تعرفوا على المنافس الأقوى للطاقة الشمسية وطاقة الرياح

الطاقة الكهرومائية مسارًا لتنظيف الكهرباء في عام 2050.

دفعت الحاجة الملحة لخفض انبعاثات الكربون عددًا متزايدًا من الولايات الأمريكية إلى الالتزام بتحقيق كهرباء نظيفة بنسبة 100 في المائة بحلول عام 2040 أو 2050. لكن معرفة كيفية الوفاء بهذه الالتزامات مع استمرار وجود نظام طاقة موثوق به وبأسعار معقولة يمثل تحديًا. ستشكل منشآت طاقة الرياح والطاقة الشمسية العمود الفقري لنظام طاقة خالٍ من الكربون ، ولكن ما هي التقنيات التي يمكنها تلبية الطلب على الكهرباء عندما لا تكون هذه المصادر المتجددة المتقطعة كافية؟

ما هي الخيارات المطروحة للوصول لكهرباء نظيفة؟

بشكل عام ، تشمل الخيارات التي تتم مناقشتها الطاقة النووية ، والغاز الطبيعي مع احتجاز الكربون وتخزينه (CCS) ، وتقنيات تخزين الطاقة مثل البطاريات الجديدة والمحسّنة والتخزين الكيميائي في شكل هيدروجين. ولكن في شمال شرق الولايات المتحدة ، هناك إمكانية أخرى مقترحة: الكهرباء المستوردة من محطات الطاقة الكهرومائية في مقاطعة كيبيك الكندية المجاورة.

الاقتراح المنطقي

يمكن أن تنتج هذه المحطات قدرًا من الكهرباء يعادل حوالي 40 محطة طاقة نووية كبيرة ، وتأتي بعض الطاقة المولدة في كيبيك بالفعل إلى الشمال الشرقي. لذلك ، يمكن أن يكون هناك إمداد إضافي وفير لسد أي نقص عندما تقل مصادر الطاقة المتجددة المتقطعة في نيو إنجلاند. ومع ذلك ، فإن مستثمري طاقة الرياح والطاقة الشمسية في الولايات المتحدة ينظرون إلى الطاقة الكهرومائية الكندية كمنافس ويجادلون بأن الاعتماد على الإمداد الأجنبي لا يشجع المزيد من الاستثمار الأمريكي.

قبل عامين ، ثلاثة باحثين تابعين لمركز معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا لبحوث الطاقة والسياسة البيئية (CEEPR) –
Emil Dimanchev SM ’18 ، وهو الآن مرشح لدرجة الدكتوراه في الجامعة النرويجية للعلوم والتكنولوجيا ؛ جوشوا هودج ، المدير التنفيذي لشركة CEEPR ؛ وجون بارسونز ، كبير المحاضرين في كلية إم آي تي ​​سلون للإدارة – بدأوا يتساءلون عما
إذا كان النظر إلى الطاقة المائية الكندية كمصدر آخر للكهرباء قد يكون ضيقًا للغاية. يقول ديمانشيف: “الطاقة الكهرومائية
هي تقنية عمرها أكثر من مائة عام ، وقد تم بالفعل بناء محطات في الشمال”. “قد لا نحتاج إلى بناء شيء جديد. قد
نحتاج فقط إلى استخدام تلك النباتات بشكل مختلف أو إلى حد أكبر “.

لذلك قرر الباحثون دراسة الدور المحتمل والقيمة الاقتصادية لمورد الطاقة الكهرومائية في كيبيك في نظام منخفض
الكربون في المستقبل في نيو إنجلاند. كان هدفهم هو المساعدة في إبلاغ صانعي السياسات وصناع القرار في
المرافق وغيرهم حول أفضل السبل لدمج الطاقة الكهرومائية الكندية في خططهم وتحديد مقدار الوقت والمال الذي
يجب أن تنفقه نيو إنجلاند لدمج المزيد من الطاقة الكهرومائية في نظامها. ما اكتشفوه كان مفاجئًا ، حتى بالنسبة لهم.

الطرق التحليلية

لاستكشاف الأدوار التي يمكن أن تلعبها الطاقة الكهرمائية الكندية في نظام الطاقة في نيو إنجلاند ، احتاج باحثو معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا أولاً إلى التنبؤ بالكيفية التي قد يبدو عليها نظام الطاقة الإقليمي في عام 2050 – الموارد الموجودة وكيف سيتم تشغيلها ، في ضوء أي قيود سياسية. لإجراء هذا التحليل ، استخدموا GenX ، وهي أداة نمذجة
تم تطويرها في الأصل بواسطة Jesse Jenkins SM ’14، PhD ’18 و Nestor Sepulveda SM ’16، PhD ’20 بينما كانا
باحثين في MIT Energy Initiative (MITEI).

تم تصميم نموذج GenX لدعم اتخاذ القرار المتعلق بالاستثمار في نظام الطاقة والتشغيل في الوقت الفعلي وفحص
تأثيرات مبادرات السياسة المحتملة على تلك القرارات. بالنظر إلى المعلومات حول التقنيات الحالية والمستقبلية –
أنواع مختلفة من محطات الطاقة وتقنيات تخزين الطاقة وما إلى ذلك – تحسب GenX مجموعة المعدات وظروف التشغيل
التي يمكن أن تلبي طلبًا مستقبليًا محددًا بأقل تكلفة. يمكن أن تتضمن أداة النمذجة GenX أيضًا قيود السياسة المحددة ، مثل القيود المفروضة على انبعاثات الكربون.

ما هي محطات Hydro-Québec؟

لدراستهم ، قام Dimanchev و Hodge و Parsons بتعيين المعايير في نموذج GenX باستخدام البيانات والافتراضات
المستمدة من مجموعة متنوعة من المصادر لبناء تمثيل لأنظمة الطاقة المترابطة في نيو إنجلاند ونيويورك وكيبيك.
(شملوا نيويورك لحساب الطلب الحالي لتلك الولاية على الموارد المائية الكندية.) للحصول على بيانات عن الطاقة
الكهرومائية المتاحة ، لجأوا إلى Hydro-Québec ، المرفق العام الذي يمتلك ويشغل معظم محطات الطاقة الكهرومائية
في كيبيك.

من المعياري في مثل هذه التحليلات تضمين قيود هندسية واقعية على المعدات ، مثل مدى السرعة التي يمكن بها
زيادة سرعة محطات طاقة معينة صعودًا وهبوطًا. بمساعدة من Hydro-Québec ، وضع الباحثون أيضًا قيودًا تشغيلية من ساعة إلى ساعة على مورد الطاقة الكهرومائية.

معظم محطات Hydro-Québec هي أنظمة “خزانات للطاقة الكهرومائية”. فيها ، عندما لا تكون هناك حاجة للطاقة ، يتم
تقييد التدفق في النهر بسد في اتجاه مجرى النهر ، ويمتلئ الخزان. عندما تكون هناك حاجة للطاقة ، يتم فتح السد ،
وتمر المياه في الخزان عبر أنابيب أسفل مجرى النهر ، وتحول التوربينات وتوليد الكهرباء. تتطلب الإدارة السليمة لمثل
هذا النظام الالتزام بقيود تشغيل معينة. على سبيل المثال ، لمنع الفيضانات ، يجب عدم السماح للخزانات بالملء الزائد – خاصة قبل ذوبان الجليد في الربيع. ولا يمكن زيادة التوليد بسرعة كبيرة لأن الفيضان المفاجئ للمياه يمكن أن يؤدي إلى
تآكل حواف النهر أو تعطيل الصيد أو جودة المياه.

استنادًا إلى توقعات من المختبر الوطني للطاقة المتجددة وأماكن أخرى ، حدد الباحثون الطلب على الكهرباء لكل ساعة
من عام 2050 ، وقام النموذج بحساب مزيج التكلفة الأمثل للتقنيات ونظام تشغيل النظام الذي من شأنه أن يلبي هذا
الطلب بالساعة ، بما في ذلك الإرسال لنظام الطاقة الكهرمائية Hydro-Québec. بالإضافة إلى ذلك ، حدد النموذج كيفية تداول الكهرباء بين نيو إنجلاند ونيويورك وكيبيك.

آثار حدود إزالة الكربون على مزيج التكنولوجيا وتجارة الكهرباء

لدراسة تأثير تفويضات الحد من الانبعاثات في ولايات نيو إنجلاند ، قام الباحثون بتشغيل النموذج بافتراض حدوث انخفاضات في انبعاثات الكربون بين 80 في المائة و 100 في المائة مقارنة بمستويات عام 1990. تظهر نتائج هذه العمليات أنه مع زيادة صرامة حدود الانبعاثات ، تستخدم نيو إنجلاند المزيد من طاقة الرياح والطاقة الشمسية وتطيل عمر محطاتها النووية الحالية. لتحقيق التوازن بين التقطع في مصادر الطاقة المتجددة ، تستخدم المنطقة مصانع الغاز الطبيعي ، وإدارة جانب الطلب ، وتخزين البطاريات (على غرار بطاريات الليثيوم أيون) ، والتداول مع نظام كيبيك القائم على الطاقة الكهرومائية. وفي الوقت نفسه ، يتكون المزيج الأمثل في كيبيك في الغالب من توليد الطاقة المائية الحالي. يتم إضافة بعض الطاقة الشمسية ، ولكن الخزانات الجديدة يتم بناؤها فقط إذا افترضنا أن تكاليف الطاقة المتجددة مرتفعة للغاية.

النتيجة الأكثر أهمية – وربما المدهشة – هي أنه في جميع السيناريوهات ، فإن النظام القائم على الطاقة الكهرومائية في كيبيك ليس فقط مُصدِّرًا ولكن أيضًا مستوردًا للكهرباء ، مع تغيير اتجاه التدفق على خطوط نقل كيبيك ونيو إنجلاند. الوقت.

تاريخيًا ، كانت الطاقة تتدفق دائمًا من كيبيك إلى نيو إنجلاند. تُظهر نتائج النموذج لعام 2018 تدفق الكهرباء من الشمال إلى الجنوب ، مع تحديد الكمية بحد قدرة النقل الحالية البالغة 2225 ميجاوات.

تحليل لعام 2050

بافتراض أن نيو إنجلاند تزيل الكربون بنسبة 90 في المائة وأن قدرة خطوط النقل لا تزال كما هي ، وجد أن تدفق الكهرباء يسير في كلا الاتجاهين. لا تزال التدفقات من الشمال إلى الجنوب مهيمنة. ولكن لما يقرب من 3500 ساعة من إجمالي 8760 ساعة في العام ، تتدفق الكهرباء في الاتجاه المعاكس – من نيو إنجلاند إلى كيبيك. ولأكثر من 2200 ساعة من تلك الساعات ، يكون التدفق المتجه شمالًا بأقصى ما يمكن أن تحمله خطوط النقل.

اتجاه التدفق مدفوع بالاقتصاد. عندما يكون التوليد المتجدد وفيرًا في نيو إنجلاند ، تكون الأسعار منخفضة ، ويكون من الأرخص بالنسبة لكيبيك استيراد الكهرباء من نيو إنجلاند والحفاظ على المياه في خزاناتها. على العكس من ذلك ، عندما تكون مصادر الطاقة المتجددة في نيو إنجلاند نادرة والأسعار مرتفعة ، تستورد نيو إنجلاند الكهرباء المولدة من المياه من كيبيك.

لذا ، بدلاً من توفير الكهرباء ، توفر الطاقة المائية الكندية وسيلة لتخزين الكهرباء المولدة من مصادر الطاقة المتجددة المتقطعة في نيو إنغلاند.

يقول ديمانشيف: “نرى هذا في نمذجةنا لأننا عندما نقول للنموذج أن يلبي الطلب على الكهرباء باستخدام هذه الموارد ، يقرر النموذج أن استخدام الخزانات لتخزين الطاقة بدلاً من أي شيء آخر هو التكلفة المثلى”. “يجب أن نرسل الطاقة ذهابًا وإيابًا ، لذا فإن الخزانات في كيبيك هي في الأساس بطارية نستخدمها لتخزين بعض الكهرباء التي تنتجها مصادرنا المتجددة المتقطعة وتفريغها عندما نحتاج إليها.”

 

بالنظر إلى هذه النتيجة ، قرر الباحثون استكشاف تأثير توسيع قدرة الإرسال بين نيو إنجلاند وكيبيك. دائمًا ما يكون بناء خطوط النقل أمرًا مثيرًا للجدل ، ولكن ما هو التأثير إذا أمكن القيام به؟

تظهر نتائج نموذجهم أنه عند زيادة سعة النقل من 2225 ميغاواط إلى 6225 ميغاواط ، تكون التدفقات في كلا الاتجاهين أكبر ، وفي كلتا الحالتين يكون التدفق عند الحد الأقصى الجديد لأكثر من 1000 ساعة.

وبالتالي تؤكد نتائج التحليل أن الاستجابة الاقتصادية لقدرة النقل الموسعة هي تجارة ثنائية الاتجاه. لمواصلة تشبيه البطارية ، تزيد سعة الإرسال من كيبيك وإليها بشكل فعال من معدل شحن البطارية وتفريغها.

 

نوصيكم بقراءة:

لهذه الاسباب ابتعد عن البيتكوين

الحل الاحدث في مجال تخزين الطاقة الحرارية

أسلاك النانو تنتج بطاريات تدوم مدى الحياة

جديد من Microsoft جهاز بمواصفات رائعة

إنفجار Cassiopeia A في لمحة تاريخية كونيّة