المقارنة التقنية والاقتصادية لإنتاج الهيدروجين الأخضر باستخدام أنظمة ضوئية ثابتة ومتعقبة: تحليل متكامل بين PVsyst وMATLAB

تحويل ضوء الشمس إلى وقود نقي

تسعى العديد من البلدان ذات الإشعاع الشمسي القوي إلى طرق لتحويل ذلك الضوء إلى وقود نقي يمكن أن يزود المصانع والشاحنات وحتى المدن بأكملها بالطاقة دون إطلاق تلوث كربوني. تدرس هذه الدراسة أفضل السبل لاستخدام الألواح الشمسية لإنتاج الهيدروجين الأخضر، وهو وقود يُنتَج من الماء باستخدام كهرباء متجددة. من خلال مقارنة طريقتين شائعتين لتركيب الألواح — إحداهما ثابتة والأخرى تتبع الشمس — يبيّن الباحثون أي تركيب يوفّر المزيد من الهيدروجين بتكلفة أقل لمنطقة مشمسة مثل قندهار في أفغانستان.

طريقتان لالتقاط الشمس

يكمن جوهر العمل في مقارنة جنبًا إلى جنب بين نظامي طاقة شمسية يغذيان جهازًا صناعيًا يُسمى المحلل الكهربائي، الذي يقوم بتفكيك الماء إلى هيدروجين وأكسجين. في أحد النظامين، تُثبت الألواح الشمسية بزاوية ميل ثابتة. في الآخر، تتحرك الألواح على هيكل متعقب ذو محورين لتواجه الشمس طوال اليوم. كلا النظامين لهما نفس القدرة الاسمية القصوى، 10 كيلووات، وكلاهما يرسل كهرباءه مباشرة إلى وحدة الهيدروجين التي تعمل فقط عندما تكون شدة الشمس كافية. يجعل هذا المقارنة عادلة وواقعية لمشروعات الهيدروجين الأخضر المعزولة التي لا تدعمها شبكة كهرباء.

نظير رقمي لمصنع هيدروجين شمسي

لفهم الأداء بتفصيل أكبر، بنى المؤلفون نظيرًا رقميًا لسلسلَة العمل كاملةً من ضوء الشمس إلى الهيدروجين. استخدموا أداة تصميم شمسية متخصصة لحساب كمية الكهرباء التي سيولدها كل تركيب شمسي في قندهار، ساعة بساعة على مدار سنة كاملة، مع مراعاة مستويات الإشعاع المحلية ودرجات الحرارة وخسائر النظام. ثم تُنقل هذه ملفات طاقة الكهرباء إلى نموذج ثانٍ مُعدّ في MATLAB، يحول القدرة إلى إنتاج هيدروجين ويجمّع التكاليف على مدار عمر المعدات. تتيح هذه المقاربة المدمجة تتبُّع كيف تؤثر خيارات التصميم على الجانب الشمسي في إنتاج الوقود والكفاءة الإجمالية والنفقات لكل وحدة طاقة.

مزيد من الأجزاء المتحركة، طاقة أكبر بكثير

تُظهر المحاكاة أنه في مناخ مشمس، يكون تتبع الشمس مجديًا بقوة. بينما تولّد الألواح الثابتة نحو 11,253 كيلوواط-ساعة من الكهرباء سنويًا، يصل نظام التتبع إلى حوالي 15,300 كيلوواط-ساعة، أي زيادة بنسبة 36% من نفس القدرة الاسمية. تلتقط الألواح المتحركة ضوءًا مفيدًا لساعات أطول كل يوم في الشتاء والصيف، وبالتالي تبقي المحلل الكهربائي يعمل لفترات أطول وبشكل أكثر انتظامًا. ونتيجة لذلك، يرتفع إنتاج الهيدروجين السنوي من نحو 240 كيلوغرامًا مع الألواح الثابتة إلى حوالي 320 كيلوغرامًا مع المتتبعات، رغم أن النظام الميكانيكي أعقد قليلًا ويعاني خسائر داخلية هامشية أعلى.

مقارنة التكاليف وبصمات الكربون

تجعل المعدات الإضافية نظام التتبع أكثر تكلفة من حيث البناء والصيانة، لكن الطاقة الإضافية التي يوفّرها تعوّض ذلك مع الوقت. عندما تُوزّع كل النفقات الاستثمارية والتشغيلية والاستبدالية عبر إجمالي الإنتاج طوال العمر الافتراضي، تكون تكلفة الكهرباء من الألواح الثابتة تقارب 4.8 سنتًا لكل كيلوواط-ساعة، بينما يخفض التتبع هذه التكلفة إلى نحو 3.6 سنتًا. وعلى صعيد الوقود، تنخفض تكلفة الهيدروجين الأخضر من حوالي 5.82 دولارًا للكيلوغرام مع الألواح الثابتة إلى نحو 4.37 دولارًا للكيلوغرام مع التتبع. وبما أن نظام التتبع يولد كهرباء أنظف أكثر، فإنه يتفادى أيضًا مزيدًا من انبعاثات الكربون سنويًا، مانعًا ما يقرب من 5 أطنان متريّة من ثاني أكسيد الكربون مقارنة بنحو 3.6 طن متري للتصميم الثابت.

ما يعنيه هذا للمناطق المشمسة

للقراء الذين يتساءلون كيف يمكننا تخزين ضوء الشمس وتحريكه إلى حيث الحاجة، تقدّم هذه الدراسة رسالة واضحة. في المناطق ذات الموارد الشمسية القوية والمستقرة، يمكن أن يؤدي استخدام الألواح الشمسية المتتبعة لإنتاج الهيدروجين من الماء إلى توفير وقود أكثر بتكلفة أقل على المدى الطويل، مع تقليل تلوث الكربون أكثر من أنظمة الألواح الثابتة الأبسط ذات نفس الحجم. وعلى الرغم من أن المتتبعات تتطلب إنفاقًا أوليًا أعلى وتصميماً أكثر دقة، فإن قدرتها على متابعة الشمس تستغل كل متر مربع من الأرض وكل دولار مستثمر بشكل أفضل. بالنسبة لصانعي السياسات والمخططين في المناطق المشمسة النامية، تشير النتائج إلى أن حقول شمسية ذكية متحركة مقترنة بوحدات هيدروجين يمكن أن تصبح عمودًا فقريًا عمليًا لأنظمة الطاقة النظيفة المستقبلية.

الاستشهاد: Irshad, A.S., Hilali, A., Ahmadullah, A.B. et al. Techno-economic benchmarking of green hydrogen production using fixed and tracking PV systems: a PVsyst–MATLAB integrated analysis. Sci Rep 16, 15620 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-46077-w

الكلمات المفتاحية: الهيدروجين الأخضر, تتبع الشمس, أنظمة الفوتوفولطية, اقتصاديات الطاقة, تخفيف ثاني أكسيد الكربون