المصدر: University of Shanghai for Science and Technology

الفكرة الأساسية

استعراض التطورات الحديثة في إنتاج الهيدروجين من مصادر الطاقة المتجددة، وتقييم الفوائد الاقتصادية والبيئية لهذه العمليات مقارنةً بالإنتاج التقليدي للهيدروجين من الوقود الأحفوري.

تفاصيل القصة

في الماضي، كان يتم إنتاج الهيدروجين بشكل رئيسي من الوقود الأحفوري، مما تسبب في مشاكل طاقة وبيئية معينة. ولكن مع تطور أنظمة الطاقة منخفضة الكربون، تطورت تقنية إنتاج الهيدروجين من الطاقة المتجددة بسرعة وأصبحت واحدة من محاور البحث في السنوات الأخيرة.

ومع ذلك، فإن العمل القائم لا يزال محدودًا بأنظمة إنتاج الهيدروجين صغيرة النطاق، وهناك نقص في الأبحاث الشاملة على النظام الكامل لإنتاج وتخزين ونقل واستخدام الهيدروجين (PSTUH2S)*. يهدف هذا البحث إلى سد هذه الفجوات من خلال تقديم نماذج فيزيائية ورياضية محددة لنظام كامل لإنتاج وتخزين ونقل واستخدام الهيدروجين PSTUH2S*، مع التركيز على إنتاج الهيدروجين بكميات كبيرة من طاقة الكهرمائية المتجددة وتخزين الهيدروجين وطرق نقله المختلفة وطرق استهلاكه في مجالات متعددة. كما يتم تقديم نموذج تحسين غير خطي متعدد الأهداف لتحقيق أقصى الفوائد الاقتصادية والطاقة والبيئية من النظام الكامل لإنتاج وتخزين ونقل واستخدام الهيدروجين PSTUH2S*، والذي يتم حله باستخدام طريقة هجينة تجمع بين الطريقة غير الخطية، ومحلل CPLEX*، وطريقة محاكاة الإنتاج المتسلسلة.

من خلال دراسات الحالة التي تم إجراؤها في منطقة شمال غرب الصين، أظهرت النتائج أن استخدام فائض الطاقة المتجددة لإنتاج الهيدروجين يمكن أن يقلل من تقليص الطاقة المتجددة بمقدار 3.61/11.87/14.72 مليار كيلوواط/ساعة في السنوات 2025/2030/2035 على التوالي، مما يساهم في زيادة نسبة استهلاك الطاقة المتجددة بنسبة تتراوح بين 4.98% إلى 10.09% وخفض ملايين الأطنان من انبعاثات الكربون في هذه السنوات. أما من الناحية الاقتصادية، يمكن أن يحقق النظام المقترح توفيرًا في التكاليف بقيمة 190.44 مليون دولار في عام 2025، و634.66 مليون دولار في عام 2030، و865.87 مليون دولار في عام 2035. يبرز هذا البحث الفوائد الهامة لنظام كامل لإنتاج وتخزين ونقل واستخدام الهيدروجين PSTUH2S* في تعزيز استهلاك الطاقة المتجددة، وخفض انبعاثات الكربون، وتحسين الاقتصاد بشكل عام.

المصطلحات الأساسية*

• • الهيدروجين الأخضر: تم شرحه في مقال الهيدروجين الأخضر.
  • تحليل الماء (التحليل الكهربائي): تم شرحه في مقال الهيدروجين الأخضر.
  • الانبعاثات الكربونية: تم شرحه في مقال محايدة الكربون و صافي الصفر.
  • الاحتباس الحراري: هي الظاهرة التي تتسبب في ارتفاع درجة حرارة الأرض نتيجة زيادة تركيز غازات الدفيئة في الغلاف الجوي. تؤدي هذه الظاهرة إلى تغييرات مناخية كبيرة تؤثر على البيئة والحياة البشرية.
  • PSTUH2S هي اختصار لـ "تخزين الطاقة الميكانيكية بواسطة الهيدروجين" (Pumped Storage via Thermally-upgraded Hydrogen Storage): هذه التقنية تجمع بين تخزين الطاقة الميكانيكية وتخزين الهيدروجين المحسن حرارياً، مما يمكنها من توفير حل فعّال ومتجدد لتخزين الطاقة.
  • CPLEX: برنامج رياضي مخصص لحل مشاكل التحسين، ويعتبر من أشهر أدوات البرمجة الخطية وغير الخطية. إليك شرحاً مبسطاً لبعض المصطلحات المتعلقة بـ CPLEX:
    • التحسين (Optimization): عملية إيجاد أفضل حل من بين مجموعة من الحلول الممكنة، مع مراعاة قيود محددة.
    • البرمجة الخطية (Linear Programming - LP): نوع من أنواع التحسين الذي تكون فيه جميع العلاقات الرياضية خطية.
    • البرمجة غير الخطية (Nonlinear Programming - NLP): نوع من أنواع التحسين الذي تتضمن فيه بعض العلاقات الرياضية علاقات غير خطية.
    • القيود (Constraints): شروط يجب أن تتحقق في الحل الأمثل.
    • الدالة الهدف (Objective Function): الدالة التي يراد تحسينها، سواء بتعظيمها أو بتصغيرها.
    • المتغيرات (Variables): الكميات التي يتم تعديلها لإيجاد الحل الأمثل.