صهر الحث الشمسي خارج الشبكة: تشغيل مسبك بدون طاقة الشبكة
قد يبدو صهر المعادن بالحث خارج الشبكة أمرًا مستحيلًا حتى تراه قيد التشغيل. يعمل مصنع صهر معادن في غرب أستراليا بفرن حث بقدرة 2 ميغاواط بالطاقة الشمسية مع تخزين البطاريات منذ عام 2022، دون أي اتصال بشبكة الكهرباء. كما يعمل مصهر نحاس في صحراء أتاكاما في تشيلي بفرن حث بقدرة 5 ميغاواط بنظام هجين يعمل بالطاقة الشمسية والديزل منذ عام 2021. ويعمل مصنع لإعادة تدوير الخردة في مالي بفرن حث بقدرة 1 ميغاواط بالطاقة الشمسية والبطاريات منذ عام 2023. هذه التقنية حقيقية، والعمليات جارية، وجدواها الاقتصادية جذابة بشكل متزايد للمواقع النائية.
متى يكون العيش خارج الشبكة أمراً منطقياً
يُعدّ صهر المعادن بالحث خارج الشبكة خيارًا مناسبًا في ثلاث حالات: المواقع النائية التي لا تتوفر فيها إمكانية الوصول إلى الشبكة الكهربائية، والمواقع التي تعاني من انقطاعات متكررة في التيار الكهربائي، والمواقع التي تكون فيها تكلفة تمديد الشبكة باهظة. الحالة الأولى هي الأكثر شيوعًا: فعمليات التعدين، ومخيمات النفط والغاز، والقواعد العسكرية، والمجتمعات النائية، جميعها تحتاج إلى صهر المعادن لأغراض الصيانة والتصنيع، وقد تتجاوز تكلفة مدّ خط كهرباء لمسافة تتراوح بين 50 و100 كيلومتر إلى موقع ناءٍ تكلفة نظام الطاقة الشمسية والحث الكهربائي بأكمله.
أما الحالة الثانية فهي شائعة في الأسواق النامية التي تعاني من عدم استقرار شبكة الكهرباء. تفقد العديد من مصانع السبائك في أفريقيا وجنوب آسيا وجنوب شرق آسيا ما بين 5 إلى 20 بالمئة من وقت إنتاجها بسبب انقطاع التيار الكهربائي. غالباً ما تتجاوز تكلفة الإنتاج المفقود تكلفة نظام احتياطي للطاقة الشمسية والبطاريات، كما يمكن لهذا النظام الاحتياطي أن يوفر الجزء الأكبر من الطاقة خلال التشغيل العادي.
الحالة الثالثة شائعة في الأسواق المتقدمة حيث تكون تكلفة تمديد شبكة الكهرباء مرتفعة. ففي غرب الولايات المتحدة، قد تتجاوز تكلفة تمديد خط ثلاثي الأطوار لمسافة 10 كيلومترات إلى موقع صناعي جديد مليون دولار أمريكي. بينما قد تتراوح تكلفة نظام الطاقة الشمسية مع البطاريات في الموقع نفسه بين 1.5 و2 مليون دولار أمريكي، إلا أن هذا النظام مستقل عن شبكة الكهرباء، وتكلفته أكثر قابلية للتنبؤ.
تحديد حجم النظام للتشغيل خارج الشبكة
يتطلب صهر المعادن بالحث الشمسي خارج الشبكة تحديد حجم النظام بدقة. يجب أن تنتج منظومة الخلايا الكهروضوئية الشمسية طاقة كافية على مدار العام لتغطية استهلاك الفرن، ويجب أن تكون سعة تخزين البطاريات كبيرة بما يكفي للتعامل مع فترات الغيوم الممتدة لعدة أيام والتشغيل الليلي.
بالنسبة لفرن حثي بقدرة 2 ميغاواط يعمل 5000 ساعة سنويًا (حوالي 14 ساعة يوميًا، 365 يومًا في السنة)، يبلغ استهلاك الطاقة السنوي 10 غيغاواط ساعة. يمكن لمصفوفة الألواح الشمسية الكهروضوئية في موقع ذي إشعاع شمسي عالٍ (من 5 إلى 6 كيلوواط ساعة لكل متر مربع يوميًا) أن تنتج من 1500 إلى 1800 كيلوواط ساعة لكل كيلوواط سنويًا، لذا فإن سعة الألواح الكهروضوئية المطلوبة تتراوح من 5.5 إلى 6.7 ميغاواط. يجب أن يغطي تخزين البطاريات من 12 إلى 16 ساعة من التشغيل بمتوسط استهلاك الطاقة (من 60 إلى 75 بالمائة من الطاقة المقدرة)، أي من 15 إلى 25 ميغاواط ساعة.
تتراوح التكلفة الإجمالية لنظام صهر المعادن بالحث الشمسي خارج الشبكة بقدرة 2 ميغاواط في موقع ذي إشعاع شمسي عالٍ بين 12 و18 مليون دولار أمريكي، وذلك تبعًا لتجهيز الموقع، وحجم نظام تخزين الطاقة بالبطاريات، ومدى تعقيد نظام التحكم. ويتم استهلاك التكلفة على مدى 20 إلى 25 عامًا، وتُشكل تكلفة استبدال نظام تخزين الطاقة بالبطاريات الجزء الأكبر من تكلفة التشغيل في الفترة ما بين 12 و15 عامًا.
أنظمة الطاقة الشمسية والديزل الهجينة
بالنسبة للمواقع التي تتطلب تشغيلاً متواصلاً على مدار الساعة ولا يمكنها تحمل خطر نفاد مخزون الطاقة، يُعدّ نظام الطاقة الشمسية الهجين الذي يعمل بالديزل هو الحل الأمثل. يوفر مولد الديزل الطاقة الاحتياطية، بينما يغطي نظام الطاقة الشمسية مع مخزون الطاقة ما بين 60 و80 بالمئة من الطاقة السنوية. يعمل مولد الديزل بحمل يتراوح بين 80 و100 بالمئة، وهي نقطة التشغيل الأمثل له، كما أن كفاءة استهلاك الوقود فيه أفضل بكثير من الحمل المتغير باستمرار.
يتضمن نظام هجين يعمل بالطاقة الشمسية والديزل بقدرة 5 ميغاواط لمصهر نحاس في تشيلي 12 ميغاواط من الألواح الكهروضوئية، و15 ميغاواط/ساعة من نظام تخزين الطاقة بالبطاريات، و5 ميغاواط من توليد الطاقة بالديزل. يعمل النظام منذ 3 سنوات بنسبة مساهمة شمسية تبلغ 75%، وانخفض استهلاك وقود الديزل بنسبة 70% مقارنةً بالنظام السابق الذي كان يعمل بالديزل فقط. وتتراوح فترة استرداد تكلفة الاستثمار في نظام الطاقة الشمسية مع نظام تخزين الطاقة بالبطاريات بين 6 و8 سنوات وفقًا لأسعار الكهرباء والديزل المحلية.
أنظمة التحكم في الشبكات الصغيرة
يُعد نظام التحكم في الشبكة المصغرة جوهرَ نظام الطاقة المستقل عن الشبكة. يتولى هذا النظام تنسيق إنتاج الطاقة الشمسية الكهروضوئية، وحالة شحن نظام تخزين الطاقة بالبطاريات، ومولد الديزل (إن وُجد)، وحمل الفرن. وتتمثل أهداف التحكم في: تعظيم مساهمة الطاقة الشمسية، والحفاظ على حالة شحن نظام تخزين الطاقة بالبطاريات ضمن الحدود الآمنة، وضمان حصول الفرن على الطاقة اللازمة باستمرار.
تتألف بنية التحكم القياسية من وحدة تحكم رئيسية تتصل بعاكس الطاقة الشمسية الكهروضوئية، ونظام إدارة نظام تخزين الطاقة بالبطاريات، ووحدة تحكم مولد الديزل، ونظام التحكم في الفرن. تُشغّل وحدة التحكم الرئيسية خوارزمية تحكم تنبؤي نموذجي (MPC) تتنبأ بمخرجات الطاقة الشمسية الكهروضوئية (باستخدام التنبؤات الجوية والبيانات التاريخية) وتُجدول استهلاك طاقة الفرن لتعظيم مساهمة الطاقة الشمسية.
تُوفر شركة مونتي إنتليجنس أنظمة تحكم للشبكات الصغيرة لمنشآت صهر المعادن بالحث الشمسي المنفصلة عن الشبكة والهجينة. يتكامل نظام التحكم مع نظام التحكم في الفرن، ويوفر واجهة مستخدم واحدة للمشغل.
التحديات التشغيلية
يواجه صهر المعادن بالحث الشمسي خارج الشبكة تحديات تشغيلية لا توجد في العمليات المتصلة بالشبكة. يتمثل التحدي الأول في إدارة حالة شحن نظام تخزين الطاقة بالبطاريات (BESS). قد يؤدي تفريغ نظام تخزين الطاقة بالبطاريات بشكل كبير إلى تلف الخلايا، ويجب خفض طاقة الفرن لمنع التفريغ إلى ما دون الحد الآمن. يجب أن يُبلغ نظام التحكم مشغل الفرن بالطاقة المتاحة، ويجب تدريب المشغل على إدارة الحمل.
أما التحدي الثاني فيتمثل في الغبار ودرجات الحرارة القصوى. تتراكم الأتربة على ألواح الطاقة الشمسية الكهروضوئية في المواقع النائية، مما قد يقلل من إنتاجها بنسبة تتراوح بين 10 و30 بالمئة. لذا، تحتاج هذه الألواح إلى تنظيف دوري، كما يحتاج نظام تخزين الطاقة بالبطاريات إلى إدارة درجة الحرارة لمنع التلف الحراري في المناخات الحارة.
أما التحدي الثالث فيتمثل في مهارات الصيانة. فنادراً ما تتوفر في المواقع النائية فنيون مدربون على أنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية أو أنظمة تخزين الطاقة بالبطاريات، ولذا يجب أن تتم الصيانة بواسطة متخصصين زائرين. تقدم شركة مونتي إنتليجنس خدمة مراقبة عن بُعد تتتبع أداء النظام وترسل فنيين عند الحاجة إلى الصيانة.
يتمثل التحدي الرابع في إمدادات الوقود (للأنظمة الهجينة). يجب نقل وقود الديزل إلى الموقع البعيد، وقد تتعرض سلسلة التوريد للاضطراب. يمكن لنظام تخزين الطاقة بالبطاريات (BESS) بسعة تخزين تتراوح بين 8 و12 ساعة أن يتجاوز تأخير إمدادات الوقود، كما يمكن لمجموعة الطاقة الشمسية الاحتياطية أن تحافظ على شحن نظام تخزين الطاقة بالبطاريات حتى في حال عدم توفر الديزل.
دراسة حالة: مصنع صهر معازل للطاقة في مالي
منذ عام ٢٠٢٣، يُشغّل مشروع لإعادة تدوير الخردة في باماكو، مالي، فرن حثّي بقدرة ١ ميغاواط يعمل بنظام طاقة شمسية مُدمج مع نظام تخزين طاقة بالبطاريات. يتضمن النظام ٢.٥ ميغاواط من الألواح الكهروضوئية، و٤ ميغاواط/ساعة من بطاريات فوسفات الحديد الليثيوم، ومحول طاقة متصل بالشبكة بقدرة ١ ميغاواط (تُستخدم الشبكة كنسخة احتياطية). يُوفّر النظام ٧٥٪ من الطاقة السنوية من الطاقة الشمسية، بينما تُوفّر الشبكة النسبة المتبقية البالغة ٢٥٪. تبلغ تكلفة الطاقة السنوية ٠.٠٦ دولار أمريكي لكل كيلوواط/ساعة، مقابل ٠.١٥ دولار أمريكي لكل كيلوواط/ساعة عند استخدام الشبكة فقط. تم تمويل النظام من قِبل بنك تنمية دولي، وفترة استرداد التكلفة هي ٧ سنوات.
تحدث إلى مونتي إنتليجنس حول الطاقة الشمسية الحثية خارج الشبكة
بالنسبة للمشترين الذين يفكرون في تركيب نظام صهر حثي شمسي مستقل عن الشبكة أو هجين، يمكن لشركة مونتي إنتليجنس الهندسية تصميم نموذج لحجم النظام، وتكلفة التشغيل، وخفض انبعاثات الكربون لموقع محدد. يشمل النموذج تقييم موارد الطاقة الشمسية، وتحديد حجم نظام تخزين الطاقة بالبطاريات، وتصميم نظام التحكم، ومتطلبات النسخ الاحتياطي للشبكة. تفضل بزيارةwww.cnlymonte.com/products-solar-induction-furnace.html للاطلاع على مواصفات المنتج ودراسات الحالة، يُرجى التواصل عبر البريد الإلكتروني helenxu@cnlymonte.com مع كتابة "الحث الشمسي خارج الشبكة" في خانة الموضوع، مع ذكر تفاصيل الموقع وحجم الفرن وساعات التشغيل.
