التحسين متعدد الأهداف لتخزين الطاقة الحرارية المبني على الجليد لتحسين أداء محطات الدورة المركبة في ظروف مناخية حارة

الحفاظ على قوة المحطات في الحر الشديد

عندما تأتي موجات الحر الصيفية، يرتفع طلبنا على الكهرباء تمامًا بينما تفقد الكثير من محطات الغاز قدراتها بهدوء. الهواء الحار يجعل توربيناتها أقل كفاءة، فتنتج طاقة أقل تمامًا عندما نحتاجها بشدة. تستعرض هذه الورقة حلاً ذكيًا: استخدام الجليد المُنتَج ليلًا لتبريد الهواء الداخل إلى التوربينات خلال النهار، مما يزيد إنتاج الطاقة، ويخفض استهلاك الوقود، ويخفف الضغط على شبكات الكهرباء في المناطق الحارة.

لماذا يضعف الهواء الحار إنتاج الكهرباء

تعمل توربينات الغاز بسحب الهواء الخارجي، وضغطه، وخلطه بالوقود، ثم حرق الخليط لتدوير التوربين. المشكلة الأساسية أن الهواء الحار أقل كثافة من الهواء البارد. في الأيام شديدة الحرارة، يسحب التوربين عددًا أقل من جزيئات الهواء ويضطر لبذل طاقة أكبر لضغطها. هذا يعني قدرة مفيدة أقل على العمود ومزيدًا من الوقود المحترق لكل وحدة كهرباء. في المناخات الحارة، قد يكون هذا الانخفاض الموسمي كبيرًا لدرجة أن المحطات المكلفة لا تستطيع تلبية طاقتها المعلنة لجزء كبير من السنة، حتى مع قيادة المكيفات للطلب القياسي.

تخزين البرد في شكل جليد لاستخدامه عند الحاجة

تناقش الدراسة نظام "تخزين الطاقة الحرارية بالجليد" المصمم لمواجهة هذه الخسارة الحرارية. خلال ساعات الليل الباردة وخارج أوقات الذروة، يقوم جهاز تبريد بتجميد الماء إلى جليد في خزان كبير معزول. ثم يدور مزيج من الماء المبرد والجليكول بين الخزان ومبادل هوائي موضوع أمام ضاغط توربين الغاز. خلال ساعات الذروة النهارية، يبرد هذا الدائرة المثلجة الهواء الداخل باتجاه الظروف القياسية، مما يجعله أكثر كثافة وأسهل للضغط. بفعالية، تنقل المحطة جزءًا من جهد التبريد إلى الليل عندما تكون الكهرباء أرخص والطلب أقل، ثم "تصرف" البرد المخزن خلال النهار لتوليد مزيد من الطاقة من نفس التوربين.

موازنة الكفاءة والتكلفة والتلوث

نظرًا لأن مثل هذا النظام يضيف معدات وتعقيدًا، لا يكتفي المؤلفون بالتحقق من كفاءته فقط؛ بل يفحصون مدى جودته، وتكلفته، وكيف يؤثر على الانبعاثات. يبنون نموذجًا ثرموديناميكيًا مفصلاً يتتبع أماكن فقدان الطاقة المفيدة داخل مكونات مثل الضاغط، وموقد الاحتراق، والتوربين، وخزان الجليد، والمبخر، والمكثف، وبرج التبريد. يجمعون هذا مع صيغ اقتصادية لتكلفة المعدات، وأسعار الوقود والكهرباء، والصيانة، ومع تقديرات لتكاليف الضرر من ثاني أكسيد الكربون وغيره من الملوثات. باستخدام خوارزمية جينية—طريقة تحسين مستلهمة من الانتقاء الطبيعي—يبحثون عن إعدادات تصميم تزيد الكفاءة الكلية وتقلل التكلفة الساعة الإجمالية في آن واحد، بدل التركيز على هدف واحد.

ما الذي يمكن أن تقدمه التصاميم المحسنة

تغطي التحليلات توربينات غازية تتراوح قوتها من 25 إلى 100 ميغاواط، وهي أحجام شائعة الاستخدام في محطات الدورة المركبة. لكل حجم، تضبط الخوارزمية خيارات رئيسية مثل الضغط في الضاغط، ودرجة حرارة دخول التوربين، ودرجات تشغيل نظام التبريد وخزان الجليد. تبين النتائج أنه، في الظروف الحارة المدروسة لمدينة طهران، يمكن لتبريد هواء الدخول بالجليد المخزن رفع إنتاج التوربين بنحو 4% إلى 25%، مع تحقيق أكبر الوحدات أكبر نسب الزيادة. وفي الوقت نفسه، لأن كهرباءً أكثر تُنتَج من نفس تدفق الوقود، ينخفض استهلاك الوقود لكل كيلوواط-ساعة وتقل انبعاثات الملوثات. تقدر الدراسة أن الاستثمار الإضافي في تخزين الجليد ومعدات التبريد يمكن أن يسترد في حوالي 4.5 إلى ما يزيد قليلًا عن 8 سنوات، اعتمادًا على حجم الوحدة ونمط التشغيل، وهو ضمن عمر اقتصادي نموذجي يبلغ 15 سنة.

الحدود والقضايا العملية والتوافق مع الواقع

ينظر المؤلفون أيضًا في قيود العالم الحقيقي. قد تتطلب خزانات الجليد الكبيرة آلاف الأمتار المكعبة من المساحة، وهو ما قد يصعب تأمينه في محطات قائمة ومكتظة. يتطلب برج التبريد المستخدم لطرد الحرارة إلى الجو ماءً إضافيًا، ما يثير القلق في المناطق الجافة. وتشغيل جهاز التبريد، وخزان التخزين، والمبادل الهوائي كنظام منسق يتطلب ضوابط أكثر تطورًا من التبريد المباشر البسيط. حتى مع هذه التحفظات، تُظهر اختبارات الحساسية—حيث تُغيّر الافتراضات حول فقدان الحرارة، ودرجة تخزين الحرارة، وشيخوخة المعدات—أن الفوائد تظل كبيرة، مع بقاء مكاسب الطاقة فوق 20% وأزمنة الاسترداد تحت نحو ست سنوات لتوربين قوته 100 ميغاواط.

ماذا يعني هذا لمستخدمي الكهرباء العاديين

بالنسبة لغير المتخصصين، الخلاصة بسيطة: في المناخات شديدة الحرارة، يمكن للمحطات استخدام الجليد المصنوع ليلًا لتظل أقوى خلال النهار. من خلال صنع البرد وتخزينه مسبقًا، يمكن للمشغلين زيادة الإنتاج عندما تكون الشبكة تحت ضغط، دون بناء وحدات توليد جديدة بالكامل. يمكن لهذا النهج أن يوفر كهرباء أكثر، ويقلل استهلاك الوقود لكل وحدة طاقة، ويخفض الانبعاثات، وكل ذلك بعوائد استثمارية تناسب عمر الخدمة المتوقع للمحطة. ومع أنه ليس حلًا عالميًا—المساحة والمياه والتعقيد أمور ذات أهمية—فهو يقدم أداة واعدة للحفاظ على استمرار تشغيل الأضواء والمكيفات بشكل موثوق في أحر مناطق العالم.

الاستشهاد: Azmoun, M., Jooneghani, H.D., Salehi, G. et al. Multi-objective optimization of ice-based thermal storage for enhanced combined cycle power plant performance under hot climate conditions. Sci Rep 16, 7149 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37942-9

الكلمات المفتاحية: تخزين الطاقة الحرارية بالجليد, تبريد مدخلات توربين الغاز, محطات الدورة المركبة, توليد الطاقة في مناخ حار, كفاءة الطاقة وتحليل الإكسرجي