تحليل الأداء الحراري والكفاءة الاقتصادية لكابل بحري من نوع XLPE بناءً على محاكاة اقتران كهربائي–حراري–هيدروليكي

حفظ خطوط الطاقة تحت البحر آمنة

مع نمو مزارع الرياح البحرية، يجب نقل مزيد من الكهرباء إلى الشاطئ عبر كابلات طاقة سميكة مدفونة في قاع البحر. إذا سخنت هذه الكابلات البحرية أكثر من اللازم، فقد تتقدم حالة العزل البلاستيكي الذي يحفظ الكهرباء ضمنه بسرعة، مما يقصر عمر الكابل ويزيد التكاليف. يطرح هذا البحث سؤالاً يبدو بسيطاً لكنه ذي تبعات عملية كبيرة: كيف تؤثر خصائص قاع البحر وطريقة دفن الكابل على درجة حرارته ومن ثم على الجانب الاقتصادي لنقل الطاقة النظيفة إلى اليابسة؟

لماذا يهم قاع البحر

تستخدم كابلات البحر لمشاريع الرياح البحرية عادةً مادة بلاستيكية متينة تُعرف بالبولي إيثيلين المقطع بالروابط المتصالبة (XLPE) كعازل، وتُصمم بحيث تبقى نوىها المعدنية أقل من نحو 90 درجة مئوية. يجب أن يتبدد الحرارة المتولدة إلى الرواسب المحيطة ومياه البحر. لكن ترب قاع البحر ليست متشابهة دائماً: فبعضها رملية وتنقل الحرارة جيداً، وبعضها غني بالطين وعازل أكثر. بالإضافة إلى ذلك، قد يتحرك الماء المحبوس في مسام الحبيبات عند تسخينه، حاملاً الحرارة معه. هذه الظروف المحلية هي التي تحدد مدى سهولة قدرة الكابل على تفريغ الحرارة، وهو ما يحدد مقدار التيار الذي يمكن أن يحمله بأمان ومدى جدوى المشروع اقتصادياً على مدى عقود من الخدمة.

محاكاة مشكلة حرارية معقدة

ركز المؤلفون على نوع شائع من الكابلات ثلاثية النواة بجهد 220 كيلوفولت تيار متردد وبنوا نموذج كمبيوتري مفصل لمقطع من خلال قاع البحر حيث يُدفن مثل هذا الكابل. وبدلاً من اعتبار الكابل كمصدر حرارة بسيط، مثلوا صراحة الحقول الكهرومغناطيسية التي تولد الحرارة داخل الموصلات المعدنية والطبقات الأخرى. تنتشر تلك الحرارة بعد ذلك إلى التربة المحيطة، حيث يمكن أن تتحرك سواء بالانتقال الحراري البسيط أو بحركة ماء المسام المدفوعة بالعطف الكثفي، مثل تيار حمل حر طبيعي بطيء جداً. من خلال اقتران السلوك الكهربائي والحراري وتدفق السوائل ضمن إطار واحد، أمكنهم رؤية كيف تتفاعل تغييرات عمق الطمر ودرجة الحرارة الخلفية وموصلية التربة الحرارية ونفاذية التربة لتحديد درجة حرارة تشغيل الكابل الثابتة والتياره المسموح به. كما تحققوا من أن النموذج يتفق جيداً مع معيار هندسي معروف، إذ وجدوا اختلافاً طفيفاً فقط في سعة التيار المتوقعة.

ما الذي يتحكم بدرجة حرارة الكابل

تُظهر المحاكاة اتجاهات واضحة وأحياناً مفاجِئة. إن دفن الكابل أعمق يرفع باستمرار درجة حرارة الموصل، ويزداد التأثير مع زيادة العمق لأن الحرارة تحتاج لمسافة أبعد قبل أن تصل إلى تأثير التبريد لمياه البحر في الأعلى. درجات حرارة قاع البحر الأعلى ببساطة ترفع النظام بأكمله: لنفس الحمل الكهربائي، بضع درجات إضافية من الدفء الخلفي قد تدفع الكابل إلى ما يتجاوز الحد الآمن. تلعب موصلية التربة الحرارية—مدى سهولة انتقال الحرارة عبر الرواسب—دوراً قوياً. في الترب ذات الموصلية الحرارية المنخفضة، تنخفض درجة الحرارة بسرعة مع المسافة ويعمل الكابل بدرجة حرارة أعلى، مما يقلص بشدة التيار الذي يمكنه حمله. في الترب الأكثر موصليّة، تنتشر الحرارة بسرعة، مما يسمح بتيارات أعلى دون تجاوز حد الحرارة.

مساعدة خفية من حركة ماء المسام

عامل رئيسي آخر هو النفاذية، التي تصف مدى سهولة حركة الماء عبر مسام التربة. في الترب المضغوطة للغاية، النموذج يظهر أن تغيير النفاذية على مدى عدة أوامر قدرية يكاد لا يؤثر على درجة حرارة الكابل، لأن ماء المسام يتحرك بالكاد وتسيطر الموصّلية الحرارية. بمجرد أن تتجاوز النفاذية عتبة تقارب 10⁻¹¹ متر مربع—أقرب إلى الطمي الخشن أو الرمل—تصبح حركة السريان المدفوعة بالطفو مهمة. يرتفع ماء المسام الأدفأ الأخف ويهبط الماء الأبرد، مكوناً مسارات تدفق حلقية تعزز إزالة الحرارة. في هذا النطاق، تؤدي النفاذية الأعلى إلى خفض ملحوظ في حرارة الكابل، مع انتشار الحرارة في أنماط ممدودة تعكس هذه التيارات الداخلية.

ماذا يعني ذلك لتكاليف المشروع

لأن تكلفة الكابل ليست مجرد شراء وتركيب أجهزة، ربط المؤلفون نتائجهم الحرارية بنموذج اقتصادي مبسط. جمعوا تكاليف المعدات والتركيب مع قيمة الطاقة المفقودة كحرارة على مدى عمر 30 عاماً، والصيانة الروتينية، لحساب مؤشر استثماري: التكلفة الإجمالية مقسومة على قدرة الكابل على حمل التيار. يشير المؤشر المنخفض إلى واطات أكثر مُسلّمة لكل دولار مستثمر. تُظهر التحليلات أن الطمر الأضحل، والموصلية الحرارية الأعلى للتربة، والنفاذية الكافية كلها تقلل هذا المؤشر، مما يجعل المشاريع أكثر جدوى اقتصادية. ومع ذلك، قد يعرض الطمر الضحل جداً الكابلات للمراسي ومعدات الصيد والأمواج، لذا يجب على المهندسين موازنة المزايا الحرارية والاقتصادية مقابل المخاطر الميكانيكية والمتطلبات التنظيمية.

خلاصة لقطاع الطاقة البحرية

للمهتمين بمستقبل طاقة الرياح البحرية، رسالة الدراسة واضحة: قاع البحر ليس مجرد خلفية سلبية. تؤثر درجة حرارته وحجم حبيباته ومسارات ماءه بحدة في مدى قوة الدفع الآمن للكابلات التي تربط التوربينات البحرية بالشبكة، ومقدار تكلفة هذا الربط على مدى عمره. من خلال استخدام نموذج مقترن للكهرباء والحرارة والتدفق، يبيّن المؤلفون أن اختيار طبقات رواسب أبرد وأكثر موصليّة للحرارة وذات نفاذية كافية—وتفادي الطمر الأعمق بلا داعٍ—يمكن أن يسمح بنقل طاقة أعلى وعوائد استثمارية أفضل، شريطة الحفاظ على الحماية من الضرر المادي.

الاستشهاد: Ye, M., Zhang, Y., Wu, H. et al. Analysis on the thermal performance and economic efficiency of XLPE submarine cable based on electric–thermal–hydraulic coupling simulation. Sci Rep 16, 9467 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40092-7

الكلمات المفتاحية: كابلات الطاقة البحرية, طاقة الرياح البحرية, رواسب قاع البحر, انتقال الحرارة, موثوقية الكابل