DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-96401-z
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40204809
تاريخ النشر: 2025-04-09
المؤلف: Abdullahi Mohamed Samatar وآخرون
الموضوع الرئيسي: أنظمة الطاقة المتجددة الهجينة
نظرة عامة
تقيّم هذه الدراسة جدوى وأداء نظام الطاقة المتجددة الهجين (HRES) المصمم لميناء هوبيو، الصومال، والذي يدمج الألواح الكهروضوئية (PV)، وتوربينات الرياح (WT)، ومولد الديزل (DG)، وتخزين الطاقة الكهرومائية المضخوخة (PHES)، ونظام تخزين الطاقة بالبطاريات (BESS). تم تحليل أربع تكوينات باستخدام HOMER Pro وMATLAB لتحسين حجم النظام وتقييم الأداء التكنولوجي والاقتصادي والبيئي. ظهرت تكوينات PV/WT/PHES كأكثرها كفاءة، حيث حققت نسبة 100% من الطاقة المتجددة، وتكلفة صافية حالية (NPC) قدرها 619,720 دولار، وتكلفة موحدة للكهرباء (LCOE) قدرها 0.03845 دولار/كيلوواط ساعة، وفترة استرداد بسيطة قدرها 0.31 سنة. بالإضافة إلى ذلك، يقلل هذا التكوين من انبعاثات CO₂ بمقدار 1,029 طنًا سنويًا، بقيمة 20,593 دولار في اعتمادات الكربون، ويقلل التدفق النقدي التراكمي بنسبة 97.1% على مدى 20 عامًا مقارنة بالأنظمة المعتمدة على الديزل.
تخلص الدراسة إلى أن HRES يلبي بشكل فعال احتياجات الطاقة لميناء هوبيو بينما يعزز من أمن الطاقة والاستدامة البيئية. إن دمج PHES يحسن بشكل كبير من استقلالية تخزين الطاقة إلى 113 ساعة، مما يزيد من موثوقية النظام. على الرغم من مزاياها، فإن الاستثمار الرأسمالي الأولي العالي يمثل تحديًا للتبني الواسع. بشكل عام، تؤكد النتائج على أن HRES هو حل قابل للتطبيق وفعال من حيث التكلفة لتحسين بنية الطاقة التحتية في المناطق الساحلية في الصومال وسياقات مماثلة.
الطرق
توضح قسم المنهجية النهج المتبع لتحسين نظام الطاقة المتجددة الهجين (HRES) لإنشاء شبكة ميكرو مستدامة. تدمج الدراسة مصادر الطاقة المختلفة، بما في ذلك أنظمة الطاقة الكهروضوئية (PV)، وتوربينات الرياح (WT)، وتخزين الطاقة الكهرومائية المضخوخة (PHES)، وأنظمة تخزين الطاقة بالبطاريات (BESS)، ومولدات الديزل (DG)، حيث تعمل الأخيرة كنسخة احتياطية. تشمل الإطار مكونات حيوية مثل اختيار الموقع، وتقييم الموارد، وتحليل بيانات الحمل، وإقامة قيود مثل التكلفة الصافية الحالية (NPC)، وتكلفة الطاقة الموحدة (LCOE)، وانبعاثات الكربون.
باستخدام برنامج HOMER Pro®، تستخدم الدراسة تحسين متعدد الأهداف لتحقيق التوازن بين الأهداف المتنافسة: تقليل LCOE وNPC، وزيادة اختراق الطاقة المتجددة، وتقليل انبعاثات الكربون، وضمان موثوقية النظام. يتم التحقق من فعالية المنهجية من خلال تحليل مقارن لأداء HRES مقابل الأنظمة الهجينة التقليدية المعتمدة على الديزل فقط والأنظمة المدعومة بالتخزين. تشير النتائج إلى أن تكوين PV/WT/PHES يتفوق بشكل كبير على البدائل من حيث الجدوى الاقتصادية، والاستدامة البيئية، وموثوقية الطاقة، مع دعم دراسات الحالة لمصداقيته للتطبيقات النائية خارج الشبكة.
النتائج
يقيم قسم النتائج في الدراسة تكوين نظام الطاقة المتجددة الهجين (HRES) الأمثل لميناء هوبيو من خلال تحليل بيانات موارد الطاقة المتجددة (RE) جنبًا إلى جنب مع احتياجات المجتمع اليومية من الطاقة. يركز التقييم على عوامل رئيسية مثل إمكانيات RE، وأنظمة التخزين، وتوافر وقود مولد الديزل (DG). تم تحسين نموذج رياضي بشكل تكراري لضمان جدوى التكوينات. تم محاكاة أربع تكوينات متميزة باستخدام HOMER Pro®: PV/WT/PHES، PV/WT/DG/PHES، PV/WT/DG/BESS، وWT/DG/PHES مع محول ثنائي الاتجاه.
تم تحليل التكوينات من حيث أدائها الفني والاقتصادي والبيئي، مع تحسين حجم المكونات بما في ذلك الألواح الكهروضوئية (PV)، وتوربينات الرياح (WT)، وDG، وتخزين الطاقة الكهرومائية المضخوخة (PHES)، ومحولات الطاقة، وأنظمة تخزين الطاقة بالبطاريات (BESS) لتلبية احتياجات الحمل القصوى. تم تصنيف التكوينات بناءً على مقاييس مثل التكلفة الصافية الحالية (NPC)، وتكلفة الطاقة الموحدة (LCOE)، ورأس المال الأولي، وتكاليف الوقود، والنفقات التشغيلية، واختراق RE، ونقص السعة، وفائض الكهرباء، وانبعاثات CO₂. تم تحديد التكوين 1، الذي يتضمن نظام PV/WT/PHES مع محول طاقة، كالأكثر فعالية، حيث يظهر أداءً فنيًا واقتصاديًا متفوقًا مقارنة بالتكوينات الأخرى. تؤكد هذه النتيجة على جدواه وموثوقيته في تلبية احتياجات الطاقة لميناء هوبيو مع تقليل التكاليف والآثار البيئية.
المناقشة
يسلط قسم المناقشة في ورقة البحث الضوء على تطوير وتحسين أنظمة الطاقة المتجددة الهجينة (HRES) للكهربة الريفية، مع التركيز بشكل خاص على دمج تخزين الطاقة الكهرومائية المضخوخة (PHES) كبديل مستدام لأنظمة البطاريات التقليدية. تظهر تكوينات HRES المقترحة، مثل PV/DG/BESS وPV/WT/BESS، فوائد اقتصادية وبيئية كبيرة، حيث تحقق تكاليف صافية حالية (NPC) قدرها 96.9 ألف دولار و129.7 ألف دولار، على التوالي، بالإضافة إلى تكاليف موحدة للكهرباء (LCOE) قدرها 0.090 دولار/كيلوواط ساعة و0.180 دولار/كيلوواط ساعة. من الجدير بالذكر أن هذه الأنظمة تظهر معدلات اختراق عالية للطاقة المتجددة (تصل إلى 91.8%) وانخفاضات كبيرة في انبعاثات غازات الدفيئة، مما يبرز جدواها للكهربة الريفية المستدامة.
تؤكد الورقة على قيود أنظمة تخزين البطاريات التقليدية، التي تتميز بعمر قصير وتأثيرات بيئية عالية خلال التصنيع والتخلص. بالمقابل، تقدم PHES دورة حياة أطول، وسعة تخزين أكبر، وانبعاثات أقل، مما يجعلها خيارًا أكثر جدوى لتخزين الطاقة في المناطق النائية. تتناول الدراسة بشكل خاص احتياجات الطاقة لميناء هوبيو في الصومال، مقترحة نظام HRES متجدد بالكامل يدمج PHES ويشمل تقييم بيئي شامل لدورة الحياة. يهدف هذا النهج ليس فقط إلى تلبية احتياجات الطاقة لميناء هوبيو بكفاءة، ولكن أيضًا لوضع معيار للبحوث المستقبلية في مجال الطاقة المتجددة في المناطق المحرومة، مما يبرز أهمية الحلول المخصصة التي تأخذ في الاعتبار السياقات الاجتماعية والاقتصادية المحلية واحتياجات البنية التحتية.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-96401-z
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40204809
Publication Date: 2025-04-09
Author(s): Abdullahi Mohamed Samatar et al.
Primary Topic: Hybrid Renewable Energy Systems
Overview
This research evaluates the feasibility and performance of a hybrid renewable energy system (HRES) designed for Hobyo Seaport, Somalia, integrating photovoltaic (PV) panels, wind turbines (WT), a diesel generator (DG), pumped hydro energy storage (PHES), and a battery energy storage system (BESS). Four configurations were analyzed using HOMER Pro and MATLAB to optimize system sizing and assess techno-economic and environmental performance. The PV/WT/PHES configuration emerged as the most efficient, achieving a 100% renewable energy fraction, a net present cost (NPC) of $619,720, a levelized cost of electricity (LCOE) of $0.03845/kWh, and a simple payback period of 0.31 years. Additionally, this configuration mitigates 1,029 tons of CO₂ emissions annually, valued at $20,593 in carbon credits, and reduces cumulative cash flow by 97.1% over 20 years compared to diesel-based systems.
The study concludes that the HRES effectively meets the energy demands of Hobyo Seaport while enhancing energy security and environmental sustainability. The integration of PHES significantly improves energy storage autonomy to 113 hours, thereby increasing system reliability. Despite its advantages, the high initial capital investment poses a challenge for widespread adoption. Overall, the findings underscore the HRES as a viable, cost-effective solution for improving energy infrastructure in Somalia’s coastal regions and similar contexts.
Methods
The methodology section details the approach taken to optimize a Hybrid Renewable Energy System (HRES) for establishing a sustainable microgrid. The study integrates various energy sources, including photovoltaic (PV) systems, wind turbines (WT), pumped hydro energy storage (PHES), battery energy storage systems (BESS), and diesel generators (DG), with the latter serving as a backup. The framework encompasses critical components such as site selection, resource assessment, load data analysis, and the establishment of constraints like Net Present Cost (NPC), Levelized Cost of Energy (LCOE), and carbon emissions.
Utilizing HOMER Pro® software, the research employs multi-objective optimization to balance competing goals: minimizing LCOE and NPC, maximizing renewable energy penetration, reducing carbon emissions, and ensuring system reliability. The methodology’s effectiveness is validated through a comparative analysis of HRES performance against traditional diesel-only and storage-supported hybrid systems. Findings indicate that the PV/WT/PHES configuration significantly outperforms alternatives in terms of cost-effectiveness, environmental sustainability, and energy reliability, with case studies further supporting its viability for remote off-grid applications.
Results
The results section of the study evaluates the optimal hybrid renewable energy system (HRES) configuration for Hobyo Seaport by analyzing renewable energy (RE) resource data alongside the community’s daily power needs. The assessment focuses on key factors such as RE potential, storage systems, and the availability of diesel generator (DG) fuel. A mathematical model was iteratively refined to ensure the feasibility of the configurations. Four distinct configurations were simulated using HOMER Pro®: PV/WT/PHES, PV/WT/DG/PHES, PV/WT/DG/BESS, and WT/DG/PHES with a bidirectional converter.
The configurations were analyzed for their technical, economic, and environmental performance, with optimal sizing of components including photovoltaic (PV) panels, wind turbines (WT), DG, pumped hydro energy storage (PHES), power converters, and battery energy storage systems (BESS) to meet peak load demands. The configurations were ranked based on metrics such as net present cost (NPC), levelized cost of energy (LCOE), initial capital, fuel costs, operational expenses, RE penetration, capacity shortages, surplus electricity, and CO₂ emissions. Configuration 1, which includes a PV/WT/PHES system with a power converter, was identified as the most effective, demonstrating superior technical and economic performance compared to the other configurations. This finding underscores its feasibility and reliability in meeting Hobyo Seaport’s energy requirements while minimizing costs and environmental impacts.
Discussion
The discussion section of the research paper highlights the development and optimization of hybrid renewable energy systems (HRES) for rural electrification, particularly focusing on the integration of pumped hydro energy storage (PHES) as a sustainable alternative to conventional battery systems. The proposed HRES configurations, such as PV/DG/BESS and PV/WT/BESS, demonstrate significant economic and environmental benefits, achieving net present costs (NPC) of $96.9k and $129.7k, respectively, along with levelized costs of electricity (LCOE) of $0.090/kWh and $0.180/kWh. Notably, these systems exhibit high renewable energy penetration rates (up to 91.8%) and substantial reductions in greenhouse gas emissions, underscoring their feasibility for sustainable rural electrification.
The paper emphasizes the limitations of traditional battery storage systems, which are characterized by short lifespans and high environmental impacts during manufacturing and disposal. In contrast, PHES offers a longer lifecycle, greater storage capacity, and lower emissions, making it a more viable option for energy storage in remote areas. The study specifically addresses the energy needs of Hobyo Seaport in Somalia, proposing a fully renewable HRES that integrates PHES and incorporates a comprehensive lifecycle environmental assessment. This approach not only aims to meet the energy demands of the seaport efficiently but also sets a benchmark for future renewable energy research in underserved regions, highlighting the importance of tailored solutions that consider local socio-economic contexts and infrastructure needs.