إدماج مجهري الطاقة المتجددة في نظم الطاقة من أجل الاستقلال الذاتي الأكبر

المعيار الجديد في إدارة الطاقة

فالمباني التجارية والمؤسسية تمثل حصة كبيرة من الاستهلاك العالمي للكهرباء، حيث أن تقلبات أسعار الطاقة وتشديد أنظمة الكربون، يسعى مالكو المباني ومديرو المرافق إلى استراتيجيات تتجاوز الكفاءة، كما أن تكامل شبكات الطاقة الصغيرة التي تستخدم في بناء نظم الطاقة يتيح السبيل إلى الاستقلال الذاتي الحقيقي، حيث يمكن للهيكل أن يولد ويخزن ويدير طاقته الخاصة بينما يظل مرتبطا بشبكة الدعم أو التصدير، وهذا التكامل يحول المباني من المستهلكين الذين يعيشون في المستقبل إلى اضطرابات ناجمة عن النظام الإيكولوجي.

Understanding Renewable Energy Microgrids

فالطاقة الصغيرة هي نظام طاقة محلي يمكن أن يفصل عن الشبكة التقليدية ويعمل بصورة مستقلة أو عن طريقة جزرية أو أن يدار بالتوازي مع الفائدة، وعندما تستمد مصادر الجيل من صفائف الطاقة الكهربائية المتجددة، أو التوربينات الريحية، أو الطاقة الكهرمائية، أو شبكات الكتلة الحيوية مجتمعة، يُسمى النظام محصولاً للطاقة المتجددة، وتُدمج هذه النظم في عمليات تخزين الطاقة، أو التحكم في تدفق الطاقة الحقيقية.

وتتراوح كميات الميكروفونات المتجددة من تركيبة واحدة لبناء السقف بالطاقة الشمسية والبطارية إلى معسكرات متعددة المباني تتقاسم حافلة مشتركة في العاصمة أو حلقة حرارية، وفي جميع الحالات، لا تزال القيمة الأساسية هي نفسها: إنتاج الطاقة النظيفة في الموقع، وتقليل الاعتماد على الطاقة الكهربائية القائمة على الوقود الأحفوري، وتوفير الدعم عندما تتحول الشبكة المركزية إلى مواهب، ونظرا لأن تكلفة وحدات البرمجيات المضغوطة وخزن البطاريات قد انخفضت بأكثر من عقد.

كيف يتداخل المجهري مع أنظمة البناء

إن متحكم الطاقة المتطورة يتواصل مع نظم إدارة المباني بواسطة بروتوكولات موحدة مثل BACnet، أو Modbus، أو O O O O O O O O O O O O OG.

فوائد إدماج المشاريع الصغيرة المتجددة في نظم البناء

إن القرار المتعلق بدمج صغرى متجددة في الموقع مع نظم الطاقة المبنية يوفر مزايا مردودة بمرور الوقت، كما أن الفوائد الرئيسية هي، وكل منها ينظر نظرة أعمق إلى الآليات التي تجعلها ممكنة.

تعزيز الاستقلال الذاتي للطاقة

فالاستقبال يعني أن المبنى يمكن أن يعمل إلى أجل غير مسمى بينما يفصل عن شبكة المرافق العامة، وبالنسبة للمرافق الحرجة مثل المستشفيات ومراكز البيانات ومراكز الاستجابة لحالات الطوارئ، فإن هذه القدرة غير قابلة للتفاوض، ويمكن أن يحافظ الحاج الصغير المتكامل الذي يُضبط بشكل كاف على التشغيل الكامل خلال فترات انقطاع متعددة الأيام، باستخدام مصادر متجددة لإعادة شحن البطاريات خلال اليوم، وحتى بالنسبة للمباني غير الحرجة، فإن الاستقلال الجزئي يقلل من التعرض بصورة فعالة للتغيرات والأسعار.

وفورات التكاليف من خلال إدارة الطلب

وكثيرا ما تشمل التعريفات الكهربائية التجارية رسوم الطلب على أساس أعلى متوسط لسحب الطاقة خلال فترة إعداد الفواتير بخمسة عشر دقيقة، ويمكن للاحتجاج الجزئي المتكامل أن يحلق هذه الذروة باستخدام الطاقة المخزنة أو يقلص الحمولات غير الأساسية، مما يولد وفورات فورية، كما أن معدلات الاستخدام تزيد من الاستهلاك المحوّل إلى فترات يكون فيها توليد الطاقة الشمسية وفرة، وعلى مدى فترة زمنية نموذجية مدتها عشر سنوات، يمكن أن تقابل هذه الوفورات التشغيلية جزءا كبيرا من رأس المال.

الأثر البيئي والامتثال التنظيمي

ويقلل توليد الطاقة المتجددة في الموقع مباشرة من نطاق انبعاثات غازات الدفيئة 2، ويكلف العديد من الولايات القضائية الآن عمليات بناء محايدة للكربون بحلول عام 2030 أو عام 2050، ويوفر المايكريد طريقا ملموسا للامتثال، وبالإضافة إلى ذلك، يؤدي توليد الطاقة المتجددة في الموقع إلى تجنب خسائر في نقلها، حيث يتراوح متوسطها بين 5 و10 في المائة في معظم الشبكات، وبالنسبة للمنظمات التي لديها التزامات بالاستدامة، تمثل الأحجار الصغيرة المتكاملة استثماراً كبيراً ومرئياً.

خدمات المرونة والاحتجاز

فبخلاف الطاقة الاحتياطية، يمكن للزجاجات الصغيرة المتكاملة أن توفر خدمات مساعدة لتنظيم الترددات الشبكية، ودعم التطاير، بل وحتى الإنشاءات السوداء لمجاري الإيرادات الجديدة، ويكسب المبنى مدفوعات من شركة المرافق العامة أو النظام المستقل لإتاحة قدرتها على البطاريات، وهذه القدرة التفاعلية للشبكة اتجاه متزايد في العقارات التجارية، حيث تسعى المرافق إلى توزيع الموارد لإدارة الترابط بين الطاقة المتجددة في نظام السائب.

العناصر الرئيسية للتكامل الناجح

ويتطلب بناء شبكة مصغرة تعمل في مجال الطاقة المتجددة وتتواصل مع حمولات البناء وتُستخدم على الوجه الأمثل اختيارا دقيقا لعدة نظم فرعية مترابطة، والمكونات التالية أساسية لنظام ذي أداء رفيع.

مصادر التوليد المتجددة

ولا يزال الحرف السائل المقطعي السائل السائل السائل أكثر الخيارات شيوعاً بالنسبة للحاجات الصغيرة المدمجة في المباني بسبب قابليتها للتصعيد، وانخفاض تكلفتها، والتوافق مع تركيبات التروبينات السطحية والوقوف، كما أن المحور الأفقي والرأسي - يمكن أن يُضاف إلى مواقع ذات موارد الرياح الكافية، أما بالنسبة للمباني التي تحافظ على الأحمال الحرارية الثابتة، والكتلة الأحيائية، والغاز الحيوي فتؤدي إلى توليد الطاقة المتجددة، وتوليد الحرارة في آن واحد.

نظم تخزين الطاقة

فالبطاريات هي حجر الزاوية في قدرة الحاجات الصغرى على العمل في الجزر، كما أن الكيمياء التي تستخدم الليثيوميون هي التي تهيمن على مدى الحياة والسلامة في الدورات، كما أن البدائل الناشئة مثل صوديوم وبطاريات تدفق الحديد قد تعد بتكاليف مادية أقل وتخزين أطول مدة، وإن كانت لا تزال في مرحلة مبكرة من الانتشار التجاري، لا ينبغي أن ينظر في تحديد متوسط الاستهلاك الليلي إلا في تحميل القدرة على الصمود.

برامجيات متقدمة لمكافحة وإدارة الطاقة

ويستخدم جهاز التحكم دماغ الغريد وينفذ الخوارزميات التي تتوقّع توليد الطاقة الشمسية، ويتوقّع الحملات التي تُنقل بالمبنى، ويُستخدم البطاريات على الوجه الأمثل، ويدير الربط الشبكي، ويستخدم المنصات الحديثة التعلم الآلي لتحسين دقة التنبؤ بمرور الوقت، والتكيف مع التغيرات الموسمية وأنماط الشغل، كما يتولى المراقب الانتقال بين عملية انقطاع الشبكات والمنهج الجزري التي يجب أن تحدث بمليارات.

نظم إدارة الطاقة في المباني

ويتطلب التكامل نظاما آليا للبناء قادر على تلقي وتنفيذ أوامر من جهاز التحكم في الأحجار المجهرية، ويشمل ذلك دفعات متغيرة للترددات على المراوح والمضخات، وأجهزة الحرارة الذكية، وصناديق VAV، والإضاءة ذات القدرة على التحكم في الأجهزة المتفجرة المرتجلة، ويمكن للمنصات الحديثة لنظام بي إم أن تجهز قبل بلوغ ذروتها المتوقعة، ثم تسمح بأن تنطلق درجات الحرارة خلال ساعات الذروة بعد الظهر.

التحديات والنظر في المسألة

ورغم المزايا الجبارة، فإن إدماج صغرى متجددة بنظم الطاقة في البناء يشكل عقبات حقيقية يجب معالجتها أثناء التصميم والمشتريات والتكليف.

النفقات الرأسمالية في المرحلة الأولى

ويمكن أن يكلف تركيب الطاقة الشمسية، وتخزين البطاريات، ومراقب متطور تكلفة 300 دولار إلى 800 دولار للقدم المربع من مساحة سطح الأرض، تبعا لتعقيد النظام، وفي حين أن الائتمانات الضريبية للاستثمارات الاتحادية، والحوافز على مستوى الولايات، والانخفاض المعجل يمكن أن يقلل من التكلفة الصافية بنسبة تتراوح بين 30 و50 في المائة، فإن النفقات الأولية تظل حاجزا للعديد من أصحاب المباني.

التعقد التقني للترابط

ويتطلب الربط بين المزروعين الامتثال للشبكة الدولية للكهرباء في الفترة من 1547 إلى 1547 (الولايات المتحدة الأمريكية) أو معايير مماثلة لتنظيم الفولط، والكشف عن القذف، ونوعية الطاقة، وقد تفرض الفائدة متطلبات إضافية، مثل التبديل الواضح لقطع الاتصال أو قناة الاتصالات لإشارات التقليص، وتتطلب تلبية هذه المتطلبات فريقا هندسيا مهرة يطلع على ممارسات المرافق المحلية، وقد يؤدي ضعف الترابط إلى تشويه الأداء أو الارتطام مفرط.

الحواجز التنظيمية والسياساتية

وهناك دول وبلدان كثيرة تفتقر إلى أطر واضحة لعمليات المايكرويد وملكيته، حيث أن قضايا مثل الرسوم الاحتياطية، والقبوات الصافية للمقاييس، ورسوم الخروج يمكن أن تضعف الفوائد الاقتصادية، وتحظر بعض الولايات القضائية مبيعات الطاقة من طرف ثالث، وتقصر القدرة على تقاسم الطاقة عبر حرم أو تبيع فائضاً للجيران، وكثيراً ما تكون الدعوة إلى وضع السياسات العامة والمشاركة مع الهيئات التنظيمية ضرورية لتهيئة بيئة داعمة للمحاصيل الصغيرة المتكاملة.

الصيانة والتخطيط لدورات الحياة

وتتدهور الوحدات الشمسية بنسبة ٠,٥ في المائة سنويا، وتحتاج البطاريات عادة إلى استبدالها بعد ١٠-١٥ سنة، وتحتاج برامجيات الشاحنات إلى تحديثات دورية للحفاظ على أمن الفضاء الحاسوبي والتوافق مع بروتوكولات الشبكة المتطورة، ويجب على ملاك المباني أن يرصدوا هذه التكاليف ويخططوا لاستبدال العناصر، ويفتقر العديد من المرافق إلى موظفين مدربين يمكنهم الاحتفاظ بعقود خدمة باهظة التكلفة.

استراتيجيات التكامل وأفضل الممارسات

ويتطلب التكامل الناجح نهجا تدريجيا يتوافق مع الهياكل الأساسية القائمة للمبنى وأهداف الأعمال التجارية القائمة، ويتضح أن هذه الاستراتيجيات هي استراتيجيات مثبتة.

إجراء مراجعة شاملة للطاقة أولا

وقبل تحديد أي مكونات مجهرية، إجراء مراجعة للحسابات تتضمن بيانات حمولة على فترات زمنية )٥١ دقيقة أو دقيقة واحدة(، وتحديد حمولات الاستخدامات النهائية الرئيسية، وتقييم موجزات الطلب على الطاقة في المبنى في الساعة والموسم، وتشكل هذه المراجعة الأساس لتصنيف الجيل وتخزينه وتحديد الحمولات التي يمكن إدارتها بصورة مرنة. ][[[[[(])

تصميم القدرة على الجزيرة من البداية

وحتى إذا ظل النظام الأولي متصلا بالشبكة، يحدد جهاز التحكم والربط الذي يمكن أن يدعم عملية الجزر غير المتناقلة، أما فيما بعد، فإن إعادة استخدام قدرة الجزر أكثر تكلفة بكثير، وأجهزة الاختراع المدرجة في كل من العمليات التي تتم على شبكة الإنترنت أو خارج الشبكة، وتركيب مفتاح نقل مكيف بشكل سليم.

ترتيب أولويات مرونة استخدام تكنولوجيا بناء الذكاء

وتنفيذ محركات سريعة متغيرة، وتهوية خاضعة لسيطرة الطلب، وضوابط إضاءة ذكية قبل أن يمضي الحاج الصغير قدماً، يضمن أن المبنى يمكن أن يستجيب للإشارات المصغرة، وسيتطلب مبنى لا يمكن أن يُلقي أو يُنقل حمولات أكبر بكثير لتحقيق الاستقلال الذاتي. ] وتُبرز بحوث شبكة إنرل بشأن المباني التفاعلية التآزر بين الكفاءة والمرونة.

استخدام بروتوكول موحد للاتصالات

(ب) معدات الاختيار التي تدعم المعايير المفتوحة (BACnet, Modbus, MQTT) بدلاً من بروتوكولات الملكية، وتبسط النظم المفتوحة التكامل، وتسمح برفع مستوى المبيعات في المستقبل، وتتجنب قفل البائعين، وينبغي أن يكون لدى متحكم المشاريع الصغرى سجلاً جيداً لتيسير تبادل البيانات مع نظام إدارة المباني.

شريك في نظام تكاملي مكتسب خبرة

وهناك عدد قليل من الشركات التي لديها خبرة كبيرة في مجال مراقبة المباني وتصميم المايكريد، حيث أن التماس المرشدين إلى أجهزة الاستنشاق الشمسية التي تعمل بالشبكة الوطنية لعلوم المحيطات والأخصائيين في مجال إدارة المباني، وطلب دراسات حالة عن مشاريع تجارية أو مؤسسية مماثلة، وقدرة المدمجين على توجيه خوارزميات المتحكم إلى أنماط التحميل الفعلية للمبنى أمر حاسم بالنسبة للوفورات الطويلة الأجل.

المستقبل: الطريق إلى المباني المستقلة ذاتيا

وسيؤدي تقارب تكاليف البطاريات المتردية، والضوابط التي تحركها الوكالة الدولية للطاقة، والهياكل التي تُعدّل أسعار الفائدة التي تُكافئ المرونة، إلى تسريع اعتماد محاصيل مجهرية متجددة متكاملة، وهناك اتجاهات عديدة ترسم هذا المستقبل.

محطات توليد الطاقة الافتراضية

وبدأت المرافق والمجمعات في معالجة مجموعات بناء الحاجات الصغرى باعتبارها مورداً واحداً يمكن إرساله، ويمكن أن يدعو برنامج العمل المؤقت إلى آلاف البطاريات الموزعة لتوفير القدرة خلال أحداث الذروة، مما يوفر لملاك البناء تدفقاً إضافياً للإيرادات، ومع تطور الأنظمة، قد تصبح المشاركة في الشراكات بين القطاعين العام والخاص معياراً كبرامج للاستجابة للطلبات اليوم.

DC Microgrids and Direct Coupling

وهناك العديد من عمليات الإضاءة الحديثة - الأجهزة الالكترونية وأجهزة شحن المركبات الكهربائية - التي تعمل محليا على طاقة العاصمة - تقضي على تحويلات متعددة من مركبات الكربون المكلورة من نوع AC- إلى البلدان النامية، مما يقلل من خسائر الطاقة بنسبة ٥-١٠ في المائة، ويبسط التكامل مع الطاقة الشمسية - الفلولائية وخزن البطاريات، وستصبح نظم البناء التي تقبل العاصمة مباشرة أكثر شيوعا، مما سيحسن كفاءة النظام عموما.

المحاسبة المتعلقة بالكربون والإبلاغ الآلي

وتنتج الحاجات الدقيقة المتكاملة بيانات عن توليد الطاقة المتجددة، والواردات من الشبكة، واستخدام البطاريات، ويمكن أن تغذي هذه البيانات مباشرة في أطر الإبلاغ البيئية والاجتماعية والمتعلقة بالإدارة، وترتيب الامتثال لمتطلبات الكشف عن الكربون، وستزيد القدرة على توثيق كثافة الكربون في الساعة وتفادي الانبعاثات قيمة المستأجرين والمستثمرين.

كهرباء

(ب) أن تضيف تكنولوجيا المركبات المتجهة إلى المباني ذات الشحنات ذات الاتجاهين إلى مستودعات ضخمة موزعة على الشبكة الصغرى، وتسمح للمركبات ببناء المركبات بأن تُعيد المركبات إلى المبنى خلال فترات الذروة أو فترات الخروج، وأن تزيد من تعزيز الاستقلال الذاتي، ومع تزايد اعتماد المركبات الإلكترونية، سيصبح هذا التآزر سمة قياسية للتطورات التجارية الجديدة.

فدمج مهاجر الطاقة المتجددة في نظم الطاقة لم يعد مشروعاً مصغراً للمعتمدين المبكرين، وهو استراتيجية ثبتت فعاليتها لخفض تكاليف التشغيل، وتلبية أهداف إزالة الكربون، وبناء القدرة على التكيف مع شبكة غير مؤكدة بشكل متزايد، وبما أن التكنولوجيا ما زالت ناضجة، وأن الحواجز المالية تسقط، فإن المبنى الذي يدير طاقته الخاصة سيتحول إلى توقع أساسي - وليس ميزة تنافسية، وأن أصحابها ومطوريها الذين يبدأون التخطيط الآن سيتمكنون من تحقيق الاستقلالية الكاملة في العقد.