التحليل الكهربائي لإنتاج الهيدروجين ينقذ محطات الطاقة النووية

توصّل باحثون في جامعة توليدو الأميركية إلى ابتكار جديد يجمع بين التحليل الكهربائي لإنتاج الهيدروجين والطاقة النووية، من أجل تحقيق ربحية أعلى، وذلك حسب التفاصيل التي اطّلعت عليها منصة الطاقة المتخصصة.

وأبدى الأستاذ المشارك بأنظمة الطاقة بجامعة توليدو في ولاية أوهايو، راجاف خانا، حماسته "لإنقاذ" محطات الطاقة النووية العاملة في الولايات المتحدة، ولكن ليس بأسعار تنافسية.

يُذكر أن محطات الطاقة النووية أنتجت 18% من الكهرباء المولدة في أميركا عام 2022، ولكن ما تزال تلك التكنولوجيا تعاني من عيوب من حيث الكفاءة، حتى بعد عقود من الزمن.

إذ يُعدّ بناء محطات الطاقة النووية أمرًا مكلفًا؛ كما أنها تواجه صعوبة في زيادة وخفض إنتاج الكهرباء بسرعة استجابةً للتقلبات في أسعار الطاقة في الشبكة.

دمج التحليل الكهربائي والطاقة النووية

أنشأ "خانا" وباحثون آخرون من جامعة توليدو نموذجًا للتعلم الآلي، لدراسة ربحية أنظمة توليد الطاقة النووية والهيدروجينية المدمجة، والمعروفة باسم أنظمة الطاقة النووية المتجددة المتكاملة.

وتُعدّ الدراسة -التي أُجريت بالاشتراك مع مختبر أيداهو الوطني التابع لوزارة الطاقة الأميركية- جزءًا من حملة أكبر من الحكومة الأميركية لتوسيع سوق الهيدروجين الأخضر، وزيادة الاهتمام بمصادر الطاقة المتجددة في شبكة الكهرباء، وفق ما نقلته مجلة "آي إي إي إي سبكتروم" (IEEE Spectrum)، التابعة لمعهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات.

قد يكون أحد الأساليب لجعل الطاقة النووية أكثر ربحية -ومن ثم أكثر جاذبية- هو دمج محطات الطاقة النووية مع جهاز التحليل الكهربائي لإنتاج الهيدروجين وأنظمة خلايا الوقود، لتوليد غاز الهيدروجين وتخزينه.

عندما يكون الطلب على الشبكة منخفضًا، ويكون سعر بيع الكهرباء أقلّ من تكاليف تشغيل الطاقة النووية، يمكن بدلًا من ذلك استعمال الكهرباء المولدة من الطاقة النووية لإنتاج الهيدروجين.

ويوضح الإنفوغرافيك التالي -الذي أعدّته منصة الطاقة المتخصصة- أنواع الهيدروجين حسب طريقة إنتاجه:

وعندما يرتفع الطلب على الشبكة مرة أخرى، يمكن تغذية الهيدروجين الذي خُزِّن، من خلال خلية الوقود وتحويله مرة أخرى إلى كهرباء لبيعه في الشبكة.

ويُمكن أيضًا بيع غاز الهيدروجين الزائد لمصنّعي المواد الكيميائية بوصفها مواد خامًا للتفاعلات المستدامة.

وقال خانا، إن فكرة "تداول العديد من اللاعبين واستلامهم وتوزيعهم للكهرباء، بناءً على تسعير الشبكة الديناميكي" تُعرف باسم الطاقة التبادلية.

وتتمتع الطاقة التبادلية بالقدرة على زيادة إيرادات مزوّدي الكهرباء وخفض التكاليف بالنسبة للمستهلكين، من خلال اتخاذ قرارات معقّدة حول توليد الكهرباء وتبادلها ومبيعاتها.

ومع ذلك، يُمكن أن يكون التعقيد أيضًا جانبًا سلبيًا: من أجل زيادة الأرباح، يجب على النظام تحسين اللحظات المناسبة للتبديل بين أوضاع التشغيل المختلفة، الأمر الذي قد يمثّل تحديًا مع التسعير الديناميكي.

وهنا، يمكن أن تساعد النمذجة باستعمال نوع من التعلم الآلي يُسمى التعلم المعزز العميق.

نموذج التعلم الآلي وفائدته

اعتمد الباحثون في دراستهم على عملهم السابق في نمذجة أنظمة الطاقة التبادلية، لكنهم أضافوا المزيد من التفاصيل الدقيقة إلى نماذج جهاز التحليل الكهربائي لإنتاج الهيدروجين وخلايا الوقود.

واعتمد نموذج جهاز التحليل الكهربائي لإنتاج الهيدروجين وخلايا الوقود على تقنية أكسيد الهيدروجين الصلب، وهو تصميم جديد واعد للتحليل الكهربائي وخلايا الوقود التي يمكن أن تجعل العمليات أكثر كفاءة وفاعلية من حيث التكلفة.

وأخذت الدراسة في الحسبان عمليات محطة الطاقة النووية وجهاز التحليل الكهربائي وخلايا الوقود لنمذجة جهد النظام والتيار.

وحددت نماذج التعلم المعزز العميق الأوقات المناسبة للتبديل بين العمليات، من خلال مقارنة الكهرباء المولدة مع الطلب على الشبكة، وفق ما رصدته منصة الطاقة.

يقول خانا، إن التعلم الآلي ضروري لاتخاذ هذه القرارات، لأن سعر الشبكة هو "هدف متحرك"، يتأثر بمتغيرات مثل الطقس، وتوافر مصادر الطاقة المتجددة الأخرى مثل الطاقة الشمسية وطاقة الرياح، والموقع، والوقت من اليوم.

وتوقّع النموذج أن يؤدي دمج إنتاج الهيدروجين مع الطاقة النووية إلى زيادة في الإيرادات بنسبة 27% على مدى 120 يومًا.

في عملهم المستقبلي، يريد الباحثون في جامعة توليدو إضافة المزيد من التفاصيل إلى النموذج، مثل تأثير تضمين محولات الكهرباء وتمثيل أكثر تفصيلًا لمحطات الطاقة النووية.

سعة التحليل الكهربائي لإنتاج الهيدروجين

في سياقٍ متصل، توقّع تقرير حديث -حصلت منصة الطاقة على نسخة منه- أن سعة التحليل الكهربائي لإنتاج الهيدروجين ستصل إلى 175 غيغاواط بحلول 2030، حال انتقال جميع المشروعات المعلنة إلى مراحل التنفيذ.

ورجّح التقرير، الذي أصدرته وكالة الطاقة الدولية في سبتمبر/أيلول 2023، وصول قدرة التحليل الكهربائي إلى 420 غيغاواط بعد عام 2030، مع إعلان المزيد من المشروعات خلال السنوات المقبلة.

وأشار التقرير إلى أن قدرة التحليل الكهربائي لإنتاج الهيدروجين لم تتجاوز أكثر من 0.1% من إجمالي الإنتاج العالمي حتى الآن، إلّا إن عدد مشروعات الجديدة المعلنة شهد تسارعًا كبيرًا خلال السنوات الأخيرة.

وأوضحت البيانات أن قدرة التحليل الكهربائي لم تتجاوز 700 ميغاواط بنهاية عام 2022، رغم نموها بنسبة 20% عن العام السابق (2021).

ومن المتوقع تضاعف هذه القدرة 3 مرات إلى 2 غيغاواط بحلول نهاية 2023، ما يعادل 0.2 مليون طن من إنتاج الهيدروجين النظيف، مع افتراض تنفيذ جميع المشروعات كما هو مخطط لها، وفق ما أعلنته وكالة الطاقة الدولية.

موضوعات متعلقة..

• استثمارات التحليل الكهربائي لإنتاج الهيدروجين تحتاج إلى 41 مليار دولار بحلول 2030
• سوق التحليل الكهربائي لإنتاج الهيدروجين قد تتجاوز 120 مليار دولار (تقرير)
• التحليل الكهربائي لإنتاج الهيدروجين الأخضر.. أبرز التقنيات والقطاعات المستفيدة (تقرير)

اقرأ أيضًا..

• اكتشافات النفط والغاز العالمية تنخفض 30% أول 8 أشهر من 2023
• الغاز الروسي سلاح بوتين لتعزيز علاقات الطاقة مع دول آسيا الوسطى (مقال)
• الطاقة المتجددة في أوروبا تواجه رياحًا معاكسة تهدد أهداف 2030
• إعادة تدوير بطاريات السيارات الكهربائية.. طريقة جديدة وفاعلة