أنشأ فريق بحثي من جامعة بكين للمعلمين نموذج ECA-Net للتنبؤ بإمكانية استخدام طاقة الرياح في الصين في السنوات السبعين المقبلة

من زيادة وتيرة الأحداث المناخية المتطرفة مثل الأمطار الغزيرة والفيضانات والجفاف والأعاصير وحرائق الغابات، إلى ارتفاع مستويات سطح البحر الناجم عن ذوبان الأنهار الجليدية القطبية، إلى فقدان التنوع البيولوجي وزيادة الضغط المائي، فقد أثر الاحتباس الحراري العالمي حقًا على الجميع على هذا الكوكب.

إن توسيع نطاق نشر الطاقة المتجددة يعد وسيلة فعالة لإبطاء ظاهرة الاحتباس الحراري العالمي. تعهدت الصين بتحقيق ذروة الكربون بحلول عام 2030 والحياد الكربوني بحلول عام 2060. ولتحقيق هذا الهدف، تخطط بلادنا لتعزيز تبني وتطوير الطاقة المتجددة بقوة، وتعد طاقة الرياح النظيفة والمستدامة واحدة من أكثر الموارد قيمة. ومع ذلك، فإن أحد عيوب موارد طاقة الرياح هو أنها تعتمد على العوامل الجوية وأنها متقطعة. وقد يتفاقم هذا القصور، وخاصة في سياق تغير المناخ.

وردًا على ذلك، بدأت العديد من الدراسات في استكشاف كيفية اكتشاف تأثير تغير المناخ على طاقة الرياح الإقليمية. في ظل نفس سيناريو الطقس، قد تنتج نماذج مختلفة تنبؤات مختلفة لتغير سرعة الرياح، وقد ينتج نفس النموذج أيضًا تنبؤات مختلفة لتغير سرعة الرياح في ظل سيناريوهات مختلفة.إن عدم اليقين بين النماذج وعدم اليقين بشأن السيناريوهات يشكلان تحديات رئيسية في تقييم التغيرات في إمكانات توليد طاقة الرياح في ظل تغير المناخ.

نشر فريق بحثي من كلية البيئة بجامعة بكين للمعلمين مؤخرًا ورقة بحثية جديدة بعنوان "تقييم تأثيرات تغير المناخ على موارد طاقة الرياح في الصين استنادًا إلى مجموعة النماذج المتعددة CMIP6" في منشورات ACS. قامت الدراسة بتقييم كيفية تغير إمكانات طاقة الرياح في سياق ظاهرة الاحتباس الحراري العالمي.

وبالمقارنة مع معظم الدراسات السابقة التي استخدمت نموذجًا واحدًا أو عددًا قليلًا من نماذج المناخ للتنبؤ بإمكانات طاقة الرياح الإقليمية،استخدمت الدراسة 22 نموذجًا من نماذج المناخ العالمي (GCMs) من مشروع CMIP6 كمخرجات لتوفير تقييم موثوق لعدم اليقين بين النماذج.بالإضافة إلى ذلك، فإن تحسين محاكاة سرعة الرياح يمكن أن يقلل بشكل فعال من عدم اليقين بين النماذج، لذلك اعتمدت هذه الدراسة أيضًا شبكة عصبية ملتوية عميقة (CNN) جنبًا إلى جنب مع وحدة انتباه القناة الفعالة (ECA) (ECA-Net) لتوليد نتائج تنبؤ موثوقة. وتتمتع نتائج التقييم ذات الصلة بأهمية كبيرة بالنسبة للتخطيط المتوسط والطويل الأجل في بلدي لتوليد طاقة الرياح وصياغة السياسات المتعلقة بخفض انبعاثات الكربون.

أبرز الأبحاث:

* قارنت الدراسة إمكانات توليد طاقة الرياح في بلدي في ظل سيناريوهات الاحترار المنخفض والمتوسط والعالي من أجل مراعاة عدم اليقين البيئي بشكل أفضل

* استخدمت هذه الدراسة 22 متنبئًا واسع النطاق من مخرجات CMIP6 GCM لتوليد 22 مجموعة من بيانات المحاكاة لتوفير تقييم قوي لعدم اليقين بين النماذج

* إن نتائج هذه الدراسة ذات أهمية كبيرة للتخطيط المتوسط والطويل الأجل في بلدي لتوليد طاقة الرياح وصياغة أو تنفيذ السياسات المتعلقة بخفض انبعاثات الكربون.

عنوان الورقة:
https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.estlett.3c00829 

قم بمتابعة الحساب الرسمي ورد "طاقة الرياح" للحصول على ملف PDF كامل

مجموعة البيانات: تقييمات متعددة بناءً على البيانات التاريخية

أسست هذه الدراسة نموذج التخفيض لشبكة ECA-Net باستخدام عوامل التنبؤ الشهرية واسعة النطاق من مجموعة بيانات إعادة تحليل المناخ العالمي (ERA5) التابعة للمركز الأوروبي للتنبؤات الجوية متوسطة المدى (ECMWF) وبيانات سرعة الرياح الشهرية التي تم رصدها من عام 1981 إلى عام 2005.

ومن بين عوامل التنبؤ واسعة النطاق، سرعة الرياح السطحية الشرقية (م/ثانية)، وسرعة الرياح السطحية الشمالية (م/ثانية)، وسرعة الرياح السطحية (م/ثانية)، ودرجة الحرارة السطحية (ك)، وضغط مستوى سطح البحر (باسكال)، والإشعاع الموجي القصير السطحي الهابط (وات/م²)، وتدفق الحرارة السطحية المحسوسة إلى الأعلى (وات/م²)، ودرجة حرارة الهواء 200 هيكتوباسكال (ك). تأتي بيانات سرعة الرياح الشهرية من مجموعة بيانات العناصر الأساسية V3.0 لمحطة الصين الوطنية التابعة للمركز الوطني لمعلومات الأرصاد الجوية التابع للإدارة الصينية للأرصاد الجوية.

عنوان مجموعة البيانات: http://data.cma.cn/en

يوضح الجدول التالي تفاصيل مجموعات البيانات المستخدمة في هذه الدراسة:

هندسة النموذج: التوقعات بناءً على ثلاثة سيناريوهات للانبعاثات

في هذه الدراسة، تم إنشاء نموذج التخفيض ECA-Net بناءً على طريقة ECA-Net، وتم استخدام البيانات من عام 2006 إلى عام 2010 للتحقق من النموذج المنشأ. وبعد ذلك، باستخدام النموذج المعتمد، تم التنبؤ بسرعة الرياح المستقبلية في ظل سيناريوهات مختلفة من خلال التنبؤات الشهرية واسعة النطاق التي قدمتها GCM، وتم حساب إمكانات طاقة الرياح بناءً على دالة كثافة طاقة الرياح.

في الشكل أعلاه، يمثل المربع الوردي الفاتح بيانات التدريب، ويمثل المربع الأخضر الفاتح بيانات التحقق، ويمثل المربع الأصفر بيانات GCM، ويمثل المربع الأزرق الفاتح نموذج ECA-Net المصغر، ويمثل المربع البرتقالي سرعة الرياح المصغرة، ويمثل المربع الرمادي حساب إمكانات طاقة الرياح، ويمثل المربع الأخضر تحليل التغيير في إمكانات طاقة الرياح في ظل تغير المناخ.

تتضمن توقعات المناخ المستقبلية سيناريوهات الانبعاثات في ظل ثلاثة أنماط احترار، وهي SSP1-2.6 وSSP2-4.5 وSSP5-8.5. يمثل SSP1-2.6 مستويات انبعاث غازات الاحتباس الحراري المنخفضة وتغير المناخ الصغير نسبيًا، مما يشير إلى أن ارتفاع درجة الحرارة لن يتجاوز درجتين مئويتين بحلول عام 2100. يشير SSP2-4.5 إلى سيناريوهات انبعاث غازات الاحتباس الحراري المعتدلة، ويشير SSP5-8.5 إلى سيناريوهات انبعاث غازات الاحتباس الحراري المرتفعة والعالية جدًا.

من أجل بناء إسقاط سرعة الرياح للمجموعة من بيانات GCM، قامت هذه الدراسة أولاً بإدخال عوامل التنبؤ واسعة النطاق الناتجة عن كل GCM CMIP6 في نموذج ECA-Net لتوليد ما مجموعه 22 مجموعة من بيانات محاكاة سرعة الرياح.ثم يتم حساب متوسط المجموعة بناءً على بيانات المحاكاة التي تم الحصول عليها. وأخيرا، تم إجراء تحليل التباين المكاني والزماني، وتحليل مجموعة K-means، وتحليل النقاط الساخنة على إمكانات طاقة الرياح المتوقعة في بلدي.

لإجراء تحليل مقارن، تم تقسيم بلدي إلى سبع مناطق وفقًا للظروف الجغرافية والمناخية النموذجية، وهي شمال شرق الصين (NEC)، وشمال الصين (NC)، وشرق الصين (EC)، وجنوب الصين (SC)، ووسط الصين (CC)، وشمال غرب الصين (NWC)، وجنوب غرب الصين (SWC)، وتم تقسيم السنوات الثلاثين التالية إلى فترتين (2031-2060 و2071-2100)، وتم تقييم التغييرات مقارنة بالفترة الأساسية 1985-2014.

نتائج البحث: تطوير طاقة الرياح في بلدي يواجه تحديات تغير المناخ

وتظهر نتائج التحقق أن نموذج التخفيض في النطاق ECA-Net يعمل بشكل جيد في بلدي ومناطقه الفرعية.

وعلى وجه التحديد، وكما هو موضح في الشكل أدناه، في ظل السيناريوهات الثلاثة لانبعاثات الكربون العالية والمتوسطة والمنخفضة، قام الباحثون بحساب اتجاهات التباين المكاني الزمني لكثافة طاقة الرياح في كل منطقة فرعية. وأظهرت النتائج أنها كانت ذات دلالة إحصائية عند مستوى ألفا 0.05 (باستثناء المنطقة الوسطى في سيناريو SSP5-8.5).ومن المتوقع أن يظهر إجمالي كثافة طاقة الرياح في بلدي اتجاها هبوطيا طفيفا خلال هذا القرن، حيث يعتمد حجم الاتجاه على سيناريو الانبعاثات.باستثناء شرق الصين ووسط الصين وجنوب الصين، تظهر التغيرات النسبية في كثافة طاقة الرياح في المناطق الفرعية الأخرى اتجاها هبوطيا كبيرا، وخاصة في ظل سيناريو SSP5-8.5. هناك فروق إقليمية واضحة في التغيرات في كثافة طاقة الرياح في المناطق المختلفة.

إن مدى التباين في كثافة طاقة الرياح في جنوب بلدي (شرق الصين، ووسط الصين، وجنوب الصين) منخفض نسبيًا. ومن بين جميع المناطق الفرعية، من المرجح أن تشهد شمال الصين أكبر انخفاض في كثافة طاقة الرياح، والتي قد تصل إلى 22.79% بحلول عام 2100 في ظل سيناريو SSP5-8.5.

ومن المتوقع أن تحدث زيادة في شدة الرياح في الأشهر الأكثر برودة نسبيا وأن تكون أكبر في ظل سيناريو الانبعاثات الأعلى.باستثناء العصور الوسطى (2031-2060) في ظل سيناريو SSP2-4.5، فإن موارد طاقة الرياح في معظم أنحاء بلدي سوف تشهد انخفاضاً.

وفي جميع السيناريوهات الثلاثة، ستنخفض إمكانات طاقة الرياح بشكل أكبر بحلول نهاية القرن مقارنة بمنتصفه. وتُظهِر توقعات المجموعة أنه بحلول نهاية هذا القرن (2071-2100)، سوف تزيد موارد طاقة الرياح السنوية المتوسطة في أجزاء من تشونغتشينغ وهونان وهاينان في ظل سيناريوهي SSP2-4.5 وSSP5-8.5.

تظهر التغيرات في موارد طاقة الرياح موسمية واضحة. تختلف موارد الرياح في معظم المناطق في فصل الشتاء أكثر من الصيف. وفي الفترة 2031-2060، وفي ظل السيناريوهات SSP2-4.5 وSSP5-8.5، تظهر إمكانات طاقة الرياح في الشتاء في معظم المناطق اتجاها متزايدا، في حين أن العكس صحيح في الصيف - ويمكن أن تُعزى هذه السمة الموسمية الواضحة إلى التغيرات الموسمية في الرياح الموسمية والتيارات المحيطية.

وأظهرت المحطات الواقعة في شمال وغرب بلدي، والتي تم تحديدها من خلال التجميع باستخدام طريقة K-means، اتجاها تنازليا واضحا. ويشير هذا إلى أن موارد طاقة الرياح في بعض أجزاء بلدي قد تنخفض وتصبح أقل استقرارا خلال السنوات القليلة المقبلة بسبب تغير المناخ.

وتشير هذه النتائج إلى أن استدامة تطوير طاقة الرياح في بلدي قد تواجه تحديات بسبب تغير المناخ.

تتمتع موارد طاقة الرياح بآفاق عظيمة ولكنها لا تزال تواجه تحديات

ومن أجل التخفيف من تأثير الاحتباس الحراري الناجم عن انبعاثات ثاني أكسيد الكربون الناتجة عن احتراق الطاقة الأحفورية، لا بد من إصلاح هيكل الطاقة التقليدي وترقيته لتعزيز تطوير الطاقة النظيفة ومنخفضة الكربون. طاقة الرياح هي مصدر طاقة نظيف ومتجدد ولا ينضب. فهو مناسب جدًا للجزر الساحلية ومناطق المراعي العشبية والمناطق الجبلية ومناطق الهضاب التي تعاني من نقص المياه والوقود ووسائل النقل غير المريحة. يمكن استخدامه لتوليد طاقة الرياح وفقًا للظروف المحلية. ولذلك، حظيت طاقة الرياح باهتمام متزايد من جانب بلدان العالم وأصبحت اتجاها عالميا.

إن توليد طاقة الرياح يتمتع بإمكانات هائلة، حيث تبلغ طاقة الرياح العالمية حوالي 2.74×10⁹ ميجاوات، منها 2×10⁷ ميجاوات، وهو ما يعادل 10 مرات أكبر من إجمالي كمية الطاقة الكهرومائية القابلة للاستغلال على الأرض. وبحسب إحصاءات الوكالة الدولية للطاقة المتجددة (IRENA)، شهدت صناعة طاقة الرياح العالمية تطوراً سريعاً في السنوات الأخيرة ولديها آفاق واسعة. في عام 2017، تجاوز توليد طاقة الرياح العالمية 100 مليار كيلوواط/ساعة، ليصل إلى 114.15 مليار كيلوواط/ساعة، بزيادة سنوية قدرها 18.65%؛ في عام 2022، حطم توليد طاقة الرياح العالمي رقمًا قياسيًا جديدًا، حيث وصل إلى 210.48 مليار كيلوواط/ساعة، بزيادة قدرها 13.52% عن عام 2020.

وفي بلدي، يساهم تطوير توليد طاقة الرياح في تحقيق التوازن بين التناقض بين العرض والطلب على الطاقة وتحقيق التنمية المستدامة. كما أن لها أهمية عملية كبيرة لتحقيق هدف "الحياد الكربوني". أظهرت البيانات الصادرة عن الإدارة الوطنية للطاقة أنه اعتبارًا من نوفمبر 2021، وصلت القدرة المركبة لطاقة الرياح المتصلة بالشبكة في بلدي إلى 300.15 مليون كيلووات، محطمة بذلك علامة 300 مليون كيلووات. وهذا يعادل 1.4 مرة إجمالي قدرة طاقة الرياح المركبة في الاتحاد الأوروبي في نهاية عام 2020 و2.6 مرة تلك الموجودة في الولايات المتحدة. احتلت المرتبة الأولى في العالم لمدة 12 عامًا متتالية.

ومع ذلك، بالمقارنة مع الطاقة التقليدية، فإن الخصائص المتقطعة والمتغيرة لطاقة الرياح تجعل طاقة الرياح أكثر تقلبًا وعشوائية. لا شك أن ربط طاقة الرياح بالشبكة الكهربائية سيخلف تأثيراً هائلاً على نظام الطاقة وسيؤثر على جودة الكهرباء. أيضًا،وتجلب التغيرات الطويلة الأمد في سرعة الرياح أيضًا تحديات معينة للتخطيط وتخطيط صناعة طاقة الرياح، مما يفرض حاجة ملحة للتنبؤ بالتغيرات المستقبلية في سرعة الرياح وطاقة الرياح.

تشير الملاحظات إلى أن سرعة الرياح السطحية في الصين استمرت في الانخفاض في السنوات الأخيرة، مع وجود اختلافات إقليمية وموسمية كبيرة. لا يزال أمامنا طريق طويل للسيطرة الفعالة على انبعاثات الكربون، وتطوير طاقة الرياح على المستوى الإقليمي والموسمي والشامل وفقًا للظروف المحلية، وضمان جدولة واستخدام الطاقة النظيفة في مستقبل الصين.

مراجع:
1.https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.estlett.3c00829
2.https://pubs.acs.org/doi/suppl/10.1021/acs.estlett.3c00829/suppl_file/ez3c00829_si_001.pdf
3.http://dqkxxb.cnjournals.org/dqkxxb/article/html/20230308
4.https://www.chyxx.com/industry/1154543.html