Optymalizacja techno-ekonomiczna hybrydowego systemu słoneczno-wiatrowo-pompowo-hydraulicznego połączonego z siecią dla dostaw energii i odsalania w Ras Ghareb, Egipt

Energia i woda dla rozwijającego się miasta nadbrzeżnego

W egipskich krajobrazach pustynnych niektóre miasta nadmorskie mają problem z zapewnieniem zarówno niezawodnej energii elektrycznej, jak i czystej wody pitnej. Ras Ghareb, wietrzne miasto nad Zatoką Sueską, jest jednym z nich. W tym badaniu sprawdzono, czy dobrze zaprojektowane połączenie paneli słonecznych, turbin wiatrowych i magazynowania energii za pomocą wody może zasilić tysiące domów, gospodarstw rolnych i dużą stację odsalania wody morskiej — a jednocześnie generować przychody ze sprzedaży nadwyżek zielonej energii do krajowej sieci.

Dlaczego ten zakątek Morza Czerwonego ma znaczenie

Ras Ghareb leży na zachodnim brzegu Zatoki Sueskiej, na obszarze obdarzonym silnymi, stałymi wiatrami i intensywnym nasłonecznieniem niemal przez cały rok. Jednocześnie brak tu rzek i jezior, więc wodę pitną i do nawadniania trzeba pozyskiwać z morza przy użyciu energochłonnego odsalania przez odwróconą osmozę. Lokalne zapotrzebowanie rośnie: około 100 000 mieszkańców potrzebuje prądu i wody, rozwijają się przemysły związane z ropą, a gospodarstwa obejmujące 2000 akrów wymagają regularnego nawadniania. Te nakładające się potrzeby czynią z Ras Ghareb poligon doświadczalny dla rozwiązywania problemu „woda–energia” w suchych regionach nadbrzeżnych.

Budowa zintegrowanego systemu energetyczno-wodnego

Badacze zaprojektowali duży system hybrydowy łączący 157,6 megawata energii słonecznej, 166,8 megawata mocy wiatrowej oraz stację szczytowo-pompową pełniącą rolę wielkiej akumulatorowej „baterii”. Gdy słońce świeci intensywnie, a wiatr wieje mocno, nadmiar energii elektrycznej służy do tłoczenia wody z niższego zbiornika do wyższego. Gdy nasłonecznienie słabnie lub wiatr ustaje, woda spływa z powrotem przez turbiny, generując energię. Opracowano realistyczne, godzinowe profile zapotrzebowania dla trzech typów odbiorców: 5000 domów z wieczornymi szczytami, całodobowego odsalania produkującego około 80 000 metrów sześciennych słodkiej wody dziennie oraz elastycznych obciążeń nawadniania, które można przesuwać na godziny nasłonecznione. Użyto statystycznego „czynnika dywersyfikacji”, aby rozmiar instalacji odpowiadał rzeczywistym łącznym szczytom tych różnych użytkowników bez nadmiernego przewymiarowania.

Testowanie wydajności za pomocą symulacji

Wykorzystując narzędzie symulacyjne HOMER Pro oraz długoterminowe dane NASA o nasłonecznieniu i wietrze, zespół zbadał wiele możliwych konfiguracji systemu i porównał je z konwencjonalną opcją „tylko sieć”. Dla każdej konfiguracji oprogramowanie śledziło, czy całe zapotrzebowanie jest zaspokojone, ile odnawialnej energii wykorzystano oraz jakie będą koszty i przychody w okresie życia projektu. Zwycięska koncepcja dostarcza 93,8% udziału energii odnawialnej przy zerowym niedoborze zasilania, co oznacza, że elektrownia hybrydowa z magazynem może w pełni pokryć potrzeby miasta, korzystając z sieci głównej tylko jako rezerwy. Dzięki silnym zasobom lokalnym instalacja generuje również dużą nadwyżkę — ponad 520 gigawatogodzin rocznie — którą można eksportować do krajowej sieci przez istniejące linie wysokiego napięcia.

Przekształcenie usług komunalnych w źródło zysku

Na poziomie ekonomicznym wyniki są uderzające. Po uwzględnieniu przychodów ze sprzedaży nadwyżek energii po egipskim taryfie gwarantowanej (feed-in tariff), zdyskontowany koszt netto projektu staje się ujemny (−94,7 mln USD), co oznacza, że przychody w okresie 25–30 lat przewyższają wszystkie nakłady inwestycyjne i koszty operacyjne. Początkowy nakład kapitałowy wynoszący około 358 mln USD zwraca się w mniej niż dwa lata, a wewnętrzna stopa zwrotu osiąga 53%, znacznie przewyższając typowe projekty infrastrukturalne. Analizy wrażliwości sugerują, że nawet w przypadku spadku prędkości wiatru, wzrostu kosztów paneli słonecznych czy obniżenia cen skupu, system hybrydowy pozostałby bardziej atrakcyjny niż poleganie wyłącznie na sieci.

Ograniczenie zanieczyszczeń przy jednoczesnym zabezpieczeniu wody

Ponieważ niemal cała elektryczność w Ras Ghareb według tego projektu pochodzi ze słońca, wiatru i magazynowania wodnego, zależność od sieci opartej na paliwach kopalnych gwałtownie spada. Badanie szacuje roczne redukcje rzędu około 292 milionów kilogramów dwutlenku węgla, a także znaczne cięcia emisji dwutlenku siarki i tlenków azotu — zanieczyszczeń powiązanych ze smogiem, kwaśnymi deszczami i problemami zdrowotnymi. W praktyce stacja hybrydowa nie tylko zasila domy, gospodarstwa i odsalanie; działa też jak regionalna „gąbka węglowa”, kompensując emisje, które w przeciwnym razie pojawiłyby się gdzie indziej w sieci.

Model dla innych regionów nadbrzeżnych

Dla czytelników niebędących specjalistami główny przekaz jest taki, że odpowiednio dobrana mieszanka słońca, wiatru i magazynowania szczytowo-pompowego może zrobić znacznie więcej niż tylko utrzymać oświetlenie. W Ras Ghareb może zabezpieczyć wodę pitną, wspierać produkcję żywności i przekształcić podstawową usługę publiczną w dochodowy, niskoemisyjny majątek. Autorzy twierdzą, że podejście to oferuje skalowalny model dla podobnych regionów nadbrzeżnych i pustynnych na całym świecie, gdzie silne słońce i wiatr można wykorzystać nie tylko do zasilania społeczności, lecz także do wytwarzania potrzebnej im wody.

Cytowanie: Awad, H., Abu El-Nasr, N.S.M., Mahmoud, H. et al. Techno-economic optimization of a grid-connected solar–wind - pumped hydro hybrid system for energy and desalination in Ras Ghareb, Egypt. Sci Rep 16, 14425 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-49904-2

Słowa kluczowe: energia odnawialna, odsalanie, magazynowanie energii w elektrowniach szczytowo-pompowych, Egipt, systemy hybrydowe