يمكن لتوربين رياح بحري واحد أن يزوّد آلاف المنازل بالطاقة

يستطيع توربين رياح بحري بقدرة 12 ميغاواط أن ينتج خلال عام ما يعادل استهلاك عدة آلاف من المنازل للكهرباء. يعتمد هذا الرقم على مجموع الطاقة السنوية بعد احتساب تغير الرياح والتوقفات، ولا يفترض أن الآلة تعمل بأقصى قدرتها في كل دقيقة.

يعطي تقرير سوق طاقة الرياح البحرية لعام 2024 الصادر عن المختبر الوطني للطاقة المتجددة صورة واضحة عن حجم الآلات التي تجعل ذلك ممكنًا. ويستخدم تقرير «مراجعة تكلفة طاقة الرياح: إصدار 2024» نموذجًا مرجعيًا لتوربين بحري قدرته 12 ميغاواط، وقطر دوّاره 216 مترًا، وارتفاع محوره 137 مترًا. يعادل ارتفاع المحور تقريبًا مبنى من 30 طابقًا أو أكثر، بينما تتجاوز الدائرة التي تمسحها الشفرات مساحة تُقاس بالفدادين.

عندما ترى توربينًا من الساحل، قد توحي المسافة بأنه مروحة صغيرة. أما أبعاده الحقيقية فتضعه في فئة منشأة صناعية ضخمة: برج فولاذي، وناسل يضم معدات التوليد، وثلاث شفرات طويلة، وأساس بحري، ثم شبكة من الكابلات تمتد إلى اليابسة.

الحجم الذي يرفع إنتاج التوربين الواحد

القدرة الاسمية هي نقطة البداية. يستطيع توربين مصنّف عند 12 ميغاواط أن يسلّم 12 ميغاواط عندما تكون سرعة الرياح ضمن نطاق التشغيل الكامل وتكون الآلة والشبكة متاحتين. وقد نمت قدرة التوربينات البحرية بسرعة خلال العقد الماضي، حتى صارت الوحدات الجديدة أكبر بكثير من توربينات المزارع البرية القديمة التي يراها السائقون قرب الطرق.

المحور هو النقطة التي تتصل عندها الشفرات بالناسل. رفعه إلى 137 مترًا يضع الدوّار في طبقة هواء تختلف عن الهواء القريب من سطح الماء. ويعني قطر قدره 216 مترًا أن طرف الشفرة يقطع دائرة أعرض من ملعبَي كرة قدم موضوعين طرفًا إلى طرف. كلما اتسعت الدائرة، زادت مساحة الرياح التي يستطيع الدوّار اعتراضها.

تساعد البيئة البحرية أيضًا. فخشونة السطح فوق الماء أقل منها فوق المدن والغابات والتضاريس البرية، والرياح في مواقع بحرية كثيرة أقوى وأكثر انتظامًا. لا تختفي التقلبات، لكنها تحدث ضمن مورد ريحي ملائم لتوربينات كبيرة ذات دوّارات واسعة.

يمكنك رؤية أثر ذلك في حساب سنوي مباشر. عند معامل سعة بين 45 و55 بالمئة، يكون متوسط خرج توربين قدرته 12 ميغاواط بين 5.4 و6.6 ميغاواط. وبضرب هذا المتوسط في 8760 ساعة، يصل الإنتاج السنوي إلى نحو 47,304 و57,816 ميغاواط ساعة، أي قرابة 47 إلى 58 غيغاواط ساعة.

معامل السعة هو نسبة الطاقة التي ينتجها التوربين فعلًا إلى الطاقة التي كان سينتجها لو عمل عند قدرته الاسمية طوال الفترة. ينخفض المتوسط لأن الرياح ترتفع وتهبط، ولأن التوربينات تتوقف للصيانة أو تُخفّض قدرتها، وقد تحد قيود الشبكة أحيانًا من كمية الكهرباء التي يمكن استقبالها.

من الميغاواط إلى عدد المنازل

تختلف القدرة الاسمية عن التوليد السنوي. الأولى تصف الحد الأقصى المصنّف للآلة في لحظة مناسبة، والثاني يجمع ما أنتجته خلال سنة بعد تغير ظروف التشغيل. ولحساب «عدد المنازل التي يمكن تزويدها بالكهرباء»، يُقسم التوليد السنوي على متوسط استهلاك المنزل للكهرباء في السوق المعنية.

تستخدم وزارة الطاقة الأميركية ومختبراتها الوطنية هذه الصيغة لتقريب حجم مشروعات الرياح إلى القارئ. لا يكون التوربين موصولًا بمجموعة ثابتة من البيوت؛ إذ تدخل طاقته إلى شبكة تستقبل الكهرباء من مصادر متعددة وتوزعها على أنواع مختلفة من المستهلكين. يشير عدد المنازل إلى طاقة سنوية متكافئة.

يتغير الناتج أيضًا مع الاستهلاك المحلي. فالمنزل الذي يعتمد بكثافة على التدفئة أو التبريد الكهربائي يستهلك أكثر من منزل مماثل في مناخ معتدل، كما تختلف أحجام المساكن وكفاءة الأجهزة وأسعار الكهرباء. ولهذا قد يقابل الإنتاج السنوي نفسه أعدادًا مختلفة من المنازل من ولاية إلى أخرى أو من بلد إلى آخر.

يوفر مشروع ساوث فورك ويند قبالة نيويورك مثالًا قائمًا. تذكر وزارة الطاقة الأميركية أن المشروع يتكون من 12 توربينًا بقدرة إجمالية تبلغ 132 ميغاواط، وأن طاقته تكفي لأكثر من 70,000 منزل في منطقة نيويورك. القسمة الحسابية تعطي نحو 5,833 منزلًا لكل توربين، مع بقاء هذا الرقم متوسطًا سنويًا على مستوى المشروع.

تتطلب قراءة أي رقم من هذا النوع أربعة مدخلات واضحة: قدرة التوربين بالميغاواط، ومعامل السعة المفترض، والإنتاج السنوي الناتج، ومتوسط استهلاك المنزل في المنطقة المقصودة. إذا حُذف أحدها، يصبح من السهل الخلط بين أقصى خرج لحظي والطاقة المسلّمة على مدار السنة.

مسار الكهرباء من الناسل إلى الشبكة

يبدأ التوليد داخل الناسل، وهو الهيكل الموجود خلف الشفرات أعلى البرج. تنتقل الكهرباء منه عبر كابلات داخل البرج إلى قاع البحر، حيث تربط كابلات التجميع التوربينات بعضها ببعض. ويعرض مكتب إدارة طاقة المحيطات الأميركي سلسلة النقل البحرية على هذا النحو: توربينات، وكابلات بينية، ومحطة فرعية بحرية، وكابل تصدير، ثم محطة فرعية على اليابسة.

تجمع المحطة البحرية إنتاج عدة توربينات وترفع الجهد لتقليل الفاقد أثناء نقل الكهرباء لمسافة طويلة. بعد ذلك تحمل كابلات التصدير الطاقة إلى نقطة إنزال ساحلية. تستقبلها محطة برية، وتضبط الجهد ومعدات الحماية، ثم تسلّمها إلى شبكة النقل أو التوزيع.

تعني هذه السلسلة أن حجم التوربين وحده لا يحدد كمية الطاقة التي تصل إلى المستهلكين. يلزم مسار كابلات عامل، ومحطات فرعية جاهزة، واتصال بالشبكة، وسعة متاحة لاستقبال الإنتاج. ويمكن لعطل في كابل أو تأخر في الربط أن يقيّد محطة بحرية حتى لو كانت توربيناتها قادرة على التوليد.

تتركز الأنظار على الشفرات لأنها الجزء المرئي، بينما تتحمل الموانئ والساحل قسمًا كبيرًا من العمل. تُجهز المكونات الثقيلة في الميناء، وتتحرك سفن التركيب ضمن جداول دقيقة، وتُسحب الكابلات إلى اليابسة عبر نقطة إنزال تحتاج إلى أعمال مدنية وتصاريح. كما يحتاج موقع الربط إلى تجهيزات تستطيع الشبكة عبرها استقبال الكهرباء.

قد تتطلب هذه المشروعات أرصفة أقوى، ومساحات تخزين وتموضع مفتوحة، ورافعات تناسب مكونات شديدة الطول والوزن. تؤثر جداول السفن والمد والجزر ونوافذ الطقس في التركيب، فيما تمر مسارات الكابلات ومواقع المحطات بعمليات تخطيط وموافقة منفصلة عن تركيب الأبراج في البحر.

دورة قصيرة فوق الماء وخطة تمتد سنوات

تستغرق الشفرة ثواني لتقطع جزءًا من دورتها، لكن البنية التي تتيح لتلك الحركة إنتاج كهرباء قابلة للاستخدام تُبنى على مدى سنوات. تحتاج خطوط النقل إلى التخطيط، وقد تتطلب الموانئ إعادة تأهيل، ولا توسع المصانع طاقتها قبل وجود طلبات مؤكدة. وتعمل سلاسل توريد الفولاذ والنحاس والعناصر الأرضية النادرة وسفن التركيب وفق جداول أطول بكثير من دورة الدوّار.

يُصمم التوربين البحري عادة لخدمة طويلة قد تبلغ نحو ربع قرن أو أكثر. وهذا يربط قرار البناء بتوقعات الطلب على الكهرباء، وقدرة النقل، وإمكانات الصيانة، وتوفر الموانئ والسفن خلال سنوات التشغيل. كما ينبغي أن تبقى معدات المحطات والكابلات قابلة للفحص والإصلاح طوال تلك المدة.

ينشأ جانب من الخلاف حول طاقة الرياح البحرية من اختلاف المقياس الزمني. فإنتاج توربين واحد خلال سنة قد يكون كبيرًا بما يكفي لمعادلة استهلاك آلاف المنازل، بينما يتطلب إنشاء المشروع وربطه سنوات من التصاريح والعقود وأعمال الموانئ والشبكة. الرقمان يتناولان مرحلتين مختلفتين من المنشأة نفسها.

التقلب والقيود لا يلغيان الحساب

يتغير إنتاج الرياح، وقد تختنق منظومة النقل، كما أن الموانئ والكابلات والمحطات مكلفة. ومع ذلك يبقى حساب المنازل قابلًا للضبط عندما يستند إلى توربين معلوم القدرة، ومعامل سعة محدد، وإنتاج سنوي، واستهلاك منزلي محلي. موضع الخطأ المعتاد هو استخدام القدرة الاسمية كأنها إنتاج متواصل.

تتعامل الشبكة مع التقلب على مستوى منظومة أوسع من التوربين الواحد. يتزامن إنتاج مزارع متعددة مع محطات ومصادر أخرى، بينما يدير مشغل الشبكة التوازن بين العرض والطلب. ومن ثم فإن عبارة تزويد آلاف المنازل تصف مساهمة في إجمالي الطاقة السنوية، ولا تصف دائرة كهربائية مستقلة تخدم تلك المنازل وحدها.

توجد كذلك مفاضلات بيئية ومحلية. تؤثر أعمال البناء في مناطق من قاع البحر، وتتقاطع مسارات الكابلات مع استخدامات بحرية وحركة السفن، وقد تواجه نقاط إنزال الكابلات وترقيات الشبكة اعتراضات من المجتمعات الساحلية. وتدخل مواقع التوربينات والكابلات والمحطات وآثار إنشائها وتشغيلها ضمن المراجعات البيئية الفدرالية للمشروعات البحرية.