الفهرس
بقلم ستانيسلاس ميرليت، بيورن ثورود
أحيانًا مشمس، أحيانًا ممطر، أحيانًا عاصف، ولكن يعمل بشكل دائم
إنّ أخذ خطوة إلى الوراء أمرّ مهمّ لفهم الفوائد المحتملة من الطاقة الشمسية الكهروضوئية العائمة «Floating Solar» المتصلة بالطاقة المائية «Hydropower».
من المعروف أنّ بعض مصادر الطاقة المتجددة متغيرة بطبيعتها، فمحطة تعمل بالتوربينات الهوائية تولد الطاقة عندما تهب الرياح ومحطة الطاقة الشمسية تولدها عندما تسطع الشمس، وتسمى هذه المصادر بالطاقة المتجددة المتغيرة «Variable Renewable Energy – VRE» وتختلف عمّا سنطلق عليه هنا اسم “المحطات التقليدية” التي تنتج الطاقة عند الطلب (مثل الفحم الحجري أو الغاز أو محطات الطاقة النووية).
تعاني عادةً مصادر الطاقة المتجددة المتغيرة من ارتفاع تكاليف الاستثمار (معداتها باهظة الثمن) لكنّها لا تحتاج للوقود (طالما أنّ الرياح وأشعة الشمس متوافرة بشكل يومي) كما أنّ تكاليف تشغيلها بشكل عام أقل بكثير من المصادر التقليدية. وما زالت الاستثمارات في هذه الموارد تُدعم بشكل كبير بتسهيلات حكومية مختلفة ولذلك كان لابد أنْ تنافس الطاقة المتجددة المتغيرة «VRE» في السوق على مستوى الحجم وتطور التقنيات، وقد أثبتت حتى الآن فعاليتها على النطاق العالمي. وفي السنوات الأخيرة، انخفضت تكاليف معدات محطات الرياح على البر «Onshore wind farm» ومحطات الطاقة الشمسية الكهروضوئية الكبيرة «Large Scale PV plant». وتسارع هذا الانخفاض بشكل كيبر لدرجة أنّ أسعار الطاقة المتجددة وصلت إلى مستويات جعلتها أقلّ تكلفة من المحطات التقليدية في العديد من المناطق.
ومن المعروف أنّه لا يمكن تخزين الكهرباء عن طريق مصدر يعمل بالطاقة المتجددة المتغيرة طوال الوقت. ففي نظام طاقي معين (على مستوى بلد ما) يجب أن يتوافق التوليد مع الاستهلاك في كلّ لحظة، ومن الصعب تحقيق ذلك في حال ارتفاع التوليد عند ظهور عواصف الرياح أو انخفاضه بسبب مرور السحب. ومن الصعب أيضاً تخيل نظام طاقي يعتمد بالتوليد على أحد مصادر الطاقة المتجددة المتغيرة «VRE» فقط. ومن جهة أخرى، فإن تخزين الطاقة الكهربائية «Electrical Energy Storage – EES» مثل البطاريات قد تطورت بشكل متسارع، ويستفيد مجال تخزين الطاقة الكهربائية «EES» في قطاع الطاقة من تطوير العديد من الصناعات الأخرى، وبشكل أساسي تتبع نفس المسار التقني والاقتصادي كأجهزة الكمبيوتر المحمولة والهواتف الذكية والأجهزة اللوحية المستخدمة على نطاق واسع والساعات الذكية وسماعات الرأس والكاميرات والدراجات الكهربائية والسيارات والقوارب وقريبًا الطائرات وجميع هذه التقنيات التي تعمل بالبطاريات. حتى وإنْ كان تشغيل الهاتف على مستوى مختلف تمامًا من تشغيل نصف دولة، أو حتى نصف مبنى، فإن الصناعة تسير على الطريق الصحيح ويرافق ذلك تناقص في التكاليف بمنحنى متقارب جدًا لمنحنى انخفاض تكاليف التوليد من مصادر الطاقة المتجددة. ولا تزال تكلفة تخزين الطاقة تشكل عائقاً في العديد من الحالات، ولكنّ عدد مشاريع الطاقة المتجددة المتغيرة المتضمنة أنظمة تخزين الطاقة يزداد باستمرار لتحقيق التكامل.
تدعم الفرص المتاحة في هذه الأثناء انتشار مشاريع الطاقة المتجددة المتغيرة. فهل صدف لأحدهم أنَ تعرَّض لشمس حارقة ورياح عاصفة وأمطار غزيرة في نفس الوقت؟ حققت مئات الدراسات في هذه الظواهر ويكمن المغزى من هذا الدراسات التحقيق في احتمالية حصول هذا التنوع معاً. ينطبق المفهوم بالطبع على مقاييس زمنية مختلفة، ليس فقط بالساعة، فبشكل عام تنشط الرياح والأمطار خلال أشهر الشتاء، والشمس خلال الصيف. وتزداد صحة هذا الأمر عندما نضيف التوزيع الجغرافي إلى المعادلة. ما احتمال أن تغطي سحابة واحدة نصف محطات الطاقة الشمسية في أوروبا كلها، ويتوقف هبوب الرياح الآن في جنوب إسبانيا، أو في غرب فرنسا أو الدنمارك؟ إن التوزيع هو بيت القصيد في المعادلة. ومن الملائم أن يكون التوزيع والقابلية للتوسع من أعظم مزايا الطاقة المتجددة المتغيرة مثل طاقة الرياح والطاقة الشمسية. حيث يتم بناء محطات الطاقة الشمسية الكهروضوئية في كلِّ مكان بعدد محدود من الألواح الكهروضوئية على أسطح المنازل أو تغطي عدة هكتارات من الأراضي مع الآلاف من الألواح.
يُعتبر مفهوم التهجين «Hybridization» استغلالاً لتنوع مصادر الطاقة المختلفة (على نطاق معين وفي موقع معين) مع الأخذ بعين الاعتبار الهدفين الآتين: (1) زيادة حصة مصادر الطاقة المتجددة (2) تحسين موثوقيتها بالنسبة لنظم الطاقة الأخرى. فدعونا نركز على الماء والشمس في هذا المقال.
الطاقة الكهرومائية: مزود مرونة متقادم
تستمر الطاقة الشمسية الكهروضوئية والرياح في السيطرة على التوسع في استخدام الطاقة المتجددة، وشكَّلت هاتان التقنيتان معاً أكثر من 90٪ من مجموع الإضافات للشبكة من الطاقات المتجددة في عام 2019. وبلغ إجمالي السعة المضافة من الطاقة الشمسية 115 جيجاواط [2] (يصل إلى إجمالي تراكمي 627 جيجاواط) واجمالي السعة المضافة من طاقة الرياح 60 جيجاواط [3] (يصل إلى إجمالي تراكمي 651 جيجاواط). ومع ذلك، لا تزال الطاقة الكهرومائية تمثل ما يقارب نصف حجم الطاقات المتجددة العالمية المركبة مسبقاً، مع ما يقارب 1,300 جيجاواط مشغلة حالياً [4]. مجمل هذه السعة لا يعتبر من مصادر الطاقة المتجددة المتغيرة «VRE» على عكس المحطات المركبة على مجاري الأنهار، حيث تقدّم الطاقة الكهرومائية للمجمع المائي منافسة كبيرة في التكلفة، وبديلاً ناضجاً وقابلاً للتوسعة ويوفر المرونة والقدرة على تخزين الطاقة. ففي الهند، على سبيل المثال، في 5 أبريل منتصف أزمة كوفيد – 19، لعبت الطاقة الكهرومائية دوراً رئيسياً في التكيف بنجاح مع 17.5 جيجاواط من تغيّر الحمل في تسع دقائق فقط مع المحافظة على استقرار الشبكة [5].
في حين يتم إعطاء الكثير من الاهتمام للتطورات الجديدة، ومع المخاوف التي تم الإعراب عنها بشأن الآثار البيئية والاجتماعية للسدود، هناك أيضًا حاجة متزايدة لتحديث المنشآت الحالية وتحسينها. حيث تعدُّ البنية التحتية للطاقة الكهرومائية قديمة، ويبلغ عمر حوالي نصف القدرة المركبة من هذه المحطات عالمياً (600 جيجاواط) أكثر من 30 عامًا وحوالي الثلث منها (400 جيجاواط) أكثر من 40 عامًا [6]. لا تتعلق عملية التحديث بالمحافظة على -أو زيادة- السلامة والأداء والموثوقية لإطالة العمر الافتراضي فحسب، بل أنّها تُعدّ فرصة رائعة لتحسين هذه البنى التحتية القديمة مع المستقبل. أولاً، مع المناخ المستقبلي، حيث هناك احتمال كبير ومؤسف لزيادة وتيرة الجفاف وحوادث فيضانات. ثانيًا، لمواكبة أنظمة الطاقة المستقبلية هناك حاجة لمرونة أكثر لتعويض أكبر قدر من حصة مصادر الطاقة المتجددة المتغيرة «VRE».
أنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية الطافية: تخصص يفتح الأبواب
تظهر أنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية الطافية «Floating Solar PV – FPV» كمكملٍ لأنظمة الطاقة الشمسية التقليدية (المركبة على المباني والمثبتة على الأرض) وتبدو حلّاً مثيرًا للاهتمام لمطوري الطاقة الكهرومائية. ولكن ماهي هذه الأنظمة؟ باختصار، نقوم بأخذ نفس النوع من الألواح الشمسية الكهروضوئية التي يمكن استخدامها على الأرض (نعم، تلك التي تصبح أرخص كل شهر) ونثبتها على بعض العوامات (الطوافات) من البلاستيك، ونقوم بربط الطوافات مع بعضها البعض ونعلّق كلّ شيءٍ بمرساة ونمد الكابلات لموصلٍ كهربائي على الشاطئ. شرح مبسط أليس كذلك! في الأساس هذه هي الصورة العامة.
ازدادت السعة السنوية العالمية لأنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية الطافية «FPV» بشكل ملحوظ في السنوات الثلاثة الماضية لتصل إلى إجمالي تراكمي يبلغ حوالي 1.7 جيجاواط في نهاية عام 2019، مما يعكس معدل نمو سنوي تراكبي مذهل بنسبة 122٪ منذ عام 2015 [7]. في حين مازال هذا السوق متخصصاً ومحدوداً جداً (لننظر للأمر من هذا السياق مع وجود 627 جيجاواط من الاستطاعة المركبة كما ذكرنا سابقاً) فإن الأنظمة الكهروضوئية الطافية «FPV» تنمو بشكل سريع وتزداد نضجاً وتصبح أقلَّ تكلفة يوماً بعد يوم.
بالإضافة إلى ذلك، فإن هذه التقنية تقدّم إمكانية نشر الطاقة الشمسية على نطاق واسع في مواقع توليد الطاقة الكهرومائية الحالية. وفي الواقع، فإنَّ الحاجة إلى رأس هيدروليكي (فرق الارتفاع يحددّ كمية الطاقة التي يمكن تحويلها إلى كهرباء بواسطة محطة توليد الطاقة الكهرومائية) غالباً ما تجعل تضاريس مواقع الخزان معقدة للغاية لمحطات الطاقة الشمسية المركبة على الأرض، والتي تكون عمومًا أكثر ملاءمة للمساحات الواسعة من الأرض المسطحة.
مزايا أنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية الطافية «FPV»
تملك أنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية الطافية «FPV» مزايا عديدة:
أ) توفر مساحات من سطح الأرض، وتقلل الضغط على مساحة المستوطنات والمناطق الزراعية (المساحات الملائمة لأكثر من مصلحة) وخفض تكاليف حيازة الأراضي.
ب) من السهل للغاية نشر المنصات كما تحدّ من تحضيرات الموقع والأشغال المدنية.
ج) تستفيد الوحدات الكهروضوئية المركبة على الماء من تأثير التبريد أكثر من الوحدات المركبة على الأرض، مما يؤدي إلى انخفاض درجات الحرارة وبالتالي تحسين الإنتاجية.
د) عملية تغطية أسطح المياه تحدّ من التبخر، مما يوفر المزيد من المياه المستخدمة في توليد الطاقة (الطاقة الكهرومائية) أو الري
هـ) إن عملية تغطية أسطح المياه يمكن أن تحدّ أيضاً من نمو الطحالب إلى حد ما، وبالتالي تحسين جودة المياه لغايات التنقية.
![فوائد وتحديات الطاقة الشمسية الطافية [7].](https://solarabic.com/wp-content/uploads/2021/01/469b413b-a20c-48a2-8778-248b0416a8a1.jpg)
يجب الأخذ بعين الاعتبار التأثيرات المترتبة على تزايد أنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية العائمة «FPV» خاصة التأثيرات البيئية والاجتماعية (الحيوانات والنباتات المائية، ومصائد الأسماك، وما إلى ذلك) ومقاومة الظروف القاسية (الرياح والجليد والأمواج وتغيرات مستوى المياه والأجسام العائمة، التآكل، والأشعة فوق البنفسجية، وما إلى ذلك) بالإضافة إلى تطلبها الصيانة أثر من الأنظمة المثبتة على الأرض (طول عمر المعدات، والسلامة الكهربائية على الماء والوصول غير السهل للموظفين).
تجاور التقنيات أمر جيد، لكن التهجين هو الأفضل
إن تركيب أنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية الطافية «FPV» على خزانات الطاقة الكهرومائية جيد. حيث يمكن إنتاج المزيد من الطاقة من نفس الموقع (بمعنى المزيد من الإيرادات، من وجهة نظر المطورين) ويمكن للمرء استخدام الطرق المبنية منذ فترة طويلة من أجل نقل معدات الطاقة الكهرومائية الثقيلة. ويمكن أيضاً توصيل المحطة الجديدة بالبنية التحتية الكهربائية القائمة واستخدام خطوط النقل الموجودة لنقل الطاقة. وأخيراً، يمكن حتى تدريب أفراد محطة الطاقة الكهرومائية في الموقع لبعض مهام تشغيل وصيانة أنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية العائمة «FPV».
ومع ذلك، ستبقى أنظمة الطاقة المتجددة المتغيرة على حالها، وأنّ نشر أنظمة الطاقة الشمسية على مثل هذه البطارية الضخمة (خزان المياه) دون تحقيق فائدة سيكون فرصة ضائعة. بالإضافة إلى ذلك، يعاني مشغلو الطاقة الكهرومائية من قيود صارمة: كتوفير المرونة لأنظمة الطاقة، وأيضاً التعامل مع إدارة المياه الأكثر تطلباً. فغالباً ما تكون مشاريع الطاقة الكهرومائية متعددة الأغراض في بعض المناطق مثل جنوب ووسط آسيا كإدارة مياه الشرب، وتزويد الصناعة والري والأنشطة الترفيهية، بالإضافة إلى التخفيف من الفيضانات والجفاف. كما يسبب التعامل مع العديد من مالكي الأسهم تعقيدات للمشاريع وصراعات والتي يمكن أنتتلخص في سؤال: من سيدير المخزون؟
ومع ذلك، يمكن لمحطة هجينة تعمل فيها الأجزاء الشمسية والمائية في آنٍ واحد أن تجيب على التحديات التي يواجهها مصدرو الطاقة. فالطاقة الكهرومائية تعوض إنتاج الطاقة الشمسية الكهروضوئية غير المستقرة من خلال إنتاجها القابل للتعديل بسرعة، في حين تساهم الطاقة الشمسية الكهروضوئية في توفير المياه في الجدولة على المدى المتوسط والطويل. يعني توفير المياه أيضًا وتوفير الرأس الهيدروليكي، وبالتالي تحسين أداء محطة الطاقة الكهرومائية. إلى جانب ذلك، يوفر التهجين مرونة موسمية ويومية: فبعض محطات الطاقة الكهرومائية ليس لديها ما يكفي من تدفق المياه السنوي في مجمعات السدود للمحافطة على معدل متوسط للتدفق المطلوب لسعة التوليد الكاملة، مما يجعل المعدات، مثل التوربينات وخطوط النقل، غير مستغلة في الغالب.
قد تكون أسعار هذا الأنظمة الهجينة أعلى في سوق الكهرباء لكنّها توفر مرونة أكبر في إدارة المياه، وإنتاج طاقة أكثر ثباتاً وقابلية للتوزيع.
الحاجة للالتقاء
بدأت محطة لونغيانغاكيسا سيئة السمعة (بالنسبة للناس في هذه الصناعة) في الصين عملياتها الكهروضوئية الشمسية الهجينة المتصلة بالطاقة الكهرومائية في عام 2014. وفي الوقت الحالي، تتصل 850 ميجاواط من الطاقة الشمسية الكهروضوئية المثبتة على الأرض بمحطة الطاقة الكهرومائية التي تبلغ قدرتها 1280 ميجاواط والواقعة على النهر الأصفر على بعد 50 كم. قامت العديد من المؤسسات البحثية الصينية قبل 6 سنوات بالتحقيق في التشغيل التكميلي للمشروع، والجدولة، والتحسين، يبدو أن الصناعة حتى الآن فشلت في تكرار تنفيذ مشاريع من هذا النوع لسوء الحظ، على الرغم من الفوائد التي تقدّمها هذه المحطات الهجينة. هل يمكن لنمو أنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية العائمة «FPV» أن يغيرّ اللعبة؟ لا زال يتعين علينا التحري أكثر. فمعظم المشاريع التجارية على خزانات الطاقة الكهرومائية التي يتم تطويرها حاليًا هي حلول “فردية” لا يتم استغلال الإمكانات الكاملة للعمليات المشتركة. حيث يتم التخطيط لعدد قليل فقط من المشاريع التجريبية الصغيرة مع العمليات الهجينة في جميع أنحاء العالم.
يعود ذلك لعدم وجود أطر تنظيمية وسياسية واضحة، بالإضافة إلى التعقيد التقني. أيضا تم تطوير محطات الطاقة الشمسية والطاقة المائية حتى وقت قريب وتشغيلها من قبل صناعات مختلفة جدًا. وبالتالي، هناك عدد قليل جداً من الأماكن التي يتوفر للأشخاص الذين لديهم معرفة بكلا الفرعين على فرصة الالتقاء ومناقشة الفوائد المحتملة للقوى المشتركة. توفر أنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية العائمة «FPV» فرص ومجالات جديدة حيث تبحث شركات الطاقة الشمسية عن فرص في المياه، مدفوعة بالحاجة لتحديد مناطق فسيحة ذات مصالح متضاربة منخفضة ومسافة قصيرة عن الشبكة.
يتجاوز تقدير البنك الدولي لإمكانيات أنظمة الطاقة الشمسية العائمة «FPV» العالمية استناداً إلى أسطح المياه المتاحة من صنع الإنسان 400 جيجاواط [7] بينما تشير دراسة من جامعة لابينرانتا للتكنولوجيا [8] إلى إمكانية استضافة 4400 جيجاواط من أنظمة الطاقة الشمسية العائمة «FPV» على خزانات الطاقة الكهرومائية في جميع أنحاء العالم بحيث لا تتجاوز 25 ٪ من التغطية السطحية. إذاً، هل تُعتبر محطات الطاقة الشمسية الكهروضوئية العائمة المتصلة بالطاقة المائية جزءٌ من الإجابة على دمج المزيد من الطاقة المتجددة المتغيرة وتحديث الأصول القديمة المتجددة؟ على الأرجح نعم. يجب على المرء أن يأخذ في الاعتبار أن ناتج هذه المحطات الهجينة أعلى من المجموع البسيط لكلا مصدري الطاقة: واحد + واحد لا يساوي اثنين ولكن ثلاثة.
للاستفسار ومعرفة المزيد عن هذا الموضوع يمكنكم التواصل مع المهندس ميشيل بطيخ
عن المؤلف
ستانيسلاس ميرليت
ستانيسلاس ميرليت هو مستشار أول للطاقة الشمسية الكهروضوئية في Multiconsult، النرويج. وهو يعمل الآن للحصول على درجة الدكتوراه الصناعية من خلال التعاون مع ملتيكونسلت والجامعة النرويجية للعلوم والتكنولوجيا (NTNU) على تصميم وتحسين المشروع الهجين من محطات الطاقة الشمسية الكهروضوئية الطافية المتصلة بالطاقة الكهرومائية. وهو يقضي النصف الأول من عام 2020 في إقامة بحثية في معهد أبحاث الطاقة الشمسية في سنغافورة (SERIS).
المراجع
[1] | IEA PVPS Task 1: Strategic PV Analysis and Outreach, “2020 Snapshot of Global PV Markets,” 2020. [Online]. Available: https://iea-pvps.org/wp-content/uploads/2020/04/IEA_PVPS_Snapshot_2020.pdf. |
[2] | Wind Energy International, “Global Wind Installations,” 2020. [Online]. Available: https://library.wwindea.org/global-statistics/. [Accessed 19 May 2020]. |
[3] | IRENA, “Renewable Capacity Statistics 2020,” 2020. [Online]. Available: https://irena.org/publications/2020/Mar/Renewable-Capacity-Statistics-2020. |
[4] | V. Garg, “The Wire,” 14 April 2020. [Online]. Available: https://thewire.in/energy/indias-power-system-operators-demonstrate-the-fine-art-of-grid-management. [Accessed 19 May 2020]. |
[5] | P. Frankl, “The need for modernizing hydro in rapidly changing power systems,” in World Hydropower Congress, Paris, 2019. |
[6] | World Bank Group, ESMAP and SERIS, “Where Sun Meets Water: Floating Solar Market,” 2019. [Online]. Available: https://esmap.org/where_sun_meets_water_floating_solar_market_report. |
[7] | J. Farfan and C. Breyer, “Combining floating solar photovoltaic power plants and hydropower reservoirs: a virtual battery of great global potential,” Energy Procedia, vol. 155, pp. 403-411, 2018. |
[8] | IEA, “Global Energy Review 2020,” 2020. [Online]. Available: https://www.iea.org/reports/global-energy-review-2020. |
