في مؤتمر "China الأخير لهندسة وتكنولوجيا طاقة الرياح البحرية، ألقى المدير العام لخط إنتاج توربينات الرياح البحرية كلمة رئيسية. وأكد فيها أن المعوقات الحالية في توربينات الرياح البحرية في الصين تكمن في الشفرات والمحامل الرئيسية. ونظرًا للطلب المتزايد على هذه التوربينات، فمن الضروري أن يركز المصنّعون على توفير حلول تضمن عوائد استثمارية مجزية بالاعتماد على سلاسل التوريد المتاحة، بما يدعم التنمية المستدامة لطاقة الرياح البحرية في الصين.

رحلة تطوير شفرات توربينات الرياح

تم استعراض تطور شفرات توربينات الرياح في أوروبا والصين. بين عامي 1991 و2015، كانت الصين متأخرة من حيث قوة التوربينات وحجم الشفرات. إلا أنه بحلول عام 2017، طورت الصين توربين رياح بقطر 171 مترًا، متجاوزةً بذلك توربين أوروبا الذي بلغ قطره 164 مترًا. وبحلول عام 2019، قدمت كل من أوروبا والولايات المتحدة توربينات أكبر حجمًا بقطر 220 مترًا. هذا التكافؤ في حجم التوربينات يدل على أن الصين وأوروبا باتتا الآن على مستوى مماثل في تطوير توربينات الرياح البحرية.

التحديات والابتكارات في مجال طاقة الرياح

بحسب مجلة علمية عالمية مرموقة، يواجه قطاع طاقة الرياح تحديات كبيرة في الديناميكا الهوائية، والديناميكا الإنشائية، والديناميكا المائية، مع ازدياد حجم توربينات الرياح البحرية. ولم يواكب البحث في هذه المجالات العلمية الأساسية تزايد أقطار التوربينات. فعلى عكس صناعة الطيران، التي لم تتجاوز أجنحة طائراتها 80 مترًا حتى بعد قرن من الزمان، وصلت صناعة طاقة الرياح، في أقل من أربعة عقود، إلى أقطار توربينات تبلغ 200 متر.

تم التأكيد على أهمية التقدم التدريجي في الهندسة والتطورات التكنولوجية. ويتطلب زيادة طول الشفرات تحقيق طفرات في المواد وتقنيات التصنيع. والاعتماد فقط على التقنيات الحالية لزيادة حجم الشفرات غير كافٍ لدعم المزيد من تطوير طاقة الرياح البحرية.

الحاجة إلى مواد الحجاب المصنوعة من ألياف الكربون

لدعم شفرات توربينات الرياح البحرية الأطول، يتعين على الصناعة خوض غمار مجال جديد تمامًا، ألا وهو استخدام مواد ألياف الكربون. يعكس هذا التحول الوضع الذي كان سائدًا قبل عقد من الزمن، عندما اضطرت الصين إلى ترخيص تصاميم الشفرات من شركات أوروبية، مع استيراد المواد والمعدات الأساسية من شركات ألمانية أو يابانية. وتزيد الاستثمارات الضخمة في القوالب، والجداول الزمنية الطويلة، وتقنيات التصنيع غير الناضجة من تعقيد عملية التطوير، مما يجعل كفاءة تصنيع الشفرات كبيرة الحجم أقل بكثير من كفاءة الشفرات التقليدية بمقدار 3-4 أضعاف. ويمثل هذا عائقًا رئيسيًا أمام ضمان جدوى المشاريع في ظل سيناريوهات تركيب توربينات الرياح البحرية واسعة النطاق الحالية في الصين. وتُعد ألياف الكربون ضرورية للجيل القادم من توربينات الرياح، إذ تلبي الحاجة إلى كل من المتانة وخفة الوزن.

التحديات في سلسلة توريد المحامل الرئيسية

يمثل المحمل الرئيسي عائقًا آخر، ينبع من تحديات التصميم، ومشاكل سلسلة التوريد، وتعقيدات التركيب. وعلى وجه التحديد، تواجه سلسلة توريد المحامل الرئيسية لتوربينات النفط البحرية الكبيرة ثلاثة تحديات رئيسية:

1. غالباً ما يتجاوز قطر حلقة المحمل الرئيسية مترين، مما يتجاوز قدرة معظم أدوات الآلات المتاحة.

2. يوجد موردان رئيسيان فقط، مما يتطلب حجز السعة قبل عام على الأقل.

3. يفتقر الموردون المحليون حاليًا إلى قدرات التصميم والتصنيع اللازمة لمثل هذه المحامل الكبيرة.

   
   

حلول وابتكارات في تكنولوجيا المحامل

يضمن اعتماد تقنية المحامل المزدوجة ذات الصلابة السطحية (SRB) لتكوينات المحامل الرئيسية دعم توربينات بقدرة 5-6 ميغاواط بقطر لا يتجاوز 1.5 متر. يتيح هذا الحل، المدعوم بسلسلة توريد عالمية متينة، مشاركة الموردين المحليين في التصميم والإنتاج. في المقابل، تواجه التقنيات التي تتطلب أقطارًا أكبر، مثل المحامل المزدوجة ذات الصلابة السطحية (TRB) والمحامل المزدوجة ذات الصلابة السطحية المزدوجة (DRTRB)، تحديات كبيرة فيما يتعلق بالقدرة والكفاءة.

تحسين أداء توربينات الرياح البحرية

رغم التحديات، لا تزال الشركة واثقة من قدرتها على توفير حلول طاقة الرياح البحرية التي تحقق عوائد استثمارية مجزية. وقد تم إعداد خريطة شاملة لتكلفة الطاقة المُعدّلة (LCOE) لمزارع الرياح البحرية في الصين، لتوجيه عملية تحديد التوربينات ومساعدة المطورين على تحديد المشاريع المربحة. ولا ينصب التركيز على سعة التوربينات بقدر ما ينصب على تكلفة الطاقة المُعدّلة، حيث يُعد توليد الطاقة العامل الأكثر أهمية.

التكيفات الإقليمية وتحليل حساسية تكلفة الطاقة المستوية

تتطلب المناطق المختلفة توليفات متباينة من قدرة التوربينات وقطر الدوار لتحسين تكلفة الطاقة المُستوية (LCOE). أجرت الشركة تحليلات حساسية لتكلفة الطاقة المُستوية في مناطق ذات رياح قوية مثل فوجيان، ومناطق ذات رياح خفيفة مثل قوانغشي، ومناطق ذات رياح متوسطة إلى خفيفة مثل تشجيانغ. تشير النتائج إلى أن التوربينات بقدرة 6-8 ميغاواط هي الأمثل في حالات الرياح القوية، بينما تُعد التوربينات بقدرة 4-6 ميغاواط هي الأفضل في حالات الرياح الخفيفة إلى المتوسطة. تتطلب سرعات الرياح المنخفضة أقطار دوار أكبر، والعكس صحيح. يُعد استخدام غطاء ألياف الكربون في هذه التوربينات أمرًا بالغ الأهمية لتحقيق الأداء والكفاءة المطلوبين.

معالجة خسائر التيارات الهوائية في مزارع الرياح البحرية

تواجه مزارع الرياح البحرية في الصين خسائر أكبر في الطاقة الناتجة عن دوامات الرياح مقارنةً بنظيراتها الأوروبية، وذلك بسبب كثافة تصميمها، وانخفاض سرعة الرياح، واستقرار الغلاف الجوي. وقد كشف تقييمٌ لقدرة توربينات بحرية تبلغ حوالي 1.5 جيجاواط أن التقديرات الأولية لخسائر الطاقة الناتجة عن دوامات الرياح كانت أقل بنحو 2% من الواقع. وقد أسفرت الجهود المبذولة للحد من هذه الخسائر من خلال تقنية التحكم الجماعي في دوامات الرياح عن زيادة في توليد الطاقة بنسبة 3-4%. ومع ازدياد كثافة تصميم مزارع الرياح البحرية، تزداد أهمية تقنية التحكم الجماعي في دوامات الرياح. ولا يقتصر دور استخدام غطاء ألياف الكربون في تصميم الشفرات على تحسين الأداء فحسب، بل يساهم أيضاً في تخفيف أثر خسائر الطاقة الناتجة عن دوامات الرياح.