أعلن فريق البحث التابع لمعهد كارلسروه للتكنولوجيا (KIT) في ألمانيا مؤخرًا أنه حقق تقدمًا كبيرًا في تكنولوجيا توربينات الغاز الخالية من الضغط: حيث يمكنه تشغيل توربينات الغاز بشكل ثابت لتوليد الكهرباء دون ضغط ميكانيكي للهواء. تتميز تجربتها الأخيرة بوقت تشغيل مستمر يزيد عن 5 دقائق، مما يكسر عنق الزجاجة الفني السابق المتمثل في الاشتعال قصير المدى فقط والفشل السريع بسبب ارتفاع درجة حرارة غرفة الاحتراق.
ويُنظر إلى النتائج على أنها خطوة رئيسية نحو نظام طاقة محايد لثاني أكسيد الكربون في المستقبل. وقال البروفيسور دانييل بانوتي، مدير معهد تكنولوجيا الطاقة الحرارية والسلامة (ITES) التابع لـ KIT، إن هذا التقدم يوفر دعمًا فنيًا مهمًا لتحقيق استخدام فعال ومرن للطاقة الهيدروجينية وبناء نظام طاقة خالي من الوقود الأحفوري.
على عكس توربينات الغاز التقليدية التي تعتمد على ضواغط ميكانيكية ضخمة، فإن هذا النظام الجديد يلغي الحاجة إلى الضواغط تمامًا - فلا حاجة لضغط الهواء مسبقًا عند الضغط العالي قبل الإشعال. في توربينات الغاز الشائعة حاليًا، سواء كانت وحدة محطة طاقة أو محرك طائرة، يتم استخدام حوالي نصف الطاقة الناتجة لتشغيل الضاغط لضغط الهواء إلى ضغط مرتفع للحفاظ على احتراق فعال. لا يمكن تحويل هذا الجزء من الطاقة إلى خرج طاقة فعال. يتجاوز التصميم الجديد بشكل أساسي رابط "الاستهلاك الداخلي" للطاقة.
يستخدم التوربين الغازي ما يسمى بمبدأ "احتراق كسب الضغط": فبدلاً من الاعتماد على ضاغط ميكانيكي، يتم استخدام موجة التفجير داخل غرفة الاحتراق لتوليد الضغط المطلوب. تنشأ موجات التفجير هذه من عدم الاستقرار الهيدروديناميكي - وهو تفاعل هياكل الدوامة والموجات التي تتراكب بشكل طبيعي داخل غرفة الاحتراق، مما يؤدي إلى زيادة ضغط الغاز دون أي أجزاء متحركة. وأشار فريق البحث إلى أن هذه الطريقة لا تقلل من فقدان الطاقة فحسب، بل تعمل أيضًا على تبسيط بنية النظام، وهو ما من المتوقع أن يؤدي إلى تحسين الكفاءة العامة بشكل كبير.
فيما يتعلق باختيار الوقود، يتمتع النظام بتنوع معين، لكن الهيدروجين يعتبر الخيار الأكثر مثالية. يتفاعل الهيدروجين بسرعة، مما يساعد على إكمال عملية رفع الضغط المستقرة في نطاق زمني قصير جدًا، وبالتالي دعم الاحتراق عالي الكفاءة. وهذا يعني أنه من المتوقع أن تحقق توربينات الغاز المستقبلية القائمة على هذا المبدأ تصميمات أخف وزنًا وأقل تكلفة في مجال توليد الطاقة، ولديها القدرة على التوسع لتشمل سيناريوهات التطبيقات ذات الطلب العالي مثل دفع الطيران.
تكمن الصعوبة الحقيقية في الاقتران الثابت بين عملية الاحتراق العنيفة والسريعة فائقة الشحن وبين الآلة التوربينية وتحويل الطاقة بشكل موثوق إلى مخرجات كهربائية. وأشار بانوتي إلى أنه نظرًا لكثافة الاحتراق العالية للغاية والنطاق الزمني القصير للغاية في غرفة الاحتراق، فإن استخراج الطاقة المتاحة وتشغيل التوربينات دون الإضرار باستقرار مجال التدفق يمثل مهمة هندسية صعبة للغاية. وأكد أن الفريق أخذ زمام المبادرة في قيادة توربين بنجاح وتوليد الكهرباء فعلياً في هذا النظام الخالي من الضغط، وهو الرقم القياسي الأول في هذا المجال.
يخطط فريق البحث لعرض توربين الغاز غير المضغوط هذا علنًا في معرض هانوفر القادم في الفترة من 20 إلى 24 أبريل 2026. وسيقع الجناح في الجناح B06 في القاعة 11 لإثبات إمكانات تطبيقه في توليد الطاقة الهيدروجينية المستقبلية وأنظمة الطاقة الخالية من الكربون في الصناعة.