرض المستقرة والمستقرة والميسورة قد جُمعت إلى حد كبير، حيث إن المطورين ينتقلون إلى نطاقات جغرافية أكثر طلباً، وأحواض بحرية عميقة، ومناطق ذات تأثيرات حيوية، فإن الأساس يُصبح بمثابة عوامل تمكينية حاسمة، ونظم هجينة، وممرات تُعَمَزَّم.