أثر الإلكتريا على تطوير الهياكل الأساسية لتوليد الطاقة

التحول العالمي نحو الكهرباء يمثل أحد أكثر التحولات التي تنجم عن التاريخ الحديث، وقد أعاد التكسير تشكيل الطاقة ونقلها واستهلاكها، مما أدى إلى تطوير بنية أساسية واسعة ومعقدة لتوليد الطاقة، حيث إن المجتمعات انتقلت من مصادر يدوية للطاقة إلى اقتصاد مركزي قائم على الكهرباء، والطلب على توليد الطاقة المتجددة الموثوقة والمتدرجة، والتي تزداد ترابطاً في الطاقة، قد تزايدت في الوقت الحاضر

الخلفية التاريخية للكهرباء

وتكمن جذور انتشار الكهرباء في أواخر القرنين التاسع عشر والعشرين، وقد حارب قرون مثل توماس إيديسون ونيكولا تيسلا على نظم التيار المباشر، وتناوب نظم التيار، حيث فازت شركة AC في نهاية المطاف بسبب قدرتها على نقل الطاقة على مسافات أطول، ونشأت أول محطات توليد طاقة تجارية مثل محطة شارع إيديسون للبيرل في نيويورك )١٨٨٢( - قطع كهربائية

وقد أدت الابتكارات في تكنولوجيا التربين، ولا سيما تطوير توربينات البخار عالية الضغط من قبل شركات مثل الجنرال كهرباء وسيمينز، إلى حدوث زيادات كبيرة في إنتاج الطاقة، كما زدهرت السدود الكهرمائية، حيث بلغت مشاريع مثل سد هوفر (1936)، التي تمثل زواج الأمم الكبيرة من الهندسة المدنية وتوليد الكهرباء، وشهدت فترة منتصف القرن العشرين ارتفاعا في الطاقة النووية، حيث شهدت أول مصانع تجارية في القرن 1970(56).

الأثر على البنية التحتية لتوليد الطاقة

وقد أدى التحرير إلى بناء بنية أساسية مادية ضخمة تتسع للقارات، وأصبحت مرافق توليد الطاقة أكبر وأكثر كفاءة وأكثر تخصصا، وتفصل الفروع التالية كيفية تطور كل نوع من أنواع الجيل الرئيسي استجابة لطلبات الكهربة.

سدّات الهيدروليكية الكبيرة

وكانت الطاقة الكهرمائية من بين مصادر الكهرباء التي يمكن تصعيدها، كما أن السدود لا توفر الكهرباء فحسب، بل توفر أيضاً التحكم في الفيضانات والري وتخزين المياه، كما أن المشاريع المخروطية مثل سد هوفر (الولايات المتحدة الأمريكية) و " إيتايبو دام " (البرازيل/باراغواي) و " سد غورخيس " (الصين) أظهرت أن الكهرباء يمكن أن تولد بكميات ضخمة من مصدر متجدد، وتتطلب استثمارات ضخمة في رؤوس الأموال، وأوقات طويلة في البناء، وتتغير في النظم الإيكولوجية في النوا في النوافذة كبيرة.

محطات الطاقة الحرارية (الغازات الطبيعية والنفط)

وقد أصبحت محطات الوقود الأحفوري العمود الفقري العمود الفقري لنظم الكهرباء التي تبلغ من القرن العشرين، حيث توجد محطات توليد الطاقة التي تعمل بالفحم في هياكل ضخمة مع توليد كميات كبيرة من الدخان، لأن الفحم ورخيص، وتشهد محطات الغاز الطبيعي اندثاراً فيما بعد، ولا سيما مع ظهور تكنولوجيا التوربين الغازية ذات الدراجة المشتركة، مما أدى إلى زيادة كبيرة في الكفاءة.

محطات الطاقة النووية

إن الطاقة النووية توفر الوعد باستخدام الطاقة الخالية من الكربون التي لا حدود لها تقريبا، إذ بدأت في الخمسينات، وشيدت عشرات من النباتات النووية في جميع أنحاء العالم، ولا سيما في الولايات المتحدة وفرنسا واليابان والاتحاد السوفياتي، والهياكل الأساسية النووية من بين أكثر القطاعات كثافة رأسمالية وتعقيدا تكنولوجيا، مما يتطلب نظما قوية للسلامة، وهياكل احتواء، ومرافق لإدارة النفايات، ومع ذلك فإن الحوادث في ثلاث جزر ميلي (1979) وتشرنوبيل (1986) تؤدي إلى تباطؤ في عمليات التوسع في محطات الأمان.

مرافق الطاقة المتجددة

وقد حولت المزارع الريحية والمتنزهات الشمسية الفولطية المتطورة في القرن الحادي والعشرين، ومقارنة بالمصانع الحرارية، فإن مصادر الطاقة المتجددة هي نماذج قابلة للتكدس ويمكن نشرها في تشكيلات موزعة أو ذات نطاق فائدة، وقد أصبحت مزارع الرياح الساحلية مشتركة في السهول الريحية، وأصبحت المشاريع الخارجية تستوعب الآن مستويات أقوى من الوصلات البحرية.

الابتكارات التكنولوجية التي تمكن من التمكين من الإلكتريا

فالهياكل الأساسية لتوليد الطاقة لن تكون فعالة دون إحراز تقدم مواز في مجال النقل والتوزيع والمراقبة، وقد كانت عدة تكنولوجيات رئيسية أساسية لجعل الكهربة فعالة وموثوقة على حد سواء.

ارتفاع درجة الحرارة

وقد أصبح انتقال الطاقة من مسافة بعيدة ممكناً بخطوط عالية التردد، ولكن بالنسبة لمسافات أكبر - خاصة تحت سطح البحر والوصلات بين القارات - تكنولوجيا التيار المباشر ذات التردد العالي - أصبحت عاملاً تمكينياً بالغ الأهمية. [و] نُظم التلقيح المغناطيسي - تقلل إلى أدنى حد من الخسائر التي تطال مركز الكيلومترات في كندا، مما يسمح بتدفق موارد متجددة (مثل هذه النظم).

Smart Grids and Digitalization

وكانت الشبكات التقليدية نظماً ذات اتجاه واحد: الطاقة التي تتدفق من النباتات المركزية إلى المستهلكين. Smart grids] تستخدم أجهزة الاستشعار الرقمية، والاتصالات ذات الاتجاهين، والضوابط الآلية لدمج الموارد الموزعة، وإدارة الجيل المتغير، والاستجابة المثلى للشبكة.

نظم تخزين الطاقة

وتكتسي عملية تخزين الطاقة أهمية حاسمة في تحقيق التكامل بين حصص عالية من المتجددات المتغيرة، كما أن الطاقة الكهرمائية المخزنة بالجملة هي تكنولوجيا تخزين السائبة المهيمنة على مدى عقود، غير أن الانخفاض السريع في تكاليف بطارية الليثيوم قد أدى إلى نشر نظم تخزين البطاريات على نطاق واسع، ومن الأمثلة على ذلك احتياطي الطاقة المركبة في جنوب أستراليا والمواصلات في كاليفورنيا. [ورود هيدروجين]

تحديث وتنظيم المظالم

ولا يتطلب التصحيح معدات فحسب، بل يتطلب أيضاً أطراً تنظيمية تحفز الاستثمار والابتكار، وتتطور نماذج الأعمال المتعلقة بالقابلية للانتقال من نهج قائمة على الحجم إلى نهج قائمة على الأداء. وتضع مشغلي النظم المستقلة ومنظمات النقل الإقليمية أسواق الكهرباء، بينما تضع الجهات التنظيمية معايير للموثوقية والولايات البيئية.

التحديات التي تواجه الهياكل الأساسية الحديثة لتوليد الطاقة

وعلى الرغم من التقدم الذي أحرزته عملية الكهربة، تواجه الهياكل الأساسية القائمة عدة تحديات خطيرة يجب التصدي لها لضمان مستقبل مستدام ومرن للطاقة.

البنية التحتية القديمة والحاجة إلى تحديث

وقد بنيت معظم أسطول توليد الطاقة في الدول المتقدمة في الستينات والسبعينات، وهي تقترب الآن من نهاية فترة تصميمها، وتتقاعد محطات الفحم، وتحتاج النباتات النووية إلى تمديدات حياة باهظة الثمن، وتمتد خطوط النقل إلى عقود، وتدرج الجمعية الأمريكية للمهندسين المدنيين باستمرار الهياكل الأساسية للطاقة في الولايات المتحدة دون المتوسط. [تؤدي إلى إيجاد بدائل أعلى من حيث التكلفة]

دمج الطاقة المتجددة المتغيرة

ويختلف الريح والشمس بطبيعتهما، ففي مستويات التغلغل العالية، يواجه مشغلو الشبكات تحديات في الحفاظ على توازن العرض والطلب، كما أن الظاهرة المعروفة باسم " منحنى داك توضح احتياجات التمزق الحاد في المساء الذي قد تختفي فيه الشمس ولكن الطلب عليها، ويجب تعزيز البنية التحتية بموارد مرنة مثل كميات ذروة الغاز، والتخزين الجغرافي، والمشاركة في جانب الطلب.

الشواغل البيئية والاجتماعية

وكل شكل من أشكال توليد الطاقة له آثار بيئية، إذ ينتج الوقود الأحفوري انبعاثات، وتعطل مشاريع الهيدروجين الكبيرة النظم الإيكولوجية ومجتمعات التشريد، وتولد المواد النووية نفايات مشعة، وتحتاج المرافق الشمسية والريحية إلى الأراضي والمواد، وتواجه البنية التحتية لإعادة تدوير النفايات، وتواجه المعارضة بسبب الآثار البصرية والضوضاء وشواغل القرب، ويستلزم تحقيق التوازن بين فوائد الإلكترون (تخفيض من تلوث الهواء والتخفيف من حدة المناخ) وبين عمليات التخطيط المحلية.

الأمن السيبرى والتهديدات المادية

(ب) البنية التحتية الحديثة للطاقة آلية للغاية ومرتبطة بها، مما يثير مخاطر أمنية إلكترونية، وقد تؤدي الهجمات على نظم مراقبة الشبكة إلى حدوث انقطاع واسع النطاق، كما أن التهديدات المادية - أحداث الطقس القصوى، وعمليات إطلاق النار، والتخريب - آخذة في الازدياد مع تغير المناخ، كما يجب أن تستثمر المرافق في تدابير المرونة مثل خطوط التكديس، وتقويض الهياكل الأساسية، وتطوير الارتداد للشبكة.

الاتجاهات والفرص المستقبلية

وتشمل المرحلة التالية من عملية الكهربة إزالة كربونية عميقة لقطاع الطاقة مع توسيع نطاق الحصول على الكهرباء للسكان الذين لا يحصلون على الخدمات الكافية، وهناك عدة اتجاهات واعدة آخذة في الظهور.

نمو المواد المتجددة ودور السياسة العامة

(ب) إن مشاريع الوكالة الدولية للطاقة التي ستُعادل نسبة 95 في المائة من وحدات الطاقة العالمية خلال عام 2026. Renewables 2023) تبين أن الطاقة الشمسية وحدها ستجتذب الفحم بحلول عام 2027.

الجيل اللامركزي والزجاجات الصغيرة

وبدلاً من الاعتماد على المحطات المركزية الكبيرة، يمكن توزيع الهياكل الأساسية في المستقبل على نحو أكبر، كما أن الحدائق الشمسية، والحدائق الشمسية المجتمعية، وتخزين البطاريات المحلية، تمكن المستهلكين وتقليص خسائر النقل. Microgrids يمكن أن تعمل بشكل مستقل أثناء انقطاع الشبكات، وتحسين القدرة على مواجهة الخدمات الحيوية مثل المستشفيات، والتصدي لحالات الطوارئ، وفي البلدان النامية، يمكن للنظم اللامركزية أن توفر نماذج جديدة على الإطلاق للوصول إلى الكهرباء، إلا بسرعة أكبر من خطوط الإرشاد.

الترميز والاستخبارات الفنية

The power sector is on the cusp of a digital revolution. Artificial intelligence (AI) can optimize generation scheduling, predict equipment failures, and improve demand forecasting. Digital twins[FL:1] of the grid allow operators to simulate scenarios and testization responses. AI-powered analytics help integrate electric vehicle charging with grid.

الهيدروجين والفول الصناعى

ويمكن أن تزيل الهيدروجين الأخضر المنتج عن طريق التحلل الكهربائي المتجدد القطاعات التي يصعب كهربتها مباشرة، مثل الصناعة الثقيلة، والشحن، والطيران، كما يمكن تخزين الهيدروجين وتجميعه في توربينات الغاز لتوليد الطاقة خلال فترات انخفاض الإنتاج المتجددة، وتشمل البنية التحتية للماء المولدات الكهرمائية، وكهوف التخزين، وخطوط الأنابيب

الاستثمار والتعاون العالمي

(ب) حجم الاستثمار اللازم لتحديث وتوسيع البنية التحتية لتوليد الطاقة هائل، ويقدر المعهد الدولي للطاقة أن الاستثمار السنوي في الطاقة العالمية يجب أن يصل إلى 4 تريليونات دولار بحلول عام 2030 للوفاء بالأهداف الصافية للطاقة. IEA الاستثمار العالمي في الطاقة 2024] ويورد تفاصيل الاتجاهات الحالية، ويشمل ذلك الإنفاق على الجيل الجديد، والإرسال، والتخزين، والنظم الرقمية.

وباختصار، كان الكهربة وما زال عاملا حفازا قويا لتطوير الهياكل الأساسية لتوليد الطاقة، فالطريق التاريخي - من النباتات الحضرية المبكرة إلى مزيج متنوع من مصادر الطاقة المتجددة، والنووية، ونظم الوقود الأحفوري المتقدمة - يبث الإبداع البشري في تلبية الطلب المتزايد، ومع ذلك يجب أن تتطور الهياكل الأساسية الآن لمعالجة تغير المناخ، والقدرة على التكيف، والتحديات القائمة على الإنصاف، وبإبراز الابتكار التكنولوجي، والسياسات الذكية، والتعاون الدولي، يمكن أن يبني الهيكل الأساسي العالمي