الطاقة الكهرومائية المخزنة بالضخ: هندسة ومستقبل تخزين الطاقة الجاذبية

تخزين الطاقة بالضخ الطاقة الكهرومائية stores electrical energy by moving water uphill and recovering it later through turbines on the way back down. It is the oldest grid-scale storage technology in commercial use, with roots in 1890s Alpine Europe, and it remains the largest by installed capacity even as battery deployment grows rapidly worldwide. The technology scaled globally in the mid-twentieth century to balance inflexible nuclear baseload generation, and over the past two decades its function has shifted toward absorbing the variability of wind and solar output, a role that depends on the same core physics: gravitational potential energy converted to and from electricity through a reversible pump-turbine.

تتناول مقالتنا التالية النطاق التقني والاقتصادي الكامل لتقنية تخزين الطاقة الكهرومائية بالبلازما: الفيزياء الأساسية وحدود الكفاءة، والبنية الكهروميكانيكية التي تجعل التشغيل العكسي ممكنًا، وخدمات استقرار الشبكة التي توفرها هذه التقنية بما يتجاوز مجرد تخزين الطاقة، واستراتيجياتها التشغيلية وآليات الإيرادات، والقيود البيئية التي تحدد أماكن بناء المشاريع، والتكوينات الناشئة مثل تخزين الطاقة الكهرومائية بالبلازما تحت الأرض وفي مياه البحر، والأطر التنظيمية التي تحكم نشرها، ومقارنة مباشرة مع البطاريات والهواء المضغوط وبطاريات التدفق والهيدروجين وعجلات الموازنة عبر المعايير المهمة لقرارات الاستثمار والتخطيط الحقيقية.

النقاط الرئيسية

• تُعد تقنية تخزين الطاقة الشمسية (PSH) أقدم وأكبر تقنية لتخزين البيانات على نطاق الشبكة: يعود تاريخها إلى أوروبا الألبية في تسعينيات القرن التاسع عشر، ولا تزال تقنية التخزين المهيمنة من حيث السعة المركبة في جميع أنحاء العالم، حتى مع تسارع نشر البطاريات.
  Its physics are simple, but its footprint is enormous. Energy storage scales with mass, gravity, and height ([مطاط]E = \eta , m , g , h[/latex]), but because water has such low energy density compared to chemical batteries, PSH needs reservoirs measured in millions of cubic meters to store what a battery could hold in a warehouse.
• يُحدد الفرق بين الضغط والتدفق التصميم الهندسي بأكمله: تستخدم المواقع الجبلية ذات الرؤوس العالية آلات صغيرة من نوع فرانسيس؛ بينما تحتاج مواقع الأنهار ذات الرؤوس المنخفضة إلى توربينات ضخمة من نوع كابلان لتحريك كميات هائلة من المياه - فجغرافيا الموقع هي التي تحدد التكنولوجيا، وليس العكس.
• تتراوح كفاءة الرحلة ذهابًا وإيابًا عادةً بين 70 و85%، وهي أقل قليلاً من الكفاءة الحديثة. بطاريات الليثيوم أيون (85-95٪)، لكن PSH يحافظ على هذا الأداء على مدى 50-100 عام بدلاً من 10-20 عامًا قبل أن تحتاج البطارية إلى الاستبدال.
• لا يقتصر دور خزان الطاقة الشمسية الكهروضوئية على تخزين الطاقة فحسب، بل يساهم أيضاً في استقرار الشبكة الكهربائية. فكتلته الدوارة توفر القصور الذاتي الفيزيائي، وتوفر تنظيمًا سريعًا للتردد، ويمكنها العمل كمكثف متزامن لدعم الجهد دون الحاجة إلى تحريك الماء، وهي من التقنيات القليلة القادرة على إعادة تشغيل شبكة كهربائية منهارة.
• لقد تحول دورها من "تقليل ذروة الطلب" إلى "موازنة التقلبات". تم بناؤها في الأصل لتتماشى مع الحمل الأساسي النووي غير المرن، وتمتص محطة الطاقة الشمسية الكهرومائية اليوم بشكل رئيسي الارتفاعات الحادة للطاقة الشمسية وطاقة الرياح - والتي تظهر بشكل واضح في "منحنى البطة" - مما يجعلها أصلًا بالغ الأهمية لتكامل الطاقة المتجددة.
• تُعد الإدارة البيئية مسألة تصميم أساسية، وليست فكرة لاحقة. حلقة مغلقة تُشكل التكوينات (خارج النهر)، والتحكم في الرواسب، وتخفيف التبخر، وإدارة جودة المياه/الحرارة، جميعها، مكان وكيفية بناء مشاريع PSH الجديدة والحصول على التراخيص اللازمة لها.
• تتوسع آفاق جديدة حيث يمكن بناء محطات الطاقة الشمسية الكهروضوئية. تعمل محطات الطاقة الشمسية الكهروضوئية تحت الأرض (المناجم، الكهوف)، ومحطات الطاقة الشمسية الكهروضوئية التي تعمل بمياه البحر، ومجمعات الطاقة الهجينة التي تجمع بين الطاقة الشمسية العائمة والخزانات، والتصاميم المعيارية الصغيرة، جميعها على التغلب على اعتماد محطات الطاقة الشمسية الكهروضوئية التقليدي على مواقع نادرة ذات اختلافات كبيرة في الارتفاع.
• تُكمّل تقنية تخزين الطاقة بالهيدروجين المضغوط (PSH) تقنيات التخزين الأخرى بدلاً من منافستها. فهي تستحوذ على حصة كبيرة في مجال التخزين طويل الأمد عالي الموثوقية مع الحفاظ على استقرار الشبكة؛ بينما تهيمن البطاريات على مجال التخزين سريع الاستجابة وقصير الأمد؛ ويتصدر الهيدروجين مجال التخزين الموسمي. تحتاج شبكة الطاقة المستقبلية إلى مجموعة متنوعة من التقنيات، لا إلى تقنية واحدة متفوقة.

الأسس والتطور التاريخي

غالباً ما يوصف PSH بشكل غير رسمي بأنه "بطارية مائية".

على عكس البطارية الكيميائية، التي تخزن الطاقة في الروابط الكهروكيميائية لموادها الفعالة، فإن محطة التخزين بالضخ تخزن الطاقة في الجهد الجاذبي لكتلة مرتفعة من الماء. هذا التشبيه مفيد ولكنه غير دقيق: فبطارية الماء لا تتدهور كيميائيًا على مدى آلاف الدورات كما تفعل البطارية التقليدية. أيون الليثيوم cell does, but it is bound by geography, the availability of suitable terrain and water rights, and a vastly larger physical footprint and construction timeline. Where a battery factory can be built in two years, a pumped-storage scheme can take a decade or more from initial site studies to commissioning. This trade-off between deployment speed and asset طول العمر is central to understanding PSH’s role in modern grids.

التحول نحو الطاقة المتجددة (القرن الحادي والعشرين)

لقد تغير دور تخزين الطاقة بالضخ بشكل كبير منذ أوائل العقد الأول من القرن الحادي والعشرين مع الانتشار الواسع لتوليد الطاقة من الرياح والطاقة الشمسية. فبينما كان الاستخدام في القرن العشرين يتمثل في "تخفيف ذروة الطلب" - أي تسوية منحنى الطلب اليومي المعروف والمتوقع إلى حد كبير مقابل منحنى العرض الأساسي المعروف والمتوقع إلى حد كبير - أصبح الاستخدام في القرن الحادي والعشرين يتمثل في "موازنة التقلبات": أي استيعاب التقلبات الأقل قابلية للتنبؤ بكثير والناجمة عن الأحوال الجوية في إنتاج الطاقة المتجددة.

على سبيل المثال، ينتج عن توليد الطاقة الشمسية ارتفاع حاد في منتصف النهار يتبعه انخفاض حاد في المساء مع غروب الشمس، وغالبًا ما يتزامن ذلك تمامًا مع ذروة الطلب المسائية. وقد أدى هذا إلى ظهور ظاهرة "منحنى البطة" الشهيرة في الشبكات ذات الانتشار العالي للطاقة الشمسية، حيث ينخفض ​​صافي الطلب (إجمالي الطلب مطروحًا منه إمدادات الطاقة المتجددة) بشكل كبير في منتصف النهار ثم يرتفع بشكل حاد للغاية في أوائل المساء. في الوقت نفسه، يمكن أن يتقلب توليد طاقة الرياح بشكل كبير على مدار ساعات أو أيام بناءً على الأنظمة الجوية، مع ارتباط ضئيل بأنماط الطلب. وقد أثبت التخزين بالضخ، بقدرته على امتصاص كميات كبيرة من الطاقة للشحن والوصول إلى كامل طاقته الإنتاجية في غضون ثوانٍ إلى بضع دقائق، ملاءمته لإدارة كلا نمطي التقلب الناتجين عن الطاقة المتجددة، على الرغم من أن هذه التقنية نفسها لم تُصمم في الأصل مع وضع الطاقة المتجددة في الاعتبار.

التوزيع العالمي

تُظهر الخريطة العالمية لسعة تخزين الطاقة بالضخ تشابهاً وثيقاً مع التاريخ المذكور آنفاً. فقد أنشأت اليابان أسطولاً ضخماً من محطات تخزين الطاقة بالضخ منذ ستينيات القرن الماضي، مدفوعةً باعتمادها الكبير على الطاقة النووية وطبيعة تضاريسها الجبلية، ولا تزال تُعدّ من أكبر أسواق تخزين الطاقة بالضخ في العالم. وتتركز سعة تخزين الطاقة بالضخ في أوروبا في دول جبال الألب (سويسرا، النمسا، إيطاليا) وفي الدول التي سعت إلى برامج نووية واسعة النطاق (فرنسا)، إلى جانب سعة كبيرة في إسبانيا وألمانيا ودول الشمال الأوروبي. أما الولايات المتحدة، فقد أنشأت أسطولاً ضخماً خلال سبعينيات وثمانينيات القرن الماضي، ويرتبط جزء كبير منه بالتوسع النووي في تلك الحقبة، مع وجود منشآت رئيسية في منطقة الأبلاش، وشمال غرب المحيط الهادئ، وكاليفورنيا. وفي الآونة الأخيرة، أصبحت الصين أكبر سوق وطنية منفردة لإنشاء محطات تخزين الطاقة بالضخ الجديدة، مدفوعةً بقدرتها الهائلة والمتنامية بسرعة في مجال الطاقة المتجددة، وسعيها الاستراتيجي الوطني نحو تطوير بنية تحتية لموازنة الشبكة الكهربائية.

فيزياء تخزين الطاقة الجاذبية

نمذجة كثافة الطاقة

تعتمد الفيزياء الأساسية لتخزين الطاقة بالضخ على التحويل بين طاقة الوضع التثاقلية والطاقة الكهربائية. تُعطى طاقة الوضع المخزنة لكتلة من الماء على ارتفاع أعلى من خزان سفلي بمعادلة طاقة الوضع التثاقلية الكلاسيكية، مع تعديلها وفقًا لكفاءة الدورة الكاملة للنظام.

نظرًا لأن كثافة الماء ثابتة تقريبًا وتبلغ 1000 كيلوغرام لكل متر مكعب، يمكن إعادة كتابة هذه المعادلة بدلالة حجم الخزان بدلاً من الكتلة، وهو أمر أكثر فائدة لأغراض الهندسة وتخطيط المواقع: [latex]E = eta , rho , V , g , h[/latex]

حيث تمثل ρ كثافة الماء، وV حجم الماء المتداول بين الخزانات. تكشف هذه الصيغة مباشرةً عن المفاضلة التصميمية الأساسية لتخزين الطاقة بالضخ:

ولهذا السبب، يمكن للمواقع الجبلية العالية في جبال الألب، والتي يمكن أن توفر فرق ارتفاع يتراوح من 500 إلى أكثر من 1000 متر، أن تحقق قدرات تخزين طاقة هائلة باستخدام خزانات صغيرة نسبيًا، في حين أن المواقع المنخفضة تحتاج إلى أحجام خزانات أكبر بكثير لتخزين كمية مماثلة من الطاقة.

بالمقارنة مع تخزين الطاقة في البطاريات الكيميائية من حيث الحجم، فإن الطاقة الكهرومائية المخزنة بالضخ تتميز بانخفاض ملحوظ في استهلاك الطاقة. بطارية ليثيوم أيون يمكن للنظام تخزين ما يصل إلى عدة مئات من الواط ساعة لكل لتر من حجم الخلية، في حين أن المتر المكعب (1000 لتر) من الماء المرفوع 500 متر، حتى مع كفاءة ذهاب وإياب سخية تبلغ 85 بالمائة، يخزن حوالي 1.16 كيلوواط ساعة فقط، أو ما يقرب من 1.16 واط ساعة لكل لتر.

• هذا الاختلاف الهائل في كثافة الطاقة الحجمية هو السبب تحديداً في أن التخزين بالضخ يتطلب خزانات تُقاس بملايين الأمتار المكعبة ومساحات تُقاس بالكيلومترات المربعة، في حين أن تركيب بطارية يخزن نفس إجمالي الطاقة قد يتناسب مع مستودع واحد.
• يكمن المقابل في أن "المادة الفعالة" الأساسية لبطاريات PSH، وهي الماء والجاذبية، لا تكلف شيئًا تقريبًا ولا تتدهور، بينما يتم تصنيع المواد الفعالة للبطاريات، ولها عمر افتراضي محدود، وتمثل تكلفة رأسمالية مستمرة حيث تتدهور وتتطلب استبدالًا في نهاية المطاف.ت.

تجمع محطة تخزين الطاقة بالضخ في مقاطعة باث بولاية فرجينيا، وهي واحدة من أكبر منشآت تخزين الطاقة بالضخ في العالم، بين ارتفاع يبلغ حوالي 380 مترًا وحجم خزان مشترك كبير بما يكفي لدعم حوالي 3000 ميجاوات من السعة وحوالي 24000 ميجاوات ساعة من التخزين، مما يوضح كيف يمكن لارتفاع متواضع نسبيًا وغير متطرف، عند دمجه مع خزانات كبيرة جدًا، أن يوفر تخزينًا على نطاق المرافق يضاهي أكبر منشآت البطاريات التي تم بناؤها على الإطلاق، ولكن بمدة تُقاس بساعات عديدة بدلاً من المدة النموذجية التي تتراوح من ساعة إلى أربع ساعات لمشاريع البطاريات على نطاق الشبكة.

العلاقة بين "العقل والتدفق"

إلى جانب إجمالي تخزين الطاقة، يعتمد إنتاج الطاقة لمحطة التخزين بالضخ، أي معدل توليد الطاقة، على علاقة مختلفة: حاصل ضرب الارتفاع في معدل التدفق الحجمي للماء عبر التوربينات. ويُعبّر عن ذلك بالمعادلة التالية: [latex]P = eta , rho , g , h , Q[/latex]

حيث تمثل [latex]P[/latex] القدرة اللحظية (بالواط) و[latex]Q[/latex] معدل التدفق الحجمي (بالمتر المكعب في الثانية). وتُستخدم هذه المعادلة لاتخاذ أحد أهم القرارات الهندسية في تصميم محطات الطاقة الكهرومائية ذات الضغط العالي: تحديد ما إذا كان ينبغي اعتماد تصميم ذي ضغط عالٍ أو منخفض، ونوع التوربينات المناسب بناءً على هذا الاختيار.

تُعرف أنظمة الضغط العالي عمومًا بأنها مواقع يزيد فيها فرق الارتفاع عن 150 إلى 200 متر تقريبًا، وتستطيع توليد طاقة كبيرة بمعدلات تدفق معتدلة نسبيًا، لأن عامل الضغط في معادلة الطاقة يُسهم بشكل كبير في توليد الطاقة. وهذا يسمح باستخدام توربينات أصغر حجمًا وأسرع دورانًا، وأنابيب ضغط أصغر قطرًا (الأنابيب المضغوطة التي تنقل المياه إلى التوربينات)، مما يُقلل بدوره من التكاليف الرأسمالية لكل وحدة من السعة المركبة للبنية التحتية للممرات المائية، على الرغم من أن مواقع الضغط العالي تقع عادةً في مناطق جبلية تزيد من تكاليف حفر الأنفاق والأعمال المدنية. وتُهيمن توربينات الضخ العكسية من نوع فرانسيس على هذه الفئة، نظرًا لأن تصميمها ذو التدفق الشعاعي يُتيح لها التعامل بكفاءة مع الضغوط العالية.

Low-head systems, typically found on rivers or in flatter terrain with elevation differences of less than 30 to 50 meters, يجب move enormous volumes of water to achieve meaningful power output, since the head term contributes comparatively little. This drives the use of large-diameter, slower-spinning axial-flow turbines, most commonly Kaplan-type units adapted for reversible pump-turbine operation, or in some very low-head applications, bulb-type turbines. Low-head plants tend to have larger physical footprints for their waterways and powerhouses relative to their power output, but they can be sited in regions without dramatic mountain topography, broadening the geographic range of viable PSH development. Between these two extremes, medium-head sites, generally in the range of 50 to 150 meters, often use Francis-type machines as well, though the specific runner geometry is tuned differently than for high-head applications to balance efficiency across the flow range the plant is expected to operate within.

الديناميكا الحرارية للدورة

لا تحقق أي دورة تخزين ضخ حقيقية تحويل الطاقة المثالي الذي تقترحه معادلة الطاقة الكامنة الأساسية. تُفقد الطاقة في مراحل متعددة من دورة الضخ والتوليد، وفهم مواضع هذه الخسائر ضروري لفهم تصميم المحطة وحدود الأداء الواقعية لهذه التقنية.

Engineers who document this equation in reports often typeset it with LaTeX, and a LaTeX cheat sheet shows how to write the fractions, Greek letters and subscripts of the efficiency formula, while a LaTeX math cheat sheet covers the rest of the notation.

1. يُعدّ الاحتكاك السائل أكبر أنواع الفاقد، ويحدث أثناء مرور الماء عبر أنابيب التوربينات والأنفاق والممرات الداخلية للمضخة التوربينية نفسها. يتناسب فاقد الاحتكاك طرديًا مع مربع سرعة التدفق، ما يعني أن مضاعفة معدل التدفق عبر أنبوب معين يُضاعف الاحتكاك أربع مرات تقريبًا. ضغط يُعدّ فقدان الطاقة أحد الأسباب الرئيسية لتفضيل مصممي الممرات المائية استخدام الأنفاق وأنابيب الضغط ذات الأقطار الأكبر، على الرغم من ارتفاع تكلفة حفرها أو تصنيعها، إذ أن الطاقة المفقودة على مدى عقود من التشغيل تبرر عادةً الإنفاق الرأسمالي الأولي الأكبر. وتوجد خسائر الاحتكاك في كلٍ من اتجاه الضخ واتجاه التوليد، مما يعني أنها تُقلل من كفاءة الدورة ذهابًا وإيابًا مرتين: الأولى عندما يبذل المصنع جهدًا أكبر من اللازم نظريًا لدفع الماء إلى أعلى التل، والثانية عندما يتبدد جزء من طاقة الماء الكامنة على شكل حرارة بدلًا من تحويلها إلى كهرباء أثناء عودتها إلى أسفل.
2. يحدث نوع ثانٍ من الخسائر داخل سلسلة التحويل الكهروميكانيكية نفسها: الخسائر الهيدروليكية داخل دولاب التوربين (حيث لا تتطابق هندسة الشفرات تمامًا مع ظروف التدفق عند جميع نقاط التشغيل)، والخسائر الميكانيكية في المحامل والأختام، والخسائر الكهربائية في ملفات المولد والمحرك والمحولات الكهربائية ولوحات التوزيع المرتبطة بها. عادةً ما تكون هذه الخسائر أقل نسبيًا من خسائر الاحتكاك في مجرى الماء في المحطات الحديثة المصممة جيدًا، ولكنها مع ذلك كبيرة، لا سيما أن الآلة نفسها يجب أن تعمل بكفاءة في وضعين تشغيليين مختلفين تمامًا (الضخ والتوليد) بزوايا شفرات وخصائص تدفق مثالية مختلفة.
3. ثمة فئة ثالثة أصغر من الفاقد، وهي التبخر من أسطح الخزانات المكشوفة، والذي يمثل فقدانًا لسائل التشغيل نفسه، وليس انخفاضًا في كفاءة تحويل الطاقة بالمعنى التقليدي، ولكنه مع ذلك يقلل من صافي الطاقة المتاحة للدورات اللاحقة، ويتطلب إضافة مياه تعويضية بمرور الوقت. ويختلف هذا الفاقد اختلافًا كبيرًا باختلاف الموقع والمناخ، إذ يتراوح من كونه ضئيلاً في المناخات الباردة والرطبة إلى مصدر قلق تشغيلي وبيئي بالغ في المناطق القاحلة، وهو موضوع سيتم تناوله بالتفصيل في فصل لاحق.

كفاءة الرحلة ذهابًا وإيابًا (RTE)

يُجسّد مقياس كفاءة الدورة الكاملة التأثير التراكمي لجميع هذه الخسائر، ويُشار إليه غالبًا بالاختصار "كفاءة من السلك إلى الماء إلى السلك"، أي نسبة الطاقة الكهربائية المسحوبة من الشبكة أثناء الضخ والتي تُعاد في النهاية إلى الشبكة أثناء التوليد. وتحقق محطات التخزين بالضخ الحديثة والمصممة جيدًا عادةً كفاءات دورة كاملة تتراوح بين 70 و85 بالمئة، حيث تُحقق أحدث المنشآت ذات السرعة المتغيرة، التي تستخدم توربينات ضخ عكسية متطورة، أعلى هذه النسبة، بينما تُحقق المحطات الأقدم ذات السرعة الثابتة أو ذات المواقع الأقل مثالية النسبة الأدنى.

يضع هذا النطاق تخزين الطاقة بالضخ في مكانة تنافسية واسعة مع كفاءة دورة الشحن والتفريغ لأنظمة بطاريات الليثيوم أيون الحديثة، وإن كانت أقل منها عمومًا، حيث تصل كفاءة دورة الشحن والتفريغ غالبًا إلى ما بين 85 و95 بالمئة على مستوى الخلية (كفاءة النظام ككل، بما في ذلك فقد الطاقة في العاكس وإدارة الحرارة، أقل نوعًا ما). مع ذلك، لا تقتصر المقارنة على الكفاءة فقط:

• يمكن لمحطات التخزين بالضخ الحفاظ على هذه الكفاءة طوال فترة التشغيل عمر يتم قياسها بالعقود، وغالبًا ما تتراوح من 50 إلى 100 عام للبنية التحتية المدنية، مع التجديد الدوري للمكونات الكهروميكانيكية، في حين أن أنظمة البطاريات تعاني من تدهور تدريجي في السعة والكفاءة على مدى عمر دورة أقصر بكثير، وعادة ما يتم قياسها بآلاف الدورات أو من 10 إلى 20 عامًا قبل أن يتطلب فقدان السعة الكبير الاستبدال.
• ويمكن لمحطات التخزين بالضخ الاحتفاظ بالطاقة (أي الماء) إلى أجل غير مسمى تقريبًا.

خدمات التكامل الشبكي والتزامن

إلى جانب تخزين الطاقة وتفريغها، تؤدي محطات التخزين بالضخ وظيفة ثانية لا تقل أهمية: الحفاظ على استقرار شبكة الكهرباء نفسها لحظة بلحظة. ويعود ذلك إلى الطبيعة الفيزيائية للمعدات وليس إلى المياه الموجودة في الخزانات. يعمل مولد كهربائي متزامن كبير يدور بتردد الشبكة كـ دولاب الموازنة، ومقاومة اضطرابات التردد المفاجئة تلقائيًا، ويمكن لنفس الآلة توفير الطاقة التفاعلية لدعم الجهد أو إعادة تشغيل شبكة منهارة من الصفر، كل ذلك بغض النظر عما إذا كانت المحطة تقوم بالضخ أو التوليد بنشاط في تلك اللحظة.

يتناول هذا الفصل أربع خدمات شبكة متميزة توفرها الطاقة الكهرومائية المخزنة بالضخ:

1. التثبيت بالقصور الذاتي السلبي الذي يتم توفيره تلقائيًا بواسطة الكتلة الدوارة،
2. التنظيم النشط للتردد الذي يتم من خلال أنظمة تحكم سريعة الاستجابة،
3. يتم تحقيق دعم الجهد من خلال تشغيل المكثف المتزامن دون أي حركة للماء على الإطلاق.
4. والقدرة على بدء التشغيل من الصفر التي تجعل PSH واحدة من التقنيات القليلة القادرة على إعادة تشغيل شبكة كهربائية مفصولة عن الطاقة بالكامل.

مع استبدال توليد الطاقة المتزامنة التقليدية بتوليد الطاقة من الرياح والطاقة الشمسية، المتصلة عبر محولات بدلاً من الآلات الدوارة، تحولت هذه الخدمات من فائدة ثانوية لمحطات الطاقة الشمسية الكهرومائية إلى أحد الأسباب الرئيسية التي تجعل مشغلي الشبكة يقدرونها.

القصور الذاتي الدوراني الفيزيائي إن أحد أهم مساهمات محطات التخزين بالضخ في استقرار الشبكة، والتي غالبًا ما يتم التقليل من شأنها، لا علاقة لها بالطاقة المخزنة في خزاناتها على الإطلاق، بل هي القصور الذاتي الدوراني الفيزيائي لمولداتها الكهربائية التزامنية الضخمة. يخزن دوار وحدة التخزين بالضخ، وهو عادةً عبارة عن هيكل من الفولاذ والنحاس يزن عدة أطنان ويدور بتردد ثابت مضاعف لتردد الشبكة، طاقة حركية في دورانه تتناسب طرديًا مع عزم قصوره الذاتي ومربع سرعته الدورانية. تكتسب هذه الطاقة الحركية المخزنة أهمية بالغة، لأنه في حالة حدوث خلل مفاجئ بين العرض والطلب على الكهرباء في الشبكة، مثل الفقدان غير المتوقع لمولد كبير أو الارتفاع المفاجئ في الطلب، سيبدأ تردد الشبكة بالانحراف عن قيمته الاسمية (50 أو 60 هرتز) في غضون أجزاء من الثانية، قبل أن يتمكن أي نظام تحكم أو آلية استجابة آلية من التفاعل. الكتل الدوارة تقاوم وحدات التخزين بالضخ المتصلة بشكل متزامن بالشبكة، بما في ذلك على سبيل المثال لا الحصر، هذا التغيير في التردد بشكل غريزي من خلال قوانين الفيزياء النيوتونية البسيطة: فمع انخفاض تردد الشبكة، تتخلى الكتلة الدوارة لكل آلة متصلة بشكل متزامن بشكل طبيعي عن بعض طاقتها الحركية للمساعدة في وقف الانخفاض، مما يبطئ معدل تغير التردد ويكسب وقتًا حاسمًا لأنظمة التحكم الآلية واليدوية للاستجابة. وقد أصبحت هذه المساهمة بالقصور الذاتي ذات أهمية متزايدة مع إضافة الشبكات كميات كبيرة من طاقة الرياح والطاقة الشمسية، والتي يتم توصيل الكثير منها بالشبكة من خلال محولات الطاقة الإلكترونية بدلاً من الآلات الدوارة المتصلة مباشرة، وبالتالي فإنها تساهم بقصور ذاتي طبيعي ضئيل نسبيًا. وقد حدد مشغلو الشبكات في المناطق ذات الانتشار العالي للطاقة المتجددة، مثل أيرلندا والمملكة المتحدة وجنوب أستراليا وأجزاء من الولايات المتحدة، انخفاض قصور النظام باعتباره خطرًا تشغيليًا حقيقيًا، حيث أن الشبكات ذات القصور الذاتي المنخفض تشهد انحرافات تردد أسرع وأكبر بعد أي اضطراب معين، مما يزيد من خطر تعطل المعدات المتتالي أو، في الحالات القصوى، انقطاع التيار الكهربائي على مستوى النظام بأكمله.

تنظيم التردد إلى جانب المساهمة السلبية القائمة على الفيزياء والمتمثلة في القصور الذاتي الدوراني، توفر محطات التخزين بالضخ خدمات تنظيم التردد النشطة، حيث تقوم أنظمة التحكم في المحطة بتعديل إنتاج الطاقة (أو استهلاك الضخ) بشكل متعمد استجابةً للانحرافات المقاسة في تردد الشبكة. تُقسم هذه الخدمات عادةً إلى فئتين: الاستجابة الأولية والثانوية، مع العلم أن المصطلحات الدقيقة ومتطلبات التوقيت تختلف إلى حد ما بين مشغلي الشبكة والمناطق التنظيمية. يشير استجابة التردد الأولية إلى تعديل تلقائي وسريع لمخرجات وحدة التوليد، يتم التحكم فيه بواسطة نظام تحكم محلي يراقب تردد الشبكة باستمرار ويضبط موضع ريشة توجيه التوربين أو حمل المضخة في غضون ثوانٍ من اكتشاف أي انحراف، دون الحاجة إلى أي تعليمات من غرفة التحكم المركزية للشبكة. تتناسب هذه الاستجابة عادةً مع حجم انحراف التردد، وهي مصممة للعمل في غضون الثواني القليلة الأولى بعد حدوث الاضطراب، مكملةً وموسعةً التأثير التثبيتي الفيزيائي البحت للقصور الذاتي الدوراني الموصوف أعلاه. تعمل استجابة التردد الثانوية، والتي تسمى أحيانًا التحكم التلقائي في التوليد أو التحكم في تردد الحمل، على نطاق زمني أبطأ، عادةً من عشرات الثواني إلى بضع دقائق، ويتم تنسيقها بشكل مركزي لاستعادة تردد الشبكة بالكامل إلى قيمته الاسمية وإعادة تأسيس التوازن المطلوب لتدفقات الطاقة بين المناطق، بعد أن أوقفت الاستجابة الأولية الانحراف الأولي للتردد.

دعم الجهد والطاقة التفاعلية Pumped-storage plants can also provide grid voltage support through reactive power management, a service that, notably, can be delivered without any net movement of water at all. Electrical power flowing through an alternating current grid has two components: real power, measured in watts, which performs useful work such as lighting a building or running a motor, and reactive power, measured in volt-amperes reactive (VAR), which does not perform useful work directly but is essential to maintaining the correct voltage levels throughout the transmission and distribution network. Reactive power demand on a grid arises from the inductive and capacitive characteristics of transmission lines, transformers, and many types of load equipment, and an imbalance in reactive power supply and demand causes voltage levels to drift outside acceptable operating ranges, risking equipment damage or instability. يمكن تشغيل مولد المحرك المتزامن لوحدة التخزين بالضخ في وضع يُعرف باسم المكثف المتزامن، حيث يبقى المولد يدور ومتصلاً كهربائياً بالشبكة، ويمتص أو يزود الطاقة التفاعلية حسب الحاجة لدعم مستويات الجهد المحلية، بينما يستهلك فقط الكمية الضئيلة من الطاقة الفعالة اللازمة للتغلب على الاحتكاك والخسائر الأخرى في الحفاظ على دوران الدوار، ودون ضخ أو توليد أي تدفق صافٍ للمياه عبر النظام الهيدروليكي على الإطلاق. تُعد هذه القدرة ذات قيمة خاصة في مواقع التخزين بالضخ الواقعة في نقاط استراتيجية مهمة على شبكة النقل، لأنها تسمح للمحطة بتوفير خدمة دعم شبكة مستمرة على مدار الساعة دون استنزاف الخزان أو التنافس مع دور المحطة الأساسي في موازنة الطاقة، مما يوفر فعلياً لمشغلي الشبكة خدمة إضافية "مجانية" من البنية التحتية التي ستكون خاملة خلال ساعات انخفاض الطلب عندما لا تقوم المحطة بالضخ أو التوليد.

إمكانية بدء التشغيل من الصفر لعلّ الدور الأكثر أهمية الذي يمكن أن تؤديه محطات التخزين بالضخ في خدمة الشبكة هو القدرة على بدء التشغيل من الصفر: القدرة على إعادة تشغيل وتنشيط جزء من شبكة الكهرباء بعد انهيار النظام بالكامل أو انقطاع التيار الكهربائي، حيث لا يتوفر أي مصدر طاقة خارجي في أي مكان على الشبكة لبدء عملية الاستعادة. هذا شرط صعب بشكل فريد، حيث أن معظم أنواع التوليد، بما في ذلك معظم محطات الطاقة الحرارية، تتطلب مصدراً خارجياً للكهرباء خاصاً بها (لأشياء مثل مضخات التبريد وأنظمة التحكم ومعدات مناولة الوقود ومحركات بدء التشغيل) قبل أن تتمكن من بدء التوليد، مما يخلق مشكلة بيضة الدجاجة أثناء انقطاع التيار الكهربائي الكامل للنظام. تُعدّ محطات التخزين بالضخ من بين مجموعة تقنيات التوليد القليلة نسبيًا القادرة على توفير خدمة بدء التشغيل من الصفر، إذ يمكن لوحدة مزودة بالماء في خزانها العلوي أن تبدأ بتوليد الطاقة باستخدام الطاقة المخزنة محليًا فقط (على شكل بطاريات المحطة أو مولدات ديزل صغيرة) لتشغيل أنظمة التحكم والأنظمة المساعدة الأساسية الخاصة بها، دون الحاجة إلى اتصال بشبكة خارجية للبدء. يتضمن التسلسل التقني لبدء التشغيل من الصفر عادةً استخدام مصادر الطاقة المساعدة المحلية هذه أولًا لفتح البوابات والصمامات المناسبة وتفعيل أنظمة التحكم الأساسية للوحدة، ثم فتح البوابات الفرعية للسماح بتدفق الماء عبر دولاب التوربين، مما يؤدي إلى رفع سرعة الوحدة إلى السرعة التزامنية في وضع التشغيل المستقل (أي معزولة كهربائيًا، وتُغذي فقط أحمالها المساعدة المحلية المباشرة وربما مسار تشغيل أولي صغير من البنية التحتية لنقل الطاقة القريبة)، ثم توسيع الجزء المُشغّل من الشبكة تدريجيًا من هذا الوضع المستقل.

الإدارة الهيدرولوجية والبيئية

أنظمة الحلقة المغلقة مقابل أنظمة الحلقة المفتوحة

تُصنف محطات التخزين بالضخ عمومًا إلى فئتين هيدرولوجيتين رئيسيتين بناءً على علاقتها بالمجاري المائية الطبيعية. تُصمم أنظمة الدائرة المغلقة، أو "الأنظمة غير النهرية"، بحيث يكون كل من الخزان العلوي والسفلي معزولين هيدرولوجيًا عن أي نهر أو مجرى مائي طبيعي أو أي مسطح مائي آخر يتدفق باستمرار، وعادةً ما تقع في تضاريس مرتفعة بعيدًا عن أنظمة الصرف الطبيعية، وتُملأ في البداية بالمياه المسحوبة من المياه الجوفية أو نهر قريب أو مصدر مائي آخر، ولكنها تعمل بعد ذلك كحلقة مكتفية ذاتيًا إلى حد كبير مع الحد الأدنى من التفاعل المستمر مع النظم البيئية المائية الطبيعية. حلقة مفتوحة وعلى النقيض من ذلك، تحتوي الأنظمة على خزان واحد على الأقل، وعادة ما يكون الخزان السفلي، متصل مباشرة بنهر طبيعي أو مجرى مائي آخر، مع تبادل المياه بشكل مستمر أو دوري بين نظام التخزين بالضخ والمجرى المائي الطبيعي.

يحمل هذا التمييز آثاراً بيئية وتنظيمية هامة.

• تواجه الأنظمة ذات الحلقة المغلقة عمومًا عملية ترخيص بيئية وعملية تنظيمية مستمرة أبسط بكثير، لأنها تتجنب العديد من التفاعلات البيئية المباشرة، مثل مرور الأسماك، واضطراب نقل الرواسب، وتغير أنظمة التدفق في اتجاه المصب، والتي تنشأ عندما يكون المشروع متصلًا بشكل مباشر بنظام نهري حي.
• بينما توفر أنظمة الحلقة المفتوحة أحيانًا مزايا للموقع مثل توافر المياه بشكل أكثر موثوقية أو القرب من البنية التحتية القائمة، فإنها تتطلب عمومًا تقييمًا أكثر شمولاً للأثر البيئي وتدابير رصد وتخفيف مستمرة، لمعالجة مخاوف مثل انجراف الأسماك في مداخل المضخات والتوربينات، والتغيرات في تقلب التدفق الطبيعي التي قد تعتمد عليها النظم البيئية في اتجاه مجرى النهر، وتغيرات جودة المياه في نظام النهر المتصل.

أصبح هذا التمييز ذا أهمية متزايدة في اختيار مواقع مشاريع التخزين بالضخ الجديدة، حيث يتم تفضيل التكوينات المغلقة خارج النهر في المناطق التي تتمتع بحماية صارمة للنظام البيئي النهري، حتى عندما يتطلب ذلك بنية تحتية أكثر شمولاً لخطوط الأنابيب أو الأنفاق لربط الموقع بمصدر مياه خارجي للتعبئة الأولية وتزويد المياه.

تخفيف التبخر

يمثل فقدان المياه بالتبخر من السطح المكشوف لخزانات التخزين بالضخ مصدر قلق تشغيلي (إذ يجب تعويض المياه المفقودة بمياه تعويضية للحفاظ على سعة التخزين للنظام، كما ذُكر في الفصل الأول)، وفي المناطق التي تعاني من ندرة المياه، يمثل مصدر قلق بيئي واجتماعي أوسع نطاقًا نظرًا لتنافس الطلب على موارد المياه العذبة المحدودة من الزراعة وإمدادات مياه الشرب والاستخدامات الأخرى. وتعتمد معدلات التبخر بشكل كبير على المناخ المحلي، حيث تشهد المناطق القاحلة وشبه القاحلة خسائر تبخرية أعلى بكثير من المناطق ذات المناخ الأكثر برودة ورطوبة، وقد تمثل هذه الخسائر نسبة كبيرة من إجمالي فقدان المياه في الخزانات في أكثر المناخات صعوبة.

طُوِّرت أو اقتُرحت عدة مناهج هندسية للحد من الفاقد الناتج عن التبخر في مواقع تخزين المياه بالضخ في المناخات الجافة. يمكن لأنظمة التغطية العائمة، بما في ذلك الألواح الشمسية الكهروضوئية العائمة (التي سيتم تناولها بالتفصيل في فصل مجمعات الطاقة الهجينة) أو هياكل التظليل العائمة المخصصة، أن تقلل بشكل كبير من مساحة سطح المياه المكشوفة المعرضة مباشرة للشمس والرياح، وهما العاملان الرئيسيان للتبخر. كما يمكن لخيارات تصميم الخزانات، مثل تفضيل الخزانات الأعمق ذات مساحة السطح الأصغر لحجم تخزين معين على التصاميم الأقل عمقًا والأكثر انتشارًا، أن تقلل من نسبة مساحة السطح إلى الحجم، وبالتالي تقلل من الفاقد الناتج عن التبخر. في المواقع الأكثر شحًا بالمياه، استكشف بعض المطورين استخدام خزانات تحت الأرض أو خزانات مغلقة جزئيًا، وذلك تحديدًا لتقليل التعرض للتبخر، وهو نهج يتداخل بشكل كبير مع مفاهيم تخزين المياه بالضخ تحت الأرض التي ستُناقش في الفصل التالي.

مستقبل PSH والتهجين

مترو الأنفاق (UPSH)

يُعدّ توليد الطاقة الكهرومائية بالضخ تحت الأرض أحد أكثر المجالات بحثًا في تطوير أنظمة تخزين الطاقة الكهرومائية بالضخ، حيث لا يقع الخزان السفلي للنظام على السطح، بل داخل منجم مهجور، أو كهف ملحي مُنشأ، أو أي تجويف جيولوجي عميق آخر، بينما يبقى الخزان العلوي عادةً على السطح أو بالقرب منه. يُعالج هذا التصميم أحد أبرز المعوقات التي تواجه تطوير أنظمة تخزين الطاقة الكهرومائية بالضخ التقليدية: وهو اشتراط وجود موقعين مناسبين جغرافيًا للخزانات مع فرق كبير في الارتفاع، وهو شرط يُحدّ بشدة من عدد المواقع المُجدية في العديد من المناطق ذات الكثافة السكانية العالية أو التضاريس المستوية.

باستخدام فراغ جوفي عميق كخزان سفلي، يمكن لتخزين المياه بالضخ تحت الأرض تحقيق ضغوط عالية جدًا، تتجاوز في بعض التكوينات المقترحة ما يمكن تحقيقه باستخدام التضاريس السطحية الطبيعية فقط، مع تقليل مساحة الأرض التي يشغلها المشروع بشكل كبير مقارنةً بتكوين الخزانين السطحيين التقليدي. تُعد المناجم المهجورة خيارًا جذابًا لهذا النهج في العديد من المناطق، نظرًا لأنها غالبًا ما تمتلك بالفعل جزءًا كبيرًا من البنية التحتية اللازمة للحفر تحت الأرض والأنفاق، مما قد يقلل تكاليف الإنشاء مقارنةً بالكهوف الجوفية المصممة خصيصًا لهذا الغرض، مع توفير استخدام مفيد للمواقع الصناعية التي قد تبقى غير مستخدمة بعد انتهاء عمليات التعدين. لا تزال هناك تحديات هندسية كبيرة في هذا المجال الناشئ، بما في ذلك ضمان الاستقرار الهيكلي طويل الأجل للفراغ الجوفي تحت تأثير ضغط التشغيل الدوري المرتبط بعملية تخزين المياه بالضخ، وإدارة تفاعلات المياه الجوفية، ومعالجة التحديات العملية لتركيب وصيانة المعدات الكهروميكانيكية الكبيرة في أعماق الأرض.

مياه البحر PSH

يستخدم تصميمٌ رائدٌ آخر المحيط نفسه كخزانٍ سفلي، وهو مفهومٌ يُعرف عمومًا باسم الطاقة الكهرومائية المُخزَّنة بالضخ من مياه البحر. يُتيح هذا النهج توسعًا كبيرًا مُحتملًا لمواقع تخزين الطاقة الكهرومائية المُجدية، لا سيما في المناطق الساحلية والجزرية ذات التضاريس الداخلية المحدودة المُلائمة لتكوينات الخزانات التقليدية المزدوجة للمياه العذبة، إذ لا يتطلب الأمر سوى تحديد موقع خزانٍ علوي مرتفع واحد بالقرب من خط الساحل، مع اعتبار البحر بمثابة خزانٍ سفلي غير محدودٍ وموجودٍ بالفعل.

Additionally to the geographic challenge -mountain directly on the coast-, the principal engineering challenge specific to seawater pumped-storage is materials science: every component of the system that comes into contact with seawater, including pump-turbine runners, penstocks, valves, and any submerged structural elements, must be specifically engineered to resist the highly corrosive effects of saltwater over the multi-decade operational lifespan expected of pumped-storage infrastructure, typically requiring specialized corrosion-resistant alloys, protective coatings, or الحماية الكاثودية تتطلب هذه الأنظمة متانة أكبر بكثير من تلك اللازمة لتطبيقات المياه العذبة. أما التحدي الثاني المهم فهو التلوث البيولوجي، وهو تراكم الكائنات البحرية مثل البرنقيل وبلح البحر والطحالب على الأسطح المغمورة وداخل هياكل السحب، مما قد يقلل من الكفاءة الهيدروليكية، ويزيد من متطلبات الصيانة، وفي الحالات الشديدة قد يعيق جزئيًا مسارات التدفق، الأمر الذي يستدعي استراتيجيات متخصصة لإدارة التلوث البيولوجي مثل التنظيف الميكانيكي الدوري، أو الطلاءات المضادة للتلوث المتخصصة، أو المعالجة الكيميائية لمياه السحب، وكل ذلك يزيد من تعقيد التشغيل والتكلفة مقارنةً بمحطة مياه عذبة تقليدية.

مجمعات الطاقة الهجينة

A growing trend in pumped-storage development involves the deliberate co-location of PSH facilities with other renewable generation technologies, most commonly floating solar photovoltaic (F-PV) installations placed directly on the surface of the reservoirs, or onshore wind farms sited near the PSH facility, creating an integrated hybrid energy park that shares transmission infrastructure and, in the case of floating solar, can deliver meaningful secondary benefits to the pumped-storage operation itself.

يمكن للألواح الشمسية العائمة المثبتة على سطح خزان تخزين المياه بالضخ أن تقلل بشكل كبير من فقدان المياه بالتبخر، كما سيتم توضيحه في الفصل التالي، وذلك عن طريق تظليل سطح الماء من أشعة الشمس المباشرة، مع توليد طاقة كهربائية إضافية في الوقت نفسه، يمكن استخدامها مباشرة لتشغيل عمليات الضخ في الموقع أو تصديرها إلى الشبكة، كل ذلك دون الحاجة إلى الاستحواذ على أراضٍ إضافية تتجاوز مساحة الخزان التي يشغلها مشروع تخزين المياه بالضخ حاليًا. ويتيح الاستخدام المشترك لبنية الربط الشبكي، بما في ذلك خطوط النقل والمحطات الفرعية وحقوق الربط بالشبكة، والتي قد تمثل جزءًا كبيرًا من التكلفة الإجمالية للمشروع ومدة تطويره، لهذه التكوينات الهجينة تحسين الجدوى الاقتصادية الإجمالية لكل من مكونات التخزين والتوليد، مقارنةً بتطوير كل منهما على حدة في مواقع مختلفة. يوفر التواجد المشترك مع مزارع الرياح فائدة ذات صلة ولكنها متميزة: نظرًا لأن توليد طاقة الرياح غالبًا ما يكون مرتبطًا بشكل ضعيف بالوقت مع توليد الطاقة الشمسية ومع الطلب الإجمالي على الكهرباء، فإن وجود كل من توليد طاقة الرياح والتخزين بالضخ في موقع متكامل واحد يمكن أن يسمح باستخدام أكثر كفاءة لسعة النقل المشتركة، حيث يمتص مرفق التخزين بالضخ إنتاج طاقة الرياح خلال الفترات التي يتجاوز فيها التوليد ما يمكن أن تحمله وصلة النقل إلى الشبكة الأوسع، ثم يطلق تلك الطاقة المخزنة لاحقًا عندما تصبح سعة النقل متاحة.

وحدات صغيرة الحجم

يتمثل أحد المجالات الناشئة الأخيرة في تطوير وحدات تخزين الطاقة بالضخ صغيرة الحجم: أنظمة تخزين الطاقة بالضخ قياسية، مصنعة في المصانع، وجاهزة للتشغيل الفوري، مصممة للنشر السريع على نطاق أصغر بكثير من محطات تخزين الطاقة بالضخ التقليدية الكبيرة المصممة خصيصًا لكل موقع، والتي هيمنت تاريخيًا على هذه التقنية. فبينما تتطلب مشاريع تخزين الطاقة بالضخ التقليدية واسعة النطاق عادةً سنوات عديدة من التصميم الهندسي المدني المخصص، المصمم خصيصًا لتضاريس وجيولوجيا وهيدرولوجيا كل موقع على حدة، تهدف أنظمة تخزين الطاقة بالضخ صغيرة الحجم إلى توحيد الكثير من المعدات الكهروميكانيكية، وحتى أجزاء من تصميم الخزان أو الحاوية، في وحدات قابلة للتكرار ومصممة مسبقًا، يمكن تصنيعها خارج الموقع وتجميعها بسرعة نسبية في مواقع مختلفة.

تحليل مقارن مع تقنيات التخزين الأخرى

لا توجد تقنية تخزين بمعزل عن غيرها، ويتطلب الفهم التقني الكامل للطاقة الكهرومائية المخزنة بالضخ وضعها جنبًا إلى جنب مع الفئات الرئيسية الأخرى لتخزين الطاقة على نطاق الشبكة، والتي تتنافس على نفس الاستثمارات والدور في أنظمة الكهرباء الحديثة. أهم نقاط المقارنة هي:

• تُعد أنظمة تخزين الطاقة ببطاريات الليثيوم أيون (BESS) الآن أسرع فئات التخزين نموًا على مستوى العالم
• تخزين طاقة الهواء المضغوط (CAES) تقنية تخزين ميكانيكية تشترك في بعض أوجه التشابه المفاهيمية مع PSH
• بطاريات التدفق، وهي تقنية كهروكيميائية ناشئة تستهدف على وجه التحديد التطبيقات طويلة الأمد
• تخزين الطاقة القائم على الهيدروجين، والذي يحول فائض الكهرباء إلى هيدروجين لإعادة تحويله لاحقًا إلى طاقة أو استخدامات أخرى
• تخزين دولاب الموازنة، وهي تقنية ميكانيكية بحتة، ذات مدة قصيرة جداً.

لكل من هذه التقنيات مزيج مميز من نقاط القوة والضعف عبر أبعاد تشمل المدة والكفاءة والتكلفة والعمر الافتراضي ومرونة الموقع وسرعة الاستجابة، والجداول أدناه تنظم هذه المقارنات عبر المعايير الأكثر صلة بتخطيط الشبكة في العالم الحقيقي وقرارات الاستثمار.

المقارنة وفقًا للمعايير الفنية والتشغيلية

يقارن الجدول أدناه بين الطاقة الكهرومائية المخزنة بالضخ وتقنيات التخزين الرئيسية البديلة على نطاق الشبكة عبر المعايير الفنية والتشغيلية الأكثر شيوعًا في دراسات تخطيط الشبكة الرسمية وعمليات شراء التخزين.

المقارنة وفقًا للمعايير الاقتصادية

وبعيدًا عن الأبعاد التقنية البحتة، فإن قرارات الاستثمار والشراء تعتمد في نهاية المطاف على المقارنات الاقتصادية، والتي تم تقديم العديد منها في مناقشة LCOS في الفصل 5 ولكن تم توسيعها هنا لتشمل المجموعة الكاملة من التقنيات البديلة.

المقارنة وفقًا للمعايير البيئية والاستراتيجية

وأخيرًا، يتم تلخيص البصمة البيئية واعتبارات الموارد الاستراتيجية، التي تم تناولها في فصول سابقة خاصة بـ PSH، هنا في شكل مقارن عبر المجموعة الكاملة من التقنيات البديلة.

خاتمة

تحتل الطاقة الكهرومائية المخزنة بالضخ مكانةً مميزةً في مشهد تخزين الطاقة الحديث: فهي في الوقت نفسه أقدم وأكثر تقنيات التخزين واسعة النطاق نضجًا قيد الاستخدام التجاري، ومجالٌ متناميٌ للابتكار الهندسي مع تحوّل متطلباتها من دورة التشغيل المتوقعة مرتين يوميًا في العصر النووي إلى متطلبات التوازن الأكثر تقلبًا وتأثرًا بالطقس في شبكة كهربائية تهيمن عليها مصادر الطاقة المتجددة. وقد ظل مبدأها الفيزيائي الأساسي، المُجسّد في المعادلة البسيطة التي تربط الطاقة المخزنة بالكتلة والجاذبية والارتفاع، دون تغيير منذ أولى المنشآت في جبال الألب في تسعينيات القرن التاسع عشر، إلا أن التفاصيل الهندسية المحيطة بهذا المبدأ، بدءًا من تصميم التوربينات الضخية العكسية ومولدات المحركات متغيرة السرعة وصولًا إلى التكوينات تحت الأرض وفي مياه البحر، لا تزال تتطور استجابةً لمتطلبات التشغيل الجديدة وفرص المواقع الجديدة.

إن المفاضلة الأساسية لهذه التقنية، المتمثلة في عمرها التشغيلي الطويل للغاية وانخفاض معدل تدهورها لكل دورة، مقابل تكلفتها الرأسمالية الأولية المرتفعة، واعتمادها الكبير على الموقع الجغرافي المناسب، وفترات التطوير الطويلة، تضمن استمرار تخزين الطاقة بالضخ في لعب دور مكمل، وليس منافسًا، لتخزين البطاريات في معظم أنظمة الكهرباء في المستقبل المنظور، حيث تخدم كل تقنية حالات الاستخدام الأنسب لنقاط قوتها الخاصة. وبينما يواصل مشغلو الشبكات حول العالم مواجهة تحديات انخفاض قصور النظام، وتزايد تقلب إنتاج الطاقة المتجددة، والحاجة إلى موارد مرنة قصيرة وطويلة الأمد، تظل الطاقة الكهرومائية المخزنة بالضخ، التي تم تطويرها على مدار أكثر من قرن من التطوير الهندسي المستمر، ركيزة أساسية، وإن كانت محدودة جغرافيًا، في محفظة تخزين الطاقة العالمية.

التقنيات ذات الصلة

• تخزين الطاقة باستخدام بطاريات الليثيوم أيون (BESS): يوفر التخزين الكهروكيميائي استجابة سريعة وكفاءة عالية في دورة الشحن والتفريغ، ولكنه يتميز بمدة وعمر أقصر من تخزين الطاقة الكهروكيميائية.
• طاقة الهواء المضغوط التخزين (CAES): يخزن الطاقة عن طريق ضغط الهواء في كهوف تحت الأرض، ثم يتم توسيعه لاحقًا من خلال توربين لتوليد الكهرباء.
• بطاريات التدفق: التخزين الكهروكيميائي باستخدام الإلكتروليتات السائلة التي يتم ضخها بين الخزانات، وهو مناسب للتطبيقات ذات المدة الأطول من أيونات الليثيوم.
• تخزين طاقة الهيدروجين: يحول فائض الكهرباء إلى هيدروجين عن طريق التحليل الكهربائي لإعادة تحويله لاحقًا إلى طاقة، وهو المرشح الرئيسي للتخزين الموسمي.
• طاقة دولاب الموازنة تخزين: يخزن الطاقة الحركية في دوار دوار، مما يوفر استجابة سريعة للغاية خلال ثوانٍ إلى دقائق ولكن بمدة زمنية قصيرة.
• مضخة توربينية قابلة للعكس: الآلة الكهروميكانيكية الأساسية التي تُمكّن وحدة واحدة من العمل كمضخة وتوربين في آن واحد.
• آلة الحث ذات التغذية المزدوجة (DFIM): تقنية مولدات المحركات ذات السرعة المتغيرة التي تفصل سرعة الدوران عن تردد الشبكة من أجل ضخ مرن.
• المجموعة الثلاثية: بنية تجمع بين وحدات المضخة والتوربين المنفصلة على عمود مشترك لتبديل الوضع شبه الفوري.
• قصور الشبكة: الطاقة الحركية المثبتة التي توفرها الآلات الدوارة الكبيرة مثل وحدات PSH أثناء اضطرابات التردد المفاجئة.
• مكثف متزامن: نمط تشغيل تقوم فيه وحدة PSH بتزويد أو امتصاص الطاقة التفاعلية لدعم الجهد دون تحريك الماء.
• إمكانية بدء التشغيل من الصفر: القدرة على إعادة تشغيل وتنشيط شبكة كهربائية منهارة باستخدام الطاقة المخزنة محليًا فقط، وهي خدمة مناسبة تمامًا لشركة PSH لتقديمها.
• منحنى البطة: يُعدّ منحنى الطلب الصافي الحاد الناتج عن الانتشار العالي للطاقة الشمسية عاملاً رئيسياً في تشغيل أنظمة تخزين الطاقة الشمسية الحديثة التي تتبع الأحمال.
• المراجحة في مجال الطاقة: الاستفادة من الفرق بين فترات انخفاض أسعار الكهرباء وفترات ارتفاع أسعارها عن طريق ضخ المياه عندما تكون رخيصة وتوليد الكهرباء عندما تكون باهظة الثمن.
• التكلفة المُعدّلة للتخزين (LCOS): مقياس يوزع تكاليف دورة حياة أصول التخزين بالكامل على الطاقة التي توفرها، ويستخدم لمقارنة التقنيات ذات فترات العمر المختلفة.
• الطاقة الكهرومائية المخزنة بالضخ تحت الأرض (UPSH): تكوين يستخدم المناجم المهجورة أو الكهوف الجيولوجية كخزان سفلي لتقليل المساحة السطحية.
• الخلايا الكهروضوئية العائمة (F-PV): تم تركيب ألواح شمسية على أسطح الخزانات، مما يقلل من التبخر مع مشاركة البنية التحتية لنقل الطاقة مع محطة تخزين الطاقة الكهرومائية.

التعليمات

مسرد المصطلحات المستخدمة

Advanced Encryption Standard (AES): خوارزمية تشفير بمفتاح متماثل أنشأها المعهد الوطني الأمريكي للمعايير والتكنولوجيا، باستخدام شفرات كتلة ذات أحجام مفاتيح تبلغ 128 أو 192 أو 256 بت، وهي مصممة لتأمين البيانات الإلكترونية من خلال عمليات الاستبدال والتبديل.

Battery Energy Storage System (BESS): نظام يخزن الطاقة الكهربائية في بطاريات لاستخدامها لاحقًا، مما يتيح موازنة الأحمال، ودمج الطاقة المتجددة، واستقرار الشبكة. ويتضمن عادةً بطاريات، وأنظمة تحويل الطاقة، وأنظمة تحكم لإدارة تدفق الطاقة وتحسين الأداء.

Compressed-Air-Energy Storage (CAES): نظام يقوم بتخزين الطاقة عن طريق ضغط الهواء في كهوف أو حاويات تحت الأرض، وإطلاقه لتشغيل التوربينات لتوليد الكهرباء عند الحاجة، مما يحقق توازنًا فعالًا بين العرض والطلب في شبكات الطاقة.

Computer-Aided Engineering (CAE): مجموعة من أدوات البرمجيات التي تساعد في عمليات التحليل والتصميم الهندسي، وتمكن من إجراء عمليات المحاكاة والتحسينات والتحقق من صحة أداء المنتج من خلال الأساليب العددية وتقنيات النمذجة.

Pumped Hydroelectric Energy Storage (PHES): طريقة لتخزين الطاقة باستخدام الكهرباء الزائدة لضخ المياه إلى ارتفاع أعلى، والتي يتم إطلاقها لاحقًا لتوليد الكهرباء من خلال التوربينات عند زيادة الطلب.

Pumped-Storage Hydroelectricity (PSH): طريقة لتخزين الطاقة باستخدام الكهرباء الزائدة لضخ المياه إلى ارتفاع أعلى، والتي يمكن إطلاقها لاحقًا لتوليد الكهرباء خلال ذروة الطلب عن طريق السماح للمياه بالتدفق مرة أخرى عبر التوربينات.

Uninterruptible Power Supply (UPS): جهاز يوفر طاقة طوارئ للمعدات المتصلة أثناء انقطاع التيار الكهربائي، مما يضمن استمرارية التشغيل ويحمي من تقلبات الجهد. يتضمن عادةً بطارية وعاكسًا ونظام شحن للحفاظ على إمداد الطاقة واستقرارها.