تحدي النمو في حركة الشحنات الإلكترونية

وقد انتقلت المركبات الكهربائية من المنتجات المتخصصة إلى خيار النقل الرئيسي، حيث تجاوزت المبيعات العالمية 10 ملايين وحدة في عام 2022 وتسارع النمو كل عام، ويأتي هذا الاعتماد السريع بطلب مقابل لشحن الهياكل الأساسية الموثوقة والميسورة والمقدرة على تلبية احتياجات السائقين دون أن تُستخدم الشبكة الكهربائية، وتحافظ شبكة التوزيع على الجزء من نظام الكهرباء الذي يوصل الكهرباء من المنازل إلى الشركات التجارية، ويستوعب الآن نمطاً جديداً من أشكال التحميل السريع.

فالأرصفة عالية، إذ يمكن للشحن غير المنظم للمركبات أن يدفع المحولات والمغذيات وغيرها من الأصول إلى ما يتجاوز قدرتها على تقدير التكاليف، مما يؤدي إلى فشل المعدات، وشقوق الفولط، وخارج العملاء، كما أن التخطيط لشبكة التوزيع التطلعية الذي يتضمن بيانات عن الحمولة الإلكترونية، وضوابط الشحن الذكية، واستثمارات الهياكل الأساسية الاستراتيجية يمكن أن يخفف من هذه المخاطر، مع تمكين الشبكة من العمل كمنبر للتنقل المفرغ من الكربون.

أساسيات تخطيط شبكات التوزيع

إن تخطيط شبكة التوزيع هو عملية تصميم الهياكل الأساسية المنخفضة والمتوسطة الحجم وتحليلها وتطويرها، التي تربط بين المستعين النهائيين، ويقيم المصانع أنماط التحميل القائمة، ويتوقعون الطلب في المستقبل، ويقيمون المتطلبات التنظيمية، ويحددون الأماكن التي يلزم فيها خطوط جديدة، ومحولون، ومعدات حماية، ومن الناحية التاريخية، كان نمو الحمولة يمكن التنبؤ به نسبياً من خلال نمو السكان، والنشاط الاقتصادي، واعتماد مراكز السيارات.

ويشمل نظام التوزيع النموذجي المغذيات الأولية )التي تبلغ في كثير من الأحيان ٤-٣٥ كيلوفولت ف(، ومحولات التوزيع التي تهبط إلى مستويات ثانوية )١٢٠/٢٤٠ خامسا أو ٤٨٠ خامسا في الولايات المتحدة(، والخطوط الثانوية لفرادى العملاء، ويكفل التخطيط أن يكون لكل عنصر حمولته المتوقعة بهوامش أمان كافية، مع الحفاظ على فولت في حدود مقبولة )٥ في المائة من رسوم التجهيز الأولي( وتقليل الخسائر الناجمة عن التراكم السريع.

Unique Characteristics of EV Charging Load

وعلى عكس معظم الحمولات السكنية أو التجارية التقليدية، فإن الشحن بالأشعة السينية هو تقديري ومراعي للوقت ومتغير بدرجة عالية، ويتوقف الطلب على الكهرباء من رسوم الأحداث على سلوك السائقين - عندما يغرقون في ذلك، ومدة بقائهم، ومدى ما تتطلبه بطارية بطارية هذه المركبات من طاقة، ويخلق هذا التباين عدة تحديات متميزة لشبكات التوزيع.

مستويات الشحن والطلب على السلطة

وتصنف المعدات المحملة إلى ثلاثة مستويات: المستوى ١ )٠٢١ V, 1.2-1.8 kW(، والمستوى ٢ )٠٤ V, 3.3-19.2 kW(، وشحنات سريعة من العاصمة )٨٠٢-٤٨٠ V,50-٣٥٠ كيلوواط(، وفي حين يمكن معالجة المستوى ١ بواسطة الدوائر الحالية في العديد من المنازل، فإن الشحن من المستوى ٢ غالبا ما يتطلب تخصيص ٤٠-٦٠ كمن من القاذفات السريعة.

موجزات للوقود والتواطؤ مع بيكز الموجودة

ويميل التعبئة الإلكترونية السكنية إلى الذروة في المساء عندما يعود السائقون من العمل، متزامناً مع الذروة السكنية القائمة للإضاءة والطبخ والهواء، وهذا التواؤم لا يمكن أن يضاعف أو ثلاثة أضعاف العبء على المحولات في الأحياء خلال أمسيات الصيف الحارة، إذ عادة ما يحدث توجيه رسوم تجارية وأماكن عمل خلال اليوم، ويتداخل مع الحمولات التجارية والصناعية، وبدون تنسيق، فإن هذه الـ 100 قـوى متزامنة تُـُـُـُـُـُـُـُـُـُـُـُـُـُـُـُـُـُـُـُـُـُـُـُـُـُـُـُـُـُـُـُـُـُـُـُـُـُـُـُـُـُـُـُـُـُـُـُـُـُـُـُـُـُـُـُـُـُـُـُـُـُـُـُـُـُـُـُـُـُـُـُـُـُـُـُـُ

الآثار التقنية على شبكات التوزيع

ويستحدث إدماج رسوم الإي في الهواء عدة ضغوط تقنية تتطلب وضع نماذج دقيقة والتخفيف من آثارها، وهي أهم آثارها.

تحميل المتحولين والمغذيات

وقد يكون من المصمم أن يتعامل محولو التوزيع مع قدر معين من الحمولة، كثيرا ما يُشار إليه بتقدير كيلوفولط أمبير، فإضافة عدة مركبات EV وراء محول واحد، ولا سيما في المناطق السكنية الكثيفة، يمكن أن يدفع تحميلها أكثر من 100 في المائة لساعات في وقت واحد، ويتسبب في زيادة الحرارة التي تزيد فيها معدلات التحلل وتخفض من العمر المتحول، وفي حالات قصوى، يمكن أن تؤدي إلى حدوث انخفاض في معدل الحرارة في المختبرية.

تنظيم التلخيص وتوازن المرحلة

وتُسحب رسوم المركبات الإلكترونية التي تُستخدم في الوقت الراهن، مما يتسبب في انخفاض الفولط على طول المغذيات، وفي المغذيات الريفية الطويلة، أو في المناطق التي يوجد فيها بالفعل انخفاض في حجمها، يمكن أن يدفع هذا الفول إلى التخلص من النطاق المقبول، مما يؤدي إلى انحرافات في الملصقات أو المعدات إلى عطل، وبالإضافة إلى ذلك، يمكن أن تؤدي شحنات من المستوى الثاني ذات المراحل الواحدة المرتبطة بالمرحلة الثلاث إلى اختلال تدريجي، وزيادة جودة الطاقة المهية.

نوعية الطاقة ومواءمةها

وتستخدم أجهزة التحكم الإلكترونية الحديثة أجهزة كهربائية لتحويرها إلى العاصمة لشحن البطاريات، ويمكن لهذه المحولات أن تحقن تيارات متجانسة في الشبكة إذا لم تكن مزورة على النحو المناسب، ويمكن أن يتداخل التشوه التناسقي الكلي مع المعدات الحساسة، ويزيد من الخسائر في المحولات، ويتسبب في تعثر الأجهزة الواقية، ومعظم المعدات التي تباع اليوم مع رسوم الإي إي إي إي إي إي إي إي إي إي إي إي إي إي إي إي إي إي إي إي إي إي إي إي إي إي إي إي إي إي إي إي إي إي إي إي إي إي إي إي إي إي إي إي إي إي إي إي إي إي إي إي إي إي إي إي إي إي إي إي إي إي إي إي إي إي إي إي إي إي إي إي إي إي إي إي إي إي إي إي إي إي إي إي إي إي إي إي إي إي إي إي إي إي إي إي إي إي إي إي إي إي إي إي إي إي إي إي إي إي إي إي إي إي إي إي إي إي إي إي إي إي إي إي إي إي إي إي إي إي إي إي إي إي إي إي إي إي إي إي إي إي إي إي إي إي إي إي إي إي إي إي إي إي إي إي إي إي إي إي إي إي إي إي إي إي إي إي إي إي إي إي

تنسيق الحماية والتسلسل الزمني

وإذا حدث خطأ في مركز الشحن، فإن المساهمة الحالية من المعدات الموجودة في المحطة قد تكون محدودة، مما يحول دون التشغيل السليم لنظم الحماية المباشرة أو برامج حماية النباتات، فإن إضافة جيل موزع )مثل الطاقة الشمسية( أو حمولات كبيرة )مثل أجهزة تحميل المركبات( قد يؤدي إلى تغيير الخطأ الحالي الذي يحدث في الوقت الراهن، كما أن هذه المعدات قد تكون محدودة، مما يحول دون التشغيل السليم لنظم الحماية فوق المسار.

استراتيجيات التخطيط لشبكة توزيع مقاومي

وقد وضعت المرافق مجموعة من الاستراتيجيات - التقنية وبعض العمليات وبعضها الاقتصادي - لإدارة أثر رسوم السفر بالأشعة فوق البنفسجية على شبكات التوزيع، وهذه النهج أكثر فعالية عندما تطبق في وقت مبكر، قبل تركيب محطات الشحن، وعند الجمع بينها وبين التنبؤات القوية بالشحن وتحليلات البيانات.

تنبؤات ونموذج

والتنبؤ الدقيق بالتبني والتحميل على أساس التخطيط الجيد، ويستخدم المخططون نظم المعلومات الجغرافية لإطالة تسجيلات الأشعة السينية ببيانات التغذوية والمحولات القائمة، ويحدّدون نماذج السلوك المحسنة من الدراسات الاستقصائية المتعلقة بالسفر، وبيانات استخدام الشحنات، والعوامل الديمغرافية التي يمكن أن تحدث عندما وحيثما يتم تحميلها على نماذج التصنيع المحتملة، وتوفر أدوات مثل نماذج إنتاجية للكميات الخفيفة:

Smart Charging and demand Response

(أ) الطريقة الأكثر فعالية من حيث التكلفة لإدارة حمولة المركبات الإلكترونية هي تحويلها من ساعات الذروة؛ وأجهزة الشحن الذكية التي يمكن أن تتصل بمرافق مركزية منخفضة من حيث النظام للحد من الطاقة أو التوقف عند التركيز على شبكة التوزيع، مثل خلال الموجة الحرارية أو عند تحميلها أكثر من اللازم؛ وتجمع برامج الاستجابة للطلبات بين أصحابها الذين يوافقون على المشاركة في أسعار الائتمانات المتحركة، مثل أسعار الصرف الدنيا

تحسين الهياكل الأساسية وتحليل القدرات المضيفة

وبعض المواقع ستتطلب حتماً تحديثات تقليدية: زيادة حجم المحولات، وإعادة تشغيل المغذيات، أو بناء وحدات فرعية جديدة.() ويقيِّم تحليل القدرة على الاستضافة بصورة منهجية مدى إضافة حمولة جديدة - بما في ذلك رسوم الشحن الإلكترونية - إلى كل جزء من شبكة التوزيع دون التسبب في انتهاكات للشبكات أو الحرارة أو الحدود الدنيا للحماية، وكثيراً ما تنشر النتائج على أنها خريطة للقدرات الكهربائية([1])

دمج موارد الطاقة الموزعة

ويمكن أن يؤدي ارتفاع مستوى الحرارة الكهربائية المحتوية على أجهزة كهربائية تعمل بالطاقة الشمسية وتخزين البطاريات في الموقع إلى خفض الحمولة الصافية التي تُشاهدها الشبكة، ويمكن لمستودع الأسطول الذي يبلغ مساحته 500 كيلوواط شمسي و300 كيلوواط أن يشحن المركبات خلال اليوم باستخدام الطاقة الشمسية، ثم يستخدم البطارية لتوفير الحمولات المحلية أثناء فترات الذروة المسائية.

القدرات من المركبات إلى القاحلة (V2G)

ويقلل ارتفاع أسعار الشحنات الثنائية الاتجاه إلى الرفع من مستوى سطح الأرض إلى مستوى أعلى من مستوى EV لتخليص بطارية الشبكة وتحويل المركبة إلى مورد للطاقة موزعة، وفي أثناء تحميل مغذيات التوزيع، يمكن لأسطول من المركبات الإلكترونية ذات القدرة العالية على إنتاج الغازات العاطلة أن يُصدر الطاقة لتخفيف الضغط، وعلى الرغم من أن V2G لا يزال في وقت مبكر من نشرها التجاري، فقد أظهرت عدة مشاريع تجريبية أنه يمكن أن يؤجل تطوير الهياكل الأساسية المحولة وأن يحسنها.

الاعتبارات الاقتصادية والسياساتية

ولا يشكل إدارة الحمولة الإلكترونية تحديا تقنيا فحسب، بل يتطلب إشارات اقتصادية مناسبة وتنظيما داعما، بل يجب على المرافق أن تسترد تكلفة رفع مستوى الشبكة مع الحفاظ على الكهرباء بأسعار معقولة لجميع العملاء، كما أن سائقي المركبات الإلكترونية بحاجة إلى إشارات واضحة للأسعار تشجع على فرض رسوم غير مباشرة، ويمكن لصانعي السياسات أن يعجلوا بالتكامل الذكي من خلال مدونات البناء، ورسم حوافز محطات، وإصلاح المرافق.

توزيع التكاليف وتصميم التعريفات الجمركية

وتُعتبر التعريفات السكنية التقليدية مسطحة أو مسببة للعمود، ولا تعكس تكلفة العرض المستغرقة من الزمن، إذ تُحدِّد معدلات وقت الاستخدام ارتفاع الأسعار خلال ساعات الذروة (مثلاً، 4-9 ميغاواط) وتُحدَّد الأسعار في الليل، مما يوفر حافزاً قوياً على رسوم التخزين غير الملزمة، وقد استحدثت بعض المرافق [الوصف: صفر]

الأطر التنظيمية والحوافز

وتؤدي السياسات الحكومية والاتحادية دوراً رئيسياً، إذ تُوفِّر وزارة الطاقة في الولايات المتحدة Electric Vehicle Charging Infrastructure) التمويل اللازم لأدوات النشر والتخطيط، وتحتاج ولايات كثيرة إلى مرافق لتقديم ] خطط كهربة النقل التي تصف كيفية دعم نمو الموظفين وتحافظ على الموثوقية().

الإنصاف والوصول

ويمكن للخطط أن تضمن أيضاً حصول المجتمعات المحلية المنخفضة الدخل والمتوسطة الدخل على الهياكل الأساسية، وأن تكون تكاليف تحديث الشبكات غير مستهدفة بصورة غير عادلة، وأن يساعد التخطيط المجتمعي، إلى جانب الحوافز المستهدفة لسكن متعدد الوحدات وشحن الجماهير في المناطق التي لا تحظى بخدمات كافية، على تحقيق انتقال عادل.

التوقعات المستقبلية والاتجاهات الناشئة

ومع استمرار ارتفاع اعتماد المركبات الإلكترونية، حيث تقدر بعض التوقعات بنسبة 50 في المائة من مبيعات السيارات الجديدة بحلول عام 2030 في عدة أسواق - يجب أن يصبح التخطيط لشبكة توزيعها أكثر دينامية ودافعاً للبيانات، وستشكل عدة اتجاهات كيفية مواجهة المرافق لهذا التحدي.

  • Advanced planning software:] Tools that integrate real-time grid data, AI-based load forecasting, and electromagnetic transient simulation will enable planners to evaluate thousands of scenarios immediatelyly. Open-source platforms like GridLAB-D and OpenDSS are evolved to include detailed EV models.
  • Managed charging as a standard:] Smart charger mandates and utility-led programs could make managed charging the default option for all new installations, with opt-out provisions. This will turn the EV fleet into a controllable resource that supports grid reliable.
  • Integration with renewable energy:] The coincide of solar generation and commercial charging presents an opportunity to couple EV load with renewable output. If 80% of daytime workplace charging can be supplied by solar, the net load on the distribution network drops significantly.
  • ]Fleet electrification:] Medium- and heavy-duty fleet vehicles-delivery vans, school buses, dump trucks -represent a large and concentrated load. Their depot charging patterns are more predictable, making them ideal candidates for V2G services and microgrid islanding.
  • Regulatory innovation:] Performance-based regulation that rewards utilities for outcomes (e.g.,tom load reduction, avoided upgrade costs) rather than capital expenditure could accelerate cost-effective solutions.

ولن تكون شبكة التوزيع في المستقبل قناة سلبية للكهرباء؛ وستكون منصة نشطة تدير تبادلا ثنائي الاتجاه للطاقة بين المركبات والمباني ونظام الطاقة السائبة، وسيبني المخططون الذين يتقبلون هذا الرأي شبكات لا تكون قادرة على تحمل عبء الشحنات الإلكترونية فحسب بل تعززها بالفعل.

بناء مؤسسة آلية للنقل الكهربائي

إن أثر تحميل المركبات الكهربائية على تخطيط شبكات التوزيع عميق ومتعدد الجوانب، وفي حين أن التحديات هي المحولات التي تُحمَّل فعلاً، ومشاكل التطاير، وقضايا نوعية الطاقة، والحاجة إلى وجود أدوات واستراتيجيات هامة للتصدي لها، وهي آخذة في التحسن بسرعة، فالتخطيط الاستباقي الذي يجمع بين التنبؤات التفصيلية بالشحن، وتكنولوجيا الشحن الذكية، والارتقاء بالهياكل الأساسية الاستراتيجية، والتعريفات الجيدة التصميم يمكن أن يحول فرصة الانتقال من نظام EV.

ويجب أن تتعاون المرافق والمنظمون وشحن أصحاب المصلحة في وضع إطار يستوعب ملايين المركبات الإلكترونية دون المساس بالموثوقية أو الإنصاف، وباعتماد مبادئ التخطيط المبينة هنا، وباستمرار الاستثمار في البيانات والتشغيل الآلي ومرونة الأصول الشبكية، يمكن لشبكة التوزيع أن تدعم بأمان وكفاءة كهربة النقل لعقود قادمة.