EN
الهيدروجين مقابل التخزين بالبطاريات في مشاريع الطاقة طويلة المدى
للفِرقِ المُخطِّطةِ لأنظمةِ تخزينِ الطاقةِ المتجددة، فإنَّ السؤالَ الصحيحَ نادرًا ما يكونُ «هل نستخدمُ الهيدروجينَ أم البطاريات؟» بمعزلٍ عن السياق. بل هو: هل يحتاج المشروعُ إلى دورةٍ يوميَّةٍ فعَّالةٍ، أو مرونةٍ تمتدُّ لأيامٍ عدَّةٍ، أو نقلٍ موسميٍّ للطاقةِ، أو مزيجٍ من هذه الخياراتِ الثلاثةِ معًا؟ تخزين طاقة الشمس بالهيدروجين وتخزينُ الطاقةِ بالبطارياتِ يحلانِ أجزاءً مختلفةً من تلك المشكلة، لذا فإنَّ المقارنةَ الموثوقةَ تبدأُ بدورةِ التشغيلِ بدلًا من رقمِ الكفاءةِ الإجماليِّ البارز.
من منظورِ تقييمِ المشاريعِ بين الشركاتِ (B2B)، تكونُ البطارياتُ عادةً الأقوى حيث يجبُ إرجاعُ الكهرباءِ بسرعةٍ وغالبًا. أما الهيدروجينُ فيكتسبُ أهميةً أكبرَ عندما يتعيَّنُ حملُ الفائضِ من الطاقةِ المتجددةِ عبر فتراتٍ أطولَ، ويجبُ أن تزدادَ سعةُ التخزينِ دون أن تتوسَّعَ معدَّاتُ تحويلِ القدرةِ بنسبةٍ متناسبةٍ. وأكثرُ نتيجةٍ عمليةٍ لكثيرٍ من المواقعِ هي البنيةُ الهجينةُ، وليس الاختيارُ الحاسِمُ الذي يستبعدُ أحدَ الخيارينِ تمامًا.
ابدأ بفترةِ التخزينِ وأنماطِ الإرسالِ لتخزينِ طاقةِ الشمسِ بالهيدروجين
يُناقَشُ تخزين الطاقة لفترات طويلة عادةً على أنه التخزين القادر على التفريغ لمدة ثماني ساعات أو أكثر. وهذه التعريف مفيد، لكنه لا يزال واسعًا جدًّا بالنسبة إلى عمليات الشراء. فذروة المساء التي تستمر أربع ساعات، وحدث طقسي يستمر ٢٤ ساعة، وأسبوع من انخفاض إنتاج الطاقة المتجددة، كلُّها تفرض متطلباتٍ مختلفة جدًّا على النظام.
- البطاريات: يناسب الاستخدام المتكرِّر بكفاءة عالية، وخفض الذروة، والتحكم في معدل الارتفاع أو الانخفاض، ونقل طاقة الشمس خلال اليوم.
- الهيدروجين: قد يكون مناسبًا لتخزين الطاقة لعدة أيام أو أكثر، ولدعم الطوارئ ذات التكرار المنخفض، وللمشاريع التي تنتج كميات كبيرة من الطاقة المتجددة التي كانت ستُهدَر دون هذا التخزين.
- الأنظمة الهجينة: استخدم البطاريات للرد السريع، واستخدم الهيدروجين لتلبية احتياجات الكفاية الطاقية على المدى الطويل.
في حالة تخزين طاقة الشمس بالهيدروجين، قدِّر كلًّا من عدد ساعات التفريغ المتوقَّعة وعدد الأيام المتتالية ذات الإنتاج المنخفض جدًّا. وهذا يمنع فريق المشروع من تطبيق معيار البطاريات الدورانية اليومية على متطلبات الاحتياطي الطاقي التي تختلف قيمتها الجوهرية.
في مجموعة واسعة تخزين طاقة الشمس بالهيدروجين المشروع: تُغذّي الكهرباء الفائضة الناتجة عن أنظمة الطاقة الشمسية أو طاقة الرياح جهاز التحليل الكهربائي، ثم يُخزَّن الهيدروجين الناتج، ويمكن لخلية وقود أو مسار تحويل آخر إنتاج الكهرباء لاحقًا. وتتضمّن هذه السلسلة إضافاتٍ من المعدات وخطوات التحويل، لكنها تفصل خزان الطاقة عن وحدة القدرة الكهربائية. وهذه الفصل له أهمية بالغة عندما يحتاج المشروع إلى كمية كبيرة جدًّا من الطاقة المخزَّنة دون الحاجة إلى تكرار أسطول حاويات البطاريات ببساطة.
الكفاءة تميل لصالح البطاريات، لكن تخزين طاقة الشمس بالهيدروجين يغيّر معادلة المدة الزمنية
كفاءة الدورة الكاملة تُعَد معيار مقارنة رئيسي. وعادةً ما تحتفظ أنظمة بطاريات الليثيوم-أيون بنسبة أكبر بكثير من الكهرباء الداخلة إليها مقارنةً بالمسار الذي يحوِّل الطاقة إلى هيدروجين ثم يعيد تحويل الهيدروجين إلى طاقة. وقد استخدم تحليلٌ منشورٌ للمقارنة القائمة على الهيدروجين التوليدي كفاءة دورة كاملة تبلغ نحو ٣٠٪ لنظام هيدروجين مرجعي، وأشار إلى أن كفاءة بطاريات الليثيوم-أيون تتراوح بين ٧٥٪ و٩٠٪؛ أما الأداء الفعلي فيعتمد على جهاز التحليل الكهربائي وطريقة التخزين والضغط أو المعالجة وخلية الوقود والمعدات المساعدة ونقطة التشغيل.
وهذا الفارق يعني أن البطارية عادةً ما تكون الخيار الأفضل عندما تكون كل ميغاواط-ساعة من توليد الطاقة المتجددة نادرةٌ للغاية، وعندما يتكرر شحن الجهاز وتفريغه كثيرًا. ومع ذلك، لا تُقرِّر الكفاءة كل مشروعٍ طويل الأمد. فإذا كانت الطاقة الفائضة منخفضة التكلفة ستخضع للقطع (Curtailment) في حال عدم استخدامها، فقد يقدِّر المشروع امتلاك احتياطي كيميائي قابل للتخزين أكثر من تركيزه على تحقيق أقصى استرجاع ممكن للطاقة. تخزين غاز الهيدروجين يمكنها أيضًا دعم توافر الطاقة على فترات أطول، في حين تصبح الجدوى الاقتصادية لتثبيت البطاريات أكثر حساسية مع ازدياد المدة.
قارن بين البصمة البيئية والتوسّع والقيود المفروضة على الموقع في أنظمة تخزين طاقة الهيدروجين الشمسية
تتميّز أنظمة البطاريات بأنها وحداتية وبسيطة نسبيًّا في النشر لتطبيقات دعم الشبكة الكهربائية. ومع ذلك، مع ازدياد مدة التفريغ المطلوبة، يزداد المشروع في كمية سعة الطاقة المخزَّنة في البطاريات جنبًا إلى جنب مع أنظمة الإدارة الحرارية والتحكم وأنظمة السلامة وتخطيط الاستبدال. أما مشاريع الهيدروجين فتتضمّن متطلبات موقع خاصة بها: وحدة تحليل كهربائي، ومعدات التخزين، ومكونات توازن المحطة، وتصميم التهوية وكشف الغاز، وأصل تحويلي لإنتاج الطاقة الكهربائية.
مزايا تخزين غاز الهيدروجين ليست المسألة أن تصبح كل المواقع أبسط، بل أن قدرة التوليد والطاقة يمكن تكييفها باستخدام أدوات مختلفة. ويمكن لمطوّر المشروع تحديد حجم وحدة التحليل الكهربائي وكتلة توليد الطاقة وفقًا لمعدل الشحن والتفريغ المتوقع، ثم تقييم سعة التخزين بشكل منفصل بناءً على المدة المطلوبة للاحتياطي. ويجب إيلاء اهتمام خاص لهذه الطريقة في الحالات التي تجعل فيها محدودية الأراضي أو صعوبات اللوجستيات في التسليم أو التخفيضات الإجبارية للطاقة المتجددة أو متطلبات المرونة من التخزين لعدة أيام هدفًا تصميميًّا.
مصفوفة مقارنة بين مشروع تخزين طاقة الهيدروجين الشمسي ومشروع البطاريات
| عامل اتخاذ القرار | تخزين البطارية | تخزين الهيدروجين | ما يجب اختباره في نموذج المشروع |
|---|---|---|---|
| الدور التشغيلي النموذجي | استجابة سريعة ودورات يومية متكررة | احتياطي طويل الأمد ونقل طاقة متجددة | سيناريوهات تفريغ ساعةً واحدةً أو لعدة أيام |
| كفاءة الدورة الكاملة (Round-trip Efficiency) | عمومًا أعلى | أقل عمومًا بسبب مراحل التحويل | قيمة الطاقة المسلَّمة، وليس فقط الطاقة المُدخلة |
| توسيع نطاق مدة التخزين بالطاقة | عادةً ما يعني المدة الإضافية سعة بطارية أكبر | يمكن تقييم كمية التخزين بشكل منفصل عن تحويل الطاقة | منحنى التكلفة من المدة اليومية إلى المدة المتعددة الأيام |
| سرعة الاستجابة | مناسب جدًّا للاستجابة الكهربائية السريعة | يعتمد على نظام التحويل ونمط التشغيل | متطلبات معدل الزيادة والاستجابة للانقطاعات |
| التركيز على الهندسة | أنظمة التحكم، وإدارة الحرارة، وحماية الحريق، وتخطيط دورة الحياة | معالجة الهيدروجين، ومسار التخزين، والكشف عنه، والتهوية، وتكامل العمليات | الترخيص، ودراسة السلامة، وقدرة التشغيل |
لكل حالة، احسب التكلفة الموحَّدة للطاقة المسلَّمة عند المدة المطلوبة. ويجب نمذجة تخزين طاقة الشمس بالهيدروجين مع فصل واضح لإمداد الكهرباء وفقدان التحويل وظروف التخزين وواجب إعادة التحويل؛ أما البطاريات فيجب نمذجتها مع افتراضات معدل الدورات والسعة القابلة للاستخدام والتدهور والتوسيع والاستبدال. وجداول البيانات المشتركة التي تطبِّق هدف الموثوقية نفسه على الخيارين تكون أكثر فائدة من مقارنة تعتمد على التكنولوجيا فقط.
عندما تكون تخزين طاقة الشمس بالهيدروجين خيارًا أفضل
يجب إدراج تخزين طاقة الشمس بالهيدروجين في القائمة المبدئية عندما يمتلك المشروع نافذة متكررة من الفائض المتجدد، وعندما يحتاج إلى توفر الطاقة لما بعد دورة يومية واحدة، وعندما يمكنه دعم هندسة العمليات والسلامة المرتبطة. كما أنه يستحق التقييم بشكل خاص عندما تُقاس المرونة بال أيام بدلًا من الساعات، أو عندما يكون التخفيض في الإنتاج ملحوظًا، أو عندما قد يكتسب الهيدروجين المخزن قيمة في أكثر من حالة استخدام طاقي.
على سبيل المثال، يمكن للفِرق التي تقيّم بنية متكاملة أن تدرس حل متكامل لشبكة الهيدروجين الصغيرة كنقطة انطلاق لمناقشة واجهات الاتصال بين توليد الطاقة المتجددة وإنتاج الهيدروجين وتخزينه والأحمال المحلية. أما بالنسبة للمشاريع التي يشكّل كتلة التخزين فيها سؤال تصميم رئيسيًا، فإن وحدة تخزين الهيدروجين العملاقة يمكن أن يساعد في تحديد نطاق مسار العمل الخاص بالتخزين المادي. وتلك الروابط تشير إلى فئات المنتجات ذات الصلة؛ ويجب التحقق من الأحجام النهائية والأداء مقابل دراسة الأحمال الخاصة بالمشروع والمواصفات الهندسية.
استخدم التصميم الهجين عندما يلتقي تخزين طاقة الهيدروجين الشمسية بحملٍ ذي مقياسَين زمنيَّين.
قاعدة قرار مفيدة لتخزين طاقة الهيدروجين الشمسية هي توزيع الحمل إلى طبقة سريعة وطبقة طويلة الأمد. ويمكن للبطاريات معالجة التقلبات التي تتراوح مدتها من الثواني إلى الساعات، وكذلك نقل الذروة اليومية، بينما يُمكن تقييم الهيدروجين للأحداث النادرة لكنها ذات تأثير كبير والتي تمتد لأيام متعددة. وهذا يجنب التضخيم المفرط لتكنولوجيا واحدة لإنجاز جميع المهام بشكل غير فعّال.
- أنشئ نموذجًا ساعةً بساعة لإنتاج الطاقة المتجددة والحمل على مدى سنة واحدة على الأقل تمثيلية.
- حدّد مدة أحداث العجز وتكرارها ومستوى القدرة المطلوبة فيها.
- عيّن سعر الطاقة المقطوعة بشكل منفصل عن سعر الطاقة المشتراة.
- نمّذج تدهور البطاريات وافتراضات استبدالها جنبًا إلى جنب مع توافر معدات الهيدروجين واحتياجاتها الصيانية.
- راجع متطلبات السلامة والتراخيص والمياه وربط الشبكة الكهربائية وفريق التشغيل قبل اختيار مسار التخزين.
كذلك حدد معنى مصطلح «متاح» أثناء حدثٍ مستمرٍ. فإذا كان الغرض من تخزين طاقة الشمس بالهيدروجين هو ضمان الاستمرارية في حالات الطوارئ، فاختبر وقت بدء التشغيل، وأدنى مستوى احتياطي مطلوب، وفترات الصيانة المسموحة، والأحمال ذات الأولوية التي يجب أن يخدمها النظام. أما إذا كان الغرض هو تحسين أداء مصادر الطاقة المتجددة، فاختبر القيمة الناتجة عن تجنّب التخفيضات غير الضرورية في إنتاج الطاقة، ومدى تكرار إرسال الطاقة المُخزَّنة فعليًّا. وغالبًا ما تؤدي هذه السيناريوهات إلى تصميم هجين، حتى لو بَدَت تقنية واحدة أرخص من الأخرى عند النظر فقط إلى تكلفة التركيب البسيطة.
الخلاصة: اختر نظام تخزين طاقة الشمس بالهيدروجين وفقًا لمتطلبات الخدمة
تتفوّق البطاريات عادةً عندما يحتاج المشروع إلى كفاءة عالية ودورات قصيرة إلى متوسطة المدة متكررة. وتكتسب أنظمة تخزين طاقة الشمس بالهيدروجين جاذبية أكبر عندما يتعيّن على المشروع حفظ الطاقة المتجددة لفترات أطول بكثير، أو معاملة سعة الطاقة وقدرة التوليد كخيارات تصميم منفصلة، أو إنشاء احتياطيٍّ مرِنٍ حول توليدٍ كان سيُقطَع في الظروف العادية. وللكثير من أنظمة تخزين الطاقة المتجددة، يمكن لتصميمٍ منسَّقٍ يجمع بين البطاريات والهيدروجين أن يُفوّض كل تقنيةٍ لأداء الخدمة التي تتفوق فيها.