طاقة الرياح البحرية تكنولوجيا واعدة لانعاش فوكوشيما

توربينات بحرية قوية

بدأت عمليات توليد ونقل الكهرباء بواسطة فوكوشيما ميراي (بالعربية مستقبل فوكوشيما)، وهي مجموعة توربينات / محركات تدور بفعل طاقة الرياح البحرية على منصة عائمة ترسو على بعد ٢٠ كيلومتراً قبالة ساحل بلدة ناراهاماتشي (محافظة فوكوشيما) في مياه يصل عمقها إلى ١٢٠ متراً.

ويجري نقل الكهرباء التي تولدها التوربينات عبر حزمة أسلاك تحت البحر موصولة بشبكة الكهرباء التي تغذي اقليم توهوكو والتي هي موصولة بِدَورها بخطوط الكهرباء القادمة من محطة هيرونو للطاقة الحرارية، وحسب المرفق الواقع في بلدة هيرونوماتشي والذي يقع تحت إدارة شركة طوكيو للطاقة الكهربائية (تيبكو). فانّ الكهرباء التي تولدها توربينات الرياح البحرية كافية لتزويد ١٧٠٠ أسرة. والتوربين الذي بنته شركة هيتاشي يحتوي على ثلاث شفرات يصل طول كل منها إلى ٤٠ متر ويبلغ قطر حركة دوران الشفرات ٨٠ مترا. حيث يعمل هذا التوربين باتجاه حركة الريح (downwind-type turbine)، مما يعني أن الدوار هو في اتجاه حركة الريح للبرج الداعم للتوربين. ويرتفع هيكل التوربين حوالي ١٠٦ متراً فوق سطح البحر، حيث يقف عاليا على عوامة طولها ٣٢ مترا تم تصميمها بواسطة شركة ميتسوي المحدودة للهندسة وبناء السفن.

فوكوشيما ميراي: توربينات توليد طاقة الرياح التي تولد ٢ ميغاوات (الصورة مقدمة من جمعية فوكوشيما لطاقة الرياح البحرية).

كما ترسو في المياه وعلى بعد كيلومترين اثنين من فوكوشيما ميراي محطة فرعية تدعى فوكوشيما كيزونا، تتكون من محول لتحويل الكهرباء إلى توتر عالي وليتم بعدئذ ارساله إلى اليابسة وذلك بالإضافة الى برج مراقبة لقياس اتجاه الرياح وسرعتها. ويصل ارتفاع فوكوشيما كيزونا إلى ٦٠ مترا فوق سطح البحر، وتعد هذه المرة الأولى التي يطفو بها محول بقدرةٍ كهربائية تبلغ ستة وستون كيلو فولت فوق سطح المياه في المحيط. وهنالك ايضاً توربينان اثنان آخران من المفترض تنصيبهما خلال السنة المالية لعام ٢٠١٤ يصنفان كلاهما ضمن قائمة أقوى المولدات في العالم حيث باستطاعة كل منها توليد ٧ ميغاوات من الكهرباء. وسيتم وضع فوكوشيما ميراي في الوسط، وعلى بعد ١٫٦ كيلومترا وعلى جانبيه سيجري تنصيب اثنين من التوربينات العملاقة التي يصل طول كل شفرة من شفراتها إلى ٨٢ مترا، ويبلغ قطر حركة دوران الشفرات ١٦٤ مترا. وتقوم ميتسوبيشي للصناعات الثقيلة المحدودة بتصنيع هذه التوربينات العملاقة التي ستقف على ارتفاع شاهق يبلغ ١٨٧ مترا فوق سطح البحر.

المحطة العائمة فوكوشيما كيزونا (الصورة مقدمة من جمعية فوكوشيما لطاقة الرياح البحرية).

التوربينات العائمة

اكتسب توربين فوكوشيما ميراي أهمية خاصة لكَونِ مرفق التوليد من النوع العائم على سطح المياه في المحيط بعيدا عن اليابسة. حيث ان التوربين والهيكل العائم الذيّن يتم تركيبهما معا يشكلان عوّامة عملاقة، مثبتة بقاع المحيط بمراسي وسلاسل معدنية (جنازير) لمنع تيارات المحيط من تحريكها. وجدير بالذكر انّ معظم التوربينات البحرية في جميع أنحاء العالم هي من الأنواع التي تثبت في القاع، حيث يتم بناء قاعدة أساس في قاع المحيط لدعم مرفق التوليد. سيما وانه يتم تثبيت معظم توربينات طاقة الرياح البحرية في أوروبا في العمق حيث توجد مساحات شاسعة من المحيطات الضحلة التي لا يتجاوز عمقها ٢٠ مترا. وبأخذ اعتبارات هيكلية بالحسبان، يعتبر الحد الأقصى لبناء توربينات ثابتة في العمق حوالي ٣٠ مترا وبذلك فإن بناء هذه المرافق في المناطق التي تتجاوز هذا الحد قد يكون قليل الجدوى.

ومن هذا المنطلق تعتبر اليابان حديثة العهد نسبيا في توليد الطاقة بعيدا عن اليابسة وهذا يعود إلى عدم توفر المناطق المائية الضحلة والمناسبة لبناء توربينات مثبتة في العمق. وبعد ان أصبح بالإمكان تركيب أجزاء على عمق أكبر في المحيطات، أخذت تتحول نقطة ضعف اليابان في هذا المجال إلى عامل قوتها. فالمنطقة المائية المحيطة باليابان تعتبر سادس أكبر منطقة متحدة بين المياه الإقليمية والمنطقة الاقتصادية الاستثنائية في العالم. وهناك إمكانية لمشاريع طاقة الرياح البحرية يٌمكنّها من توليد ١٫٦ مليون ميغاوات، أو ما يقرب من ثمانية أضعاف قدرة التوليد المشتركة لجميع محطات الطاقة التي تديرها عشر شركات محلية والمقدرة بنحو ٢٠٣٫٩٧٠ الف ميغاوات (وفقا لتقرير وزارة البيئة حول دراسة إمكانية إدخال الطاقة المتجددة). وبالنسبة لليابان، فانّ مصدر الطاقة هذا هو هبةً من السماء.

فيديو من فوكوشيما ميراي مؤرخ في ٦ نوفمبر/ تشرين الثاني عام ٢٠١٣ (الفيديو مقدم من جمعية فوكوشيما لطاقة الرياح البحرية).

الحاجة الاقتصادية لتوربينات أكبر

لقد تم بالفعل اعداد التكنولوجيا اللازمة لبناء توربينات طاقة الرياح العائمة حيث كل ما هو مطلوب يتلخص في بناء تكنولوجيا المنصة العائمة المستخدمة في تطوير حقول النفط والغاز البحرية. ولليابان أيضا التكنولوجيا لحزم أسلاك النقل تحت الماء اللازمة لنقل الكهرباء من التوربينات إلى اليابسة كما ان للشركات اليابانية الكبرى التكنولوجيا ذات الصلة.

و لربما تبقى المشكلة في التكلفة الأولية الباهظة، حيث يعتبر بناء توربينات الرياح العائمة في أعماق المحيطات عملية مكلفة للغاية كما أن تكاليف الصيانة أعلى بكثير من التوربينات الموجودة على سطح اليابسة. ولذلك فإن الوسيلة الوحيدة لخفض التكلفة هو بناء توربينات أكبر. وهذا هو بالضبط ما فعلته شركة ميتسوبيشي للصناعات الثقيلة. فبدلاً من استخدام التروس لنقل عزم دوران التوربينات، وضعت ميتسوبيشي محرك الزيت الذي ينقل الطاقة الدورانية للمولد من خلال ضغط الزيت. هذا ويتم استخدام هذه التكنولوجيا في المملكة المتحدة وسوف يتم تركيبها على اثنين من التوربينات التي باستطاعة كل منها توليد ٧ ميغاوات من الكهرباء والمقرر تنصيبها خلال السنة المالية لعام ٢٠١٤. وقد أطلق على واحد من هذه التوربينات اسم فوكوشيما شينبو (بالعربية رياح فوكوشيما الجديدة).

وقد أتقنت تكنولوجيا محرك ضغط الزيت استنادا لتكنولوجيا الطاقة الذكية من شركة أرتميس المحدودة، وهي شركة هندسية للتطوير بريطانية المنشأ، ضمت إلى ميتسوبيشي في عام ٢٠١٠. وتشمل مزايا هذه التكنولوجية إمكانية التحكم بدقة عن طريق الكمبيوتر دون الحاجة إلى علبة التروس التي كانت تتطلب وجود مُعدّات ثقيلة لتنفيذ عمليات الصيانة. كما كانت هناك حاجة إلى معدات أكبر نسبيا لزيادة حجم التوربينات، الا ان علب التروس كانت عرضة للعطل مما منع تقدم العمل في هذا المجال من توليد الطاقة. سيما وان محرك ضغط الزيت يحل المشكلة دون الحاجة إلى علبة التروس. وبذلك أصبح الآن من السهل نسبيا توليد طاقة كهربائية تصل إلى ١٠ ميغاوات في المنطقة.

سوق عالمي بحجم ٤ تريليون ين ياباني

ووفقا لشركة فوجي كيزاي مانجمينت / فوجي للإدارة الاقتصادية ، وهي شركة خاصة لأبحاث السوق ومقرها العاصمة اليابانية طوكيو، فقد بلغت قيمة السوق العالمي لتوليد طاقة الرياح ٣٨٦٫٤ مليارين ياباني في عام ٢٠١١، ومن المتوقع أن ينمو السوق إلى ٤٫٣٤٤٢ تريليون ين ياباني بحلول عام ٢٠٢٠ وأن يكون الطلب في حدود ٣٫٠٨٧٥ تريليون-ين ياباني في عام ٢٠٣٠. وذلك نظراً لمزايا توليد طاقة الرياح البحرية في ضمان حركة الرياح وشدّتها وتواتراها. وقد تصل نسبة تشغيل التوربينات البرية إلى حوالي ٢٠ ٪، لكنها ترتفع لتصل إلى ٣٠-٤٠ ٪ عند تشغيل التوربينات البحرية وهذا ما يسمح لكي  يكون الامداد والتزويد بالكهرباء اكثر استقراراً. كما ان  أوروبا تقف في طليعة السوق العالمي لتوليد طاقة الرياح البحرية، لا سيما في المملكة المتحدة حيث تم النظر إلى طاقة الرياح كمصدر بديل للطاقة منذ بدأ مخزون حقول النفط في بحر الشمال بالنضوب.

وفي عام ٢٠٠٧، أعلنت الحكومة البريطانية خطةً لتوليد ٣٣ ألف ميغاوات من طاقة الرياح البحرية بحلول عام ٢٠٢٠ والتي تتطلب استثمارات تصل إلى ١٣ تريليون ين ياباني وهذا يعني تركيب سبعة آلاف توربين بحلول عام ٢٠٢٠، وبالتالي ينبغي أن يغطي الناتج المشترك ثلث مجموع استهلاك الكهرباء في البلاد. وفي ٤ يوليو /تموز ٢٠١٣، بدأ تشغيل مزرعة لندن للرياح البحرية (London Array offshore wind farm)، وهي منطقة واسعة تشمل عدداً من التوربينات المثبتة في القاع وتمتد نحو ٢٠ كيلومترا قبالة الساحل الجنوبي الشرقي لبريطانيا. مع ناتج إجمالي يصل إلى ٦٣٠ ميغاوات، وعلى نحوٍ تولد فيه مزرعة الرياح  هذه من الطاقة ما يعادل  انتاج مفاعل واحد للطاقة النووية. وهذه تعد أكبر مزرعة رياح بحرية تشغيلية في العالم حيث تنتج ما يكفي من الكهرباء لتزويد نحو ٥٠٠ ألف منزل في بريطانيا. كما تحتوي مزرعة لندن على ١٧٥ توربيناً يصل طول كل شفرة من شفراتها إلى ٦٠ مترا ويبلغ قطر حركتها ١٢٠ مترا، وقوة تقدر بـ ٣٫٦ ميغاوات. وقد تم شراء التوربينات والمعدات ذات الصلة من شركة سيمنس الالمانية والتي ستقوم أيضا بعمليات الصيانة على المدى الطويل بالتعاون جنبا إلى جنب مع الشركة الدنماركية العملاقة للطاقة دونغ. وذلك اضافة الى رابط نقل لتوصيل التيار الكهربائي يتم تشغيله بشكل مشترك بين شركة الاستثمار في البنية التحتية البريطانية وشركة ميتسوبيشي اليابانية.

تعزيز عملية الانتعاش في فوكوشيما

انّ المشروع الإيضاحي لمزرعة فوكوشيما العائمة للرياح البحرية (FORWARD) هو مشروع وطني يهدف إلى تنفيذ تكنولوجيا طاقة الرياح البحرية العائمة الرائدة في العالم. وهو رمز للجهود المبذولة في فوكوشيما لتصبح المحافظة رائدة في مجال الطاقة المتجددة. فتَجّمُع (FORWARD) هو عبارة عن تجمع لشركات ومؤسسات علمية أقامته وزارة الاقتصاد والتجارة والصناعة اليابانية ويشمل: شركة ماروبيني، جامعة طوكيو، شركة ميتسوبيشي، شركة ميتسوبيشي للصناعات الثقيلة المحدودة، شركة اليابان البحرية المتحدة، ميتسوي للهندسة وبناء السفن المحدودة، نيبون ستيل، شركة سوميتومو ميتال، شركة هيتاشي المحدودة، شركة فوروكاوا الكتريك المحدودة، شركة شيميزو ومعهد ميزوهو للمعلومات والبحوث. ويغطي المشروع المذكور عدة مراحل: المرحلة الأولى من السنة المالية ٢٠١١-٢٠١٣ والمرحلة الثانية من السنة المالية ٢٠١٤-٢٠١٥. كما تبلغ تكلفته الإجمالية نحو ١٨٫٨ مليارين ياباني تم حتى اليوم إنفاق مبلغ ١٢٫٥ مليار-ين ياباني منها.

وهكذا يجمع اتحاد (FORWARD)، برئاسة شركة ماروبيني المكملة للمشروع، بين مختلف التقنيات المتطورة من أبرز الشركات المصنعة للتوربينات والهياكل العائمة والكابلات الكهربائية والمواد الفولاذية وغيرها من المكونات الأخرى. وجدير بالذكر ان فرص تنفيذ مثل هذا المشروع كانت ضئيلة جدا لو تم اقتراحه قبل عشر سنوات. لكن الشخص وراء نجاح هذا المشروع الضخم من البداية هو المستشار الفني للاتحاد، البروفسور ايشيهارا تاكيشي من جامعة طوكيو.

البروفسور ايشيهارا تاكيشي ( قسم الهندسة المدنية في كلية الهندسة، جامعة طوكيو) .

يقول البروفسور أن: ”الشيء الأكثر صعوبة تمثل في إقناع الشركات المشاركة“. ويضيف: ”كان علينا التوسل مرارا وتكرارا  سيما تلك للشركات التي رفضت المشاركة في البداية. وكان على الحكومة أن تكافح فعلاً لتوفير الأموال. لقد أدى الحادث النووي عام ٢٠١١ إلى تغيير نظرة الشركات فيما يخص طاقة الرياح، ولكن حتى لو اعتبرنا الحادث نقطة انطلاق لجهودنا لما كان باستطاعتنا الوصول إلى ما نحن عليه اليوم. ولعل هذا الانجاز هو ثمرة جهود متواصلة لأكثر من ١٠ سنوات في مجال توليد طاقة الرياح“.

يقول البروفسور إيشيهارا أن الصعوبات لن ولم تنتهِ عند هذا الحد: ”الحقيقة هي أنه حتى عندما يتم تطوير تقنية ممتازة، فمن الصعب جدا دفعها إلى مرحلة إثبات صحة التكنولوجيا المطورة“. ويضيف: ”تحتاج إلى توظيف استثمارات ضخمة من حيث الوقت والمال لاسيما عندما تحاول التحقق من المستجدات التكنولوجية. وكثيراً لا تتعدى التقنية الجديدة مرحلة كونها مجرد فكرة جيدة. فقط  وإداما استطعت أن تشق طريقك للخروج من وادي الموت هذا، يمكنك حينئذٍ أن تكون مفيداُ للمجتمع وتُسهم في ايجاد منافع اقتصادية إيجابية. الاّ اننا لم نتمكن من الوصول إلى تلك المرحلة في الماضي. وبالتالي فان قدرتنا على التقدم اليوم هو أمر لا يصدق“.

وكما يؤكد البروفسور أن: ”القوة الدافعة لتحقيق التقدم الملموس جاء مع إعادة إعمار فوكوشيما الذي دفعنا لبناء صناعة الطاقة المتجددة على نطاق مماثل لصناعة الطاقة النووية. حيث تتمثل أفضل وسيلة من خلال خلق الآلاف من فرص العمل للسكان المحليين بالنسبة لنا لدعم جهود إعادة الإعمار“.

فوائد للصناعات وتقنيات ذات الصلة

وتدعو استراتيجية تنشيط اليابان التي تمت الموافقة عليها بموجب قرار مجلس الوزراء في ١٤ يونيو/ حزيران ٢٠١٣، لتسويق توليد طاقة الرياح البحرية بحلول عام ٢٠١٨. حيث تشير الاستراتيجية – وعلى غرار تلك للسيارات والأجهزة المنزلية- إلى أن إنتاج توربينات طاقة الرياح يشملُ مجموعةً واسعةً من الصناعات والتكنولوجيا ذات الصلة من الشركات الرائدة. ونتيجة لذلك، فلهذه الصناعة الجديدة القدرة على تطوير واحدة من الصناعات التصديرية لليابان. ويجدر القول ان ذلك يدخل في توربينات طاقة الرياح ما بين ١٠-٢٠ ألف من المكونات، وهذا مماثل تقريبا بالنسبة للسيارات وبعض الأجهزة الكهربائية. وإذا ما تم تطوير مجال توليد الطاقة من الرياح فسوف ينمو الطلب على تلك المكونات أيضا.

وعلاوة على ذلك، فإن لمكونات التوربينات الكثير من القواسم المشتركة مع المكونات المستخدمة في الطائرات والسيارات والسفن مما يجعلها سوقا جاذبة للصناعات القائمة. وتهدف حكومة محافظة فوكوشيما إلى خلق فرص عمل من خلال حشد التجمعات الصناعية الكبيرة التي ستشمل مصانع التوربينات البحرية ومرافق البحث والتطوير في مواقع مثل ميناء أوناهاما الضخم (مدينة إيواكي) ومنطقة هامادوري .ولعل التوقعات المستقبلية مرتفعة، وهذا ما يشرحه المتحدث باسم مجموعة إعداد الأعمال التجارية في قسم التجارة والصناعة والعمل في حكومة محافظة فوكوشيما: ”في حين لا توجد حتى الآن أي نتائج ملموسة فيما يتعلق بطاقة الرياح، فسوف تبدأ الأمور بالتحرك فعلا عند الانتهاء من الدراسات التجريبية واتخاذ القرار لتسويق هذه التكنولوجيا“. وقد بدا محافظ فوكوشيما ساتو يوهي مفعماً بالآمال في حفل أُقيم بمناسبة بدء عمليات مزرعة الرياح البحرية : ”تمر فوكوشيما في مرحلة صعبة للغاية نتيجة للكارثة النووية. ولكنّنا نهدف إلى الانتعاش الكامل وإحياء الصناعات المحلية الخاصة بنا. هدفنا هو جعل هامادوري محورا هاما لتوليد الطاقة من الرياح“.

محافظ فوكوشيما ساتو يوهي (يسار) واكابا كازويوشي نائب وزير وزارة الاقتصاد والتجارة والصناعة يدشنا بدء عمليات تشغيل مزرعة فوكوشيما العائمة للرياح البحرية في مدينة إيواكي.

الفوز بقلوب الصيادين المحليين

ومن المجالات الهامة للبحوث التجريبية تطوير تكنولوجيا التنبؤ بحالة الطقس والبحر وإنشاء تكنولوجيا التنبؤ بُغية نصب العوامات وإنشاء تكنولوجيا مزارع الرياح البحرية العائمة وكذلك تكنولوجيا تحويل الجهد الكهربائي وتطوير انواع من الحديد الصلب والفولاذ ذي المرونة العالية. كما تجدر الإشارة إلى أنه من المهم أن تفوز هذه التكنولوجيا بثقة السكان المحليين حيث أن مزارع الرياح لا تهدد الملاحة في مياه المحيط، وهذا يتطلب إقناع السكان على أسس تستند الى تقييم شامل للبيئة بما في ذلك ما يترتب على النظر والبصر من آثار وتداخل موجات الراديو الكهرومغناطيسية وتأثيرها على الكائنات البحرية.

ومن المرجح أن يتوقف نجاح المشروع بشكل خاص على تفهم الصيادين، حيث ينتابهم القلق من أن شباك الصيد قد تعلق في مرساة أو كابل تحت البحر عندما يتم الصيد بشباك الجر ومع ذلك، فقد تم تطوير تكنولوجيا الاستشعار لتجنب التصاق شباك الصيد في أي مرساة والتي سيتم إزالتها عند اكتمال الاختبار.

نوزاكي تيتسو، رئيس ااتحاد الجمعيات التعاونية للثروة السمكية لمحافظة فوكوشيما ، يلقي خطابا.

كما وضعت الكابلات تحت البحر من خلال استخدام جهاز خاص لتسييل الرمال في قاع المحيط بحيث يتم دفنها ضمن مترٍ من الرمال. ويشرح البروفسور ايشيهارا: ”يمكننا حل كل هذه القضايا باستخدام التكنولوجيا المتاحة حاليا ولكن علينا إثبات الواقع للصيادين. ولهذا السبب، قررنا السماح للصيادين التأكد من مجريات العمل بأُّم أعينهم. وتوصلنا إلى اتفاق للصيد معا على مدى العامين المقبلين للتأكد من أنه لا توجد مشاكل على الإطلاق“. سيما وانّ التحقق من تعايش وازدهار توليد الطاقة بالرياح البحرية وصناعة صيد الأسماك معا أمر حاسم لنجاح المشروع. كما يعلق نوزاكي تيتسو، رئيس اتحاد الجمعيات التعاونية للثروة السمكية لمحافظة فوكوشيما ، حول هذا التعاون بالقول: ”لاتزال صناعة صيد الأسماك في فوكوشيما بعد الكارثة النووية في مرحلة استكشافية. وانني متفائل بأن توليد الطاقة من الرياح البحرية سوف يساعدنا على إحياء صناعة الصيد المحلية“.

ومع ذلك، فهذا لا يعني أن الصيادين لم يعد لديهم مخاوف بشأن مزارع الرياح. حيث اشار أحد العاملين على المشروع بأن مزاج الصيادين قد يتغير في العام المقبل عندما يتم تنصيب اثنين من التوربينات على الخط. سيما وانّ الفوز بموافقة كاملة من السكان ليس بالمهمة السهلة وربما تكون واحدة من أكبر التحديات التي تواجه المشروع.