أثر (سمارت غريد) المباني المتعلقة بالقدرة على مواجهة الطاقة في المجتمعات المحلية

وتواجه نظم الطاقة الحديثة ضغوطا غير مسبوقة من الهياكل الأساسية الناشئة، والطلب المتزايد، والآثار المتسارعة لتغير المناخ، حيث أن الأحداث الجوية الشديدة تزداد تواترا وشديدا، تبحث المجتمعات المحلية عن سبل لإبقاء الأضواء على مزارع الشبكة، وأحد الحلول الواعدة لا يكمن في ضخ محطات توليد الطاقة، بل في المباني التي يعيش فيها الناس ويعملون، وتبرز المباني الجاهزة للشبكات كحجر في مجال القدرة على تحمل الطاقة المجتمعية، مما يتيح لها توزيعها.

تحديد المباني الميكانيكية

كما أن بناء شبكة ذكية مصمم أو أعيد تجهيزه بتكنولوجيات الاتصالات والمراقبة الرقمية التي تسمح له بالتفاعل الدينامي مع الشبكة الكهربائية، وخلافا للمباني التقليدية التي لا تستهلك إلا الطاقة، يمكن لهذه المباني أن تُحسّن ظروف الشبكة، وأن تُعدّل استهلاكها، بل وتُسهم في إعادة استخدام الطاقة إلى النظام، وتشمل المكونات الأساسية عادة أجهزة قياس الذكية، ومواصفاتها، وأجهزة الاستشعار، وأجهزة التحكم في أجهزة التحكم في أجهزة التحكم في الطاقة (EMS).

والخصائص المحددة لمبنى ذكي لشبكة الكهرباء هي قدرته على تبادل البيانات في الوقت الحقيقي مع مشغل المرافق أو الشبكة، وهذا الاتصال ذي الاتجاهين يتيح للمبنى المشاركة في استراتيجيات الإدارة المتقدمة للشبكة، مثل الاستجابة للطلب، وتنظيم التردد، والتسعير الدينامي، مثلا، يمكن لنظام إدارة الطاقة في المبنى أن يتلقى إشارة إلى أن الشبكة تحت ضغط ضغط الإجهاد لأن موجة حرارية تسحب كميات أقل من المشترين في النظام الإيكولوجي.

ويمتد هذا المفهوم إلى ما هو أبعد من الهياكل الفردية، ويُصمم مبنى ذكي لشبكة الإنترنت يُراعى فيه قابلية التشغيل المتبادل، بمعنى أن نظمه يمكن أن تتواصل باستخدام بروتوكولات موحدة (مثل نظام " إفتح " أو IEEEE 1547) تسمح بالتكامل السلس مع نظم المرافق العامة وغيرها من المباني ومنابر التجميع، وهذا التشغيل المتبادل أمر حاسم الأهمية للارتقاء بمستوى المجتمع المحلي، حيث يمكن لعشرات أو مئات المباني تنسيق إجراءاتها من أجل إحداث تأثير جماعي على القدرة على التكيف.

How Smart Grid-Ready Buildings Strengthen Community Energy Resilience

وتشير قدرة المجتمعات المحلية على مواجهة الطاقة إلى قدرة المجتمع المحلي على الاستعداد لاضطرابات الطاقة، والتحمل والتعافي منها بسرعة، سواء كانت ناجمة عن الكوارث الطبيعية أو الهجمات الإلكترونية أو إخفاق المعدات، وتسهم المباني الجاهزة للشبكة الذكية في القدرة على التكيف بطرق مختلفة ولكنها مترابطة، وتعزز كل آلية الأخرى، وتنشئ نظاما محليا أكثر قوة ومرونة للطاقة.

تحسين الاستقرار والحد من المخاطر

ومن أكثر الفوائد المباشرة للمباني الذكية التي تُستخدم في برمجة الشبكة، قدرتها على الحد من الضغط على الشبكة خلال فترات الذروة في الطلب، وعندما يمكن للمبنى أن يُلقي التحميل تلقائياً بواسطة أضواء القذف، أو تعديل نقاط مركز الحرارة، أو التدوير عن المعدات غير الحرجة - يساعد على منع سلسلة الإخفاقات التي تؤدي إلى انقطاع الكهرباء.

وبالإضافة إلى رفوف الحمل القصير الأجل، يمكن للمباني الذكية أيضاً أن توفر خدمات تنظيم الترددات، وعندما تختبر الشبكة تقلبات سريعة نتيجة للانخفاض المفاجئ في توليد الطاقة الشمسية أو فقدان المولدات الكهربائية التي لها ضوابط للتكاثر السريع يمكن أن يضبط استهلاكها في الثانية من أجل المساعدة على تثبيت التردد، وهذه القدرة مهمة بوجه خاص نظراً لأن الشبكات تتضمن مصادر للطاقة المتجددة أكثر تنوعاً مثل الرياح والطاقة الشمسية.

الاستجابة للطلب كقاعدة موارد مجتمعية

وتشكل برامج الاستجابة للطلبات حجر الزاوية في إدارة الشبكات الحديثة، وفي مناسبة لنزع السلاح والتسريح وإعادة الإدماج، تطلب المرافق من المشاركين تخفيض استهلاك الكهرباء خلال نافذة محددة، ويمكن للمباني ذات البرمجيات الذكية أن تشارك مشاركة كاملة من خلال الاستجابة الآلية للطلبات، حيث يستجيب نظام إدارة الطاقة في المبنى للإشارات دون الحاجة إلى تدخل بشري، وهذا النهج الآلي يكفل إجراء تخفيضات سريعة ويمكن التنبؤ بها في الحمولة يمكن أن تعتمد عليها المرافق.

وعلى مستوى المجتمع المحلي، يمكن أن يؤدي إجمالي استجابة الطلب من المباني الذكية مثل محطة توليد الطاقة الافتراضية، فعلى سبيل المثال، خلال موجة حرارية، يمكن لمئات المباني المجهزة بأجهزة الحرارة الذكية أن ترفع نقاط التبريد الخاصة بها بدرجات قليلة فقط، وتحرر مجتمعاً ميغاوات من القدرة، مما يقلل من خطر حدوث إخفاقات جديدة ويتيح المجال لتجنب حدوث عمليات تناوبية.

Energy Storage Integration for backup Power

إن تخزين الطاقة عامل حاسم في القدرة على التكيف، إذ يمكن للمباني الجاهزة للشبكات الذكية أن تدمج البطاريات على مختلف المستويات - من وحدة سكنية واحدة إلى منشأة تجارية الحجم للمبنى، ويمكن لهذه البطاريات أن تشحن أثناء العمليات العادية عندما تكون الكهرباء رخيصة (أو عندما يكون توليد الطاقة المتجددة وافعا) وتفرغ عندما تكون الأسعار مرتفعة أو يتم التشديد على الشبكة، ولكن أهم دور لها هو توفير الطاقة الاحتياطية أثناء انقطاع الكهرباء.

ويمكن أن يعاد النظام تلقائياً من الشبكة أثناء فترة انقطاع، وأن يزودها بحمولات أساسية مثل التبريد والمعدات الطبية والإضاءة لساعات أو حتى أيام، وعندما يقترن ذلك باللوحات الشمسية، فإنه يمكن أن يعاد شحنها خلال النهار، وأن يمتد فترة الدعم إلى أجل غير مسمى، وعلى نطاق المجتمع المحلي، يمكن لشبكة من هذه المباني أن تكفل وجود مرافق حرجة - مخازن للملابس، والصيدليات، ومخازن للبنات.

تيسير تكامل الطاقة المتجددة

وتتحول مصادر الطاقة المتجددة، ولا سيما النظم الشمسية الفولطية، إلى مصادر متجددة على سطح الأرض في العديد من المجتمعات المحلية، غير أن الناتج المتغير للزجاجات الشمسية، والوقت الذي تتسع فيه المواسم، والزمن الافتراضي، وتحد من التحديات التي تواجه مشغلي الشبكات، وتحل هذه المباني هذه المشكلة باستخدام نظم إدارة الطاقة الخاصة بها لمواءمة الاستهلاك مع الجيل المتجدد في الوقت الحقيقي، وعلى سبيل المثال، يمكن للمبنى أن يطابق بين إنتاجه الشمسي أثناء فترة ما بعد الظهر

وعلى مستوى المجتمعات المحلية، تؤدي هذه المواءمة إلى الحد من الحاجة إلى توليد الدعم من الوقود الأحفوري وتخفض انبعاثات غازات الدفيئة، حيث يمكن أن تزيد جميع المباني الذكية في مجال برمجة الشبكة من استخدام الطاقة الشمسية المنتجة محليا، وتخفض إلى أدنى حد الواردات من الشبكة المركزية، وتعزز الاكتفاء الذاتي للطاقة، وهذا يقلل بمرور الوقت من الضعف أمام انقطاع إمدادات الوقود (مثل فشل خط أنابيب الغاز الطبيعي) ويدعم الأهداف المناخية.

النماذج العالمية الحقيقية ونماذج التنفيذ

Theory is compelling, but practical examples show thatelli grid-ready buildings are already deliver resilience benefits. In California, the ] California Independent System Operator (CAISO) has operated demand response programs for years, with buildings from large commercial complexes to small campuses participating. During the 2020 heat waves that threatened rolling blackouts, automted reductions from

ومن الأمثلة البارزة الأخرى: إدارة مسرعات بناء الطاقة الذكية التابعة لوزارة الطاقة، التي عملت مع عدة مدن على اعتماد سياسات تشجع على تشييد بنية ذكية، وقد قامت مدن مثل دينفر وسياتل باستكمال مدونات الطاقة في المباني لاشتراط أو تحفيز قدرة ذكية على القياس والاستجابة للطلبات في المباني التجارية الجديدة.

وفي أوروبا، اختبر مشروع " ريلينت " لعام 2020 مجموعات المباني الذكية في السويد وهولندا، مما يبين أن تنسيق مراقبة الحملات وتخزينها يمكن أن يبقيا حمولات حرجة مجهزة لفترات طويلة أثناء فترات التصفية المحاكاة، ويجري إدماج النتائج التي تتوصل إليها هذه المشاريع في سلاسل الطرق الوطنية الذكية، مع التركيز على توسيع نطاق المفهوم ليشمل المقاطعات بأكملها.

التحديات التي تواجه التبني على نطاق واسع

وعلى الرغم من المزايا الواضحة، فإن العديد من الحواجز تبطئ نشر المباني الذكية التي تعمل على برمجة الشبكات، والأهم من ذلك هو التكلفة، إذ إن إعادة تجهيز مبنى قائم بأجهزة استشعار ذكية، وضوابط، وتخزين البطاريات يمكن أن تكون باهظة التكلفة، وتتطلب في كثير من الأحيان فترة انتقامية تتراوح بين خمس وعشر سنوات، وبالنسبة للإسكان المنخفض الدخل أو الأعمال التجارية الصغيرة، قد يكون الاستثمار الأولي باهظا بدون إعانات أو آليات تمويل، كما أن بعض المرافق تقدم حوافز للمشاركة في الاستجابة للطلبات، ولكن مستوى الدعم على نطاق واسع.

أمن الفضاء الحاسوبي وخصوصية البيانات

ويمكن استخدام مبنى ذكي متضرر كنقطة دخول لعرقلة الشبكة الأوسع نطاقاً - وهو شاغل أبرزته ] Cybersecurity and Infrastructure Security Agency (CISA) . كما أن أصحاب المباني ومشغلوها يجب أن ينفذوا تدابير أمنية إلكترونية قوية، بما في ذلك التشفير، وتجزئة الشبكة، وتحديث البيانات المتعلقة بالخصوصية.

قابلية التشغيل البيني والمعايير

ولا يمكن أن يؤدي إنشاء مبنى ذكي لشبكة الإنترنت إلا بقدر ما يكون فعالا من حيث قدرته على الاتصال بالشبكة وغيرها من المباني، إذ يمكن أن تؤدي بروتوكولات الملكية من مختلف البائعين إلى تجزؤ، مما يجعل من الصعب تجميع الإجراءات في مجتمع ما، كما أن معايير الصناعة مثل نظام " أوف إن آر " (P OpenADR) و " IEE 1547 " ، و " BACnet " ، ولكن التبني غير عالمي، وينبغي أن تدفع المرافق والمنظمة إلى وضع معايير مشتركة لضمان أن تعمل معاً.

سائقو السياسات والتنظيم

وتؤدي السياسة الحكومية دورا حاسما في التعجيل بتشييد أجهزة البرمجيات الذكية، ويمكن أن تتطلب مدونات الطاقة الجديدة " التفاعل بين الحاجات " أو " البرمجيات الذكية " منذ البداية، مع توفير اعتمادات للمقابر الفرعية والضوابط الآلية والقدرة على الاتصالات، وقد تخول بعض الولايات، مثل كاليفورنيا مع رمز الباب 24، بالفعل أن تكون لبعض المباني التجارية قدرة على الاستجابة للطلبات، وتوسيع نطاق هذه المتطلبات لزيادة المباني السكنية والأدنى التجارية الأصغر.

ويمكن لسياسات القياس الصافية التي تعوض مالكي المباني عن تصدير الطاقة الشمسية إلى الشبكة أن تحفز على الجمع بين مصادر الطاقة المتجددة مع الضوابط الذكية، وبالمثل، يمكن أن تؤدي معدلات الاستخدام القصوى الحرجة إلى تحويل الحمولة من فترات الذروة، وهذا يعني أن إنشاء سوق جديدة للطاقة تكون بمثابة مخرج من مرحلة الذروة، وأن يعوض اللجنة الاتحادية لتنظيم الطاقة، ويفتح أسواقا للبيع بالجملة بحيث تشمل موارد الطاقة الموزعة، بما في ذلك المباني الذكية.

وعلى مستوى المجتمع المحلي، فإن مراكز المرونة - الأماكن العامة المجهزة بالشمس والتخزين التي تعمل كمراكز للاستجابة لحالات الطوارئ - تكتسب مقومات، وكثيرا ما تتضمن هذه المراكز سمات ذكية لشبكة الإنترنت ويمكن أن تعمل كنموذج للارتقاءات في المباني على نطاق أوسع، ويوفر التمويل من البرامج الاتحادية مثل قانون الهياكل الأساسية في بيبارتيسان وقانون الحد من التضخم منح وأرصدة ضريبية لمشاريع الطاقة النظيفة والقدرة على التكيف، التي يمكن للمجتمعات المحلية أن تستفيد منها لمبادرات البناء الذكية.

التوقعات المستقبلية: الارتقاء بالتكنولوجيا وإدماجها

إن المسار واضح، فمع تباطؤ تكاليف التكنولوجيا وتسريع تحديث الشبكة، تصبح المباني الذكية لشبكة الإنترنت هي القاعدة وليس الاستثناء، فالاستخبارات الفنية والآلات ستعزز قدرة بناء نظم إدارة الطاقة على التنبؤ بالأوضاع الشبكية وتعظيم الإجراءات دون التضحية الشاغلة، فعلى سبيل المثال، يمكن للمبنى الذي يعمل بالشبكة أن يتعلم الأفضليات الحرارية لشاغليه وأنماط التوليد الشمسية الدنيوية.

وثمة حدود أخرى هي دمج المركبات إلى الشبكة، حيث إن اعتماد المركبات الكهربائية ينمو، فإن البطاريات في السيارات المتوقفة تمثل مورداً ضخماً من مصادر التخزين الموزعة، ويمكن للمبنى الذكي الذي يُستخدم في قراءته للشبكة أن ينسق الشحن والتدبير باستخدام البطاريات الإلكترونية لتكملة طاقة البناء خلال فترات الذروة أو فترات التوقف، وهذا يتطلب اتصالات متقدمة بين المبنى والسيارة، ولكن المعايير مثل المعيار ISO 15118 يجري نشرها بالفعل.

ويمكن للشبكات المجهرية المجتمعية التي يمكن أن تفصل عن الشبكة الرئيسية وتعمل بشكل مستقل أن تكون في نهاية المطاف تعبيرا عن المباني ذات الارتقاء التي تعمل معا، وفي مجهرية صغيرة، تتقاسم المباني الطاقة من مصادر متجددة وتخزين، وتتوازن الأحمال فيما بينها، وتظهر المباني ذات البرمجيات الذكية التي تستخدمها شبكة الإنترنت، أن هذه المباني هي الندوات الأساسية لمثل هذه الحاجات الصغرى، وتوفر البيانات والتحكم اللازمين في العمليات التي تنفذها جزر ريكو.

خاتمة

إن المباني الميكانيكية التي تُعدّ شبكة الإنترنت ليست مفهوماً مُجدياً؛ فهي حل عملي قابل للتكرار من أجل تحسين قدرة المجتمعات المحلية على مواجهة الطاقة، إذ إن تمكين المباني من التواصل مع الشبكة، وتكييف استهلاكها الخاص، وتخزين الطاقة، وإدماج مصادر الطاقة المتجددة، سيخلق معلومات موزعة تجعل نظام الطاقة بأكمله أكثر قوة، وهذه الفوائد واضحة: انخفاض عدد المخارج، وانخفاض فواتير المشاركين، وزيادة الطاقة الأنظف، وزيادة الاكتفاء الذاتي بالنسبة للحيوانات والمدن.