أثر المناخ تغيير في التصميم تشغيل نظم التوزيع

The growingwing Impact of Climate Change on Distribution System Design and Operation

إن تغير المناخ لم يعد تهديدا بعيد المنال - بل هو واقع حالي يعيد تشكيل الهياكل الأساسية التي يعتمد عليها المجتمع الحديث بصورة أساسية، ومن أهم النظم التي يجري اختبارها شبكات التوزيع الكهربائي، وهذه الشبكات التي تبنى على مدى عقود في إطار افتراضات الاستقرار المناخي، تواجه الآن ضغوطا غير مسبوقة من ارتفاع درجات الحرارة، وتكثيف العواصف، وتغير أنماط التهطال، وارتفاع مستوى سطح البحر، إذ أن المرافق والمنظمين ونظم التوزيع اليومية، تكيف

ولا يمكن أن تكون المخاطر أعلى من ذلك، إذ أن نظم التوزيع تقوم مباشرة بإيصال الكهرباء إلى المنازل والأعمال التجارية والمستشفيات والمدارس، وعندما تفشل، تتحول النتائج إلى كل قطاع من قطاعات الاقتصاد، ويمكن أن يؤدي حدث واحد من حالات الطقس الشديدة إلى تحطيم الطاقة للملايين، مما يتسبب في أضرار مالية واضطرابات دائمة في الخدمات الحيوية، ومع تسارع تغير المناخ، فإن تواتر هذه الأحداث وشدتها آخذ في الازدياد، مما يرغم على إعادة تقييم أساسي لكيفية تخطيط هذه النظم وإدارتها،

وتبحث هذه المادة التحديات المحددة التي يطرحها تغير المناخ على نظم التوزيع الكهربائي، وتستكشف التصميم والتكييفات التشغيلية التي يجري نشرها، وتبرز الحاجة إلى مواصلة الابتكار والاستثمار للحفاظ على قدرة موثوقة ومرنة في عالم يحترق.

فهم نظم التوزيع وقابليتها للتأثر

وتشكل نظم التوزيع الكهربائي الصلة النهائية بين شبكات البث ذات الحركة العالية والمستعملين النهائيين، وهي تشمل شبكة معقدة من المحطات الفرعية والمحولات والخطوط العامة وخطوط الطاقة الجوفية والمفاتيح والمترات، وفي حين أن خطوط النقل تحمل الكهرباء على مسافات طويلة في فولتات عالية، تعمل شبكات التوزيع في فولتات أقل وفي فرع لخدمة الأحياء والزبائن.

إن البصمة المادية لنظم التوزيع تجعلها عرضة بشكل فريد لظروف المناخ المحلية، حيث تمتد خطوط الرؤوس فوق الأميال عبر مختلف التضاريس، وتقع تحت الأرض في كثير من الأحيان في شوارب الفيضانات أو المناطق الساحلية، ويتعرض المتحولون والمتحولون للتأرجحات الحرارية والرطوبة والحطام، وقد صممت هذه المكونات تاريخيا على أساس بيانات الطقس التاريخية - وهي مجموعة من الافتراضات التي أصبحت متقادمة بسرعة.

وتشمل أوجه الضعف الرئيسية ما يلي:

Thermal limits:] Many components, particularly transformers and conductors, have maximum operating temperatures. Hotter ambient air reduces their capacity to dissipate heat, leading to derating and potential failure.
Mechanical stress:] High winds, ice loading, and falling trees impose forces that distribution poles and wires were not always engineered to withstand.
Water exposure:] Underground cables, substation equipment, and control systems are sensitive to moisture and flooding. Saltwater intrusion from storm flrosion can cause rapid corrosion.
Vegetation interference:] Changing growing seasons and drought conditions alter tree growth patterns, increasing the risk of contact with power lines.

ويشكل فهم أوجه الضعف هذه الخطوة الأولى نحو بناء القدرة على التكيف، وتتمثل الخطوة التالية في الاعتراف بكيفية تفاقم كل خطر من المخاطر التي ينطوي عليها تغير المناخ.

التحديات التي ينطوي عليها تغير المناخ

أحداث الطقس القاسية

وقد شكلت الراكون والعواصف العريقة والمدافع والعواصف الشتوية الشديدة دائماً مخاطر على نظم التوزيع، وما تغير هو تزايد تواترها وكثافتها، ووفقاً لتقرير التقييم السادس للجنة البلدان النامية لمكافحة الجفاف في منطقة المحيط الهادئ ، زادت نسبة الأعاصير المدارية التي تصل إلى الفئة 4 أو 5 كثافة على الصعيد العالمي، كما أن عدد العواصف الملتوية الشديدة آخذ في الارتفاع في مناطق كثيرة.

بالنسبة لمرافق التوزيع هذه الأحداث تتحول مباشرة إلى أضرار، والأعمدة المتدنية، والموصلات الممزقة، والغطاءات الفرعية، وخطوط الحطام تتطلب أسابيع أو حتى أشهراً لإصلاحها بالكامل، والهبوط الاقتصادي هائل: فقد تسبب إعصار ساندي في أضرار تتجاوز 65 بليون دولار في الولايات المتحدة، وخصص جزء كبير منها للبنية التحتية الكهربائية، وفي الآونة الأخيرة، قام إعصار إيان في عام 2022 بتسليم ضربة مماثلة لشبكة توزيع فلوريدا.

وبالإضافة إلى الضرر المادي المباشر، يؤدي الطقس المتطرف أيضا إلى تعطيل سلاسل الإمداد بالمعدات البديلة، فعلى سبيل المثال، كثيرا ما تكون للمتحولين فترات زمنية تتراوح بين 6 و 12 شهرا، وعندما تعاد المرافق المتعددة في نفس الوقت بناءها بعد عاصفة واسعة النطاق، فإن النقص يمكن أن يؤخر جهود الإصلاح.

التقلبات المزمنة وواصف الحرارة

ويؤثر ارتفاع متوسط درجات الحرارة وارتفاع موجات الحرارة على نظم التوزيع بطرق متعددة، إذ أن ارتفاع درجات الحرارة يقلل من القدرة الحالية على تحمل الخطوط العامة والمحولات - وهي ظاهرة معروفة بالارتطام الحراري، فعلى سبيل المثال، لا يمكن لساريو يُقدر بحوالي 100 متر عند 40 درجة مئوية أن يحمل 80 متراً في الدقيقة 50 درجة مئوية.

وفي الوقت نفسه، فإن الطلب على الكهرباء أثناء موجات الحرارة يتصاعد مع ارتفاع معدلات استخدام تكييف الهواء، وهذا الضغط المزدوج - انخفاض القدرة وزيادة الحمولة - يخلق بيئة تشغيلية خطيرة، وفي آب/أغسطس 2020، شهدت كاليفورنيا حالات انقطاع في الكهرباء بسبب ارتفاع درجات الحرارة التي تؤكد على معدات التوزيع خارج حدود تصميمها، ومن المرجح أن تصبح هذه الأحداث أكثر شيوعا مثل حرارة المناخ.

وتتأثر بشكل خاص بمراكز فرعية ومحوّلات في الأماكن المغلقة، فبدون التهوية أو التبريد الكافيين، يمكن أن ترتفع درجات الحرارة الداخلية فوق المحيط، مما يؤدي إلى حالات فشل سابقة لأوانها وتسرب النفط، ويعيد العديد من المرافق الآن إعادة تجهيز هذه المواقع بنظم تبريد إضافية أو إعادة توزيع المكونات الحرجة.

ارتفاع مستوى سطح البحر والفيضانات الساحلية

وتواجه المجتمعات الساحلية تهديداً ذا شقين: ارتفاع مستوى سطح البحر تدريجياً وارتفاعاً أكبر في عواصفها؛ وتُعد الإدارة الوطنية لدراسة المحيطات والغلاف الجوي (NOAA) ] مشروعاً لزيادة مستوى سطح البحر المتوسط على الصعيد العالمي تبلغ 2 إلى 3.5 قدماً بحلول عام 2100 في إطار سيناريوهات الانبعاثات العالية، مع تفاوتات إقليمية، وبالنسبة لنظم التوزيع، فإن المناطق الفرعية الواقعة قرب خطوط السواحل معرضة للخطر بوجه خاص.

فالفيضانات يمكن أن تلحق الضرر بالمعدات الكهربائية مباشرة، ومكونات الدوائر القصيرة، وتتسبب في ظروف خطرة للعاملين في المرافق العامة، وتتسبب في تدهور المياه، وتحتاج إلى تنظيف واستبدال واسعين حتى بعد تراجع مياه الفيضانات، وتستثمر بعض المرافق الآن في تصميمات فرعية عالية، وجدران البناء أو البقع، وتنتقل إلى الطابق السفلي الأول من الأرضيات أو المنهاجات الأعلى.

(ب) (بضوء الطقس غير متوقع)

وتغير المناخ يغير توقيت الظواهر الجوية المألوفة وكثافتها وموقعها، وتتأثر الجفاف الذي تلتها الأمطار الغزيرة، والأنماط الريحية المتغيِّرة، والخطط المتواطئة السابقة لصهر الجليد، وتصبح تقييمات الموثوقية الطويلة الأجل استنادا إلى البيانات التاريخية أقل دقة، إذ يتعين الآن على المرافق إدراج التوقعات المناخية في دورات التخطيط الخاصة بها، ولكن عدم اليقين المتأصل يجعل قرارات الاستثمار صعبة.

فعلى سبيل المثال، ازداد خطر إطلاق النار في غرب الولايات المتحدة بشكل كبير بسبب ظروف أكثر إثارة وجفافاً ومصهر الثلج السابق، وقد تسببت خطوط الطاقة المتدنية التي تهز النبات الجاف في حرائق كارثية، ورداً على ذلك، نفذت مرافق مثل غاز وكهرباء المحيط الهادئ عمليات إغلاق الكهرباء في أثناء فترات عالية الخطورة - تعطيل الخدمة ولكن الحد من خطر الحريق.

Design Adaptations for a Changing Climate

تعزيز القدرة على التكيف الهيكلي

ويعيد المهندسون التفكير في المواصفات المادية لمكونات التوزيع، ويجري تحديث البوليس من الخشب إلى الصلب أو المواد المركبة التي تقاوم الدوارة والنار والرياح المرتفعة، وتقصير العواصف بين القطبين في المناطق المعرضة لتحميل الجليد، مما يقلل من احتمال التفاخر أو الكسر، ويجري تعزيز المؤسسات الملموسة لتحمل الرش من مياه الفيضانات.

وفي المناطق المعرضة للأعاصير، تُستبدل بعض المرافق الخطوط العامة بالكابلات الجوفية، وفي حين أن التخزين تحت الأرض مكلف - وهو ما يتراوح بين ٣ و ١٠ أضعاف تكلفة الرؤوس العامة - فإنه يوفر حماية كبيرة من الرياح وأشجار السقوط، إلا أن الكابلات الجوفية تمثل تحدياتها الخاصة، بما في ذلك الضعف أمام الفيضانات وزمن الإصلاح الأطول عند حدوث أخطاء، وأصبح من الشائع اتباع نهج متوازن يُعطى الأولوية للدوائر المنتشرة في المناطق الحساسة والمكتظة بالسكان.

المناطق الفرعية المرفوعة والمحمية من الفيضانات

وتتزايد بناء أو إعادة ضبط الهياكل الفرعية مع مراعاة القدرة على مواجهة الفيضانات، وتشمل الاستراتيجيات الرئيسية ما يلي:

Elevation:] Mounting transformers and altergear on raised platforms at least 2 to 3 feet above projected flood levels.
Floodwalls and berms:] Erecting barriers around substation perimeters to divert or block floodwaters.
Waterproofing:] Sealing all equipment enclosures, conduits, and cable entries against water ingress.
Relocation:] Moving substations to higher ground, even if it means longer connection distances.

ومن الأمثلة على ذلك، فلوريدا باور وضوء، التي أعادت بناء وحدات فرعية في ارتفاعات أعلى بعد موسم الأعاصير المتعددة، والغريد الوطني للمملكة المتحدة، الذي أجرى تقييما شاملا لمخاطر الفيضانات لبضائعها بعد العاصفة ديزموند في عام 2015.

Smart Grid Technologies

وتحوّل تكنولوجيات الاستشعار والتشغيل الآلي والاتصالات نظم التوزيع من الشبكات السلبية إلى شبكات تكيفية، وتشمل العناصر الرئيسية ما يلي:

Distribution functioning functioning bio:] Remotely operated shiftes and reclosers allow utilities to isolate faults and reroute power without crew dispatch, reducing outage duration.
Advanced metering infrastructure (AMI): ] Smart meters provide granular data on voltage, current, and power quality, enabling faster outage detection and load monitoring.
Wildfire detection:] Sensors that detect arcing, downed conductors, or abnormal heat signatures can trigger automatic disconnection before a fire starts.
Distributed energy resource management (DERMS):] Software platforms coordinate the output of rooftop solar, bat storage, and electric vehicle chargers to settle the grid during stress.

ولا تمنع هذه التكنولوجيات من التسبب في أضرار من جراء الأحداث المتطرفة، ولكنها تحسن بشكل كبير من سرعة الوعي بالوضع والاستجابة، وكثيرا ما يمكن أن تؤدي الفائدة التي تنطوي على شبكة ذكية متطورة جيدا إلى إعادة القوة إلى أغلبية العملاء في غضون ساعات، بينما قد تستغرق الشبكة التقليدية أياما أو أسابيع.

اللامركزية والزجاجات الصغيرة

ويعجل تغير المناخ بالتحول نحو جيل موزع وموجات مجهرية، فبدلا من الاعتماد فقط على شبكة توزيع مركزية تغذيها محطات توليد الطاقة البعيدة، يمكن للمجتمعات المحلية أن تطور موارد الطاقة المحلية - صفائف الطاقة الشمسية، وتخزين البطاريات، ومولدات الغاز الطبيعي الصغيرة، أو وحدات الحرارة والطاقة المشتركة، ويمكن أن تعمل بشكل مستقل (طريقة الجزر) أثناء انقطاع الشبكة، مما يوفر خدمات أساسية للمرافق الحرجة مثل المستشفيات ومراكز الإطفاء والملاجئ.

كما أن الأعاصير تخفض الحمولة على خطوط التوزيع الطويلة والضعيفة، وإذا ما حطم الإعصار خطاً رئيسياً في المدينة الساحلية، فإن المايكريد المحلي يمكنه أن يُبقي الأضواء على السكان بينما يصلح الطاقم خط الصندوق، فمكتب تكنولوجيات الطاقة الشمسية التابع لوزارة الطاقة في الولايات المتحدة الأمريكية قد مول العديد من المشاريع المجهرية ذات القيمة الدنيا للتكيف مع الكوارث.

Operational Strategies for Climate Adaptation

الصيانة الافتراضية وتحليل البيانات

وبدلا من انتظار فشل المعدات، تستخدم المرافق محلليات البيانات للتنبؤ بمواقفها التي يحتمل أن تتطلب الاهتمام بها، ويمكن أن يُعرف على نماذج التعلم الآلاتي التي تُعد بيانات من أجهزة الاستشعار والتنبؤات الجوية وأنماط الفشل التاريخية في تحديد الأصول ذات المخاطر العالية، مثلا أن المحول الذي يعمل في درجات حرارة عالية أثناء موجة حرارية يمكن أن يُعرف لأغراض التفتيش أو خفض الحمولة قبل فشلها.

ويمتد هذا النهج من عمر الأصول ويقلل تكاليف الإصلاح في حالات الطوارئ ويحسن الموثوقية العامة، كما أنه يتيح للمرافق تحقيق الحد الأمثل من جداول الصيانة، مع التركيز على العناصر الأكثر أهمية عندما تكون الظروف الجوية هادئة وتكون الأطقم متاحة.

التأهب للطوارئ والاستجابة السريعة

وتتطلب الكوارث التي تحركها المناخ خططاً طوارئ قوية، وتقوم المرافق حالياً بوضع كتب تفصيلية للاستجابة لمختلف أنواع الأحداث، مثل الأعاصير، والنيران البرية، والعواصف الجليدية، والموجات الحرارية، وتشمل هذه الخطط الطواقم والمعدات التي تسبق التعبئة خارج منطقة التأثير المتوقعة، واتفاقات المعونة المتبادلة مع المرافق المجاورة، وقنوات الاتصال المتفانية مع وكالات إدارة الطوارئ.

وتقوم بعض المرافق الآن بتشغيل حفر " السماء السوداء " حيث تقوم بتحفيز حدث رئيسي للمناخ يتطلب تعبئة كاملة، وتدمج الدروس المستفادة في إجراءات مستكملة، والهدف هو تقصير أوقات إعادة التشغيل مع ضمان سلامة العمال، وعلى سبيل المثال، بعد موسم الأعاصير في المحيط الأطلسي، قامت هيئة الطاقة الكهربائية في بورتوريكو بإصلاح بروتوكولاتها للاستجابة لحالات الطوارئ بمساعدة من الوكالة الاتحادية لإدارة الطوارئ، مما أدى إلى تحسين سرعة إعادة التأهيل خلال العواصف اللاحقة.

إدارة الطلب ومراقبة القروض

وخلال الظواهر الجوية البالغة الشدة، يمكن أن يكون الحد من الطلب على الخدمات فعالا بقدر ما يمكن أن يكون العرض المتزايد، وتستخدم المرافق طائفة من تقنيات الإدارة على جانب الطلب:

Time-of-use rates:] Encourage clientss to shift non-essential usage away from top periods.
Direct load control:] Utility can remotely cycle air conditioners, water heaters, or pool pumps during emergencies, with client consent.
الطعون العامة: ] إخطارات جماعية تطلب من العملاء خفض الاستهلاك، وغالبا ما تكون مقترنة بالحوافز.
] voluntary conservation programs:] Agreements with large commercial and industrial clientss to temporarily reduce load in exchange for bill credits.

وخلال عاصفة الشتاء التي عصفت في تكساس في عام 2021، اضطلعت إدارة الطلب بدور حاسم في تثبيت الشبكة بعد فشل وحدات الجيل المتعدد، ورغم أن خطوط التوزيع ليست السبب الرئيسي في انقطاع الكهرباء، فإن خفض الحمولة ساعد على منع حدوث المزيد من الضرر لمحولي التوزيع والمحولات الفرعية من الحمولة الزائدة.

تكامل الطاقة المتجددة

وتوزع مصادر الطاقة المتجددة، ولا سيما الفولطية الشمسية والريح، بصورة متأصلة ويمكن تحديد مواقعها بالقرب من مراكز التحميل، ويقلل إدماجها في نظم التوزيع من الاعتماد على الانتقال البعيد المدى، الذي هو أيضا عرضة للآثار المناخية، غير أن مصادر الطاقة المتجددة تُحدث تقلبا يتطلب إدارة دقيقة.

(ب) تخزين البطاريات هو التكنولوجيا التمكينية الرئيسية، حيث يمكن للتخزين أن يُعَدِّل التقلبات، وأن يوفر الطاقة الاحتياطية أثناء فترات انقطاع الكهرباء، ويساعد على إدارة عمليات التحميل التي تبلغ ذروتها، وهناك العديد من المرافق التي تقوم حالياً بتركيب البطاريات على نطاق المجتمع المحلي في المراكز الفرعية الرئيسية، مما يوفر مانعاً لكل من انقطاع العرض وتصاعد الطلب.

دور السياسات والاستثمار

ويتطلب تكييف نظم التوزيع مع تغير المناخ أكثر من الحلول الهندسية، وهو يتطلب سياسات داعمة، وتمويلا كافيا، وأطرا تنظيمية تشجع على التكيف، وتشمل عوامل السياسات الرئيسية ما يلي:

Resilience standards:] Mandating minimum design requirements for new infrastructure based on projected climate conditions, not historical averages.
Performance-based regulation:] Allowing utilities to earn returns on resilience investments, rather than just on traditional capital expenditures.
Infrastructure grants and loans: ] Federal programs like the Department of Energy ' s Grid Resilience Grants (funded by the Infrastructure Investment and Jobs Act) provide direct financial support for upgrades.
Climate risk disclosure:] Requiring facilities to assess and publicly report their exposure to climate-related risks, fostering accountability and better planning.

وبدون هذه الظروف التمكينية، تواجه المرافق العامة الكثير من " الغضب من الأفق " التقليدي - تكاليف التكيف مع المناخ فورية وكبيرة، في حين أن الفوائد غير مؤكدة وكبيرة في المستقبل، ومع ذلك فإن الأدلة المستمدة من الكوارث الأخيرة واضحة: الاستثمار الاستباقي في القدرة على التكيف يدفع لنفسه مرات عديدة عن طريق تجنب الأضرار والانتعاش السريع.

خاتمة

إن تغير المناخ يعيد تشكيل الظروف البيئية التي تعمل فيها نظم التوزيع الكهربائي لأكثر من قرن، إذ إن ارتفاع درجات الحرارة، وارتفاع درجة الطقس المفرط، وارتفاع منسوب سطح البحر، والأنماط المتغيرة تتطلب إعادة التفكير الأساسية في كيفية تصميم هذه النظم وتشغيلها، وتكمن التحديات في مواجهة التحديات، ولكن الأوساط الهندسية تستجيب للحلول المبتكرة - من المعونات المرتفعة وتكنولوجيات الشبكة الذكية إلى الصيانة المتوقعة والمحاصيل الصغرى.

ويجب الآن أن تعجل المرافق والجهات التنظيمية وصانعي السياسات باعتماد استراتيجيات التكيف هذه، فالنافذة التي تتيح اتخاذ إجراءات فعالة تضيق، وتسفر كل سنة من فترات التأخير عن إنشاء هياكل أساسية أصغر قدرة على تحمل العاصفة القادمة أو الموجة الحرارية أو الفيضانات، ويمكننا، من خلال الاستثمار في القدرة على التكيف اليوم، أن نكفل بقاء نظم التوزيع موثوقة وآمنة وقادرة على دعم التحول في الطاقة النظيفة الذي هو أمر أساسي لتخفيف تغير المناخ في الأجل الطويل.

إن مستقبل شبكة الطاقة لدينا سيشكله الاختيارات التي يتم اتخاذها الآن، فإبراز التكيف مع المناخ كمبدأ تصميمي أساسي ليس اختياريا - بل هو السبيل الوحيد لتأمين مستقبل للطاقة يتسم بالمرونة والاستدامة.