استهلاك الطاقة في أنظمة تحلية مياه البحر: دليل شامل بالكيلوواط ساعة/م³

ل تحلية مياه البحر, شراء المعدات ليس سوى استثمار لمرة واحدة. يكمن سر الربحية الحقيقي في تكاليف التشغيل، حيث تمثل الكهرباء عادةً أكثر من نصف هذه التكاليف.

مع ذلك، ستجد عمليًا أن الموردين المختلفين قد يقدمون أرقامًا لاستهلاك الطاقة تختلف بمقدار الضعف، فبعضهم يقدم 3 كيلوواط/م³، والبعض الآخر 6 كيلوواط/م³. أي طريقة نختار لمشروعنا؟ يرتبط هذا السؤال ارتباطًا مباشرًا بفواتير الكهرباء اليومية وجدوى المشروع. فهم استهلاك الطاقة أمر بالغ الأهمية لفهم تكاليف التشغيل.

ما هو معدل استهلاك الطاقة في محطة تحلية المياه؟

هذا هو السؤال الأكثر شيوعاً. دعونا نستخدم المعايير المعترف بها في الصناعة: يتراوح استهلاك الطاقة لنظام التناضح العكسي لمياه البحر (SWRO) بين 3 و6 كيلوواط ساعة/م³ تقريباً، بينما يتراوح استهلاك الطاقة لنظام التناضح العكسي لمياه البحر (BWRO) بين 0.5 و2 كيلوواط ساعة/م³ تقريباً.

من المهم ملاحظة أنه لا يمكن مقارنة النظامين بناءً على استهلاك الطاقة بالكيلوواط/ساعة فقط. فأنظمة التناضح العكسي لمياه البحر (SWRO) وأنظمة التناضح العكسي لمياه البحر (BWRO) تختلف في جودة المياه وتكوينات المعالجة الأولية، لذا فإن المقارنة المباشرة بينهما ستؤدي إلى استنتاجات خاطئة.

لماذا يوجد هذا التفاوت الكبير في استهلاك الطاقة؟ ويرجع ذلك أساساً إلى أن استهلاك الطاقة يعتمد بشكل كبير على ظروف المشروع والتكوينات التقنية.

ما الذي يؤثر على استهلاك الطاقة؟

للإجابة على السؤال أعلاه، يعتمد استهلاك الطاقة لنظام تحلية مياه البحر على العوامل الرئيسية التالية:

إجمالي المواد الصلبة الذائبة

هذا أمرٌ سهل الفهم: فكلما زادت ملوحة مياه البحر، زاد الضغط الأسموزي، وبالتالي زاد الضغط اللازم للتغلب على هذا الضغط، مما يزيد من استهلاك الطاقة. يبلغ إجمالي المواد الصلبة الذائبة في مياه البحر القياسية حوالي 35000-45000 ملغم/لتر.

إذا كان موقع مشروعك يتميز بملوحة عالية، كما هو الحال في منطقة البحر الأحمر، فسيكون استهلاك الطاقة أعلى من القيمة النظرية. في المقابل، بالنسبة لمياه البحر منخفضة الملوحة كبحر قزوين (أقل من 16000 ملغم/لتر)، يمكن أن يصل استهلاك الطاقة الأمثل إلى 1.809 كيلوواط ساعة/م³. ويُعدّ تأثير إجمالي المواد الصلبة الذائبة (TDS) بالغ الأهمية.

ضغط

أنظمة التناضح العكسي يتطلب الأمر ضغطًا أعلى من الضغط الأسموزي لدفع الماء عبر الغشاء. ويتراوح ضغط التشغيل القياسي لتحلية مياه البحر عادةً بين 50 و75 بار. 

يؤدي ارتفاع الضغط إلى زيادة معدل إنتاج المياه في وحدة الزمن، ولكنه يؤدي أيضاً إلى زيادة استهلاك الطاقة. وهذا يخلق مشكلة توازن: فالضغط المنخفض جداً لا ينتج عنه أي مياه، بينما الضغط المرتفع جداً يؤدي إلى ارتفاع تكاليف الكهرباء.

معدل التعافي

معدل الاسترداد = حجم الماء المنتج / حجم الماء المغذي. 

متى تحسين معدل التعافي, كلما زاد تركيز المحلول المركز، ارتفع الضغط الأسموزي، وبالتالي زاد استهلاك الطاقة. تتميز أنظمة التناضح العكسي القياسية لمياه البحر بمعدل استخلاص يتراوح بين 35 و451 طن/طن.

لذا، إذا رأيتَ موردًا يتميز باستهلاك منخفض جدًا للطاقة، فاسأل دائمًا عن معدل استرداد الطاقة لديه. سيؤدي انخفاض معدل استرداد الطاقة إلى خفض استهلاك الطاقة (كيلوواط/م³)، ولكنه سيزيد من إجمالي كمية المياه المستهلكة، مما يؤدي إلى ارتفاع تكاليف المعالجة الأولية.

درجة حرارة

مع ارتفاع درجة حرارة الماء، تنخفض لزوجته، مما يؤدي إلى زيادة تدفق الماء المُرشَّح عبر الغشاء. ويمكن لدرجة حرارة مناسبة أن تُخفِّض ضغط التشغيل مع الحفاظ على نفس معدل تدفق الماء المُرشَّح. وقد أظهرت إحدى الدراسات أن رفع درجة حرارة ماء التغذية من 5 درجات مئوية إلى 30 درجة مئوية يزيد معدل تدفق الماء المُرشَّح بمقدار 0.929 متر مكعب في الساعة.

كفاءة الغشاء

مختلف أغشية التناضح العكسي تختلف نفاذية الأغشية تحت ضغط الوحدة. ويمكن استخدام غشاء عالي التدفق لتقليل استهلاك الطاقة في نظام التناضح العكسي إلى حوالي 2.22 كيلوواط ساعة/م³. 

علاوة على ذلك، تتقادم الأغشية بمرور الوقت، ويزداد استهلاك الطاقة سنوياً. ينبغي مراعاة ذلك أثناء التشغيل والصيانة.

جهاز استعادة الطاقة (ERD)

تعمل تقنية استعادة الطاقة عن طريق استعادة الضغط من المركز عالي الضغط في نظام التناضح العكسي وإعادة استخدامه لتعزيز مياه التغذية، مما يقلل بشكل كبير من استهلاك الطاقة. مضخة الضغط العالي. إن تجهيز نظام SWRO بجهاز ERD يمكن أن يقلل من استهلاك الطاقة بما يصل إلى 60%، ويمكن لأجهزة ERD الحديثة متساوية الضغط أن تحقق كفاءات تزيد عن 98%.

كيف يتم حساب الطاقة فعلياً؟

إن وحدة كيلوواط ساعة/م³ مجرد رقم؛ ما عليك فعله هو تحويله إلى كمية الكهرباء التي ستدفع ثمنها يوميًا. إن منطق حسابات استهلاك الطاقة ليس معقدًا:

الاستهلاك اليومي للكهرباء (كيلوواط ساعة) = الإنتاج اليومي للمياه (م³) × استهلاك الطاقة المحدد (كيلوواط ساعة/م³)

فاتورة الكهرباء = الاستهلاك اليومي للكهرباء × سعر الكهرباء المحلي

تتميز عملية تحلية مياه البحر باستهلاك أدنى نظري للطاقة. فبحسب القانون الثاني للديناميكا الحرارية، وفي ظل ظروف درجة حرارة 25 درجة مئوية ومعدل استخلاص 50%، يبلغ الحد الأدنى النظري لاستهلاك الطاقة لإنتاج متر مكعب واحد من المياه العذبة من مياه البحر القياسية 1.1 كيلوواط ساعة/م³. أما استهلاك الطاقة في نظام تحلية مياه البحر بالتناضح العكسي (SWRO) الفعلي فيتراوح عادةً بين 2.5 و4.0 كيلوواط ساعة/م³ (مع جهاز استرداد الطاقة).

من المفاهيم الخاطئة الشائعة أن فواتير الكهرباء تُحسب بضرب استهلاك الطاقة (كيلوواط ساعة/م³) الذي يحدده المورد مباشرةً في سعر الكهرباء. عادةً ما تُقاس القيم التي يقدمها الموردون في ظل ظروف التشغيل القياسية. يُنصح بترك هامش خطأ يتراوح بين 10 و20% في عرض سعر المورد لتغطية أي اختلافات في ظروف موقع المشروع.

هل يمكن لتحلية المياه بالطاقة الشمسية أن تغير استهلاك الطاقة؟

يظن الكثيرون خطأً أن استخدام الطاقة الشمسية سيقلل من استهلاك الطاقة للأجهزة. لكن في الحقيقة، الطاقة الشمسية لا تُغير سوى هيكل التكلفة، وليس استهلاك الطاقة نفسه. 

تُحدد كمية الكهرباء التي تستهلكها مجموعة أنظمة التناضح العكسي لإنتاج متر مكعب واحد من الماء بناءً على معايير فنية مثل الضغط ومعدل الاستخلاص. وسواءً تم توصيل النظام بشبكة الكهرباء الرئيسية، أو استخدام وقود الديزل، أو الطاقة الشمسية، فإن الجهاز سيستهلك نفس كمية الكهرباء.

تتمثل ميزة الطاقة الشمسية في أنها توفر عليك المتاعب على المدى الطويل. تتذبذب أسعار الكهرباء من الشبكة ووقود الديزل بسبب السياسات وظروف السوق، بينما معدات تحلية المياه بالطاقة الشمسية يُعدّ مصدر الطاقة الأرخص لنظام تحلية المياه. ورغم أن الاستثمار الأولي في الألواح الشمسية كبير، إلا أنه يمكن إبقاء تكاليف التشغيل على المدى الطويل منخفضة للغاية. 

لكن توليد الطاقة الشمسية متقطع؛ ففي الليل أو في الأيام الغائمة التي لا تشرق فيها الشمس، يجب أن يعتمد النظام على تخزين البطاريات أو العودة إلى الشبكة ومولدات الديزل لتوفير الطاقة الاحتياطية.

أمثلة من الحياة الواقعية

محطات تحلية مياه البحر تُظهر المشاريع ذات الأحجام المختلفة وفي مناطق جغرافية متباينة اختلافاتٍ كبيرة في استهلاك الطاقة وكفاءة التكلفة. فيما يلي بعض دراسات الحالة للمشاريع للاسترشاد بها:

تحقق محطة تحلية المياه في العقبة بالأردن انخفاضًا في استهلاك الطاقة والتكلفة بفضل دمج نظام طاقة هجين يجمع بين طاقة الرياح والديزل والبطاريات. تبلغ الطاقة الإنتاجية لهذه المحطة 109,500 متر مكعب يوميًا، ويبلغ استهلاكها المحدد للطاقة 2.67 كيلوواط ساعة/متر مكعب، وتكلفة إنتاج المياه حوالي 1000.85 دولار أمريكي/متر مكعب.

تُعدّ موارد المياه العذبة شحيحة في جزر الكناري الإسبانية، مما يجعل تحلية مياه البحر المصدر الرئيسي لإمدادات المياه. في عام 2024، بدأ تشغيل محطة تحلية المياه "ديسالو 2.0" رسميًا في جزيرة غران كناريا، بطاقة إنتاجية تبلغ 2500 متر مكعب يوميًا، واستهلاك طاقة محدد قدره 1.83 كيلوواط ساعة/متر مكعب، وتكلفة إنتاج مياه تقديرية تتراوح بين 1 و400.55 و0.80 دولار أمريكي/متر مكعب.

خاتمة

ختاماً، يُعدّ استهلاك الطاقة في تحلية مياه البحر عاملاً حاسماً في تحديد تكاليف التشغيل على المدى الطويل. لذا، يُعدّ فهم العوامل الرئيسية المؤثرة على استهلاك الطاقة، وإتقان معادلات الحساب، والتمييز بين بيئات المشاريع المختلفة، أموراً بالغة الأهمية لاتخاذ قرارات دقيقة أثناء عملية الشراء.

تقدم شركة NEWater تقييمات مخصصة لاستهلاك الطاقة وتصميم حلول تساعدك في حساب فواتير الكهرباء. تواصل معنا، وأرسل لنا تفاصيل مشروعك، واحصل على تقرير مخصص لاستهلاك الطاقة.