1- تخزين الهيدروجين في أبراج العنفات الريحية Hydrogen Storage in Wind Turbine Towers:

إن الهدف الرئيسي من أبراج العنفات الريحية الحديثة ذات البنية المخروطية المصنعة من الفولاذ حمل الجزء الدوار لارتفاعات كبيرة بشكل متين. يمكن أيضاً استخدام هذا البرج لتخزين الهيدروجين عند العمل خارج أوقات الذروة، حيث يقوم الوسيط الكهرليتي باستخدام الطاقة المتولدة من مولد العنفة الريحية أو من الشبكة لتوليد الهيدروجين ثم تخزينه في أبراج العنفات الريحية. هذا الهيدروجين المختزن يمكن أن يستخدم لاحقاً لتوليد الطاقة بواسطة خلايا الوقود في أوقات الذروة.

سعة الطاقة المختزنة يمكن أن تخفف مشكلة الطبيعة المتقطعة لطاقة الرياح وبالتالي تزويد المستهلكين بالطاقة اللازمة أوقات الذروة بشكل اقتصادي.

تم اقتراح فكرة تخزين الهيدروجين في برج العنفة من قبل المركز الوطني للطاقات المتجددة في الولايات المتحدة الأمريكية National Renewable Energy Laboratory (NREL) عام 2003. وسنرى فيما يلي:

1. أهمية الأخذ بعين الاعتبار تخزين الهيدروجين داخل برج العنفة.
2. التحليل الاقتصادي الأمثل للبرج المخزن للهيدروجين.
3. المقارنة بين تكاليف تخزين الهيدروجين في برج العنفة وتكاليف تخزين نفس الكمية من الهيدروجين باسطوانات الضغط.

تعتبر الوسائط الكهروليتية مصدر عملية تخزين الهيدروجين في أبراج العنفات. بإمكان غشاء تبادل البروتونات Proton Exchange Membrane (PEM) والكهرليت العالي الضغط توليد الهيدروجين بضغط يصل إلى 15 bar. وسنرى لاحقاً أن الضغط في البرج المخزن للهيدروجين أقل من 15 bar وهذا كافٍ لاعتبار تخزين الهيدروجين بهذه الطريقة أكثر اقتصادية بالإضافة إلى عوامل أخرى سنراها لاحقاً.

1-1 أبراج العنفات الريحية التقليدية

تم اختيار برج لعنفة باستطاعة MW 1.5 من شركة Wind PACT لدراسة تصميم العنفات الريحية كمثال لدراسة الأبراج التقليدية. تشيّد الأبراج التقليدية من أنابيب الفولاذ ويتم تصميمها لتتحمل إجهاد وزن العنفة وحركة أجزائها.

نسبة قطر البرج إلى سماكة الجدار d/t تكون بحوالي 320. ويصمم قطر البرج في الأعلى ليكون على الأقل نصف قطر القاعدة. تقدر تكلفة البرج بحوالي $/kg 1.5. يؤدي خفض نسبة d/t إلى تخفيض تكلفة البرج ولكن يجعل العنفة أقل توازناً.

نورد فيما يلي تكاليف أخرى يتم اعتبارها في البرج مثل الدرج الشخصي حوالي 10 $/ft وباب الدخول إلى البرج 2000 $. الشكل التالي هو للبرج المختار وتكاليفه.

أجزاء البرج

1-2 أوعية الضغط المخزنة للهيدروجين التقليدية:

تصنع أوعية الضغط التقليدية عادةً من الفولاذ المشابه لبرج العنفة. يكون الشكل الهندسي لمعظم أوعية الضغط طويلاً ونحيفاً. للحصول على توزيع أقل للتكاليف الثابتة تصمم أوعية الضغط بأقطار أكبر ونسب ضغط أعلى.

تتم مقارنة أجهزة التخزين حسب نسبة تكاليف جهاز التخزين إلى كلفة غاز الهيدروجين المستلم المختزن. وتعتبر هذه النسبة هي الأكثر شيوعاً. الهيدروجين المستلم هو كمية الهيدروجين الممكن تقديمه من وعاء الضغط عند استمرار ضغط التغذية الأدنى المطلوب، حيث يجب أن تتوافر كمية معينة من الغاز في أوعية الضغط لتأمين ضغط القاعدة. وهذه الكمية من الغاز يجب أن تبقى داخل الوعاء مهما كانت الظروف، كما يعتبر هذا الغاز كتكاليف ثابتة لا كسعة تخزين. في بعض الأحوال (كتخزين الهيدروجين في باطن الأرض) تعتبر كلفة غاز تأمين ضغط القاعدة عالية. ويمكن إهمال تكاليف هذا الغاز عند تخزين الهيدروجين في برج العنفة الريحية لعدة أسباب، أهمها أن خلايا الوقود التي تم اختيارها لتزويد المستهلكين بالطاقة هي أجهزة تستهلك الهيدروجين بحيث تتطلب ضغط تغذية أكبر بقليل من الضغط الجوي. بالإضافة إلى أن تكاليف الهيدروجين المطلوب لملئ البرج عند الضغط الجوي قليلة ويمكن إهمالها مقارنةً بتكاليف أوعية التخزين الأخرى.

من الجدير بالذكر أن كتلة الهيدروجين المضغوط محسوبة على اعتبار أن الهيدروجين غاز مثالي. وهذا التقريب يسمح بتقدير درجات الحرارة والضغط بدقة مقبولة في هذه الدراسة.

2- الاعتبارات الواجب دراستها في برج الهيدروجين Hydrogen Tower Considerations:

يولد تخزين الهيدروجين عدداً من الاعتبارات عند تصميم برج العنفة، فتحت ظروف معينة يميل الهيدروجين للتفاعل مع الفولاذ ويؤثر بنحو سيئ على العديد من خواص الفولاذ بما فيها قساوته ومقاومته للإجهاد وفترة حياته. بالإضافة إلى أن تخزين الهيدروجين تحت الضغط يسبب زيادة الإجهاد على البرج مما يتطلب مزيداً من التدعيم للجدران. جميع العوامل التالية تتطلب تحليلاً بنيوياً لحساب الضغط الداخلي المؤثر على عمر وتصميم البرج.

2-1 التآكل Corrosion:

يجب الأخذ بعين الاعتبار كل من التآكل الجوي وإمكانية تفاعل الهيدروجين مع معدن البرج. بشكل طبيعي تتم حماية أبراج العنفات من التآكل الجوي بإضافة طبقات من أنواع معينة من الطلاء. من أجل استخدام البرج لتخزين الغاز المضغوط قام مهندسي الميكانيك في أمريكا المتخصصين بدراسة المراجل وأوعية الضغط (ASME) بابتكار طلاء جديد يقوم بحماية البرج من الداخل بشكل كافٍ وهو مشابه إلى حد ما لطلاء أوعية الضغط التقليدية. ويجب طلاء البرج من الداخل بكميات كافية من هذه المادة المضادة للتآكل (تتحدد الكميات حسب نشرة ASME 2001).

لحسن الحظ أننا نستطيع التحكم ببرج الهيدروجين من الداخل كي لا يتأثر بالظروف البيئية. الهيدروجين المستخلص من عميلة PEM لا يحتوي أي نواتج أخرى تؤدي إلى التآكل الجوي (مثل الكلور وحمض الكبريت)، والهيدروجين الناتج (الذي يكون مبللاً ببخار الماء) يجب أن يجفف إلى أقل من نسبة الرطوبة الحدية المسموح بها (أي أقل من 80%) وبأقل التكاليف الممكنة. عند الالتزام بهذه الشروط فإن التآكل الجوي يخترق سطح الفولاذ بنسبة ضئيلة يمكن إهمالها (أقل من 0.1µm per year).

2-2 هجوم الهيدروجين Hydrogen Attack:

وهي ظاهرة تآكل المعدن عند تعرضه للهيدروجين. وتعرف هذه الظاهرة أيضاً باسم ظاهرة التصدع بسبب الهيدروجين. هجوم الهيدروجين HA هي عملية تبعثر جزيئات الهيدروجين داخل البنية الشبكية لمعدن الفولاذ ثم تعود لتتجمع في أماكن تفاعل الهيدروجين مع الكربون الموجود في بنية المعدن. عملية الأكسدة هذه تسبب تشكل غاز الميتان الذي يمارس ضغطاً داخلياً علي البرج مما يسبب التصدع الداخلي.

تحدث هذه الظاهرة عند درجات الحرارة التي تزيد عن 200 ̊ C لذلك تدعى أحياناً بهجوم الهيدروجين العالي الحرارة، إذاً من غير الممكن حدوث هذه الظاهرة في أبراج الهيدروجين لأن درجة الهواء المحيط لا يمكن أن تصل إلى 200 ̊ C.

يجب التمييز بين ظاهرة هجوم الهيدروجين التي تسبب تصدع المعدن عند درجات حرارة عالية وظاهرة Hydrogen Embrittlement (HE) أي تغلغل الهيدروجين الذي يسبب أضراراً للمعدن عند درجة حرارة الجو المحيط.

2-3 تغلغل الهيدروجين Hydrogen Environment Embrittlement (HEE):

يحدث هذا النوع من التصدع عند تعريض المعدن لوسط غني بالهيدروجين، حيث تقوم ذرة الهيدروجين بامتصاص سطح المعدن مسببة تصدعات سطحية بعيدة عن البنية الشبكية الداخلية لمعدن الفولاذ. يمكن اختصار أسباب حدوث HEE على برج العنفة بما يلي:

1. تتناسب إمكانية حدوث ظاهرة HEE طرداً مع مربع زيادة الضغط. لذا يقترح تصميم برج العنفة لتخزين الهيدروجين بضغط منخفض نسبياً.
2. كلما زادت نقاوة الهيدروجين المراد تخزينه تزداد إمكانية حدوث HEE لذلك يفضل وجود نسبة من الأوكسجين لا تتجاوز 22 pmm أي 0.02% من الحجم الكلي عند الضغط الجوي.
3. نعومة المعدن تقلل إمكانية حدوث HEE لأن بزيادة الخشونة يزداد سطح المعدن المواجه للهيدروجين.
4. زيادة قساوة المعدن تضخم تأثير HE.
5. لحام أجزاء البرج يسبب حدوث HEE لأن مناطق اللحام تشكل “نقاط قاسية” تحوي الكربون بشكل كبير نسبياً. ويسمح بوجود نسبة كربون في لحام أبراج الهيدروجين لا تتجاوز 0.28% فقط.

بناءً على الاعتبارات السابقة فإن خطر حدوث HEE لا يمنع من استخدام أبراج تخزين الهيدروجين، ويمكن تلافيه باتخاذ الاحتياطات المناسبة عند التصميم.

3– أنواع تصميم البرج المخزن للهيدروجين Conceptual Designs:

هناك عدة تصميمات لبرج تخزين الهيدروجين يمكن تنفيذها بعد إجراء دراسة للتكاليف واختيار التصميم الاقتصادي.

التصميم الأول: وهو أبسط هذه التصاميم مبين في الشكل التالي:

برج مليء بالهيدروجين

نلاحظ في هذا التصميم أن أنبوب الضغط الحافظ للهيدروجين يلحم في أعلى وأسفل البرج، ويتم وضع كل من السلم وخط نقل القدرة خارج البرج. عند نقل خط القدرة إلى الخارج يجب أن تتم حمايته جيداً بوضعه ضمن أنابيب خاصة. يتطلب هذا – من أجل العنفة المدروسة – وضع حوالي 9m من خط النقل خارج البرج.

أسفل الغطاء الموجود في نهاية الأنبوب يمكن أن تبقى التجهيزات التي توجد عادةً كما هي. يحتوي أنبوب الضغط على الهيدروجين المضغوط (الذي يعتبر بمثابة وعاء ضغط) وهو لا يؤثر على تصميم القمرة أو أداء الدوار.

يمكن تطبيق هذا المبدأ بشكل واسع لأنه يوفر حجماً لا بأس به لتخزين الهيدروجين بإجراء تعديلات بسيطة على التصميم التقليدي للبرج. كما يتم اعتماد هذا التصميم على أنه التصميم الاقتصادي في معظم الحالات.

التصميم الثاني: يتطلب هذا التصميم وجود أنبوب في محور البرج ليحمي خط نقل القدرة وبالتالي يمكن استخدام كبل نقل القدرة التقليدي دون تغيير.

برج تخزين الهيدروجين مع خط نقل القدرة الداخلي

في هذا التصميم تم اعتماد مبدأ أقل تعديل ممكن على التصميم. وعلى الرغم من التكلفة الإضافية للأنبوب الحاوي على كبل نقل القدرة والمزيد من التعقيد أثناء تنصيب البرج إلا أننا نستطيع كما ذكرنا استخدام الكبل التقليدي نفسه.

يختلف هذا التصميم عن التصميم السابق بإمكانية إضافة أنبوب كبير بشكل يتسع للدرج الشخصي لأن الدرج الخارجي يمكن أن يسبب بعض المشاكل كتعشيش العصافير عليه وتشكل الجليد وغيرها. ونأخذ بعين الاعتبار أن الدرج الداخلي يخفض 10% من حجم تخزين الهيدروجين مما يرفع نسبة الكلفة إلى الحجم.

هذه التكاليف الإضافية وتعقيد تنصيب الأنبوب ذو القطر الكبير تجعل هذا التصميم أقل جاذبية من غيره من التصاميم ولكن يمكن تطويره في المستقبل ليصبح اقتصادياً أكثر.

التصميم الثالث: وهو تعديل عن التصميم الأول ويتطلب تكاليف إضافية بسبب التغيير في أسفل غطاء التخزين. حيث تتم الاستعاضة عن غطاء أنبوب تخزين الهيدروجين بلوح رقيق يتم لحامه مع الجزء السفلي من البرج. هذا اللوح يعمل كسدادة ولكنه غير مصمم ليتحمل ضغط الحمل. يتم التحكم بضغط الهيدروجين بواسطة أساس البرج ومسامير التدعيم الموجود في قاعدة البرج.

التصميم الثالث لبرج تخزين الهيدروجين

هذا التصميم يؤمن مزيداً من حجم تخزين الهيدروجين أي سعة أكبر. ولكن ينشأ عزم انحناء كبير يؤثر على الأساس حيث يمارس الهيدروجين المضغوط ضغطاً كبيراً في منتصف الأساس الذي يجب أن يصمم أن يتحمل هذا الضغط. تتم تثيبت مسامير التدعيم حول محيط الأساس. ونراعي أيضاً وجود الكترونيات القدرة في قاعدة البرج.

التصميم الرابع: يعتمد على تهيئة جزء فقط من البرج لتخزين الهيدروجين.

جزء فقط من البرج لتخزين الهيدروجين

يتم تطبيق هذا التصميم لعدة أسباب، أهمها أنه يسمح باستخدام الكبل الكهربائي العادي وتنصيب باب للدخول أعلى مكان التخزين، مما يجعل الجزء العلوي من البرج نظيفاً مقارنةً بالجزء السفلي الذي يحتاج عمليات تنظيف مستمرة. السبب الآخر أنه يخفض التكاليف الكلية لتخزين الهيدروجين التي تتحدد سعتها حسب التطبيق المطلوب تغذيته. ولكن هذا التطبيق يسبب زيادة نسبة الكلفة إلى الكتلة لأنه يقرب نهايتي غطاء التخزين إلى بعضهما مما يبعد شكل التخزين عن الشكل الأسطواني الطويل المثالي.

4– التحليل البنيوي لبرج تخزين الهيدروجين Structural Analysis:

يولد الضغط الداخلي في أبراج العنفات الريحية متطلبات بنيوية خاصة. حيث يجب أن تتحمل الأبراج وزن القمرة والإجهادات الحركية للشفرات. بالإضافة إلى ضرورة تأمين هذه الأبراج نفس خصائص أوعية الضغط عند تخزين الهيدروجين. تتحدد مواصفات الأبراج الأنبوبية للعنفات الريحية الحديثة حسب قوى الإجهاد المؤثرة على مناطق اللحام الأفقية.

4-1 الأحمال والإجهادات:

تصمم أبراج العنفات الريحية لتتحمل الأحمال الأيروديناميكية التي تتغير بشكل كبير مع تغير سرعة الرياح وقد تمت دراسة هذا الموضوع مطولاً وبشكل موسع.

تتحدد سماحة جدار البرج حسب العلاقة:

t₁ – t₂= ∆t= pr/2(S_ut)

حيث:

t₁: السماكة المطلوبة لبرج تخزين الهيدروجين

t₂: السماكة المطلوبة للبرج التقليدي (دون تخزين الهيدروجين)

p: ضغط التخزين المطلوب r: قطر المقطع العرضي الوسطي للبرج (متوسط قطر قاعدة البرج وقطر أعلى البرج)

S_ut: الحد الأعظمي لقوة الإجهاد الممكن تحملها من قبل البرج هذه المعادلة صالحة لجميع الأبراج على اختلاف مقاطعها.

ويبين الشكل التالي العلاقة بين زيادة سماكة جدار البرج مع زيادة ضغط الهيدروجين المختزن من أجل ثلاث عنفات بأقطار مختلفة.

العلاقة بين سماكة جدار البرج مع ضغط الهيدروجين المختزن

ونلاحظ أنه كلما ازداد قطر البرج، زادت نسبة زيادة سماكة البرج مع زيادة ضغط الهيدروجين داخل البرج. ويتم أخذ عاملي زيادة القطر وزيادة الضغط (الذي يعني إمكانية تخزين كمية أكبر من الهيدروجين في نفس الحجم) لتحديد القطر الاقتصادي لتخزين الهيدروجين في البرج.

4-2 مقارنة بين الأبراج التقليدية وأبراج الهيدروجين وأوعية الضغط:

يبين الشكل التالي تكاليف البرج المخزن للهيدروجين.

ملخص تكاليف برج الهيدروجين

يوضح الشكل أن تكاليف تخزين الهيدروجين تزيد 30% على تكاليف البرج أما 70% المتبقية فهي لتنصيب وبناء البرج. تؤمن جدران برج تخزين الهيدروجين بعد تدعيمها توفيراً كبيراً في تخزين الهيدروجين مقارنةً بأوعية الضغط لنفس الكمية من الهيدروجين.

برج تخزين الهيدروجين (الكامل) بسعة 940 kg يوفر كلفة التخزين حيث تقل عن 88$/kg، أما البرج بسعة 359 kg يخزن بكلفة 135$/kg. تقدر الكلفة الإجمالية لبرج الهيدروجين بحوالي 50000$ إلى 83000$. أي زيادة بنسبة 25% إلى 45%.

الجدول التالي يقارن بين تكاليف البرج التقليدي والمخزن للهيدروجين وأوعية الضغط لنفس السعة.

نلاحظ التوفير عند استخدام برج تخزين الهيدروجين مع الأخذ بعين الاعتبار أن أوعية الضغط 15MPa تكون ذات وزن ثقيل ويصعب نقلها. أما أوعية الضغط MPa1.1 فنستخدم ثلاث أوعية لأجل نفس الكمية أي زيادة حجم التخزين وتكاليف نقل إضافية.

الشكل التالي يوضح الأرقام السابقة لتكاليف التخزين.

تكاليف التخزين لأبراج التخزين وأوعية الضغط