تسجيل الدخول

الطاقـــة

نظرة عامة

تقوم المدينة بدور ريادي في قطاع الطاقة يتمثل في البحث والتطوير في مجالات توليد الطاقة الكهربائية وأنظمتها. وتشمل مصادر التوليد البديلة وتحويل وتخزين الطاقة وأنظمة الاتصالات والإلكترونيات والتحكم.

مقدمة

تمر المملكة العربية السعودية بنمو وتطور في شتى المجالات الصناعية والسكانية وقطاع الخدمات أدى إلى تنامي الطلب على الطاقة ومصادرها. لذا حرصت المدينة على أن تشارك بشكل فعال في البحث والتطوير في مجال منظومة توليد الطاقة وتخزينها والاستفادة المثلى منها، وذلك من خلال معهد بحوث المياه والطاقة. يضم المعهد كوكبة من المتخصصين السعوديين ويزخر بالعديد من معامل البحث والتجهيزات المتطورة التي كان لها دور كبير في توفير منتجات ذات تقنية عالية تسهم في تلبية الحاجة الوطنية المتزايدة للطاقة.

تعد الطاقة الشمسية من أهم مصادر الطاقة البديلة، لذا يقوم المعهد بإجراء العديد من البحوث للتوصل إلى حلول تقنية مبتكرة لإنتاج الطاقة الشمسية بكفاءة اقتصادية عالية. كما يسهم المعهد في السعي للاستغلال الأمثل لمصادر الطاقة ولحماية البيئة من نتائج استخدام الطاقة، وإيجاد مصادر بديلة للطاقة، وذلك عن طريق تطوير تقنيات تخزين الطاقة المتجددة، وإيجاد حلول لتوفير الطاقة للمناطق النائية، وتحسين تقنيات الطاقة لتلائم الظروف البيئية القاسية في المملكة. كما يجري المعهد العديد من البحوث في مجالات الاحتراق والمحركات، وتطبيقات البلازما، وخلايا الوقود والبطاريات، وتقنية السيارات.

ويتبنى المعهد كذلك مجالات البحث في أنظمة الطاقة الكهربائية التي تتمثل في مصادر توليد بديلة وتحويل الطاقة وأنظمة التحكم. كذلك يتم العمل على إلكترونيات القوى الكهربائية التي تمثل التقنيات الأساسية في أنظمة تحسين الجهد الكهربائي ورفع معامل القدرة، وعلى التقنيات المتقدمة في القياسات الكهربائية، والتحكم عن بعد مما يعزز دور الشبكات الكهربائية التقليدية والذكية. من جهة أخرى، فإن البحث والتطوير في تقنيات التبريد والتكييف من خلال تحسين المكونات الأساسية لأجهزة التكييف بهدف رفع كفاءة استهلاك الطاقة الكهربائية لتلك الأجهزة يعد من الركائز الأساسية في عمل المعهد.

المشاريع

مختبر موثوقية الألواح الشمسيّة الكهروضوئيّة هو مختبر تابع لمدينة الملك عبد العزيز للعلوم والتقنية ومعتمد لمتطلبات الأيزو ISO/IEC 17025.

هذا المختبر هو الأول من نوعه في منطقة الشرق الأوسط وشمال إفريقيا القادر على اختبار منتجات الطاقة الشمسيّة الكهروضوئيّة تحت مواصفات الاختبارات العالميّة IEC Standards وتم الحصول في بداية 2017 على الاعتماد العالمي من مركز الاعتماد الخليجي كي يصبح مختبرًا معتمدًا من الجهات ذات العلاقة في دول الخليج العربي.

يعمل المختبر حاليًّا للحصول على الاعتراف من الهيئة السعوديّة للمواصفات والمقاييس كمعمل وطني يشترك في اختبارات الكفاءة والسلامة المطلوبة من قِبل الهيئة لمنتجات الألواح الشمسيّة التي تدخل السوق السعودي.

يعمل المختبر أيضًا بالتعاون مع جهة المطابقة وإصدار الشهادات بالمدينة على إصدار لائحة وطنية تُعنى بتأهيل الألواح الشمسيّة الكهروضوئيّة التي ستكون ضمن المشروعات الوطنية للطاقة الشمسيّة.

يقدّم المختبر خدمات الاختبار لأنظمة الطاقة الشمسيّة للمشروعات الحكوميّة أو مشروعات القطاع الخاص، ليتم التأكّد من سلامة الأنظمة وكفاءتها وعدم تأثرها بالعوامل الخارجيّة حتى لا يؤدي إلى إنخفاض إنتاج الكهرباء فيها.

الخلايا الشمسيّة ثلاثيّة الوصلة تستخدم في الأنظمة الشمسيّة المركّزة. يمكن الحصول على كفاءة عالية عن طريق تغيير طاقة الفجوة لكلّ وصلة من الوصلات الثلاث، ولكن اختيار المواد محدود للغاية، وللتغلّب على هذه المشكلة استُخدمت مواد النيتريد المخفف، وذلك للحصول على فجوات الطاقة المطلوبة، ومن ثمّ اختراق حاجز 40٪ من الكفاءة. الميزة الفريدة في النتريدات المخفّفة هي أنّ طاقة الفجوة يمكن ضبطها بشكل مستقل من دون التأثير في ثابت المسافة من الذرّات، هذا يعطي مجالًا واسعًا من المواد بطاقات فجوة مختلفة.

وبذلك تم تحقيق زيادة في كفاءة الخلايا الشمسيّة ذات الوصلات الثلاث باستخدام مجموعة أنسب من مواد ذات طاقات فجوة مختلفة.

بلغت كفاءة الخلايا الشمسيّة التجارية حوالي 43.5٪. زيادة الكفاءة بشكل عام نتيجة لزيادة فرق الجهد وليس لارتفاع إنتاج التيار الكهربائي، وهذا يحافظ على الأسلاك الكهربائيّة.

نهدف إلى تطوير هذا النوع من الخلايا الشمسيّة، بحيث يكون التحكّم بفجوات الطاقة لكل وصلة طبقًا للمنطقة الجغرافيّة التي ستُركّب فيها الخلايا الشمسيّة، وهذا بسبب تغير النطاق الشمسي حسب المكان الجغرافي والمناخ.

دأبت مدينة الملك عبد العزيز للعلوم والتقنية منذ ما يقارب 40 سنة على تطوير تقنية مجمّعات الخلايا الشمسيّة الكهروضوئيّة عالية التركيز إلى أن تم الوصول إلى تصنيع أوّل مجمّع في العالم يركّز الشمس فوق الـ 1600 مرة على الخلايا الكهروضوئيّة عالية الكفاءة ويستخدم التبريد السلبي، حيث تم الحصول على أكثر من 18 براءة اختراع عالمية في المشروع.

يركّز هذا المجمع الأشعة 1600 مرّة، حيث يستعمل عدسات مكبّرة مصنوعة من البلاستك تصل كفاءتها إلى فوق الـ 97%، بالإضافة إلى استعمال خلايا كهروضوئيّة متعدّدة الوصلات لها كفاءة تفوق الـ 44.2% ما يجعل كفاءة النموذج تتعدّى 33%. وتحتوي كلّ منظومة على محوّل للتيار الكهربائي من تيّار مستمر إلى تيّار متردّد، ولا تتأثر كفاءة هذا المجمع كثيرًا إذا ما تغيرت حدّة أشعة الشمس الساقطة عليه. تمّ تركيب عيّنات من تلك المجمّعات في كلّ من: ولاية نيويورك والرياض والخفجي و دنفر، وهي تعمل منذ أكثر من 6 سنوات دون أي تغير ملحوظ في الأداء.

في عام 2010 أنشأت المدينة أول خط إنتاج للألواح الشمسيّة بطاقة إنتاجية قدرها 14 ميجاواط لكل سنة، وتم الحصول على شهادة الأيزو 9001 تطبيق معايير إدارة الجودة في المصنع، كما تم تأهيل المنتج والحصول على الاعتماد الدولي لأداء وسلامة المنتج IEC 61215 و IEC 61730. وفي عام 2016 بنت المدينة خط إنتاج بسعة إنتاجيّة قدرها 100 ميجاواط في السنة بأحدث الوسائل الأتوماتيكيّة التي تستخدم في العالم لإنتاج الألواح الشمسيّة العالية الجودة. يتم تشغيل المصنع و صيانته بأيدٍ سعودية عالية الكفاءة اكتسبت الخبرة من التعامل مع هذه الصناعة الجديدة في المملكة منذ عام 2010 إذ جرى تدريبهم على عمليات الإنتاج ومراقبة الجودة وصيانة المعدات والمهام الإشرافية واللوجستية. يجري حاليًّا إنتاج الألواح الشمسيّة بأنواعها المختلفة وبكفاءة عالية مثل الألواح الشمسية ذات خلايا السليكون أحادي البلورة ومتعدّد البلورة، كما تُنتج الألواح الشمسيّة خلفية التوصيل، وهي تقنية جديدة وواعدة تتميز بمناسبتها للظروف البيئية العالية الحرارة.

يهدف هذا المشروع إلى تجميع الماكروسايكلز الاصطناعيّة بالكامل كونها قويّة وصلبة ومستقرة حراريًّا، والأكسدة والاختزال نشطان، ولإظهارها لخصائص شبه موصلة.

بناءً على ذلك، يمكن افتراض أنّ تنوّعًا واسعًا من العوامل المتغيّرة يؤثر في أداء وحدات ماكروسايكلز العضوية في أجهزة حصاد الطاقة التي تشمل (1)، (2) صلابة / مرونة وحدات الأكسدة والاختزال النشطة، (3) المسافة بين وحدات الأكسدة والاختزال (4) الشكل الهندسي، (5) تشيراليتي لمراكز ذات أكسدة واختزال نشطة و / أو (7) تكافؤ الطاقة بين مختلف وحدات الأكسدة والاختزال متطابق أو غير متطابق الموجودة في الماكروسايكلز، وعلى الرغم من الجهود المتواصلة، فلا تزال العلاقة الدقيقة بين الهيكل والأداء فيما يتعلّق بالتحرّكات الفعالة للشحنة أمرًا صعبًا.

تحقيقًا لهذه الغاية، ونحن نهدف إلى تكوين الأكسدة مثلثات إيزوسيليس نشطة الأكسدة والاختزال مختلفة التي تحتوي على فئتين من وحدات الأكسدة والاختزال النشطة داخل ماكروسايكلزاتها المثلثية، وفي السعي إلى تعزيز فهمنا للكيفيّة التي يؤثر فيها التركيب الجزيئي لمختلف فئات وحدات الأكسدة والاختزال النشطة لوحدات بي إم دي آي، إن دي أى، و بي دي آي في داخل مثلثات آيزو سيليس تؤثر في الخصائص المرتبطة بما يلي: (١) تقاسم الإلكترون عبر الفراغ (٢) تعبئة الحالة الصلبة (٣) خصائص حصاد الطاقة، وقد صمّمنا وولّفنا اثنين من المثلثات كايرال إيزوسيليس هما: (−)-2PMDI-1PDI-Δ و (−)-2NDI-1PDI-Δ

تستند التقنية الجديدة إلى الوحدات الفرعيّة باي-مترافق للغاية بيريليندييميد التي لديها امتصاص قوي في المنطقة المرئيّة، وهذا الاستيعاب يمكن تعديله بسهولة عن طريق استبدال وحدات بي دي آي ذات المكوّنات المختلفة الغنيّة أو الفقيرة بالإلكترونات، ومن المعروف أنّ الوحدات الفرعيّة المندمجة بي دي آي معروف عنها إظهار وميض فلوريسينس قوي في المحلول، ولكن ليس في الحالة الصلبة بسبب تحفيز- التجميع الناجم عن تأثير الكوينشينق، ومع ذلك- من خلال الدمج في هندسة ماكروسايكليك المثلثي- نعرضها هنا لتحقيق ومضات فلوريسينس في الحالة الصلبة بشكل ملحوظ، حيث حصيلة الكوانتم قريبة من التوحد، وأخيرًا، سيتم التحقق من علاقات الهيكل والأداء في الأجهزة التي تم تصنيعها باستخدام هذه السلسلة من المثلثات الجزيئيّة القائمة على دييميد. استندت التكنولوجيات السابقة المتقدّمة إلى الوحدات الفرعيّة البيرومليتيك أو النفثالين دييميد التي ليست سهلة اختزال ولا امتصاص الضوء المرئي اللّازم لأجهزة الألواح الضوئيّة العضويّة العالية الكفاءة.

تتعاون المدينة والشركة السعودية للكهرباء في هذا المشروع الذي يهدف إلى تركيب وتصميم نظام (Static Var Compensator, SVC) ويقوم بتحسين الجهد الكهربائي ورفع كفاءة الشبكة ويعد هذا النظام أحد التقنيات المستهدفة في عملية توطين التقنية ومثيلاتها في المملكة، لمساعدة مزودي خدمة الكهرباء، وكذلك المصنعين على تفادي مشكلة عدم استقرار الجهد الكهربائي. يسهم المشروع في حل مشكلة الانقطاع الكهربائي لكثير من المناطق المعزولة أو البعيدة عن مصادر التوليد الكهربائي وخطوط الضغط العالي.

بدأ العمل في المشروع عام 1432هـ، وقد تم الانتهاء من إنجاز متطلبات المشروع، حيث تم في عام التقرير تركيب النظام بسعة 16 ميقا فار في الموقع الأول في بلدة حصاة قحطان والموقع الثاني في بلدة ضرما بسعة 3 ميقا فار وتشغيلهما مما أظهر تحسناً ملحوظاً في الجهد الكهربائي في الموقعين بالإضافة إلى رفع كفاءة عمل الأحمال المتصلة بالشبكة. وفي عام التقرير بدأ العمل على تصميم منظومة متكاملة من هذه التقنية بحيث يتم تطبيقها في مواقع متعددة في الشبكة. يستفيد من مخرجات المشروع: مزودو خدمة الكهرباء وكذلك المصنعون، بالإضافة إلى مراكز الأحمال المتوسطة والكبيرة.

هذا المشروع هو أحد مشروعات المركز المشترك مع الشركة السعودية للكهرباء، حيث يهدف إلى الاستفادة من البيانات التي تقوم الشركة بجمعها من خلال العدادات الذكية والتي تقوم الشركة حاليا بتركيبها ضمن خططها الرامية لتحديث وتطوير قطاع التوزيع. ولكن بسبب الاستثمار الرأسمالي والتشغيلي المرتفع لتركيب العدادات الذكية، فإن الشركة تهدف إلى الاستفادة من هذه العدادات لتحسين موثوقية وكفاءة الشبكة الكهربائية وتعزيز عمليات التشغيل الاقتصادي واستغلال جميع الفرص التجارية التي قد تجلبها هذه العدادات الذكية. هذا المشروع البحثي يقترح وضع وتنفيذ إطار لجمع البيانات و سيحتوي على أدوات وتقنيات لتحليل بيانات العدادات الذكية. يُستخدم هذا الإطار الخاص بتحليل البيانات وبالتطبيقات المنبثقة منه في تعزيز العملية الاقتصادية لشبكة التوزيع، وتحسين تصميم النظام، وخلق فرص تجارية لشركات الكهرباء. بدأ العمل في هذا المشروع في عام 1438هـ حيث تم عمل زيارات ميدانية لبعض مواقع تركيب العدادات الذكية وجمع بيانات العدادات في معامل المدينة يتم فيه تركيب التطبيقات المطورة لتحليل بيانات العدادات الذكية.

يهدف المشروع إلى توطين تقنية قياس جودة الطاقة الكهربائية وصنع منتج وطني لهذا الغرض، حيث إن قياس المتغيرات الكهربائية في شبكات النقل والتوزيع الكهربائية ومراكز الأحمال يعد من المسائل التقنية المهمة لتقييم جودة الخدمة. تقوم الأجهزة بقياس الجهود والتيارات والتردد الكهربائي، ومن ثم القيام بعملية حسابية معقدة لاستنباط مؤشرات جودة الخدمة الكهربائية بالإضافة لرصد الانقطاعات الكهربائية. وركز هذا المشروع على تصميم وتركيب هذه الأجهزة في بعض المواقع المهمة القريبة والنائية كذلك في شبكة التوزيع التابعة للشركة السعودية للكهرباء وغيرها من المستفيدين ومواقع الأحمال الكهربائية على الجهد المتوسط.

بدأ العمل في المشروع عام 1433هـ، وقد تم في عام التقرير إنجاز ما نسبته 100%، حيث تم في عام التقرير تصميم الدوائر الإلكترونية المطلوبة وكذلك كتابة المعادلات الرياضية بالصيغة الرقمية وإنتاج جهاز متكامل وتركيبه في بعض محطات الشبكة، مما سيكون لمخرجاته أثر على المستخدم النهائي من حيث الإلمام بجودة الخدمة المقدمة له، بالإضافة لاكتشاف الأضرار الكهربائية التي قد تسببها الأحمال الكهربائية على مزود الخدمة.

يستفيد من مخرجات المشروع: مزودو خدمة الكهرباء، وكذلك المصنّعون بالإضافة إلى مراكز الأحمال المتوسطة والكبيرة.

أُنشئ هذا المشروع بالتعاون بين مدينة الملك عبدالعزيز للعلوم والتقنية والشركة السعودية للكهرباء، وذلك استنادًا إلى مذكّرة التفاهم التي وقِّعت بين الطرفين حول إنشاء المركز المشترك للأبحاث والتطوير في قطاع التوزيع وهو من القطاعات الكبيرة والمنتشرة على رقعة جغرافية واسعة. يُجهّز في هذا المشروع معمل متقدّم لأبحاث الشبكة الذكيّة يكون مقره مدينة الملك عبدالعزيز للعلوم والتقنية، تُختبر فيه التقنيات المتقدّمة التي ستُركَّب حقليًّا، بالإضافة إلى حلول المشكلات التقنية التي تواجه مشغّلي شبكة التوزيع في الشركة. يعمل في هذا المشروع باحثون متخصّصون من الطرفين، وهو ما يشكّل نموذجًا إيجابيًّا في التعاون بين الجهات البحثيّة والجهات التشغيليّة والصناعيّة في المملكة العربية السعودية.

تعد تقنيات الشبكات الذكية وخاصة ما يتعلق بالتحكم والاتصالات والقياسات من التقنيات المتقدمة والمهمة لتطوير الشبكات الكهربائية الحالية, كما أنها تتطلب وجود كفاءات ومعامل متقدمة لأنها تتفاعل مع معظم مكونات الشبكات الكهربائية التقليدية. كما تجدر الإشارة إلى أن من التحديات التي تواجه الشبكات الكهربائية التقليدية هو دمج مصادر الطاقات المتجددة وما يتطلبه ذلك من معايير تصميمية وتشغيلية

يعد هذا المشروع من مشروعات المركز المشترك للأبحاث والتطوير في قطاع التوزيع بين المدينة والشركة السعودية للكهرباء. ويهدف المشروع إلى تركيب نظام مراقبة ذكي ذي إمكانيات متعددة في محطات النقل لمراقبة مغذيات التوزيع للجهد المتوسط بما فيها المغذيات القادمة من المحولات مما يسهل تخطيط الشبكة ويزيد موثوقيتها. كما يتم جمع مجموعة من بيانات الطقس لتكون جزءاً من دراسات مستقبلية متعلقة بتخطيط الشبكة. وستكون الدراسة مدعومة بوسيلة الاتصالات المناسبة حسب الموقع سواء عبر لاقط فضائي أو باستخدام شبكات الـ GSM. وقد بدأ المشروع بتركيب نموذج أولي في معمل الشبكة الذكية لغرض الدراسة والتحديث المستمر والذي يسهل لاحقاً تركيب وربط النظام. ويأتي اهتمام الشركة السعودية للكهرباء بجمع بيانات دقيقة عن شبكات التوزيع من أجل تطوير أدائها وتسهيل توسعاتها المستقبلية, وكذلك الوقوف على مؤشرات جودة الطاقة (PQ) في المنطقة كأحد المتطلبات الضرورية لتطوير الشبكة.

في المرحلة الأولى من هذا المشروع سيتم تركيب النظام في إحدى محطات مدينة القويعية كمرحلة أولى وفي المرحلة الثانية سيتم تعميم النظام ليشمل جميع محطات إدارة منطقة الرياض. ومن المتوقع أن ينتهي العمل بالمشروع بنهاية العام الجاري 1438هـ.

يهدف هذا المشروع إلى تصميم وتطبيق نظام متعدد المستويات للقدرة الكهربائيّة، وأنظمة التحكّم في الجهد الكهربائي عن طريــــق التحكــــّم في الطاقــــة غير الفاعلة
(Reactive Power). سيكون التركيز على تصميم شامل لنظام القوى والشبكات الكهربائيّة الذي سيجري التوصيل معه ويشمل النمذجة الرياضيّة، وتحليل المتغيرات الكهربائيّة.

هذا التصميم يستخدم في تطبيقات متعدّدة ومنها المناطق النائية(وكذلك داخل المدن) التي يوجد فيها توليد كهربائي بالطاقة الشمسيّة أو بطاقة الرياح أو أيّ تطبيق يتأثر بالعوامل الطبيعية كالإشعاع الشمسي والرياح، وذلك لأنّ هذه العوامل تؤدّي إلى تذبذب في الجهد الكهربائي من شأنه أن يؤثر في الشبكة الكهربائيّة المتصل بها، بالإضافة إلى أجهزة المستهلكين ومنشآتهم. سيصمَّم في هذا المشروع نموذج معملي يكوم اختباره بشكل شامل في المعمل، ومن ثمّ ينقل إلى موقع حقيقي يختبر فيه التشغيل الفعلي، وذلك بتوصيله في نقطة اتصال محطة شمسيّة بشبكة التوزيع الكهربائيّة.

إن تصميم مثل هذه الأنظمة يتطلب مهارات وتقنيات متقدمة مما ينعكس أثره مستقبلاً على تعظيم المحتوى المحلي من الكفاءات والمعامل، بالإضافة إلى خلق فرص اقتصادية واعدة.

يهدف هذا المشروع إلى بناء نظام شبكة كهربائيّة ذكيّة وتطويره، حيث يتم استخدام مولدات الطاقة الكهروضوئية كمصدر للطاقة المتجددة، ويقوم نظام التحكم الذكي بالمراقبة والتحكم لرفع كفاءة شبكة التوزيع الكهربائية وجدواها الاقتصادية. تم في المرحلة الأولى تركيب النظام في مدرستين في مدينة الرياض، وقد تم إلى عام التقرير إنجاز ما نسبته 100% من هذه المرحلة، حيث تم في عام التقرير الانتهاء من تركيب المعدات والأجهزة التي تم تصنيعها وتطوير البرمجيات المناسبة لتلك الأجهزة، واختبار عمل منظومة الأجهزة والبرمجيات في المختبر، ودراسة ومحاكاة لتشغيل أجهزة المشروع في البيئة المناخية للمملكة، ودراسة المواصفات الفنية بالتعاون مع الشركة السعودية للكهرباء ووزارة التعليم. وفي فترة التقرير تم البدء في المرحلة الثانية من المشروع الذي سيتم فيه تركيب النظام في أحد المساجد الكبيرة في مدينة الرياض، حيث تم تصميم وتصنيع والبدء في تركيب الأجهزة الأساسية، وإجراء التعديلات على منظومة الأجهزة الفرعية لشبكة التوزيع، ومن المتوقع أن ينتهي العمل بالمشروع عام 1438هـ، تستفيد من مخرجات المشروع: الشركة السعودية للكهرباء، ووزارة الطاقة، وهيئة تنظيم الكهرباء والإنتاج المزدوج، وشركة أرامكو السعودية، وقطاع الصناعات الكهربائية، وشركات الاتصالات.

أنشئ خط إنتاج العواكس الكهربائية وتجميعها في القرية الشمسيّة في عام 2016 بالتعاون مع شركة شنت بور الصيينيّة. هذه العواكس الكهربائيّة المجمّعة في مدينة الملك عبدالعزيز للعلوم والتقنية بقدرة 30 كيلو واط يمكن استخدامها في المجالات التجاريّة والحقول الشمسيّة، ويمكن ربطها مباشرة في الشبكة الكهربائيّة بالفولت والتردّد نفسهما. الجهاز معدّ للاستخدام الأمثل على أسطح المدارس والمساجد والحقول الشمسيّة المتوسّطة من 1 ميجا إلى 3 ميجا. كفاءة الجهاز عالية تصل إلى 98%. يعدّ الجهاز منافسًا لأمثاله في العالم من حيث الدقّة والكفاءة والعمر الافتراضي وجودة القطع المستخدمة. تم تجميع الجهاز واختباره في مدينة الملك عبد العزيز للعلوم والتقنية، وتمّ تركيبه في مشروع الشبكات الذكيّة بالتعاون مع الشركة السعودية للكهرباء، كما سيُركّب الجهاز في مشروع سوق عكاظ بالطائف بقدرة 1 ميجاوات من الطاقة الشمسيّة، وسوف يُربط بالشبكة الكهربائيّة. هذا الجهاز يعمل بقدرة كهربائيّة مقدارها 30 كيلوات، ويتم تغذيته من مجموعة من الألواح الكهروضوئيّة بجهد مستمرّ مقداره 635 فولت ليعطي جهدًا متردّدًا متوافقًا مع جهد وتردّد الشبكة الكهربائيّة (400 فولت، 60 ذبذبة).

يهدف مشروع تخزين الطاقة إلى تحقيق تقدّم كبير في تطوير البطاريات القابلة لإعادة الشحن، ويركّز البحث على تطوير المواد القائمة على العضويّة الفعّالة القطب(الجزيئات الصغيرة وبوليمرات التنسيق) لإنتاج طاقة عالية وصديقة للبيئة.

من بين تكنولوجيات البطاريات الحالية، تعدّ بطّاريّات ليثيوم أيون أفضل البطاريّات أداءً لأنّها تخزّن كميّة كبيرة من الطاقة بالرغم من صغر حجمها، وفي الوقت الحاضر، توسّع بطاريات ليثيوم أيون أراضيها من الإلكترونيّات الصغيرة إلى التطبيقات الكبيرة، بما في ذلك السيارات الكهربائيّة الهجينة وشبكات المرافق. غير أنّه من المحتمل أن تكون احتياطيّات اللّيثيوم غير كافية لدعم قابليّة بطاريّات ليثيوم أيون للتطبيقات الشبكيّة، وعلاوة على ذلك، فإنّها- أي بطاريات ليثيوم أيون- مكلفة نسبيًّا في حالة التطبيقات الواسعة النطاق، وذلك بسبب المعادن الانتقاليّة (على سبيل المثال: الكوبالت، والنيكل) المستخدمة في القطب الكهربائي، وعلى غرار ذلك، فإنّ البطاريّات العضويّة القابلة لإعادة الشحن (أو أر بي) تعدّ بديلًا جذّابًا لبطاريّات ليثيوم أيون، وذلك بسبب المصادر الوفيرة لبصمة الكربون وتكلفتها المنخفضة، وعملياتها غير الخطرة بيئيًّا.

استخدام المواد العضويّة النشطة الأقطاب يوفّر عددًا من المزايا تجعلها تتفوّق على نظرائها غير العضويّة وهي: (1) سهولة ضبط خصائصها الماديّة (2) قدرة عالية الطاقة (3) إمدادات متجدّدة من المواد الأخف وزنًا(4) الاتجاه المتنامي للتحرّك نحو بدائل أكثر صداقة للبيئة لتخزين الطّاقة.

في تعاوننا الناجح عن طريق مركز تميّز أنظمة النانو المركّبة بين مدينة الملك عبد العزيز للعلوم والتقنية وجامعة نورث ويسترن، أظهر الباحثون أنّ إضافة وحدات ماكروبوراس النشطة الأكسدة والاختزال ماكروسايكلس العضويّة تظهر أداء الكهروكيميائية المتميز في الخلايا، وقد كشفت دراساتنا أنّ مثلث النفثالين داي أمايد يمكن شحنه وتفريغه بمعدّلات أعلى بكثير مما لوحظ في المواد الأخرى القائمة على العضويّة النشطة القطب الكهربائي. هذه الملاحظة مهمّة لأنّ تحسين معدّل الأداء كان هدفًا دائمًا في تكنولوجيا البطاريّات، حيث كثافة الطاقة العالية أمر بالغ الأهمية.

مع ثقافة التعاون الجديد والحديث، بالإضافة إلى التطوّرات المستمرّة في البنى الجزيئيّة، يصبح الهدف النهائي لهذا المشروع هو إيجاد المواد الناشئة الجديدة التي تقدّم الوعد بالملكيّة الفكريّة مع التطبيق التجاري المستدام.

يهدف هذا المشروع إلى تطوير نظام لتخزين الطاقة يتميز بالكفاءة العالية وانخفاض التكاليف، بالإضافة إلى التكيّف مع الظروف المناخيّة للمملكة بشكل آمن ليكون أحد أكثر التقنيات جاذبيّة في عمليّة تخزين الطاقة المتجدّدة. يساهم إنتاج هذه التقنية محليًّا في تحقيق الأهداف الاستراتيجية للطاقة في المملكة، وذلك عن طريق توطين تقنية تخزين الطاقة، وخلق فرص استثمار وعمل تعزّز الاقتصاد المحلي.

يركّز هذا المشروع أوّلًا على إنتاج بطاريات كلوريد نيكل الصوديوم (NaNiCl2) بسعة 3 كيلو وات ساعة، واكتساب المهارات اللازمة لذلك. يهدف المشروع لاحقًا إلى تطوير تصميم محسّن بسعة 15 كيلو وات ساعة، مع تخفيض تكاليف الإنتاج وزيادة المتانة عن طريق استخدام عمليّة متقدّمة في لحام المعدن مع السراميك، بالإضافة إلى تصميم نظام متقدم لإدارة البطاريّة وتطويره، كما يهدف المشروع أيضًا إلى تصميم أقطاب مسطحة بسماكة أقل وتصنيعها مما يتيح زيادة المساحة النشطة، وتحسين كفاءة البطارية وزيادة كثافة تخزين الطاقة بها.

تم في فترة التقرير توريد معظم أجهزة ومواد تصنيع البطاريات، كما دُرِّب بعض أفراد فريق العمل على تشغيل بعض الأجهزة وصيانتها كجهاز التلحيم باللّيزر.

تعدّ بطاريّات أيون الليثيوم من أكثر البطاريّات المرشحة لتخزين الطاقة نظرًا لكثافه الطاقة العالية واستقرار دورتها، وبعدّها تقنية بديلة، فهي توفر نظام بطارية أقل تكلفة وأكثر أمنًا وصداقة مع البيئة، يعدّ جزء الأنود هو العيب الرئيس لتسويق بطاريات أيون الصوديوم، وذلك لأنّ الجرافيت المستخدم في بطاريات أيون الليثيوم لا يقحم أيونات الصوديوم التي ترتبط بحجم كبير من أيون لأيون، ومن ثمّ يستحيل اعتماد المعرفة والاستراتيجيّات الحديثة المتقدمة لبطاريات أيون الليثيوم عالية الأداء مباشرة على بطاريّات أيون الصوديوم.

تتمثل أهداف المرحلة الحالية في هذا المشروع في تطوير مواد الأنود والكاثود القادرة على عمل بطاريّات أيون الصوديوم المستخدمة في المجال العضوي والمائي، وسيجري تمييز الأقطاب الكهربائيّة باستخدام الأشعّة السينيّة والمجهر الإلكتروني وغيرها من التقنيات المتقدمة، ومن ثمّ اختبارها كخلايا في المجال العضوي لاختبار الأداء الكهروكيميائى، وبعد ذلك اختبارها في المجال المائي في المرحلة التالية من المشروع.

تستهلك المباني ثلثي الطاقة الكهربائيّة المنتجة من محطات توليد الطاقة في المملكة، وثلثا هذه الطاقة تستهلكها أجهزة التكييف نتيجة للظروف المناخية، بالإضافة إلى زيادة عدد السكان والتمدد العمراني والنمو الاقتصادي، وكذلك زيادة تكلفة تعرفة الطاقة والأضرار البيئية المترتبة من إنتاجها.

يهدف هذا المشروع إلى استخدام تقنية التوليد المتعدّد لتبريد المناطق لخفض أحمال التكييف في أوقات الذروة مما يقلل التكاليف الإنشائيّة لمحطات التوليد وكذلك توطين هذه التقنية في المملكة.

إنّ تقنية التوليد المتعدد لتبريد المناطق تستند إلى تبني تقنيات التبريد بالامتصاص لتحسين كفاءة الطاقة الكلية للتوليد المزدوج، بالإضافة إلى التبريد باستخدام الطاقة الشمسيّة بالكامل عن طريق شبكة التبريد. هذه التقنية تستخدم أحدث الأنظمة في مجال المبردات باستخدام الضاغط الكهربائي، وتقنية الامتصاص بنوعيها السائل والصلب (AB-sorption and AD-sorption) والمبادلات الحرارية، ووحدة توليد الكهرباء لتحقيق أقصى كفاءة لإنتاج الطاقة الكهربائية، والتبريد، والتدفئة، وتحلية المياه بشكل مستقل تبعًا لأحجام الطلب المختلفة من القطاع السكني والقطاع التجاري (مباني المكاتب ومراكز التسوق التجارية والفنادق والمستشفيات النائية) والقطاع الصناعي.

هناك كميّة هائلة من الطاقة المستخدمة لتشغيل مختلف وحدات تكييف الهواء في المملكة في موسم الصيف، فوحدات تكييف الهواء تستهلك أكثر من 70٪ من القدرة المنتجة من وحدات توليد الكهرباء للمباني، والنظام الأكثر انتشارًا لتكييف الهواء هو نظام ضغط البخار الميكانيكي، الذي يعتمد على مكوّنات أساسية تتطلب استهلاك نسبة عالية من الطاقة، وفي المقابل، فإنّ أنظمة التبريد التبخيري لا تستخدم إلّا نسبة قليلة من الطاقة، وهذا من شأنه تقليل النفقات المرتبطة برأس المال وتكاليف التشغيل لمحطات توليد الكهرباء المركّبة حديثًا، وكذلك تقلل من الانبعاثات المرتبطة بها لملوّثات الهواء، ومن الضروري تأكيد أنّ صافي استهلاك المياه العذبة من قبل أنظمة التبريد التبخيري أقل من كميّة المياه الضروريّة لتشغيل محطة توليد الكهرباء المستخدمة لتوليد الطاقة الإضافيّة المطلوبة لتشغيل وحدات ضغط البخار الميكانيكيّة. الهدف الرئيس من هذا المشروع هو تصميم، نظام وبناؤه واختباره يتكوّن من وحدتين: وحدة تبريد تبخيري ثنائي المرحلة، ووحدة التجفيف لرطوبة الهواء، وذلك من أجل تطبيق التبريد التبخيري في المناطق الساحلية (عالية الرطوبة) في المملكة.

يتم حرق كميات ضخمة وهائلة من النفط يومياً من أجل الحفاظ على تكييف وبرودة المباني بالمملكة، حيث إن وحدات تكييف الهواء تستهلك أكثر من 70٪ من القدرة المنتجة من وحدات توليد الكهرباء للمباني. مما يشكل تحديًا كبيرًا للمملكة باستنزاف الطاقة في المستقبل القريب. و للحد من استهلاك النفط و الوقود المحلي في مجال التبريد، فإن الطاقة الشمسية المتجددة يمكن أن يكون لها الدور الأكبر في ترشيد استهلاك الطاقة. يتعلق هذا المشروع بتطوير لواقط شمسية حرارية عالية الكفاءة، وهذه اللواقط الشمسية الحرارية تتميز بامتصاص أعلى للأشعة الشمسية باستخدام أنواع جديدة من الطلاء التي تتكون من أنابيب النانو الكربونية، حيث تتناسب هذه التقنية مع ظروف المملكة المناخية. ونتيجة لهذا المشروع، فسوف يكون من الممكن إنتاج لواقط شمسية حرارية ذات كفاءة طاقة أعلى مما يكون له الأثر الكبير على خفض التكلفة الاقتصادية في السوق المحلي لكافة التطبيقات الشمسية الحرارية من تكييف وتبريد الهواء، وتسخين المياه داخل المباني وغيرها.

تستهلك المملكة ما يقارب من 10 قيقا وات من الطاقة، وهو ما يمثل 18% من الطاقة الكهربائية المنتجة، وبما أنّ معظم الإضاءة المستخدمة حاليًّا في المملكة تعتمد على تقنية الإضاءة المتوهجة التي تعدّ غير فعّالة، حيث تنتج فقط من 10 إلى 15 لومين لكل وات، بالإضافة إلى الحرارة الناتجة, فالانتقال إلى تقنية الإضاءة الإلكترونية بكفاءة مقدارها حوالي 300 لومين لكل وات سوف يقلّل مقدار الطاقة المستهلكة إضافة إلى تقليل الأحمال على المكيفات.

الباعثات الضوئية المصنعة من نترات الجاليوم مهّدت الطريق لتحقيق الهدف المطلوب، وهو إنتاج ضوء بكفاءة عالية. نيترات الجاليوم تقدّم حلولًا عمليّة وفعّالة لمشكلات انخفاض الكفاءة مع زيادة التيار وأيضًا تغطية المجال الأخضر في الطيف المغناطيسي.

الهدف من هذا المشروع هو تطوير القدرات الداخليّة المتعلّقة بالباعثات الضوئيّة للجيل القادم من الإضاءة الإلكترونيّة، وذلك ببناء الأجهزة وتحليل خواص المواد المكوّنة لهذه الأجهزة وتصنيعها، وعمل القياسات اللّازمة للأجهزة مجتمعة في شريحة المادّة شبه الموصلة.

الهدف هو تصنيع باعثات ضوئيّة زرقاء لها كفاءة كمية قصوى مقدارها 75% و هبوط في الكفاءة لا يتجاوز 10% عند تيار شدّته 350 أمبير/سنتيميتر مربع.

إضاءة المباني والطرقات تستهلك حوالي 20% من الطاقة الكهربائيّة المنتجة في العالم التي تعادل تقريبًا 1,144 تيرا واط، ويصاحبها انبعاث لغاز ثاني أكسيد الكربون يعادل 410 طن بقيمة تقارب 300 مليار دولار سنويًّا. في الوقت الراهن تستهلك المملكة ما يقارب 10 قيقا واط من الطاقة لاستخدامها في الإضاءة، وهو ما يمثّل تقريبًا 18% من الطاقة الكهربائيّة المنتجة التي تعتمد على تقنية الإضاءة المتوهّجة ذات الكفاءة الضعيفة، بالإضافة إلى إنتاجها لطاقة تسبب عبئًا على أحمال أجهزة التكييف.

للبحث عن البدائل العلميّة لتقليل استهلاك الطاقة الكهربائيّة المتزايد التي تتماشى مع رؤية 2030 في مجال الطاقة، تقوم فكرة هذا المشروع على الاستفادة من الخبرات الوطنيّة علميًّا وفنيًّا لإنشاء خط تجميع مصغّر للباعثات الضوئيّة، وعمل التصاميم لنظم الإضاءة، ثمّ الاستفادة من مخرجات هذا المشروع تجاريًّا عن طريق خلق شراكات مع القطاع الخاص في مجال الصناعات المتقدّمة خاصّة الضوئيّات والمؤسسات البحثيّة الأخرى. ومن ضمن أهداف المشروع التواصل مع الجهات ذات العلاقة للمساعدة في تقليل استهلاك الطاقة الكهربائيّة، وذلك عن طريق الانتقال التدريجي إلى استخدام تقنية الإضاءة ذات الاستهلاك المنخفض والتعريف بمزاياها.

يجري مركز النظم الهندسية المركبة دراسة وطنيّة تهدف إلى المعالجة الاقتصاديّة والفنّيّة؛ لدمج أنظمة الطّاقة المتجدّدة في الشّبكة الوطنيّة للكهرباء، وبناء نماذج رياضيّة- حاليّة ومستقبليّة- للقطاع، مما يساعد متخذي القرار في هذا القطّاع الحيويّ في المملكة، وتهدف هذه النماذج الحاسوبيّة، إلى محاكاة الجوانب الهندسيّة والاقتصاديّة للنظام الكهربائيّ الوطنيّ- جغرافيًّا و زمانيًّا؛ حيث ستسمح هذه النّماذج بإيجاد السّبل المثلى لدمج مولدات الطّاقة المتجدّدة، وكيفيّة تطوّر قطاع الإنتاج الكهربائيّ، وشبكات نقل الكهرباء، على مدار السّنين القادمة، بشكل يواكب الطّلب الوطنيّ المتزايد للطّاقة الكهربائيّة، وطموح الدّولة بالاستفادة من الطّاقة المتجدّدة لتكون مصدرًا أساسيًّا للكهرباء، كما ستطوّر- عن طريق الدّراسة التّفصيليّة- نماذج حاسوبيّة، تقيّم الجدوى- الاقتصاديّة والهندسيّة- لدور المملكة كمُصدّر للكهرباء للدّول المجاورة، عن طريق استغلال فائض قدرتها المتاحة خارج فصل الصّيف، إضافة إلى ذلك؛ بإمكان المملكة- في المستقبل- أن تصدّر فائض إنتاجها الكهربائي من الطّاقة المتجدّدة إلى عدد من الدول المجاورة، التي يتزامن حملها الكهربائيّ الذّرويّ مع ذروة إنتاج الطّاقة الشّمسية في المملكة.

 بحكم الموقع الاستراتيجيّ للمملكة، وحيازتها مقومات قويّة في مجال الطّاقة المتجدّدة، وبحكم الطّلب المتزايد على الطّاقة الكهربائيّة في المنطقة؛ فبإمكان المملكة أن تُصدّر الطّاقة الكهربائيّة إلى الدّول المجاورة، ويعتمد تصدير الطّاقة الكهربائيّة على إنشاء سوق محليّة تنافسيّة للكهرباء، ومحاولة حلّ وتخفيف التّشوهات الموجودة في السّوق المحلي، والنّاتجة عن الدّعم الحكوميّ للطّاقة، ومن أجل تقييم قدرة المملكة على تصدير الكهرباء، يعمل هذا المشروع على دراسة إمكانيّة تبادل الطّاقة بين دول مجلس التّعاون الخليجيّ، عن طريق مراجعة خطوط نقل الكهرباء بين المملكة والّدول المجاورة، وتحديد الخطوات التنظيمية الأساسيّة اللّازمة لإنشاء سوق كهرباء إقليمية، ومحاكاة عمل الرّبط بين ستة بلدان، عن طريق نموذج رياضي يحدّد احتياجات الاستثمار في المستقبل.

ينقسم هذا المشروع إلى عدة أبحاث رئيسة، هي: (1) دمج مصادر الطّاقة المتجدّدة، للتقليل من استنزاف مواردنا الطّبيعيّة. (2) إيصال الكهرباء للمناطق المعزولة، والقرى النائية في المملكة. (3) وضع سوق تنافسي لتوليد الكهرباء و نقلها وتوزيعها؛ لتحفيز الاستثمارات الأهليّة في القطاع الكهربائي، ورفع كفاءة تشغيل النّظام.

تشهد المملكة العربية السّعوديّة حركة تطوّر عمرانيّ كبيرة، ونموّ في الطّلب على الطّاقة الكهربائيّة، مما يتطلّب منها تقديم حلول جديدة ومبتكرة، وتنفيذها، وذلك؛ لتطوير بنيتها التّحتيّة للطّاقة الكهربائيّة بشكل كافٍ ومستدام، وأيضًا؛ لدعم صانعي القرار في اتّخاذ الإجراءات اللّازمة، فيما يخصّ قرارات ترشيد استخدام الطّاقة الكهربائيّة.

يقدّم هذا المشروع نموذجًا متقدّمًا للطّاقة العمرانيّة في المدن؛ إذ يستند إلى تطوير خوارزميّات معقّدة، تستوعب خصوصيّة تصاميم المباني في المملكة، بمختلف مناطقها، وذلك باستخدام بيانات استشعار الضّوء، للوصول إلى تطوير نموذج متكامل ثلاثيّ الأبعاد لمدينة الرّياض، بشكل تلقائيّ، وسريع، ورخيص.

يطور- في هذا المشروع- نموذج ثلاثيّ الأبعاد لمدينة الرّياض، وذلك؛ لمحاكاة الطّاقة الكهربائيّة، عن طريق إنشاء قوالب تستوعب مواد البناء المستخدمة، وبيانات توضّح لقاطني المباني كيفيّة استخدام الكهرباء، ومن ثمّ؛ تقدير استهلاك الطّاقة الكهربائيّة السّنويّة، وكذلك، الشّهريّة والسّاعيّة، ويعتمد المشروع على تطوير نموذج متقدّم، يعتمد على أسس هندسيّة- من الأسفل إلى الأعلى- لمراقبة تدفقات الطّاقة الكهربائيّة كلّها، لمباني المدينة كافّة، ويسهم- أيضًا- في معرفة سلوك قاطني المباني في استهلاك الكهرباء، وفي تكوين نموذج رياضيّ يحاكي تصرفات السّاكنين، مما يشير إلى معرفة الاستهلاك المستقبليّ للطّاقة الكهربائيّة، وعن طريق هذا المشروع؛ نستطيع دراسة إمكانيّة تركيب الألواح الشّمسيّة داخل النّطاق العمرانيّ، والنّاتج الكهربائي منها، وتحليل تلك الإمكانيّة، ومن ثمّ يستطيع النّموذج تقدير الطّاقة المستهلكة في تشييد المباني، والنّاتج الكربونيّ للمبنى، مما يتيح تخفيف الأعباء الماليّة لفواتير الطّاقة الكهربائيّة للسكّان، وكذلك، تخفيف العبء عن الشّبكة الوطنيّة للطّاقة الكهربائيّة.

سيكون أحد مخرجات المشروع؛ تطوير منصّة تفاعليّة؛ حيث يستطيع صنّاع القرار مشاهدة بيانات استهلاك الطّاقة في المدن، والتّفاعل معها بكلّ سهولة ويسر، كما يسعى العاملون في المشروع إلى معرفة أنماط استهلاك الطّاقة الكهربائيّة، والبحث- أيضًا- عن التّكامل الأمثل لأنظمة شبكة التّوزيع للطّاقة الكهربائيّة، مما يساعد الأفراد على تحقيق استقلاليّة جزئيّة في الحصول على الطّاقة الكهربائيّة، وتخفيف العبء عن الشّبكة الوطنيّة للطّاقة الكهربائيّة، ويسهم هذا المشروع- كذلك- في مساعدة صانعي القرار في تقييم الاستراتيجيّات والحلول في هذا المجال.

يهدف هذا المشروع إلى تطوير دهان طارد للغبار يتناسب مع أجواء المملكة المختلفة. تتكوّن مادة الدهان الطاردة للغبار المستخدمة في هذا المشروع أساسًا من أكاسيد السليكون ذات الحجم النانوي (5-20 نانومتر) التي تحضّر بطريقة المحاليل الجيليّة، حيث يتم عمل طلاء لألواح الزجاج بطريقة الغمس، ومن ثمّ إجراء عمليّة تقسية لمادة الدهان على أسطح الزجاج داخل أفران عند درجات حرارة تبدأ من 500 درجة مئويّة، وقد اختيرت ستة أماكن على مستوى المملكة (الرياض، الأحساء، القصيم، الخفجي، ينبع، مكة المكرمة) لوضع الحوامل الحاملة للزجاج المطلي، ودراسة تأثير خاصيّة الدهان الطارد للغبار في أجواء مختلفة، إذ ستُستخدم الحوامل في الوضع المائل لعمل اختبارات لمادة الدهان المناسبة للخلايا الشمسيّة، فعند استخدام هذه المواد لحماية الأسطح الزجاجيّة فإنّه بالإمكان رفع كفاءتها بأكثر من 10٪، إضافة إلى تقليل تكلفة التنظيف، مما يجعل استخدام الخلايا الشمسيّة أسهل في بيئة المملكة، كما توفر هذه المواد الحماية للخلايا الشمسيّة من تأثير الأشعة فوق البنفسجيّة، وسوف تُنتج مواد الدهان بكميّات تزيد على 100 ليتر لكي تُطبَّق على ألواح الخلايا الشمسيّة المستخدمة في أحجامها الطبيعيّة (متر في مترين) باستخدام وحدة صناعيّة سوف تُصمَّم وتُنشأ في القرية الشمسيّة.