Coordinated Optimal Scheduling Method for Electricity Hydrogen Coupled System Based on Dynamic Behavior of Electrolyzer

تواجه شبكة الطاقة الحديثة تحدياً مستمراً: فالشمس لا تشرق دائماً، والرياح لا تهب باستمرار. ومع اعتماد المجتمعات بشكل متزايد على الطاقة المتجددة مثل الطاقة الشمسية وطاقة الرياح، تصبح الكهرباء التي تولدها غير قابلة للتنبؤ. وللحفاظ على استمرارية الإضاءة، يتعين على المهندسين إيجاد طرق لتخزين هذه الطاقة الفائضة لوقت الحاجة إليها. ويتضمن أحد الحلول الواعدة تحويل الكهرباء الفائضة إلى غاز الهيدروجين من خلال عملية تسمى التحليل الكهربائي. في هذه العملية، يقوم تيار كهربائي بتفكيك جزيئات الماء لإطلاق الهيدروجين، والذي يمكن تخزينه في خزانات واستخدامه لاحقاً كوقود. ومع ذلك، فإن الآلات التي تقوم بهذه المهمة، والمعروفة باسم المحللات الكهربائية، ليست مجرد مفاتيح تشغيل وإيقاف بسيطة؛ فهي أجهزة معقدة تولد حرارة، وتغير درجة حرارتها الداخلية، وتتصرف بشكل مختلف اعتماداً على كمية الطاقة التي تتلقاها. فإذا عامل المهندسون هذه الآلات كما لو كانت تعمل بكفاءة مثالية وثابتة، فإن خططهم لشبكة الطاقة قد تبدو جيدة على الورق ولكنها قد تفشل في العالم الحقيقي.

قام فريق من الباحثين من معهد الصين لأبحاث الطاقة الكهربائية وشركة غانسو لشبكة الدولة للكهرباء بتطوير طريقة جديدة لإدارة العلاقة بين الكهرباء والهيدروجين. لقد أنشأوا نموذجاً حاسوبياً مفصلاً يأخذ في الاعسبار السلوك الديناميكي للمحللات الكهربائية ذات غشاء تبادل البروتونات، وهي نوع محدد من الآلات المعروفة باستجابتها السريعة لتغير مستويات الطاقة. وخلافاً للنماذج القديمة التي تفترض أن هذه الآلات تحول الكهرباء إلى هيدروجين بمعدل ثابت، يدرك النموذج الجديد أن الكفاءة تتغير مع ارتفاع درجة حرارة الآلة أو انخفاضها. وقد اختبر الباحثون هذا النهج باستخدام شبكة طاقة محاكية تعتمد على نظام مكون من 30 حافلة (bus system)، وشبكة هيدروجين تم نمذجتها بناءاً على نظام مكون من 20 عقدة في بلجيكا. وكان هدفهم هو إيجاد الجدول الزمني الأكثر فعالية من حيث التكلفة لتشغيل النظام بأكمله مع الحفاظ على سلامة المعدات وتمديد عمرها الافتراضي.

تكشف الدراسة أن كفاءة المحلل الكهربائي ليست رقماً ثابتاً، بل هي متغير حي "يرقص" بين ما يقرب من 80 في المائة و90 في المائة اعتماداً على درجة حرارة الآلة ومدخلات الطاقة. فعندما يبدأ المحلل الكهربائي بالعمل، يكون بارداً، وتكون كفاءته أقل. ومع استمرار عمله، تتراكم الحرارة الداخلية، مما يحسن التفاعل الكيميائي ويعزز الكفاءة حتى تصل إلى درجة الحرارة المثالية. ومع ذلك، إذا ارتفعت حرارة الآلة أكثر من اللازم، فإنها تخاطر بإلحاق الضرر بمكوناتها الداخلية، مثل طبقات الغشاء والمحفز، مما قد يقصر عمرها. وقد وجد الباحثون أنه من خلال تجاهل هذه الديناميكيات الحرارية، غالباً ما تدفع طرق الجدولة التقليدية الآلات للعمل بكامل طاقتها لفترة طويلة جداً، وهو أمر خطير على المعدات. إن طريقتهم الجديدة، التي تتضمن حدوداً صارمة لدرجة الحرارة وتأخذ في الاعتبار آثار التآكل والتهالك الناتجة عن عمليات بدء التشغيل والتوقف، تسمح للنظام بالعمل بشكل أكثر أماناً.

في عمليات المحاكاة التي أجراها الباحثون، قارنوا بين ثلاث طرق مختلفة لإدارة النظام. النهج الأول عامل شبكتي الكهرباء والهيدروجين ككيانين منفصلين، مما أدى إلى معدل قبول للطاقة المتجددة بلغ 75 في المائة وأعلى تكلفة إجمالية. أما النهج الثاني فقد ربط بين الشبكتين ولكنه استخدم النموذج القد المبسط الذي يفترض كفاءة ثابتة؛ حقق هذا النهج أقل تكلفة وأعلى معدل لقبول الطاقة المتجددة بنسبة 95 في المائة، لكن الباحثين أشاروا إلى أن هذه النتائج كانت متفائلة للغاية وغير واقعية وقد تكون غير آمنة للأجهزة. أما النهج الثالث، الذي استخدم نموذجهم الديناميكي الجديد، فقد حقق معدل قبول للطاقة المتجددة بنسبة 92 في المائة مع تكلفة نظام تزيد قليلاً عن النهج الثاني غير الواقعي. وقد أثبت هذا الحل الوسط أنه الأكثر عملية، حيث وازن بين الحاجة إلى تخزين الطاقة الخضراء وضرورة حماية المعدات الغالية من الإجهاد الحراري ودورات البدء والتوقف المتكررة.

كما بحث الفريق أيضاً في كيفية تأثير حجم منشأة المحلل الكهربائي على النظام. واكتشفوا أن زيادة سعة المحللات الكهربائية تسمح للشبكة باستيعاب المزيد من الطاقة المتجددة ويخفض التكلفة التشغيلية الإجمالية، ولكن إلى حد معين فقط. فبمجرد أن تصل السعة إلى مستوى معين، فإن إضافة المزيد من الآلات يعطي عوائد متناقصة؛ إذ تفوق التكلفة الإضافية لشراء وتركيب المعدات المكاسب الصغيرة في تخزين الطاقة. وهذا يشير إلى وجود حجم مثالي لهذه المنشآت يعتمد على المزيج المحدد من طاقة الرياح والطاقة الشمسية المتاحة وتخطيط الشبكة المحلية. وخلص الباحثون إلى أن نموذجهم الديناميكي يوفر مخططاً واقعياً للمشغلين، مما يضمن أن الانتقال إلى مستقبل يعتمد على الهيدروجين ليس سليماً اقتصادياً فحسب، بل ومستداماً مادياً للآلات التي تقوم بالعمل.