الطاقة الكهرومائية والرياح والشمسية لتوفير إمداد طاقة متجددة بنسبة 100% في أمريكا الجنوبية والوسطى

جدول المحتويات

1. المقدمة والنظرة العامة

يقدم هذا البحث دراسة رائدة لنمذجة نظام الطاقة بدقة ساعية لتحقيق إمداد طاقة متجددة بنسبة 100% عبر أمريكا الجنوبية والوسطى بحلول عام 2030. تواجه المنطقة، رغم تمتعها حاليًا بأقل مزيج كهربائي كثافة للكربون في العالم بسبب الانتشار العالي للطاقة الكهرومائية، تحديات كبيرة من التغير المناخي الذي يهدد الموارد المائية. تبحث الدراسة في الجدوى التقنية والاقتصادية للانتقال إلى نظام تهيمن عليه الطاقة الكهرومائية وطاقة الرياح والطاقة الشمسية الكهروضوئية (PV)، بدعم من تقنيات تمكينية مثل نقل التيار المباشر عالي الجهد (HVDC) وتحويل الطاقة إلى غاز (PtG).

2. المنهجية والسيناريوهات

2.1. نموذج الطاقة والتقسيم الإقليمي الفرعي

يستخدم التحليل نموذج تحسين خطي لتقليل إجمالي تكلفة النظام السنوية. يتم تقسيم المنطقة الجغرافية إلى 15 منطقة فرعية مترابطة، مما يسمح بمحاكاة تبادل الطاقة. يعتمد النموذج على دقة ساعية لعام مرجعي واحد، لالتقاط تقلب مصادر الطاقة المتجددة.

2.2. السيناريوهات المحددة

تم تطوير أربعة سيناريوهات رئيسية لتقييم تأثير البنية التحتية واقتران القطاعات:

• السيناريو 1 (إقليمي): شبكة HVDC محدودة، بشكل رئيسي داخل المناطق الفرعية الكبيرة.
• السيناريو 2 (دولي): تعزيز اتصالات HVDC داخل الدول.
• السيناريو 3 (على مستوى المنطقة): تكامل كامل لشبكة HVDC عبر جميع المناطق الفرعية الـ 15.
• السيناريو 4 (المتكامل): يبني على السيناريو 3، مضيفًا الطلب على الكهرباء لتحلية مياه البحر (3.9 مليار م³) وإنتاج الغاز الطبيعي الاصطناعي (SNG) عبر PtG (640 تيراواط ساعة_LHV).

2.3. دمج تحلية المياه وتحويل الطاقة إلى غاز

السيناريو المتكامل هو ابتكار رئيسي، يتجاوز مجرد توفير الكهرباء الخالص. فهو يعالج ندرة المياه من خلال التحلية ويوفر وقودًا محايدًا للكربون (SNG) للعمليات الصناعية التي يصعب كهربتها، مستخدمًا فائض الكهرباء المتجددة الذي كان سيتم تقليصه لولا ذلك.

3. النتائج والاستنتاجات الرئيسية

3.1. مزيج الطاقة والسعة

يُهيمن على المزيج الأمثل الطاقة الشمسية الكهروضوئية (~50-60% من التوليد)، تليها طاقة الرياح (~20-30%)، ثم الطاقة الكهرومائية (~10-20%). تلعب سعة الطاقة الكهرومائية الحالية دورًا حاسمًا ليس فقط في التوليد، بل والأهم من ذلك، في توفير المرونة.

3.2. تحليل التكلفة: LCOE، LCOG، LCOW

يقلل مركزية الشبكة من التكاليف. ينخفض LCOE من 62 يورو/ميجاواط ساعة في السيناريو اللامركزي (الإقليمي) إلى 56 يورو/ميجاواط ساعة في السيناريو المركزي بالكامل (على مستوى المنطقة). ينتج السيناريو المتكامل SNG ومياه محلاة بالتكاليف المذكورة، مما يوضح الإمكانات الاقتصادية لاقتران القطاعات.

3.3. دور الطاقة الكهرومائية كتخزين افتراضي

نتيجة حاسمة هي استخدام السدود الكهرومائية الحالية كـ "بطاريات افتراضية". من خلال إدارة الطاقة الكهرومائية استراتيجيًا بالتزامن مع إنتاج الطاقة الشمسية وطاقة الرياح، يتم تقليل الحاجة إلى تخزين كهروكيميائي إضافي بشكل كبير. وهذا يستفيد من تكاليف البنية التحتية الغارقة لتحقيق فوائد هائلة لاستقرار الشبكة.

3.4. فوائد تكامل النظام

يؤدي دمج التحلية و PtG إلى تخفيض بنسبة 5% في توليد الكهرباء المطلوب و تخفيض بنسبة 8% في إجمالي تكلفة النظام. يتم تحقيق ذلك باستخدام الطاقة المتجددة الفائضة التي كان سيتم تقليصها لولا ذلك، مما يحسن الاستفادة العامة من النظام واقتصادياته.

4. التفاصيل التقنية والصياغة الرياضية

جوهر النموذج هو مشكلة تقليل التكلفة. تهدف دالة الهدف إلى تقليل إجمالي التكلفة السنوية $C_{total}$:

$C_{total} = \sum_{t, r} (C_{cap} \cdot Cap_{r, tech} + C_{op} \cdot Gen_{t, r, tech} + C_{trans} \cdot Trans_{t, r1, r2})$

خاضعًا لقيود:

• توازن الطاقة: $\sum_{tech} Gen_{t,r,tech} + \sum_{r2} Trans_{t, r2, r} = Demand_{t,r} + \sum_{r2} Trans_{t, r, r2} + Storage_{out, t, r} - Storage_{in, t, r}$ لكل الساعات $t$، المناطق $r$.
• حدود السعة: $Gen_{t,r,tech} \leq CF_{t,r,tech} \cdot Cap_{r, tech}$ حيث $CF$ هو عامل السعة الساعي.
• ديناميكيات التخزين: $E_{t+1, r} = E_{t, r} + \eta_{in} \cdot Storage_{in, t, r} - \frac{1}{\eta_{out}} \cdot Storage_{out, t, r}$
• إدارة خزان الطاقة الكهرومائية: قيود لنمذجة تدفق المياه الداخل، وحدود التخزين، والتدفقات البيئية الدنيا.

يتم نمذجة عملية PtG بكفاءة $\eta_{PtG}$ (مثلاً، ~58% لـ SNG)، ربطًا بين مدخلات الكهرباء $E_{in}$ ومخرجات الغاز $G_{out}$: $G_{out} = \eta_{PtG} \cdot E_{in}$.

5. النتائج التجريبية ووصف المخططات

المخطط 1: السعة المركبة حسب السيناريو
سيظهر مخطط شريطي مكدس سعة الغيغاواط للطاقة الشمسية الكهروضوئية، وطاقة الرياح، والطاقة الكهرومائية، وتوربينات الغاز (للنسخ الاحتياطي في بعض السيناريوهات) عبر السيناريوهات الأربعة. يظهر السيناريو "المتكامل" أعلى إجمالي سعة بسبب الطلب الإضافي من PtG.

المخطط 2: ملف التوليد الساعي لمنطقة فرعية ممثلة (مثل جنوب شرق البرازيل)
سيظهر مخطط متعدد الخطوط على مدار أسبوع واحد توليد الطاقة الكهرومائية وهو ينعم من الذروة النهارية الكبيرة من الطاقة الشمسية الكهروضوئية والإنتاج الأكثر تقلبًا من طاقة الرياح. يكون تأثير "البطارية الافتراضية" واضحًا بصريًا حيث ينخفض توليد الطاقة الكهرومائية خلال فترات الشمس/الرياح ويزداد ليلاً أو خلال فترات الهدوء.

المخطط 3: تفصيل تكلفة النظام
يظهر مخطط دائري للسيناريو المتكامل حصة التكلفة السنوية الإجمالية المنسوبة إلى: تكاليف رأس المال والتشغيل للطاقة الشمسية الكهروضوئية، تكاليف رأس المال والتشغيل لطاقة الرياح، شبكة HVDC، محطات تحويل الطاقة إلى غاز، ومحطات التحلية. وهذا يسلط الضوء على الطبيعة كثيفة رأس المال للانتقال.

6. الإطار التحليلي: مثال على نمذجة السيناريو

الحالة: تقييم توسيع الشبكة مقابل التخزين المحلي
تدرس إحدى المرافق في تشيلي (طاقة شمسية عالية) ما إذا كانت ستستثمر في خط HVDC جديد إلى الأرجنتين (رياح/طاقة كهرومائية مكملة) أو بناء مزرعة بطاريات كبيرة النطاق.

تطبيق الإطار:
1. تحديد العقد: تشيلي (العقدة أ)، الأرجنتين (العقدة ب).
2. بيانات الإدخال: عامل السعة الساعي للطاقة الشمسية للعقدة أ، عامل السعة الساعي للرياح/الطاقة الكهرومائية للعقدة ب، ملفات تعريف الطلب، تكاليف رأس المال لخط HVDC ($/ميجاواط-كم) والبطاريات ($/كيلوواط ساعة).
3. تشغيل متغيرات النموذج:
- المتغير 1 (معزول): يجب أن تفي العقدة أ بطلبها محليًا، مما يتطلب سعة بطارية كبيرة لتغطية الليل.
- المتغير 2 (متصل): العقدتان أ و ب متصلتان بخط HVDب سعة محددة. يمكن إرسال الطاقة الشمسية الفائضة من أ إلى ب خلال النهار؛ في الليل، يمكن للطاقة الكهرومائية/الرياح من ب تزويد أ.
4. التحسين والمقارنة: يقلل النموذج من إجمالي تكلفة كلا المتغيرين. تظهر النتيجة عادةً أنه حتى مع تكاليف النقل، يكون المتغير 2 أرخص بسبب تقليل الحاجة إلى تخزين مكلف في أ وتحسين الاستفادة من الطاقة الكهرومائية المرنة الحالية في ب. وهذا يعكس النتيجة الأساسية للدراسة حول قيمة النقل.

7. التحليل النقدي والتفسير الخبير

الفكرة الأساسية: هذه الدراسة ليست مجرد خيال أخضر؛ إنها مخطط هندسي واقعي يكشف عن القيمة المالية والاستراتيجية الكامنة المحبوسة في البنية التحتية الكهرومائية الحالية لأمريكا الجنوبية. الاختراق الحقيقي هو إعادة صياغة السدود الكهرومائية ليس كمولدات فحسب، بل كمثبتات شبكة على مستوى القارة بتكلفة هامشية صفرية—"بطارية افتراضية" يمكن أن توفر مئات المليارات من استثمارات التخزين الجديدة. وهذا يحول نقطة الضعف المناخية المحتملة (التغير الهيدرولوجي) إلى حجر زاوية للمرونة.

التسلسل المنطقي: الحجة خطية مقنعة: 1) مصادر الطاقة المتجددة المتغيرة (الشمس/الرياح) هي الآن أرخص المصادر. 2) تذبذبها هو المشكلة الرئيسية. 3) لدى أمريكا الجنوبية حل فريد مدفوع مسبقًا—أسطولها الكهرومائي الشاسع—والذي يمكن إعادة تحسينه رقميًا لتشغيل يركز على التخزين أولاً. 4) إضافة "خيوط" HVDC بين المناطق المكملة (مثل باتاغونيا ذات الرياح إلى شمال شرق البرازيل المشمس) يخلق تأثير بطارية جغرافي، مما يقلل التكاليف أكثر. 5) أخيرًا، استخدام الإلكترونات المتجددة الفائضة لصنع جزيئات (غاز) ومياه يعالج مشاكل الندرة الصناعية المجاورة بمليارات الدولارات، مما يخلق دورة اقتصادية حميدة.

نقاط القوة والضعف:
نقاط القوة: النمذجة الساعية هي أحدث ما توصلت إليه التقنية ولا يمكن المساومة عليها في دراسات الطاقة المتجددة الموثوقة. اقتران القطاعات (PtG، التحلية) يتجاوز التمرين الأكاديمي إلى صلة سياسية بالعالم الحقيقي. الاستفادة من الطاقة الكهرومائية الحالية هي ضربة عبقرية للتفكير العملي.
نقاط الضعف: أناقة النموذج تتغاضى عن العقبات السياسية والتنظيمية القاسية. بناء شبكات HVDC عابرة للقارات ينطوي على كوابيس سيادية تشبه صراعات الاتحاد الأوروبي. الجدول الزمني لعام 2030 متفائل للغاية لتمويل المشاريع والتصاريح على هذا النطاق. كما يفترض رخصة اجتماعية للبنية التحتية الضخمة الجديدة، والتي تتعرض للطعن بشكل متزايد. تحتاج تقديرات التكلفة، رغم استنادها إلى 2015، إلى تحديث عاجل بعد التضخم وصدمات سلسلة التوريد بعد 2022.

رؤى قابلة للتنفيذ:
1. للمنظمين: إصلاح تصميمات سوق الكهرباء فورًا لمكافأة المرونة والسعة (وليس الطاقة فقط) ماليًا. يجب دفع مشغلي الطاقة الكهرومائية مقابل "خدمات الموازنة" تشبه البطاريات.
2. للمستثمرين: أكبر فرصة على المدى القريب ليست في مزارع الطاقة الشمسية الجديدة—بل في الرقمنة وأنظمة التحكم للطاقة الكهرومائية الحالية لتعظيم إيرادات موازنة الشبكة.
3. للحكومات: البدء بمعاهدات "جسور الطاقة" الثنائية (مثل تشيلي-الأرجنتين) كمشاريع تجريبية. التركيز على البحث والتطوير لتخفيض تكاليف رأس المال لمحلل كهرباء PtG، حيث إنه المحور الرئيسي للسيناريو المتكامل.
4. المسار الحرج: عامل النجاح الأهم الوحيد هو النقل. بدونه، تبقى البطارية الافتراضية مجزأة. يجب أن تكون مبادرة الشبكة الأمريكية، على غرار TEN-E الأوروبية، أولوية دبلوماسية عليا.

8. التطبيقات المستقبلية واتجاهات البحث

• صادرات الهيدروجين الأخضر: يمكن توسيع مكون PtG في النموذج لنمذجة إنتاج الهيدروجين الأخضر واسع النطاق للتصدير إلى أوروبا وآسيا، مما يحول أمريكا الجنوبية إلى قوة عظمى للطاقة المتجددة.
• نمذجة مرونة المناخ: يجب أن يدمج العمل المستقبلي نماذج مناخية أكثر تفصيلاً لاختبار النظام تحت ضغط التغيرات المتوقعة في الدورات الهيدرولوجية وأنماط الرياح.
• دمج موارد الطاقة الموزعة (DERs): دمج الطاقة الشمسية على الأسطح، والتخزين خلف العداد، وشحن المركبات الكهربائية في النموذج لفهم تأثيرها على تخطيط الشبكة المركزية.
• تقييم التخزين المتقدم: تحليل مفصل للقيمة الاقتصادية التي توفرها مرونة الطاقة الكهرومائية، وإنشاء مقاييس موحدة لجذب الاستثمار للتحديث.
• محاكاة السياسات والأسواق: اقتران النموذج التقني-الاقتصادي بنماذج قائمة على الوكلاء لمحاكاة الأطر التنظيمية، وسلوك الاستثمار، واتفاقيات تجارة الكهرباء عبر الحدود.

9. المراجع

1. البنك الدولي. (2016). مؤشرات التنمية العالمية. نمو الناتج المحلي الإجمالي (النسبة المئوية السنوية).
2. الوكالة الدولية للطاقة (IEA). (2014). توقعات الطاقة العالمية 2014.
3. الوكالة الدولية للطاقة (IEA). (2015). الإحصاءات الرئيسية للطاقة العالمية 2015.
4. إدارة معلومات الطاقة الأمريكية (EIA). (2015). الإحصاءات الدولية للطاقة.
5. دي جونغ، ب.، وآخرون. (2015). الطاقة الكهرومائية، تغير المناخ وعدم اليقين في البرازيل. مراجعات الطاقة المتجددة والمستدامة.
6. ONS (مشغل الشبكة الوطنية البرازيلية). (2015). تقارير التشغيل الأسبوعية.
7. EPE (مكتب أبحاث الطاقة البرازيلي). (2015). ميزان الطاقة البرازيلي 2015.
8. بوغدانوف، د.، وبريير، س. (2016). الشبكة الفائقة لشمال شرق آسيا لإمداد طاقة متجددة بنسبة 100%: المزيج الأمثل لتقنيات الطاقة لخيارات إمداد الكهرباء والغاز والحرارة. إدارة وتحويل الطاقة. (للمنهجية السياقية).
9. الوكالة الدولية للطاقة المتجددة (IRENA). (2020). توقعات الطاقة المتجددة العالمية: تحول الطاقة 2050. (لبيانات التكلفة والإمكانات المحدثة).
10. جاكوبسون، م.ز.، وآخرون. (2015). 100% نظيفة ومتجددة من الرياح والمياه وأشعة الشمس (WWS) خطط طريق طاقة لجميع القطاعات لـ 139 دولة في العالم. جول. (لمنهجية دراسة الطاقة المتجددة 100% المقارنة).