تصميم نظام تحلية مياه هجين يعمل بالطاقة الشمسية والرياح لتوفير المياه خارج الشبكة

هل تعاني من انقطاع التيار الكهربائي؟ هل الديزل باهظ الثمن؟ هل أنت قلق بشأن التشغيل ليلاً وفي الأيام الغائمة؟ ستساعدك هذه المقالة في تحديد الحل الأنسب، بالإضافة إلى منطق تصميم النظام وتكلفته وفترة استرداد تكلفته.

لماذا نستخدم نظامًا هجينًا يعمل بالطاقة الشمسية والرياح لتحلية المياه؟

بالنسبة لمشاريع تحلية المياه خارج الشبكة، فإن التحدي الأكبر ليس عملية التحلية نفسها، بل من أين نحصل على الكهرباء.

الحل التقليدي هو مولدات الديزل، لكن تكاليف نقل الديزل مرتفعة، وتتقلب أسعاره بشكل كبير في المناطق النائية. لذلك، فكر الكثيرون في استخدام الطاقة الشمسية. تكنولوجيا الخلايا الكهروضوئية الشمسية ناضجة، وأسعارها تتناقص عامًا بعد عام، مما يجعلها خيارًا ممتازًا. ولكن ماذا لو لم تكن هناك شمس في الليل أو في الأيام الغائمة؟

لهذا السبب، تبرز الحاجة إلى أنظمة تحلية المياه الهجينة التي تعمل بالطاقة الشمسية وطاقة الرياح. يدمج نظام التحلية الهجين النموذجي توليد الطاقة من كلٍّ من الطاقة الشمسية وطاقة الرياح. وبالإضافة إلى تخزين الطاقة، يمكنه توفير إمدادات مياه على مدار الساعة طوال أيام الأسبوع حتى في المناطق النائية.

بالنسبة للجزر والمناطق الساحلية والمجتمعات النائية - أي المناطق التي تفتقر إلى شبكة كهرباء أو التي تعاني من شبكة غير موثوقة - يُعدّ نظام الطاقة الهجين الذي يجمع بين طاقة الرياح والطاقة الشمسية حاليًا الحل الأمثل لتوليد الطاقة خارج الشبكة لتحلية المياه.

متى يتم الجمع بين طاقة الرياح والطاقة الشمسية؟

لا تتطلب جميع المشاريع طاقة هجينة تجمع بين طاقة الرياح والطاقة الشمسية. ففي بعض الأحيان، تكفي الطاقة الشمسية وحدها، بينما في أحيان أخرى تكون طاقة الرياح أكثر فعالية من حيث التكلفة. ويعتمد الاختيار الأمثل على الظروف الخاصة بكل مشروع.

عندما تتوافر ظروف مثل سطوع الشمس الجيد، وانخفاض سرعة الرياح، واستخدام المياه بشكل أساسي خلال النهار، والحجم الكافي، وميزانية استثمار أولية محدودة، قد تكون الطاقة الشمسية وحدها كافية. 

عندما تتوفر ظروف مثل ضعف أشعة الشمس، وسرعة الرياح العالية، ومحدودية الأراضي، وقدرات صيانة توربينات الرياح الناضجة بشكل كامل، قد تكون طاقة الرياح وحدها كافية.

يوصى بشدة باستخدام نظام تحلية مياه البحر الهجين الذي يعمل بالطاقة الشمسية وطاقة الرياح إذا تحققت أي من الشروط التالية:

• يتطلب التشغيل ليلاً
• ارتفاع أسعار الديزل
• الاعتماد غير المستقر على مورد واحد.

منطق تصميم النظام الهجين للرياح والطاقة الشمسية

يرتكز تصميم نظام تحلية المياه الهجين المتجدد على تحويل الطلب على المياه إلى طلب على الكهرباء، ثم توزيع هذا الطلب على الطاقة الشمسية وطاقة الرياح. ويتضمن هذا النهج خمس خطوات.

الخطوة الأولى: تحديد الطلب اليومي على الطاقة

تتمثل الخطوة الأولى في التصميم في تحديد كمية المياه العذبة التي يحتاجها المشروع لإنتاجها كل يوم، وهو ما يشكل الأساس للحسابات اللاحقة.

الخطوة الثانية: حساب إجمالي متطلبات الطاقة

تُعدّ تقنية التناضح العكسي حاليًا أكثر تقنيات تحلية مياه البحر كفاءةً في استهلاك الطاقة، حيث يبلغ استهلاكها للطاقة حوالي 2.9 كيلوواط ساعة/م³. مع الأخذ في الاعتبار عوامل مثل كمية المياه المتناولة، والمعالجة المسبقة، و مضخات الضغط العالي, ، يتراوح النطاق المقدر في التصميم الهندسي عادةً بين 3-5 كيلوواط ساعة / م³.

الخطوة 3: حساب مساهمة الطاقة الشمسية

يعتمد توليد الطاقة الشمسية الكهروضوئية على سعة الألواح الكهروضوئية المركبة وعدد ساعات سطوع الشمس القصوى. وتُحسب الطاقة المُولّدة يوميًا بالمعادلة التالية: الطاقة المُولّدة يوميًا = السعة المركبة × عدد ساعات سطوع الشمس القصوى × كفاءة النظام. وتُعتبر كفاءة النظام عادةً بين 0.75 و0.85 لتعويض الفاقد.

الخطوة الرابعة: حساب مساهمة طاقة الرياح

يُعدّ تقدير إنتاج طاقة الرياح عملية معقدة نسبيًا، نظرًا لوجود علاقة تكعيبية بين سرعة الرياح وتوليد الطاقة؛ فمضاعفة سرعة الرياح تؤدي إلى زيادة توليد الطاقة ثمانية أضعاف. وتشير التقديرات التقريبية إلى أنه في ظل متوسط سرعة رياح سنوية يبلغ 6 أمتار في الثانية، يُولّد توربين رياح بقدرة 20 كيلوواط ما يقارب 35,000 إلى 45,000 كيلوواط ساعة سنويًا. 

في المشاريع الهندسية الفعلية، يجب أن يستند اختيار توربينات الرياح إلى حسابات باستخدام منحنى توزيع سرعة الرياح (توزيع ويبول) لموقع المشروع.

الخطوة 5: حساب نسبة الطاقة الهجينة

تُعد نسبة طاقة الرياح إلى الطاقة الشمسية جوهر منطق تصميم النظام بأكمله، ويتم تحسينها بناءً على المتغيرات التالية:

• الموارد الشمسية المحلية: ظروف سطوع الشمس الأفضل تسمح بنسبة أعلى من الطاقة الشمسية.
• موارد الرياح المحلية: تسمح سرعات الرياح الأعلى والأكثر استقرارًا بنسبة أعلى من طاقة الرياح.
• تكاليف تخزين الطاقة: تتطلب البطاريات باهظة الثمن دمج مصادر متعددة لتوليد الطاقة لتقليل الحاجة إلى التخزين.
• قيود استخدام الأراضي: مع محدودية الأراضي، تتمتع طاقة الرياح بميزة أكبر.
• استخدام المياه ليلاً: يتطلب ارتفاع استخدام المياه ليلاً استخدام طاقة الرياح أو تخزين المزيد من الطاقة.

تبدأ عملية التصميم عادةً بنسبة 60% من الطاقة الشمسية و40% من طاقة الرياح، ثم تُجرى تعديلات بناءً على المتغيرات المذكورة. في المناطق ذات سرعات الرياح العالية، يمكن زيادة نسبة طاقة الرياح إلى 50-70%. في التطبيقات الهندسية العملية، ومن خلال تحسين الخوارزميات، يمكن إيجاد النسبة المثلى بين طاقة الرياح والطاقة الشمسية بأقل تكلفة مُستوية للطاقة (LCOE) مع تلبية متطلبات الأحمال، وتحديد عدد الألواح الشمسية وتوربينات الرياح اللازمة.

تكوين النظام لتطبيقات تحلية المياه

يتكون نظام تحلية مياه البحر الهجين الكامل الذي يعمل بالطاقة الشمسية والرياح من وحدة توليد الطاقة، ووحدة تخزين الطاقة، ووحدة تحكم، ووحدة تحلية المياه.

وحدة توليد الطاقة

تُفعَّل الإلكترونات في أشباه موصلات الألواح الشمسية بواسطة ضوء الشمس. تنتقل الإلكترونات الحرة، مولدةً قوة دافعة كهربائية ومُشكِّلةً تيارًا كهربائيًا. هكذا تُحوِّل منظومة الخلايا الكهروضوئية الطاقة الشمسية إلى تيار مباشر. ويعتمد تصميمها الفعلي على ظروف سطوع الشمس المحلية واحتياجات المياه.

يستخدم نظام توربينات الرياح الحث الكهرومغناطيسي لتحويل طاقة الرياح إلى طاقة ميكانيكية، ثم إلى طاقة كهربائية. ويجب أن يستند اختيار توربينات الرياح إلى منحنى توزيع سرعة الرياح في موقع المشروع.

وحدة تخزين الطاقة

يضمن تخزين الطاقة في البطاريات إمدادًا مستقرًا بالطاقة للنظام حتى في غياب الرياح وأشعة الشمس. وتعتمد الحاجة إلى تخزين الطاقة على نسبة استهلاك المياه ليلًا في المشروع، ومدى تكامل موارد الرياح والطاقة الشمسية. بالنسبة للمشاريع التي تتطلب تشغيلًا متواصلًا على مدار الساعة، يُنصح بشدة بتركيب نظام لتخزين الطاقة.

وحدة التحكم

يتولى جهاز التحكم الهجين إدارة مدخلات الطاقة الشمسية وطاقة الرياح، ويمنع الشحن الزائد والتفريغ الزائد للبطاريات. وهو وحدة التحكم المركزية لنظام توليد الطاقة بأكمله.

يقوم نظام إدارة الطاقة (EMS) بالتبديل الذكي لوضع تشغيل النظام بناءً على الظروف الجوية، وطلب الحمل، وحالة تخزين الطاقة لضمان التشغيل المستقر لنظام تحلية المياه.

وحدة تحلية المياه

تتضمن المكونات الأساسية لوحدة تحلية المياه بالتناضح العكسي نظام معالجة مسبقة، ومضخة ضغط عالٍ، و غشاء التناضح العكسي وحدة، ونظام معالجة لاحقة. وهو أمر بالغ الأهمية لتحقيق فصل المياه المالحة عن المياه العذبة.

ال جهاز استعادة الطاقة (ERD) يُعد هذا الجهاز قطعة أساسية من المعدات لتقليل تكاليف تشغيل تحلية المياه، مما يقلل من استهلاك الطاقة للنظام بنسبة 30-50%.

هيكل التكاليف وتفصيل الاستثمار

النفقات الرأسمالية

النفقات التشغيلية

مقارنة تكلفة تحلية المياه خارج الشبكة

في معظم المناطق النائية، تتطلب أنظمة توليد الطاقة الهجينة التي تجمع بين طاقة الرياح والطاقة الشمسية تكاليف رأسمالية مرتفعة، بينما تكون تكاليف التشغيل منخفضة للغاية. وفي المناطق التي ترتفع فيها تكاليف النقل بالديزل، تكون فترة استرداد التكاليف أسرع. وعلى مدى عمر افتراضي يبلغ 20 عامًا، تكون التكلفة الإجمالية لنظام الطاقة الهجين الذي يجمع بين طاقة الرياح والطاقة الشمسية عادةً أقل من تكلفة نظام الديزل. 

يقارن الجدول أدناه تكاليف حلول الطاقة الهجينة التي تجمع بين طاقة الرياح والطاقة الشمسية وحلول الديزل:

العائد على الاستثمار وفترة الاسترداد

بعد توضيح هيكل التكلفة، يبرز الآن السؤال الحاسم: كم من الوقت يستغرق هذا النظام لاسترداد استثماره؟

استنادًا إلى العديد من الدراسات الأكاديمية ودراسات الحالة الهندسية، تتراوح فترة استرداد التكاليف النموذجية لنظام تحلية مياه البحر الهجين الذي يعمل بالطاقة الشمسية وطاقة الرياح بين 3 و7 سنوات. وفيما يلي العوامل المؤثرة في تحليل العائد على الاستثمار:

• كلما زادت تكاليف وقود الديزل في المنطقة، زادت فوائد استبدال الديزل وزادت سرعة العائد على الاستثمار.
• كلما زاد حجم الطلب على المياه، انخفضت تكلفة الوحدة وزادت سرعة العائد على الاستثمار.
• كلما ارتفع معدل استخدام النظام، كلما أمكن تحقيق عائد أسرع على الاستثمار من خلال التشغيل المستمر مقارنة بالتشغيل المتقطع.
• كلما زاد توافر موارد الرياح/الطاقة الشمسية، قل عدد الأجهزة المطلوبة، وانخفضت النفقات الرأسمالية، وزادت سرعة العائد على الاستثمار.

أفضل تطبيقات أنظمة تحلية المياه بالطاقة الشمسية والرياح

في ترينيفي، أكبر جزر الكناري الإسبانية، بات توفير المياه العذبة للسياح والسكان مشكلةً حقيقية. وتتمثل أبرز المشكلات في ارتفاع استهلاك الطاقة، والاعتماد على الوقود المستورد، وعزلة شبكة الكهرباء. 

ومع ذلك، تتميز المنطقة بأغنى موارد طاقة الرياح في الأرخبيل، وقد تم تنفيذ نظام هجين للطاقة الشمسية الكهروضوئية وطاقة الرياح، مما يتيح إنشاء محطة مياه عذبة بسعة قصوى تبلغ 20000 متر مكعب في اليوم.

لطالما عانى سكان إحدى الجزر الإندونيسية من نقص حاد في المياه العذبة والكهرباء. كما أن نقل الديزل مكلف، والإمدادات غير منتظمة. 

اختارت الجزيرة في نهاية المطاف بناء نظام متكامل لتوليد الطاقة خارج الشبكة بقدرة 720 كيلوواط من طاقة الرياح والطاقة الشمسية والتخزين، والذي ينتج 175000 طن من المياه النقية سنوياً ويولد أكثر من مليون كيلوواط ساعة من الكهرباء سنوياً.

لمعالجة مشكلة نقص المياه المتفاقمة، تعمل المغرب بقوة على تشجيع تحلية مياه البحر وإلزام محطات التحلية الجديدة التي يتم بناؤها محطات تحلية مياه البحر استخدم الطاقة النظيفة. 

يُعد مشروع أغادير مشروعًا رائدًا في هذا المجال، وهو أول مشروع لتحلية مياه البحر في أفريقيا يعمل مباشرةً بالطاقة الشمسية وطاقة الرياح. بعد التوسعة، تصل الطاقة الإنتاجية الإجمالية إلى 400,000 متر مكعب يوميًا، ويساهم توفير الطاقة النظيفة في خفض تكاليف التحلية بنسبة تتراوح بين 15 و251 تريليون طن.

خاتمة

بعد استيفاء المعايير المذكورة لاختيار التكنولوجيا، يتضح لنا أن نظام تحلية المياه الهجين الذي يعمل بالطاقة الشمسية والرياح يُعدّ من أكثر الحلول العملية لتوفير المياه العذبة للمناطق النائية. فالطاقة الشمسية وطاقة الرياح متكاملتان بطبيعتهما، وعند دمجهما مع أنظمة تخزين الطاقة المناسبة وأنظمة استعادة الطاقة، يُمكن تحقيق إمداد مستقر بالمياه على مدار الساعة. 

علاوة على ذلك، فإن التكلفة الإجمالية أقل بكثير من تكلفة وقود الديزل، مما يجعلها مسارًا طويل الأجل وقابلًا للتحكم ومنخفض الكربون.