الشبكات الصغيرة وأنظمة التخزين الهجين الكهربائي والهيدروجيني

يعد إنتاج الهيدروجين من مصادر الطاقة المتجددة (RESs)، كما أنه أحد الطرق الفعالة لتحقيق ذروة الكربون وتحييد الكربون، وذلك من أجل ضمان التشغيل الفعال والموثوق والمستقر للشبكة الصغيرة [DC (MG)]، وذلك مع نظام تخزين الطاقة الهجين الكهربائي والهيدروجين (ESS).

تحليل الشبكات الكهربائية الصغيرة ذات  التخزين الهجين للطاقة

تعد أزمة الطاقة والتلوث البيئي من العوامل الهامة التي تقيد التطور الاقتصادي السريع لجميع البلدان في جميع أنحاء العالم، لذلك لقد أصبح تحسين أشكال الطاقة وتعزيز تحول الطاقة وتحقيق تنمية نظيفة ومستدامة ومنخفضة الكربون أهدافاً إنمائية مهمة في مجالات الطاقة المستقبلية، ومن أجل الحد من انبعاثات الكربون وتعزيز التنمية الصناعية للطاقة المتجددة؛ وضعت العديد من البلدان سياسات مختلفة للطاقة المتجددة وخطط تطوير الطاقة.

في عام (2016)م، أصدرت اللجنة الوطنية للتنمية والإصلاح (NDRC) “استراتيجية ثورة إنتاج الطاقة واستهلاكها (2016-2030) و “الخطة الخمسية الثالثة عشرة للخطة الوطنية للابتكار في العلوم والتكنولوجيا”، والتي تقترح أنه بحلول عام (2030)م سيشكل توليد الطاقة غير الأحفوري (50٪) من إجمالي توليد الطاقة، كما يمكن أن تضمن هذه السياسة التنمية طويلة الأجل والمستقرة لصناعة الطاقة المتجددة.

كما طرحت الصين أهداف التنمية المتمثلة في “ذروة الكربون” و “تحييد الكربون” وتسعى جاهدة لتحقيق ذروة ثاني أكسيد الكربون بحلول عام (2030)م وتحييد الكربون بحلول عام (2060)م، كذلك إجراء مهم لتحقيق ذروة الكربون وتحييد الكربون، ووفقاً لإحصاءات البحث ذات الصلة، بحيث وصلت قدرة طاقة الرياح والطاقة الشمسية الكهروضوئية التراكمية المركبة العالمية إلى (733.276) جيجاوات و (707.495) جيجاوات بحلول نهاية عام (2020)م.

ومع زيادة القدرة المركبة للطاقة المتجددة؛ فإنه لا يمكن استخدامها بشكل فعال، مما يقلل من معدل استخدام مصادر الطاقة المتجددة (RESs)، ووفقاً للإحصاءات، تم تقليص ما يقرب من (17.2٪) من طاقة الرياح و (10.3٪) من الطاقة الشمسية في عام (2016)م، وذلك على الرغم من تحسين معدل استخدام موارد الطاقة المتجددة عن طريق الإنذار المبكر وآلية الضمان؛ فإن ما يقرب من (4٪) من طاقة الرياح و (2٪) من الطاقة الشمسية، بحيث تم لا يزال مقلصاً في عام (2019)م.

هيكل النظام لشبكة الهيدروجين الكهربائية الدقيقة

تشتمل بنية نظام (MG) الكهربائي للهيدروجين بشكل أساسي على هياكل من النوع (AC ، DC)، بحيث يوضح الشكل التالي (1) الهيكل النموذجي لـ (AC MG).

من الشكل (1)، يتم توصيل وحدات مختلفة بناقل تيار متردد مشترك بواسطة أجهزة إلكترونية تعمل بالطاقة، وعند إغلاق المفتاح الثابت؛ فإنه يتم تحديد وضع إنتاج الهيدروجين المتصل بالشبكة الكهربائية، وعند إيقاف تشغيل المفتاح الثابت؛ يعمل (MG) في وضع إنتاج الهيدروجين خارج الشبكة.

ونظراً لأن الخلية الكهروضوئية والبطارية و (FC) والمحلل الكهربائي عبارة عن وحدات تيار مستمر؛ فإنه يلزم توفير المزيد من المعدات الإلكترونية للطاقة لتحقيق تحويل الطاقة والجهد الكهربائي لـ (AC MG)، لذلك؛ فإن التكلفة الإجمالية للاستثمار أعلى والكفاءة أقل، بالإضافة إلى ذلك يجب أيضاً حل مشاكل تنظيم التردد الكهربائي وتعويض الطاقة التفاعلية لـ (AC MG).

لذلك يظهر الشكل النموذجي للتيار الكهربائي الهيدروجين (DC MG) في الشكل التالي (2).

من الشكل (2) يتم توصيل وحدات مختلفة بناقل التيار المستمر المشترك بواسطة أجهزة إلكترونية تعمل بالطاقة، بحيث تحتاج وحدات (RES) ونظام تخزين طاقة البطارية (BESS) و (HESS) فقط إلى تحويل واحد للطاقة، مما يقلل من تكاليف الاستثمار ويحسن الكفاءة الإجمالية، بالإضافة إلى ذلك يحتاج (DC MG) فقط إلى التحكم في جهد ناقل التيار المستمر دون النظر إلى التردد وتعويض الطاقة التفاعلية، مما يبسط هيكل التحكم، لذلك يعد إنتاج (DC) للهيدروجين من (RESs) اقتراحاً واعداً للمستقبل.

تصنيف وخصائص إنتاج الهيدروجين من التحليل الكهربائي للماء

يعتبر المحلل الكهربائي هو المكون الأساسي لـ (HPU)، كما أنه النوع المختلف وصاحب أكبر نصيب في الخصائص الثابتة والديناميكية واستهلاك الطاقة والتكلفة والعمر وطلب الموقع، لذلك؛ فإن إتقان خصائص المحلل الكهربائي المختلفة مفيد لتصميم اقتراح التحكم في إنتاج الهيدروجين للطاقة المتجددة.

لذلك يمكن تقسيم (HPSs) عن طريق التحليل الكهربائي للماء إلى ثلاثة أشكال وفقاً لنوع المحلل الكهربي، وهو مُحَلِّل كهربائي قلوي (AE) له غشاء تبادل البروتون (PEM) ومحلل كهربائي للأكسيد الصلب (SOE)، بحيث يتم عرض مقارنة بين مختلف (HPSs) بواسطة التحليل الكهربائي للماء في الجدول التالي، ووفقاً للجدول؛ فإنه يتم تحليل خصائص الأنواع المختلفة من (HPSs) بواسطة التحليل الكهربائي للماء على النحو التالي:

• تتمثل المزايا الرئيسية للتحليل الكهربائي للمياه القلوية في التكنولوجيا الناضجة وإنتاج الهيدروجين الكبير وتكلفة الاستثمار المنخفضة نسبياً، وفي الوقت الحاضر يتمتع نظام التحليل الكهربائي للماء القلوي بترويج وتطبيق على نطاق واسع، كما تتمثل العيوب الرئيسية في نظام التحليل الكهربائي للمياه القلوية في مساحة احتلال كبيرة وإلكتروليت التآكل وتكاليف صيانة عالية في المراحل اللاحقة والطلب الكبير على الطاقة الكهربائية.

• تتمثل المزايا الرئيسية لنظام التحليل الكهربائي للمياه (PEM) في كثافة التيار العالي والمساحة الصغيرة المشغولة وخصائص الاستجابة الديناميكية الجيدة وأداء بدء التشغيل ونطاق تشغيلي واسع، كما يتوافق بشكل جيد مع (RESs)، وحالياً تم تسويقه وتطبيقه على نطاق صغير، بحيث تستخدم محفزات الأنود والكاثود في عربة كهربائية (PEM)، وبالتالي؛ فإن تكلفة المحلل الكهربائي (PEM) تكون مرتفعة.

• تتمثل المزايا الرئيسية لنظام التحليل الكهربائي للمياه المملوكة للدولة في الكفاءة العالية وكثافة التيار العالية، وفي الوقت الحالي يكون المحلل الكهربائي المملوك للكهرباء في مرحلة المختبر بشكل أساسي، لذلك لم يتم تسويقه، حيث أن العيب الرئيسي هو أن متطلبات درجة حرارة التحليل الكهربائي عالية، وأن هناك حاجة إلى مصدر حرارة خارجي بمصدر طاقة كبير للحفاظ على استقرار درجة الحرارة.

يقدم هذا البحث البنية النموذجية لـ (MG) الهيدروجين الكهربائي، كما ويحلل طرق النمذجة لأنواع مختلفة من المحلل الكهربائي، كذلك يتم تحليل بنية التحكم التشغيلي للتيار الكهربائي الهيدروجيني (DC MG)، وذلك بالاقتران مع خصائص العمل للمحلل الكهربائي القلوي، بحيث يتم أيضاً تحليل تأثير الوصول إلى تخزين طاقة الهيدروجين على الوضع التشغيلي لـ (DC MG).

كما تتم مقارنة استراتيجيات التحكم التشغيلي وتحليلها من أربعة جوانب، وهي الخصائص الثابتة والديناميكية لـ (HESS)، بالإضافة الى تخصيص الطاقة للمركب الهجين الكهربائي والهيدروجين (ESS) وتحسين كفاءة تخزين طاقة الهيدروجين، ومن ملخص وتحليل البحث الحالي ومقارنةً بـ (DC MG) التقليدي؛ فإنه لن يؤثر تكامل (HESS) على هندسة التحكم في النظام، ولكن الخصائص الثابتة والديناميكية لـ (HESS) سيكون لها تأثير كبير على الوضع التشغيلي والطاقة استراتيجية الإدارة وطريقة التحكم المنسقة لـ (DC MG).

كذلك يجب مراعاة الخصائص الديناميكية الثابتة لـ (HESS) والخصائص التكميلية لـ (ESS) الهجين الكهربائي والهيدروجين بشكل كامل في مقترح التحكم التشغيلي وإدارة الطاقة، مما يؤدي إلى تحسين قدرة (HPU) على تذبذب الطاقة الواسع لـ (RESs) والخدمة الحياة والكفاءة التشغيلية للنظام، وبالإضافة إلى ذلك يتم تحليل ومناقشة استراتيجية التحكم في الهيدروجين الكهربائي (DC MG).