الوسم: الطاقة الشمسية

محطات الطاقة الكهرومائية: كما ذكرنا في المقال السابق عن أهمية الدورة الشمسية في مبدأ عملية توليد الطاقة الكهرومائية. من أهم العوامل التي تؤخذ بعين الإعتبار عند التفكير بإنشاء محطة التوليد الكهرومائية هي مستوى منسوب الماء في الموقع المراد توليد الطاقة منه أو ما يعرف بارتفاع الرأس 《Head》.

ارتفاع الرأس 《Head》

ارتفاع الرأس يعرف بالفرق بين منسوب ارتفاع المصدر، والذي يجب أن يكون عند مستوى معين أو نقطة يبدأ عندها تدفق الماء دون أن يؤثر هذا على منسوب الماء في الموقع، وموقع تفريغه. هذه النقاط التي يتم بينها تدفق الماء مكتسبًا طاقته الكامنة والتي ستكون متاحة للاستخدام في توليد الطاقة الكهربائية المنشودة.

مبدأ عمل محطات التوليد الكهرومائية

تعمل محطات الطاقة الكهرومائية على تحويل الطاقة الكامنة للماء إلى طاقة كهربائية. تتناسب الطاقة الكهربائية المنتجة مع نسبة إرتفاع الرأس؛ نسبة تدفق الماء؛ وكذلك كفاءة العنفة المستخدمة، والتي ستسمح بمرور الماء إلى الجانب الآخر كفتحة تصريف لهذه المياه. خلال عملية تحويل تستخدم فيها الكثير من الآلات الميكانيكية والكهربائية.

توليد الطاقة الكامنة

بافتراض وجود موقع ذو نسبة جيدة من مياه الأمطار والمياه المتدفقة الأرضية، أهم المتطلبات الفيزيائية التي يجب تلبيتها تتمثل بوجود مصدر لتجميع المياه. احتياطي الماء المجمع سيعمل على تغذية المصدر الأساسي، ليبقي منسوب الماء في حدود الارتفاع المطلوب.
توجد آليتان يتم من خلالهما خلق الظروف المناسبة لإعطاء الماء طاقته الكامنة، وهما:

آلية الانسياب السطحي《Run-of-river》

تبنى المحطة في موقع السد أو بمحاذاته، بحيث يعمل السد على حجز الماء من مصدر مائي قريب مكونًا بذلك بركة. عند الحاجة للمياه، يتم فتح منفذ مائي في السد، تتدفق المياه عبره بتأثير الجاذبية، وتتحول الطاقة الكامنة في الماء إلى طاقة حركية تدير العنفة.

آلية تحويل المياه《Diversion》

بينما في عملية التحويل ينقل الماء من مصدره ليتدفق عبر قناة، ومن ثم يؤخذ إلى الأسفل عبر منظومة أنابيب مضغوطة إلى العنفة.

تخزين الماء في محطات التوليد الكهرومائية

وجود محطات الطاقة الكهرومائية قرب مصادر الماء المتحرك يعتبر مهم، لكن وجود السدود أيضًا من الأهمية بمكان. السدود تعمل على تخزين المياه لأوقات الحاجة، سواء أكان غرض
التخزين للاستخدام الزراعي، أم الطاقة، أم غيرهما.

أهمية التخزين

تكمن أهمية التخزين في القدرة على الوصول إلى الماء بأي وقت، وأي موسم. يكمن التحدي في التباين الذي يمكن أن يحدث موسميًا بسبب الطقس، والمناخ؛ وبالتالي تظهر هنا الحاجة للتخزين للتغلب على هذه الإشكالية، وتوفير مخزون جيد من الممكن استخدامه كلما دعت الحاجة بغض النظر عن التباينات الجغرافية والطبوغرافية.

طرق التخزين

اختيار أفضل ميكانيكية يمكن أن تحقق المخزون المطلوب تعتمد على عدة عوامل، منها: طبوغرافية، جيولوجية، عوامل الطقس، وتوفر الخبرات؛ والموارد.

السدود في محطات التوليد الكهرومائية

بناء السدود قد لا يكون حلًا اقتصاديًا للمواقع ذات الطبيعة المفتوحة، ولذا الحاجة للتفكير بطرق أخرى قد يكون أفضل.
مع هذا، بغض النظر عن السيناريو السابق، بناء السد في الحالات الأخرى يعتبر حلًا ناجعًا.

أنواع السدود في محطات التوليد الكهرومائية

أهم ما يجب تحريه عند تصميم أي سد هو عامل الأمان. ففي تصميم أي سد، هنالك قوى يجب أن تؤخذ بعين الإعتبار. أولها، قوة ضغط المائع، ووزن، وكثافة المواد، والضغوط الرافعة كذلك. ثانيًا؛ احتمال حدوث زلازل، أو تسرب، أو ثلوج، أو فيضانات. العوامل الخاصة بالجزء الأول بشكل عام، يمكن حلها بسهولة بالحسابات، والخبرة.

السدود الركامية

يعتبر الأخص من حيث تكاليف البناء، والمواد؛ خصوصًا إذا كان ركام الصخور متوافر. تعتمد السدود الركامية على وزنها لعرقلة قوة المياه المندفعة.

السدود الثقالية

تعتمد بشكل رئيسي على وزنها للثبات، والوزن يأتي من كمية الأسمنت المستخدمة في بناء الهيكل. محور جسم السد قد يكون مستقيماً أو قوسيّاً.

السدود المدعمة

تتعرض مساحة كبيرة من السدود الثقالية إلى ضغوط رافعة، ينتج عن ذلك انخفاض عامل الأمان ضد الانقلاب. لذا كان من اللازم تطوير تتغلب على هذه الضغوط، وهذا ما حققته السدود الداعمة، فأصبحت قادرة على:
– تقليل الضغوط الرافعة من خلال نقل القوى المؤثرة على الجدار الى منطقة أخرى أكثر قوة وتحمل كالأرض، أو الأساسات.
– تقليل كمية الخرسانة المطلوبة.
– الاستفادة من ضغط المياه المخزنة لإعطاء ثبات أكبر.

السدود المقوسة

تتميز هذه السدود برشاقتها، وتصميمها الجذاب والرفيع مقارنة بارتفاعها بنسبة تصل إلى 0.15 وأحيانا أقل لبعض الأنواع الفرعية الأخرى من هذه السدود. تعتمد على شكلها القوسي في نقل الإجهادات إلى كتفي الوادي. يدخل في تصميم هذه السدود حسابات معقدة للإجهاد وعمل تجارب إختبارية للنموذج قبل المضي بالمشروع.

نظرة عامة على التصاميم المختلفة لمحطات التوليد الكهرومائية

الطاقة الكهرومائية من الممكن تواجدها في أي مكان يوجد فيه تدفق آمن للماء من مستوى عالي إلى مستوى منخفض.

توليد الكهرباء في المحطات الكهرومائية

توليد الطاقة: كما نعلم الطاقة لا تفنى ولا تستحدث، ولكن تتحول من صورة إلى أخرى. في عملية توليد الكهرباء، هذا ما يحدث بالضبط. لتوليد هذه الكهرباء، يجب أن يكون الماء في حالة ديناميكية. هذه الطاقة الديناميكية المتولدة من طاقة الوضع، والمسببة لتدفق الماء تعمل على تدوير مراوح العنفة، لتتحول الطاقة الديناميكية إلى طاقة ميكانيكية. ومن هنا تعمل العنفة على إدارة الجزء الدوار للمولد فتتحول الطاقة الميكانيكية إلى طاقة كهربائية.

تصنيف تصاميم محطات التوليد الكهرومائية:

كما ذكرنا مسبقا الطاقة الكهرومائية تعتمد بالأساس على الموقع، ولكن من الممكن تصنيف محطاتها طبقا لهذه العوامل المختلفة:

1. حجم السعة الإنتاجية

يعتبر التصنيف بحسب سعة الطاقة الإنتاجية بالميجا واط أكثر تصنيف يُعمل به على مستوى واسع نسبيًا، قد يختلف المعيار بحسب الدولة، إلا أنه لا يخرج عن التصنيف التالي بالعادة:

Micro P < 0.1 MW

بإمكان المحطات الصغيرة للغاية تزويد الطاقة لمصنع معزول مثلًا، أو تجمع سكني صغير. هذه المحطات قائمة بحد ذاتها ولا ترتبط بالشبكة العامة. تعتمد على آلية الانسياب السطحي، وتزود أحيانًا بخزانات لضمان توليد الطاقة في ظروف السريان الضعيف للماء.

Small 0.1 MW < P < 10 MW

المحطات الصغرى أيضًا تعتمد على آلية الانسياب السطحي، إلا أنها ترتبط بالعادة بالشبكة العامة للطاقة.

Medium 10 MW < P < 100 MW

تتنوع آليات التوليد للمحطات المتوسطة ما بين الانسياب السطحي، والتحويل. وترتبط دومًا بالشبكة العامة. المخطط قد يضم وجود سد يعمل على توليد ارتفاع رأس، ومكونات المحطة تشبه مكونات المحطات الكبرى.

Large P > 100 MW

المحطات الكبرى: تتصل دوما بالشبكة العامة للطاقة، ويمكن أن تعتمد على نهر جاري، أو ماء مخزون سلفًا.

2 .ارتفاع الرأس المتوفر

من الممكن أن يختلف الحد الأدنى بحسب معايير الدولة، أو المؤسسة التي ستقام فيها المحطة. مثلًا البعثة الدولية للسدود العليا تعرف السد العالي بأنه أعلى من ١٥ متر.
يجب الإشارة إلى أن التصنيف بحسب ارتفاع الرأس قد يكون غير متوافق مع تصنيف السعة الإنتاجية. بما أن السعة الإنتاجية تتناسب مع ناتج ما هو متواجد من ارتفاع الرأس والتدفق، فمن الممكن لمنظومة تعتمد على ارتفاع رأس عالي أن تصنف كمحطة صغرى.
بشكل عام، المنحدرات الجبلية توفر الظروف الضرورية لتحقيق ارتفاع رأس عالي، بينما الأراضي المنخفضة ذات وديان تتبع نهر واسع تمثل مواقع جيدة لارتفاع رأس صغير نسبيًا.
1. High head: H > 100 m
2. Medium head: 30 m < H < 100 m
3. Low head: H < 30 m

3 .منظومة تدفق الماء إلى المحطة

1. التصاميم المعتمدة على الانسياب السطحي:

هذا النوع يولد الطاقة باستخدام التدفق النهري بشكل مباشر. تباين الطقس، والتغيرات الموسمية والتي ستؤثر على الطاقة الإنتاجية يجعله مصدر غير موثوق. معظم محطات هذا النوع لا تحتوي على سعة تخزينية، وإن وجدت فتكون بالعادة محدودة للغاية مما يجعل أقصى ساعات ذروة من الممكن تحقيقها عبرها بضعة سويعات.

2. التصاميم المعتمدة على التخزين:

هذا النوع يعتمد على الجدول المائي الذي تم حجزه من قبل السد ليشكل خزان يتم حفظ الماء فيه خلال أوقات التدفق العالي، ليتم استخدامه لاحقًا في فترات التدفق المنخفض. استخدام هذه الآلية من الممكن أن يشكل ضمان جزئي للتغيرات الطبيعية التي قد تحدث بشكل فجائي.

3. التصاميم المعتمدة على التخزين بالضخ:

هذا النوع يخزن الماء عبر ضخه من خزان منخفض، أو نهر منخفض، إلى خزان ذو موقع أعلى. يتم ضخ الماء خلال ساعات الاستخدام المنخفض. هذه العملية من الممكن أن ترفع الكفاءة إلى ٨٠ بالمئة.

المصادر:

Hydroelectric Power
Hydroelectric power: A brief guide to the
generation of electricity using hydroelectric power
A review of pumped hydro energy storage – IOPscience

مع الدعوات والالتزامات للحكومات في العالم لاسيما داخل الاتحاد الأوروبي لتقليل الاعتماد على مصادر الطاقة القائمة على الوقود الأحفوري، بل ذهب الحديث إلى الإنتهاء منها بحلول عام 2030 لبعض الدول. دعت الحاجة المتنامية لمصادر طاقة بديلة مُتجددة أقل تلوثًا تحمي البيئة، وتتسم بالتوفير الاقتصادي لتزود العالم بمخزون كافي من الطاقة. إلا أنَّ الإشكالية لا تكمن بعملية إنتاج الطاقة وحسب، وإنما بتخزينها أيضًا، وذلك يرجع لواحدة من أهم مشكلات بدائل الوقود الأحفوري التي يواجهها العالم اليوم متمثلة بالكفاءة، والاستدامة الموسمية، إلى جانب عدم القدرة على توقع كمية الطاقة الممكن إنتاجها منها في مختلف المواسم، وبالتالي ضمان وفرتها وتخزينها بشكل دوري موسمي.

فكما نعلم الطاقة بشكلٍ عام، والكهربائية بشكلٍ خاص، العِماد الأساسي لضمان التقدم والرخاء الاقتصادي والحضاري للعالم. وذلك يتم عبر الإدارة والتحكم بتوزيع الطاقة على نطاق صناعي من جهة، وتلبية الحاجة للطاقة التي تعتبر متغيرة باختلاف المنشآت؛ والمراكز من جهة أخرى. مما يُعرف حاليًا أن طرق تخزين الطاقة الكهربائية محدودة للغاية ولا تلبي الحد المطلوب؛ لذا إتجهت الأبحاث المختصة لدراسة كيفية تخزين كميات عالية من الطاقة بصورتها البكر.
يكون بالإمكان حفظ الطاقة قرب مراكز توليدها أو نقاط الاستهلاك الأقرب لها؛ مثال لذلك تخزين الطاقة الحرارية باستخدام الملح الذائب.[١]

موجز تاريخي لتقنية الملح الذائب:

يعود أول استخدام لتقنية الملح الذائب إلى عام ١٩٥٠، عندما بدأ مختبر أوك ريدج الوطني في الولايات المتحدة (ORNL) بتطوير واختبار لمركبة مزودة بمحرك يعمل بالوقود النووي باستخدام تقنية الملح الذائب.
وبحلول عام ١٩٥٤، نقلت أورنل تركيز أبحاثها من محركات الوقود النووي إلى المفاعلات النووية، وذلك حصيلة تجارب أظهرت ثبات الأملاح الذائبة وعدم تحللها حين تعرضها للحرارة العالية الناتجة من المفاعلات النووية.
في ذلك الوقت، كانت هيئة الطاقة الذرية الأميركية (AEC) مهتمة أكثر بدراسة مفاعلات توليد الذرات القابلة للانشطار، ولهذا قامت أورنل بتطوير مفاعل توليد ذرات باستخدام الملح ذائب في الستينات. لسوء حظ أورنل المشروع كان ينافس مشروع آخر كانت هيئة الطاقة مهتمة أكثر بتطويره، مما أدى إلى تضارب بأحقية الدعم لمشروع الملح الذائب، مقررة بذلك هيئة الطاقة بدعم المشروع الآخر، موقفة العمل بمشروع مفاعل الملح الذائب. وبهذا أقفل ملف أبحاث مفاعلات الملح الذائب برفع آخر تقرير بالمشروع عام ١٩٧٦.

غير أن جهود باحثي أورنل لم يذهب سدى، فقد تم افتتاح أول محطة توليد طاقة شمسية استخدمت تقنية الملح الذائب لحفظ الطاقة عام ١٩٩٣ في كاليفورنيا. المحطة مصممة لتخزين ١٠ ميجا واط من الكهرباء خلال ساعة واحدة، استخدمت فيها مرايا عديدة لتوجيه أشعة الشمس نحو البرج المركزي. هذه الأبراج تعمل على امتصاص الأشعة الموجهة إليها لترفع من درجة حرارة الملح وتحفظ الطاقة في الملح بصورة حرارة.
بحلول عام ١٩٩٩، أُغلقت المحطة نتيجة لحاجتها لصيانة ذات تقنية عالية ومتتالية لم تكن متوفرة آنذاك.
نشرت أورنل بعدها مباشرة تقرير مختصر في عام ٢٠٠٠، وألحقته بتقرير مفصل في عام ٢٠٠٢ يوثق البحث كامل في هذا المشروع مما فتح الباب لإعطاء التقنية فرصة أكبر في السوق، لتنتشر على نطاق تجاري أوسع عالميًا. [2]


مبادئ تخزين الطاقة حراريًا في تقنية الملح الذائب:

هنالك صورتان لتخزين الطاقة حراريًا: حرارة محسوسة، أو حرارة كامنة.

الطاقة الحرارية المحسوسة تعتمد تخزين الطاقة الحرارية بطور واحد، بحيث تكون درجة حرارة المادة تتفاوت مع كمية الطاقة المخزونة. معادلة تدفق الحرارة من الحار الى البارد تحقق هذا بالصورة التالية:
Q = m C ΔT
بحيث m تعبر عن الكتلة، و C الحرارة النوعية، و ΔT الفرق في درجات الحرارة.
ينبغي الإشارة إلى أنه يشترط في هذه العملية عزل النظام لإبقاء تدرج درجات الحرارة لأجل خزن الطاقة.

إن أخذنا الماء كمثال، نستطيع القول بأنه يعتبر وسيط مثالي في درجات الحرارة المنخفضة التي تتراوح بين (°90 – 25)، وذلك بسبب الحرارة النوعية لجزيئاته المرتفعة نسبيًا(kJ/kg°C)4.2، بالإضافة لسهولة الحصول عليه.
من جهة أخرى، الحرارة الكامنة تُحفظ باستخدام مواد متغيرة الطور، والتي تستفيد من الحرارة الكامنة النوعية (L) الناتجة من تغير الحالة للمادة:
Q = m C ΔT + m L
المواد متغيرة الطور ممتازة بسبب كثافة تخزينها العالي للطاقة، الماء مثلًا لديه حرارة انصهار أكبر ب ٨٠ مرة من الحرارة المتطلبة لرفع درجة حرارة ١ كجم من الماء درجة مئوية واحدة.[3-4-5]

الأملاح الذائبة:

لدى الأملاح الذائبة خواص تجعلها مؤهلة لتكون وسيط ممتاز لحفظ الطاقة على نطاق واسع في المحطات الكبيرة، مثلًا:
درجة غليانها عالية، ومنخفضة اللزوجة، وضغط تبخرها منخفض، وسعة حرارتها الحجمية عالية؛ فكلما كانت سعة الحرارة الحجمية عالية، كانت مناسبة أكثر لتُحفظ في خزانات بأحجام أقل.

الأملاح المستخدمة في تقنية تخزين الطاقة حراريًا، مثل: نترات الصوديوم والبوتاسيوم،  لديها درجات ذوبان تتراوح بين 300-500°C، وسعة حرارية حجمية تترواح بين 1670 – 3770 kJ/m3°C، ولهذا خليط الملح المستخدم في محطات توليد الطاقة الشمسية المسمى تجاريًا ب “HITEC” يتكون من نترات البوتاسيوم 53%؛ ونترات الصوديوم 40%؛ ونتريت الصوديوم 7%، بدرجة حرارة بالحالة السائلة تتراوح بين 149 – 538°C.
يتم تسخين هذه الأملاح وحفظها في خزانات معزولة خارج أوقات الذروة، وعند الاحتياج يضخ الملح الذائب إلى مولد البخار لاستخدام الحرارة بتوليد الكهرباء.[3-5-6]

تخزين الطاقة في محطات الخلايا الشمسية:

محطات توليد الطاقة باستخدام الخلايا الشمسية ( CSP) تستخدم تقنية التخزين الحرارية و التي تتكون من عاكسات ذات قطوع مخروطية، أو مرايا تتبع للشمس، والتي بدورها تعمل على توجيه أشعة الشمس إلى البرج المستقبل المزود بأنابيب ذات نقاط بؤرية بحيث تنتقل الحرارة عبر مائع وسيط (الملح الذائب)، ومنها المائع ينتقل إلى المبادل الحراري ناقلًا الطاقة إلى الماء المستخدم لإدارة المولد الحراري ليولد الكهرباء.

إن تمعنا في البنى المستخدمة للتخزين، سنجد أن هنالك بنيتان أساسيتان مستخدمتان في منظومة تخزين الطاقة بالأملاح الذائبة، وهما:
بنية الخزانين المزدوجين: يستخدم الملح الذائب كمائع ناقل للحرارة عبر امتصاص الحرارة من المفاعل او المبادل الحراري، وكوسيط تخزين الطاقة الأساسي مستخدم الخزانين معًا الحار والبارد.
خزان آحادي: يُستخدم خزان واحد بحيث يبقي الملح الحار والبارد منفصلين باستخدام فاصل حراري. بحيث يتدفق الملح من الجانب البارد للخزان، ليتم تسخينه، ومن ثم يتدفق إلى الجانب الساخن من الخزان، ليُضخ خارجًا مخلفًا حرارة تستخدم لتوليد الكهرباء، ليعود بعدها إلى الجانب البارد من الخزان.[3-6-7-8]

[1] A. Bielecki, S. Ernst, W. Skrodzka, and I. Wojnicki, 2019. Concentrated Solar Power Plants with Molten Salt Storage:
Economic Aspects and Perspectives in the European Union., International Journal of Photoenergy.

[2] S. Ladkany, W. Culbreth, and N. Loyd, 2018. Molten Salts and Applications I: Molten Salt History, Types, Thermodynamic and Physical Properties, and
Cost., Journal of Energy and Power Engineering.

[3] M. Green, et al. “Nuclear Hybrid Energy Systems: Molten Salt Energy Storage,” INL/EXT-13-31768, November 2013.

[4] B. Reinhardt, ” Thermal Energy Storage,” Physics 240, Stanford University, Fall 2010.

[5] S. M. Hasnain, “Review on Sustainable Thermal Energy Storage Technologies, Part I: Heat Storage Materials and Techniques,” Energy Convers. Manage. 39, 1127 (1998)

[6] Z. Yang, and S. V. Garimella, “Cyclic Operation of Molten-Salt Thermal Energy storage in Thermoclines for Solar Power Plants,” Appl. Energy 103, 256 (2013).

[7] J.E. Pacheco, et al. “Development of a Molten-Salt Thermocline Thermal Storage System for Parabolic Trough Plants,” J. Solar Energy Eng. 124, 153 (2002).

[8] Y. Rajavi, “Concentrating Solar Power,” Physics 240, Stanford University, Fall 2013.