دراسة نظام تخزين الطاقة الكهربائية في الهواء المضغوط

أهمية دراسة نظام تخزين الطاقة الكهربائية في الهواء المضغوط

يعد تطوير واستخدام الطاقة المتجددة علاجاً مهماً لأزمة الطاقة الأحفورية في جميع أنحاء العالم وقضايا التلوث البيئي، ونظراً لتقلب وعشوائية الطاقات المتجددة، مثل طاقة الرياح والطاقة الشمسية؛ فإن دمج موارد الطاقة هذه في شبكة الطاقة يفرض تحديات كبيرة على التشغيل الآمن وجودة الطاقة لأنظمة الطاقة الحديثة، وبالتالي اكتسبت كيفية الاستفادة من الطاقات المتجددة بطريقة آمنة وفعالة واقتصادية الكثير من الاهتمام.

تعد تقنية تخزين الطاقة وسيلة مهمة لحل المشكلات المذكورة أعلاه، وذلك مع القدرة على إعادة تشكيل ملف الحمل الكهربائي، كما يضيف نظام تخزين الطاقة (ESS) مرونة إضافية في تشغيل النظام ويساعد على استخدام الطاقة المتجددة على نطاق واسع، وفي الوقت نفسه؛ فإنه يمكن لتقنية تخزين الطاقة على نطاق واسع أن تقلل الفجوة بين أحمال الذروة وأحمال الوادي لتعزيز كفاءة أصول التوليد الكهربائي، مما لا شك فيه أن (ESS) يلعب دوراً مهماً في الشبكة الذكية ويصبح موضوعاً ساخناً في مجال أبحاث الطاقة.

كما أن هناك العديد من تقنيات تخزين الطاقة الناضجة، بما في ذلك تخزين طاقة الهواء المضغوط في البطاريات الكيميائية وتخزين الضخ وتخزين طاقة الهواء المضغوط (CAES) من بينها، بحيث تعد تقنية تخزين طاقة البطاريات الكيميائية هي الأكثر شيوعاً، لكن تكلفة الاستثمار وإعادة التدوير، بالإضافة إلى المشكلات البيئية المحتملة تحد من تطبيقها على نطاق واسع.

كما يتم تطبيق التخزين بالضخ على نطاق واسع في مجال الموارد المائية الوفيرة، ومع ذلك؛ فإن الظروف الجغرافية الخاصة تقيد الموقع المتاح، كما أن الضرر البيئي المحتمل يمنع المزيد من الترويج للتخزين الذي يتم ضخه، ومع ميزات عدد أقل من قيود البناء والكفاءة العالية والملاءمة البيئية؛ فإنه من المتوقع أن تكون (CAES) واحدة من أكثر تقنيات تخزين الطاقة الواعدة لمعالجة العديد من المشكلات التي تواجهها الاختراق العالي للطاقة المتجددة في الشبكة الذكية وإنترنت الطاقة.

لذلك توجد محطتان كبيرتان لتوليد الطاقة في (CAES)، بما في ذلك (Huntorf) و (McIntosh)، وهما قيد التشغيل التجاري والعديد من مصانع (CAES) الأخرى قيد الإنشاء، وبالإضافة إلى ذلك، اقترح عدد من المؤسسات والشركات البحثية العديد من هياكل (CAES) المبتكرة، بحيث بدأ معهد الفيزياء الحرارية الهندسية والأكاديمية الصينية للعلوم (IET-CAS)، وفي دراسة تقنية (CAES) فوق الحرجة من خلال الجمع بين تقنية (CAES) العادية وتكنولوجيا تخزين طاقة الهواء السائل (LAES) من عام (2009)م.

تقنيات تخزين الطاقة الكهربائية في الهواء المضغوط  CAES

المبدأ الأساسي: (CAES) هي تقنية “لتخزين الطاقة” تعتمد على تقنية توربينات الغاز، والتي تستخدم الكهرباء لضغط الهواء وتخزين الهواء عالي الضغط في خزان التخزين عن طريق كهف الملح تحت الأرض أو منجم تحت الأرض أو الآبار منتهية الصلاحية أو غرفة الغاز أثناء فترة تخزين الطاقة، كما ويطلق الهواء المضغوط لدفع التوربين لتوليد الكهرباء أثناء مرحلة “الإمداد بالطاقة”، وبعبارات بسيطة يعتمد عمر شحن (CAES) على مستواه الميكانيكي، مما يعني أنه ليس من السهل أن تتعب مثل البطارية، وعادة  يكون عمر (CAES) هو (30) إلى (40) سنة.

وأثناء عملية الشحن، يستخدم الضاغط الكهربائي خارج “أوقات الذروة” وطاقة الرياح والطاقة الشمسية المقيدة لضغط الهواء المحيط بالعملية، بحيث يتم الحصول على الطاقة الكهربائية المستهلكة لكل مرحلة من مراحل الضغط من خلال:

حيث أن:

(k): هو الأس ثابت الحرارة.

(Qm، c): هو معدل تدفق الهواء الكتلي.

(Rg): هو ثابت غاز الهواء.

(Tinc ، i): هو مدخل درجة حرارة الهواء للضاغط.

(ηc ، i): كفاءة الضاغط.

(βc ، i): هي نسبة الضغط.

يمكن التعبير عن درجة حرارة الهواء لمخرج كل مرحلة من مراحل الضغط على النحو التالي:

التصنيف: حتى الآن، تم تطوير العديد من معماريات (CAES)، وذلك وفقاً لمعيار ما إذا كان احتراق الوقود ضرورياً أم لا، كما يمكن تصنيف (CAES) إلى (CAES) التكميلي (SF-CAES) و (NSF-CAES)، وبالنسبة لـ (SF-CAES) وباستثناء الهياكل الأساسية لـ (CAES)؛ فإنها تحتاج بنية (SF-CAES) إلى احتراق الوقود أثناء عملية تفريغ الطاقة لتحقيق عملية دورة كما في الشكل التالي (1).

كما تم تأسيس تقنية (SF-CAES) على مبدأ تقسيم عملية الضغط والتوسيع لمولد التوربينات الغازية، وعادة ما يتم تشغيل الضاغط والتوربينات الخاصة بالتوربينات الغازية في وقت واحد، بينما تعمل تلك الخاصة بـ (SF-CAES) بشكل منفصل.

وفي الوقت نفسه، يستهلك ضاغط التوربينات الغازية جزءاً معيناً من الطاقة الناتجة عن التوربين لضغط الهواء المحيط، ومع ذلك ليست هناك حاجة لاستهلاك “الطاقة المولدة” من التوربينات أثناء مرحلة ضغط الهواء في (SF-CAES)، وفي هذا الصدد يعتمد نظام (SF-CAES) بشدة على الوقود الأحفوري بالإضافة إلى تلوث البيئة بسبب احتراق الغاز.

وبالنسبة الى (NSF-CAES)؛ فإنه يكون متميزاً عن (SF-CAES)، كما يجمع (NSF-CAES) ويخزن ويعيد استخدام الضغط الحراري لتسخين الهواء المضغوط الداخل إلى التوربين بناءً على تقنية تجديد الحرارة، كما تتضمن مخططات التصميم النموذجية لنظام (NSF-CAES) ضغطاً غير ثابت الحرارة بدون حرق إضافي وضغط ثابت الحرارة مع إعادة تدوير الطاقة الحرارية بمرحلة واحدة وضغط ثابت الحرارة مع إعادة تدوير الطاقة الحرارية متعددة المراحل، بحيث يوضح الشكل التالي (2) مخططاً لنظام (NSF-CAES).

حالة تطوير (CAES): يمكن تصنيف نظام (CAES) بسعة مقياس تزيد عن (50) ميغاواط على أنه نظام واسع النطاق، كما يوجد مصنعان تجاريان لـ (CAES)، بما في ذلك مصنع (Huntorf) الموجود في ألمانيا ومصنع (McIntosh) في الولايات المتحدة، حيث تم الانتهاء من مصنع (Huntorf CAES) في عام (1978)م، ولا يزال قيد التشغيل.

كما تبلغ طاقة الضاغط وقدرة الخرج لـ (Huntorf 60) و (321) ميغاوات على التوالي، بحيث يمكن شحن وحدة (Huntorf) بشكل مستمر لمدة (8) ساعات لتوفير توليد طاقة لمدة ساعتين، كما يعتمد مصنع (Huntorf) على بنية (SF-CAES)، حيث يتم تخزين الهواء المضغوط في كهف ملحي بعمق (600) متر مع حجم (310000) متر مكعب ويتراوح ضغط التخزين من (5) إلى (7) ميجا باسكال.

وأخيراً باعتبارها تقنية واعدة لتخزين الطاقة؛ فإن (CAES) لديها إمكانات كبيرة للتطوير، لمواجهة مجال الطاقة في المستقبل، بحيث تركز هذه الدراسة على المبادئ الأساسية والخصائص التقنية للأنظمة الفرعية الرئيسية وكذلك تطبيق تكنولوجيا (CAES)، وفي الوقت نفسه يتم اقتراح القرارات الممكنة لآفاق التطبيق واتجاه تطوير تكنولوجيا (CAES).

لتعزيز بناء الإنترنت في مجال الطاقة والحفاظ على الطاقة وخفض الانبعاثات؛ فإنه من الممكن استخدام مشاريع علمية وتكنولوجية كبرى كشركة نقل، بحيث تسعى للتعاون بين الوكالة الحكومية والصناعة والأوساط الأكاديمية ومعاهد البحث، والبدء من تفكير مختلف على نطاق واسع وصغير ومقياس (CAES)، وبالتالي الاستفادة بشكل كبير من التنمية الحاسمة لصناعة (CAES).