طاقة متجددة تقارير الطاقة المتجددة تقارير الهيدروجين رئيسية هيدروجين

خبير يتحدث عن ربط خلايا الهيدروجين بأنظمة الطاقة الشمسية

داليا الهمشري

2024-05-16

0 444

ربط خلايا الهيدروجين بأنظمة الطاقة الشمسية

الإستراتيجية المُعتمدة على الهيدروجين تعزز التوسع في مشروعات الطاقة الشمسية.
ما زالت أنظمة بطاريات تخزين الطاقة كبيرة السعة تواجه بعض العوائق.
استعمال الهيدروجين لتخزين الطاقة يحل مشكلة تراجع الأداء للبطاريات مع تقادم الزمن.
آلية عمل المنظومة تعتمد على تغذية الأحمال الكهربائية من الألواح الشمسية، ثم شحن البطاريات.

يُعَد ربط خلايا الهيدروجين مع أنظمة الطاقة الشمسية أحد الطرق الواعدة لزيادة الجدوى والموثوقية، لا سيما في ظل استمرار الظروف الجوية الغائمة لعدة أيام.

وأوضح المتخصص في الطاقة الشمسية المهندس ناصر صبر، أن إستراتيجية تخزين الطاقة القائمة على إنتاج الهيدروجين من الممكن أن تكون بديلًا أفضل لمولّدات الديزل الاحتياطية في منظومات الطاقة الشمسية المستقلة عن الشبكة.

وأكد صبر، في تصريحات إلى منصة الطاقة المتخصصة (مقرها واشنطن)، أن هذه الإستراتيجية المُعتمدة على الهيدروجين تعزز التوسع في مشروعات الطاقة الشمسية، وزيادة ضمان الحصول على الطاقة في مختلف الظروف الجوية خاصة في المناطق البعيدة عن شبكة الكهرباء.

ولفت إلى أنه -في بعض الحالات- على الرغم من ضرورة إضافة البطاريات لأنظمة الطاقة الشمسية لزيادة الجدوى الاقتصادية وتحقيق أفضل استفادة من الألواح؛ فإن هذا البطاريات وحدها لا تكفي لحل مشكلة الحاجة إلى مصدر طاقة مستمر وموثوق في الظروف الجوية المختلفة.

المتخصص في الطاقة الشمسية المهندس ناصر صبر

عوائق تخزين الطاقة

قال المتخصص في الطاقة الشمسية إنه على الرغم من أن بطاريات تخزين الطاقة للمشروعات الصغيرة قد أثبتت نجاعتها وجدواها التشغيلية والاقتصادية في كثير من البلدان؛ فإنه ما زالت هناك صعوبة في تعميم استعمالها على نطاق واسع في تخزين الطاقة.

وأضاف أن أنظمة بطاريات تخزين الطاقة كبيرة السعة تواجهها بعض العوائق مثل حاجتها إلى مساحة كبيرة من الأرض، بجانب آثارها في البيئة والمخاوف من ندرة المواد الأساسية التي تدخل في صناعة البطاريات.

وتابع أن أداء البطاريات يتراجع -كذلك- مع الوقت وتفقد قدرتها على الاحتفاظ بالطاقة لمدة زمنية طويلة.

واستطرد قائلًا إن استعمال الهيدروجين لتخزين الطاقة يحل مشكلة تراجع الأداء للبطاريات مع تقادم الزمن ويجعل بالإمكان تخزين الطاقة لمدة طويلة.

كما يمكن توظيفه على نطاق واسع بفاعلية وكفاءة عالية في حال تحققت الشروط التشغيلية الآمنة وانخفضت تكاليف إنتاجه التي ما زالت مرتفعة حتى الآن.

ولفت صبر إلى أن خفض التكاليف والوصول إلى تشغيل آمن وفعّال لتقنية تخزين الطاقة القائمة على الهيدروجين (Hydrogen-Based ESS) ما زال يتطلّب المزيد من البحث والتطوير.

بديل مولدات الديزل

بعد مراقبة ودراسة لأكثر من عامين، تمكّن باحثون إسبانيون -في جامعة كانتابريا- من إثبات جدوى اقتصادية ملحوظة لهذه التقنية عند استعمالها ضمن منظومة طاقة شمسية تحتوي على بطاريات الليثيوم لغرض الاستفادة من الطاقة المُخزنة في البطارية بشكل يومي.

بينما استُعمِلت الطاقة المُخزنة بتقنية الهيدروجين بشكل موسمي، لتغطية الاستهلاك خلال أوقات ندرة الإشعاع الشمسي في بعض الأشهر.

وأوضح المهندس ناصر صبر أن هذا المنظومة حقّقت موثوقية كاملة بحسب ما ورد في بحث الفريق الإسباني؛ حيث وظفت الهيدروجين بمثابة مصدر احتياطي للطاقة، وحلّ بديلًا لمولدات الديزل التي تُستعمل في مثل هذه الحالات.

وأشار إلى أن المنظومة تقوم على الجمع بين تقنية تخزين الطاقة باستعمال بطاريات الليثيوم بسعة محدودة وتقنية تخزين الطاقة القائمة على إنتاج الهيدروجين الأخضر؛ لخفض التكلفة الكلية عن طريق التخزين المدروس للطاقة في أوقات الاستهلاك المحدود والإنتاج الفائض للألواح.

ولفت إلى أنه خلال أوقات ندرة الإشعاع الشمسي وزيادة الحاجة إلى الطاقة الكهربائية تصبح زيادة سعة البطاريات غير مجدية لحل مثل هذا السيناريو؛ نظرًا إلى أن السعة المطلوبة ستكون كبيرة، إلى جانب مشكلات تراجع الأداء للبطاريات وعدم قدرتها على تخزين الطاقة لمدة طويلة.

مكونات المنظومة

قال صبر -في تصريحاته إلى منصة الطاقة المتخصصة- إن هذه المنظومة تشتمل على مكونات رئيسة هي: الألواح الشمسية، وخلية الوقود، والمحلل الكهربائي، وخزان غاز الهيدروجين، والمحول (الإنفرتر)، والبطاريات.

وأضاف أن كفاءة الإنتاج للألواح الشمسية تصل في المتوسط إلى 85% في حين تصل كفاءة خلية الوقود إلى ما بين 50% و55%.

بينما تصل كفاءة المحلل الكهربائي (Electrolyzer) إلى نحو كيلوغرام واحد من الهيدروجين مقابل 50 كيلوواط/ساعة من الطاقة الكهربائية، وتتراوح كفاءة العاكس "الإنفرتر" بين 93% و98%، في حين تتراوح كفاءة بطاريات الليثيوم بين 90% و98%.

آلية العمل

أوضح المتخصص في الطاقة الشمسية أن آلية عمل هذه المنظومة القائمة على استعمال الهيدروجين في المنظومات الشمسية تتم وفقًا للسيناريوهين التاليين:

السيناريو الأول: إشعاع شمسي كافٍ

تُعَد الألواح الشمسية المصدر الرئيس لتغذية الأحمال بالطاقة الكهربائية في حال توافر الإشعاع الشمسي الكافي.

ففي حال زيادة كمية الإشعاع الشمسي يزيد إنتاج الألواح الشمسية للكهرباء، وتخزن الطاقة الفائضة في بطاريات الليثيوم لإعادة استعمال هذه الطاقة بشكل يومي في وقت غياب الشمس.

وعندما تزداد الطاقة الفائضة عن سعة بنك بطاريات الليثيوم، تُستعمل لإنتاج الهيدروجين عن طريق المحلل الكهربائي.

ثم يُخزن الهيدروجين المُنتج في خزان متوسط الضغط، وعند الامتلاء يُفعّل الضاغط ليُخزن الهيدروجين في خزان آخر مرتفع الضغط.

السيناريو الثاني: إشعاع شمسي غير كافٍ

عندما يكون الإشعاع الشمسي غير كافٍ لتغذية الأحمال الكهربائية بالطاقة، يُستعان بالبطاريات لسد العجز من الطاقة، وحينما تفرغ البطاريات، تُنتج خلية الوقود الكهرباء لإعادة شحن البطاريات باستعمال الهيدروجين المخزن في الخزان الأول متوسط الضغط ثم الخزان الثاني مرتفع الضغط؛ لضمان زيادة كفاءة الطاقة.

وبهذا تكون المنظومة قادرة على تلبية الاحتياج للطاقة في مختلف الظروف الجوية.

وفي حال وصول شبكة الكهرباء إلى مكان وجود المنظومة، بالإمكان الربط معها لبيع فائض الإنتاج من الطاقة لزيادة جدوى المنظومة اقتصاديًا.

ويوضّح الإنفوغرافيك التالي -الذي أعدّته منصة الطاقة المتخصصة- آلية دمج خلايا الهيدروجين مع المنظومات الشمسية:

آلية دمج خلايا الهيدروجين مع المنظومات الشمسية

تقليل التكلفة

قال المهندس ناصر صبر إن آلية عمل المنظومة تعتمد على تغذية الأحمال الكهربائية من الألواح الشمسية، ثم شحن البطاريات.

وحينما تصل حالة شحن البطاريات إلى 85%، وهناك فائض في الطاقة القادمة من الألواح الشمسية، يُفعل جهاز المحلل الكهربائي للدخول في المنظومة من أجل تخزين الكمية الفائضة من الطاقة في صورة غاز الهيدروجين لإعادة استعماله وقت الحاجة؛ إذ يوصل جهاز المحلل الكهربائي (Electrolyzer) مع (العاكس) الإنفرتر، وتتمثّل وظيفته في فصل ذرات الهيدروجين عن الأكسجين من خلال تدفق تيار كهربائي في ماء نقي لتحليله إلى مكوناته الأساسية من الهيدروجين والأكسجين.

وبعد عملية الفصل يُخزن الهيدروجين إما على شكل غاز مضغوط وإما مسال في خزان مخصص لهذا الغرض، وعند الحاجة يُضخ إلى خلية الهيدروجين المُرتبطة مع بطاريات تخزين الطاقة.

ويجري في هذه الخلية توليد تيار كهربائي من خلال دمج ذرات الهيدروجين مع الأكسجين للتحول إلى ماء مرة أخرى، وتُشحن البطاريات من خلال التيار الناتج عن هذه العملية.

ولفت صبر إلى أن مقابل كل كيلوغرام واحد من غاز الهيدروجين المُخزن، يمكن الحصول على نحو 27 كيلوواط/ساعة من الطاقة الكهربائية، أي ما يعادل 3 بطاريات ليثيوم بسعة 200 أمبير ساعة وجهد 48 فولت.

ومن حيث الجدوى الاقتصادية، وجد الباحثون أن ربط خلية الهيدروجين مع المنظومة يمكن أن يقلل التكلفة المستوية للطاقة (LCOE) بنحو 39%، كما ثبت للباحثين أن مثل هذا النظام قادر على تحقيق الاكتفاء الذاتي من الطاقة الكهربائية.

ويُقصد بالتكلفة المستوية للطاقة مؤشر تكلفة الطاقة الكهربائية بالمقارنة مع مصادرة توليد مختلفة أرخصها الطاقة الشمسية.

موضوعات متعلقة..

اقرأ أيضًا..