في العديد من المناطق التي تعمل فيها مصانع الصهر - مثل أفريقيا جنوب الصحراء الكبرى، وجنوب آسيا، وأجزاء من الشرق الأوسط - تكون شبكة الكهرباء إما غير متاحة أو غير موثوقة. وقد يتعرض مصنع الصهر المتصل بشبكة ضعيفة لانخفاضات في الجهد، وتغيرات في التردد، وانقطاعات غير مخطط لها، مما يجعل عملية الصهر بالحث مستحيلة دون مولدات احتياطية. لطالما كانت مولدات الديزل هي الحل التقليدي، ولكن تكلفة وقود الديزل تتراوح بين 0.25 و0.50 دولار أمريكي لكل كيلوواط/ساعة عند احتساب تكاليف الوقود والصيانة واستهلاك المولد، مما يجعل تكلفة الصهر باهظة للغاية.
تعمل شركة مونتي إنتليجنس على تطوير أنظمة طاقة هجينة تعمل بالطاقة الشمسية والديزل لتطبيقات الصهر بالحث. الفكرة بسيطة: استخدام الألواح الشمسية الكهروضوئية لتوفير الحمل الكهربائي الأساسي خلال ساعات النهار، مع توفير مولدات الديزل للطاقة الاحتياطية خلال فترات الغيوم والتشغيل الليلي. يقلل النظام استهلاك الديزل بنسبة تتراوح بين 40 و60%، وهي نسبة كافية لاسترداد تكلفة الاستثمار في الطاقة الشمسية خلال 3 إلى 5 سنوات بالأسعار المعتادة للديزل.
يتكون تصميم النظام من خمسة مكونات رئيسية. أولًا، منظومة الألواح الشمسية الكهروضوئية - ألواح مثبتة على الأرض أو على السطح، مصممة لتوفير النسبة المستهدفة من استهلاك الطاقة اليومي للفرن. بالنسبة لفرن حثي بقدرة 1 ميغاواط يعمل 8 ساعات يوميًا، يبلغ استهلاك الطاقة اليومي حوالي 8 ميغاواط ساعة (بافتراض استهلاك 1000 كيلوواط ساعة/طن لصهر الحديد ومعالجة 8 أطنان يوميًا، أو بدلاً من ذلك، التشغيل بقدرة مخفضة لكميات أقل من الحديد المصهور). تحتاج منظومة الطاقة الشمسية التي توفر 50% من هذه الطاقة إلى توليد 4 ميغاواط ساعة يوميًا.
يعتمد حساب حجم منظومة الألواح الكهروضوئية على كمية الطاقة الشمسية المتاحة في الموقع. ففي موقع يتمتع بخمس ساعات ذروة سطوع للشمس يوميًا (وهو أمر شائع في العديد من المناطق الاستوائية وشبه الاستوائية)، تُنتج منظومة ألواح كهروضوئية بقدرة 1 ميغاواط (تيار مستمر) ما يقارب 5 ميغاواط ساعة يوميًا، مع مراعاة خسائر النظام التي تتراوح بين 15 و20% نتيجة لكفاءة العاكس، والأسلاك، وتراكم الأوساخ، وانخفاض القدرة مع ارتفاع درجة الحرارة. وتتطلب المنظومة مساحة أرضية تتراوح بين 1.2 و1.5 هكتار لكل ميغاواط، أو بين 0.6 و0.8 هكتار في حال تركيبها على سطح المسبك.
ثانيًا، يوفر نظام تخزين طاقة البطارية (BESS) التوازن بين إنتاج الطاقة الكهروضوئية المتغير وحمل فرن الحث. يُعدّ صهر المعادن بالحث عمليةً ذات قدرة عالية وحمل متغير، حيث قد يسحب الفرن 1 ميغاواط أثناء الصهر و100-200 كيلوواط أثناء التسخين. يجب على البطارية توفير أو امتصاص الفرق بين إنتاج الطاقة الكهروضوئية وحمل الفرن على أساس لحظي، مع الحفاظ على استقرار جهد ناقل التيار المستمر الذي يتطلبه العاكس. تُعدّ بطاريات فوسفات الحديد الليثيوم (LFP) الخيار الأمثل نظرًا لدورة حياتها الطويلة (4000-6000 دورة عند 80% من عمق التفريغ)، وخصائص الأمان الجيدة، وانخفاض تكلفتها (حاليًا حوالي 80-120 دولارًا أمريكيًا لكل كيلوواط ساعة على مستوى الحزمة في عام 2026).
تم تحديد سعة البطارية لتغطي أطول فترة متوقعة لانخفاض إنتاج الطاقة الشمسية خلال وردية الصهر، والتي تتراوح عادةً بين ساعتين وأربع ساعات من التشغيل بكامل الطاقة لنظام مصمم لضمان موثوقية عالية. بالنسبة لفرن بقدرة 1 ميغاواط، توفر بطارية بسعة 4 ميغاواط ساعة أربع ساعات من التشغيل بكامل الطاقة دون أي مدخلات شمسية، مما يغطي معظم حالات الغيوم ويسمح للمشغل بإكمال عملية الصهر الجارية بدلاً من إيقافها. يمكن شحن البطارية خلال الفترات التي يتجاوز فيها إنتاج الطاقة الشمسية الطلب على الفرن، أو خلال الليل من مولد الديزل إذا كان من المتوقع أن يكون اليوم التالي غائماً.
ثالثًا، العاكس الهجين - وهو إلكترونيات الطاقة التي تحول طاقة التيار المستمر من مصفوفة الخلايا الكهروضوئية والبطارية إلى طاقة تيار متردد لتشغيل الفرن. هذا ليس عاكسًا شمسيًا عاديًا؛ إذ يجب أن يتحمل خصائص حمل فرن الحث، والتي تشمل معامل قدرة منخفض (0.15-0.25 لملف الحث وحده، يُصحح إلى 0.95 أو أكثر بواسطة مكثفات الفرن) ومحتوى توافقي عالٍ من مصدر الطاقة متوسط التردد. يجب تحديد حجم العاكس بناءً على متطلبات كيلو فولت أمبير (kVA)، وليس فقط كيلو واط (kW)، ويجب أن يتضمن ترشيحًا للتوافقيات لمنع توافقيات الفرن من العودة إلى نظام الخلايا الكهروضوئية والتسبب في انقطاع التيار عن العاكس.
رابعًا، مولد الديزل - مصمم لتوفير الطاقة الكاملة للفرن عندما لا تستطيع الطاقة الشمسية أو البطارية تلبية الطلب، عادةً خلال فترات الغيوم الطويلة أو أثناء التشغيل الليلي. يجب أن تكون قدرة المولد حوالي 1.2 إلى 1.5 ضعف قدرة الفرن المقدرة لمراعاة تيار البدء ومعامل القدرة. بالنسبة لفرن بقدرة 1 ميغاواط، يُعد مولد بقدرة 1.5 ميغا فولت أمبير مناسبًا. يعمل المولد فقط عند الحاجة - حيث يقوم جهاز التحكم الهجين بتشغيله وإيقافه تلقائيًا بناءً على حالة شحن البطارية وتوقعات إنتاج الطاقة الشمسية.
خامساً، نظام إدارة الطاقة الهجين (EMS) - وهو وحدة التحكم التي تُقرر، لحظة بلحظة، كيفية توزيع الطاقة بين الألواح الشمسية والبطارية والمولد والفرن. تتضمن منطق نظام إدارة الطاقة ما يلي: إذا تجاوز إنتاج الألواح الشمسية استهلاك الفرن، يتم شحن البطارية؛ إذا تجاوز استهلاك الفرن إنتاج الألواح الشمسية، يتم تفريغ البطارية؛ إذا انخفض مستوى شحن البطارية إلى أقل من 20%، يتم تشغيل المولد؛ إذا توقعت الأرصاد الجوية غطاءً سحابياً ممتداً، يتم تشغيل المولد مبكراً للحفاظ على سعة البطارية؛ إذا توفرت طاقة الشبكة (للأنظمة المتصلة بالشبكة)، يتم استخدام الشبكة كمصدر طاقة إضافي.
التحليل الاقتصادي لنظام هجين يعمل بالطاقة الشمسية والديزل بسيط: قارن التكلفة المُعدّلة للكهرباء الشمسية (بما في ذلك تكلفة دورة البطارية) بالتكلفة الحدية لتوليد الطاقة بالديزل. تبلغ التكلفة المُعدّلة للطاقة الشمسية لنظام هجين، شاملةً استبدال البطارية كل 8-10 سنوات، حوالي 0.06-0.10 دولار أمريكي لكل كيلوواط ساعة. بينما تبلغ تكلفة توليد الطاقة بالديزل 0.25-0.50 دولار أمريكي لكل كيلوواط ساعة. وبالتالي، تتراوح الوفورات لكل كيلوواط ساعة من الطاقة الشمسية بين 0.15 و0.44 دولار أمريكي. بالنسبة لنظام يُولّد 1500 ميغاواط ساعة من الكهرباء الشمسية سنويًا، تتراوح الوفورات السنوية بين 225,000 و660,000 دولار أمريكي، مما يُعوّض استثمارًا في النظام بقيمة 1.5 مليون دولار أمريكي خلال 2.3-6.7 سنوات.
توفر شركة MONTE INTELLIGENCE تصميم أنظمة هجينة تعمل بالطاقة الشمسية والديزل لتطبيقات الصهر بالحث، بما في ذلك تقييم موارد الطاقة الشمسية، وتحديد حجم النظام، والتكامل مع حزم أفران الحث الخاصة بنا.
لإجراء دراسة جدوى لنظام هجين يعمل بالطاقة الشمسية والديزل لمصنعك، تواصل مع helenxu@cnlymonte.com.
