محطة توليد الطاقة في أوقات الذروة

محطات توليد الطاقة في أوقات الذروة ، والمعروفة أيضًا بمحطات الذروة ، وأحيانًا تُسمى ببساطة "محطات الذروة"، هي محطات تعمل عادةً فقط عند ارتفاع الطلب على الكهرباء ، والذي يُعرف بذروة الطلب . ^{[ 1 ]} ونظرًا لأنها تُزوّد ​​الطاقة بشكل متقطع، فإن سعر الطاقة المُزوّدة يكون أعلى بكثير لكل كيلوواط ساعة مقارنةً بسعر الطاقة الأساسية . يتم تشغيل محطات توليد الطاقة في أوقات الذروة بالتزامن مع محطات توليد الطاقة الأساسية ، ^{[ 2 ]} التي تُزوّد ​​بكمية ثابتة وموثوقة من الكهرباء لتلبية الحد الأدنى من الطلب.

على الرغم من أن محطات توليد الطاقة الاحتياطية كانت تُستخدم تاريخيًا بشكل متكرر بالتزامن مع محطات توليد الطاقة الأساسية التي تعمل بالفحم، إلا أن استخدامها أصبح أقل شيوعًا الآن. تتكون محطات التوربينات الغازية ذات الدورة المركبة من دورتين أو أكثر، تشبه الأولى منها إلى حد كبير محطة توليد الطاقة الاحتياطية، بينما تعمل الثانية على الحرارة المهدرة من الأولى. غالبًا ما يكون هذا النوع من المحطات قادرًا على بدء التشغيل بسرعة، وإن كان بكفاءة أقل، ثم ينتقل خلال بضع ساعات إلى وضع توليد الطاقة الأساسية الأكثر كفاءة. تتشابه تكلفة رأس المال لكل واط في محطات الدورة المركبة مع محطات توليد الطاقة الاحتياطية، لكنها تعمل لفترات أطول بكثير، وتستهلك وقودًا أقل إجمالًا، وبالتالي توفر كهرباء أرخص.

اعتبارًا من عام 2020، توفر توربينات الغاز ذات الدورة المفتوحة تكلفة كهرباء تتراوح بين 151 و198 دولارًا أمريكيًا لكل ميغاواط ساعة. ^{[ 3 ]}

استُبدلت محطات توليد الطاقة الاحتياطية بأنظمة تخزين البطاريات في بعض المناطق. ^{[ 4 ]} وتسعى هيئة الطاقة في نيويورك (NYPA) إلى استبدال محطات توليد الطاقة الاحتياطية التي تعمل بالغاز بأنظمة تخزين البطاريات، [ 5 ^{] [ 6 ] وقد استُبدلت} محطة توليد طاقة احتياطية تعمل بالغاز في مقاطعة فينتورا ، كاليفورنيا، بـ 142 وحدة من وحدات تسلا ميجاباك (توفر 100 ميجاواط)، ^{[ 7 ] [ 8 ]} وفي ليسين ، بلجيكا، استُبدل مولد نفاث توربيني بـ 40 وحدة من وحدات تسلا ميجاباك (50 ميجاواط). ^{[ 9 ]} وخلص مجلس الطاقة النظيفة الأسترالي في أبريل 2021 إلى أن تخزين البطاريات قد يكون أرخص بنسبة 30% من محطات توليد الطاقة الاحتياطية التي تعمل بالغاز. ^{[ 10 ]}

تحدث ساعات الذروة عادةً في الصباح أو في وقت متأخر من بعد الظهر/المساء، وذلك بحسب الموقع. في المناخات المعتدلة، تحدث ساعات الذروة غالبًا عندما يكثر استخدام الأجهزة المنزلية في المساء بعد ساعات العمل. أما في المناخات الحارة، فتكون الذروة عادةً في وقت متأخر من بعد الظهر عندما يكون استهلاك مكيفات الهواء مرتفعًا، وخلال هذا الوقت لا تزال العديد من أماكن العمل مفتوحة وتستهلك الطاقة. وفي المناخات الباردة، تكون الذروة في الصباح عندما يبدأ تشغيل أنظمة التدفئة والصناعات. ^{[ 11 ]}

قد تعمل محطة توليد الطاقة الاحتياطية لساعات طويلة يوميًا، أو لبضع ساعات فقط سنويًا، وذلك تبعًا لحالة شبكة الكهرباء في المنطقة . ونظرًا لتكلفة بناء محطة طاقة عالية الكفاءة، فإنه إذا كان تشغيل محطة الطاقة الاحتياطية سيقتصر على فترة قصيرة أو متغيرة بشكل كبير، فلن يكون من المجدي اقتصاديًا جعلها بنفس كفاءة محطة توليد الطاقة الأساسية. إضافةً إلى ذلك، غالبًا ما تكون المعدات والوقود المستخدمة في محطات الطاقة الأساسية غير مناسبة للاستخدام في محطات الطاقة الاحتياطية، لأن الظروف المتقلبة ستؤدي إلى إجهاد المعدات بشكل كبير. لهذه الأسباب، نادرًا ما تُستخدم محطات الطاقة النووية ، ومحطات تحويل النفايات إلى طاقة ، ومحطات الفحم ، ومحطات الكتلة الحيوية ، إن لم يكن أبدًا، كمحطات طاقة احتياطية.

مع اتجاه الدول نحو الابتعاد عن محطات توليد الطاقة الأساسية التي تعمل بالوقود الأحفوري والتوجه نحو مصادر الطاقة المتجددة المتقطعة ، مثل طاقة الرياح والطاقة الشمسية، يزداد الطلب على أنظمة تخزين الطاقة في الشبكة ، كبدائل متجددة لبناء المزيد من محطات توليد الطاقة الاحتياطية أو محطات متابعة الأحمال. وثمة خيار آخر يتمثل في توزيع أوسع لقدرة التوليد، من خلال استخدام وصلات الربط الشبكي، مثل مسارات الربط الشبكي التابعة لمجلس الطاقة في غرب إنجلترا (WECC) .

محطات توليد الطاقة الاحتياطية هي عمومًا توربينات غازية أو محركات غازية تعمل بالغاز الطبيعي . بعضها يعمل بالغاز الحيوي أو سوائل مشتقة من البترول ، مثل زيت الديزل ووقود الطائرات ، لكن هذه المواد أغلى ثمنًا من الغاز الطبيعي، لذا يقتصر استخدامها على المناطق التي لا تتوفر فيها إمدادات الغاز الطبيعي. إضافةً إلى الغاز الطبيعي، تستطيع العديد من محطات توليد الطاقة الاحتياطية استخدام البترول كوقود احتياطي، حيث يتم تخزين النفط في خزانات داخل المحطة. تتراوح الكفاءة الديناميكية الحرارية لمحطات توليد الطاقة بالتوربينات الغازية ذات الدورة البسيطة بين 20 و42%، ويبلغ متوسطها في المحطات الجديدة ما بين 30 و42%.

لزيادة الكفاءة، يُضاف مولد بخار لاستعادة الحرارة (HRSG) عند مخرج العادم. يُعرف هذا النوع من المحطات باسم محطة الدورة المركبة . تستخدم تقنية التوليد المشترك حرارة العادم المهدرة في العمليات الصناعية، أو التدفئة المركزية ، أو غيرها من أغراض التدفئة. يُستخدم كلا الخيارين فقط في المحطات المصممة للعمل لفترات أطول من المعتاد. أحيانًا، تُستخدم مولدات الغاز الطبيعي والديزل المزودة بمحركات ترددية لدعم الشبكة الكهربائية باستخدام محطات أصغر حجمًا.

يُعدّ تركيب نظام تبريد هواء مدخل التوربين خيارًا آخر لزيادة الكفاءة وإنتاج الطاقة في التوربينات الغازية ، حيث يعمل هذا النظام على خفض درجة حرارة الهواء الداخل، مما يزيد من نسبة تدفق الكتلة. ويمكن لهذا الخيار، بالاشتراك مع خزان تخزين الطاقة الحرارية ، أن يزيد من إنتاج طاقة التوربين خلال فترات ذروة الاستهلاك بنسبة تصل إلى 30%. ^{[ 12 ]}

تتميز السدود الكهرومائية بقدرتها على التكيف المتعمد. فهي قادرة على توليد كميات أقل من الطاقة خلال فترات انخفاض الطلب، والاستجابة السريعة لمتطلبات الذروة، وبالتالي يمكن أن تعمل الطاقة الكهرومائية كمحطة لتتبع الأحمال أو محطة لتلبية ذروة الطلب، وفي حال توفر كميات كافية من المياه، يمكن استخدامها كمحطة لتوليد الطاقة الأساسية. ويُستخدم عادةً توربينات الغاز الطبيعي أو أنظمة التخزين بالضخ عندما لا تكفي الطاقة الكهرومائية لتلبية التغيرات اليومية والأسبوعية في الإنتاج والاستهلاك. ^{[ 14 ]}

ليس من غير المألوف بناء سد بسعة تفوق قدرة إمدادات المياه، مما يسمح بزيادة ذروة الإنتاج. ويُعدّ تحديث المعدات في السدود القائمة من أقل الطرق تكلفةً لزيادة ذروة الإنتاج. ^{[ 15 ]} غالبًا ما تكون القدرة على تغيير كمية الكهرباء المولدة محدودةً بشرط استيفاء الحد الأدنى أو الأقصى لتدفقات المياه في المصب. ^{[ 16 ]}

تُعدّ الطاقة الكهرومائية المُخزّنة بالضخّ الشكلَ الأكبر سعةً لتخزين الطاقة في الشبكة الكهربائية، وتُستخدم لموازنة الطلب على الكهرباء خلال فترات الذروة وخارجها. يخزّن الموقع الطاقة باستخدام طاقة الجاذبية الكامنة في المياه المُخزّنة في الخزان. تُستخدم الطاقة الكهربائية منخفضة التكلفة خارج أوقات الذروة، المُستمدة من الأحمال الأساسية أو مصادر الطاقة المتقطعة، لضخّ المياه من مستوى منخفض إلى خزان مرتفع لتخزينها. خلال فترات ذروة الطلب على الكهرباء، تُطلق المياه المُخزّنة عبر التوربينات لتوليد الطاقة الكهربائية. لا تتجاوز مدة بدء التشغيل بضع دقائق، وقد يبدأ بعضها في غضون بضع عشرات من الثواني. ^{[ 17 ]}

تُستخدم البطاريات في بعض الحالات التي تسمح بها الظروف لضمان استمرارية تدفق الطاقة، وتجنب تكاليف تحديث خطوط الكهرباء الباهظة، فضلاً عن توفير الطاقة القصوى ^{[ 18 ] [ 19 ]} وخدمات الشبكة الأخرى ^{[ 20 ]} مثل احتياطي التشغيل ، وأحيانًا في تكوين هجين مع التوربينات ^{[ 21 ]} أو محركات الديزل. تُعد طاقة البطاريات الأسرع استجابةً بين جميع محطات توليد الطاقة، ويمكنها الاستجابة لظروف الشبكة في غضون أجزاء من الثانية، مما يمنح المعدات الأبطأ استجابةً فرصةً للتفاعل مع انقطاعات التيار الكهربائي.

تعتبر أنظمة التخزين بالضخ والبطاريات مستهلكين صافين، حيث لا يوجد لديهم مصدر طاقة متأصل، كما أن عملية التحويل بين الكهرباء والتخزين والعكس تتسبب في بعض الخسائر.

طُرحت فكرة محطات الطاقة الشمسية الحرارية لتوليد الطاقة في أوقات الذروة عام 2017، بموجب منحة من وزارة الطاقة الأمريكية ضمن برنامج "تكنولوجيا السوق 2 " ^{[ 22 ]} ، والتي مُنحت لهانك برايس من شركة سولار داينامكس. وقد اقترحت ورقته البحثية بعنوان "محطة طاقة شمسية قابلة للتوزيع" ^{[ 23 ]} الاستفادة من تخزين الطاقة الحرارية المتأصل في محطة الطاقة الشمسية الحرارية ، مما يُمكّن هذا النوع من الطاقة الشمسية القائمة على الحرارة من توليد الطاقة، تمامًا مثل محطات توليد الطاقة بالغاز، لتوفير الطاقة عند الطلب ليلًا ونهارًا، وفي المقابل، يُمكن التحكم بها من قِبل شركة الكهرباء ودفع تكاليفها على شكل مدفوعات تُتيح توفرها عند الحاجة، كما هو الحال في محطات توليد الطاقة التقليدية. تُنتج محطة الطاقة الشمسية الحرارية الكهرباء في دورة بخارية، على غرار محطات الطاقة التقليدية، ولكن يتم توفير الحرارة اللازمة لإنتاج البخار من خلال الطاقة الشمسية التي تُسخّن مادة مثل الأملاح المنصهرة، وتُخزّن الحرارة لحين الحاجة إليها لإنتاج البخار لتوليد الطاقة.

سيشمل نظام الإمداد الكهربائي الاقتصادي محطات توليد الطاقة الأساسية . وستركز هذه الوحدات على خفض تكلفة الوقود الإضافية، ولكنها قد تتطلب استثمارًا رأسماليًا أكبر لتحسين الكفاءة. على سبيل المثال، قد تستخدم محطة توليد الطاقة الاحتياطية توربينًا غازيًا فقط، بينما قد تضيف محطة توليد الطاقة الأساسية دورة بخارية سفلية لتحسين استهلاك الوقود الإجمالي للمحطة لكل وحدة كهرباء منتجة. تعمل محطات الطاقة النووية ومحطات حرق الفحم بشكل عام بشكل مستمر، ولا تتوقف إلا للصيانة أو حالات الانقطاع غير المتوقعة. ^{[ 24 ]}

إن انخفاض التكلفة الإضافية للوقود في محطات الطاقة النووية، مقارنةً بتكلفتها الرأسمالية المرتفعة، يجعلها الخيار الأمثل لتوفير الطاقة الأساسية. ويمكن استخدام محطات الطاقة الكهرومائية، التي لا تفرض قيودًا تُذكر على إمدادات المياه، لتوفير الطاقة الأساسية نظرًا لانعدام التكلفة الإضافية للوقود فيها. ونظرًا لأن محطة الطاقة التي تعمل بدورة البخار قد تستغرق ساعات للانتقال من وضع الاستعداد البارد إلى طاقتها الكاملة، فإنها لا تُستخدم عادةً لتوفير الطاقة في أوقات ذروة الطلب. ^{[ 25 ]}

تعمل محطات توليد الطاقة المتوسطة ، مثل محطات الطاقة الكهرومائية، بين هذين النقيضين، حيث تقلل إنتاجها ليلاً وفي عطلات نهاية الأسبوع عندما يكون الطلب منخفضاً. وتُستخدم محطات الطاقة الأساسية والمتوسطة بشكل تفضيلي لتلبية الطلب على الكهرباء لأن انخفاض كفاءة محطات توليد الطاقة الاحتياطية يجعلها أكثر تكلفة في التشغيل. ^{[ 26 ]}

• الطاقة الحرارية الأرضية
• قائمة مشاريع تخزين الطاقة
• الشبكة الذكية
• نقل البيانات من المركبة إلى الشبكة
• تبريد هواء مدخل التوربين
• محطة توليد الطاقة ذات الأحمال المتغيرة