أثر تكنولوجيا المعلومات بشأن تخفيض آثار الكربون توليد الطاقة

مقدمة: الحاجة العاجلة إلى توليد الطاقة النظيفة

ويستمر الطلب العالمي على الطاقة في الارتفاع إلى جانب الضغط على انبعاثات غازات الدفيئة، إذ يمثل توليد الطاقة نحو 40 في المائة من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون العالمية، التي تعزى إلى حد كبير إلى الفحم ونباتات الغاز الطبيعي، ومن أجل تحقيق الأهداف المناخية التي حددها اتفاق باريس والأهداف الوطنية المتعلقة بالزئير، يجب على قطاع الطاقة أن يعتمد تكنولوجيات تعزز الكفاءة وتتيح التكامل المتجدد، وتضع ميكانيكيات اللافتر في مركز هذا التحول، وتحسن من كيفية تحويل مصادر الطاقة واستهلاكها وتوزيعها، وتساهم في الحد من النفايات.

ما هي تكنولوجيا اللافقار؟

فاللافقار هو جهاز إلكتروني يحول التيار المباشر إلى تيار متناوب، وتولد طاقة العاصمة من لوحات شمسية وبطاريات وخلايا وقود وبعض تشكيلات التربين الريحية، بينما تعتبر شركة AC المعيار للشبكة الكهربائية، والمنازل، ومعظم المعدات الصناعية، وبدون استخدام طاقة متجددة مولدة كشركة DC لا يمكن إطعامها في الشبكة أو استخدامها بواسطة الأجهزة المشتركة.

كما يؤدي المترجمون مهاماً حاسمة تتجاوز مجرد تحويلات من البلدان النامية إلى بلدان المخروط الجنوبي، ويديرون الفولط والتواتر، ويتزامنون مع الشبكة، ويتعقبون نقاط الطاقة القصوى من المصفوفات الشمسية، ويوفرون قطعاً من الأمان، بل يمكن للمتحولين المتقدمين التواصل مع متعهدي المرافق لدعم استقرار الشبكة والاستجابة للطلبات.

وهناك عدة أنواع من المحافير المستخدمة في توليد الطاقة:

• String inverters:] Common in residential and commercial solar installations. Multiple panels connect in series to a single inverter.
• Microinverters:] Small inverters attached to each solar panel, allowing independent operation and higher energy harvest under partial shading.
• Central inverters:] Used in utility —scale solar farms, capable of handling megawats of power from thousands of panels.
• Hybrid inverters:] Manage both solar generation and battery storage, enabling energy shifting and supportive power.
• Grid —forming inverters:] A newer class that can create a stable grid even when no rotating births are present, critical for high —renewable grids.

ولكل نوع خصائص وتطبيقات محددة في مجال الكفاءة تؤثر على إمكانات خفض الكربون عموما.

مقاييس الكفاءة: كيف يؤثر الأداء الافتراضي على الانبعاثات

ويُعبر عن كفاءة استخدام المحارم كنسبة مئوية من طاقة العاصمة المحولة إلى طاقة مستهلكة من الـ AC، إذ تحقق المحاصد الحديثة سلاسل الذروة أعلى من 98 في المائة، وكثيرا ما تتراوح الميكروينفيرات بين 96 في المائة و97.5 في المائة، وفي حين أن هذه الاختلافات تبدو صغيرة، على مدى 25 عاماً من عمر الشبكة الشمسية، فإن الفرق في الكفاءة بنسبة 1 في المائة يمكن أن يترجم إلى عشرات من استهلاك الوقود الأحفوري الذي يزيد عن ذلك.

وتضع اللوائح الأوروبية وقواعد الولايات المتحدة الآن معايير الحد الأدنى للكفاءة، ولكن الأداء الحقيقي في العالم يتوقف على درجة الحرارة والحمولة وفولاذ المدخلات، فالعمليات التي تستخدم فيها تصميمات التبريد المتقدمة، وتحسين تتبع نقاط القوة القصوى، ونطاقات فولتاج المدخلات الأوسع نطاقاً تميل إلى الحفاظ على كفاءة أعلى عبر ظروف أكثر.

How Inverter Technology Reduces Carbon Emissions

ويتطلب تخفيض آثار الكربون تفكيك الوقود الأحفوري وتحسين كفاءة كل كيلوواط ساعة منتجة، ويسهم المستكشفون في تحقيق الهدفين من خلال عدة آليات.

الحد الأقصى لمناصفات الطاقة المتجددة

وتتمتع الألواح الشمسية بعلاقة غير مباشرة بالفولط؛ وبنقطة أن تولد أقصى تحولات في الطاقة مع كثافة ضوء الشمس، ودرجة الحرارة، والظلام.

فعلى سبيل المثال، قد يولد نظام شمسي سكني يتكون من 10 كيلوواط في منطقة مشمسة 000 14 كيلوواط في السنة، ويمكن أن يضيف تحسين بنسبة 2 في المائة في تتبع محطة إنتاج الطاقة المتجددة ما يعادل 280 كيلوواط في السنة مقابل ما يقرب من 200 كيلوغرام من ثاني أكسيد الكربون استناداً إلى متوسط معامل انبعاثات شبكة الولايات المتحدة، أي أن ذلك يتحول إلى تخفيض ذي مغزى في جميع أنحاء الملايين من المنشآت.

إدماج المظالم المتغيرة

فالطاقة الشمسية والريحية متغيرة بطبيعتها، وبدون مناشف قادرة على التزامن مع الترددات والفولط، فإن كميات كبيرة من الطاقة المتجددة ستزعزع استقرار نظام الطاقة، ويمكن للمنحرفين الحديثين أن يحقنوا الطاقة الاستباقية، وأن يركبوا عبر الاضطرابات الفولطية، وأن يستجيبوا لإشارات الشبكة في غضون مليمتر، مما يتيح للمرافق قبول عمليات استخراج الطاقة النظيفة بدرجة أكبر دون بناء محطات جديدة لدعم الوقود الأحفوري.

وفي بعض المناطق، يتطلب مشغلو الشبكة الآن استخدام جميع النظم الجديدة للطاقة الشمسية والبطارية لأجهزة " ذكية " تدعم الوظائف المتقدمة مثل التحكم في النفايات ذات التردد العالي والحد من الترددات، ويقدر ]U.S. Department of Energy’s Solar Energy Technologies Office ] أن الاعتماد الواسع النطاق لقدرات اللافقاريات الذكية يمكن أن يتيح زيادة تغلغلغل الهياكل الأساسية المتجددة في كثير من عمليات التوزيع.

Reducing Peak Load and Associated Emissions

ويلبي الطلب على الكهرباء بواسطة نباتات " بيكر " - الغاز الطبيعي أو توربينات الديزل التي تكون أقل كفاءة وكثافة من الكربون أكثر من محطات تحميل القاعدة، ويمكن أن تُنقَف في خزن البطاريات المحسوبة أثناء فترات الذروة، وأن تُحل الطلب وتُزيل المولدات الكهربائية ذات الانبعاثات العالية، وبالمثل، يمكن برمجة المحاورات المتقدمة على النظم الشمسية لخفض الإنتاج أثناء الأحداث التي تُجرى في أوقات الذروة، ولكن الأهم،

وتبين الدراسات التي أجرتها الوكالة الدولية للطاقة ]FLT:0[ ](FLT:1] أن كل ساعة من ساعات تخزين البطاريات موجهة إلى الذروة في الحلاقة تتفادى متوسطاً قدره ٦,٠-٩ طناً من ثاني أكسيد الكربون، تبعاً لمزيج الوقود الإقليمي، وتؤثر كفاءة اللافتر تأثيراً مباشراً على كمية الطاقة المخزنة التي يمكن إعادتها إلى كفاءة استخدام الطاقة المتحركة على الشبكة.

دعم الهياكل الأساسية لشحن المركبات الكهربائية

أما المركبات الكهربائية فهي عنصر رئيسي في إزالة الكربون، ولكن حمولة الشحن الخاصة بها يمكن أن تضيق الشبكة، فالشركات المبثوثة ذات الاتجاه الثنائي تسمح ببطاريات الأشعة السينية بأن تفرغ الطاقة من العودة إلى المنزل أو الشبكة خلال فترات الذروة، وهذه القدرة " المتحركة إلى الحاج " تقلل من الحمولة النقية إلى مورد مرن.

ويفقد نظام نموذجي من طراز V2G يتسم بكفاءة المترو المتحرك بنسبة 85 في المائة من الطاقة، ويستطيع منافذ الصالة الجديدة وخطيرة السيليكون - الكربايد أن تدفع كفاءة المرحلتين فوق 95 في المائة، مما يقلل بدرجة كبيرة من الآثار الكربونية الفعالة لاستخدام بطاريات EV لخدمات الشبكات.

فوائد تكنولوجيا المتحولين في توليد الطاقة

فالمزايا البيئية والاقتصادية لللافتيين الحديثين تتجاوز كثيراً تحويل الطاقة البسيط.

تخفيض مخططات كربون الكربون

وأكثر الفوائد مباشرة هي الحد من غازات الدفيئة، وقد وجدت دراسة أجراها معهد فرونهوفر أن نظاماً شمسياً سكنياً له انحراف عالي الكفاءة يخصص فترة استرداد الكربون تقل عن سنتين في المناخ المشمس، مقارنة بثلاث سنوات و4 سنوات مع وحدة أقل كفاءة، ويمكن أن يكون الفرق خلال فترة 25 عاماً هو 10-15 طناً من ثاني أكسيد الكربون تجنباً لكل أسرة معيشية على مستوى المرافق، باستخدام المحولات الشمسية التي تبلغ فيها نسبة أعلى 100 في المائة.

زيادة استخدام الطاقة المتجددة

فالعمليات التي تقوم بها هذه الشبكة هي العمود الفقري للنظم الحديثة المتجددة، فهي تجعل شبكات الطاقة الشمسية والريحية قابلة للمواءمة، وتتيح النظم الهجينة التي تجمع بين مصادر متعددة )البطارية + المولد( وتتيح الرصد والمراقبة عن بعد، وتشجع هذه المرونة على توسيع نطاق اعتماد مصادر الطاقة المتجددة، وعلى سبيل المثال، في مشاريع الهند " الممر الأخضر " ، تتيح أجهزة الاختراق العالية القدرة الحد الأدنى من الخسائر الناجمة عن الرياح والطاقة الشمسية على مسافة بعيدة.

تعزيز كفاءة النظام

وتخفض المكاسب الناتجة عن زيادة الكفاءة بصورة مباشرة الخسائر الطفيلية، ففي تخزين البطاريات على نطاق واسع، يمثل المتحولون أغلبية الخسائر في المرحلتين المتجهة إلى الغلاف الجوي، إذ يستخدمون المحولات بنسبة 98 في المائة من الكفاءة التحويلية بدلا من 95 في المائة، يمكن لبطارية 100 ميغاواط أن توفر 3 ميغاواط إضافية لكل دورة، مما قد يكون عليه لولا ذلك أن يأتي من الشبكة، فأكثر من 000 5 دورة، تمثل 000 15 ميغاواط من الطاقة النظيفة التي لم تكن بحاجة إلى أماكن أخرى.

الاستقرار والوثوقية

As more rotating births (coal, nuclear, large hydro) retired, the grid loses inertia that helps maintain frequency stability. Inverters with grid-forming capabilities can mimic that inertia, providing synthetic inertia that prevents blackouts. The U.S. Department of Energy has identified grid-forming inverters

Economic Co-Benefits

كما أن خفض الانبعاثات يقلل من التكاليف، إذ أن زيادة الكفاءة تعني زيادة الإيرادات من نفس الأصول المتجددة، ففيما يتعلق بمزرعة تبلغ ٥٠ ميغاواط الشمسية، يمكن أن تضيف زيادة قدرها ١ في المائة في كفاءة المحارم ما يقرب من ٠٠٠ ٥٠ دولار في المبيعات السنوية للكهرباء، علاوة على أن المحافير الذكية تقلل من الحاجة إلى تحسين الشبكات باهظة التكلفة، وتؤجل الاستثمارات الرأسمالية من خلال وفورات في المرافق تحقق في نهاية المطاف فوائد.

التطبيقات العالمية الحقيقية ودراسات الحالات الإفرادية

وللنظر في تأثير تكنولوجيا اللافقارات بأعداد، ينبغي النظر في الأمثلة التالية.

Utility — Scale Solar in the Southwestern U.S.

وقد حلت محل تركيبة شمسية من طراز MW في نيفادا محارق الخيوط القديمة )٩٦ في المائة( مع محارق مركزية جديدة تضم وحدات طاقة من طراز SiC )٩٨,٥ في المائة من الكفاءة(.

شركة سولاريون للتخزين في ألمانيا

وتتمتع الأسر المعيشية الألمانية بواحدة من أعلى معدلات اعتماد البطاريات الشمسية، حيث تُنتج عن ذلك بطارية نموذجية تبلغ 10 كيلوواط وهيوم مقترنة بقارورة هجينة تحقق كفاءة المرحلتين المتوسطة تبلغ 88-92 في المائة، ويمكن للأسرة، باستخدامها مناديل عالية الكفاءة، تخزين فائض الطاقة الشمسية في الصيف واستخدامه في الشتاء، مما يقلل من مشتريات الشبكة، ويقلل هذا النظام من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون في البلد بمقدار 1.2 طناً.

Microgrids in Remote Communities

وفي قرى ألاسكا النائية التي تعتمد على مولدات الديزل، أدى الحاجات الدقيقة التي تعمل بالطاقة الشمسية - الزائدة بالبطاقات مع منحرفين متقدمين إلى خفض استهلاك الديزل بنسبة 50-70 في المائة، وتتولى المحاصد إدارة المتغيرات التي تستخدمها الطاقة الشمسية وشحن البطاريات/التغذية، مع إبقاء مولدات الديزل في أكثر نقاط تشغيلها كفاءة، ووفر مشروع في كونغناك 000 40 غالون من ملوث الديزل سنويا، مما يقلل من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون.

التقدم التكنولوجي

وتستمر تكنولوجيا اللافقار في التطور، مما يفتح مسارات جديدة لخفض الانبعاثات.

Silicon Carbide (SiC) and Gallium Nitride (GaN) Power Electronics

وتمتد أجهزة تحويل السيليكون التقليدية إلى حدود الكفاءة، وتعمل أجهزة السي سي سي سي سي سي سي سي سي و غا إن في ارتفاع الترددات ودرجات الحرارة مع انخفاض الخسائر في التحول، وتحقق المحاولات التجارية التابعة للسي سي سي سي سي سي في الوقت الراهن أكثر من 99 في المائة من الكفاءة، بينما تعد شركات تحويل الغازات النووية بتبديل أسرع، مما يتيح لها احتياجات أقل من المغنطيسيات والتبريد، وقد يؤدي اعتمادها على نطاق واسع إلى الحد من الخسائر في الطاقة العالمية في مجال الطاقة.

الاستخبارات الأثرية والمراقبة الافتراضية

ويمكن أن تتوقّع خوارزميات التعلم الماكنة أنماط الإشعاع الشمسي والحمّل، ثم تضبط البيئات المحايدة في الوقت الحقيقي، فعلى سبيل المثال، قد يقوم المحافر الذي تسيطر عليه الوكالة الدولية للطاقة بشحن بطارية قبل مصرف غيوم متوقع، أو يقلل من تقليص الطاقة الشمسية أثناء احتضان الشبكة، وقد أظهرت عمليات النشر المبكر احتجازاً إضافياً للطاقة بنسبة تتراوح بين 3 و5 في المائة، مما يقلل مباشرة من الحاجة إلى الدعم الأحفوري.

المترجمون الشفويون والمبرمجون

وسيجمع المترجمون المستقبليون بين لبنات بناء المعدات مع تحديثات البرمجيات التي تحسن الأداء دون استبدال مادي، وهذا النهج " المحدد بدقة " يتيح للمتحولين التكيف مع مدونات الشبكة المتطورة وكيمياء البطاريات الجديدة، وطول عمر المعدات، والحد من الفوائد البيئية الإلكترونية للنفايات.

سائقو السياسات والأسواق

ولا تُنشر تكنولوجيا المعلومات في فراغ، فالسياسات الداعمة والحوافز السوقية تعجل بالتبني.

المعايير ومدونات قواعد السلوك

وقد استكملت بلدان كثيرة معاييرها للترابط الشبكي لكي تتطلب وظائف ذكية غير منحرفة، حيث أن المعهد الأوروبي للتعليمات الاقتصادية والاجتماعية في الولايات المتحدة الأمريكية يكلف بالفولط والتردد، ويضيف المكتب المذكور قدرات الاتصال، ويضع مدونة شبكة الاتحاد الأوروبي بشأن شروط الربط بين المولدات المجهولة قواعد مماثلة، وهذه المعايير تكفل مساهمة المحاورين الجدد في استقرار الشبكة بدلا من إعاقة قدرتها على التضحية بها.

الحوافز المالية

فالائتمانات الضريبية، والتجديدات، والتعريفات التي تغذي المعدات العالية الكفاءة يمكن أن تدفع المستهلكين نحو مناشف أفضل، وتغطي الائتمانات الضريبية للاستثمارات في الولايات المتحدة التكلفة الكاملة للتخزين بالطاقة الشمسية زائدا، بما في ذلك المحاورين، وتقدم بعض الدول حوافز إضافية لللافتات " الذكية " أو " المتطورة " ، وعندما تكون هذه السياسات مجتمعة، يمكن أن تقصر فترة السداد عن سنة أعلى.

المشتريات المؤسسية

وتوقع شركات كبيرة مثل غوغل والأمازون وأبل اتفاقات لشراء الطاقة الشمسية والريحية التي تتطلب منافير عالية الكفاءة وتكامل البطاريات، وتدفع مطالبتها إلى الابتكار ووفورات الحجم، وتخفض الأسعار للمشترين الأصغر حجما، وتشمل مبادئ الشركات المشترية للطاقة المتجددة المواصفات اللافترية كجزء من معايير الشراء.

القيود والنظر في المسألة

وفي حين أن المتحولين أدوات قوية، فإنهم ليسوا من المحارم الفضية، فالأجهزة التحويلية تتطلب مواد خام مثل النحاس والألومنيوم والعناصر النادرة ذات الصلة بالكربون، إلا أن تحليلات دورة الحياة تبين باستمرار أن مدخرات الكربون التشغيلية تخفض الانبعاثات المدمجة بعامل يتراوح بين 10 و20:1 بالنسبة للنظم المصممة جيدا.

وعلاوة على ذلك، يمكن أن تؤدي حالات الفشل في استخدام اللافقارات إلى خفض إنتاج النظم، وتتفاوت الموثوقية من جانب الصانع والتصميم، وتعني أفضل الوحدات الوقت بين الإخفاقات التي تتجاوز 15 عاما، ولكن اللافقاريات الرخيصة قد تفشل في غضون 5 سنوات، مما يخلق النفايات ويقلل من الانبعاثات، ويعتبر اختيار المتحولين المصدقين على الجودة عاملا هاما في خفض الكربون في الأجل الطويل.

التوقعات المستقبلية

والمسار واضح: إن تكنولوجيا المحاولة ستصبح أكثر كفاءة وأذكى وأدمجت، وبحلول عام 2030، يتوقع الخبراء أن تصل إلى نسبة 99.5 في المائة من كفاءة التحويل، وأن تصبح الاستخدام الأمثل لأجهزة الاستخبارات المالية معيارا، وأن تكون القدرة على تشغيل الشبكات مطلوبة على جميع النظم الجديدة للتجديد والتخزين، وهذه التطورات، إلى جانب انخفاض التكاليف، تعني أن التكنولوجيا الخفية هي أحد أعلى مستويات التأثير وأقل المدونات تكلفة للحد من إنتاج الكربون.

وينبغي لصانعي السياسات مواصلة تحديث مدونات الشبكة بحيث تتطلب قدرات ذكية منحرفة، وتقديم حوافز لأكفأ النماذج، وينبغي لقادة الصناعة الاستثمار في نظام RD للجيل القادم من أجهزة توليد الطاقة الكهربائية واعتماد التفكير في دورة الحياة في مجال المشتريات، وبالنسبة للمستهلكين، اختيار منحرف رفيع الكفاءة عندما يكون تركيب الطاقة الشمسية أو التخزين من أكثر الخطوات فعالية لتحقيق أقصى قدر من وفورات الكربون الشخصية.

وفي سباق إزالة الكربون في نظام الطاقة العالمي، لا تعتبر التكنولوجيا اللافقارية مجرد لاعب داعم، بل هي حجر الزاوية، وكل واط يتدفق عبر منحرف حديث هو واط يمكن أن يتجنب انبعاثات الوقود الأحفوري البديل، وباستمرار تحسين هذه التكنولوجيا الأساسية، يمكننا أن نعجل بالانتقال إلى مستقبل للطاقة النظيفة والموثوقة والميسورة التكلفة.