جدولة مُحسَّنة للأنظمة الطاقية المتكاملة تأخذ في الحسبان محطات تحويل النفايات إلى طاقة وآلات تخزين الطاقة بالضغط الهوائي الأدياباتي المتقدمة

تحويل النفايات والهواء إلى طاقة أنظف

تواجه المدن الحديثة تحديين كبيرين في آنٍ واحد: تزايد جبال القمامة والحاجة إلى تقليل الانبعاثات المسببة للاحتباس الحراري. تستعرض هذه الدراسة نهجًا لمعالجة الأمرين عبر ربط محطات تحويل النفايات إلى طاقة بآلات تخزين ذكية ووحدات لإنتاج الوقود. بدلاً من ترك الحرارة والغازات تفرّ من المدخنة، يقوم النظام المقترح بإعادة تدويرها إلى طاقة ووقود أنظف، بينما يحافظ أسلوب تحكم ذكي على تشغيل كل المكونات بأدنى تكلفة وتلويث.

كيف تتلاءم قطع أحجية الطاقة معًا

في صلب العمل يوجد شبكة طاقة حضرية يجب أن تزود الكهرباء والتدفئة والغاز على مدار الساعة. يبدأ المؤلفون من محطة تحويل نفايات تحرق النفايات المنزلية لتوليد الكهرباء والحرارة. يربطونها بتوربينات رياح، وألواح شمسية، ووحدات طاقة مشتركة تعمل بالغاز، ومحطات فحم تقليدية. توصل أنابيب وكابلات هذه الأجهزة بحيث يمكن نقل الكهرباء والحرارة والوقود إلى حيث الحاجة. يقرر نموذج جدولة مركزي، ساعةً بساعة، كمية إنتاج كل جهاز بحيث تظل المنازل دافئة وتضيء الأضواء بأقل تكلفة إجمالية.

إنتاج وقود مفيد من غازات المداخن

بدلاً من مجرد تنقية غازات المدخنة وإطلاقها، يلتقط النظام مكوِّنين مهمين: ثاني أكسيد الكربون والنيتروجين. باستخدام الكهرباء والماء، ينتج محلل كهربائي غاز الهيدروجين. يتفاعل هذا الهيدروجين مع ثاني أكسيد الكربون الملتقط في مفاعل لإنتاج الميثان، وهو غاز يمكنه تشغيل وحدات طاقة مشتركة بكفاءة. في الوقت نفسه، يتحد النيتروجين من غاز المداخن مع الهيدروجين في مفاعل آخر لإنتاج الأمونيا. يُحرق جزء من هذه الأمونيا مرافقة للفحم في وحدة توليد، مما يقلل من استخدام الفحم والانبعاثات؛ ويمكن بيع الباقي كمنتج، مما يضيف دخلًا جديدًا. تُستعاد الحرارة التي كانت ستُهدر عادةً أثناء هذه التفاعلات الكيميائية بواسطة غلاية استرداد حرارة النفايات وتُعاد إلى شبكة التدفئة، مما يحسن الكفاءة الإجمالية.

تخزين الطاقة في هواء مضغوط وخزانات ساخنة

تتضمن الدراسة أيضًا نظام تخزين طاقة بالهواء المضغوط متقدم. عندما يتوفر الكثير من الرياح والشمس، تُستخدم الكهرباء الفائضة لتشغيل ضواغط الهواء. يُنتج ضغط الهواء كميات كبيرة من الحرارة، تُخزن في خزانات معزولة، بينما يُحتجز الهواء المضغوط في مخزن يشبه الكهف. لاحقًا، عندما تقلوفرة الكهرباء أو الحرارة، تُعكس العملية: تُستخدم الحرارة المخزنة لتسخين الهواء أثناء توسعه عبر التوربينات لتوليد الكهرباء، ويمكن أيضًا إرسال الحرارة مباشرةً إلى المباني. عبر تحويل الطاقة من ساعات الفائض إلى ساعات الحاجة، يساعد هذا الجهاز محطة تحويل النفايات والطاقة المتجددة على العمل معًا بسلاسة على مدار اليوم.

اختبار خيارات التوسعة المختلفة

لمعرفة أي تركيبة من التقنيات مجدية اقتصاديًا، يصمم المؤلفون أربعة سيناريوهات. أبسطها يستخدم فقط الربط بين محطة النفايات وإنتاج الميثان. تضيف الحالات التالية بالتتابع استرداد حرارة النفايات، وإنتاج الأمونيا، وأخيرًا نظام تخزين الهواء المضغوط. التكوين الأكثر تقدمًا يقدم أفضل النتائج: يستخدم كل طاقة الرياح والشمس المتاحة، يقضي على الحاجة لشراء حرارة خارجية، يقلل استخدام الفحم، ويخفض انبعاثات الكربون بحوالي السابع مقارنةً بالحالة الأساسية. وعلى الرغم من ارتفاع تكاليف المعدات الأولية، تسهم وفورات في شراء الوقود ورسوم الكربون، إلى جانب عائدات بيع الأمونيا، في خفض التكلفة التشغيلية الإجمالية بحوالي الخُمس.

طريقة أذكى لتشغيل النظام

تنسيق هذا العدد الكبير من الأجهزة مهمة رياضية معقدة، لذا يقوم الفريق بتحسين طريقة بحث شهيرة تُعرف بتحسين سرب الجسيمات. عن طريق تعديل معاييرها الداخلية أثناء التشغيل وإضافة خطوة تحسين محلية دقيقة، يجد إصدارهم المحسّن خطط تشغيل أرخص وأكثر استقرارًا من الطرق التقليدية. كما يظهرون أن رفع درجة حرارة الهواء الداخل إلى الضواغط يزيد كل من الحرارة المتاحة للمباني وسعة التخزين المفيدة، مما يخفض التكلفة والانبعاثات أكثر.

ما معنى هذا لحياة الناس اليومية

ببساطة، تشير الدراسة إلى أن مدن منخفضة الكربون في المستقبل قد تحول القمامة والهواء والكهرباء المتجددة الفائضة إلى شبكة مرنة من الكهرباء والحرارة والوقود النظيف. عبر استرداد حرارة النفايات، وإنتاج غاز صناعي وأمونيا، وتخزين الطاقة في هواء مضغوط وخزانات ساخنة، يمكن لأنظمة طاقة المدن تقليل فواتير الوقود وخفض غازات الدفيئة واستغلال الطاقة المتجددة بالكامل. ومع جدولة أكثر ذكاءً، تعمل هذه التقنيات معًا ككل منسق، ما يشير إلى مسار عملي لطاقة حضرية أنظف وأكثر كفاءة.

الاستشهاد: Wang, W., Liu, M., Zhao, H. et al. Optimized scheduling of integrated energy systems considering waste-to-power plants and advanced adiabatic air compression energy storage machines. Sci Rep 16, 8041 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37485-z

الكلمات المفتاحية: تحويل النفايات إلى طاقة, تخزين الطاقة, طاقة منخفضة الكربون, وقود صناعي, أنظمة طاقة متكاملة