إعادة تأهيل الطاقة

إعادة تأهيل مزارع الرياح تعني استبدال توربينات الرياح القديمة، الأصغر حجمًا عمومًا، بتوربينات أحدث، أكبر حجمًا وأكثر كفاءة. وقد أدت الابتكارات الجديدة في تكنولوجيا طاقة الرياح إلى زيادة كبيرة في إنتاج الطاقة للتوربينات الجديدة مقارنةً بالتوربينات القديمة. ومن خلال إعادة تأهيل توربينات الرياح القديمة بتحديثات جديدة، ستؤدي زيادة حجم وكفاءة التوربينات الجديدة إلى زيادة كمية الطاقة التي يمكن توليدها من مزرعة الرياح. في الولايات المتحدة عام 2017، تم إنجاز إعادة تأهيل محطات طاقة رياح بقدرة 2131 ميغاواط. ^{[ 3 ]}

وفقًا لدراسة أجريت في كاليفورنيا ^{[ 4 ]} فإن الفوائد المحتملة لإعادة تأهيل محطات طاقة الرياح عن طريق استبدال التوربينات القديمة هي:

• قد ينخفض ​​معدل نفوق الطيور نتيجة لتركيب عدد أقل من توربينات الرياح الأكبر حجماً.
• انخفضت المخاوف الجمالية إلى الحد الذي تعتبر فيه مشاريع طاقة الرياح الحديثة أكثر جاذبية من الناحية البصرية، حتى لو كانت أطول.
• "زيادة إنتاج الطاقة المتجددة نتيجة لارتفاع متوسط ​​عوامل القدرة النموذجية لمحطات طاقة الرياح الجديدة."
• استخدام البنية التحتية القائمة (على سبيل المثال الطرق والمحطات الفرعية)، مما يؤدي إلى انخفاض تكاليف التركيب مقارنة بمشاريع طاقة الرياح الجديدة "الخضراء".
• "استخدام تكنولوجيا توربينات الرياح الأحدث التي يمكنها دعم الشبكة الكهربائية بشكل أفضل من خلال جودة طاقة أفضل."
• زيادة القاعدة الضريبية المحلية والولائية، بالإضافة إلى فرص عمل إيجابية في قطاع البناء.

لجأت دول مثل ألمانيا والدنمارك ، التي تمتلك عددًا كبيرًا من توربينات الرياح نسبةً إلى مساحة أراضيها الإجمالية، إلى تحديث التوربينات القديمة لزيادة قدرة توليد طاقة الرياح. ^{[ 5 ]} وقد ازداد استخدام مزارع الرياح وقدرتها على توليد الطاقة منذ تسعينيات القرن الماضي.

تضم كاليفورنيا العديد من توربينات الرياح القديمة التي يُمكن إعادة تأهيلها بكفاءة، إلا أنه يبدو أن هناك نقصًا في الحوافز الاقتصادية لإعادة تأهيل العديد من المواقع. بُنيت العديد من التوربينات الصغيرة في كاليفورنيا في ثمانينيات القرن الماضي بقدرة اسمية تتراوح بين 50 و100 كيلوواط، أي أقل بعشر إلى أربعين مرة من القدرة الاسمية لتوربينات الرياح الحديثة المتوسطة. ^{[ 4 ]} على الرغم من استمرار وجود العديد من العوائق التي تعرقل إعادة تأهيل مشاريع طاقة الرياح بسرعة، إلا أن أحد العوائق الرئيسية هو ببساطة أن العديد من محطات طاقة الرياح القديمة القائمة تُحقق ربحية أكبر، على المدى القريب، من خلال استمرار تشغيلها بدلاً من إعادة تأهيلها بتوربينات رياح جديدة. ^{[ 6 ]} بحلول عام 2007، أعادت كاليفورنيا تأهيل 365 ميغاواط من محطات طاقة الرياح، وهو ما يُمثل 20% فقط من إجمالي قدرة طاقة الرياح المُحتملة البالغة 1640 ميغاواط التي يُمكن تحديثها. ^{[ 4 ]}

في الهند، تتزايد نسبة توربينات الرياح التي تصل إلى عمرها الافتراضي التصميمي، ^{[ 7 ]} كما أن النسبة المرتفعة نسبيًا للتوربينات الأصغر حجمًا والأقل إنتاجية للطاقة في الأسطول العامل تُشجع على استراتيجية التقاعد المبكر وإعادة تأهيل التوربينات. في الواقع، تُشجع سياسة إعادة التأهيل المُعدلة حديثًا في الهند ^{[ 8 ]} على ترقية التوربينات حتى قدرة إنتاجية مُصنفة تبلغ 2 ميغاواط، أي ما يُعادل 25.4 غيغاواط أو حوالي 60% من إجمالي قدرة طاقة الرياح. على الرغم من قلة مشاريع إعادة التأهيل التي أُنجزت حتى الآن، إلا أن هناك إمكانات كبيرة، حيث أظهرت دراسة حديثة كيف يُمكن لإعادة التأهيل الكاملة لأسطول توربينات الرياح الحالي أن تُعزز عوامل القدرة بنسبة 82% على مستوى البلاد. ^{[ 9 ]}

مع تطبيق لوائح بيئية جديدة في الولايات المتحدة ، أصبحت محطات توليد الطاقة التي تعمل بالفحم متقادمة. ويجري إغلاق ما يصل إلى ثلاثة أرباع هذه المحطات. تشمل الخيارات قصيرة الأجل إيقاف تشغيل المحطة أو تحويلها سريعًا إلى الاحتراق المباشر للغلاية بالغاز الطبيعي، أو إعادة تأهيل هذه المحطات القديمة التي تعمل بالفحم لتصبح غلايات تعمل بالغاز. تشير التقديرات إلى أن ما يصل إلى 30 جيجاوات من قدرة توليد الطاقة الحالية في الولايات المتحدة قد تُفقد نتيجة إغلاق المحطات بسبب لوائح وكالة حماية البيئة الأمريكية الجديدة. وقد يُوفر ذلك 20% من التكلفة الرأسمالية مقارنةً ببناء محطات طاقة جديدة تمامًا، وفقًا لدراسة أجراها معهد أبحاث الطاقة الكهربائية (EPRI).

يتضمن تصميم هذه المحطات استبدال غلاية الفحم القديمة بتوربينات تعمل بالغاز. تُحوّل حرارة العادم الناتجة عن التوربينات الغازية إلى مولد بخار لاستعادة الحرارة. ومن ثم، يُضخ البخار إلى توربين بخاري، مما يزيد من إنتاج الكهرباء وكفاءة المحطة الإجمالية. وقد استُخدمت تقنية التوربينات الغازية ومولدات البخار لاستعادة الحرارة في العديد من مشاريع إعادة تأهيل محطات الطاقة على مدى العشرين عامًا الماضية في الولايات المتحدة وحدها. ومع تزايد اللوائح البيئية للحكومة الأمريكية وانخفاض أسعار الوقود، أصبح استخدام هذه التقنية خيارًا مناسبًا لتجديد العديد من محطات توليد الطاقة القديمة التي تعمل بالفحم. تعمل هذه التوربينات الغازية الحديثة بكفاءة أعلى، كما أن إضافة مولد بخار لاستعادة الحرارة ترفع كفاءة المحطة الإجمالية بنسبة تتراوح بين 40% و50% (القيمة الحرارية العليا) مقارنةً بمعظم محطات الفحم، مما يقلل من استهلاك الوقود وانبعاثات المحطة. تستخدم شركة سيمنز هذه التقنية أيضًا من خلال دمج التوربين الغازي مع مولد البخار لاستعادة الحرارة، بالإضافة إلى التوربين البخاري، في محطات توليد الطاقة ذات الدورة المركبة، وذلك لإنتاج محطات توليد طاقة بأعلى كفاءة. ويمكن لمحطات الاحتراق المباشر القائمة الاستفادة من هذا المفهوم المتقدم للدورة بإضافة توربين غازي ومولد بخار لاستعادة الحرارة. ويُعرف هذا المخطط باسم "إعادة تأهيل محطات توليد الطاقة"، مما يجعل محطة توليد الطاقة القائمة بنفس كفاءة محطة توليد الطاقة الحديثة ذات الدورة المركبة.

طورت شركة سيمنز طريقتين لتشغيل محطات توليد الطاقة بالفحم القديمة. الأولى تُسمى التشغيل الكامل، والثانية تُسمى التشغيل المتوازي. يُستخدم التشغيل الكامل فقط مع المحطات القديمة لأن غلاياتها قد وصلت إلى نهاية عمرها الافتراضي. في هذه الطريقة، تُستبدل الغلاية الأصلية، ويُضاف توربين غازي ومولد بخار لاستعادة الحرارة. بالمقارنة مع مفهوم إعادة التشغيل الكامل، يحقق هذا المخطط كفاءة أقل قليلاً. وبفضل وجود مصدرين مستقلين للبخار لتوربين البخار، يوفر هذا المفهوم مرونة أكبر في اختيار الوقود، بالإضافة إلى مرونة أكبر في التعامل مع تغيرات الأحمال. ^{[ 10 ] [ 11 ]} ومن الأمثلة على مشاريع إعادة التشغيل مشروع شركة فلور لتحديث محطة سيوارد، وهي محطة توليد طاقة تعمل بالفحم بقدرة 521 ميغاواط، وتحرق فحم النفايات . كان المشروع يهدف إلى إزالة ثلاث غلايات تعمل بالفحم المسحوق واستبدالها بغلايتين جديدتين تعملان بتقنية الفحم النظيف (CFB)، مع إدخال تعديلات جوهرية كتركيب غلايتين من نوع ألستوم (Alstom) بالإضافة إلى مولد توربيني بخاري من ألستوم. وتُعد هذه المحطة الآن أكبر محطة لتوليد الطاقة من نفايات الفحم في العالم، بقدرة إنتاجية تبلغ 521 ميغاواط، وتعمل بـ 11 ألف طن من نفايات الفحم يوميًا.

^{[ 12 ] [ 13 ]}