وتعيد تكنولوجيات الشبكة الذكية تشكيلها أساساً عن كيفية توليد الكهرباء وتوزيعها واستهلاكها، ومن خلال دمج المعلومات الرقمية في شبكة الطاقة التقليدية، تتيح هذه النظم الاتصال على طريقين، والرصد في الوقت الحقيقي، والمراقبة الآلية، وتنجم عن ذلك شبكة طاقة أكثر كفاءة وموثوقية ومستدامة، وتؤثر مباشرة على تكلفة المستهلكين تدفع مقابل الكهرباء.

Understanding Smart Grid Technologies

والشبكة الذكية ليست تكنولوجيا واحدة بل هي نظام إيكولوجي متكامل للمعدات والبرامجيات ونظم الاتصالات التي تُحدّث الشبكة الكهربائية القديمة، وتعتمد الشبكات التقليدية على تدفق الطاقة من اتجاه واحد والرقابة اليدوية، مما يجعلها بطيئة في الاستجابة للأخطاء وغير قادرة على إدماج مصادر متجددة متغيرة بكفاءة، وتُعرّف شبكات الطاقة الذكية، على النقي، والتحكم الآلي في إنشاء شبكة دينامية وقائمة على الذات.

العناصر الرئيسية لـ (سمارت غريد)

وتعمل عدة تكنولوجيات أساسية معاً من أجل توفير قدرات الشبكات الذكية:

  • Advanced Metering Infrastructure (AMI): ] Smart meters replace traditional analog meters, recording energy usage at short intervals (e.g., 15 or 60 minutes) and communicating that data back to utilities. This eliminates estimated bills, provides consumers with detailed usage profiles, and enables time-based pricing.
  • Distribution Automation:] Sensors, shiftes, and reclosers placed along distribution lines detect faults, isolate them, and reroute power automatically. This reduces outage durations and prevents cascading failures.
  • Compmunication Networks:] Secure, high-speed networks linktic meters, substations, control centers, and consumer devices. Common protocols include cellular, radio frequency mesh, and fiber optics.
  • Distributed Energy Resource Management Systems (DERMS):] As more rooftop solar, bat storage, and electric vehicles connected to the grid, DERMS optimizes the operation and integration of these distributed assets.
  • Supervisory Control and Data Acquisition (SCADA):] Centralized systems that monitor and control substations, generation plants, and transmission lines in real time.
  • Demand Response Platforms:] Software that enables utilities to send price signals or curtailment requests to consumers and devices, often throughelli thermostats or home energy management systems.

وهذه المكونات مجتمعة تخلق شبكة يمكن أن تشعر بها وتتواصل وتتصرف وتتعلم - وهي تحول أساسي من الهياكل الأساسية السلبية في الماضي.

How Smart Grids Directly Reduce Consumer Energy Costs

وتتجلى الفوائد المالية لتكنولوجيات الشبكات الذكية بطرق مختلفة عدة، ويسهم كل منها في تخفيض فواتير الكهرباء للمستعملين النهائيين، وفي حين أن بعض الوفورات فورية، تتراكم بعض الوفورات مع مرور الوقت مع نمو الهياكل الأساسية وتكيف سلوك المستهلك.

الاستجابة للطلبات وتسعين الوقت لاستخدامها

ومن بين أكثر آليات الاقتصاد في التكاليف قوة الاستجابة للطلبات (السحب) تتيح شبكات الذكاء للمرافق إرسال إشارات أسعار في الوقت الحقيقي إلى المستهلكين عندما ترتفع أسعار الكهرباء بالجملة - عادة أثناء فترات الظهيرة الصيفية الساخنة أو صباح الشتاء الباردة، ويمكن للمستهلكين أن يقللوا من استخدامهم طوعاً عن طريق خفض معدلات التكييف الجوي، أو تأخير دورات التأقلم، أو تحميل أسعار الصرف في أوقات الذروة.

وتفرض معدلات استخدام الوقت، التي لا يمكن استخدامها إلا مع شركة AMI، رسوماً أكبر خلال فترات الذروة وأقل خلال ساعات العمل غير المباشرة، وتظهر الدراسات التي تجرى من مختبر " فلورنس بيركلي " الوطني، الذي لا يمكن أن يلبي احتياجاته من حيث الاستخدام، أن الأسر المعيشية التي تستخدم فيها معدلات استخدام الطاقة الإجمالية تقلل من ذروتها بنسبة تتراوح بين 10 و20 في المائة في المتوسط، مما يؤدي إلى تحقيق وفورات سنوية تبلغ 5-15 في المائة في مجموع فواتير الطاقة الذكية.

تعزيز كفاءة الطاقة من خلال البيانات

وتعطي المترات الذكية للمستهلكين صورة عظمى في استهلاكهم للطاقة، فبدلا من أن يكون المجموع الشهري الوحيد، يمكن أن يشاهدوا أنماطاً ساعة أو يومية أو أسبوعية، وتُحدد البحوث التي تنشر في IEE المعاملات التي تجري على المحك الذكي، وتُجمع بين البقايا الخاليين، حيث تُزيل في كثير من الأحيان من الأحيان ما يُحدث من آثار الحفظ غير المأمون.

وعلى جانب المرافق، يستخدم مشغلو الشبكات بيانات شركة AMI لكشف الخسائر الناجمة عن المصادر التقنية وغير التقنية (السرقة)، وتحقيق مستويات الفولط الأمثل، والحد من الخسائر في الخطوط، وفي العديد من النظم، يمكن أن يؤدي التطاير الأمثل وحده إلى خفض نفايات الطاقة بنسبة 2 إلى 5 في المائة، مما يقلل من مجموع كمية الجيل المطلوب، وبالتالي خفض تكاليف البيع بالجملة.

Enabling Higher Penetration of Renewable Energy

وتعاني المصادر المتجددة مثل الطاقة الشمسية والريحية من انخفاض تكاليف التشغيل الحدية مقارنة بالوقود الأحفوري، غير أن تقلبها يطرح تحديات أمام استقرار الشبكة، وتدير شبكات الذكاء هذه التقلبات من خلال التنبؤات المتقدمة، وترميم الطاقة بسرعة، ومرونة الطلب، ونتيجة لذلك مزيج من توليد الطاقة أرخص وأرخص.

ويسمح المستهلكون الذين يستفيدون من الطاقة الشمسية السطحية مباشرة من خلال قياس صافي أو تعريفات التغذوية، والمتحولون الذكيون لهذه النظم بمواصلة العمل أثناء اضطرابات الشبكة، ويمكن تخزين البطاريات، بالتنسيق عن طريق برامجيات شبكة ذكية، أن يخزن أصحاب المنازل طاقة شمسية رخيصة للاستخدام خلال ساعات الذروة الباهظة، وأن يزيدوا من تخفيض فواتيرهم، وفي الأسواق التي تتسم بالتسعير الدينامي، يمكن أن يتصدى فعلياً بنسبة 20 في المائة من تكاليف تخزينها.

خفض التكاليف المتصلة بالمرحلتين وتحسين الموثوقية

وتفرض رسوم الطاقة على المستهلكين تكاليف مباشرة وغير مباشرة كبيرة - الأغذية المفسدة، والإنتاجية المفقودة، وحتى المخاطر الصحية.() وتُقدِّر EIA أن زبائن الكهرباء الأمريكيين قد تعرضوا في المتوسط لحوالي 6 ساعات من انقطاع الكهرباء في عام 2022، حيث تعاني مناطق كثيرة أطول بكثير.() وتخفض التشغيل الآلي لشبكة الكهرباء تواتر ومدة عمليات الاستعادة.

ويعني انخفاض معدلات الاستهلاك وقصرها انخفاض التكاليف بالنسبة للمستهلكين الذين قد يفقدون من غيرهم سلعا قابلة للتلف أو يواجهون انقطاعات في الأعمال، بالإضافة إلى ذلك، تتجنب المرافق تكاليف العمل الإضافي الباهظة والرحلات الإصلاحية، مما يساعد على إبقاء معدلات الإنشاء ثابتة، وقد تبين لبرنامج المنح الاستثمارية في إطار نظام الحكم الرشيد التابع لوزارة الطاقة في الولايات المتحدة أن التعاونيات الإلكترونية والمرافق البلدية الاستثمار في متوسط الفوائد

الأثر الحقيقي العالمي: دراسات حالة في وفورات المستهلكين

وبالإضافة إلى الفوائد النظرية، فإن العديد من عمليات نشر العالم الحقيقي تدل على التخفيضات الملموسة في التكاليف التي تحققها الشبكات الذكية.

مشروع شارع بيكان (أوستن، تكساس)

ومن بين أكثر المبادرات البحثية شمولا في الشبكة الذكية، مشروع شارع بيكان، جهز مئات المنازل في مجتمع مخطّط له بمقاييس ذكية، وألواح شمسية، وتخزين البطاريات، وشحنات المركبات الكهربائية، وباستخدام نظام إدارة الطاقة المنزلية، ومعدلات استخدام الوقت، قلّصت الأسر المعيشية المشاركة الطلب على شبكة الذروة بنسبة 30 إلى 50 في المائة، ووفرت ما متوسطه 200 دولار سنويا على فواتير الكهرباء.

برنامج أوكلاهوما غاس للكهرباء (OOGE)

وقد نفذ برنامج الاستجابة الطوعية للطلبات، يسمى " سمارات " ، باستخدام أجهزة قياس ذكية وأجهزة حرق قابلة للبرمجة لإدارة تكييف الهواء خلال فترات الذروة الصيفية، وقد حصل الزبائن على ائتمانات بقيمة 25 دولاراً زائداً عن الائتمانات الجارية لمشروعات القوانين للسماح بجولة وحداتهم A/C إلى 30 دقيقة في الساعة في الأيام القصوى، وعلى مدى خمس سنوات، أفاد متوسط حجم العملة الصغيرة بأن البرنامج يقلل من الطلب على ما يعادل 200 ميغاواط.

Pacific Gas " Electric (PGE) Smart Meter Deployment

وقد واجه نشر مجموعة الـ 10 ملايين متر ذكي بين عامي 2006 و 2012 جدلا مبكرا ولكنه حقق في نهاية المطاف فوائد قابلة للقياس، وقد خلص تقييم عام 2017 الذي كلفت به لجنة المرافق العامة في كاليفورنيا إلى أن العملاء ذوي القياس الذكي والحصول على بيانات استخدام الطاقة على الإنترنت قلل الاستهلاك بنسبة 3 إلى 5 في المائة في المتوسط، حيث أن الزبائن، مجتمعين مع طيارين ديناميين للتسعير، وفروا نسبة إضافية تتراوح بين 10 و 20 في المائة على ذروة الاستخدام.

التصدي لتحديات التبني على يد أفراد الأسرة

وعلى الرغم من الفوائد الجبارة، فإن تكنولوجيات الشبكة الذكية ليست بدون عقبات، فهم هذه التحديات أمر حاسم بالنسبة للمستهلكين وواضعي السياسات لوضع توقعات واقعية ودفع التنفيذ الناجح.

التكاليف الرأسمالية الأولية

)٣( الفوائد المقدرة بمبلغ )٣,٤٧( هي: )٣( الفوائد المقدرة بمبلغ )١( دولار(

أمن الفضاء الحاسوبي وخصوصية البيانات

(ج) إن شبكات الذكاء تزيد من سطح الهجوم على التهديدات الإلكترونية، إذ أن نقاط الاتصال ذات الاتجاهين، وملايين الأجهزة المترابطة، ونظم الرقابة المركزية هي أهداف محتملة، ويجب أن تستثمر المرافق في عمليات تشفير قوية، وكشف عن الدخول، والاستجابة للحوادث، وعلى الجانب الاستهلاكي، يمكن أن تكشف بيانات الاستخدام الجمركي عن وجود شبكة منزلية أو ما هي الأجهزة التي تعمل.() وسياسات سرية قوية، وتقاسم البيانات الافتراضية، وتقنيات المرادعة المصممة للحفاظ على الثقة.

قابلية التشغيل البيني والمعايير

ويتوقف الوعد بشبكة ذكية متكاملة تماما على مختلف معدات البائعين العاملين معا، ويمكن أن تخلق النظم الأساسية " قفل المنشار " وزيادة التكاليف، وتكلف معايير الصناعة مثل المعيار IEEEE 1547 (للربط بين وحدات خفض الانبعاثات الناجمة عن إزالة الانبعاثات الناجمة عن إزالة الغابات وتدهورها) والمشروع (لرد على الطلب) والشبكة الوطنية للأخطار (للبيانات المتطورة) المساعدة، ولكن التبنّي.

الحواجز التنظيمية والأسواق

ولا تزال هناك مرافق كثيرة تخضع للتنظيم في إطار نماذج تكاليف الخدمات التي تكافئ الاستثمار الرأسمالي بدلا من الكفاءة التشغيلية، ويمكن أن يؤدي فصل الإيرادات من مبيعات الكهرباء وتنفيذ اللوائح القائمة على الأداء إلى مواءمة الحوافز المفيدة مع وفورات المستهلكين، وتتطلب معدلات الاستخدام والتسعير الديناميكي تثقيف المستهلك وتمكين التكنولوجيا من أن تكون فعالة، وكثيرا ما تكون البرامج الرائدة وعمليات النشر التدريجي ضرورية لبناء القبول.

مستقبل خضراء الذكاء ووفورات المستهلك

ويشير مسار تطور الشبكة الذكية إلى زيادة مشاركة المستهلكين وتخفيض التكاليف، وسيؤدي العديد من الاتجاهات الناشئة إلى التعجيل بهذا التحول.

الاستخبارات الفنية والتعلم الآتي

ويمكن أن تؤدي الخوارزميات التي تعمل بالطاقات الكهربائية إلى تحقيق أقصى قدر من عمليات الشبكة على نحو أدق بكثير من المشغلين البشريين، فعلى سبيل المثال، يمكن لنماذج التعلم الآلي أن تتوقّع جيل الشمس وتبني التحميلات قبل دقائق، مما يتيح استجابة الطلب على نحو دقيق، بحيث تحلق ذروتها دون فقدان ملحوظ للراحة، ويستخدم مشغلو البطاريات الآيرية للتنبؤ بإخفاقات قبل حدوثها، مما سيستفيد من اختلافات الأذكية لإدارة الطاقة المنزلية.

مركبة إلى غاريد (V2G) التكامل

وبوصفها صخور لتبني المركبات الكهربائية، فإن الشحنات الثنائية الاتجاه تسمح للمركبات الإلكترونية بالعمل كبطاريات متنقلة، وببيع الطاقة إلى الشبكة خلال فترات الذروة، كما أن أي جهاز إي في نموذجي يحتوي على بطارية 60 كيلوواط يمكن أن يوفر ما يصل إلى 7-10 كيلوواط من الطاقة الكهربائية - يكفي لتوليد الكهرباء لعدة منازل لمدة ساعة، وتظهر شركات إنتاج المركبات في أوائل V2G في كاليفورنيا والمملكة المتحدة أن مالكي مركبات الإي في التعبئة الوقود يمكن أن يكسب آلاف الدولارات سنويا من خلال المشاركة في خدمات الشبكة(18).

Microgrids and Community Energy Systems

وتسمح تكنولوجيا شبكة الذكاء بالزجاجات الصغيرة المحلية التي يمكن أن تعمل بشكل مستقل أثناء فترات انقطاع الكهرباء أو إدارة الجيل المحلي والتخزين والشحنات، وبالنسبة للمجتمعات التي تتقاسم موارد الطاقة الشمسية والبطارية، فإن المايكريدز يقلل من خسائر نقل الطاقة ويتيح للأعضاء تجارة الطاقة فيما بينهم، ويمكن للتسعير الدينامي داخل المايكرويد أن يزيد من زيادة التكاليف إلى الحد الأمثل، وفي حين تعمل جامعة كاليفورنيا، إيرفين، واحدة من أكبر تكاليف الطاقة الاحتياطية سنويا.

Blockchain and Peer-to-Peer Energy Trading

وعلى الرغم من أن المنصات القائمة على سلسلة من المنتجات لا تزال في وقت مبكر، يمكن للمستهلكين أن يشتروا ويبيعوا الطاقة المتجددة مباشرة مع جيرانهم دون وسيط، وأن يسجلوا في سجل الذكاء توليد الطاقة واستهلاكها، وأن تنفذ العقود الذكية حرفيا عندما تُستوفى عتبات الأسعار، وفي بروكلين، بنيويورك، يسمح نموذج الطاقة LO3 لمجموعة صغيرة من المنازل التي تُعد بالطاقة الشمسية بأن تبيع فائضاً في الأسواق بأسعار متفق عليها، بينما تظل في كثير من هذه الأسعار التنظيمية.

خاتمة

فتكنولوجيات الشبكة الذكية تمثل تحديثا أساسيا لنظام الكهرباء، مع القدرة على خفض تكاليف الطاقة الاستهلاكية من خلال الاستجابة للطلب، ومكاسب الكفاءة، والتكامل المتجدد، وتحسين الموثوقية، وقد أظهرت عمليات النشر في العالم الحقيقي في جميع الولايات المتحدة وعلى الصعيد العالمي وفورات تتراوح بين 5 و 20 في المائة في فواتير الأسر المعيشية، مع زيادة إمكانيات من يعتمدون التشغيل الآلي والموارد الموزعة مثل الطاقة الشمسية وخزن البطاريات، ويتطلب المسار المستقبل إدارة دقيقة للتكاليف الأمامية، ومخاطر أمن الفضاء الإلكتروني، والأطر التنظيمية، ولكن