التحدي: توليد الطاقة المتجددة هو في معظمه لامركزي ومتقلب للغاية

في حالة محطات الطاقة المركزية المزودة بتقنية الاحتراق ، يمكن تنظيم كمية الطاقة المولدة أعلى أو أقل حسب الحاجة ، خاصة في محطات الطاقة التي تعمل بالغاز. مع الخلايا الكهروضوئية ، تكون كمية الطاقة المولدة غير منتظمة اعتمادا على الوقت من اليوم أو الموسم أو الطقس.

بالنسبة لمدينة المستقبل المحايدة لثاني أكسيد الكربون ، فإن الافتقار إلى القدرة على التحكم والقدرة على التنبؤ يعني أنه يجب تخزين الطاقة الكهربائية بكميات كبيرة عن طريق التخزين المؤقت بحيث تكون متاحة للمستهلك النهائي في جميع الأوقات.

سيتعين على مدينة المستقبل الذكية التعامل مع مهمتين: إنشاء هيكل شبكي للطاقة اللامركزية والتحكم في إمدادات الطاقة في حالة وجود كميات متقلبة من الطاقة - وقد تم تصميم هذا كمثال للجسور.

The energy concept of the Frankfurt bridges has been simulated using Polysun

تمت محاكاة مفهوم الطاقة لجسور فرانكفورت باستخدام البوليسون

مصادر الطاقة

  وحدات الكهروضوئية: في 8 اتجاهات (الجنوب والجنوب الغربي والغرب وما إلى ذلك) بزوايا 0 و37 و90 درجة

  وحدات : الوحدات الكهروضوئية في الاتجاه الجنوبي بزاوية مثالية

  المجسات الحرارية الأرضية: لتدفئة الغرف

  مصدر الطاقة: تمثيل الحرارة المهدرة من مراكز البيانات  

  الشبكة: في حالة الطلب القوي على الطاقة، يتم استهلاك طاقة الشبكة (إذا كانت الشبكة مستهلكًا للطاقة)

تخزين الطاقة:

  بطاريات Li-ion: سعة تخزين 320 ميجاوات في الساعة

  بطاريات تدفق الأكسدة: سعة تخزين 80 ميجاوات في الساعة

  المجسات الحرارية الأرضية: كتخزين BTES

مستهلكو الطاقة:

المستهلكون الكهربائيون: للمباني السكنية وغير السكنية، والبنية التحتية للجسور (الإضاءة، والري، وما إلى ذلك)، والمركبات الكهربائية، وإنتاج الهيدروجين

  حمامات السباحة: كمستهلكين حراريين

  المباني: لتدفئة مساحة المباني السكنية وغير السكنية والبيوت الزراعية

  حوض الطاقة، المصدر: تمثيل المباني السكنية أثناء تبريد الغرف

مرافق:

  المضخات الحرارية: لتدفئة الغرفة وتبريدها

  محطة الحرارة والطاقة المشتركة: كخلايا وقود احتياطية لزيادة احتياجات الطاقة في الشتاء

  التحكم: التحكم في الأنظمة بأكملها

بارامترات وشروط الحدود ومتطلبات نمذجة مفهوم الطاقة لجسور فرانكفورت

من أجل عدم جعل المحاكاة المعقدة للغاية مكلفة للغاية ، تم تنفيذها بنسبة 1٪ من إجمالي طاقة الجسور كقسم تمثيلي ل 100٪ من الطاقة. لذلك ، يتم تنفيذ المحاكاة مع مركزين فقط للإمداد ، بدلا من 200 مركز إمداد موجودة في جسور فرانكفورت.

خطوات وقت المحاكاة هي 1 ساعة لكل منها ، على مدى سنة واحدة. يتم استخدام مهلة المحاكاة مع 270 يوما لمحاكاة تأثيرات الذاكرة ل BTES بشكل أكثر دقة.

يتم استخدام المضخات الحرارية ذات درجة الحرارة العالية إلى جانب الحرارة المهدرة من مراكز البيانات والحرارة الشمسية ، بينما تستخدم المضخات الحرارية ذات درجة الحرارة المنخفضة للاقتران بالطاقة الحرارية الأرضية.

يتم تخزين الحرارة من الوحدات الكهروضوئية وكذلك الحرارة المهدرة من مراكز البيانات في BTES من أبريل إلى سبتمبر وإزالتها أو استهلاكها من أكتوبر إلى مارس.

من أجل التمكن من استخدام الحرارة من خلايا الوقود بشكل أكثر كفاءة ، تعمل خلايا الوقود فقط في فصل الشتاء عندما يكون هناك طلب قوي على الطاقة.

تم ذكر حمامات السباحة كمستهلكين مثاليين للطاقة الحرارية ، حيث يتم توليد أو تخزين مضاعف من استهلاك الجسر للطاقة الحرارية ويجب العثور على عملاء لذلك حتى لا تتراكم الحرارة المخزنة في الأرض على مر السنين وتسخنها والمياه الجوفية. ومع ذلك ، في المستقبل البعيد ، عندما تخضع المباني على طول الجسور لدورات تجديد ، يمكن بعد ذلك توجيه هذه الحرارة إلى مضخات الحرارة من هذه المباني.

في الصيف ، يتم إرسال الحرارة الناتجة عن أسقف التبريد على أرضيات أسطح المباني السكنية إلى الأرض للتجديد. في فصل الشتاء ، يتم أيضًا إرسال جزء من الطاقة الحرارية الزائدة من الوحدات الكهروضوئية إلى الأرض لأغراض التجديد ، ولكن يتم التحكم في درجة الحرارة فقط إذا كانت درجة حرارة المحلول الملحي للوحدات الكهروضوئية أقل من 30 درجة مئوية ، نظرًا لأن خزانات تخزين الطاقة الحرارية الأرضية في الأعمدة (على عكس حقول المجسات الأعمق بكثير) يجب ألا تسخن التربة والمياه الجوفية بشكل مفرط ، ولكن فقط توفر الحرارة هناك لأغراض التجديد.

النتيجة: تتمتع جسور فرانكفورت بدرجة عالية من الاكتفاء الذاتي ونسبة استهلاك ذاتي تقارب 100٪

في الصيف ، عندما يتم إنتاج أو تجميع الكهرباء الكهروضوئية الزائدة باستخدام جسور فرانكفورت ، تبلغ درجة الاكتفاء الذاتي للجسور 100٪ تقريبًا. فقط في فصل الشتاء تعتمد الجسور على الكهرباء من الشبكة - ولكن بأقل من 10٪ من احتياجاتها. تبلغ نسبة الاستهلاك الذاتي 100٪ تقريبًا على مدار العام ، حيث تستهلك الجسور دائمًا كل الطاقة التي تولدها بنفسها أو تمنحها لمستخدمين آخرين في المنطقة المجاورة للاستهلاك المباشر.

يمكن استخدام الهيدروجين المنتج للمركبات داخل وخارج الجسور وكذلك ضمان إنتاج الكهرباء في الشتاء

يتم استخدام غالبية الكهرباء المولدة (حوالي 171 جيجاوات ساعة / سنة) لإنتاج الهيدروجين: وهذا يعني أنه يمكن توفير المركبات التي تعمل بالطاقة الهيدروجينية على الجسور وعلى طولها على مدار السنة. بالإضافة إلى ذلك ، يتم "تخزين" الكهرباء الزائدة المتولدة في الصيف على شكل هيدروجين ، بحيث يوجد دائمًا في الشتاء مصدر طاقة يمكنه تعويض كمية أقل من الإشعاع الشمسي.

يتم إنتاج 3240 طنًا من الهيدروجين سنويًا مع فائض الكهرباء البالغ 171 جيجاوات ساعة: مطلوب تخزين 135000 متر مكعب لتخزين هذه الكميات عند 350 بار في خزانات تحت الأرض

لإنتاج 3240 طنًا من الهيدروجين في المحلل الكهربائي PEM ، يلزم 52000 متر مكعب من الماء. يمكن استخدام حوالي 3٪ إلى 4٪ من مياه الأمطار التي يتم جمعها أو تخزينها في الخزان الموجود أسفل الجسر كمصدر للمياه.

نظرًا لأن المساحة المطلوبة لـ 3240 طنًا من الهيدروجين كبيرة نسبيًا حتى 350 بارًا ، فقد تم تحديد 42 حقلاً وملعبًا رياضيًا بمساحة إجمالية قدرها 840.000 متر مربع بجوار الأذرع السبعة للجسور التي يمكن استخدامها لإنتاج الهيدروجين وتخزينه - ومع ذلك ، لا يلزم سوى 20000 متر مربع. لا يتأثر استخدام هذه المناطق مع تركيب خزانات المياه بما في ذلك المحلل الكهربائي PEM على عمق 2 إلى 3 أمتار - إنه أمر جذاب بالنسبة لأصحاب المنطقة أن "يستأجروا" التربة التحتية الخاصة بهم لمثل هذه البنية التحتية.

من أجل التمكن من تحويل 90٪ من الكهرباء الزائدة إلى هيدروجين في الصيف ، يلزم 5 مكدسات محلل كهربائي ، كل منها 5 ميجاوات ، لكل محطة هيدروجين على الأذرع الخارجية للجسور

من 133 جيجاوات ساعة / الهيدروجين المتولد في الصيف ، 71 جيجاوات ساعة / سنة (حوالي 53٪) يتم تخزينها لفصل الشتاء

لا يتم تخزين الهيدروجين المنتج بالكامل مرة واحدة ليتم استهلاكه بعد ذلك ، ولكن هناك استهلاك مكثف (في الشتاء) أو أقل (في الأشهر الانتقالية) على مدار العام: من حوالي 171 جيجاوات ساعة / الكهرباء الزائدة المستخدمة لإنتاج الهيدروجين ، لذلك يتم استخدام 41 ٪ فقط ، أي حوالي 71 جيجاوات ساعة / أ أو 1345 طن مخزنة في أشهر الصيف للاستهلاك الشتوي.

مطلوب ما يقرب من 4250 مترًا مربعًا لخزانات تخزين الهيدروجين ، وحوالي 450 إلى 500 مترًا مربعًا لكل منها للمحللات الكهربائية PEM - في المجموع ، هناك متطلبات مساحة تقل عن 5000 متر مربع لكل محطة في نهاية كل ذراع جسر

يتطلب "حجم التخزين الأقصى" 56000 متر مكعب من المساحة. يمكن تخزين جزء صغير من الهيدروجين مباشرة في الموقع على الجسور في 200 مركز إمداد موجودة هناك: لكل منها خزان هيدروجين بحجم 3.5 م 3، بحيث يبلغ إجمالي 56000 م 3 تقريبًا. يمكن تخزين 4900 متر مكعب من الهيدروجين محليًا عند 200 نقطة جسر.

لكن معظم الهيدروجين ، حوالي 51000 متر مكعب ، يتم تخزينه في المناطق النهائية للأذرع السبعة للجسر في 7 محطات هيدروجين ، تحت الأرض أيضًا.

تعتبر خزانات مراكز الإمداد 200 سهلة الاستخدام نسبيًا ومدمجة بقطر 1.5 متر وطول 2 متر ، في حين أن الخزانات الموجودة في محطات الهيدروجين السبعة أكثر تعقيدًا بشكل كبير للتعامل مع قطر يبلغ 3.6 متر وطولها 15 م ، خاصة لكل من المحطات السبع ، ما معدله 49 خزانًا مطلوبًا.

ومع ذلك ، يمكن التحكم في متطلبات المساحة للتخزين تحت الأرض لكل محطة هيدروجين بحوالي 4250 مترًا مربعًا ، خاصة أنه لا يمكن استخدام سوى 450 إلى 500 متر مربع أخرى للمحللات الكهربائية في نهاية كل جسر.

من بين 3240 طنًا من الهيدروجين، يتم استخدام حوالي ربعها لتشغيل خلايا الوقود، والتي يمكن أن توفر أيضًا الطاقة الكهربائية والحرارية في الشتاء

حتى في فصل الشتاء، عندما تكون الكهرباء المولدة ضوئيًا وكذلك الحرارة الحرارية المولدة بالطاقة الشمسية أقل بكثير، يجب ضمان الطاقة والإمداد بالحرارة. يتم ذلك باستخدام ما يقرب من 823 طنًا من الهيدروجين لتشغيل خلايا الوقود. يتم تشغيلها بشكل أساسي في الشتاء من أجل استخدام الطاقة الحرارية المتولدة في نفس الوقت بكفاءة.

بالنسبة للجسور بأكملها، هناك حاجة إلى خلايا وقود تبلغ طاقتها الإجمالية 100000 كيلو وات: لهذا الغرض، يتم توزيع 200 خلية وقود بقوة كهربائية تبلغ 500 كيلو وات لكل منها، والتي يتم توزيعها على مركز الإمداد 200.

بينما يضمن الهيدروجين وخلايا الوقود توازنًا صيفيًا وشتويًا للطاقة الكهروضوئية المتطايرة المتولدة ، فإن التعويض عن الأطوار الأقصر من الشمس والليل يحدث عبر البطاريات

توجد سعة بطارية إجمالية تبلغ 400 ميجاوات في الساعة في مراكز الإمداد على الجسر. من بين هذه ، 320 ميجاوات من بطاريات ليثيوم أيون و 80 ميجاوات فقط من بطاريات تدفق الأكسدة والاختزال ، حيث تشغل الأخيرة مساحة أكبر فيما يتعلق بكفاءتها في استخدام الطاقة. ومع ذلك ، يمكن تعديل مفهوم البطارية لجسور فرانكفورت في المستقبل عندما تكون بطاريات التدفق العضوي جاهزة للسوق.

يتم توزيع سعة بطارية ليثيوم أيون على 70 من 200 مركز إمداد (VZ) في المتوسط ​​، يجب استخدام بطاريات ليثيوم أيون التي يبلغ إجمالي إنتاجها 4.6 ميجاوات ساعة ومتطلبات مساحة تبلغ حوالي 33 مترًا مربعًا لكل VZ. يمكن العثور على بطاريات  Reddox في جميع مراكز الإمداد: في 60 DC ، يوجد قطعتان لكل منهما 300 كيلو واط / ساعة ، وفي الـ 140  DC المتبقية هناك واحدة بقدرة 300 كيلو وات في الساعة.

تأخذ البنية التحتية المبتكرة لإمدادات الطاقة في الاعتبار أيضًا أقصر طرق النقل الممكنة بين منتجي الطاقة اللامركزية والمستهلكين

مع الجسور، تتخذ فرانكفورت الخطوة الرئيسية الأولى من الإمداد المركزي من خلال احتراق محطة الطاقة إلى الإمداد اللامركزي من خلال الطاقات المتجددة. من المهم أن يتواصل نظام التحكم، «إنترنت الأشياء»، المنتجون والمستهلكون مع بعضهم البعض وأن تستخدم الطاقة دائمًا حيثما أمكن، أيضًا في المنطقة المجاورة، حيث يتم توليدها ويصبح النقل الحالي أقصر ويتم تقليل خسائر التحويل الناجمة عن المحولات أو الخسائر الحرارية من خلال الخطوط.

على الجسور ، على سبيل المثال ، جميع المناطق المغطاة بالوحدات الكهروضوئية هي وحدات لتوليد الطاقة. يتم دائمًا توجيه الكهرباء التي ينتجونها أولاً إلى أقرب مركز إمداد بحيث يمكن التحكم فيها على النحو الأمثل من هناك.

مجال آخر للبحث لزيادة الكفاءة: تجنب خسائر التحويل. من الناحية النظرية ، يمكن استخدام الطاقة الحالية المباشرة التي تولدها الخلايا الكهروضوئية مباشرة لإعادة شحن المركبات الكهربائية دون الحاجة إلى تحويل التيار المباشر الناتج عن الخلايا الكهروضوئية إلى تيار متناوب ، والذي ينطوي على خسائر. فقط الجهد يحتاج إلى تعديل.

نظرًا لمناظر تخزين الجسور، لا يزال استخدام شبكة فرانكفورت من خلال إمدادات الشبكة والإمداد منخفضًا جدًا

مع جسور فرانكفورت ، يتم تقليل تبادل الكهرباء بين الشبكة الخارجية والمحلية: يتم تخزين الكهرباء الزائدة إما في البطاريات أو استخدام الهيدروجين لإنتاجها - وكلاهما يقلل بشكل كبير من كمية الطاقة التي يتم تغذيتها في الشبكة. تعمل البطاريات وخلايا الوقود أيضًا على تقليل كمية الكهرباء المشتراة من الشبكة في حالة حدوث عجز في الطاقة. فقط في الأشهر من سبتمبر إلى فبراير ، زاد شراء الشبكة بشكل طفيف بسبب انخفاض الإشعاع الشمسي - ومع ذلك ، لا يزال منخفضًا نسبيًا بنسبة 2 ٪ من الكهرباء التي يتم جمعها أو توليدها بواسطة الجسور.

في مجال التدفئة والتبريد، تعد المضخات الحرارية عنصرًا مهمًا في البنية التحتية للجسر

تستخدم المضخات الحرارية للتدفئة والتبريد في أماكن الجسر. يتم تركيبها في مراكز الإمداد عندما توفر العديد من المباني الأصغر. المباني الكبيرة على الجسور، مثل المباني السكنية ودور التقاعد ورياض الأطفال وما إلى ذلك، لها مضخة حرارية خاصة بها. يتضمن النظام مضخات حرارية منخفضة (NT) ودرجة حرارة عالية (HT): مصدر الحرارة للمضخات الحرارية NT هو الحرارة الأرضية بدرجة حرارة تقترب من 100٪ من حرارة الغرفة ويتم توفير تبريد الغرفة بالكامل عن طريق مضخات حرارة NT. تتطلب المباني الموجودة على الجسور والبيوت الزجاجية على طول الجسور 100 مضخة حرارية NT مع ما يقرب من 290 كيلو وات من سعة التدفئة في W15/W35.

مصادر الحرارة لمضخات الحرارة HT هي الطاقة الحرارية الشمسية من الوحدات الكهروضوئية الموجودة على الجسور وعلى طولها والحرارة المهدرة من مراكز البيانات بدرجة حرارة تزيد عن 20 درجة مئوية.

في السنوات الأولى، توفر المضخات الحرارية HT الحرارة بشكل أساسي لإزالة الجليد من الطرق على وتحت الجسور أو حمامات السباحة، إلخ إلى أن يتم تحويل المباني الموجودة على طول الجسور من الغاز إلى أنظمة تدفئة المضخات الحرارية أثناء عمليات التجديد، كما يمكن استخدام الحرارة الحرارية الشمسية ونفايات مركز البيانات المخزنة في الأرض في هذه المباني. يتراوح COP لجميع المضخات الحرارية بين 4 و 7، اعتمادًا على درجة حرارة الماء.