دراسة تدمج الطاقة المتجددة والغاز الطبيعي في منظومة تخفض تكلفة الكهرباء

مع التوسع العالمي في الاعتماد على مصادر الطاقة المتجددة، تواجه أنظمة الطاقة تحديًا رئيسًا يتمثل في ضمان استمرار توفير الكهرباء والحرارة، رغم التغير المستمر في معدلات إنتاج طاقتي الشمس والرياح على مدار اليوم؛ ما يتطلب حلولًا متقدمة للتخزين والإدارة الذكية والتكامل بين مصادر الطاقة المختلفة.

وفي المقابل، يؤدي الاعتماد الكامل على الوقود التقليدي إلى ارتفاع تكاليف التشغيل وزيادة الانبعاثات الكربونية، وهو ما يعزز أهمية تطوير أنظمة طاقة متكاملة تجمع بين مصادر الطاقة المتجددة والغاز الطبيعي ووحدات التوليد المشترك وأنظمة تخزين الكهرباء.

وفي هذا الإطار، تناولت رسالة ماجستير بعنوان “الإدارة المثلى للطاقة في مركز طاقة متكامل (Optimal Power Management of an Integrated Energy Hub)”، تطوير نموذج متكامل لإدارة وتشغيل منظومة طاقة مستقلة عن الشبكة الكهربائية، بهدف تحقيق التوازن بين خفض التكلفة الاقتصادية وتقليل الانبعاثات الكربونية، مع ضمان تلبية احتياجات المبنى من الكهرباء والحرارة.

وأجرى الدراسة الباحث ومهندس تصميم أنظمة الطاقة حسين زين العابدين بإشراف الأستاذ الدكتور المعتز عبد العزيز والدكتور أحمد عبد المحسن بجامعة عين شمس.

وركّزت الدراسة -التي اطّلعت عليها منصة الطاقة المتخصصة (مقرّها واشنطن)- على توظيف تقنيات التحسين المتقدمة للوصول إلى أفضل تصميم وتشغيل ممكن لمنظومة الطاقة.

تحديات أنظمة الطاقة الحديثة

أوضح الباحث ومهندس تصميم أنظمة الطاقة حسين زين العابدين أن تحديات أنظمة الطاقة الحديثة لا تقتصر على توفير مصادر متعددة للطاقة، بل تمتدّ إلى تحديد التوقيت الأمثل لتشغيل كل مصدر، وتوزيع الأحمال، والاستفادة القصوى من الطاقة المنتجة والمخزنة.

فعلى سبيل المثال، قد يرتفع إنتاج الطاقة الشمسية خلال ساعات النهار، وبينما يكون الطلب على الكهرباء منخفضًا نسبيًا، فإنه يرتفع خلال ساعات المساء بعد انخفاض الإشعاع الشمسي، كما يتغير إنتاج التوربينات وفقًا لسرعة الرياح، وتتغير حالة شحن البطاريات وفقًا لعمليات الشحن والتفريغ.

ومن هنا تبرز أهمية نظام إدارة الطاقة (Energy Management System)، الذي يتولى تحديد كيفية الاستفادة من المصادر المتاحة، وتوقيت شحن البطاريات أو تفريغها، وتشغيل وحدات التوليد المشترك، بما يضمن تلبية الأحمال الكهربائية والحرارية بأعلى كفاءة ممكنة دون الاعتماد على الشبكة العامة.

تحسين تصميم المنظومة

أشار الباحث حسين زين العابدين -في تصريحات خاصة إلى منصة الطاقة المتخصصة- إلى أن الدراسة لم تقتصر على تحديد أسلوب التشغيل الأمثل لمكونات مركز الطاقة، بل امتدّت إلى مرحلة التخطيط والتصميم، من خلال تحديد السعات المناسبة للمعدّات المختلفة، بما يشمل مصادر الطاقة المتجددة وأنظمة التخزين ووحدات التوليد المشترك.

ويُعدّ هذا الجانب من أهم عناصر الدراسة، حيث إن اختيار سعات المعدّات يؤثّر مباشرة بالتكلفة الاستثمارية للمشروع، وتكاليف التشغيل، ومستويات الانبعاثات الكربونية طوال العمر الافتراضي للمنظومة.

كما اعتمدت الدراسة على مجموعة من خوارزميات التحسين متعددة الأهداف، بهدف الوصول إلى أفضل التكوينات الممكنة لمنظومة الطاقة، وشملت: خوارزمية تحسين صقور هاريس متعددة الأهداف (MOHHO)، وخوارزمية تحسين سرب الجسيمات متعددة الأهداف (MOPSO)، وخوارزمية الفرز غير المهيمن الجيني من الجيل الثاني (NSGA-II).

وتعمل هذه الخوارزميات على استكشاف مجموعة من الحلول الممكنة، بدلًا من الاكتفاء بحل واحد، من خلال تحليل العلاقة بين التكلفة الاقتصادية والانبعاثات الكربونية.

ولفت زين العابدين إلى أن أهمية هذا الأسلوب تكمن في أن الحل الأقل تكلفة ليس بالضرورة هو الأقل في الانبعاثات، كما أن الوصول إلى أقل مستويات الانبعاثات قد يتطلب استثمارات إضافية في قدرات الطاقة المتجددة وأنظمة التخزين.

ومن ثم، توفر الدراسة مجموعة من البدائل الهندسية والاقتصادية التي تساعد متّخذ القرار في اختيار التصميم الأنسب وفقًا للأولويات المطلوبة، سواء كانت خفض التكلفة أو تقليل الانبعاثات أو تحقيق التوازن بينهما.

خفض الانبعاثات الكربونية

أظهرت نتائج المحاكاة أن دمج مصادر الطاقة المتجددة مع أنظمة التخزين والتوليد المشترك يمكن أن يحقق انخفاضًا ملحوظًا في الانبعاثات الكربونية مقارنة بالنظام المرجعي المعتمد على الشبكة الكهربائية.

فقد بلغت الانبعاثات الكربونية خلال العمر الافتراضي للمشروع في حالة النظام المرجعي نحو 27.299 طنًا، في حين سجّل أحد أفضل الحلول من الناحية البيئية نحو 11.266 طنًا، وهو ما يمثّل انخفاضًا يقارب 59%.

وعلى المستوى الاقتصادي، أظهرت النتائج أن أقل تكلفة حالية مسجلة بين الحلول المحسّنة بلغت نحو 3.415 مليون دولار على مدار 25 عامًا، مقارنة بنحو 3.954 مليون دولار في نظام التوليد المشترك المرجعي.

وتوضح هذه النتائج إمكان تحقيق وفورات اقتصادية بالتوازي مع خفض الانبعاثات، مع اختلاف مستوى التحسن وفقًا للتصميم المختار وأولويات التشغيل.

كما أظهرت المقارنة أن خوارزمية تحسين صقور هاريس متعددة الأهداف (MOHHO) قد قدّمت حلولًا متوازنة بين التكلفة والانبعاثات، في حين حققت الخوارزميات الأخرى مستويات مختلفة من الأداء وفقًا للأهداف المحددة.

زيادة إنتاج الكهرباء من الطاقة المتجددة

أوضح المشرف على الرسالة الأستاذ الدكتور المعتز يوسف عبدالعزيز -في تصريحات خاصة إلى منصة الطاقة المتخصصة- أن الدراسة تؤكد أن مستقبل أنظمة الطاقة لا يعتمد فقط على زيادة قدرات إنتاج الكهرباء من مصادر الطاقة المتجددة، بل يتطلب -أيضًا- تطوير أساليب ذكية لإدارة مصادر الطاقة المختلفة والتنسيق بينها.

وتفتح نتائج الدراسة المجال أمام مزيد من الأبحاث المستقبلية التي يمكن أن تتناول دمج تقنيات تخزين الطاقة المتقدمة، مثل الهيدروجين، وإضافة أحمال التبريد، وتطوير أنظمة التوليد المشترك للتبريد والكهرباء والحرارة (CCHP).

وتعكس هذه الدراسة أهمية البحث العلمي والتطبيقات الهندسية الحديثة في دعم التحول نحو منظومة طاقة أكثر استدامة، تجمع بين كفاءة التشغيل والجدوى الاقتصادية والمسؤولية البيئية، بما يتماشى مع التوجهات العالمية نحو تحقيق الحياد الكربوني والتوسع في مصادر الطاقة المتجددة.

موضوعات متعلقة..

اقرأ أيضًا..