Natural Gas Power Plants as Peaking Units: Flexibility and Response Times

وتشكل محطات توليد الطاقة الغازية الطبيعية حجر الزاوية في نظم الكهرباء الحديثة، ولا سيما في دورها كوحدات ذات ذروة تستجيب للتغيرات السريعة في الطلب، وخلافا لمرافق التحميل الأساسية التي تعمل في الإنتاج الثابت لفترات طويلة، يجب أن تبدأ وحدات الذروة بسرعة، وأن تتسارع بشكل فعال، وكثيرا ما تكون دورة اليوم، وتجعلها الخصائص الفريدة لشبكات الاحتراق الطبيعية مناسبة لهذا الدور المتطلب، حيث تصبح مصادر الطاقة المتجددة مثل الطاقة الريحية والموثوقية أكثر انتشارا.

ما هي نباتات الطاقة؟

وتولد محطات توليد الطاقة التي يشار إليها في كثير من الأحيان بعلامات الذروة مرافق تعمل أساساً خلال فترات الذروة في الطلب على الكهرباء، وتُحدث هذه الفترات عادة في فترات الصيف الساخنة عندما ترتفع كميات التكييف أو خلال صباح الشتاء عندما تتزامن أنشطة التدفئة والنشاط الصناعي، وتختلف البكر عن محطات التحميل الأساسية التي تقارب الإنتاج الأقصى على مدار الساعة، ونباتات متوسطة الحجم تعمل خلال منتصف منحنى الطلب.

والمتطلب الأساسي لإنشاء وحدة ذروة هو القدرة على البدء بسرعة والوصول إلى الناتج الكامل في غضون دقائق، وإغلاقها بسرعة حيث يتراجع الطلب، وتتطلب هذه الصورة العملية معدات يمكنها معالجة التقلبات الحرارية السريعة، والبدءات المتكررة، ومد فترات العبث دون الإفراط في اللبس، ومن الناحية التاريخية، استخدمت المرافق السدود الكهرمائية كسلف، ولكن توافر المياه، والسماح بالحد من هذا الخيار في العديد من المناطق.

واليوم، تعد وحدات ذروة الغاز الطبيعي من بين أكثر الحلول شيوعا وفعالية من حيث التكلفة لتلبية الطلب على ذروته، وتشمل مزاياها سرعة البدء، وانخفاض تكلفة رأس المال لكل ميغاوات، وانخفاض الانبعاثات نسبيا مقارنة بالنفط أو الفحم، والقدرة على تحديد موقعها بالقرب من المراكز السكانية، كما تدعم وحدات التنظيف موثوقية الشبكة بتوفير الدعم عندما تكون المولدات الأخرى غير صالحة أو عندما تنخفض فجأة ناتج الطاقة المتجددة، وتتلقى شركات توليد الطاقة في أسواق الطاقة الكهربائية المنظمة أعلى حجما من خلال أسواق خدمات الطاقة.

دور الغاز الطبيعي في نظم الطاقة الحديثة

وقد أدى الغاز الطبيعي إلى تحول قطاع الكهرباء خلال العقدين الماضيين، حيث أدى ارتفاع العرض المحلي وانخفاض أسعار الوقود، والتطورات في تكنولوجيا التربين إلى جعل توليد الكهرباء المشتعلة بالغاز مصدر رئيسي للكهرباء في بلدان كثيرة، ووفقا لإدارة المعلومات المتعلقة بالطاقة في الولايات المتحدة، بلغ نصيب الغاز الطبيعي نحو 38 في المائة من توليد الكهرباء في الولايات المتحدة في عام 2023، مما أدى إلى زيادة في أسعار الفحم والطاقة النووية، وفي أوروبا، يؤدي الغاز دورا مماثلا وأكثر تقلبا في الإنتاج، مع توليد الطاقة.

وتمتد محطات الغاز الطبيعي إلى مجموعة واسعة من الأحجام والتشكيلات، حيث تحقق التربينات الكبيرة من الغازات المدمجة في الدورة مستويات الكفاءة أعلى من 60 في المائة، وتعمل كوحدات متوسطة أو ذات حمولة أساس في العديد من الأسواق، وتتيح التربينات الصغيرة للغاز المفتوح الدراجات والمحركات المعالجة ذات الكفاءة المنخفضة ولكن أسرع من بدء التشغيل، مما يجعلها مثالية لتطبيقات الذروة.

إن دور الغاز الطبيعي في عملية الانتقال في الطاقة معقد، إذ ينتج جيل الغازات انبعاثات ثاني أكسيد الكربون في الساعات الكبرى أقل من الفحم أو النفط، ولكنه لا يزال يسهم في انبعاثات غازات الدفيئة، ويتوخى العديد من سيناريوهات إزالة الكربون أن يؤدي دوراً متناقصاً في الغاز غير المكبّت ودوراً متزايداً في مصادر الطاقة المتجددة المدعومة بتخزين الطاقة، والاستجابة للطلبات، واستخلاص الكربون، غير أن وحدات ذروة الغاز الطبيعي تظل ضرورية في الأجل القريب.

مرونة محطات توليد الطاقة الغازية الطبيعية

فالقابلية للتقلب هي السمة المحددة لمصانع ذروة الغاز الطبيعي، فخلافاً للوحدات الفحمية أو النووية، التي تتطلب ساعات لبدء ومحدودية معدلات المصابيح، يمكن أن تحقق التوربينات الغازية كامل الحمولة في غضون دقائق، وهذه المرونة ليست مجرد ملاءمة وإنما ضرورة لإدارة الشبكات الحديثة، ونظراً لأن حصة الطاقة المتجددة المتغيرة تنمو، فإن الحاجة إلى زيادة سرعة التداعم، وتراكم التوليد.

وقد تتراوح فترات بدء التشغيل من نوع النبات، ويمكن أن تتحول التوربينات الغازية المفتوحة من الحديد البارد إلى الناتج الكامل في غضون 10 إلى 15 دقيقة، كما أن بعض التوربينات المتطورة المتطورة التي تُنتج عن التحلل الحراري يمكن أن تحقق كامل الحمولة في أقل من خمس دقائق، كما أن محطات الدورة المجمعة التي تشمل توربينات باخارية تسترد حرارة العادم، تحتاج إلى بدء أطول لأن دورة البخار يجب أن تسخن تدريجياً لتلاً في فترات الذروة القصوى من حيث تصل إلى ثلاثينات الحرارية.

ويشير معدل المصابيح إلى مدى سرعة تحول المصنع إلى ناتجه، إذ يمكن أن تنفجر الطوابق الغازية بمعدلات تتراوح بين 5 و 15 في المائة من القدرة المقيسة في الدقيقة، وهي قدرة أسرع بكثير من الفحم أو النباتات النووية، وتتيح هذه القدرة لوحات الغازات لمتابعة التغيرات السريعة في إنتاج الرياح والطاقة الشمسية، وتعوض عن الغطاء السحابي، أو شحوم الرياح، أو التغيرات المفاجئة في الطلب، وقد أدت محطات التمريد العاملة المدمجة إلى تقييد معدلات الارتج.

ويشكل الحد الأدنى من التحميل المستقر بعدا آخر من أبعاد المرونة، إذ يمكن أن تعمل معظم التوربينات الغازية بشكل ثابت بنسبة 50 في المائة من الحمولة المقيسة أو أقل، ويمكن لبعض التصميمات المتقدمة أن تهبط إلى 20 في المائة، وتتيح هذه القدرة على التحول إلى الإنتاج بقاء محطات الذروة على الإنترنت خلال فترات انخفاض الطلب دون توقف، مما يتيح استجابة أسرع عند زيادة الطلب، كما يتيح للمصانع تقديم خدمات التنظيم في شكل جزئي، مما يكسب من الأسواق الإضافية، مع الاستعداد لزيادة الإنتاج.

القدرة على الصقل تشير إلى قدرة النبات على البدء والتوقف والتغير كثيراً بدون إرتداء زائد، قد تبدأ وحدات التنظيف وتتوقف عدة مرات في الأسبوع أو حتى يومية، خاصة عندما تقترن بتوليد متجدد، ويفرض التدوير المتكرر ضغوطاً حرارية وميكانيكية على مكونات التربة، بما في ذلك اللوحات الدوارة، وأجهزة الاحتراق، والاختتام، غير أن التقدم في نظم التحكم في الغازات مصممة

أنواع وحدات التصفيق بالغاز الطبيعي

وتنقسم وحدات الذروة في الغاز الطبيعي إلى عدة فئات، كل منها له خصائص متميزة فيما يتعلق بالكفاءة والوقت لبدء التشغيل والتكلفة، وأكثر الأنواع شيوعا هي التوربينات الغازية المفتوحة الدراجات، والتركبات الغازية المدمجة، والمحركات التبادلية.

(أ) أن تكون محميات الغازات ذات الدراجات المفتوحة ((() هي أكثر التكنولوجيات التي تستخدم في ذروة الغاز، وهي تتألف من تربين الغاز الذي يقود مولداً، وتتكون غازات العادم من الهواء مباشرة إلى الغلاف الجوي، وتعاني أجهزة التوليد من كفاءة أقل من محطات التدوير المشتركة، التي تتراوح عادة بين 30 و40 في المائة، ولكن تصميمها البسيط يتيح سرعة البدء في التكوين.

(ب) أن تضيف هذه التربينات الغازية المحتوية على دورة مركبتين (CCGT) مولداً لبخار التعافي من الحرارة وتربيناً للضغط على البخاري، وذلك من أجل الحصول على حرارة العادم، وتعزيز الكفاءة إلى 50 في المائة أو أكثر، وفي حين أن فترات بدء التشغيل أبطأ وتكاليف رأس المال أعلى من حجم التكسيدات المتوسطة، فإن ارتفاع كفاءتها يقلل في تكاليف الوقود والانبعاثات المتوسطة

Reciprocating motors] are a less common but growing option for toping applications. Large natural gas-fired reciprocating motors, similar to those used in ships and industrial facilities, offer extremely fast start times under two minutes and high efficiency at part load, they are modular, allowing operators to add capacity in small increments.

أوقات الاستجابة وقابلية الظلم

إن وقت الاستجابة هو أكثر قياسات الأداء أهمية بالنسبة لوحدات الذروة، ويعتمد مشغلي المزروعات على موارد سريعة الاستجابة للحفاظ على التردد داخل حدود ضيقة، عادة ما يضاف إليه أو يقل عن 0.05 هرتز في أمريكا الشمالية، وعندما ترتفع أعداد كبيرة من المولدات الكهربائية أو ترتفع الطلب بشكل غير متوقع، تخفض الترددات، وتنشط الاحتياطيات في غضون ثوان لمنع حدوث المزيد من الانخفاض، وتتناسب وحدات ذروة الغاز الطبيعي مع هذا الدور لأنها يمكن أن تبدأ وتتسارع.

ويتوقف استقرار الأحشاء على ثلاثة عوامل رئيسية هي: تنظيم التردد، ودعم الفولط، والاحتياطيات الاحتياطية الطارئة، وتشمل أنظمة التردد إجراء تعديلات مستمرة لتجارب الجيل مع الطلب على أساس اللحظات إلى المرحلة، ويمكن لمصانع الغاز الطبيعي المجهزة بضبط التوليد الآلي أن تعدل الناتج استجابة لانحرافات الترددات في غضون ثوان، ويحتاج دعم الفولط إلى قدرة على إعادة التشغيل، التي يمكن أن توفرها أجهزة التوربين الغازية عن طريق نظمها القصوى للإنتاج.

وقد اتضحت أهمية أوقات الاستجابة السريعة خلال أحداث الإجهاد على الشبكة، ففي صيف عام 2020، شهدت كاليفورنيا حالات انقطاع في الكهرباء بسبب مزيج من الحرارة الشديدة، وانخفاض إنتاج المياه، وسرعة التمزق الشمسي عند غروب الشمس، وفي أثناء تلك الحالة، كانت وحدات ذروة الغاز الطبيعي حاسمة في تثبيت الشبكة ومنع حدوث انقطاع في المياه، كما أن توليد الطاقة الغازية في أواخر شباط/فبراير 2021 ظل يواجه تحديات كبيرة بسبب ارتفاع قيمة الوقود.

وبالمقارنة مع التكنولوجيات الأخرى، فإن ذروة الغاز الطبيعي توفر توازناً قوياً من السرعة والقدرة والمدة، ويمكن أن تستجيب نظم تخزين الطاقة في البطاريات في الألف ثانية، وهي ممتازة لتنظيم الترددات، ولكن مدة هذه النظم تقتصر على ساعة واحدة إلى أربع ساعات على النطاق التجاري الحالي، ويمكن أن تستجيب محطات توليد الطاقة بسرعة ولكن تُقيد بتوافر المياه والأنظمة البيئية، ويمكن أن تقلل برامج الاستجابة للطلبات من سرعة الحمل ولكنها تتوقف على مشاركة العملاء وقد لا تكون متاحة خلال جميع أحداث الذروة.

ألف - مزايا وحدات التعبئة من الغاز الطبيعي

وتوفر وحدات الذروة في الغاز الطبيعي عدة مزايا متميزة تجعلها لا غنى عنها في نظم الكهرباء الحديثة.

  • ]Rapid start-up and shut-down capabilities:] OCGTs can reach full load in under 15 minutes, and reciprocating motors in under 2 minutes. This speed allows grid operators to respond quickly to expected changes in supply or demand.
  • High efficiency in flexible operation:] Modern gas turbines maintain high efficiency even at part load, reducing fuel consumption and emissions when running at reduced output. Advanced combustion systems also minimize emissions during start-up and transient operation.
  • Lower emissions compared to coal or oil plants:] Natural gas emits about 50 percent less carbon dioxide per megawat-hour than coal and virtually no sulfur dioxide or particulate matter. Gas topers also produce less nitrogen oxides per unit of output than older oil-fired units.
  • Compatibility with renewable energy integration:] Gas topers can balance the variability and uncertainty of wind and solar generation. They provide fast ramping when renewables decline and can shut down when renewables are abundant, reducing the need for curtailment.
  • Moderate capital costs and short construction times:] OCGT topers can be built in one to two years, compared to three to five years for CCGTs and five to eight years for nuclear plants. The lower capital cost reduces financial risk and allows utilities to match capacity additions to load growth more precise.
  • Siting flexibility:] Gastoming units have a relatively small footprint and can be located near load centers, reducing transmission losses and congestion. Air permitting is generally easier than for coal or biomass plants.

الجوانب التقنية لعملية تريبين بيكينغ

وتختلف المطالب التقنية لعملية الذروة اختلافاً جوهرياً عن عملية تحميل القاعدة، إذ تشهد وحدات التنظيف بداية أكثر تواتراً، وتغيرات في درجات الحرارة أسرع، وفترات أطول، وتضغط هذه الظروف على مكونات التربين بطرق تتطلب تصميماً دقيقاً وصيانتها.

تصميم نظام التعبئة للبدء السريع

وتحتاج البداية السريعة إلى نظم احتراق يمكن أن تشتعل بشكل موثوق وتعجل بالتربين إلى سرعة متزامنة بسرعة دون تجاوز حدود درجات الحرارة، وتستعمل أجهزة التوربين الغازية الحديثة أنظمة الاحتراق المنخفضة الجاف التي تفترض وجود الوقود والهواء قبل الاحتراق للحد من تكوين ثاني أكسيد الكربون، وأثناء بدء التشغيل، تعمل أجهزة التربو في نمط حرارة أعلى من اللهب.

وتتناسب التوربينات المشتقة من تكنولوجيا محركات الطائرات بشكل خاص مع ارتفاع مستويات تطبيقات الذروة، حيث إن بناءها للوزن الخفيف وتبريدها المتقدم يتيحان زيادة سرعة البدء وارتفاع معدلات المصابيح من التربينات الصناعية ذات الإطار الثقيل، ويمكن لبعض الوحدات المشتقات الهوائية أن تصل إلى الحمولة الكاملة في أقل من خمس دقائق من بداية باردة ويمكن أن تتمزق بنسبة 20 في المائة في الدقيقة، وهذه القدرات تجعلها مثالية للتنظيم الترددي والخدمات الاحتياطية.

مراقبة الانبعاثات أثناء العملية الانتقالية

وترتفع الانبعاثات من التربينات الغازية عند بدء التشغيل وعند تشغيلها في حمولات منخفضة، وخلال بدء التشغيل، يعمل نظام الاحتراق في حالة غير ثابتة، وينتج مستويات أعلى من ثاني أكسيد الكربون وثاني أكسيد الكربون، ويمكن أن تقلل نظم الخفض الحافز الانتقائي من انبعاثات أكسيد النيتروز، ولكنها تتطلب في كثير من الأحيان درجات حرارة استنفاد محددة قد لا تكون موجودة أثناء بدء التشغيل.

أثر القفص على حياة العنصر

وتتسارع وتيرة عمليات بدء تشغيل الغازات السريعة وتغيرات الحمولة، وتتسبب الدورات الحرارية في توسيع وتقلص أجزاء مسارات الغاز الساخن، مما يؤدي إلى تفكيك الدهون الحرارية، وتشمل أكثر العناصر تضرراً نصلات التربين الأولى، وأجهزة الحرق، والقطع الانتقالية، وأجهزة الفرز المتحركة، كما تسهم في عمليات الفرز المفاجئة في حرق المواد.

وبالنسبة للوحدات التي تبلغ ذروتها، تحدد الحياة الاقتصادية بعدد البدأ بدلا من ساعات العمل، ولا يمكن أن تدوم محطة ذروة إلا بضع مئات من الساعات في السنة، بل تتراكم مئات البدايات، وتوفر المصانع فترات التفتيش الموصى بها على أساس البداية والساعات، ويمكن للمشغلين أن يمدوا فترات الموازنة باستخدام إجراءات الرصد القائمة على الشروط وتعديل إجراءات البدء للحد من الإجهاد الحراري.

الاعتبارات الاقتصادية

وتتوقف اقتصادات وحدات الذروة في الغاز الطبيعي على تكاليف الوقود، وتكاليف رأس المال، ومصروفات التشغيل، ومجاري الإيرادات الآتية من الطاقة، والقدرة، والخدمات الإضافية، وفهم هذه العوامل أمر أساسي بالنسبة للمرافق ومنتجي الطاقة المستقلين الذين يتخذون قرارات الاستثمار.

وتعاني تكاليف رؤوس الأموال لوحدات الذروة من انخفاض نسبي بالمقارنة مع محطات تحميلها الأساسية، إذ تُكلف شركة نفطية تبلغ ذروتها نحو 700 إلى 200 1 دولار لكل كيلوواط، بينما تُكلف شركة كليبرتون ما بين 900 و 500 1 دولار لكل كيلوواط، وتُكلف شركة أوكيتي للربط الشبكي 100 مليون أوكتار تقريبا 70 مليون إلى 120 مليون دولار، مما يجعلها واحدة من أقل الخيارات تكلفة لإضافة نظم تخزين مرنة.

وتشمل تكاليف التشغيل لوحدات الذروة الوقود والتشغيل والصيانة المتغيرة وتكاليف الوقود الثابتة من طراز O and M. Fuel أكبر التكاليف المتغيرة وتتوقف على أسعار الغاز الطبيعي، ويتطلب هذا النوع من المركبات من 9 إلى 11 مليون وحدة حرارية بريطانية لكل ساعة من ساعات العمل المتوسطة، أي تكاليف تأمين تتراوح بين 25 و 40 دولاراً لكل ساعة من ساعات العمل المتوسطة بأسعار الغاز الحالية.

وتأتي تدفقات الإيرادات لوحدات الذروة من عدة مصادر، ففي أسواق الكهرباء بالجملة، تكسب الذروة إيرادات من خلال بيع الطاقة عندما تكون الأسعار مرتفعة، عادة أثناء ساعات الذروة في الطلب، وقد تحصل أيضا على مدفوعات القدرة على العمل عند الطلب، وفي الأسواق المنظمة مثل PJM و ISO New England، تحدد المناقصات المتعلقة بالقدرات أسعارا لموارد القدرات، ويمكن أيضا أن تكسب إيرادات من الخدمات التكميلية مثل نظام الترددات، والاحتياطيات.

وتتوقف ربحية مصنع ذروة على الفرق بين أسعار الطاقة القصوى والتكاليف المتغيرة للمصنع، بالإضافة إلى إيرادات الطاقة والخدمات الإضافية، وعندما تكون أسعار الذروة مرتفعة وأسعار الغاز منخفضة، يمكن للمصنع أن يولد أرباحا كبيرة في بضع مئات من ساعات العمل، وعلى العكس من ذلك، عندما تُوقف أسعار الذروة بسبب توليد الطاقة المتجددة أو انخفاض الطلب، فإن الذروة قد تكافح لتغطية تكاليفها الثابتة.

وفي مقارنة ذروة الغاز الطبيعي بالموارد البديلة المرنة، تكشف عن المفاضلة، إذ أن تخزين البطاريات يتيح استجابة أسرع و صفر من الانبعاثات في الموقع، ولكن له مدة محدودة وتكاليف رأسمالية أعلى، وحيث أن تكاليف البطاريات تتناقص، فإن تخزين المواد القصيرة الأجل يبدأ في التنافس مع أجهزة قياس الغاز بالنسبة لبعض التطبيقات، ولا سيما تنظيم الترددات وتصفية الذروة في الطلب على الغازات المتعددة الساعات التي تستغرق أربع ساعات إلى ثماني ساعات، فإن أجهزة توليد الطاقة لا تزال أكثر كفاءة من حيث الطلب.

Environmental Impact and Emissions

وتنتج وحدات ذروة الغاز الطبيعي انبعاثات أقل من انبعاثات الفحم أو بدائل النفط، ولكنها لا تزال تسهم في تلوث الهواء وانبعاثات غازات الدفيئة، ومن المهم فهم الآثار البيئية لغازات الذروة الغازية بالنسبة للمخططين والمنظمين الذين يعملون من أجل تحقيق أهداف المناخ والجوية.

إن انبعاثات ثاني أكسيد الكربون من ذروة الغاز تعتمد على كفاءة المصنع وعدد ساعات عمله، وينطوي هذا النوع من الغازات على نحو 800 إلى 950 جنيها من ثاني أكسيد الكربون لكل ساعة من ساعات الغاز الميغوات، مقارنة بحوالي 200 2 جنيه من الفحم، وتنتج ثاني أكسيد الكربون حوالي 750 إلى 900 جنيه لكل ساعة من ساعات الحمولة، لأن أجهزة التمويه تعمل فقط بضع مئات من الساعات في السنة

(ب) إن أكسيد النيتروجين هو الملوث المحلي الرئيسي من التوربينات الغازية، ويمكن أن تحقق نظم الاحتراق الحديثة من الـ دي لي مستويات تركيز تتراوح بين 5 و10 أجزاء لكل مليون في شكل حمولة كاملة، ولكن زيادة الانبعاثات أثناء التشغيل الأولي والخفيف، ويمكن أن تقلل نظم الحرق من النيتروز بنسبة تتراوح بين 80 و90 في المائة، ولكنها تتطلب درجات حرارة أعلى من 600 درجة فهرنهايت.

ويعتبر استهلاك المياه من الاعتبارات البيئية الأخرى، فمعظم ذرات الغاز تستخدم نظماً مجهزة بالهواء، ولذلك يقتصر استخدام المياه على التبريد في العمليات ومكياج دورة البخار بالنسبة لمركبات الكربون الكلورية فلورية، ويُعد التبريد الجاف أمراً شائعاً بالنسبة لوحدات الذروة لأنه يقلل من احتياجات المياه ويحد من القيود التي تُفرض على الجلوس، وحتى في الوقت نفسه، فإن وحدات الذروة لها آثار مائية أصغر بكثير من الفحم أو النباتات الشمسية التي تركز عليها.

أما مقارنات الانبعاثات مع تكنولوجيات الذروة الأخرى فهي مفيدة، إذ تنتج أجهزة الديزل والزيوت التي تعمل بالغاز مستويات أعلى من ثاني أكسيد الكربون، وثاني أكسيد النيتروز، وخامات الجسيمات، كما أنها تنتج ثاني أكسيد الكبريت، بينما لا توجد الغازات، ونادرات الوصلات التي تطلقها الفحم اليوم بسبب بطء البدء وقضايا الانبعاثات، ولكن حيثما كانت لا تزال موجودة، فإن انبعاثاتها أعلى بكثير من مستويات الذروة في تخزين الغازات.

ويتطور دور ذروة الغاز في شبكة ملغومة، وهناك عدة مسارات لخفض انبعاثاتها: تزييف الهيدروجين إلى مجرى الوقود، وتجهيز النباتات باحتجاز الكربون وتخزينه، أو تخفيض ساعات التشغيل مع التوسع في التخزين والمتجدد، ويمكن أن يؤدي تزييف الهيدروجين إلى خفض انبعاثات ثاني أكسيد الكربون بشكل متتالي مع كسر الهيدروجين، كما أن العديد من شركات تصنيع التربينات التي تقدم حالياً نسبة ذروة من مركبات الهيدروجين التي يمكن أن تعمل بها

التكامل مع الطاقة المتجددة

إن وحدات ذروة الغاز الطبيعي شركاء أساسيون لمصادر الطاقة المتجددة المتغيرة، فالتوليد الريحي والشمسي يتوقف على الظروف الجوية، ويخلق عدم اليقين والتقلبات التي يجب إدارتها في الوقت الحقيقي، وتوفر ذروة الغاز القدرة السريعة الارتداد والممكنة للإرسال اللازمة لموازنة هذه التقلبات، بما يكفل إمكانية دمج الطاقة المتجددة دون المساس بموثوقية الشبكة.

فالتكامل بين ذروة الغاز والمتجددات هو أكثر وضوحا في الصورة اليومية للشحن، إذ يرتفع الجيل الشمسي خلال الصباح، ويرتفع في منتصف النهار، ويتراجع في فترة ما بعد الظهر، ويقلل الناتج بسرعة، ويخلق منحنى البط المعروف جيدا في الطلب الصافي على الحمولة، كما أن معدلات الذروة في الغاز هي مثالية لتسريع معدلات الارتفاع خلال هذا المصباح، مما يوفر الطاقة عندما ينخفض الناتج الشمسي ويظل مرتفعا.

وفي النظم ذات التغلغلات العالية المتجددة، تتغير عمليات ذروة الغاز، وتتحول من توفير الطاقة الذروة القائمة على الطلب إلى توفير الدعم على أساس التقلبات المتجددة، وهذا يعني زيادة وتيرة البدء، وقصر فترات التشغيل، وانخفاض عوامل القدرة، وفي ألمانيا، حيث يُظهر أن الرياح والطاقة الشمسية تزيد على 40 في المائة من الجيل، تعمل أجهزة توليد الغاز بصورة رئيسية خلال فترات انخفاض الناتج المتجدد وارتفاع الطلب، ودورها هو سد الثغرات في فترات الذروة في الشتاء، ولا يمكن أن تلبي الحمولة في أوقات الذروة في فترات الذروة في فترات الذروة في فترات الذروة في فترات الذروة في فترات الذروة في فترات الذروة في فترات الذروة في فترات الذروة في فترات الذروة في فترة ما بعد ساعات العمل.

وتعتمد الحالة الاقتصادية لأجهزة ذروة الغاز في النظم العالية التجديد على مدفوعات القدرة وإيرادات الخدمات الإضافية بقدر ما تُدفع من مبيعات الطاقة، ونظرا لأن الذروة تقل ساعاتها، فإنها يجب أن تكسب ما يكفي خلال تلك الساعات لتغطية التكاليف الثابتة، إذ توفر أسواق القدرات تدفقا ثابتا للإيرادات يكفل بقاء الذروة متاحة على الرغم من تدني فترات التشغيل، ففي الأسواق التي لا توجد فيها آليات للقدرات، قد تكافح من أجل البقاء مربحا، مما يؤدي إلى ظهور شواغل تتعلق بالموثوقية.

وتوضح دراسات الحالة أهمية ذروة الغاز في الشبكات الغنية بالمتجددة، ففي كاليفورنيا، انخفض اعتماد الدولة على وحدات ذروة الغاز الطبيعي انخفاضا كبيرا حيث زادت قدرة تخزين البطاريات، ولكن الغاز لا يزال يوفر أكثر من 20 في المائة من القدرة على بلوغ ذروته الصيفية، وخلال موجة الحرارة في آب/أغسطس 2020، عملت أجهزة توليد الغاز في نواتج قياسية وساعدت على منع حدوث انقطاعات أكبر في المملكة المتحدة، حيث توفر أجهزة توليد الطاقة الريحية ذات سرعة الاستجابة التي تيسر حدوث ارتفاع في إنتاج الرياح.

الاتجاهات والابتكارات في المستقبل

إن صناعة ذروة الغاز الطبيعي ليست ثابتة، فالتقدم التكنولوجي والتغيرات في الأسواق والتحولات في السياسات العامة تشكل الجيل القادم من وحدات الذروة، وهناك اتجاهات عديدة تستحق التنويه بالمرافق والمستثمرين وواضعي السياسات.

(أ) تواصل تكنولوجيا توربينات الغاز المتطورة تحسين أداء وحدات الذروة، وتتحقق التصميمات الجديدة للتربين كفاءة أعلى في شكل جزء من الحمل، وتسريع فترات بدء التشغيل، وانخفاض الانبعاثات، وتزداد كفاءة وطوابق التربينات المشتقات، وتسمح باستخدامها في عمليات الذروة والتشغيل الوسيطة، وتخفض نظم الرقابة الرقمية البيانات والتنبؤات البديلة في الوقت الحقيقي.

(ب) تمثل التربينات الجاهزة للهيدروجين خطوة رئيسية نحو إزالة الكربون، وقد أعلن عدد من الصانعين عن وجود نظم احتراق قابلة للاختراق قابلة للاختراق قابلة للاختراق ويمكن أن تعمل على مزيج من الغاز الطبيعي والهيدروجين، مع إمكانية تشغيل 100 في المائة من الهيدروجين في المستقبل، كما أن الهيدروجين المنتج من الطاقة الكهربائية المتجددة سيحول فعلياً إلى ذروة الغاز(2).

كما أن نظم الهجين التي تجمع التوربينات الغازية مع تخزين البطاريات بدأت تظهر كطريقة لتحقيق الأداء الأمثل، وفي تشكيلة هجينة، فإن البطارية توفر استجابة سريعة للدقائق القليلة الأولى من نشاط الشبكة، ثم يبدأ توربين الغاز وينتهي إلى التشغيل المستدام.

Digitalization and predictive maintenance] are transforming howtoming units are operated and maintained. Sensors, data analytics, and digital twins allow operators to monitor component condition in real time, predict remaining life, and optimize maintenance schedules. This reduces unplanned outages, extends component life, and lowers operating costs.

(ب) ستواصل التطورات التنظيمية في مجال المريخ والتطورات التنظيمية التأثير على دور أجهزة ذروة الغاز، حيث أن العديد من المناطق تقوم بتنفيذ أسعار الكربون ومعايير حافظة الطاقة المتجددة وأهداف الطاقة النظيفة التي تخدم موارد أقل الانبعاثات، وقد اقترحت بعض الولايات القضائية أو سنت قواعد تأهب تحد من بناء جيل جديد مشتعل بالغاز، غير أن هذه المناطق نفسها كثيرا ما تحتاج إلى ذروة من الغازات للحفاظ على الموثوقية خلال فترة الانتقال.

خاتمة

فمع مرور فترات الذروة على ارتفاع مستويات الطاقة الغازية الطبيعية توفر المرونة الأساسية ومرورات الاستجابة السريعة التي تدعم شبكة الطاقة القادرة على التكيف، وقدرتها على البدء بسرعة، والتسارع في وتيرة العمل بكفاءة، والعمل بشكل موثوق خلال فترات الذروة في الطلب، تجعلها لا غنى عنها في نظم الكهرباء الحديثة، ومع ازدياد تغلغل الطاقة المتجددة، فإن دور أجهزة توليد الغاز يتطور من تلبية الطلب إلى تحقيق التوازن بين تقلبات الطاقة وتوفير الدعم.

وتتقدم التكنولوجيا التي خلفت وحدات ذروة الغاز، مع سرعة بدء التشغيل، وانخفاض الانبعاثات، وزيادة قابلية التدوير، وتوفر مزيج الهيدروجين والتشكيلات الهجينية مسارات لخفض آثار الكربون فيها، وستستمر وحدات ذروة الغاز الطبيعي في المستقبل المنظور في توفير المرونة والاستجابة التي يحتاج إليها مشغلي الشبكات للحفاظ على الموثوقية أثناء الانتقال إلى نظام للطاقة أنظف.