تُخزّن الطاقة الكهرومائية بالضخ الطاقة الكهربائية عن طريق ضخ المياه إلى أعلى التل ثم استعادتها لاحقًا عبر التوربينات أثناء عودتها إلى أسفل. وهي أقدم تقنية تخزين طاقة على نطاق الشبكة تُستخدم تجاريًا، إذ تعود جذورها إلى جبال الألب الأوروبية في تسعينيات القرن التاسع عشر، ولا تزال الأكبر من حيث السعة المركبة حتى مع التوسع السريع في استخدام البطاريات عالميًا. وقد انتشرت هذه التقنية عالميًا في منتصف القرن العشرين لموازنة توليد الطاقة النووية الأساسية غير المرنة، وخلال العقدين الماضيين، تحوّل دورها نحو استيعاب تقلبات إنتاج طاقة الرياح والطاقة الشمسية، وهو دور يعتمد على نفس المبدأ الفيزيائي الأساسي: تحويل طاقة الوضع الجاذبية إلى كهرباء ومن ثم تحويلها إليها عبر مضخة توربينية قابلة للعكس.
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.
فيزياءها بسيطة، لكن بصمتها هائلة. يتناسب تخزين الطاقة مع الكتلة والجاذبية والارتفاع (E = η, m, g, h)، ولكن نظرًا لأن كثافة الطاقة في الماء منخفضة جدًا مقارنة بالبطاريات الكيميائية، فإن تخزين الطاقة الكهرومائية يحتاج إلى خزانات تُقاس بملايين الأمتار المكعبة لتخزين ما يمكن أن تستوعبه بطارية في مستودع. - 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. أيون الليثيوم البطاريات (85-95٪)، لكن PSH يحافظ على هذا الأداء لمدة 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
تُعدّ الطاقة الكهرومائية المُخزّنة بالضخ (PSH)، والمعروفة أيضًا باسم تخزين الطاقة الكهرومائية بالضخ أو تخزين الطاقة الكهرومائية بالضخ (PHES)، أقدم أشكال تخزين الطاقة على نطاق الشبكة في العالم اليوم، وهي الأكبر حجمًا بلا منازع. في جوهرها، تبدو هذه التقنية بسيطة ظاهريًا: حيث يُضخ الماء إلى أعلى التل إلى خزان عندما تكون الكهرباء رخيصة أو وفيرة، ثم يُطلق إلى أسفل التل عبر التوربينات لتوليد الكهرباء عندما تكون نادرة أو باهظة الثمن. المبدأ الميكانيكي لقد جعلت تقنية تخزين الطاقة الشمسية الكهروضوئية العمود الفقري لتخزين الطاقة على نطاق الشبكة لأكثر من قرن، ولا تزال تقنية التخزين المهيمنة من حيث السعة المركبة حتى في عصر انخفاض تكاليف البطاريات بسرعة.
غالباً ما يوصف PSH بشكل غير رسمي بأنه "بطارية مائية".
على عكس البطارية الكيميائية، التي تخزن الطاقة في الروابط الكهروكيميائية لموادها الفعالة، تخزن محطة التخزين بالضخ الطاقة في الجهد الجاذبي لكتلة مرتفعة من الماء. هذا التشبيه مفيد ولكنه ليس دقيقًا تمامًا: فبطارية الماء لا تتدهور كيميائيًا على مدى آلاف الدورات كما هو الحال مع خلية أيونات الليثيوم، ولكنها مقيدة بالجغرافيا، وتوفر الأراضي المناسبة وحقوق المياه، فضلًا عن مساحتها المادية الأكبر بكثير وجدولها الزمني الأطول للإنشاء. فبينما يمكن بناء مصنع بطاريات في غضون عامين، قد يستغرق مشروع التخزين بالضخ عقدًا أو أكثر من الدراسات الأولية للموقع إلى التشغيل. هذه المفاضلة بين سرعة النشر وعمر الأصول الطويل أساسية لفهم دور التخزين بالضخ في الشبكات الحديثة.
الأصول المبكرة (1890-1920)ظهرت أولى محطات تخزين الطاقة بالضخ في المناطق الألبية الأوروبية خلال العقد الأخير من القرن التاسع عشر. امتلكت سويسرا وإيطاليا وأجزاء من جنوب ألمانيا عنصرين أساسيين جعلا تخزين الطاقة بالضخ في بداياته مجديًا: تضاريس جبلية غنية توفر تباينات كبيرة في الارتفاع على مسافات قصيرة، وقطاع كهرباء ناشئ كان يعاني من عدم التوافق بين توليد الطاقة الكهرومائية المستمر والطلب الصناعي المتقلب. كانت الأحمال الصناعية المبكرة، التي هيمنت عليها خطوط الترام ومصانع النسيج وشبكات الإنارة البلدية الناشئة، متغيرة للغاية على مدار اليوم، بينما أنتجت العديد من محطات الطاقة الكهرومائية التي تعمل بمياه الأنهار والبحيرات في تلك الفترة إنتاجًا ثابتًا نسبيًا. وفر تخزين الطاقة بالضخ وسيلة لتخزين فائض الطاقة المولدة خلال ساعات انخفاض الطلب وإعادة استخدامه خلال ساعات ذروة الطلب، مما ساهم في تخفيف هذا التباين دون الحاجة إلى سعة إضافية تعتمد على الوقود. كانت هذه المشاريع من الجيل الأول متواضعة وفقًا للمعايير الحديثة، حيث بُنيت عادةً حول نظام مضخة وتوربين واحد قابل للعكس أو مزدوج، بسعات تخزين تُقاس بعشرات الميغاواط/ساعة بدلاً من آلافها. ومع ذلك، فقد أرست هذه المشاريع المنطق الأساسي الذي لا يزال يُحدد هذه التقنية حتى اليوم: استخدام الطاقة الرخيصة أو الفائضة لرفع المياه، واستعادة جزء من تلك الطاقة لاحقًا على شكل كهرباء، والربح من فرق القيمة بين الفترتين الزمنيتين أو استغلاله بطريقة أخرى. |
التكافل في العصر النووي (الستينيات - الثمانينيات)شهدت هذه التقنية أول توسع كبير لها في العقود التي تلت الحرب العالمية الثانية، مع إعادة بناء الدول لاقتصاداتها وتزويدها بالكهرباء، وبروز الطاقة النووية كمصدر رئيسي لتوليد الطاقة الأساسية. تُعدّ محطات الطاقة النووية مناسبة تقنيًا واقتصاديًا للعمل بمستوى إنتاج ثابت؛ إذ يُعدّ رفع وخفض مستوى المفاعل بسرعة أمرًا مُرهقًا ميكانيكيًا ومُهدرًا اقتصاديًا، نظرًا لأن تكلفة الوقود تُشكّل جزءًا صغيرًا من إجمالي تكلفة محطة الطاقة النووية مقارنةً بالتكلفة الرأسمالية الثابتة الهائلة. وقد خلق هذا مشكلة هيكلية: يكون إنتاج الطاقة النووية في ذروة كفاءته عندما يكون ثابتًا، بينما لا يكون الطلب على الكهرباء ثابتًا أبدًا. فهو يرتفع بشكل حاد في الصباح والمساء، ثم ينخفض إلى أدنى مستوياته خلال الليل. أصبحت تقنية التخزين بالضخ شريكًا طبيعيًا لتوليد الطاقة النووية الأساسية خلال هذه الفترة. قامت شركات المرافق في فرنسا واليابان والولايات المتحدة والمملكة المتحدة ببناء محطات تخزين بالضخ ضخمة خصيصًا لاستيعاب فائض الطاقة الليلية من محطات الطاقة النووية (وإلى حد أقل محطات الفحم) التي لم يكن من الممكن خفض إنتاجها اقتصاديًا. تم استخدام فائض الطاقة هذا، الذي كان سيتم تقليصه أو بيعه بخسارة لولا ذلك، في مضخة تُضخ المياه إلى أعلى التل طوال الليل. وفي اليوم التالي، خلال ذروة الطلب الصباحية والمسائية، تُطلق هذه المياه المخزنة لتوليد الكهرباء، مما يسمح فعلياً لمحطات الطاقة النووية بالعمل بكفاءة عالية وبإنتاج ثابت، بينما تتلقى الشبكة الكهربائية طاقة متغيرة تتناسب مع الطلب. تُعرف هذه العلاقة أحياناً باسم "التكافل بين الطاقة النووية وتخزين الطاقة بالضخ"، وهي تُفسر سبب امتلاك الدول التي لديها أساطيل نووية كبيرة، مثل فرنسا واليابان والولايات المتحدة، أساطيل كبيرة من محطات تخزين الطاقة بالضخ، والتي بُنيت خلال نفس الفترة الممتدة لعقود. |
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.
| (E = eta , m , g , h) |
أين
|
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: (E = eta , rho , V , g , h)
حيث تمثل (rho) كثافة الماء، و(V) حجم الماء المتداول بين الخزانات. تكشف هذه الصيغة مباشرةً عن المفاضلة التصميمية الأساسية لتخزين الطاقة بالضخ:
تتناسب سعة تخزين الطاقة الإجمالية خطيًا مع كل من حجم المياه المتاحة وارتفاع الضغط، مما يعني أن الموقع الذي يحتوي على ضعف الارتفاع يمكنه تخزين نفس الطاقة بنصف حجم الخزان، والعكس صحيح.
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 استهلاكها للطاقة بشكل ملحوظ. إذ يمكن لنظام بطاريات الليثيوم أيون النموذجي تخزين ما يقارب عدة مئات من الواط-ساعة لكل لتر من حجم الخلية، بينما يخزن متر مكعب (1000 لتر) من الماء المرفوع إلى ارتفاع 500 متر، حتى مع كفاءة ذهاب وإياب تبلغ 85%، حوالي 1.16 كيلوواط-ساعة فقط، أو ما يقارب 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.
نصيحة عملية: عند تحديد حجم مشروع من الصفر، يكون من الأجدى عكس معادلة الطاقة وحساب حجم الخزان المطلوب بناءً على سعة الطاقة المستهدفة والضغط المتاح في الموقع المُرشّح، بدلاً من البدء بحجم خزان ثابت وملاحظة سعة الطاقة الناتجة. يبدأ اختيار الموقع عملياً عادةً بالسؤال: "ما مقدار الضغط المتاح؟"، لأن الضغط ثابت جغرافياً، بينما يُعدّ حجم الخزان المتغير الوحيد الذي يمكن للمهندسين المدنيين تعديله من خلال ارتفاع السد، أو حفر الحوض، أو مساحة السد.
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"
بالإضافة إلى 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. ويُعبر عن ذلك بالمعادلة التالية: (P = eta , rho , g , h , Q)
حيث تمثل (P) القدرة اللحظية (بالواط) و(Q) معدل التدفق الحجمي (بالمتر المكعب في الثانية). وتُستخدم هذه المعادلة لاتخاذ أحد أهم القرارات الهندسية في تصميم محطات الطاقة الكهرومائية ذات الضغط العالي: وهو 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.
تتطلب أنظمة الطاقة الكهرومائية ذات الضغط المنخفض، والتي توجد عادةً على الأنهار أو في المناطق المسطحة ذات فروق الارتفاع التي تقل عن 30 إلى 50 مترًا، تحريك كميات هائلة من المياه لتحقيق إنتاج طاقة ذي جدوى، نظرًا لأن الضغط يُسهم بشكل ضئيل نسبيًا. وهذا ما يدفع إلى استخدام توربينات محورية التدفق ذات قطر كبير وسرعة دوران منخفضة، وأكثرها شيوعًا وحدات كابلان المُكيّفة للتشغيل العكسي بين المضخة والتوربين، أو في بعض التطبيقات ذات الضغط المنخفض جدًا، توربينات من نوع البصلة. تميل محطات الطاقة الكهرومائية ذات الضغط المنخفض إلى امتلاك مساحات أكبر لمجاريها المائية ومحطات توليد الطاقة الخاصة بها مقارنةً بإنتاجها من الطاقة، ولكن يمكن إنشاؤها في مناطق لا تحتوي على تضاريس جبلية وعرة، مما يُوسع النطاق الجغرافي لتطوير أنظمة الطاقة الكهرومائية ذات الضغط المنخفض. وبين هذين النقيضين، تستخدم المواقع ذات الضغط المتوسط، والتي تتراوح عمومًا بين 50 و150 مترًا، غالبًا آلات من نوع فرانسيس أيضًا، على الرغم من أن هندسة الدوّار تُضبط بشكل مختلف عن تطبيقات الضغط العالي لتحقيق توازن في الكفاءة عبر نطاق التدفق الذي يُتوقع أن تعمل المحطة ضمنه.
قاعدة عامة أساسية: عند المقارنة التقريبية بين المواقع المتنافسة في مرحلة الجدوى، يفضل المطورون ذوو الخبرة إجراء حساب سريع لنسبة الارتفاع إلى المسافة قبل الالتزام بدراسات هندسية مفصلة؛ تعتبر النسبة التي تزيد عن 1:10 تقريبًا (متر واحد من الارتفاع الرأسي لكل عشرة أمتار من الفصل الأفقي بين الخزانات) جذابة بشكل عام، لأنها تحافظ على أطوال نفق الممر المائي أو قناة التوربين، وبالتالي التكاليف المدنية، قابلة للإدارة بالنسبة للارتفاع الذي يتم التقاطه.
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.
- 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.
- 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.
- 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.
نصيحة: عند تقييم رقم كفاءة الدورة الكاملة المنشور للمحطة، تحقق دائمًا مما إذا كان يتم ذكره عند نقطة تدفق التصميم أو متوسطه عبر نطاق التشغيل الكامل، لأن التوربينات الضخية تفقد كفاءتها بشكل ملحوظ عند الحمل الجزئي؛ قد تقدم وحدة مصنفة بنسبة 80 بالمائة من كفاءة الدورة الكاملة عند التدفق الكامل ما يقرب من 70 بالمائة عند التشغيل بنسبة 40 بالمائة من التدفق المقنن، وهو أمر مهم للغاية بالنسبة للمحطات التي يُطلب منها بشكل متزايد متابعة إنتاج الطاقة المتجددة المتغير بدلاً من التشغيل عند نقطة تصميم ثابتة.
The rest of this article is reserved for members
To limit scraping bots (currently 40,000 hits per day!),
we had to restrict access to full articles and tools to registered members only.
to access all the rest.
التعليمات
كيف تعمل تقنية تخزين الطاقة الكهرومائية بالضخ في الواقع؟
خلال فترات انخفاض الطلب على الكهرباء أو فائض الإنتاج، يُضخ الماء من خزان سفلي إلى خزان علوي مرتفع، حيث تُخزن الطاقة على شكل طاقة كامنة بفعل الجاذبية. وعند الحاجة إلى الطاقة، يُعاد إطلاق الماء نفسه إلى أسفل التل عبر التوربينات، محولاً طاقته الكامنة إلى كهرباء؛ وفي معظم المحطات الحديثة، تتولى مضخة توربينية واحدة قابلة للعكس كلا الاتجاهين بدلاً من استخدام آلتين منفصلتين.
ما مدى كفاءة تخزين الطاقة بالضخ مقارنة بالبطاريات؟
عادةً ما تُعيد محطة تخزين الطاقة بالضخ ما بين 70 و85 بالمئة من الكهرباء التي استهلكتها أثناء الضخ، وهي نسبة أقل بقليل من كفاءة دورة الشحن والتفريغ الكاملة لبطاريات الليثيوم أيون التي تتراوح بين 85 و95 بالمئة على مستوى الخلية. إلا أن هذا الفرق يتقلص في أهميته العملية مع مرور الوقت، لأن محطات تخزين الطاقة بالضخ تحافظ على هذه الكفاءة لمدة تتراوح بين 50 و100 عام من التشغيل، بينما تتدهور البطاريات تدريجياً وتحتاج عادةً إلى استبدال كامل بعد 10 إلى 20 عاماً فقط.
لماذا لا يمكن بناء أنظمة تخزين الطاقة بالضخ في أي مكان؟
على عكس البطاريات، التي يمكن تركيبها في أي مكان تقريبًا متصل بشبكة الكهرباء، يتطلب مشروع تخزين المياه بالضخ موقعين للخزانات يفصل بينهما فرق كبير في الارتفاع، وتكوينات جيولوجية مستقرة قادرة على دعم السدود والأنفاق، ومصدر مياه موثوق به للتعبئة الأولية والتزويد المستمر. هذه المتطلبات الجغرافية مجتمعة تعني أن عددًا محدودًا فقط من المواقع حول العالم مناسب حقًا للتطوير الجديد.
كم من الوقت يستغرق بناء مشروع تخزين الطاقة بالضخ؟
من دراسات الجدوى الأولية مروراً بالحصول على التراخيص البيئية، والتصميم الهندسي التفصيلي، وصولاً إلى أعمال الإنشاء المدني للسدود والأنفاق ومحطات توليد الطاقة، يستغرق المشروع النموذجي من خمس إلى عشر سنوات أو أكثر للوصول إلى مرحلة التشغيل التجاري. ويتناقض هذا الجدول الزمني الممتد تناقضاً صارخاً مع مشاريع البطاريات، التي غالباً ما تنتقل من مرحلة التخطيط إلى مرحلة التنفيذ في أقل من عامين.
هل تخزين الطاقة بالضخ أفضل من تخزين الطاقة بالبطاريات؟
بدلاً من تفوق تقنية واحدة بشكل قاطع، فإن كل تقنية منها تناسب احتياجات شبكة كهربائية مختلفة. تتفوق تقنية التخزين بالضخ في توفير كميات كبيرة من الطاقة بشكل مستمر لساعات طويلة مع موثوقية استثنائية على المدى الطويل وخصائص استقرار الشبكة، بينما تستجيب البطاريات في أجزاء من الثانية، كما أنها أسهل بكثير في التركيب، مما يجعلها أكثر ملاءمة للتطبيقات قصيرة المدة وسريعة الاستجابة.
ما هي المدة التي يمكن لمحطة تخزين الطاقة بالضخ أن تخزن فيها الطاقة؟
تعتمد مدة التصريف على كمية المياه التي يمكن أن تستوعبها خزانات المحطة مقارنةً بقدرتها التوليدية، ولكن معظم المحطات مصممة للحفاظ على الإنتاج الكامل لمدة تتراوح بين أربع واثنتي عشرة ساعة. ويمكن لبعض الخزانات الكبيرة جدًا أن تمدد هذه المدة، لتدعم توليد الطاقة لعدة أيام قبل الحاجة إلى إعادة تعبئتها.
هل لتخزين الطاقة بالضخ آثار بيئية؟
نعم، لا سيما في المواقع المتصلة بالأنهار الطبيعية، حيث يمكن أن تشمل التأثيرات اضطراب هجرة الأسماك، وتغير نقل الرواسب، وتغير أنماط التدفق الطبيعي التي تعتمد عليها النظم البيئية في المصب. كما تفقد الخزانات في المناخات الحارة أو الجافة المياه بسبب التبخر، وهو أحد الأسباب العديدة التي تجعل المطورين يفضلون بشكل متزايد التصاميم ذات الدائرة المغلقة المعزولة عن المجاري المائية الطبيعية.
كيف يُسهم تخزين الطاقة بالضخ في دعم شبكة الكهرباء بما يتجاوز مجرد تخزين الطاقة؟
إلى جانب تخزين الكهرباء وإطلاقها، يتميز المولد الدوار الضخم، الذي يُعدّ قلب محطة تخزين الطاقة الكهرومائية، بمقاومته الطبيعية للتقلبات المفاجئة في تردد الشبكة، وإمكانية تشغيله لدعم مستويات الجهد المحلية دون الحاجة إلى تحريك أي مياه على الإطلاق، بل ويمكنه حتى إعادة تشغيل شبكة كهربائية مفصولة تمامًا عن التيار بعد انقطاع كبير للتيار. لا تستطيع معظم أنظمة البطاريات محاكاة هذه الوظائف المُثبِّتة إلا جزئيًا، نظرًا لافتقارها إلى الكتلة الدوارة المادية نفسها.
لماذا يرتبط تخزين الطاقة بالضخ تاريخياً بالطاقة النووية؟
تعمل المفاعلات النووية بأعلى كفاءة وأمان عند تشغيلها باستمرار بمستوى إنتاج ثابت، إذ أن زيادة أو خفض إنتاجها بشكل متكرر يُعدّ إجهادًا ميكانيكيًا وهدرًا اقتصاديًا. وقد بُنيت محطات التخزين بالضخ جنبًا إلى جنب مع أساطيل المفاعلات النووية خصيصًا لاستيعاب فائض الكهرباء الذي تولده المفاعلات النووية ليلًا، ثم إطلاق تلك الطاقة المخزنة خلال فترات ذروة الطلب في الصباح والمساء التي لا يستطيع الإنتاج النووي وحده تلبيتها.
ما هو تخزين المياه بالضخ تحت الأرض أو مياه البحر؟
هذه تصميمات مواقع حديثة مصممة للتغلب على القيود الجغرافية التقليدية لتخزين الطاقة بالضخ. يستخدم تخزين الطاقة بالضخ من مياه البحر المحيط نفسه كخزان سفلي، مما يتيح الوصول إلى المواقع الساحلية والجزرية التي تفتقر إلى تضاريس داخلية مناسبة، بينما يستخدم تخزين الطاقة بالضخ تحت الأرض المناجم المهجورة أو الكهوف المحفورة كخزان سفلي، مما يسمح ببناء المشاريع في مناطق أكثر انبساطًا دون الحاجة إلى مساحات كبيرة من الأراضي السطحية.
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.
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.
