Dual-Layer Optimization for H2-NH3 Integrated Energy System

ينتقل العالم في مصادر طاقته، مبتعداً عن حرق الفحم باتجاه استغلال القوة من الرياح والشمس. هذا التحول ضروري من أجل مستقبل أكثر نظافة، لكنه يجلب لغزاً صعباً: فالرياح لا تهب دائماً عندما يحتاج الناس إلى الكهرباء، والشمس لا تشرق في الليل. وللحفاظ على استمرارية الإضاءة، تعتمد شبكات الطاقة غالباً على محطات طاقة حرارية ضخمة تحرق الوقود. هذه المحطات موثوقة، لكنها تجد صعوبة في التكيف بسرعة مع الطبيعة غير المتوقعة للطاقة المتجددة. فعندما تهب الرياح بقوة شديدة أو تشرق الشمس بسطوع عالٍ، يمكن للشبكة أن تصبح مثقلة، مما يضطر المشغلين إلى إهدار الطاقة النظيفة التي تم توليدها للتو. ولسنوات طويلة، بحث المهندسون عن طرق لتخزين هذه الطاقة الزائدة لاستخدامها لاحقاً، لكن تخزين الكهرباء بشكل مباشر أمر مكلف وصعب تقنياً.

يتضمن أحد الحلول الواعدة تحويل تلك الكهرباء الزائدة إلى وقود كيميائي. إحدى الطرق تعمل على إنتاج الهيدروجين، وهو غاز نظيف، لكن تخزين الهيدروجين ونقله أمر شاق لأنه خفيف جداً ويتطلب ضغطاً شديداً أو درجات حرارة منخفضة للغاية للتعامل معه بأمان. أما النهج الأحدث فيستخدم مادة كيميائية مختلفة: الأمونيا. الأمونيا سائل في ظروف أكثر اعتدالاً بكثير، مما يجعل تخزينها ونقلها أسهل بكثير من الهيدروجين. كما يمكن حرقها مباشرة في محطات الطاقة لتوليد الكهرباء، لتعمل كجسر بين تقلبات الرياح والشمس والاحتياجات المستمرة للشبكة. وقد استكشف باحثون في الصين الآن كيفية دمج هذه الأفكار — باستخدام فائض طاقة الرياح والطاقة الشمسية لصنع الأمونيا، ثم حرق هذه الأمونيا في محطات الفحم — لخلق نظام طاقة أكثر استقراراً وكفاءة.

في دراسة ركزت على منطقة في منغوليا الداخلية، صمم فريق من المهندسين من جامعة شمال الصين للكهرباء والطاقة ومعهد الصين لأبحاث الطاقة خطة متطورة لإدارة هذا المزيج المعقد من مصادر الطاقة. لم يكتفوا بالنظر إلى المعدات فحسب؛ بل بنوا نموذجاً حاسوبياً لمحاكاة كيفية سلوك شبكة الطاقة إذا تضمنت توربينات الرياح، والألواح الشمسية، ومحطات طاقة الفحم التقليدية، ومنشأة جديدة تحول الكهرباء إلى أمونيا. أراد الباحثون معرفة ما إذا كان بإمكانهم تشغيل هذا النظام بأكمله بطريقة توفر المال، وتقلل التلوث، وتحافظ على تشغيل محطات الطاقة بأمان. وللقيام بذلك، ابتكروا عملية تخطيط ذات خطوتين، أو نموذجاً "ثنائي الطبقة"، يعمل بمثابة مدير ذكي للشبكة.

تركز الخطوة الأولى من خطتهم على مدى جودة عمل الأجزاء المختلفة للنظام معاً. يتحقق الحاسوب مما إذا كانت محطات الفحم تغير مخرجاتها بشكل عشوائي للغاية، مما قد يلحق الضرر بالآلات، ويحسب كمية طاقة الرياح والطاقة الشمسية المستخدمة مقابل تلك المهدرة. الهدف هنا هو إيجاد توازن حيث يتم امتصاص أكبر قدر ممكن من الطاقة المتجددة دون إجبار محطات الفحم على العمل بطرق غير آمنة. وبمجرد العثور على هذا التوازن، تبدأ الخطوة الثانية من الخطة في حساب التكلفة. تنظر هذه الطبقة في كل المصاريف المعنية: وقود محطات الفحم، وتكلفة الأمونيا، وتآكل المعدات، ورسوم انبعاثات الكربون. ومن خلال تشغيل هاتين الخطوتين معاً، يجد النموذج الطريقة المثلى الوحيدة لتشغيل النظام في أي ساعة من ساعات اليوم.

اختبر الباحثون نموذجهم باستخدام بيانات حقيقية من منطقة محددة في أوردوس، منغوليا الداخلية، محاكيين يوماً شتوياً نموذجياً ويوماً صيفياً نموذجياً. وقارنوا بين ثلاثة سيناريوهات لمعرفة أيهما يعمل بشكل أفضل. السيناريو الأول كان خط الأساس حيث يحاول النظام استخدام كل جزء متاح من طاقة الرياح والطاقة الشمسية، حتى لو كان ذلك يعني أن محطات الفحم ستعمل بشكل غير فعال. السيناريو الثاني طبق نموذج التخطيط الجديد الخاص بهم ولكن بدون منشأة الأمونيا. أما السيناريو الثالث فقد طبق نفس نموذج التخطيط ولكن مع تضمين منشأة الأمونيا، حيث يتم تحويل الكهرباء الزائدة إلى أمونيا ثم حرقها في محطات الفحم.

أظهرت النتائج أن نموذج التخطيط الجديد أحدث فرقاً كبيراً. في محاكاة الشتاء، أدى استخدام نموذج الخطوتين بدون أمونيا بالفعل إلى خفض إجمالي تكلفة التشغيل بنسبة 4.4 بالمئة مقارنة بخط الأساس. وعند إضافة منشأة الأمونيا إلى المزيج، انخفضت التكلفة بشكل أكبر، لتصل إلى إجمالي انخفاض قدره 0.97 بالمئة في السيناريو الصيفي مقارنة بالنموذج الذي لا يحتوي على أمونيا. جاء هذا التوفير من عدة مصادر؛ فقد سمحت منشأة الأمونيا للنظام بتخزين الطاقة المتجددة الزائدة بدلاً من إهدارها. علاوة على ذلك، فإن عملية صنع الأمونيا تولد حرارة كمنتج ثانوي، والتي التقطها النظام واستخدمها لتدفئة المباني، مما قلل من كمية الفحم المطلوبة للتدفئة. كما استفادت محطات الفحم لأنها لم تعد مضطرة للعمل عند مستويات منخفضة بشكل خطير لاستيعاب الرياح والشمس؛ بل أصبح بإمكانها حرق خليط من الفحم والأمونيا، مما حافظ على تشغيلها بشكل أكثر سلاسة وأماناً.

بعيداً عن المال، كان الأثر البيئي إيجابياً أيضاً. وجدت الدراسة أن انبعاثات الكربون انخفضت بشكل ملحوظ في المحاكاة الصيفية، حيث أنتج النظام المزود بالأمونيا ثاني أكسيد كربون أقل بنسبة 4.43 بالمئة من النظام الذي لا يحتوي عليها. ومع ذلك، في الشتاء، أنتج النظام المزود بالأمونيا انبعاثات أعلى قليلاً من النموذج المحسن الذي لا يحتوي على أمونيا، وإن كان لا يزال أقل من سيناريو خط الأساس حيث تُفرض جميع الطاقات المتجددة في الشبكة. حدث هذا التباين بسبب اختلاف المقايضات بين استبدال الوقود، والكفاءة التشغيلية، والمزيج المحدد لتوليد الطاقة المتجددة بين الفصول. كما لاحظ الباحثون أن كمية طاقة الرياح والطاقة الشمسية التي كان يجب التخلص منها انخفضت بشكل كبير. ففي الشتاء، أضاع النظام الذي لا يحتوي على أمونيا 17.66 بالمئة من طاقة الرياح، ولكن مع وجود منشأة الأمونيا، انخفض هذا الهدر إلى 2.27 بالم ciento فقط. لقد تمكن النظام من امتصاص كل الطاقة النظيفة التي ولدها تقريباً.

كما سلطت الدراسة الضوء على كيفية مساعدة منشأة الأمونيا لمحطات الطاقة على تجنب "التنظيم العميق للذروة"، وهو وضع مرهق تعمل فيه المحطة بمستويات طاقة منخفضة جداً لتلبية احتياجات الشبكة. إن العمل عند هذه المستويات المنخفضة يمكن أن يتسبب في تشقق الأجزاء المعدنية داخل المحطة وتآكلها بشكل أسرع. ومن خلال استخدام نظام الأمونيا لامتصاص الطاقة الزائدة، تمكنت محطات الفحم من البقاء في نطاق تشغيل أكثر استقراراً وكفاءة. وأظهرت المحاكاة أنه خلال فترة الجدولة، أنتجت المنشأة حوالي 91.2 طناً من الأمونيا، وهو ما يكفي لاستبدال حوالي 23.5 طناً من الفحم القياسي. بالإضافة إلى ذلك، وفرت الحرارة المتولدة أثناء إنتاج الأمونيا 9.3 طناً أخرى من الفحم الذي كان سيُستخدم للتدفئة.

بينما أظهر النموذج فوائد واضحة، أشار الباحثون إلى أنه محاكاة مبنية على بيانات محددة من منغوليا الداخلية. وتشير النتائج إلى أن هذا النهج فعال للغاية للمناطق التي تحتوي على كميات كبيرة من طاقة الرياح والطاقة الشمسية، لكن التوفير الدقيق سيعتمد على الظروف المحلية، مثل سعر الفحم وأنماط الطقមាន محددة. لم تدّع الدراسة أن هذا الحل يعمل في كل مكان أو أنه يحل كل مشكلة في شبكة الطاقة، لكنها قدمت دليلاً قوياً على أن دمج إنتاج الأمونيا مع محطات الطاقة الموجودة هو مسار قابل للتطبيق. وقد أثبت نموذج التحسين ثنائي الطبقة أنه أداة قوية لإيجاد التوازن الصحيح بين التكلفة والسلامة والحماية البيئية.

في النهاية، يوضح هذا العمل أن مستقبل الطاقة لا يتطلب الاختيار بين المصادر المتجددة والقدرة الموثوقة. فمن خلال استخدام التخطيط الذكي والتخزين الكيميائي مثل الأمونيا، من الممكن دمج كميات كبيرة من طاقة الرياح والشمس دون التضحية باستقرار الشبكة. لقد أظهر الباحثون أنه مع الاستراتيجية الصحيحة، يمكن للنظام أن يكون أرخص، وأنظف، وأكثر أماناً من الاعتماد على الطرق التقليدية وحدها. وتقدم هذه النتائج مثالاً ملموساً على كيفية تحويل الهندسة لتحديات الطاقة المتجددة إلى فرص لإمدادات طاقة أكثر كفاءة واستدامة.