يمكن العثور على سر فتح مستقبل الطاقة النظيفة في بريطانيا في مزارع الرياح العائمة العملاقة.
يمكن أن يصل ارتفاع هذه الهياكل العائمة الضخمة إلى 240 مترًا (787 قدمًا)، وهو نفس حجم ناطحة سحاب تقريبًا.
ويتوقع الخبراء أنها يمكن أن تشكل 10 في المائة من مزارع الرياح في المملكة المتحدة بحلول عام 2030.
ومع ذلك، فإن بناء برج ضخم مصمم ليتحمل الرياح العاتية يطرح بعض المشكلات الهندسية المهمة.
بدءًا من “الصاريات” التي تشبه طُعم الصيد وحتى المنصات الهجينة المتطورة، ابتكر المهندسون مئات التصميمات المختلفة لعمالقة الطاقة النظيفة.
هناك ستة أنواع مختلفة من توربينات الرياح العائمة التي تم تطويرها. وهي تتراوح من التصاميم البسيطة مثل الصاري إلى المنصات الهجينة الأكثر تعقيدًا
حاليًا، معظم توربينات الرياح التي تراها هي توربينات “ثابتة”، مما يعني أنه تم حفرها في قاع البحر.
تعتبر هذه الطريقة فعالة للغاية في ضمان قدرة التوربين على مقاومة الرياح القوية التي من المفترض أن يستغلها، ولكنها ليست الخيار الأفضل دائمًا.
وقالت الدكتورة إيما إدواردز، المهندسة في جامعة أكسفورد التي تعمل على تطوير المنصات العائمة، لـ MailOnline، إنه لا يمكن استخدام التوربينات الثابتة في المناطق الأكثر رياحًا.
وأوضحت: “الرياح أقوى بكثير وأكثر موثوقية في المياه العميقة. إن 80% من طاقة الرياح العالمية تقع في أعماق مائية بعيدة جدًا عن المنصات الثابتة.
وبما أن الحفر في قاع البحر سيكون مكلفاً للغاية، أو ببساطة مستحيلاً، فإن الحل الأفضل هو أن تطفو التوربينات فوقه.
التحدي الذي يواجه المهندسين هو تصميم منصة عائمة يمكنها أن تمنع برجًا يبلغ ارتفاعه 240 مترًا من التأرجح كثيرًا في ظل الرياح القوية للغاية.
وبينما يقول الدكتور إدواردز أن هناك المئات من التصميمات الفريدة المختلفة، فإنها تندرج بشكل عام ضمن ست فئات مختلفة.
1. سبار
الطريقة الأبسط والأرخص لبناء المزارع العائمة هي بناء توربينات “الصاري”.
تعمل هذه على مقاومة قوة الريح عن طريق مد وزن إلى القاع يمتد عميقًا تحت الماء.
تمامًا مثل طعم الصيد، تتمايل هذه الأبراج فوق السطح بينما يبقيها ثقل الموازنة في وضع مستقيم حتى في ظل الرياح القوية.
يمكن أن يكون الثقل الموازن، أو الصابورة، أكثر من 100 متر تحت السطح، مما يجعل الهياكل الإجمالية هائلة.
يبلغ ارتفاع بعض توربينات الصاري 253 مترًا، منها 78 مترًا مغمورة تحت سطح البحر ومثبتة في قاع البحر بواسطة الكابلات.
يمثل هذا مشكلة لأن معظم الأرصفة العادية ليست عميقة بما يكفي لاستيعاب شيء بهذا الحجم.
يوضح الدكتور إدواردز أن التوربينات تحتاج إلى إجراءات تركيب متخصصة لتثبيت المنصة بمجرد سحبها إلى المياه العميقة.
تحتوي التوربينات الصاري مثل هذه الموجودة قبالة سواحل اسكتلندا على ثقل موازنة واحد طويل يمتد حتى 100 متر أو أكثر تحت الماء
2. البارجة
بدلاً من التعمق مثل الصاري، تنشر أنظمة الصنادل نفسها على نطاق واسع.
تستخدم الصنادل منصات كبيرة ضحلة لتوزيع وزن التوربين على مساحة أكبر.
ونظرًا لأن المنصة تمتد لأقل من 10 أمتار تحت سطح الماء، فيمكن سحبها مباشرة إلى البحر من رصيف قياسي.
قد يؤدي ذلك إلى جعل المراكب أرخص لأنها لا تحتاج إلى أي سفن أو معدات تركيب متخصصة.
ومع ذلك، كما كتب الدكتور إدواردز في The Conversation: “قد يكون من الصعب صنعها لأن المنصة عادة ما تكون وحدة واحدة كبيرة ذات شكل معقد.”
تستخدم توربينات البارجة مثل هذه منصة كبيرة جدًا وضحلة لتوزيع وزن التوربين ومنعه من التأرجح في مهب الريح
3. منصة أرجل التوتر
تستفيد منصات أرجل الشد (TLPs)، كما يوحي اسمها، من التوتر بدلاً من الطفو للتغلب على قوة الرياح.
تستخدم التوربينات منصة أصغر يتم تثبيتها في قاع البحر باستخدام خطوط إرساء تثبت النظام في وضع مستقيم.
ونظرًا لعدم الحاجة إلى حفر عميق لتثبيت هذه الخطوط، يمكن استخدام TLPs في البحار العميقة أكثر من البدائل الثابتة.
وأيضًا، نظرًا لأنها تميل إلى أن تكون أصغر حجمًا وأخف وزنًا من المراكب أو الصاري، فمن الأسهل بناؤها في الموانئ القياسية وليس لها تأثير كبير على قاع البحر.
ومع ذلك، فإن المنصات ليست مستقرة في حد ذاتها حتى يتم تأمين الخطوط.
وهذا يعني أنهم بحاجة إلى معدات قطر متخصصة لنقلهم بأمان إلى البحر حيث يمكن تأمينهم.
بدلاً من الحفر في قاع البحر، تستخدم منصات أرجل الشد، كما هو موضح في انطباع هذا الفنان، كابلات طويلة للاتصال بالمرساة في قاع البحر
4. شبه غاطسة
تجمع هذه المنصات بين عناصر من كل من الصنادل والصاري لمحاولة حل بعض المشكلات في كليهما.
وهي تتألف من ثلاث إلى خمس أسطوانات عمودية، مع وجود التوربين في المنتصف.
يؤدي هذا إلى توزيع وزن التوربين بينما يعمل أيضًا كموازنة في الرياح العاتية.
يقول الدكتور إدواردز: “مثل الصنادل، لا تتطلب المركبات شبه الغاطسة معدات سحب متخصصة وتعمل في نطاق واسع من أعماق المياه.”
تستخدم التوربينات شبه الغاطسة، مثل هذه التي طورتها جامعة ماين، عدة أعمدة تغوص تحت السطح لتكون بمثابة ثقل موازن للمنصة
5. نوع الجمع
أنواع المجموعات هي فئة أوسع من الأنظمة الأساسية التي تجمع بين عناصر من جميع الأنماط الأخرى.
وقال الدكتور إدواردز لـ MailOnline إن هذه غالبًا ما تستلهم من منصات النفط.
وتقول: “لقد تم استخدام المنصات العائمة الكبيرة في صناعة النفط والغاز لمدة 60 عامًا”.
يمكن لهذه الحفارات الوصول إلى مواقع المياه العميقة باستخدام مجموعة من التصاميم شبه الغاطسة أو TLP.
ومع ذلك، هناك الآن توجه لتطوير منصات عائمة خاصة بطاقة الرياح تستخدم هذه المزايا نفسها.
يستخدم أحد التصميمات الواعدة صابورة منخفضة للحفاظ على استقرارها.
تبدو هذه مثل منصات الصنادل التقليدية ولكنها يمكن أن تخفض وزنًا كبيرًا من الكابلات المدروسة بمجرد إخراجها للرؤية.
يجمع هذا بين سهولة تركيب الصنادل والثبات الإضافي الناتج عن وجود ثقل موازن عميق.
6. المنصات الهجينة
الفئة الأخيرة من المنصات هي تلك التي تحاول تحقيق المزيد من النجاح مقابل أموالها من خلال الجمع بين أنظمة الطاقة المتجددة المتعددة في حزمة واحدة.
غالبًا ما تشتمل هذه التصميمات على محولات طاقة الأمواج أو الألواح الشمسية لجمع المزيد من الطاقة أثناء وجودك في البحر.
وبما أن الطاقة كلها تأتي من مصدر واحد، فإن هذا يقلل بشكل كبير من كمية الكابلات التي تحتاج إلى بنائها لتوصيل كل شيء.
كمكافأة، فإن استخدام محول الطاقة الموجية يساعد أيضًا في تخفيف حركة المنصة.
وينتج عن ذلك توربينات رياح أكثر ثباتًا مما يزيد من إنتاج الطاقة بشكل أكبر.
تجمع أنظمة الطاقة الهجينة، كما هو موضح في انطباع هذا الفنان، بين نوعين أو أكثر من أنواع مختلفة من الطاقة المتجددة، وغالبًا ما تكون محولات الموجات، لتوليد المزيد من الطاقة
أين تم بالفعل بناء مزارع الرياح العائمة؟
وبما أن مزارع الرياح العائمة يمكنها الاستفادة من احتياطيات الطاقة في المياه العميقة، فإنها تحظى باهتمام كبير من الحكومات والباحثين.
توجد حاليًا أربع مزارع رياح عائمة تعمل بكامل طاقتها في أوروبا إلى جانب عدد من مواقع الاختبار والمشاريع التجريبية حول العالم.
وأكبرها هي مزرعة الرياح Hywind Tampen التي تم افتتاحها في عام 2023 قبالة سواحل النرويج.
تتكون هذه المزرعة من 11 توربينًا عائمًا وتوفر 88 ميجاوات من الطاقة.
ومع ذلك، تُستخدم هذه الطاقة حاليًا لدعم مشاريع النفط والغاز البحرية بدلاً من إعادتها إلى النرويج للاستخدام العام.
وفي الصين، كشفت مجموعة شنغهاي إلكتريك لطاقة الرياح مؤخراً عن أول مزرعة رياح هجينة تتضمن ألواحاً شمسية ومنطقة لتربية الأسماك.
ووفقا للشركة، من المتوقع أن ينتج المشروع 96 ألف كيلووات ساعة من الكهرباء يوميا بكامل طاقته، وهو ما يكفي لتوفير الطاقة لنحو 42500 شخص.
توجد حاليًا أربع مزارع رياح عائمة عاملة في أوروبا ومحطة طاقة هجينة واحدة تبدأ عملياتها في الصين. اثنان من أوروبا يقعان في اسكتلندا
هل توجد مزارع رياح عائمة في بريطانيا؟
وتقع اثنتان من مزارع الرياح العائمة الأربع في أوروبا قبالة سواحل اسكتلندا.
تعد كل من Hywind Scotland ومزرعة الرياح Kincardine موطنًا لمشاريع تجريبية صغيرة الحجم تحتوي على عدد قليل من التوربينات لكل منهما.
تمتلك شركة Hywind Scotland خمسة توربينات سارية تنتج مجتمعة ما يكفي من الطاقة لـ 35000 منزل في المملكة المتحدة.
وفي الوقت نفسه، تضم مزرعة الرياح كينكاردين خمسة توربينات عائمة أخرى تستخدم الصنادل.
تعد توربينات الرياح العائمة جزءًا من مزرعة الرياح كينكاردين في اسكتلندا. تحتوي مزرعة الرياح في كينكاردين على خمسة توربينات يمكنها مجتمعة توفير الطاقة لـ 35000 منزل
في حين أن هذه قد تبدو بداية صغيرة، إلا أن ما لا يقل عن 10 في المائة من توربينات الرياح في المملكة المتحدة يجب أن تكون عائمة بحلول عام 2030، وفقا للدكتور إدواردز.
وفي العام الماضي، وضعت الحكومة اللمسات الأخيرة على خطط لإنشاء ثلاث مناطق من مزارع الرياح العائمة في بحر سلتيك، على مسافة ليست بعيدة عن قناة بريستول.
سينتج كل موقع من هذه المواقع الثلاثة ما يصل إلى 100 ميجاوات، على الرغم من أن الحكومة تدعي أن مشروع بحر سلتيك بأكمله يمكن أن يوفر في النهاية 4 جيجاوات من الطاقة.
وقال الدكتور إدواردز لـ MailOnline: “في المملكة المتحدة، يعد عمق المياه “متوسطًا”، وبالتالي فإن الصنادل أو TLPs أو شبه الغواصات تبدو في أفضل مكان للنشر”.