نموذج برمجة خطية لتخطيط نظام الطاقة مع دمج الهيدروجين

لماذا تحويل ضوء الشمس إلى هيدروجين مهم

تسعى العديد من البلدان إلى إيجاد طرق للحفاظ على إمدادات الكهرباء، وخفض انبعاثات الكربون، وفي الوقت نفسه دعم الصناعات كثيفة الطاقة. تمتلك الإمارات العربية المتحدة وفرة من ضوء الشمس، واستهلاكًا متزايدًا للكهرباء، وطموحات كبيرة لتصبح مركزًا عالميًا للهيدروجين النظيف. تطرح هذه الدراسة سؤالًا بسيطًا لكن حاسمًا: إذا أعادت الإمارات تصميم نظامها الكهربائي لعام 2030 من الألف إلى الياء، فما مقدار الطاقة الشمسية والغاز والطاقة النووية والبطاريات وتخزين الهيدروجين الذي سيكون منطقيًا اقتصاديًا وبيئيًا؟

تصميم لغز الطاقة في المستقبل

بنى الباحثون نموذجًا حاسوبيًا مفصلاً يمثل نظام الكهرباء والهيدروجين في الإمارات ساعةً بساعة على مدار عام كامل. بدلًا من تعديل البنية التحتية الحالية، استخدموا منهجية "الميدان الأخضر": يمكن للنموذج اختيار مزيج التقنيات الأرخص طالما يفي بهدفين لعام 2030—حوالي 203 تيراواط-ساعة من الكهرباء و1.4 مليون طن من الهيدروجين سنويًا. يمكن للنموذج الاستثمار في أربع طرق لتوليد الكهرباء (الألواح الشمسية، توربينات الرياح، المفاعلات النووية، ومحطات الغاز الطبيعي الفعالة) وطريقتين لتخزين الطاقة (بطاريات ليثيوم-أيون وتخزين الهيدروجين تحت الأرض). كما يتضمن أجزاءً أساسية من سلسلة الهيدروجين: محللات كهربائية تستخدم الكهرباء لتحليل الماء، وكهوف تحت أرضية لتخزين الهيدروجين، وخلايا وقود يمكنها تحويل الهيدروجين المخزن مرة أخرى إلى طاقة.

كيف يتخذ النظام الرقمي للقدرة القرارات

لاختيار ما يجب بناؤه وكيفية تشغيله، يستخدم النموذج البرمجة الخطية، وهي طريقة رياضية تُستخدم كثيرًا في اللوجستيات والمالية. تقلل التكلفة السنوية الإجمالية، بما في ذلك الإنشاء والتشغيل والوقود وحتى سعر على انبعاثات الكربون. في كل ساعة من السنة، يجب على النموذج موازنة عرض وطلب الكهرباء، والمتابعة أيضًا أين يُنتَج الهيدروجين ويُخزَّن ويُستهلك. يستخدم بيانات طقس حقيقية للشمس والرياح، وشكلًا ساعيًا واقعيًا لحمولة الكهرباء يهيمن عليه التكييف، ونمطًا توليديًا مصطنعًا لكنه متسقًا لطلب الهيدروجين عبر صناعات مثل الصلب والشحن والمصافي. إضافة إلى التكاليف، يتتبع النموذج انبعاثات دورة الحياة لكل تقنية، من بناء المعدات إلى حرق الغاز.

كيف يبدو أرخص نظام منخفض الكربون

الحل الأمثل من حيث التكلفة لعام 2030 له هيكل واضح. تُدفع الطاقة الشمسية إلى الحد الوطني للتخطيط، لتصل إلى 19.8 غيغاواط من السعة. تعمل الطاقة النووية بشكل أساسي كمصدر قاعدة ثابت، قريب من السعة الكاملة لمحطة براكة الحالية. لا تزال محطات الغاز الطبيعي تلعب دورًا رئيسيًا، حيث توفر أكثر من 50 غيغاواط من السعة المرنة التي تتصاعد عندما تغيب الشمس أو عند ذروة الطلب. في جانب الهيدروجين، يثبت النموذج محللات كهربائية كبيرة—حوالي 10.4 غيغاواط—لتحويل الكهرباء الفائضة إلى هيدروجين، وتخزين هيدروجين تحت أرضي ضخم، يعادل نحو 1.3 تيراواط-ساعة من الطاقة. يتيح هذا التكوين للنظام استخدام كل وحدة من الكهرباء المولدة إما مباشرة أو بشكل غير مباشر عبر الهيدروجين، مع تكاد تكون بلا طاقة مهدرة. مع افتراضات التكاليف الحالية، مع ذلك، لا يكون من الاقتصادي بناء بطاريات إضافية أو خلايا وقود على مستوى وطني.

التكاليف والكربون وما الذي يقود النتائج فعلاً

مع هذا التكوين، يجد النموذج أنه يمكن أن تُوفَّر الكهرباء بتكلفة متوسطة تقارب 6.5 سنت لكل كيلواط-ساعة، والهيدروجين بحوالي 2.56 دولار لكل كيلوجرام—أرقام تنافسية في سباق الهيدروجين الأخضر العالمي. ومع ذلك لا يزال النظام ينبعث منه نحو 124 مليون طن مكافئ CO2 سنويًا، معظمها من محطات الغاز الطبيعي. تُظهر تحليلات الحساسية أن السياسات وأسعار الوقود تهم أكثر بكثير من سعر الألواح الشمسية أو المحللات الكهربائية على الرف. ضريبة كربون بقيمة 100 دولار للطن سترفع تكاليف النظام الإجمالية بنحو ثلاثة أرباع، بينما تقلب بنسبة 50% في أسعار الغاز يحرك التكاليف بنحو زائد أو ناقص ربع. بالمقابل، فإن خفض تكلفة رأسمالية للألواح الشمسية أو المحللات إلى النصف يكاد لا يغير التكلفة الإجمالية للنظام، لأن النموذج يستخدم بالفعل أكبر قدر ممكن من هذه التقنيات وفقًا للقيود العملية.

ماذا يعني ذلك للأشخاص وصانعي السياسات

للقراء خارج عالم نمذجة الطاقة، الرسالة واضحة. في دولة غنية بالشمس وفقيرة بالمياه مثل الإمارات، تشكل المزارع الشمسية الكبيرة والطاقة النووية المستقرة ومحطات الغاز المرنة العمود الفقري لنظام ميسور التكلفة. يلعب الهيدروجين دورًا مزدوجًا: فهو يعمل كمخزن للطاقة على المدى الطويل ليملأ تقلبات الإنتاج الشمسي، ويزود وقودًا أنظف للصناعات الثقيلة والنقل. تشير الدراسة إلى أنه، بالأسعار الحالية، تتفوق مرافق الهيدروجين الكبيرة والتخزين الأرضي على البطاريات لموازنة الحجم الكبير، بينما ستقرر أدوات السياسة مثل تسعير الكربون ومخاطر أسعار الغاز في النهاية مدى "خُصُوبية" النظام وتكلفته. عمليًا، فإن تسريع بناء الطاقة الشمسية والنووية، وصيانة—ولكن تنظيف—محطات الغاز، والاستثمار مبكرًا في بنية الهيدروجين التحتية قد يتيح للإمارات خفض الانبعاثات وخلق صناعات تصدير جديدة دون التضحية بموثوقية الطاقة.

الاستشهاد: Zaiter, I., Sleptchenko, A., Mayyas, A. et al. A linear programming model for power system planning with hydrogen integration. Sci Rep 16, 7120 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35701-4

الكلمات المفتاحية: الهيدروجين الأخضر, تخزين الطاقة, الطاقة الشمسية, الغاز الطبيعي, انتقال الطاقة في الإمارات