التشغيل الأمثل لأنظمة الطاقة متعددة الناقلات المندمجة مع مصادر الطاقة المتجددة وأنظمة تخزين الهيدروجين

تغذية المدن بعدة مصادر للطاقة

مع إضافة المزيد من الألواح الشمسية وتوربينات الرياح والسيارات الكهربائية والأجهزة الذكية إلى مدننا، يصبح الحفاظ على تشغيل الإضاءة والمياه توازناً معقداً. تستكشف هذه الورقة طريقة جديدة لتشغيل الشبكات المحلية بحيث تعمل الكهرباء والحرارة والتبريد والمياه وحتى الهيدروجين معاً بدل أن تُخطط بشكل منفصل. الهدف بسيط وسهل الفهم: استخدام طاقة أنظف بكفاءة أكبر، تقليل الهدر، وخفض التكاليف للجميع.

من شبكات أحادية المسار إلى مراكز طاقة متعددة الأنواع

تنتقل أنظمة الطاقة التقليدية أساساً بالطاقة الكهربائية في اتجاه واحد من محطات توليد كبيرة إلى المستهلكين. يركز المؤلفون بدلاً من ذلك على «مراكز الطاقة»—أنظمة على مستوى الأحياء تستطيع استقبال أنواع مختلفة من الطاقة (مثل الكهرباء والغاز) وتقديم ما يحتاجه الناس فعلياً: طاقة للأجهزة، مياه ساخنة وتدفئة، تكييف، ومياه شرب نظيفة. في النموذج، تشارك ثلاث مراكز مجاورة الطاقة المتجددة المحلية من الألواح الشمسية وتوربينات الرياح، بالإضافة إلى وحدات توليد مشتركة للكهرباء والحرارة تعمل بالغاز وتنتج الكهرباء والحرارة معاً. يدير كل مركز محفظة من الأجهزة، بما في ذلك مبردات كهربائية وامتصاصية للتبريد، وسخانات، ووحدات تخزين للطاقة يمكن أن تحتفظ بالكهرباء أو الحرارة أو التبريد لاستخدام لاحق.

ربط المياه والهيدروجين والهواء بمزيج الطاقة

ميزة أساسية في هذا العمل هي أنه لا يعامل الكهرباء بمعزل عن بقية القطاعات. تدير المراكز أيضاً «جانب المياه» و«جانب الهيدروجين» من النظام. يمكن أن تأتي مياه الشرب من آبار جوفية، أو من محطة تحلية تحول المياه المالحة إلى مياه عذبة، أو من خزان لتخزين المياه. وبما أن التحلية تستهلك الكثير من الكهرباء، يسمح النموذج للمراكز بتفضيل المياه الجوفية والجدولة الذكية للضخ عندما تكون الكهرباء أرخص. بالإضافة إلى ذلك، يحول مُحلِّل الماء الكهربائي (الإلكترولايزر) فائض الكهرباء المتجددة إلى هيدروجين يُخزن في خزانات ويُستخدم لاحقاً في خلايا وقود لتوليد الطاقة خلال ساعات الذروة المكلفة. تضيف أنظمة تخزين الطاقة بالهواء المضغوط طبقة تخزين إضافية: عندما تكون الكهرباء رخيصة، يُضغط الهواء ويُخزن؛ وعندما تكون الكهرباء مكلفة، يُطلق هذا المخزون من الطاقة للمساعدة في تلبية الطلب.

لماذا التعاون أفضل من العمل المنفرد

السؤال المركزي في الدراسة هو إلى أي مدى تتحسن أداء هذه المراكز عندما تتعاون بدلاً من أن تعمل كلٌ منها بمفردها. في الحالة «المستقلة»، يحاول كل مركز موازنة العرض والطلب الخاص به مع مشاركة محدودة، مما يترك أحياناً جزءاً من الطلب المحلي غير مُلبى ويضطر لشراء المزيد من الشبكة الرئيسية. في الحالة «التعاونية»، يُسمح للمراكز بتداول الكهرباء وخدمات الطاقة الأخرى فيما بينها. يمكن لفائض الطاقة الشمسية أو المخزونة في مركز واحد أن يغطي عجز مركز آخر. باستخدام نمذجة حاسوبية مفصلة وجدولة يومية مقسمة إلى خطوات ساعة بساعة، يبيّن المؤلفون أن التعاون يخفض تكاليف التشغيل ويقضي تماماً على الطاقة غير الملباة. بالنسبة لنظام الاختبار، ينخفض إجمالي التكلفة اليومية بحوالي 1.6%، وينخفض مقدار الطلب غير الملبى من 64.3 كيلوواط-ساعة إلى صفر.

الجدولة الذكية والتخزين يجعلان المتجددة أكثر فائدة

تستكشف الدراسة أيضاً ما يحدث عند تغير الأسعار أو أحجام المعدات. عندما ترتفع أسعار الكهرباء، تدفع الأنظمة المستقلة والتعاونية على حد سواء مبالغ أكبر، لكن التكوين التعاوني يبقى دائماً الأرخص لأنه يعتمد أقل على الشراء من الشبكة الرئيسية. إضافة بطاريات وتخزين حراري، أو زيادة أحجامها، يخفض التكاليف أكثر عن طريق تحريك استخدام الطاقة من الساعات الرخيصة إلى الساعات المكلفة. زيادة القدرة على المصادر المتجددة، مثل الشمس والرياح، تقلل تكاليف التشغيل في كلا الوضعين، مع توفير يزيد عن 13% عندما تتضاعف المتجددة ثلاث مرات. تؤكد نسخة عشوائية أو مدركة للشك من النموذج التي تتضمن أحوال جوية وأسعار متغيرة نفس النمط: مشاركة الموارد بين المراكز تخفض بشدة كلاً من التكاليف ومخاطر عدم تلبية بعض الطلبات.

ماذا يعني هذا لحياتنا اليومية

بالنسبة لغير المتخصصين، الرسالة هي أن الأحياء المستقبلية قد لا تقتصر على الاتصال بشبكة كهربائية كبيرة فحسب؛ بل ستكون أنظمة صغيرة تتبادل الكهرباء والحرارة والمياه والهيدروجين فيما بينها. من خلال تنسيق كيفية استخدام الآبار والتحلية والبطاريات وخزانات الهيدروجين وتخزين الهواء المضغوط، يمكن لهذه المراكز المحلية أن تملس تقلبات الشمس والرياح، وتعتمد أقل على الوقود الأحفوري، وتحافظ على فواتير أقل وخدمات أكثر موثوقية. بعبارة بسيطة، تُظهر الورقة أنه عندما تُخطط تقنيات نظيفة متنوعة معاً وتتعاون المناطق المجاورة، يمكن للمدن أن تتجه نحو مستقبل منخفض الكربون أكثر مرونة وأكثر اقتصادية.

الاستشهاد: Foroughian, S., Bijan, Z.A.J., Karimi, H. et al. Optimal operation of multi-carrier energy systems integrated with renewable energy sources and hydrogen storage systems. Sci Rep 16, 6635 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35497-3

الكلمات المفتاحية: أنظمة الطاقة المتعددة, تكامل الطاقة المتجددة, تخزين الهيدروجين, مراكز الطاقة, الاستجابة للطلب