Evaluation of Wind Energy Potential Using the Rayleigh Distribution for the City of Iriba in Chad

في المناظر الطبيعية الشاسعة والمحترقة من الشمس في منطقة الساحل، حيث تكون الأرض غالباً جافة والهواء ساكناً، تحدث ثورة هادئة في مجال الطاقة. بالنسبة للمجتمعات التي تعيش في هذه المناطق القاحلة، فإن الحاجة الأكثر إلحاحاً لا تكمن غالباً في الكهرباء للإضاءة أو الهواتف، بل في الماء. إن الوصول إلى المياه النظف يمثل صراعاً يومياً، ويتطلب رحلات طويلة وشاقة تقع بشكل غير متناسب على عاتق النساء والأطفال، بينما تواجه الماشية عطشاً مماثلاً. وبينما تعد الشمس قوة ثابتة وقوية في هذه المناطق، فإن الرياح شريك أكثر مراوغة، فهي تهب أحياناً بقوة كبيرة وأحياناً أخرى بالكاد تحرك الغبار. ولتسخير الرياح، يجب على العلماء أولاً فهم طبيعتها؛ فهم يبحثون عن أنماط في سرعة حركة الهواء ومدى تكرار هبوبها، مستخدمين أدوات إحصائية للتنبؤ بما إذا كان موقع معين يمكنه توليد طاقة كافية لتشغيل المضخات أو التوربينات. والهدف هو إيجادة طريقة لتحويل هذه القوة الخفية والمتغيرة إلى مصدر موثوق للطاقة يمكنه رفع المياه من باطن الأرض، مما يوفر شريان حياة للمجتمعات التي اعتمدت لفترة طويلة على الوقود الأحفوري أو الجهد البشري.

في مدينة إريبا، الواقعة في مقاطعة الشرق في تشاد، شرع فريق من الباحثين في تحديد ما إذا كانت الرياح يمكن أن توفر هذا الحل. إريبا هي مكان تحدده طبيعة السهوب والجفاف الشديد الذي يهدد سبل عيش سكانها وقطعان جمالهم. جمع الباحثون بيانات الرياح التي تمتد لأكثر من عقدين، من عام 2000 إلى عام 2022، لبناء صورة كاملة لمناخ المنطقة. وقد ركزوا على نهج رياضي محدد يُعرف باسم "توزيع رايلي" (Rayleigh distribution)، وهو أسلوب يساعد العلماء على وصف كيفية تباين سرعات الرياح بمرور الوقت دون الحاجة إلى كمية هائلة ومعقدة من البيانات. ومن خلال تطبيق هذا الأسلوب على سجلات الرياح، استطاعوا نمذجة تدفق الهواء وتقدير مقدار الطاقة التي تحملها، لا سيما عند الارتفاع الذي تُثبت فيه توربينات الرياح الحديثة عادةً، وهو خمسون متراً فوق سطح الأرض.

كشفت الدراسة أن إريبا هي بالفعل مكان يتمتع بإمكانات رياح كبيرة، لكن هذه الإمكانات مرتبطة ارتباطاً وثيقاً بالمواسم. فالرياح ليست ثابتة؛ بل تتبع إيقاعاً متميزاً مدفوعاً بالدورات المناخية للمنطقة. فخلال موسم الجفاف، وتحديداً من نوفمبر إلى أبريل، تهب رياح قوية وثابتة تُعرف باسم "الهرمتان" عبر المنطقة من الشمال الشرقي. وخلال هذه الأشهر، تكون الرياح قوية ومتسقة. وفي ديسمبر، ذروة هذا الموسم، تحمل الرياح على ارتفاع خمسين متراً كمية هائلة من الطاقة، حيث تصل كثافة القدرة إلى 414 واط لكل متر مربع. وهذا المستوى من الطاقة مناسب جداً لتوليد الكهرباء. ومع ذلك، لا تهب الرياح بنفس القوة على مدار العام؛ فبين يونيو وأكتوبر، خلال موسم الأمطار، تخبو الرياح بشكل كبير. وفي سبتمبر، تنخفض سرعة الرياح إلى أدنى مستوياتها، وتتقلص الطاقة المتاحة إلى جزء ضئيل من ذروتها الشتوية. هذا الانخفاض الموسمي يمثل تحدياً حرجاً، لأنه يعني أن نظاماً يعتمد على الرياح وحدها سيعاني لتوفير الطاقة خلال منتصف العام دون مساعدة.

ولفهم كيفية استخدام مورد الرياح هذا، اختبر الباحثون ثلاثة أنواع مختلفة من توربينات الرياح مقابل ظروف الرياح المحلية. لم يبحثوا ببساطة عن الآلة الأكثر قوة؛ بل بحثوا عن تلك التي ستعمل بشكل أفضل مع السرعات المحددة في إريبا. كانت الآلة الأولى التي تم اختبارها هي توربين ضخم بسعة 500 كيلوواط، وهو طراز EWT DW54-500. والثانية كانت طرازاً أصغر بسعة 30 كيلوواط، وهو Antaris. أما الثالث فكان توربيناً ضخماً بقدرة 850 كيلوواط، وهو Vestas V52، المصمم للمناطق ذات الرياح القوية والمستمرة. وكانت نتائج هذه المقارنة كاشفة؛ فالتوربين الضخم Vestas، رغم حجمه، كان أداؤه ضعيفاً في إريبا. ولأنه بُني لينتظر رياحاً عالية جداً، فقد قضى معظم العام يدور ببطء أو لا يدور على الإطلاق، مولداً طاقة قليلة جداً، مما أدى إلى تكلفة أعلى بكثير بلغت 0.0898 دولار لكل كيلوواط ساعة. أما توربين Antaris الأصغر فقد كان أداؤه جيداً، خاصة خلال الأشهر الهادئة، حيث سمحت قدرته على بدء الدوران عند سرعات منخفضة جداً له بالاستمرار في العمل عندما تتوقف الآلات الأخرى. ومع ذلك، برز EWT DW54-500 كالفائز الواضح لهذا الموقع تحديداً؛ إذ حقق تصميمه التوازن المثالي، حيث استطاع التقاط طاقة كافية خلال رياح الهرمتان القوية لتوليد كمية هائلة من الطاقة، مع الاستمرار في الأداء بشكل مقبول خلال الأشهر الأضعف.

إن الآثار الاقتصادية لهذه النتائج لا تقل إثارة عن النتائج التقنية. فقد حسب الباحثون تكلفة الكهرباء التي سينتجها كل توربين على مدار عمره الافتراضي البالغ عشرين عاماً. وقد ثبت أن EWT DW54-500 هو حل فعال للغاية من حيث التكلفة، حيث ولد الكهرباء بمتوسط تكلفة قدرها 0.031 دولار فقط لكل كيلوواط ساعة. ولو وضعنا ذلك في الاعتبار، فإن تكلفة تشغيل مولدات الديزل في المناطق النائية من أفريقيا جنوب الصحراء الكبرى تتراوح غالباً بين 0-25 إلى 0.55 دولار لكل كيلوواط ساعة بسبب التكلفة العالية لنقل الوقود. إن حل الرياح المقترح لإريبا أرخص بنحو ثماني مرات من بديل الديزل الحالي. وحتى في أسوأ شهر في السنة، عندما تكون الرياح في أضعف حالاتها، ظلت التكلفة تنافسية، وإن ارتفعت قليلاً. وتشير هذه الجدوى المالية إلى أن تركيب توربينات الرياح في إريبا ليس مجرد إمكانية نظرية، بل هو وسيلة عملية وبأسعار معقولة لتحويل الاقتصاد المحلي.

تخلص الدراسة إلى أن إريبا تمتلك مستودعاً للطاقة النظيفة قادراً على تشغيل بنية تحتية قوية لضخ المياه، مما يوفر بديلاً قابلاً للتطبيق للوقود الأحفري في هذه المنطقة القاحلة. ومع ذلك، يلاحظ الباحثون بحذر أن الحل لا يخلو من القيود؛ فالفجوة الموسمية في طاقة الرياح، وتحديداً بين يونيو وأكتوبر، تعني أن الاعتماد على الرياح وحدها سيترك المجتمع دون طاقة لجزء من العام. ولحل هذه المشكلة، يوصي المؤلفون بنهج هجين، يجمع بين توربينات الرياح والألواح الشمسية. وبما أن الشمس غالباً ما تكون في أوج سطوعها عندما تكون الرياح في أضعف حالاتها، فإن المصدرين سيكملان بعضهما البعض، مما يضمن إمداداً مستمراً للطاقة على مدار العام. كما يوصون بتركيب التوربينات على ارتفاع خمسين متراً لالتقاط الرياح الأقوى والأكثر استقراراً الموجودة فوق سطح الأرض. ومن خلال اتباع هذه الإرشادات، يمكن لمجتمع إريبا تحويل الرياح التي تهب عبر سهولها الجافة إلى مصدر موثوق للمياه والكهرباء، مما يعزز صمودها في وجه المناخ القاسي لشمال تشاد.