نظام شمسي هجين يستخدم الرمال لتخزين الحرارة لتزويدها قطاع صناعة الأغذية والمشروبات وبتكاليف منخفضة

Image Source : Energy Conversion and Management

قام تحالف علمي فنلندي سويدي بتصميم نظام هجين يستخدم الخلايا الشمسية الكهروضوئية و الطاقة الحرارية الشمسية و الرمال لتخزين الحرارة لتوفير البخار للمنشآت الصناعية في قطاع صناعة الأغذية والمشروبات و تحقيق قيمة منافسة لـ قيمة التكلفة المستوية لإنتاج الطاقة الحرارية.

يتكون النظام المقترح من محطة طاقة شمسية حرارية مركزة تعتمد على تقنية مرايا القطع المكافئ (PTCs) متصلة بوحدة تخزين المياه التي يتم تسخينها و منظومة طاقة شمسية مرتبطة بنظام تخزين حراري عالي الحرارة يعتمد على الرمال كوسط خازن للطاقة الحرارية. حيث يقوم كلا المرفقين بتوفير الحرارة بشكل منفصل لنفس المنشأة الصناعية، حيث يتم استخدام منظومة الطاقة الشمسية الكهروضوئية عندما تكون محطة الطاقة الشمسية الحرارية غير قادرة على تلبية الطلب على التدفئة (بسبب انخفاض الإشعاع الشمسي المباشر).

وبحسب الدارسة فإن تشغيل محطة الطاقة الشمسية الحرارية يجب أن يحظى دائمًا بالأولوية في التشغيل كونه يولد البخار بتكلفة انتاجية واقتصادية عالية. علاوة على ذلك، ذكرت الدراسة أنه من الأفضل أن يتم اضافة نظام تدفئة احتياطي ثالث، مثل الغلاية التجارية، كمصدر احتياطي يتم استخدامه فقط عندما تكون منظومة الطاقة الشمسية الحرارية و الكهروضوئية غير كافية لتلبية الطلب على التدفئة.

قامت المجموعة بتصميم النظام الهجين باستخدام برنامج TRNSYS، والذي يستخدم لمحاكاة سلوك الأنظمة ثم استخدمت برنامج بايثون لمحاكاة أداء و تفاعل مكونات النظام لتلبية الطلب وسد الاحتياج من البخار.

حيث تم دراسة أربعة سيناريوهات مختلفة: حالة مرجعية يتم فيها توفير الحرارة حصريًا بواسطة الغلاية التقليدية؛ الحالة الثانية نظام يعتمد على المرجل أو الغلايه ومحطة الطاقة الشمسية الحرارية مربوطة بخزان المياه؛ الحالة الثالثة: نظام هجين يستخدم المرجل ومحطة الطاقة الشمسية الكهروضوئية التي تستخدم الرمال لتخزين الحرارة؛ و الحالة الرابعة نظام  يستخدم تقنيات الطاقة الشمسية الهجينة (PV+CSP) المتصلة بأنظمة التخزين الخاصة بها دون وجود الغلاية. حيث تم عمل المحاكاة على مبنى صناعي يقع في إشبيلية جنوب إسبانيا.

وبحسب النتائج لتقييم الفني و الاقتصادي، وجدوا أن تكوين النظام الرابع الذي يستخدم كلتا التقنيتين لطاقة الشمسية (PV+CSP) يوفر أقل تكلفة حرارية (LCOH) تبلغ 83.5 يورو (93.9 دولار) / لكل ميجاوات ساعة. وفي المقابل كانت أعلى قيمة ل LCOH في النظام الذي يعتمد على الغلاية التقليدية وحدها بسعر 100 يورو/ لكل ميجاوات ساعة، في حين حقق النظام القائم على توليد البخار باستخدام الكهرباء الناتجة عن منظومة الطاقة الشمسية الكهروضوئية بدون الطاقة الحرارية الشمسية تكلفة LCOH بقيمة 90 يورو/ لكل ميجاوات ساعة. في حين حقق النظام الهجين و المعتمد على الطاقة الحرارية الشمسية فقط إلى قيمة 84 يورو/ ميجاوات في الساعة.

وبحسب نتائج الدراسة فإن النظام الشمسي الهجين PTC+PV  حقق أداء اقتصادي أفضل و حقق أفضل معامل توفير لمساحة الأرض. وتلبي المنظومة الحرارية الشمسية  30% من الطلب على التدفئة و البخار في المنشأة الصناعية، فيما تغطي منظومة الطاقة الشمسية الكهروضوئية 60% و والمرجل 10% فقط.

الجدير بالذكر أن شركة Polar Night Energy قامت بتطوير نظام تخزين الحرارة باستخدام الرمال حيث يتمثل النظام في حاوية فولاذية عالية ويكون قادر على تخزين الكهرباء على شكل حرارة لعدة أشهر عند درجات حرارة تتراوح بين 500 درجة مئوية و600 درجة مئوية. و يستخدم النظام الرمل الجاف العادي دون استخدام أي وسط أو مادة وسيط كوسيلة للتخزين. حيث تتمحور طريقة العمل على إحداث التبادل الحراري عبر الأنابيب التي يمر فيها الهواء. وعندما يسخن هذا الهواء، يتم ضخه عبر الأنابيب ويصل إلى الرمال، التي بدورها تسخن حتى تصل إلى 600 درجة مئوية.

تم نشر هذه الدراسة بعنوان “التقييم الفني والاقتصادي لنظام هجين جديد لتخزين الرمال بالطاقة الشمسية الحرارية والكهروضوئية لإنتاج البخار الصناعي المستدام” Techno-economic assessment of a novel hybrid system of solar thermal and photovoltaic driven sand storage for sustainable industrial steam production، في مجلة Energy Conversion and Management.