المستشار الصناعي
كيميائي فلاح رزاق جعفر محيي الدين
2023-5-5
تمهيد:
تعرضت مشاريع إنتاج الطاقة الكهربائية ومنظومة النقل والتوزيع في العراق في ثمانينيات القرن الماضي إلى انتكاسات متتالية منذ بدء الحرب العراقية الإيرانية وتلتها حرب الكويت وما بعدها والاحتلال الأمريكي في سنة 2003 لتنخفض معدل ساعات تجهيز الكهرباء إلى أربعة ساعات في اليوم الواحد، وقد بذلت الحكومات العراقية المتعاقبة جهودًا كبيرة لتقليص أوقات الانقطاع في التيار الكهربائي من خلال صيانة المحطات المتوقفة وإنشاء محطات جديدة وكذلك تطوير شبكة النقل والتوزيع ليصل مجموع الإنتاج المجهز للشبكة الوطنية بحدود (22680) ميكا واط في عام 2022، ويمثل معدل إنتاج الكهرباء في العراق 0.5% من الإنتاج العالمي حسب تقرير شركة b.b البريطانية، بينما تصل ذروة الاستهلاك في نهار الصيف (30000) ميكا واط، ومع الزيادات السكانية وزيادة الاستهلاك وكذلك تحول محركات السيارات من العمل على البنزين والديزل إلى العمل على الكهرباء والهيدروجين مما يزيد من الاستهلاك للطاقة الكهربائية حسب التقديرات إلى 40000 ألف ميكا واط في سنة 2030، وللوصول إلى طاقة إنتاج كافية عندها يكون الخيار الأفضل هو أن تنحصر الزيادة من خلال اتجاهين:
الأول: هو رفع كفاءة محطات توليد الكهرباء الغازية من خلال إضافة منظومات الدورة المركبة (Combined Cycle Power Plant).
الثاني: من خلال إضافة طاقات توليد الكهرباء بالطاقة المتجددة المضافة من خلال التوليد المنزلي والمباني ومحطات توليد الكهرباء بالطاقة المتجددة.
وفي ما يلي دراسة مقارنة مختصرة لإنتاج الكهرباء بالطاقة الشمسية بطريقتي المرايا المقعرة وطريقة الألواح الضوئية:
نبذة عن كل طريقة:
أولًا: الإنتاج بواسطة المرايا المقعرة (C.S.P) (concentrated solar power)
والفكرة في هذه الطريقة هي الاستفادة من الطاقة الشمسية الحرارية بواسطة تركيز أشعة الشمس عن طريق المرايا المقعرة من 30 إلى 100 ضعف، حيث تسلط الحرارة على مركز بؤرة في المرايا المقعرة والمثبت به أنبوب معدني يتحرك فيه زيت حراري يسخن الزيت فيه إلى درجة 550 درجة مئوية، ويدور الزيت إلى مبادلات حرارية، النوع الأول يعمل في النهار ويمرر به الماء الساخن المضغوط ليحول إلى البخار حيث نستفيد من البخار المنتج لتدوير التوربينات البخارية المشغلة لمولدات الكهرباء، أما المبادل الآخر فهو مبادل زيت مع المنصهر الملحي، وهذا المبادل وظيفته خزن الطاقة الحرارية الفائضة في النهار بالمنصهر الملحي ضمن خزانات كبيرة ومعزولة حراريًا ليصار إلى الاستفادة من الطاقة الحرارية المخزنة في المنصهر الملحي بالأوقات التي تنقص أو تنعدم أشعة الشمس، وذلك بالحصول على البخار اللازم لتوليد الكهرباء، وبذلك نضمن استمرارية التوليد للكهرباء طوال اليوم.
ثانيًا: توليد الكهرباء بواسطة الخلايا الضوئية (P.V. solar)
يتم توليد الكهرباء بصورة مباشرة بواسطة الألواح الضوئية لتحويل أشعة الشمس إلى كهرباء، وذلك عن طريق تعرض الخلايا الضوئية لأشعة الشمس مما يولد فرق جهد بين طرفي الخلية، ويتم رفع الفولتية الناتجة من الألواح وكذلك تحويلها إلى كهرباء نوع AC بواسطة إنفيرترات خاصة ليستفاد باستهلاكها مباشرة أو ربطها مع الشبكة الوطنية.
المقارنة بين طريقة إنتاج الكهرباء بالمرايا المقعرة وبين الألواح الضوئية:
1- الإنتاجية: طريقة المرايا المقعرة (C.S.P) يتم إنتاج الكهرباء بها بصورة مستمرة خلال اليوم (24 ساعة) ولطول أيام السنة، أما الإنتاج بواسطة طريقة الألواح الضوئية (P.V. solar) فيتم الإنتاج فيها فقط في فترة وجود أشعة الشمس، وبحسب ساعات إنتاج الكهرباء للخلايا الضوئية في العراق خلال السنة فإن إنتاجها يبلغ 2340 ساعة سنويًا، أي أن كل كيلو واط من الألواح الضوئية ينتج 2340 كيلو واط ساعة في السنة، بينما طريقة المرايا المقعرة يكون الإنتاج فيها بحدود 8700 كيلو واط ساعة سنويًا، أي أن كل كيلو واط من منظومة الطاقة بالمرايا المقعرة تنتج 8700 كيلو واط ساعة في السنة، وهي بالتالي تنتج بحدود أربعة أضعاف ما تنتجه المحطة الضوئية.
2- كلفة الإنشاء: الكلفة التقريبية للميكا واط الواحد في طريقة المرايا المقعرة بحدود 3125000$ ثلاثة ملايين ومائة وخمسة وعشرون ألف دولار أمريكي (مواصفة غربية)، بينما الكلفة واحد ميكا واط لإنشاء محطة كهرباء كهرو ضوئية 600000 ستمائة ألف دولار أمريكي (مواصفة غربية).
3- الأيدي العاملة: المحطة بالمرايا المقعرة تحتاج إلى أيدي عاملة بتخصصات أكثر ما تحتاج محطة الطاقة الضوئية كون فيها عمليات معقدة بخلاف المحطة الضوئية، وكذلك المحطة بالمرايا المقعرة تحتاج إلى أيدي عاملة أكثر كون العمل فيها 24 ساعة.
4- سهولة التشغيل والصيانة: تشغيل المحطات الضوئية أكثر سهولة وأقل كلفة في الصيانة من المحطة بالمرايا المقعرة.
5- العمر التشغيلي للمحطة: إن العمر التصميمي للألواح الضوئية يتراوح من 20 إلى 30 سنة، أما العمر التشغيلي لمحطة المرايا المقعرة فهو بحدود 50 سنة.
6- استقرار الشبكة: إن إنتاج الكهرباء بالمحطة التي تعمل على المرايا المقعرة توفر استقرارًا أكثر للشبكة لإمدادها لشبكة الكهرباء ليلًا ونهارًا، بينما المحطة الضوئية تزود الشبكة نهارًا فقط.
7- سهولة التوسع: إن المحطات الضوئية فيها مرونة كبيرة حيث يمكن بنائها من 3 كيلو واط إلى ألف ميكا واط أو أكثر، ويمكن بناء المحطات الضوئية بسهولة أكبر.
8- خزن الطاقة: تعتبر طريقة إنتاج الكهرباء بالمرايا المقعرة طريقة إنتاج وخزن للطاقة (خزن الطاقة حراريًا) مما يوفر في عمليات خزن الكهرباء واسترجاعها وما يصاحبه من كلف إنشاء وتشغيل لمخازن الطاقة، وكذلك ما يتم فقده من طاقة أثناء الخزن واستعادة الطاقة الكهربائية تصل إلى 25%.
9- حسابات تقليل انبعاثات ثاني أوكسيد الكاربون (CO2).
فيما يلي نجري حسابات تقليل انبعاثات ثاني أوكسيد الكاربون بالطن وسنويًا لكل واحد كيلو واط من الطريقتين، أي طريقة إنتاج الكهرباء بالألواح الضوئية وكذلك طريقة إنتاج الكهرباء بالمرايا المقعرة…
إن كل واحد لتر من الديزل يعادل 9000 واط أي 9 كيلو واط، وإذا افترضنا أن كفاءة محطات الطاقة الكهربائية بنظام الدورة المركبة بحدود 50% فيصبح إنتاج واحد لتر من الديزل يساوي 4.5 كيلو واط ساعة، وبما أن كثافة الديزل هي 0.9 أي أن واحد كيلو غرام يساوي 1/0.9 = 1.111 لتر.
ويصبح إنتاج واحد كيلو غرام من الديزل = 1.111 × 4.5 = 5 كيلو واط ساعة. لإنتاج واحد كيلو واط من الكهرباء نحتاج إلى كمية ديزل 1/5 = 0.2 كيلو غرام من الديزل.
ولحساب كمية ثاني أوكسيد الكاربون الناتجة من 200 غرام من الديزل للاحتراق نفترض أن معدل الصيغة الكيميائية هي CnH²n+² عندها تكون معادلة الاحتراق كالتالي:
CnH²n+² + O² → E + CO² + H²O
الوزن الجزئي للديزل في حال كان معدل ذرات الكاربون 10 يصبح كالتالي:
10×12 + 10×1 + 2×1 = 132 غرام لكل مول من الديزل ينتج عشرة مولات من ثاني أوكسيد الكاربون.
حساب الوزن الناتج من CO² = 12 + 2×16 = 48 غرام لكل مول من CO².
الوزن لعشرة مولات = 10×48 = 480 غرام.
أي أن كل 132 غرام من الديزل تنتج 480 غرام من ثاني أوكسيد الكاربون.
كل 200 غرام من الديزل تنتج = 200×480/132 غرام = 727 غرام من ثاني أوكسيد الكاربون لكل واحد كيلو واط.
ولحساب كل ثاني أوكسيد الكاربون الذي يتم توفيره لكل واحد كيلو واط سنويًا بواسطة الألواح الضوئية = 727 غرام × 2340 كيلو واط ساعة/سنة = 1701 كيلو غرام من ثاني أوكسيد الكاربون.
أما كمية ثاني أوكسيد الكاربون التي يتم توفيرها سنويًا لكل واحد كيلو واط من القدرة الناتجة من محطة المرايا المقعرة فهي كالتالي:
727 × 24 ساعة × 365 يوم = 6368 كيلو غرام من ثاني أوكسيد الكاربون سنويًا لكل واحد كيلو واط من الطاقة التصميمية لمحطة إنتاج الكهرباء بالمرايا المقعرة.
التوصيات:
للوصول إلى الاكتفاء الذاتي للكهرباء في العراق وبأقل انبعاثات لثاني أوكسيد الكاربون أقترح ما يلي:
أولًا: عدم إنشاء محطات لتوليد الكهرباء تعمل على الوقود الهيدروكاربوني (الوقود الأحفوري مثل الديزل والغاز والنفط الأسود) وكذلك محطات الطاقة النووية عدا ما تم التعاقد عليه.
ثانيًا: إضافة الدورة المركبة للمحطات الغازية وذلك للحصول على إنتاجية أعلى بـ 50% وبنفس استهلاك الوقود (1).
ثالثًا: توفير الغاز اللازم لتشغيل المحطات الغازية محليًا من خلال جمع الغاز المصاحب المحترق، وكذلك الاستثمار في استخراج الغاز الطبيعي من الحقول العراقية، كون الغاز أكفأ في التشغيل وأقل أضرارًا بالتوربينات الغازية وأقل تلوثًا للبيئة وأسهل في النقل وكلفته أقل من أنواع الوقود الأخرى.
(1) الدورة المركبة في عملية توليد الكهرباء هي الدورة التي تتكون من محركات حرارية والتي تعمل بالتتابع بنفس مصدر الحرارة محولة مصدر الحرارة هذا إلى طاقة ميكانيكية والتي تستخدم مباشرة في توليد الكهرباء باستخدام مولدات كهربائية.
وجوهر تلك الدورة أنه بعد انتهاء دورة المحرك الحراري الأول فإن مائع التشغيل للمحرك الأول يظل محتفظًا بقليل من الطاقة الحرارية والكافي ليتم الاستفادة منها في المحرك الحراري الثاني، وعن طريق دمج الشغل الناتج من كلا المحركين على عمود دوران مرتبط بالمولد الكهربائي، فإننا نحصل على كفاءة كلية للنظام تصل إلى 50-60 بالمائة.
بينما كانت الكفاءة في الدورة المفردة (لكل محرك حراري على حدة) تصل 34% فقط، وبدمج الدورتين معًا فنحصل على كفاءة كلية تصل 51% أو أكثر، وهذا بسبب أن المحركات الحرارية لا تكون قادرة على استخلاص كل الطاقة الحرارية المعطاة لها فعادة ما تكون الكفاءة أقل من 50%، وفي الدورة المفردة سابقًا كان يتم إهدار الطاقة المتبقية في مائع التشغيل حيث تعتبر طاقة مهدورة.
ودمج دورتين أو أكثر معًا يؤدي إلى تحسين في الكفاءة الكلية وتقليل معدل استهلاك الوقود وبالتالي التكلفة الخاصة بالوقود، وفي محطات توليد الطاقة يتم استخدام الدمج بين الدورة التوربينية الغازية (والتي تعمل وفقًا لدورة برايتون) والتي يتم فيها حرق الغاز الطبيعي أو الغاز الاصطناعي الصادر من الفحم ويصدر عنهما غازات ساخنة تستخدم في تشغيل المحطة البخارية (والتي تعمل وفقًا لدورة رانكن)، ويطلق على هذا الدمج: الدورة المركبة للتوربينة الغازية والتي تصل فيها الكفاءة الحرارية للمحطة 54% في أغلب أوقات تشغيل المحطة، على العكس تمامًا عندما يتم استخدام دورة منفردة سواء غازية أو بخارية فإن كفاءة المحطة تصل إلى 35-42% في أحسن الأحوال، وتعمل محطات حديثة عديدة على الدورة المركبة هذه، ويتم استخدامها أيضًا في الاستخدامات البحرية.
والدورة المركبة لها استخدام آخر أيضًا في محطات التوليد المشترك، حيث يتم إنشاء دورة بخارية بعد الدورة الغازية في بعض المحطات التي كانت تعمل في إنتاج الطاقة بالدورة الغازية فقط، وذلك كله بغرض استخدام البخار المتولد في الدورة المركبة في التدفئة أو استخدامات حرارية أخرى كصناعة الغزل وصناعات أخرى تستخدم البخار، وتصل الكفاءة الكلية الإجمالية لتلك المحطات (كهرباء + بخار ساخن) إلى نحو 90-95%.
المصدر:
ويكيبيديا (الدورة المركبة).
رابعًا: التوسع في إنشاء محطات توليد الكهرباء بالطاقة المتجددة وصولًا إلى إنتاج الكهرباء بالطاقة المتجددة بنسبة 80% سنة 2030.
خامسًا: النسب لنوع طرق التوليد التي أقترحها للوصول إلى تحقيق الفقرة رابعًا وكالتالي:
توليد الكهرباء بالخلايا الضوئية للمنظومات المنزلية والمباني داخل المدن والمربوطة بطريقة أون كريد على الشبكة الوطنية 25%.
توليد الكهرباء بالخلايا الضوئية من خلال محطات إنتاج الكهرباء 30 ميكا واط فما فوق وبنسبة 15%.
توليد الكهرباء عن طريق محطات إنتاج الكهرباء بالمرايا المقعرة بنسبة 35%.
توليد الكهرباء بأنواع أخرى من الطاقة المتجددة مثل الطاقة الكهرومائية وطاقة الرياح والبايو كاز وحرق النفايات بطريقة الـ R.D.F وبنسبة 5%.
خامسًا: توليد الكهرباء بالوقود الهيدروكاربوني بالمحطات الكفؤة والتي تستهلك أقل كمية من الوقود بالنسبة للكيلو واط المنتج مع تحقيق مرونة في زيادة وتقليل الإنتاج.
سادسًا: التركيز في عمليات إنشاء محطات الكهرباء بالطاقة المتجددة على المستثمرين المحليين أو استثمار وزارة الكهرباء كون أن الأموال المستحصلة من إنتاج الكهرباء تبقى داخل البلد، وكذلك توفر فرص استثمارية للمستثمر الداخلي بدل أن يبحث المستثمر العراقي عن فرص استثمار خارج العراق.
سابعًا: تحسين نظام الجباية للكهرباء باستخدام العدادات الذكية بالدفع المسبق مع ضمان توفير الدعم للطبقات الفقيرة والمتوسطة وكلا بنسبة معينة، وكذلك توفر الدعم للصناعيين والمزارعين، علمًا بأن تطبيق نظام جباية جيد يوفر في استهلاك الكهرباء بشكل كبير، وقد لوحظ أن تطبيق نظام الجباية المحكم في إحدى مناطق بغداد خفض الحمل المستهلك إلى الثلث عما كان عليه قبل تطبيق النظام لتلك المنطقة.
ثامنًا: التشديد من خلال تشريعات أكثر وضوحًا على أن تكون المباني المشيدة حديثًا مباني ذات عزل حراري جيد (مباني خضراء)، وكذلك إعادة تحسين العزل الحراري للمباني المشيدة سابقًا لما لهذه الخطوة من تأثير واضح على تقليل استهلاك الكهرباء، وكذلك التشجيع على استبدال المكائن ذات الاستهلاك العالي من الكهرباء بمكائن أقل استهلاكًا للكهرباء في المصانع.
تاسعًا: توفير الأراضي اللازمة لإنشاء محطات الطاقة المتجددة وتقديم كافة التسهيلات الضرورية لإنشاء محطات الطاقة المتجددة.
عاشرًا: بسبب ارتفاع كلفة الاستثمار في محطات الطاقة الشمسية ولغرض إيجاد أرضية مشجعة للمستثمرين في هذا المجال أقترح أن تكون أسعار التجهيز من قبل المستثمر إلى وزارة الكهرباء كالتالي:
سعر الكيلو واط ساعة من المستثمر إلى وزارة الكهرباء عن طريق المرايا المقعرة 6.5 سنت من الدولار الأمريكي للسبعة سنوات الأولى منذ بداية التشغيل.
سعر الكيلو واط ساعة من المستثمر إلى وزارة الكهرباء من بداية السنة الثامنة وإلى نهاية المدة الاستثمارية (30 سنة) 4 سنت.
سعر الكيلو واط ساعة من المستثمر إلى وزارة الكهرباء عن طريق إنتاج الخلايا الضوئية 5 سنت للسبعة سنوات الأولى ومنذ بداية التشغيل.
سعر الكيلو واط ساعة من المستثمر إلى وزارة الكهرباء وعن طريق محطات إنتاج الكهرباء بواسطة الخلايا الضوئية ومن بداية السنة الثامنة إلى نهاية مدة الاستثمار بسعر 4 سنت.
5- يراعى إضافة نسبة التضخم على أسعار البيع للكهرباء لصالح المستثمر كون المدة التعاقدية طويلة.
أحد عشر: الإسراع بتشريع قانون ربط الكهرباء المنتجة عن طريق الطاقة الشمسية في المنازل والمباني داخل المدن والاستفادة من القوانين الخاصة بهذا المجال في الدول العربية ودول العالم.
اثنا عشر: تطوير وتوسعة شبكة نقل وتوزيع الطاقة الكهربائية بما يتلاءم مع كميات الطاقة الكهربائية المنتجة وكميات الاستهلاك وكذلك توصيل الخطوط الناقلة إلى المحطات التي تنشأ حديثًا والتي تعمل بالطاقة المتجددة.
ثالث عشر: تنظيم جائزة سنوية مالية مجزية (مجموع الجائزة المقترحة مائتان وخمسون مليون دينار عراقي) وللثلاثة الفائزين الأوائل في مجال الكهرباء تخصص للباحثين والمخترعين ومن يقوم بتطوير الكهرباء أو تقليل الكلف أو تقليل التلوث وفي تطور الطاقة المتجددة، ترعاها رئاسة الوزراء وتنظمها وزارة الكهرباء ووزارة التخطيط، حيث تخلق هذه الجوائز الحافز لدى المخترعين والباحثين والعاملين في هذا المجال بتقديم المزيد من الإبداعات القيمة والمجدية…
رابع عشر: تشجيع الاستثمار لإنتاج الهيدروجين الأخضر (1) وتقديم كافة التسهيلات اللازمة لهذا النوع من صناعة الطاقة كونها صناعة واعدة بدون انبعاثات كربونية، وتعطى الأولوية للمشاريع التي تستخدم مياه البحر المحلاة أو مياه الصرف الصحي المعالجة كي لا تستهلك المياه المخصصة للشرب أو الزراعة، مع منح المصدرين للهيدروجين الأخضر ميزات إضافية كون أن التصدير لهذا النوع من الطاقة سوف يزيد من حصيلة العملات الأجنبية المتدفقة على السوق العراقي، وكذلك تفتح المجال لعشرات الآلاف من فرص العمل الكريمة لشبابنا الأعزاء.
[1] الهيدروجين الأخضر:
GH2 أو (GHY) هو هيدروجين يتم توليده بواسطة الطاقة المتجددة أو من الطاقة منخفضة الكربون. يحتوي الهيدروجين الأخضر على انبعاثات كربونية أقل بكثير من الهيدروجين الرمادي، والذي ينتج عن طريق إعادة تشكيل الغاز الطبيعي بالبخار، والذي يشكل الجزء الأكبر من سوق الهيدروجين.
الهيدروجين الأخضر الناتج عن التحليل الكهربائي للماء أقل من 0.1% من إجمالي إنتاج الهيدروجين. يمكن استخدام الهيدروجين لجعل ما يسمى بالقطاعات “التي يصعب تفكيكها” مستدامة. ومن الأمثلة على ذلك صناعة الصلب، حيث يمكن للهيدروجين الأخضر أن يحل محل الفحم بسهولة لتقليل الانبعاثات.
