تعزيز مزارع الرياح البحرية وتوربينات المد عبر التنبؤ بالمستحيل

مشاريع الطاقة المتجددة البحرية تشهد اهتمامًا كبيرًا على مستوى العالم. إذا نظرنا إلى الاتحاد الأوروبي فقط، فإن نشر طاقة الرياح البحرية هو جوهر تنفيذ الصفقة الخضراء الأوروبية، التي تهدف إلى ضمان تنافسية أوروبا وأمان إمدادات الطاقة.

بشكل عام، نشرت المفوضية الأوروبية استراتيجية مخصصة للاتحاد الأوروبي بشأن الطاقة المتجددة البحرية، مقترحةً إجراءات قوية لدعم التنمية المستدامة طويلة الأجل للقطاع. تحدد الاستراتيجية هدفًا طموحًا لسعة مركبة لا تقل عن 60 جيجاواط من طاقة الرياح البحرية و1 جيجاواط من طاقة المحيط بحلول عام 2030، و300 جيجاواط و40 جيجاواط على التوالي بحلول عام 2050. الخبر السار هو أن دول الاتحاد الأوروبي قد تجاوزت بالفعل الأهداف التي اقترحتها المفوضية، سواء على المدى القصير أو الطويل.

السوق العالمية للطاقة المتجددة البحرية تنمو أيضًا بسرعة. وفقًا لـ تقرير سوق الرياح البحرية 2024 الصادر عن المؤسسة الوطنية للطاقة المتجددة (NREL)، زادت التركيبات الجديدة للرياح البحرية في عام 2023 السعة العالمية إلى أكثر من 68 جيجاواط، موزعة على 319 مشروعًا تشغيليًا يضم أكثر من 13,000 توربينًا عاملًا.

مع وجود مشاريع إضافية في مراحل مختلفة من التخطيط والتطوير، فإن سعة طاقة الرياح البحرية المتوقعة في الأنابيب تتجاوز 453.6 جيجاواط، منها 104.4 جيجاواط من الهياكل العائمة.

مثل هذا النمو في أنظمة الطاقة المتجددة البحرية يتطلب دعمًا قويًا من مجتمع البحث والتطوير العالمي — وهذا الدعم متاح. في الفقرة التالية، نناقش أحد التطورات الابتكارية: نشر روبوتات تحت الماء قادرة على التنبؤ بالأمواج في الوقت الفعلي لتقليل تكلفة إنتاج الطاقة المتجددة البحرية.

تقنية جديدة قد تجعل صيانة مزارع الرياح البحرية وتوربينات المد أرخص وأسرع وأكثر أمانًا

أجرى البحث ثلاثة باحثين من جامعة إدنبرة: كايل ل. ووكر، لورا بيث جوردان، وفرانشيسكو جورجيو-سيرشي. طوّر هذا الفريق هندسة تحكم شاملة من البداية إلى النهاية لرفض الاضطرابات أثناء مهام تثبيت الموقع تحت تأثير أمواج، تشمل متحكم تنبؤي غير خطي (NMPC) مدمجًا مع متنبئ أمواج بحرية حتمي (DSWP). تهدف حلولهم إلى تسهيل عمل المركبات تحت الماء في بيئات سائدة فيها الأمواج، حيث تؤثر الاضطرابات بشكل كبير على استجابة المركبة وتشكل تهديدًا للسلامة التشغيلية.

ببساطة، ابتكر الباحثون أدوات—حسابية وتجريبية—تمكن الروبوتات الذاتية من الحفاظ على موقع ثابت وسط أمواج غير منتظمة وعنيفة. استخدموا خزان اختبار FloWave التابع للجامعة كموقع للتجربة. وللحصول على البيانات، استندوا إلى رؤى تم التقاطها بواسطة عوامة في بحر الشمال لتقليد الظروف التي قد يعمل فيها الروبوت.

يستخدم النظام أجهزة مربوطة بقاع البحر لقياس اتجاه وارتفاع الأمواج الواردة ونقل المعلومات في الوقت الحقيقي إلى الروبوت القريب، مما يمكّن الآلة غير المأهولة من توقع الاضطرابات المستقبلية في الماء ومواجهتها للحفاظ على موقع مستقر.

فوائد التقنية

المصدر: جامعة إدنبرة

ستقوم الروبوتات غير المأهولة المستقرة في البحر بأداء مهمة الصيانة الروتينية المعقدة بتكلفة أقل، مما يقلل من التكلفة الإجمالية لتوليد الطاقة المتجددة، التي تفتقر عادة إلى ميزة تنافسية لأنها أغلى من الوقود الأحفوري. كما أن نشر هذه الروبوتات واستقرارها سيضمن عمليات مبسطة لا تحتاج إلى سفن أو مروحيات أو معدات رفع.

يبرز الباحثون أن حلهم الجديد يتفوق على أنظمة التحكم التقليدية.

“من خلال تشكيل توقع لاضطرابات الأمواج المستقبلية ودمجها داخل نظام التحكم، نستطيع توسيع هذا النطاق مع تغييرات قليلة أو دون أي تغيير في عتاد الروبوت. من حيث تطبيق هذه التقنية في الميدان، فإن ذلك يُعد فائدة هائلة ويجعل نظامنا قابلًا للتطبيق على معظم المركبات المتوفرة حاليًا في السوق.”

علاوة على ذلك، أظهرت نتائج التجارب أن النظام يتمتع بمستويات عالية من التوافق مع الروبوتات التي تعمل على أعماق كبيرة بالقرب من السطح حيث تُشعر الاضطرابات بقوة.

في المستقبل، يطمح الباحثون إلى تمكين الحل بمستوى أعلى من الاستقلالية لأداء مهام دقيقة مثل اكتشاف الصدأ أو إصلاح المعدات الكهربائية دون أن يصبح غير مستقر.

“تطوير هذه التقنية أكثر قد يساعد على إحداث تحول جذري في اعتماد الروبوتات غير المأهولة في البحر وزيادة درجة الأتمتة في قطاع الطاقة البحرية بشكل كبير.”

بينما تجعل هذه الأبحاث إنتاج الطاقة المتجددة البحرية أرخص وأكثر كفاءة، يجب أن نتذكر أن البحث في هذا المجال مستمر منذ فترة طويلة. على سبيل المثال، في عام 2022 نشر ثلاثة باحثين—Y. Liu، M Hajj، وY. Bao—مراجعة لتقييم الأضرار باستخدام الروبوتات لتوربينات الرياح البحرية (OWTs). فيما يلي بعض الجوانب الحاسمة لنتائج المراجعة.

انقر هنا لتتعرف على تقنية التوربينات المولدة للطاقة الريحية بدون حركة.

نشر الروبوتات لتقييم الأضرار في توربينات الرياح البحرية

أبرز البحث أن الروبوتات يمكنها تنفيذ مهمة تقييم الحالة الآلية لتوربينات الرياح البحرية. استكشف إمكانيات نشر الطائرات بدون طيار، الروبوتات المتسلقة، والروبوتات تحت الماء للمراقبة واستخدام التصوير الفوتوغرافي، التصوير الحراري، وتصوير الأشعة السينية لاكتشاف الشذوذ.

تعاني توربينات الرياح البحرية من عوامل عديدة، بما في ذلك البيئات القاسية حيث تستمر الأحمال الديناميكية والمتطرفة في إلحاق الضرر بسلامتها وعمرها التشغيلي. ترتفع تكاليف التركيب والصيانة، مما يؤدي إلى زيادة تكلفة إنتاج الطاقة المتجددة بشكل عام. بالإضافة إلى ذلك، هناك خطر تدهور المواد بسبب مياه البحر المالحة.

تشير الأبحاث إلى أن التقدمات الأخيرة في تكنولوجيا الروبوتات والخوارزميات الذكية يمكن أن تساعد في تقييم مستويات الضرر في OWTs. بينما يمكن للروبوت المجهز بجهاز فحص غير مدمر (NDE) أن يُشغل عن بُعد أو تلقائيًا لتفتيش OWTs، يمكن تحليل البيانات المستخلصة من هذه الأجهزة باستخدام خوارزميات ذكية للكشف عن الأضرار، تصنيفها، تحديد موقعها، وتقدير حجمها. يمكن للطائرات بدون طيار، الروبوتات المتسلقة، والروبوتات تحت الماء أن تدعم ذلك بحمل أجهزة مثل الكاميرات البصرية وتلك تحت الحمراء، بالإضافة إلى معدات الأشعة السينية.

استنتج البحث أن الفحوصات القائمة على الروبوتات قد تكون حلولًا رائعة لتعزيز السلامة وتقديم مستوى عالٍ من المتانة مع الحفاظ على انخفاض التكلفة.

نظراً للقيمة التي تقدمها هذه الحلول لصناعة إنتاج الطاقة المتجددة، طورت عدة شركات حلولًا تجارية في هذا المجال. فيما يلي بعض الأمثلة.

انقر هنا لتتعرف إذا كان بإمكان الرياح تزويد العالم بالطاقة.

1. Aerones

Aerones هي إحدى الشركات الرائدة عالميًا التي تقدم خدمات صيانة روبوتية لتوربينات الرياح. تدعي الشركة أنها تستفيد من تقنيتها الروبوتية الحاصلة على براءة اختراع لتزويد فرق الخدمة لديها بعمليات أسرع وأكثر أمانًا وفعالية لمشغلي الرياح حول العالم.

تشمل نطاقات الخدمات التي تقدمها Aerones جميع مجالات الخدمة الحيوية لدورة حياة التوربين، بما في ذلك الفحص، التنظيف، الإصلاح، وأكثر. بالنسبة للفحص، توفر حماية من الصواعق، فحص داخلي وجوي، وخدمات تنظيف فتحات الصرف. في مجال التنظيف، تقوم Aerones بتنظيف البرج والشفرات. بالنسبة لخدمات الإصلاح، تساعد منصة الروبوت المتقدمة لدى Aerones في إعداد السطح، تطبيق الحشو، الصنفرة، وحماية الحافة الأمامية، مع تطبيق طبقة واقية لحماية سطح الشفرة من التآكل لسنوات قادمة.

مجموعة Aerones الفريدة من الخدمات الروبوتية لا تهدف إلى استبدال البشر أو سحب وظائفهم. فهي تتطلب فنيين معتمدين للتحكم في الأدوات من داخل مركبة دافئة. بفضل دقة الروبوتات وكفاءتها، تقلل خدمات Aerones من وقت التوقف بمقدار 4-6 مرات وتقلل فترات الانتظار غير النشطة بمقدار 5-10 مرات. نظامها المملوك يقدم خدمات روبوتية عالية الجودة لفنيي توربينات الرياح للفحص، التنظيف، الصيانة، والإصلاح، بينما يجمع منصتها الرقمية السحابية بيانات فريدة عبر الصناعات من عمليات الفحص، مما يتيح تسعيرًا فعالًا لخطط الصيانة الوقائية الذكية والميزانيات.

في سبتمبر 2024، حصلت Aerones على دعم من صندوق الابتكار التابع للاتحاد الأوروبي المخصص للمشاريع المبتكرة الجاهزة للسوق، القابلة للتوسع، والطموحة التي تهدف إلى خفض انبعاثات ثاني أكسيد الكربون.

تلقت Aerones 4.4 مليون يورو من صندوق الابتكار الأوروبي. وفقًا لتصريحاتهم، يهدف المشروع إلى إنجاز إصلاحات التوربينات خلال 18 ساعة، مما يقلل وقت التوقف بشكل كبير ويساهم في تحقيق أهداف المناخ العالمية. وفقًا للتقارير، من المتوقع أن يؤدي نهجهم إلى خفض وقت إصلاح الصيانة بنسبة 67%، وتجنب 161,349 طنًا من انبعاثات CO₂ على مدى عقد، وتمكين إنتاج 918,320 م.و.ط إضافية من الكهرباء المتجددة.

في يناير 2023، جمعت Aerones 30 مليون دولار أمريكي لتوسيع خدماتها المدعومة بالروبوتات وتعزيز الكفاءات. قاد جولة التمويل مستثمرون جدد مثل Lightrock وHaniel، بمشاركة من Blume Equity والمستثمرين الحاليين Change Ventures، Metaplanet، وMantas Mikuckas، وغيرهم.

أوضحت Aerones أن الأموال ستُستخدم لتطوير وظائفها التقنية والبيعية، وزيادة عدد فرق الخدمة الروبوتية، والتوسع إلى أسواق سريعة النمو جديدة. عند جمع التمويل، كانت حلول Aerones الروبوتية تخدم عملاء يمثلون 50٪ من سعة طاقة الرياح العالمية.

2. Bladebug

شركة مبتكرة أخرى لتلبية احتياجات صناعة الرياح البحرية المتنامية وجعلها أكثر توقعًا وكفاءة هي Bladeblade. طورت الشركة روبوتات متقدمة لمساعدة الفنيين في فحص وإصلاح شفرات التوربينات دون الحاجة إلى الوصول بالحبال. هناك العديد من المزايا لحلول Bladeblade الروبوتية؛ فهي تقلل الحواجز أمام الاعتماد، وتقلل وقت التوقف، وتمنع تكرار الجهود.

يمكن تشغيل روبوتات Bladebug الزاحفة من خارج خط البصر. بفضلها، يستطيع الفنيون إجراء مهام الصيانة عن بُعد دون التكلفة المرتبطة ولا التعرض للظروف القاسية. إنها شبه ذاتية.

ثانيًا، نظرًا لخفتها، فإن سرعة النشر وسهولة الاستخدام أعلى بكثير من العديد من منافسيها. من خلال حل Bladebug الروبوتي، يمكن لفرق التشغيل والصيانة معالجة العيوب قبل أن يصبح من الممكن استخدام فريق وصول بالحبال التقليدي. يزيد هذا الصيانة الوقائية من كفاءة التوربين وتزيد من الطاقة منخفضة الكربون المتولدة.

أخيرًا، يضمن التصميم المعياري أن جسم الروبوت يمكنه استيعاب معدات فحص غير مدمرة مختلفة ومعدات إصلاح، مما يجعله مرنًا أثناء العمل في البحر.

تلقت Bladebug دعمًا ماليًا وإرشاديًا واسعًا من شركات مثل Innovate UK، Catapult Offshore Renewable Energy، Imperial Enterprise Lab، وLaunch Academy. تم تمويلها من قبل مستثمرين اثنين: Britbots وThe Offshore Wind Growth Partnership.

3. Reblade

في مايو 2024، أفاد المجلس العالمي لطاقة الرياح أن سجلًا جديدًا تم تحقيقه بتركيب 117 جيجاواط من السعة الجديدة عالميًا في عام 2023. نتيجة لتحدي تركيب المزيد من الأجهزة وزيادة خطط الصيانة المصاحبة، أنشأت شركة Reblade الدنماركية مصنعًا مصغرًا للإصلاح يُسلم عبر الطائرات بدون طيار.

تشمل حلول الشركة الروبوتية لإصلاح شفرات التوربينات نظامًا جاهزًا للتوصيل للفرق الصيانة يتيح للفرق توجيه ومراقبة المشاريع من الأرض. يمكن لروبوتات Reblade تقديم إصلاحات التآكل باستخدام روبوت لكل نشاط، من التنظيف والطحن إلى الطلاء وتغطية الحافة الأمامية لشفرات التوربين. كان نظام الإصلاح المُسلم عبر الطائرات بدون طيار قابلًا للتخصيص، حيث يمكن لكل وحدة تنفيذ مهام ومنتجات محددة وفقًا لتفضيلات واحتياجات كل عميل.

زعمت الشركة أن روبوتاتها سريعة وفعالة للغاية، حيث أكملت فرق الخدمة إصلاحات على توربينين كاملين في يوم واحد. كما زعمت أن حلولها يمكنها تحمل مجموعة متنوعة من الظروف الجوية، مع عمل الروبوتات بسلاسة في المواقع النائية، مما يقلل من وقت الخدمة والتكاليف بنسبة تصل إلى 80٪. تمتلك الشركة ثلاثة مستثمرين، بما في ذلك Eureka Network ومجلس الابتكار الأوروبي.

حلول روبوتية لتعزيز مزارع الرياح البحرية وتوربينات المد: المستقبل

في الأيام القادمة، سيتطلب تعزيز الكفاءة عبر مزارع الرياح البحرية وتوربينات المد جهودًا أكبر في أتمتة عمليات الفحص والصيانة. هذه الجوانب، إلى جانب تحسين جودة الخدمة، ستقلل بشكل كبير من مخاوف السلامة من خلال تقليل الحاجة إلى الغواصين البشر للعمل في بيئات تحت الماء الخطرة.

سيتضمن التحول من الجهود البشرية إلى الحلول الروبوتية مركبات تُشغل عن بُعد، سفن سطحية غير مأهولة، وروبوتات تحت ماء ذاتية أكثر تطورًا. ستعمل هذه التقنيات بنجاح في ظروف خطرة أو غير قابلة للوصول للبشر، عبر مجموعة من الظروف الجوية الصعبة، على أعماق أكبر، ولمدد زمنية أطول.

حدد الباحثون العاملون في هذا المجال عدة مناطق رئيسية تحتاج إلى حلول أكثر دقة. على سبيل المثال، يجب على الروبوتات تحت الماء الحفاظ على تموضع دقيق في البحار المتقلبة—وهي تحدي يعالجه البحث الذي بدأنا مناقشته كاختراق مهم.

يفكر الباحثون أيضًا في استخدام التوائم الرقمية. بما أن روبوتات اليوم قادرة على تقنيات رسم خرائط ثلاثية الأبعاد وإعادة بناء متقدمة، يمكنها إنشاء نماذج ثلاثية الأبعاد مفصلة للبنية التحتية تحت البحر. يمكن للمهندسين بعد ذلك استخدام هذه “التوائم الرقمية” لمراقبة تراكم الكائنات البحرية على أسس التوربينات أو لتحديد المشكلات الهيكلية المحتملة، كل ذلك من أمان غرف التحكم البرية.

اختراق آخر يغير قواعد اللعبة هو الاستخدام المنسق لسفن سطحية غير مأهولة (USVs) وروبوتات تحت ماء (ROVs). تعمل USVs كمحطات قاعدة متنقلة، تنشر وتنسق مع ROVs تحت الماء لإجراء فحوصات شاملة لبنية مزارع الرياح. تستفيد الفرق التي تجري مثل هذه العمليات من الذكاء الاصطناعي المتقدم وأنظمة التحكم، مما يسمح لهذه الوحدات الروبوتية بالتنقل في بيئات تحت ماء معقدة بدقة وكفاءة ملحوظة.

وفقًا للتقديرات، يمكن لاستخدام أنظمة الفحص الروبوتية تقليل استهلاك الوقود لمهام الصيانة بنسبة تصل إلى 97٪—من 7,000 لتر يوميًا إلى 200 لتر فقط.

باختصار، الفوائد عديدة. الفوائد المناخية تنبع من خفض كبير في انبعاثات الكربون. تستفيد الشركات على المدى الطويل حيث تُخفض هذه الحلول التكلفة الإجمالية لإنتاج الطاقة المتجددة. وأخيرًا، يستفيد الموظفون، خاصةً أولئك المرتبطون بالصيانة والفحص، من معايير سلامة محسنة وإمكانية عمل خالية من المخاطر إلى حد كبير.

انقر هنا للحصول على قائمة بأفضل أسهم طاقة الرياح للاستثمار فيها.