الطاقة الشمسية والصهر بالحث: مسار عملي لإنتاج المعادن منزوعة الكربون

الطاقة الشمسية والصهر بالحث: مسار عملي لإنتاج المعادن منزوعة الكربون

يُعدّ الصهر بالحثّ من أنظف طرق صهر المعادن. وبإضافة الطاقة الشمسية، ينخفض ​​البصمة الكربونية للصهر إلى ما يقارب الصفر. هذا المزيج ليس مشروعًا علميًا جديدًا، إذ تُشغّل العديد من مصانع الصهر في الشرق الأوسط وجنوب غرب الولايات المتحدة ومنغوليا الداخلية أفران الحثّ بالطاقة الشمسية مع تخزين البطاريات، وبدأت الجدوى الاقتصادية لهذا النظام تظهر في العمليات ذات الاستخدام العالي. دعوني أشرح لكم آلية عمل النظام، وتكاليفه وفوائده، ومسار تطور هذه التقنية.

لماذا يعمل نظام الحث + الطاقة الشمسية؟

يُعدّ الصهر الحثي مناسبًا بشكلٍ فريدٍ للطاقة المتجددة. فالحمل كهربائيٌّ بالكامل، ويمكن تعديل الطلب على الطاقة بسرعة، كما أن حوض الصهر كبيرٌ بما يكفي لاستيعاب انخفاضات الطاقة القصيرة دون التأثير على عملية الصهر. هذا المزيج من الخصائص هو ما يجعل الصهر الحثي أول عملية صناعية تُستغنى فيها عن الكربون على نطاق واسع باستخدام الطاقة المتجددة.

يستهلك فرن الحث طاقة متغيرة تعتمد على مرحلة الصهر. يستهلك الشحن البارد 100% من الطاقة المقدرة، بينما يستهلك الصهر الكامل من 80 إلى 90%، ويستهلك التسخين من 50 إلى 70%. يبلغ متوسط ​​استهلاك الطاقة خلال عملية التسخين الكاملة من 60 إلى 75% من الطاقة المقدرة. يمكن لمحطة طاقة شمسية مزودة ببطارية احتياطية توفير متوسط ​​الطاقة، وتتولى البطارية الاحتياطية معالجة التقلبات قصيرة المدى.

يعتمد حجم محطة الطاقة الشمسية على قدرة الفرن وساعات تشغيله. يستهلك فرن حثي بقدرة 5 ميغاواط يعمل 6000 ساعة سنوياً 30 غيغاواط/ساعة من الكهرباء، مما يتطلب حوالي 40 ميغاواط من قدرة الألواح الكهروضوئية الشمسية (بافتراض عامل قدرة 20%) بالإضافة إلى 5 إلى 10 ميغاواط/ساعة من تخزين البطاريات لتنظيم الطاقة.

بنية النظام

التصميم القياسي لنظام صهر الحث الذي يعمل بالطاقة الشمسية هو:

1. مصفوفة الخلايا الكهروضوئية الشمسية: من 30 إلى 50 ميجاوات من وحدات الخلايا الكهروضوئية أحادية المحور، مصممة لتلبية متطلبات الطاقة السنوية بمعامل قدرة من 25 إلى 30 بالمائة.

2. نظام تخزين طاقة البطارية (BESS): بطاريات فوسفات الحديد الليثيوم (LFP) بسعة 10 إلى 30 ميجاوات في الساعة، مصممة للتعامل مع 2 إلى 4 ساعات من التشغيل بكامل الحمل ولتنعيم إنتاج الطاقة الكهروضوئية.

3. نظام تحويل الطاقة: عاكس ثنائي الاتجاه بقدرة 5 إلى 10 ميجاوات يربط مصفوفة الخلايا الكهروضوئية ونظام تخزين الطاقة بالبطاريات بحافلة فرن الحث.

4. فرن الحث: فرن الحث متوسط ​​التردد الحالي أو الجديد، مع نظام تحكم يقوم بضبط معدل الاحتراق بناءً على الطاقة المتاحة.

5. الاتصال بالشبكة: اتصال اختياري بالشبكة يوفر طاقة احتياطية عندما يكون مورد الطاقة الشمسية غير كافٍ (الأيام الغائمة، ليالي الشتاء).

يُعد نظام التحكم جوهر النظام. فهو يراقب إنتاج الطاقة الشمسية، وحالة شحن نظام تخزين الطاقة بالبطاريات، وتوافر الشبكة الكهربائية، ويضبط معدل احتراق الفرن لتعظيم الاستفادة من الطاقة الشمسية. في الأيام المشمسة، يعمل الفرن بكامل طاقته. أما في الأيام الغائمة، فيعمل الفرن بنسبة تتراوح بين 50 و70% من طاقته، ويُوفر نظام تخزين الطاقة بالبطاريات الطاقة اللازمة في أوقات الذروة. وفي الليل، يعمل الفرن إما من نظام تخزين الطاقة بالبطاريات أو من الشبكة الكهربائية.

تعتمد الجدوى الاقتصادية على التكلفة النسبية للطاقة الشمسية، وتخزين البطاريات، وشبكة الكهرباء. في الأسواق التي تتمتع بوفرة في موارد الطاقة الشمسية وارتفاع تكلفة شبكة الكهرباء (الشرق الأوسط، وجنوب غرب الولايات المتحدة، وأجزاء من أفريقيا)، تتراوح التكلفة المُعدّلة للكهرباء من نظام الطاقة الشمسية مع التخزين بين 0.05 و0.08 دولار أمريكي لكل كيلوواط/ساعة، وهي تكلفة تنافسية مقارنةً بتكلفة شبكة الكهرباء التي تتراوح بين 0.08 و0.15 دولار أمريكي لكل كيلوواط/ساعة. وتتراوح فترة استرداد تكلفة نظام الطاقة الشمسية مع التخزين بين 5 و8 سنوات في هذه الأسواق.

الخبرة التشغيلية

عملت شركة مونتي إنتليجنس مع العديد من مصانع السبائك على تركيب أنظمة الطاقة الشمسية والحث الكهروكيميائي، وكانت التجربة التشغيلية إيجابية. وتتلخص أهم الدروس المستفادة من هذه التركيبات فيما يلي:

أولاً، يُعدّ تقييم موارد الطاقة الشمسية أمراً بالغ الأهمية. إذ يختلف إنتاج الطاقة الشمسية السنوي بنسبة تتراوح بين 20 و30 بالمئة بين المواقع التي تبدو متشابهة ظاهرياً. لذا، يُعدّ إجراء تقييم مفصّل لموارد الطاقة الشمسية باستخدام قياسات ميدانية لمدة تتراوح بين 12 و24 شهراً أمراً ضرورياً قبل تحديد حجم منظومة الألواح الكهروضوئية ونظام تخزين الطاقة بالبطاريات.

ثانيًا، يجب تعديل نظام التحكم في فرن الحث ليقبل نقطة ضبط طاقة متغيرة. يتطلب نظام التحكم القياسي في الفرن مدخلات ثابتة، بينما تتطلب المدخلات المتغيرة منطقًا إضافيًا لإدارة مرحلة الصهر (وهي المرحلة الأكثر استهلاكًا للطاقة) ومرحلة النقع (وهي المرحلة الأكثر مرونة).

ثالثًا، يُمثل تحديد حجم نظام تخزين الطاقة بالبطاريات (BESS) مفاضلة بين التكلفة الرأسمالية والمرونة التشغيلية. يكفي نظام تخزين طاقة بالبطاريات لمدة ساعتين (10 ميغاواط ساعة على فرن بقدرة 5 ميغاواط) لتغطية معظم الأيام الغائمة. أما نظام تخزين طاقة بالبطاريات لمدة أربع ساعات (20 ميغاواط ساعة) فيكفي لتغطية معظم العمليات الليلية، لكن التكلفة الرأسمالية تتضاعف تقريبًا.

رابعًا، يُعدّ الربط بالشبكة ضروريًا كخيار احتياطي. إذ يُعاني نظام الطاقة الشمسية فقط من مشاكل في التوافر خلال فترات الغيوم الطويلة وخلال أشهر الشتاء. يسمح الربط بالشبكة بتشغيل المدفأة باستمرار، حيث يُغطي نظام الطاقة الشمسية مع نظام تخزين الطاقة بالبطاريات ما بين 60 و85 بالمئة من الطاقة السنوية.

إلى أين تتجه التكنولوجيا

ستساهم عدة اتجاهات في تسريع تبني أنظمة الطاقة الشمسية المدمجة مع الحث الكهرومغناطيسي خلال السنوات الخمس إلى العشر القادمة. أولًا، تنخفض تكلفة بطاريات فوسفات الحديد الليثيوم بنسبة تتراوح بين 10 و15% سنويًا، كما تتحسن كثافة الطاقة فيها. فعلى سبيل المثال، ستتراوح تكلفة نظام تخزين الطاقة بالبطاريات بسعة 20 ميغاواط/ساعة، والذي كان يكلف 8 ملايين دولار أمريكي في عام 2024، بين 4 و5 ملايين دولار أمريكي بحلول عام 2028.

ثانيًا، تتراجع تكلفة الطاقة الشمسية الكهروضوئية أيضًا، وإن كان ذلك بوتيرة أبطأ. فنظام الطاقة الشمسية الكهروضوئية أحادي المحور بقدرة 40 ميغاواط، والذي كان يكلف 25 مليون دولار أمريكي في عام 2024، سيكلف ما بين 18 و20 مليون دولار أمريكي بحلول عام 2028.

ثالثًا، ترتفع تكلفة الطاقة الكهربائية في العديد من الأسواق نتيجة لتسعير الكربون ومعايير الطاقة المتجددة التي تزيد من تكلفة الكهرباء بالجملة. في الاتحاد الأوروبي، ستضيف تكلفة الكربون وفقًا لاتفاقية CBAM ما بين 30 و80 دولارًا أمريكيًا للطن الواحد من ثاني أكسيد الكربون إلى سعر الكهرباء في الفترة من 2026 إلى 2030، وهو ما يعادل 0.02 إلى 0.05 دولار أمريكي لكل كيلوواط/ساعة في فاتورة الكهرباء.

رابعًا، تتطور تقنية الصهر الحثي ذي القدرة المتغيرة. يقدم العديد من مصنعي العواكس الآن عواكس تتبع الشبكة الكهربائية، والتي يمكنها ضبط معدل الاحتراق في أجزاء من الثانية ليتناسب مع الطاقة المتجددة المتاحة. وتعمل شركة مونتي إنتليجنس على دمج هذه العواكس في تصاميم أفرانها القياسية.

القيود والمفاضلات

يُعاني نهج الطاقة الشمسية المُدمجة مع الطاقة الحثية من بعض القيود. أولًا، يعتمد مصدر الطاقة الشمسية على المواسم والظروف الجوية. فعلى سبيل المثال، تُنتج منظومة كهروضوئية بقدرة 40 ميغاواط في منغوليا الداخلية طاقةً تزيد بنسبة 30 إلى 40 بالمئة في الصيف مقارنةً بالشتاء، وقد يؤدي تغيم السماء لعدة أيام إلى استنزاف مخزون الطاقة. لذا، يُعدّ الربط بالشبكة الكهربائية ضروريًا لتشغيل الأنظمة بكفاءة عالية.

ثانيًا، يُعد نظام تخزين الطاقة بالبطاريات (BESS) تكلفة رأسمالية كبيرة. ففرن حثي بقدرة 5 ميغاواط مع نظام تخزين طاقة بالبطاريات يعمل لمدة 4 ساعات يتطلب 20 ميغاواط/ساعة من البطاريات، والتي تتراوح تكلفتها بين 8 و12 مليون دولار أمريكي في عام 2024. كما أن نظام تخزين الطاقة بالبطاريات عرضة للتلف: إذ تدوم بطاريات فوسفات الحديد الليثيوم (LFP) عادةً من 10 إلى 15 عامًا، وتتراوح تكلفة استبدالها بين 60 و80 بالمائة من التكلفة الأصلية.

ثالثًا، يتميز فرن الحث بمستوى طاقة مستقر أدنى، يتراوح عادةً بين 30 و40 بالمئة من طاقته المقدرة. يجب أن يوفر نظام الطاقة الشمسية الكهروضوئية مع نظام تخزين الطاقة هذا الحد الأدنى على الأقل، وإلا يجب إيقاف تشغيل الفرن. في فترات انخفاض النشاط الشمسي، يعمل الفرن في وضع الخمول عند أدنى مستوى طاقة حتى يستعيد النشاط الشمسي طاقته.

على الرغم من هذه القيود، يُعدّ نهج الطاقة الشمسية مع الحثّ المسارَ الأمثل لإنتاج المعادن الخالية من الكربون خلال العقدين القادمين. فالتكنولوجيا متوفرة، والجدوى الاقتصادية في تحسّن مستمر، والتجربة التشغيلية إيجابية. وتلتزم شركة مونتي إنتليجنس بدعم هذا التحوّل من خلال تصميمات أنظمة متكاملة ودعم تشغيلي متكامل.

تحدث إلى مونتي إنتليجنس حول تقنية الصهر بالحث التي تعمل بالطاقة الشمسية

بالنسبة للمشترين الذين يفكرون في تركيب نظام طاقة شمسية مع موقد حثي، يمكن لشركة مونتي إنتليجنس الهندسية تصميم نموذج لحجم النظام، وتكلفة التشغيل، وخفض انبعاثات الكربون لموقع محدد ونمط تشغيل معين. يشمل النموذج تقييم موارد الطاقة الشمسية، وتحديد حجم نظام تخزين الطاقة بالبطاريات، وتعديل نظام التحكم في الفرن، ومتطلبات دعم الشبكة الكهربائية. تفضل بزيارةwww.cnlymonte.com/products-solar-induction-furnace.html للاطلاع على مواصفات المنتج ودراسات الحالة. لمناقشة مشروع، يُرجى مراسلة helenxu@cnlymonte.com عبر البريد الإلكتروني مع كتابة "الحث الشمسي" في خانة الموضوع، وإرفاق تفاصيل حول حجم الفرن، وساعات التشغيل، وموارد الطاقة الشمسية في الموقع.