نظام هجين موصّل فائق التوصيل لنقل وتخزين الطاقة وتأثيره المتوقع على مستقبل طاقة مستدام

لماذا تهم هذه الفكرة لمستقبل الطاقة

مع زيادة حصة الكهرباء المستمدة من الرياح والطاقة الشمسية، يصبح الحفاظ على استمرارية الإمداد أكثر تعقيداً. الشمس والرياح لا تتزامنان دائماً مع أوقات ومواقع الطلب على الطاقة، وشبكات وخيارات التخزين الحالية لم تُصمم لعالمٍ بهذا الشكل. تستعرض هذه المقالة اقتراحاً جريئاً لنقل وتخزين كميات هائلة من الطاقة النظيفة باستخدام خط أنابيب تقني واحد يحمل كل من الكهرباء والهيدروجين السائل، بهدف مساعدة الدول على التقدم نحو مستقبل منخفض الكربون ومعتمد بالكامل على الطاقة المتجددة.

لغز الطاقة النظيفة اليوم

تمتلك الصين، مثل كثير من الدول الكبيرة، مناطق شاسعة غنية بالرياح والشمس بعيدة عن المدن الكبرى حيث يتركز استهلاك الطاقة. تُظهر بيانات حقيقية من جميع محافظات البر الرئيسي الـ31 في النصف الأول من 2024 وجود عدم تطابق واضح: بعض المقاطعات، مثل نيمينغغو ويونان، تولّد كهرباء تفوق استهلاكها بكثير، بينما تعتمد المناطق الساحلية والصناعية مثل جيانغسو وتشجيانغ وقوانغدونغ بشكل كبير على الكهرباء المستوردة. ومع خطط الصين لزيادة توليد الرياح والطاقة الشمسية حتى ستة أضعاف بحلول 2060 وتقليل استخدام الوقود الأحفوري بشكل حاد، يُتوقع أن تتسع هذه الفجوات. يمكن للروابط التقليدية للطاقة بعيدة المدى المساعدة، لكنها تفقد طاقة أثناء النقل وتواجه عقبات تتعلق بالتكلفة واستخدام الأراضي والتخطيط.

نوع جديد من طرق الطاقة السريعة

يقترح الباحثون نظام "هجين للطاقة" يبنى حول كابلات فائقة التوصيل تُبرّد بالهيدروجين السائل. يمكن للمواد فائقة التوصيل حمل الكهرباء تقريباً بدون مقاومة، بينما يعمل الهيدروجين السائل كوقود للطاقة وكوسيط تبريد يحافظ على برودة الكابلات. في هذا التصميم، تزود الكهرباء الفائضة من الرياح والشمس المنازل والأعمال أولاً. ثم تُستخدم الطاقة الزائدة في تحليل الماء لإنتاج الهيدروجين، الذي يُبرَّد إلى حالة سائلة ويُضخ عبر نفس خط الأنابيب المدفون الذي يستضيف الكابل فائق التوصيل. يتحول خط الأنابيب عملياً إلى طريق سريع للطاقة ينقل الكهرباء والهيدروجين المخزن معاً من المناطق ذات الموارد إلى مراكز الطلب البعيدة.

اختبار واقعي على جزيرة

لمعرفة كيفية عمل هذا عملياً، نمذج الفريق دراسة حالة على جزيرة تشونغمينغ قرب شنغهاي، وهي منطقة ساحلية ذات موارد قوية من الرياح والشمس. صمموا حلقة من "العقد" الطاقية المتصلة بخطوط أنابيب هجين، تفصل بين كل عقدتين 10 كيلومترات ومزودة بمحطات تبريد. في اليوم المحاكى، توفّر الرياح الطاقة في الساعات المبكرة والمتأخرة، وتسيطر الطاقة الشمسية حول منتصف النهار، ويُبقي النظام المدمج تدفقاً ثابتاً قدره 42 ميغاوات للمستخدمين المحليين. تُحوَّل الكهرباء الفائضة إلى أكثر من 13,000 كيلوجرام من الهيدروجين السائل، الذي يبرّد الكابلات فائقة التوصيل ويعمل كمخزن طاقي كبير يمكن استخلاصه لاحقاً عندما تنخفض الرياح أو تغيب الشمس.

القدرة والخسائر والتكاليف

تُظهر التحليلات الفنية أن كابلًا فائق التوصيل واحدًا في هذا الإعداد يمكنه نقل ما يصل إلى 100 ميغاوات، أي نحو ضعف سعة خط تقليدي مماثل، بينما يمكن أن يصل تدفق الهيدروجين السائل إلى عدة أضعاف الكمية الأساسية من خلال تعديل متواضع في قطر الأنبوب وسرعة التدفق. عند مستويات طاقة ومسافات معتدلة تقارب 100 كيلومتر، لا تزال خطوط الجهد العالي التقليدية تحقق خسائر طاقة أقل وتكاليف أولية أرخص. ومع ذلك، مع زيادة السعة إلى مئات الميغاوات، يصبح الكابل تقريباً خالياً من الخسائر خياراً أكثر جاذبية: لرابط بقدرة 500 ميغاوات، تكون خسائر النظام الهجين أقل من نصف خسائر الكابلات القياسية. عندما يأخذ الباحثون في الحسبان تكاليف بناء وتشغيل أجهزة التحليل الكهربائي والأنابيب والناقلات والمحطات الفرعية، يصبح النظام الهجين تنافسياً على المدى الطويل للمشاريع الكبيرة وطويلة العمر، لا سيما إذا انخفضت أسعار المعدات كما هو متوقع.

تقليص فجوة الطاقة بين المناطق

على مستوى وطني، يتوقع المؤلفون نظام الطاقة الصيني في 2060 تحت سيناريوهين: أحدهما بشبكة تقليدية إلى حد كبير وآخر حيث تُنشر خطوط أنابيب الطاقة الهجينة على نطاق واسع. في الحالة التقليدية، حتى مع تزويد 80 في المئة من الكهرباء من مصادر متجددة، لا تزال العديد من المقاطعات الساحلية تواجه عجزاً كبيراً وتعتمد على الواردات، بينما تكافح المحافظات الداخلية لتصدير فائضها من الطاقة النظيفة. في سيناريو الهجين، تسمح القدرة الأقوى والمرنة للنقل واستخدام الكهرباء الفائضة لإنتاج الهيدروجين للنظام بامتصاص نحو ضعف كمية الطاقة المتجددة وحوالي خمسة أضعاف كمية الهيدروجين. يمكن لهذه الشبكة تخفيف النقص القريب من المدن الكبرى، وتقليل الاعتماد على الوقود الأحفوري، وتقريب البلاد من تلبية الطلب الكهربائي كلياً تقريباً من المصادر المتجددة.

ما يعنيه هذا لمستقبل أنظف

تخلص الدراسة إلى أن خطوط الأنابيب الهجينة فائقة التوصيل قد تكمل يوماً ما أو تحل جزئياً محل خطوط الطاقة ونقل الوقود الحالية، مقدّمة وسيلة لنقل كميات كبيرة من الطاقة النظيفة بكفاءة عبر مسافات طويلة مع تخزينها أيضاً كالهيدروجين. النهج ليس جاهزاً للانتشار الفوري: فهو يواجه تحديات تتعلق بالسلامة والهندسة الباردة والموثوقية الطويلة الأمد والتكاليف الأولية. ومع ذلك، إذا استمرت تقنيات الهيدروجين السائل والكابلات فائقة التوصيل في التقدّم، فقد تصبح أنظمة مثل المقترح هنا أداة مهمة لموازنة موارد الرياح والشمس غير المتكافئة ودعم نظام طاقة مستقبلي يعتمد إلى حد كبير على المتجددة.

الاستشهاد: Chen, X., Chen, Y., Jiang, S. et al. Superconducting hybrid energy transmission and storage system and its projected impact on a sustainable energy future. Commun. Sustain. 1, 77 (2026). https://doi.org/10.1038/s44458-026-00077-z

الكلمات المفتاحية: الطاقة المتجددة, الهيدروجين السائل, الكابلات فائقة التوصيل, تخزين الطاقة, نقل لمسافات طويلة