أساليب مبتكرة لتعزيز استقرار نظام الطاقة في المناطق الساحلية والجزرية

تحديات الاستقرار الوحيدة في الجزر والقضايا الساحلية

وتخضع شبكات الطاقة الساحلية والجزرية لمجموعة مختلفة من القيود أساساً عن الشبكات القارية الكبيرة والمترابطة، وتحد عزلتها الجغرافية من إمكانية الحصول على احتياطيات الجيل الخارجي، بينما تفحص الكتلة الأرضية المحدودة وقابلية التأثر بالطقس المتطرف، وتستهدف هذه المناطق في الوقت نفسه أهدافاً قوية للطاقة المتجددة للحد من الاعتماد على الديزل والزيوت الثقيلة المستوردة، مما يؤدي في كثير من الأحيان إلى اختلال الطاقة الشمسية والريحة إلى مستويات لم تكن متوقعة قبل عقد من الزمن.

فهم هشاشة الخضروات المهجورة

وقبل استكشاف الحلول، من الضروري فهم سبب حساسية هذه الشبكات لعدم الاستقرار، وعلى عكس منطقة متزامنة قارية يسهم فيها آلاف المولدات في تنظيم الترددات، فإن شبكة جزرية نموذجية قد تعتمد على أقل من عشرة آلات تناوبية، وكل رحلة مولدات تمثل جزءا كبيرا من مجموع الحمولة، مما يتسبب في انخفاض حاد في الترددات، وقد يؤدي إلى عدم كفاية التناوب في غالب الأحيان إلى إدامة هذه الأحداث في النظم الكبيرة.

التقلبات التواترية والانتماء الحاد

في النظم الصغيرة المنعزلة، يمكن أن يسبب متحول سحابة واحد ناتج مصنع فولتايك بنسبة 60 في المائة في غضون ثوان، مع قلة من احتياطيات التخدير، يمكن أن يتحول التردد إلى حدود تشغيلية قبل أن تعمل الاستجابة التقليدية للمحافظين، و الحد الأدنى الحرج الذي لا يمكن للنظام الحفاظ على الترددات الثابتة يصبح قيد التخطيط الرئيسي.

تقلبات كهربائية وضد القوى التفاعلية

وكثيرا ما تكون لشبكات السواحل والجزر خطوط توزيع واسعة النطاق ذات معدلات عالية من المقاومة إلى التكرار، مما يجعل الفولطية شديدة الحساسية لحقن الطاقة الحقيقية، وعندما تمر السحابة، فإن التدفق الناتج عن ذلك يمكن أن يسبب زيادة في الفول أو تقلبات في القدرة على الانتقال من خلال معدات العملاء، ويزيد من سرعة الرش والرطوبة في التقارب بين أجهزة التوليد والارتداد.

Environmental and Logistical Constraints

كما أن الجغرافيا والمناخ يضيفان طبقة أخرى من الصعوبة، إذ أن المناطق المعرضة للاعصار مثل منطقة البحر الكاريبي وأجزاء من جنوب شرق آسيا يجب أن تصمم شبكات قادرة على تحمل 150 ميلا من الرياح والعواصف، وأن نقل المعدات الثقيلة مثل المحولات والتحول إلى الجزر النائية أمر مكلف ومستهلك للوقت، كما أن التأخير في سلسلة الإمداد يمكن أن يعني أن العنصر الفاشل يترك مجتمعا على نظام المساندة للديزل لأسابيع.

التكنولوجيات المتطورة للمواقع: القدرات على تكوين الأحشاء

وقد أدى التحول السريع نحو الموارد المحولة إلى إحداث تغيير أساسي في كيفية إدارة الاستقرار، كما أن عمليات النقل البري السريع التي تتم على الشبكة الكهربائية والمتزامنة التي تستخدمها الشبكة الكهربائية، تشكل أيضا 100 في المائة من المولدات الكهربائية الثابتة التي لا يمكن تشغيلها دون شبكة ثابتة.

الظواهر الافتراضية والاستجابة السريعة للتواتر

ويمكن برمجة أجهزة التعقب التي تعمل بالصدفة الجريئة بحيث تكون قادرة على حقن الطاقة العاملة بالشبكة المتناسبة مع معدل التغير في التردد، مما يقلل من الاستجابة غير المباشرة لمولد متزامن، وتصبح أوقات الاستجابة لثانيتين ونصف الثانية قابلة للتحقيق، مقارنة بمتوسط التأخير الثاني الذي يتراوح بين 0.5 و2 في استخدام شبكة البرمجيات، ويتناقص تواتر عمليات الضبط السريع قبل أن تصل إلى مستويات حرجة.

تخزين الطاقة: الخط الأول للدفاع ضد التدخل

وقد أصبحت نظم تخزين الطاقة حجر الزاوية في تعزيز الاستقرار في الشبكات الجزرية والساحلية، فخلافا لمصانع الذروة الحرارية التي تستغرق دقائق لبدء التشغيل، يمكن أن تستجيب نظم تخزين الطاقة البطارية في غضون ثوانٍ إلى انحرافات التردد والفولط، حيث تُنتج الآن من منشآت ليثيوم حديثة التلقيم، والاستجابة الأولية، ومعدل الترميزات التي تُسرّع في أصول واحدة، والتي كثيرا ما تُخفض من حيث التكلفة.

إن إدارة الطاقة في الولايات المتحدة قد تُظهر أن نظاماً للشحن الطويل الأجل في المناطق الجزرية، وبطارات التدفق، وأجهزة التجميل، قد يُمكن الآن من تقييم الطاقة خلال أيام، وليس ساعات فحسب، كما أن تخزين الهيدروجينات، باستخدام فائض الطاقة المتجددة لإنتاج الطاقة الكهربائية، قد يُكسب أيضاً.

How Storage Provides Inertial and Frequency Support

ويمكن برمجة عملية الاختبارات لتخزين الطاقة الكهربائية في منطقة البحر الكاريبي بصورة غير مباشرة، حيث أن هذه العمليات التي تُجرى في المستقبل، تُستخدم في عمليات التدفق الكهربائي التي تُستخدم في مواقع غير مكتملة، حيث تُستخدم في عمليات الإنقاذ في منطقة البحر الكاريبي، حيث تُستخدم في عمليات التدفق الكهربائي التي تُجرى في المستقبل، وتُبقي على الترددات في عمليات الضبط الكهربائي التي تُستخدم في إطار نظام متزامن مع التراكم.

تخزين المهام المتعددة الاحتمالات

إن التعبئة السليمة لتخزين الطاقة تتطلب تحليل القيود المحددة على الاستقرار في كل نظام من نظم الجزر، وبالنسبة للضوابط ذات الترددات، فإن البارامترات الرئيسية هي الحد الأقصى المتوقع لانحراف الترددات بعد أكبر حالات الطوارئ الموثوقة، التي قد تكون في الشبكات الصغيرة خسارة أكبر مولد أو أكبر مجموعة من أدوات التخزين، ويجب أن يكون نظام التخزين قادرا على حقن أو استيعاب الطاقة الارتدادية في الوقت نفسه

أجهزة إلكترونية متقدمة لإدارة فولتاج

ويتمتع الاستقرار في التقلب بنفس القدر من الأهمية، كما أن أجهزة توليد الطاقة المتقدمة توفر مستوى من السيطرة غير مسبوقة في الشبكات الصغيرة، حيث أن أجهزة التعويض الثابتة في إطار VAR، والأجهزة التعويضية المتزامنة الثابتة، يمكن أن تضخ أو تستوعب الطاقة الرجعية في الوقت الحقيقي، وتواجه الاختراقات الميكانيكية للفولط الناجمة عن بدء السيارات، أو الحملات الجاهزة، أو الأخطاء غير الميكانيكية.

بالإضافة إلى أن مساهمين الطاقة الوطنية المتجددة يُمكنهم أن يُوزعوا بسرعة على عدة مواضع، ويُعززوا بشكل فعال متغيرات الشبكة بدون الحاجة إلى محطات مركزية ضخمة.

المكثفات المتزامنة:

ولا يمكن أن يؤدي نظام المعلومات الإدارية إلى زيادة القدرة على استخدام الطاقة الكهربائية إلا في إطار نهج متزامن مع وجود أجهزة متطورة تعمل على أساس عدم القدرة على إحداث الاحتياطات، كما أن هذه الوحدات الحديثة التي تُعاد استخدامها من التوربينات ذات القدرة المنخفضة، يمكن تركيبها باستخدام أجهزة متزامنة لزيادة عدم القدرة على إحداث الاحتياطات.

الرقابة الافتراضية وأجهزة التنفيذ الإضافية لإدارة الاستقرار

إن تكنولوجيات الشبكة الذكية هي النظام العصبي الذي يُثبّت الاستقرار، إذ إن نظم الرصد الواسعة النطاق التي تستخدم وحدات قياس المرحلة النهائية تُظهر في إطار المرحلة الثانية في زوايا وتواترات غير متزامنة عبر الشبكة، وفي شبكة جزرية مدمجة، يمكن أن تعطي المشغلين صورة كاملة عن عدم الاستقرار في الوقت الحقيقي، وتُغذي هذه البيانات إلى منابر مراقبة ذات ترددات آلية يمكن أن تُعدل إجراءات الصقل.

في حالة ما إذا كانت وزارة الطاقة في الولايات المتحدة قد قامت بتحديد مواقع الـ "سمارت غريد" و "الطاقة" في المنطقة الجنوبية، و "الطاقة" التي تُستخدم فيها الطاقة الكهربائية، و "الطاقة"

إدارة التوزيع المتقدمة والتنسيق مع المشاريع البالغة الصغر

وعلى مستوى التوزيع، تدمج نظم إدارة التوزيع المتقدمة الكشف عن التجاوزات، والتفاؤل بالفولط - VAR، والضوابط على موارد الطاقة الموزعة على منصة واحدة، وبالنسبة للشبكات الجزرية التي تتجمع بشكل متزايد بين شبكات الحاجات المتناهية الصغر، فإن هذا التنسيق ضروري، وفي فترة انقطاع ذات صلة بالأعاصير، يمكن لنظام إدارة الطاقة أن يقسم تلقائياً شبكة الترددات، ويشكل جزرا مقصودة حول المستشفيات، والنباتات المائية، والملاجئ.

النظم الهجينة والآلات الهندسية الصغيرة

والنموذج التقليدي لمحطة واحدة لتوليد الطاقة المركزية تخدم جزيرة بأكملها يفسح المجال أمام البنيانات الهجينة التي تختلط بالشمس والريح وتخزين البطاريات، ومولدات الديزل أو الوقود الأحيائي ذات الكفاءة العالية داخل المناطق المجهرية الخاضعة للرقابة المحلية، وترمي هذه النظم إلى العمل في كل من المناطق المترابطة بالشبكات، وتوفر طبقة للصمود لا غنى عنها في المناطق المعرضة للكوارث، وقد وثقت الوكالة الدولية للطاقة المتجددة ما يزيد على 200 مشروع من مشاريع المناطق الجزرية الصغيرة الحجم.

ومن الأمثلة البارزة على ذلك جزيرة كاواي، حيث حققت التعاونية المعنية بالنفاذ في جزر كاواي ما يزيد على 70 في المائة من التخصيب المتجدد باستخدام مزيج من الطاقة الشمسية المضغوطة، ومزارع البطاريات، وتستخدم النظام محارق للوقود تعمل بالشبكة يمكن أن تعمل دون أي توليد متزامن خلال فترات معينة، وعندما تتعرض خط الانتقال الرئيسي للخطر نتيجة لعاصفة، يمكن أن يدمر برنامج التحكم النجاحات الحديثة

الانتقال والترسيب اللاسلكي

ولا يقتصر الابتكار الرئيسي على المعدات فحسب، بل إن البرامج الحاسوبية التي تتيح إجراء عمليات للزراعة والتجديد في المسافات الباطلة، ويجب أن تكشف عمليات إعادة التشغيل الاحتياطية عن فقدان الفائدة في غضون بضع ثوان، وأن يقوم متحكم المصائد الصغرى فورا بتغطية الحمولة غير الحرجة مع تعديل مخرج البطاريات بحيث يحمل الترددات والفولط، وعند عودة الطاقة الكهربائية إلى الشبكة، يعاد التحقق من حجمها يدوياً،

دراسات الحالة الحقيقية في العالم: دروس من الأمم الجزرية

شبكة الجزر في جميع أنحاء العالم تنفذ هذه الأساليب المبتكرة بنجاح قابل للقياس، وتُظهر شركة الكهرباء الهوايّة (Hwaiian Electric) () حافظة الطاقة الكهرومغناطيسية () أكثر من 1 جي وه من مخزن البطاريات قيد التطوير أو في طور التشغيل، ترتبط مباشرة بتحسينات الاستقرار، وفي جزيرة مولوكاي، نظام الترددات الدقيقة 2 MWG) مقترن مع متطورات الديه

في جزر الكناري، محطة (إل هيرو) المضخمة بالريح قد سمحت للجزيرة بالعمل على 100% من الطاقة المتجددة لأكثر من 500 2 ساعة تراكمية، معتمداً على التخزين الهيدروليكي لتوفير أنظمة التردد عند هبوط إنتاج مزرعة الرياح، و الجزر المتجمدة، التي تواجه ظروفاً قاسية في شمال المحيط الأطلسي، قامت بدمج تخزين الطاقة بالعجلات الديزلية مع مولدات الترددات الديزلية للحفاظ على الاستقرار خلال التقلبات السريعة في الريح،

الاعتبارات الاقتصادية والبيئية

فبعد الأداء التقني، أصبحت الحالة الاقتصادية لاستثمارات الاستقرار ملحة، إذ أن المرافق الجزرية غالبا ما تنفق 30 إلى 50 في المائة من ميزانيتها التشغيلية على الديزل المستوردة، مما يعرضها على أسعار النفط العالمية المتقلبة، ويمكن أن يؤدي تثبيت الشبكة بحيث تستوعب أكثر من مصادر الطاقة المتجددة المحلية إلى تشريد الواردات من الوقود، وأن يحتفظ بدولارات الطاقة داخل المجتمع المحلي، وأن يؤدي إلى خفض تكاليف الوقود والتشغيل والصيانة، إلى جانب التكاليف المجتمعية للطاقة غير المستردة خلال فترات انقطاع الكهرباء.

كما أن تخفيض استهلاك الديزل يقطع انبعاثات غازات الدفيئة ويزيل خطر تسرب الوقود الذي يدمر النظم الإيكولوجية البحرية، حيث تلتزم الدول الجزرية بتحقيق أهداف صافية الحد، بموجب اتفاق باريس، فإن الابتكارات المتعلقة باستقرار الشبكات الموصوفة هنا تصبح العمود الفقري لعملية انتقال للطاقة النظيفة لا تضحي بالموثوقية، كما أن الانتقال يخلق وظائف محلية جديدة في تركيب وتشغيل وصيانة نظم الطاقة المتقدمة، مما يؤدي إلى زيادة العمالة بعيدا عن الاقتصادات السوقية المستوردة)١٢(.

التكنولوجيات الناشئة والطريق الأمامي

إن الموجة التالية من الابتكارات واضحة بالفعل، إذ أن محولات الطاقة المتدفقة والميدالية، التي لا تزال في مراحل ما قبل التجارة، يمكن أن توفر طاقة ثابتة يمكن التنبؤ بها لشبكات الجزر، وتكمل الانبعاثات الشمسية والريحية المتقطعة، وتجعل إمكانية التنبؤ بالطاقة في المحيطات قيمة خاصة بالنسبة للاستقرار، حيث يمكن لمشغلي الشبكات أن يحددوا لها ساعات أو أيام قبل ذلك.

كما أن المركبات الكهربائية التي تستخدمها في شبكات الطاقة الكهربائية، والتي لا تزال تعمل في مناطق الطاقة غير المجهزة، والتي تقدم خدمات الطاقة غير المستقرة، والتي لا تزال تعمل في مناطق الطاقة الصغيرة، وتسمح بتداول الطاقة الكهربائية غير المستقرة، كما أن شبكات الطاقة الكهربائية غير قادرة على التداول،