تحسين متعدد الأهداف تقنيًا-اقتصاديًا وبيئيًا لنظام طاقة متجدد هجيني قائم على الهيدروجين باستخدام خوارزمية تحسين الأوسبري

لماذا هذا مهم بالنسبة للطاقة اليومية

المحافظة على إمداد الكهرباء مع خفض التلوث هو أحد أكبر التحديات في الانتقال إلى طاقة نظيفة. الألواح الشمسية وتوربينات الرياح نظيفة، لكن إنتاجها يتقلب مع حالة الطقس. تستكشف هذه الدراسة كيف يمكن لدمج الشمس والرياح وتخزين الهيدروجين أن يوفر كهرباء مستقرة وبأسعار معقولة مع تقليل الأذى الصحي الناجم عن انبعاثات محطات الطاقة. كما تختبر طريقة حاسوبية جديدة لإيجاد التصميم الأمثل بين العديد من الخيارات المتنافسة.

بناء مزيج طاقة خضراء أكثر ذكاءً

صمم الباحثون نظام طاقة متجدد هجيني يجمع عدة تقنيات تعمل معًا. توفر الألواح الشمسية وتوربينات الرياح الطاقة الأساسية. عندما تنتج طاقة أكثر مما تحتاجه المنازل والشركات، يتم إرسال الفائض إلى محلل كهربائي يفصل الماء لإنتاج الهيدروجين الذي يُخزن في خزان. لاحقًا، عندما تكون الشمس والرياح منخفضة، تستخدم خلية وقود هذا الهيدروجين المخزن لتوليد الكهرباء مرة أخرى. النظام متصل بالشبكة الكهربائية التي يمكنها شراء الفائض أو تزويد الطاقة الاحتياطية عند الحاجة. يهدف هذا الترتيب إلى تسوية التقلبات الطبيعية للطاقة المتجددة مع ضمان استمرار تدفق الكهرباء على مدار الساعة.

موازنة التكلفة وتأثيرات الصحة

بدلاً من النظر فقط إلى سعر الكهرباء أو فقط إلى انبعاثات الكربون، تقوم الدراسة بتحسين النظام لهدفين في آن واحد. الأول هو تكلفة الطاقة على مدار عمر النظام، بما في ذلك المعدات والصيانة وعمليات شراء وبيع الشبكة. والثاني مقياس مستند إلى الصحة يقدر كيف تتحول انبعاثات غازات الاحتباس الحراري على طول سلسلة الطاقة إلى أضرار لصحة الإنسان، معبرًا عنها في سنوات الحياة الصحية المفقودة. هذا المقياس يحسب الانبعاثات ليس فقط من معدات الطاقة المتجددة، بل وخصوصًا من كهرباء الشبكة التي غالبًا ما تأتي من محطات وقود أحفوري. بمعالجة التكلفة والصحة معًا، يبحث الباحثون عن تصاميم تكون اقتصادية وأكثر لطفًا بالناس والبيئة.

طريقة جديدة للبحث عن أفضل تصميم

إيجاد المزيج والحجوم المناسبة للألواح الشمسية وتوربينات الرياح وخلية الوقود والمحلل الكهربائي وخزانات الهيدروجين هو لغز معقد يحتوي على العديد من التركيبات الممكنة. استخدمت الفريق طريقة بحث طُورت حديثًا تسمى خوارزمية تحسين الأوسبري، المُستلهمة من سلوك الصيد لدى طائر الأوسبري. من حيث الحوسبة، تستكشف هذه الطريقة العديد من التصاميم المرشحة ثم تصقل أكثرها وعدًا مع تجنب الوقوع في حلول متوسطة. شغلت الخوارزمية باستخدام بيانات الطقس والطلب على الكهرباء الحقيقية من منطقة في الأناضول الوسطى في تركيا، مقيِّمة الأداء ساعة بساعة على مدار عام كامل مع فرض موثوقية تامة بحيث يتم تلبية الطلب دائمًا.

أي مزيج يعمل بشكل أفضل عمليًا

قارنّت الدراسة بين ثلاث تشكيلات للنظام: واحدة تجمع بين الشمس والرياح وخلايا الوقود؛ وأخرى بها شمس وخلايا وقود فقط؛ وثالثة بها رياح وخلايا وقود فقط. برز التكوين المختلط من شمس-رياح-خلايا وقود كالأكثر توازنًا. حقق تكلفة كهرباء منخفضة قريبة من الخيار الأرخص وفي الوقت نفسه كان له أقل تأثير صحي من حيث الانبعاثات. كانت التصاميم المعتمدة كليًا على الرياح أو الشمس إما أرخص ولكن أكثر تلوثًا، أو أنظف لكن أغلى وأكثر اعتمادًا على الشبكة. تُظهر النتائج أن تقاسم العمل بين الشمس والرياح، واستخدام الهيدروجين كوسادة، يزيد حصة الطاقة المتجددة، ويحسن الاكتفاء الذاتي، ويقلل الاعتماد على كهرباء الشبكة المعتمدة كثيرًا على الوقود الأحفوري.

ما يعنيه هذا لتخطيط الطاقة في المستقبل

بالنسبة لغير المتخصصين، الرسالة الأساسية هي أن تقنية واحدة بمفردها لا تكفي. يمكن لمزيج مُحسَب بعناية من الشمس والرياح وتخزين الهيدروجين أن يوفر طاقة موثوقة بتكلفة تنافسية مع خفض مخاطر الصحة الناتجة عن تلوث الهواء. تساعد طريقة التحسين الجديدة المخططين على رؤية المقايضات بين التكلفة والصحة واختيار تصاميم تحقق توازنًا منطقيًا. يمكن لهذا النوع من التحليل أن يوجه شركات الكهرباء وصانعي السياسات أثناء تخطيطهم لأنظمة طاقة أنظف لا تحافظ فقط على فواتير معقولة بل تحمي أيضًا الصحة العامة.

الاستشهاد: Ermiş, S., Taşdemir, O. & Al-Hajj, R. Multi-objective techno-economic and environmental optimization of hydrogen-based hybrid renewable energy system using osprey optimization algorithm. Sci Rep 16, 15618 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-45185-x

الكلمات المفتاحية: الطاقة المتجددة الهجينة, تخزين الهيدروجين, الطاقة الشمسية وطاقة الرياح, تحسين الطاقة, تأثيرات الانبعاثات على الصحة