يختلف نوع محطات توليد الطاقة الكهربائية حسب مصدر الطاقة المستخدم فهنالك المحطات الحرارية والغازية والمحطات الكهروضوئية ومحطات طاقة الرياح والكهرومائية وغيرها. هذه المحطات تُولد الطاقة الكهربائية وتغذي المستهلكين بشكل دائم و على الطاقة المولدة أن تُستهلك بشكل لحظي لأنه من الصعب التحكم بشكل ديناميكي بالطاقة المنتجة إما لأسباب تقنية أو لأسباب اقتصادية. بالتالي قد ترتفع الحاجة للكهرباء فجأة فوق قدرة المحطات العاملة على التوليد فيتكون عندنا نقص في الكهرباء، أو يمكن أن تقل الحاجة للكهرباء مقارنة بالإنتاج فيتكون لدينا فائض في الكهرباء، و في كلا الحالتين يجب التعامل معه من خلال وجود آلية تخزين للطاقة تستطيع تخزين الفائض من الشبكة و بالمقابل إعادة تزويد هذه الطاقة عند الحاجة.
نعلم جميعاً أن البطاريات هي الحل الأشهر والأقدم لتخزين الطاقة الكهربائية ونستخدمه في حياتنا اليومية. ولكن اليوم سنتعرف على أحد أشهر الحلول العالمية لتخزين الطاقة الكهربائية وهو المحطات الكهرومائية لتخزين الطاقة بالضخ (pumped hydroelectric energy storage (PHES) أو pumped-storage hydroelectricity (PSH)).
هذه النوع من المحطات هو مشابه بالبنية للمحطات الكهرومائية المقامة على السدود ولكن يختلف عنها في آلية العمل والغاية من وجودها وأهميتها لذلك سنتحدث بشكل مفصل عن المحطات الكهرومائية للتخزين بالضخ و لذلك نبدأ بشرح مفهوم الطلب على الكهرباء.
١. الطلب على الكهرباء:
هو حاجة جميع المستهلكين المتصلين مع الشبكة الكهربائية للطاقة الكهربائية في كل لحظة من كل يوم، ويمكن تقسيم الطلب على الكهرباء إلى فكرتين أساسيتين تتعلقان بموضوعنا اليوم:
١.١. الطلب الزائد و نقص الكهرباء:
قد يرتفع الطلب على الكهرباء في أوقات معينة في اليوم الواحد (مثلاً خلال حدث رياضي أو أثناء ذروة نشاط المصانع)، او بشكل فصلي (باختلاف الطقس كتشغيل المكيفات صيفاً والمدافئ الكهربائية شتاءً). قد يكون الطلب على الكهرباء هنا أكبر من كمية الإنتاج مما يدفع بشركات الكهرباء لرفع إنتاجها من الكهرباء لتلبية حاجة المستهلكين و تعويض النقص وهنا تبرز أهمية وجود طاقة كهربائية مخزنة جاهزة للتزويد عند الحاجة. ارتفاع الطلب على الكهرباء مقارنة بالإنتاج يؤثر على السعر حيث يرتفع سعر الكهرباء في أوقات ذروة الطلب عليها وبالتالي يكون مربحاً للشركات أن تبيع الكهرباء المخزنة للمستهلكين.
٢.١. انخفاض الطلب و الكهرباء الفائضة:
قد يقل الطلب على الكهرباء أيضاً خلال اليوم الواحد أو يكون الإنتاج من الطاقة الكهربائية أكبر من الطلب في وقت معين. غالباً ما يكون هذا الفائض من الإنتاج من مصادر الطاقة التي يصعب التحكم بمواردها كمصادر الطاقة البديلة (كالطاقة الشمسية وطاقة الرياح وطاقة المد والجذر وغيرها). لذلك تسعى شركات الكهرباء لتخزين هذه الطاقة الفائضة عن حاجة المستهلكين لاستخدامها لاحقاً عند ارتفاع الطلب على الكهرباء كما ذكرنا في الأعلى. عند ارتفاع إنتاج الكهرباء مقارنة بالطلب ينخفض سعر الكهرباء في هذه الأوقات لذلك يكون مربحاً تخزين الكهرباء في هذا الوقت لبيعها عند الحاجة عند ارتفاع الطلب.
٢. أقسام المحطات الكهرومائية لتخزين الطاقة بالضخ:
تتألف هذه المحطات بشكل عام من الأقسام التالية:
١.٢. مخزون مائي منخفض (Low Water Reserve/ Lower Reservoir) :
تجمع مائي قد يكون بحيرة أو نهر فيتم بناء سد لحجز قسم من الماء ويكون هذا المخزون في منطقة منخفضة مقارنة بالمخزون المائي المرتفع وأقرب ما يمكن ليكون تحته بشكل مباشر.
٢.٢. مخزون مائي مرتفع (High Water Reserve/ Upper Reservoir) :
تجمع مائي مشابه للمخزون المائي المنخفض ولكن يجب أن يكون في أعلى تلة أو هضبة بحيث تشكل ارتفاع كافي لهبوط الماء إلى المخزون المائي المنخفض. قد يكون كلا المخزونين من منشأ طبيعي (بحيرة أوغيرها) أو أحدهما والآخر تم تشكيله للاستفادة من تواجد المخزون الآخر في بناء المحطة الكهرومائية.
٣.٢. بوابة الضخ والسحب (Intake and Discharge Gate):
تفتح وتغلق حسب الحاجة إما أثناء ضخ الماء من المخزون المنخفض إلى المرتفع أو أثناء توليد الطاقة الكهربائية وانتقال الماء من المخزون المرتفع إلى المنخفض.
٤.٢. قناة الضغط (Penstock):
عبارة عن نفق أو أنبوب يستخدم لنقل المياه من مخزون مائي لآخر عن طريق التوربين (العنفة المائية).
٥.٢. العنفة المائية (Hydraulic Turbine):
تكون مربوطة ميكانيكياً مع محور دوران المولد الكهربائي. تتجلى وظيفة العنفة في تدوير المولد الكهربائي وبالتالي توليد الطاقة الكهربائية و ذلك عندما ينتقل الماء من المخزون المرتفع إلى المنخفض مما يسبب دوران العنفة بتأُثير تدفق المياه و تشغيل المولد الكهربائي. قد تقوم العنفة بدور ثنائي أي تقوم بضخ المياه من المخزون المنخفض إلى المرتفع عند تغذيتها بالكهرباء وتقوم بتدوير المولد عندما تنتقل المياه من المخزون المرتفع إلى المنخفض.
٦.٢. المولد الكهربائي (Electric Generator):
يعمل بدوران العنفة المائية بتأثير تدفق المياه ويولد الكهرباء ويكون مربوطاً مع الشبكة عن طريق محولة.
في الصورة في الأسفل نشاهد مقطع عرضي لمحطة كهرومائية للتخزين بالضخ ويبدو عليها واضحاً المخزون المائي المرتفع والمخزون المائي المنخفض و كيفية الارتباط مع الشبكة الكهربائية (Power Grid) واتجاه انتقال الطاقة عبر غرفة الضخ والتوليد (Power House) حيث يوجد كل من العنفة والمولد.
٣. عمل المحطة الكهرومائية للتخزين بالضخ:
يقوم مبدأ عمل طريقة التخزين بالضخ على الاعتماد على قوة الجاذبية التي تؤثر على المياه فتسمح لها بالتدفق من المخزون المائي المرتفع إلى المنخفض.
يقسم عمل هذه المحطة إلى مرحلتين:
- مرحلة الضخ (تخزين الطاقة):
عندما يكون هنالك فائض في الانتاج من الطاقة الكهربائية يتم تغذية المحطة بالكهرباء وتبدأ العفنات المائية بالعمل على ضخ المياه من المخزون المائي المنخفض إلى المخزون المائي المرتفع. - مرحلة التوليد (التغذية للشبكة):
عندما يرتفع الطلب على الطاقة الكهربائية والطاقة المنتجة غير كافية يتم فتح البوابة لتتدفق المياه من المخزون المائي المرتفع فتدور العنفة بتأثير هذا التدفق ويدور المولد الكهربائي ويتم انتاج طاقة كهربائية كافية لتعويض الاحتياج.
١.٣. مخطط عمل إحدى المحطات الكهرومائية للتخزين بالضخ:
في الصورة المجاورة: تمثل هذه الصورة مخططاً بيانياً يوضح مثالا عن تدفق الطاقة الكهربائية في محطة كهرومائية للتخزين بالضخ خلال يوم عمل كامل (24 ساعة) ونلاحظ ما يلي:
- القسم الملون بالأخضر يمثل الطاقة المخزنة في المحطة وذلك بضخ المياه من المخزون المائي المنخفض إلى المرتفع.
- القسم الملون بالأحمر يمثل الطاقة المقدمة من المحطة إلى المستهلكين عبر الشبكة.
- نلاحظ أنه يختلف وقت التخزين خلال اليوم وايضاً تختلف الكمية المخزنة تبعاً للفائض عن حاجة المستهلكين.
- نلاحظ أن التخزين يظهر في أوقات الراحة وغياب الأنشطة البشرية والصناعية مثال (من منتصف الليل وحتى السادسة صباحاً في القسم الأول من المخطط).
- نلاحظ أن الاستهلاك وتغذية المحطة للشبكة تظهر في أوقات العمل والأنشطة البشرية وتزداد بازدياد النشاط خلال النهار مثلاً (من التاسعة صباحاً وحتى الرابعة مساءاً في القسم الأوسط من المخطط).
٤. ملاحظات عامة:
- إن مردود المحطات المائية عالي وتتميز طريقة التخزين بالضخ بأنها تضمن كفاءة الطاقة فيقدر مردودها في تحويل الطاقة بحوالي (70 – 80 %).
- إن إقلاع هذه المحطات سريع وتتميز بقدرتها على الدخول على الشبكة بسرعة.
- تعتبر من مصادر الطاقة النظيفة والمتجددة كونها تعتمد في التوليد على طاقة المياه، كما أنها لا تسبب أي انبعاثات تتعلق باحتراق الوقود.
- تواجه معوقات أحياناً كونها تتطلب شروط بيئية محددة (توافر تجمع مائي ووجود تلال أو هضاب لتأمين الارتفاع).
تتميز المحطات الكهرومائية لتخزين الطاقة بالضخ ببساطة مبدأ عملها و كفاءتها التي تصل إلى 80% مما يجعلها أسلوبا مناسبا لتخزين الطاقة. إن الضياعات في الطاقة و التي غالبا ما تتجاوز ال 20% تعوض اقتصاديا بفرق سعر الكهرباء التي يتم بيعها بالمقارنة بالتي يتم شراؤها.
نتمنى لكم يوماً مشمساً.
