طاقة الرياح: كيفية بناء توربينات بكفاءة أكبر

لقد تغيرت توربينات الرياح التي تنتج الكهرباء بشكل كبير منذ التجارب الأولى في ثمانينيات القرن التاسع عشر. أقيمت أول توربينة رياح قبل أكثر من 150 عاما في حديقة اسكتلندية: وهي عبارة عن هيكل يبلغ ارتفاعه 10 أمتار وقد استمر تطويره منذ ذلك الحين ليغير العالم ومناظره الطبيعية.

توجد اليوم توربينات الرياح لتوليد الكهرباء على اليابسة وفي البحر في جميع أنحاء العالم تقريبا. في العشرين عاما الماضية زاد ارتفاعها القياسي من 100 متر إلى أكثر من 245 مترا. ويمكن لبعض توربينات الرياح في المنشآت البحرية الآن توليد ما يصل إلى 18 ميغاواط من الكهرباء. وهذا ما يقرب من عشرة أضعاف إنتاجية المنشآت القصوى في عام 2000 التي كانت تبلغ 2 ميغاواط.

وقد أصبح ذلك ممكنا بفضل التحسن الكبير في الكفاءة. في الارتفاعات العالية تكون سرعة الرياح أعلى وتهب الرياح بشكل أكثر انتظاما لذلك يمكن إنتاج المزيد من الكهرباء هناك.

يمكن استخدام شفرات دوارة أطول ذات مساحة أكبر في الأبراج الأعلى. كلما زاد طول شفرات الدوار زاد نصف قطر دورانها وزادت كمية الرياح التي يمكنها التقاطها. وحسب إحدى الحسابات يمكن أن تؤدي مضاعفة نصف قطر الشفرة إلى زيادة إنتاج الكهرباء بأربعة أضعاف. كما أن شفرات الدوار الأكبر حجما يمكن تشغيلها حتى في حالة الرياح الضعيفة. وهذا ما يجعلها جذابة بشكل خاص للمصنعين.

لكن الأمر ليس بهذه البساطة في الواقع. فلبناء ما يُعرف بتوربينات الرياح الضعيفة هناك حاجة إلى مواد إضافية وتكون عملية تصنيعها أكثر تعقيدا. وهذا له ثمنه. فهذه النماذج أغلى بنسبة تتراوح بين 35 و45 في المائة من محطات طاقة الرياح التقليدية.

ومن ناحية أخرى يمكن للمحطات التي تستخدم الرياح الضعيفة أن توسع النطاق الجغرافي للطاقة الريحية بشكل كبير. هذا ما يقوله باحثون من الجامعة التقنية الدنماركية في لينغبي. وبالتالي يمكن أن تكون الطاقة الريحية مجدية أيضا في المناطق التي كانت تعتبر حتى الآن غير مناسبة.

وحسب ماري مونستر، أستاذة سياسات المناخ والطاقة يمكن أن تزيد النماذج الجديدة في الوقت نفسه من السعة وتتيح للمشغلين الاستفادة من مصدر الطاقة النظيفة في الظروف الجوية غير المواتية.

"عندما تكون الإنتاجية عالية أو عندما تكون طاقة الرياح كبيرة تنخفض أسعار الكهرباء. وهذا يعني انخفاض دخل مشغلي المحطات"، كما أوضحت لـ DW. ولكن عند استخدام توربينات الرياح التي تعمل بسرعات رياح منخفضة أي عندما تكون أسعار الكهرباء أعلى يمكن للمشغلين زيادة إنتاجيتهم وبالتالي إيراداتهم.

ومع ذلك لا تزال هذه الشفرات الدوارة الكبيرة جدا في مرحلة التطوير. ولم يرغب أي من كبار مصنعي توربينات الرياح في التعليق على موعد طرحها في السوق.

لماذا يصعب بناء توربينات الرياح الكبيرة؟

ارتفاع البرج هو أحد العوامل التي تحد من نمو طاقة الرياح. ويبحث الباحثون أيضا في التحدي التقني المتمثل في تصغير مكونات التوربينات الأخرى. مثل التروس التي يتم وضعها في حجرة مركزية بين الأجنحة الدوارة. يمكن أن يصل وزنها إلى 40 طنا وتقوم بتوجيه قوة الدوران الناتجة عن الرياح إلى المولد الذي يحول الطاقة الحركية إلى كهرباء.

تحتاج التوربينات الأكبر حجما إلى تروس أكثر كفاءة. لكن المساحة في الغوندول المركزي محدودة. ولهذا السبب طور المصممون نماذج أكثر كفاءة وموفرة للمساحة مما يساهم في تقليل المساحة الأساسية للتوربينات لأنها تحمل وزنا أقل.

ثورستن فينغرلي هو مدير إدارة المنتجات التقنية في شركة Winergy الألمانية المصنعة للتروس. ويقول إن شركته قد ضاعفت أداء تروسها دون زيادة حجمها. الفرق هو أن المحامل الكروية التي تقلل الاحتكاك الدوراني قد تم استبدالها بطبقة رقيقة جدا من مواد التشحيم.

ويتوقع فينغرلي أن تصل طاقة التوربينات البحرية في السنوات القادمة إلى 30 ميغاواط أي ما يقرب من ضعف المتوسط الحالي. ومع ذلك فإن مثل هذه الأبعاد تجلب معها مشاكل جديدة.

أولا يصبح نقل مثل هذه المنشآت الضخمة أكثر صعوبة. فمن الصعب نقل شفرات الدوار التي يبلغ طولها طول ملعب كرة قدم عبر الطرق والجسور غير المصممة لهذا الغرض.

قد يكون أحد الحلول هو تقسيم شفرات الدوار إلى أجزاء أصغر قابلة للتركيب. "تسهل الشفرات المقسمة عملية النقل وتتيح إجراء الإصلاحات. لكن ذلك يرتبط بمشاكل في التصميم"، يوضح إنو بيترسن، خبير شفرات الدوار في معهد فراونهوفر لأنظمة طاقة الرياح في بريمرهافن شمال ألمانيا. ويوضح بيترسن أن تثبيت الأجزاء ببعضها البعض ينطوي على خطر انحناء العناصر، مما يؤثر سلبا على إنتاج الطاقة. وهناك خيار آخر يتمثل في لصق الأجزاء ببعضها البعض.

وسيكون من الصعب إجراء التجميع بنفس الدقة التي يتم بها في بيئة مصنع خاضعة للرقابة. ويقول بيترسن: "سيكون من الضروري وجود ورشة جيدة في الموقع". وأضاف أن تكاليف التجميع الإضافية لشفرات الدوران المقسمة إلى أجزاء من المرجح أن تلغي الوفورات التي تحققها. وحسب إحدى الحسابات سترتفع تكاليف البناء بنسبة 20 في المائة في حين ستنخفض تكاليف النقل بنسبة 5 في المائة فقط.

الرياح تتصدر الطاقة المتجددة في ألمانيا

وتواجه صناعة طاقة الرياح مشاكل في التصميم. وفي الوقت نفسه تعاني منذ جائحة كوفيد من ارتفاع التكاليف وعدم استقرار سلاسل التوريد. وحسب شركة استشارات الطاقة Wood Mackenzie أدى ارتفاع أسعار الصلب بنسبة 50٪ منذ عام 2020 إلى ارتفاع تكاليف التوربينات بنسبة 20 إلى 40٪.

ويقول إندري ليكو، محلل تكنولوجيا طاقة الرياح في Wood Mackenzie: "لم ترتفع أسعار الصلب فحسب، بل ارتفعت أيضا أسعار المواد الخام الأخرى واللوجستيات والعمالة وأسعار الكهرباء وأسعار الفائدة". ويضيف ليكو أن كبار المصنعين الغربيين خسروا أكثر من 12 مليار دولار من الأرباح بين عام 2020 ومنتصف عام 2024. ويتوقع أن تظل أسعار المشاريع البرية مرتفعة حتى عام 2026.

كما أدى عدد من العوامل الأخرى إلى إبطاء نمو طاقة الرياح مؤخرا بما في ذلك بطء إجراءات الترخيص. كما أن تصنيع وتركيب المحطات قد يستغرق سنوات. لكن الوضع في هذا المجال قد يتحسن بشكل متزايد على الأقل في ألمانيا.

وفي عام 2024 وافقت السلطات الألمانية على أكثر من 2400 توربين رياح برية جديدة بطاقة إجمالية تبلغ حوالي 14 غيغاوات وهو رقم قياسي، حسب تقرير صناعي صدر في يناير.

ويعزو روبرت هابيك، وزير المناخ والاقتصاد السابق هذا النجاح أيضا إلى مبادرة ائتلاف حكومته. كان هدف الحكومة السابقة هو "تبسيط وتسريع" إجراءات الترخيص.

في كل الأحوال تظل طاقة الرياح أحد أهم مصادر الطاقة في ألمانيا: فقد استمدت البلاد 59 في المائة من إمدادات الكهرباء في العام الماضي من مصادر متجددة أكثر من نصفها من طاقة الرياح، حسب وكالة الشبكة الفيدرالية.

ويقتنع خبراء الصناعة مثل فينغرلي من Winergy بأن طاقة الرياح ستستمر في النمو. على الرغم من بعض العقبات فإن الابتكارات ستطلق إمكانات جديدة للصناعة.

أعده للعربية: م.أ.م