وفي ظل التحول العالمي إلى الطاقة النظيفة، توفر المصادر المتجددة المتغيرة مثل الطاقة الشمسية وطاقة الرياح إمكانات هائلة ولكنها تمثل أيضًا تحديات كبيرة. غالبًا ما يؤدي تقطّعها-بسبب الطقس ودورات النهار-والليل والتغيرات الموسمية-إلى تقليص (الطاقة المهدرة) أو عدم استقرار الشبكة. يمثل تخزين طاقة الهواء المضغوط (CAES) حلاً ناضجًا وواسع النطاق-يعمل على تحويل فائض الكهرباء إلى هواء مضغوط للتخزين وإطلاقه عند الطلب لتوليد الطاقة، وامتصاص طاقة الرياح والطاقة الشمسية واستخدامها بشكل فعال مع ضمان استقرار الشبكة وتوازنها.
يقوم نظام CAES بتخزين الطاقة الكهربائية كطاقة ميكانيكية عن طريق ضغط الهواء، مما يتيح فترات تخزين من ساعات إلى أسابيع بأقل قدر من الخسائر. عند الحاجة، يتم إطلاق الهواء المضغوط لتشغيل التوربينات وتوليد الكهرباء. تعتبر هذه التقنية مناسبة تمامًا-للتخزين على نطاق واسع وطويل-وتحويل مصادر الطاقة المتجددة المتقطعة إلى طاقة موثوقة وقابلة للتوزيع وتلبي متطلبات الشبكة على مدار الساعة-.
التكنولوجيا والمبادئ الأساسية
يكمن جوهر CAES في الديناميكا الحرارية لضغط الغاز وتمدده. يسخن الهواء أثناء الضغط ويبرد أثناء التمدد. تعتمد الكفاءة العالية على الإدارة الفعالة للحرارة:
CAES التقليدية (السكري).: يتم تبديد حرارة الضغط من خلال المبردات الداخلية، ويستخدم الوقود (عادة الغاز الطبيعي) لإعادة تسخين الهواء قبل التوسع. تتراوح كفاءة الرحلة ذهابًا وإيابًا-عادةً ما بين 40% إلى 55%.
CAES الأديابي المتقدم (AA-CAES): يتم التقاط حرارة الضغط وتخزينها في أنظمة تخزين الطاقة الحرارية (TES)-مثل الطبقات الحجرية المعبأة، أو الملح المصهور، أو الزيت الحراري-لإعادة استخدامها أثناء التمدد. تصل الكفاءة إلى 70% أو أعلى مع عدم استهلاك الوقود الأحفوري.
متساوي الحرارة/بالقرب من-متساوي الحرارة CAES: تحافظ المبادلات الحرارية المتقدمة أو رشاشات الماء على درجات حرارة قريبة من-الثبات أثناء الضغط والتمدد، مع كفاءات نظرية تبلغ 80-95% في الأنظمة التطويرية.
تعمل محطات CAES الحديثة عند ضغوط تتراوح بين 4-7 ميجا باسكال (40-70 بار) وتعتمد على قانون الغاز المثالي لتخزين الطاقة. على عكس البطاريات، تتفوق CAES في التطبيقات ذات المدة الطويلة-والتي تصل إلى جيجاوات- مع تدهور لا يُذكر على مدار عقود.
المعدات والمكونات الرئيسية
تتكون منشأة CAES النموذجية من:
الضواغط: ضواغط توربينية كهربائية-متعددة المراحل-تعمل بالكهرباء الفائضة، والتي تعمل على ضغط الهواء المحيط باستخدام مراحل الضغط المنخفض- والعالي-مع التبريد الداخلي.
تخزين الهواء: الكهوف تحت الأرض (القباب الملحية، أو حقول الغاز المستنفدة، أو طبقات المياه الجوفية) أو فوق-الأوعية الاصطناعية ذات الكثافة العالية-الأرضية (مثل صفائف الأنابيب). تُفضل الكهوف الملحية بسبب عدم نفاذيتها وقوة تحملها للضغط-على أعماق تتراوح بين 300 و1500 متر.
نظام الإدارة الحرارية(في التصاميم المتقدمة): المبادلات الحرارية ووحدات TES التي تلتقط وتخزن حرارة الضغط.
الموسعات/التوربينات والمولدات: موسعات توربينية عالية الضغط- ومنخفضة--مقترنة بالمولدات. تستخدم الأنظمة التقليدية جهاز الاحتراق لإعادة التسخين؛ تعمل الأنظمة الأدياباتيكية المتقدمة على إعادة استخدام حرارة TES.
الأنظمة المساعدة: أجهزة التحكم في الضغط، والمحركات/المولدات ثنائية الاتجاه، ومعدات ربط الشبكة.
|
لا. |
اسم المعدات |
الوظيفة الرئيسية |
الميزات والمبادئ التقنية |
دعم الوصف التوضيحي |
|
1 |
الضواغط |
قوة مرحلة الشحن-: تحول الكهرباء الفائضة إلى طاقة محتملة للهواء المضغوط-. |
ضواغط توربينية كهربائية-متعددة المراحل (محورية أو طاردة مركزية)، تعمل بقوة 4–7 ميجا باسكال (40–70 بار)، ومزودة بمبردات داخلية وأنظمة استرداد الحرارة-؛ تتيح محركات الأقراص المتغيرة السرعة - الاستجابة السريعة للتقلبات المتجددة |
تخطيط كامل للنظام يسلط الضوء على قطار الضاغط |
|
2 |
أنظمة تخزين الهواء |
تخزين الهواء المضغوط لمدة طويلة-(من ساعات إلى أسابيع) |
كهوف الملح تحت الأرض (عمق 300–1500 متر) أو ذات كثافة عالية-فوق-أوعية الأنابيب الأرضية-؛ مصمم لدورات الضغط المتكررة مع تسرب قريب من -الصفر |
رسم تخطيطي مقطعي- يوضح واجهة إدارة الكهف تحت الأرض والسطح الحراري-. |
|
3 |
أنظمة الإدارة الحرارية وتخزين الطاقة الحرارية (TES). |
التقاط الحرارة المضغوطة وتخزينها وإعادة استخدامها لتحقيق-كفاءة عالية وتشغيل-بدون استهلاك الوقود |
مبادلات حرارية (HX1/HX2) مقترنة بوسائط TES (طبقات سيراميك، أو ملح منصهر، أو زيت حراري) لتخزين الحرارة حتى 600 درجة؛ يحقق استرداد الحلقة المغلقة-كفاءة ذهاب وإياب-تزيد عن 70% |
الشحن-طور الحرارة-مخطط تدفق + مخطط تكامل النظام بالكامل |
|
4 |
الموسعات والتوربينات والمولدات |
تفريغ محطة توليد الطاقة-المرحلة: يحول الهواء المضغوط المخزن إلى كهرباء |
موسعات توربينية متعددة-مراحل-(ضغط عالي- ومنخفض-) مقترنة مباشرة بالمولدات المتزامنة؛ تم الوصول إلى الحمل الكامل في أقل من 10 دقائق مع عدم وجود انبعاثات احتراق في التصميمات المتقدمة |
صورة تثبيت المولد-الموسع العالمي-الحقيقي |
|
5 |
الأنظمة المساعدة |
ضمان التشغيل الآمن والفعال للمحطة وتكامل الشبكة |
-صمامات التحكم في الضغط، ومولدات المحركات ثنائية الاتجاه-، ومراقبة SCADA، ومجموعة المفاتيح الكهربائية للشبكة، وأبراج التبريد، وشبكات الأنابيب الشاملة |
منظر داخلي لقاعة التوربينات يُظهر الأنابيب والأنظمة الكهربائية المتكاملة |
يتيح التصميم المعياري لـ CAES تحسينًا مستقلاً لقدرات الضغط والتخزين والتوسيع، مما يوفر مرونة تشغيلية لا مثيل لها في العديد من تقنيات التخزين الأخرى.
العمليات التشغيلية
تعمل CAES على مرحلتين أساسيتين:
مرحلة الشحن (الضغط).: خلال فترات ارتفاع إنتاج الطاقة المتجددة أو انخفاض الطلب، يقوم فائض الكهرباء بتشغيل الضواغط. يتم ضغط الهواء على مراحل متعددة (التسخين)، ثم تبريده، ثم حقنه في المخزن. في الأنظمة الأدياباتيكية المتقدمة، يتم تخزين الحرارة المستخرجة في TES.
مرحلة التفريغ (التوسع/التوليد).: عندما تكون ذروة الطلب أو مصادر الطاقة المتجددة غير كافية، يتم إطلاق الهواء المضغوط، ويتم تسخينه مسبقًا (باستخدام حرارة TES أو الوقود الإضافي)، ويتم توسيعه من خلال التوربينات لتشغيل المولدات، ويتم استنفاده كهواء أكثر برودة. يمكن للنظام الوصول إلى الحمل الكامل في أقل من 10 دقائق، مما يجعله مثاليًا لموازنة الشبكة وتنظيم التردد واحتياطيات الدوران.
يمكن للنباتات أن تدور يوميًا أو موسميًا بمعدلات تفريغ ذاتية منخفضة للغاية. تتضمن أمثلة نطاق المرافق- المنشأة محطة Huntorf في ألمانيا (321 ميجاوات، تعمل منذ 1978) ومحطة McIntosh في الولايات المتحدة (110 ميجاوات، منذ 1991).
-دراسة حالة عالمية حقيقية: مشروع توضيحي متقدم لتخزين طاقة الهواء المضغوط بقدرة 100 ميجاوات
كمثال رئيسي على التنفيذ الناجح لمشروع CAES، يُظهر المشروع التجريبي الوطني لتخزين طاقة الهواء المضغوط بقدرة 100 ميجاوات في الصين نضج التكنولوجيا وإمكانات التطبيق على نطاق واسع-. تم تطويرها تحت قيادة معهد الفيزياء الحرارية الهندسية، الأكاديمية الصينية للعلوم، وهي أول محطة CAES متقدمة بقدرة 100 ميجاوات- في العالم وهي حاليًا أكبر محطة CAES المتقدمة والأعلى- كفاءة قيد التشغيل.
تفاصيل تكوين النظام:
سعة: خرج طاقة 100 ميجاوات / تخزين طاقة 400 ميجاوات ساعة.
نوع التكنولوجيا: نظام CAES الأديابي المتقدم (AA-CAES) الذي يتميز بالتخزين الحراري فوق الحرج، والتبادل الحراري فوق الحرج، وضغط/توسيع الحمل العالي-، والتكامل الكامل للنظام-القضاء تمامًا على الاعتماد على الوقود الأحفوري.
طريقة التخزين: أوعية تخزين هواء صناعية عالية الكثافة- (تصميم مصفوفة الأنابيب-)، مما يزيد من كثافة الطاقة ويقلل الاعتماد على الكهوف الكبيرة تحت الأرض.
كفاءة: كفاءة رحلة الذهاب والإياب-70.4%.
معلمات الأداء: يتجاوز التوليد السنوي 132 مليون كيلووات في الساعة، وهو ما يكفي لتلبية الطلب على الكهرباء في أوقات الذروة لنحو 50 ألف أسرة؛ يوفر 42000 طن من الفحم القياسي ويقلل من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون بحوالي 109000 طن سنويًا.
المعدات الرئيسية: ضواغط متعددة المراحل، وموسعات التوربينات/مجموعات المولدات، ونظام التخزين الحراري TES فوق الحرج، وأوعية تخزين مصفوفة-أنابيب الضغط العالي-.
موقع: مقاطعة قويوان، المدينة، مقاطعة خبي، داخل مجمع مياوتان الصناعي للحوسبة السحابية؛ تحتل حوالي 5.7 هكتار. تم توصيل المشروع بالشبكة-في عام 2022 ودخل في مرحلة الإعداد للتشغيل التجاري.
يوضح هذا المشروع قدرتنا على تنفيذ مبادرات CAES واسعة النطاق بنجاح من خلال استعادة حرارة الضغط وتحسين الإدارة الحرارية واستخدام التصميم المعياري للتغلب على القيود التقليدية في الكفاءة والاعتماد على الوقود واختيار الموقع. فهو يوفر تحققًا قيمًا من الهندسة-الحقيقية في العالم ونموذجًا قابلاً للتطوير لتكامل الطاقة المتجددة عالميًا.
كيف تسهل CAES الامتصاص والاستخدام الفعال لطاقة الرياح والطاقة الشمسية
يؤدي تقلب طاقة الرياح والطاقة الشمسية في كثير من الأحيان إلى فائض من الكهرباء لا يمكن للشبكة استيعابه بالكامل. يعمل CAES بمثابة "ممتص للصدمات" للشبكة، حيث يعالج هذه المشكلة بشكل مباشر:
امتصاص القوة الفائضة: أثناء الرياح القوية أو ذروة الإشعاع الشمسي، يتم استخدام الطاقة الزائدة لضغط الهواء وتخزينه تحت الأرض، مما يمنع تقليصه.
تجانس الإخراج: يقوم CAES بفصل التوليد عن الاستهلاك، وإطلاق الطاقة المخزنة خلال فترات الهدوء أو بعد غروب الشمس لتوفير طاقة مستقرة ويمكن التنبؤ بها.
استقرار الشبكة والتكامل: تدعم استجابتها السريعة تنظيم التردد، والتحكم في الجهد، وخدمات التشغيل -السوداء. تعمل أنظمة CAES الهجينة-الطاقة الشمسية- على إنشاء محطات "حمولة أساسية افتراضية"، مما يقلل الاعتماد على الوقود الأحفوري-الذروي.
الفوائد الاقتصادية والبيئية: يعمل نظام CAES على خفض تكاليف التخزين بشكل كبير، وتحسين معدلات استخدام الطاقة المتجددة، وخفض انبعاثات الكربون (خاصة في التكوينات الأدياباتيكية المتقدمة). إنها منافسة بشكل خاص للتكامل المتجدد على نطاق واسع-وطويل-المدة.
يؤدي تحديد موقع CAES مع مزارع الرياح أو محطات الطاقة الشمسية إلى تحسين البنية التحتية للنقل وفتح إيرادات إضافية من خلال موازنة الطاقة وأسواق السعة والخدمات الإضافية.
التطلع إلى المستقبل: CAES باعتبارها حجر الزاوية في محطات الطاقة المتجددة
لقد تطورت CAES منذ نشأتها في سبعينيات القرن الماضي إلى تقنية تخزين مرنة وطويلة-ذات مدة زمنية تبلغ جيجاوات-ساعة-. تعمل المتغيرات الكاظمية والمتساوية الحرارة المتقدمة على التخلص من استخدام الوقود الأحفوري تمامًا، وتتماشى بشكل مثالي مع صافي أهداف-الصفر. تتيح قابلية التوسع والتكيف الجغرافي (حيثما توجد جيولوجيا مناسبة) تحويل موارد الرياح والطاقة الشمسية المتقطعة إلى كهرباء موثوقة وعالية القيمة-.
تؤكد المشاريع الناجحة مثل أن تقنية CAES جاهزة تمامًا للنشر التجاري على نطاق واسع. من خلال اعتماد CAES، يمكن لقطاع الطاقة المتجددة التغلب على التحدي الأكبر-التقلب-من خلال تسريع التحول إلى الطاقة النظيفة وتوفير المرونة الاقتصادية وأمن الطاقة للمرافق والصناعات والمجتمعات في جميع أنحاء العالم. تشير المشاريع الجارية في الصين وعلى المستوى الدولي إلى أن محطات طاقة الرياح المتكاملة-الطاقة الشمسية-CAES لم تعد مجرد رؤية بل واقع حالي-توفر كهرباء نظيفة وقابلة للتوزيع متى وأينما دعت الحاجة إليها.
