وكثيرا ما تؤدي الكوارث الطبيعية مثل الأعاصير والزلازل والنيران البرية والفيضانات إلى تدمير الهياكل الأساسية الكهربائية، مما يترك المجتمعات المحلية بدون طاقة لأيام أو أسابيع أو حتى أشهر، ويعوق انقطاع الكهرباء عن العمل عمليات الإنقاذ، ويعطل شبكات الاتصالات، ويعرض للخطر إمكانية الحصول على المياه النظيفة والغذاء، وفي هذه اللحظات الحرجة، ظهرت شبكات الطاقة المتناهية الصغر التي تعمل بالطاقة الشمسية كحل فعال للغاية ومتزايدة من أجل استعادة القدرة على توليد الكهرباء بسرعة وبصورة موثوقة ومستدامة.

ما هي "مايكريدز" ذو الصلصة؟

ويُعد نظام الطاقة المجهرية نظاماً محلياً يمكن أن يعمل متصلاً بشبكة المرافق الرئيسية أو مستقلاً تماماً عنها، يعرف باسم " نمط الأرض " ، عندما يقترن بصفوف فولطية - فولتار - نظام يتحول إلى صغرى تعمل بالطاقة الشمسية، ويولد الكهرباء النظيفة من ضوء الشمس، ويشمل هذا النظام صغراً من الطاقة الشمسية، وتدفقات الطاقة الكهربائية المتدفقة بالبطارية (مثلاً، أو إدارة بطاريات المزروعة الريحية).

وفي الظروف العادية، يمكن للميكرويد أن يصدّر فائضاً في الطاقة الشمسية إلى الشبكة الرئيسية، وعندما تتسبب كارثة في انقطاع في منطقة واسعة، يقطع المتحكم عن شبكة المرافق المضرة ويقطع الكهرباء المحلية التي تستخدم الطاقة الشمسية المخزنة، ويضمن هذا الانتقال السلس أن تحتفظ المستشفيات وملاجئ الطوارئ ومحطات ضخ المياه وبج الاتصالات بالطاقة حتى عندما تكون المناطق المحيطة مظلمة.

وتتراوح أعداد المحصولين بالمايكرويال الشمسية من نظم سطح صغيرة تُزود مركزا مجتمعيا واحدا بمنشآت أكبر تخدم حيا كاملا أو مجمعا أساسيا حرجا، خلافا لمولدات الديزل التي تتطلب إمدادات مستمرة من الوقود، وتعتمد الملوثات الضارة - الميكريدات المكشوفة على مورد واف ومتجدد وتعمل بأقل قدر من الانبعاثات، مما يجعلها مناسبة بشكل خاص لحالات الطوارئ الطويلة التي يصبح فيها لوجستيات الوقود أمرا مستحيلا.

مزايا المشاريع الصغيرة الحجم في حالات الطوارئ

النشر السريع والوحدة

وكثيرا ما تكون النظم الحديثة للاحتجاج بالأشعة الشمسية مصممة على أنها وحدات جاهزة للتبريد أو محمولة يمكن نقلها جوا أو نقلها أو شحنها إلى المناطق المتضررة أو تشغيلها في غضون ساعات، فمثلا، قامت منظمات مثل صندوق الضوء الكهربائي الشمسي ومعهد جبال الروك باستحداث " مقطورة " صغيرة يمكن أن تزرع خلفها طاقم صغير بدون أجهزة ثقيلة.

وفيما عدا الوحدات المتنقلة، يمكن أن يتم تركيب ميكريدات شمسية دائمة في المستشفيات ومراكز الإطفاء ومراكز العمليات الطارئة، وبعد وقوع كارثة، تقوم هذه النظم الثابتة تلقائياً بتوفير الطاقة الاحتياطية دون الحاجة إلى أي تدخل بشري، وقد مول مكتب تكنولوجيات الطاقة الشمسية التابع لوزارة الطاقة بالولايات المتحدة مشاريع متعددة تبين [(FLT:0]]] بروتوكولات النشر السريع ] التي تخفض وقت التركيب بأكثر من 50 في المائة مقارنة بالشبكة التقليدية.

الموثوقية والقدرة على التكيف

ومن أهم مزايا المايكريدس الشمسية قدرة هذه الطاقات على العمل بشكل مستقل عن الشبكة الرئيسية، وكثيرا ما تتضرر خطوط المرافق التقليدية بشدة بسبب الرياح العالية أو الحطام المتساقط أو الفيضانات، كما أن التصليحات يمكن أن تستغرق أسابيع إلى أشهر، وعلى النقيض من ذلك، فإن الطاقات الشمسية الدقيقة التي تشمل توليدا موزعا، والتخزين المحلي لا تعتمد على خطوط الانتقال البعيدة المدى، وحتى إذا تعرضت بعض الألواح الشمسية للأضرار، فإن طريقة الإمداد بالنظمة لا تزال تعني مجموعات أخرى.

كما توفر الميكروفونات الشمسية قدرة " البداية السوداء " ، بمعنى أنها يمكن أن تستأنف عملها بدون طاقة خارجية من الشبكة، وهذا ميزة كبيرة على مولدات الديزل الاحتياطية، التي كثيرا ما لا تبدأ إذا كانت البطاريات قد نضبت أو كانت قديمة، وعلاوة على ذلك، يمكن للطاقات الصغيرة الشمسية أن توفر قدرا مستقرا من الكميات وتواترا يتطلبه معدات طبية ومعدات اتصالات حساسة، مما يقلل من خطر حدوث أضرار بسبب موجات أو تقلبات الطاقة التي بدأت بعد استعادة الطاقة.

الاستدامة والعملية الطويلة الأجل

فالطاقة الشمسية متاحة كل يوم، وتنتج الألواح الحديثة ذات الطابع الفوتوغرافي الكهرباء لمدة تتراوح بين 25 و30 سنة مع الحد الأدنى من التدهور، وعادة ما تستمر نظم تخزين البطاريات من 10 إلى 15 سنة ويمكن أن تدور آلاف المرات، فخلال فترة طويلة من الانتعاش بعد الكوارث، مثلا بعد إعصار من الفئة 5 يدمر ممرات النقل الرئيسية - وهي مجهرية شمسية يمكن أن توفر الطاقة باستمرار لشهور، وتقتصر على توافر وطاقات الوقود الديية باه على نحو بالغ التكلفة.

ولا ينتج المايكريدس الشمسية أي تلوث جوي أو انبعاثات لغازات الدفيئة أثناء التشغيل، وإنما يحمي ذلك صحة المستجيبين لحالات الطوارئ والسكان المشردين الذين قد يتعرضون لولا ذلك لعادم الديزل في الملاجئ المحصورة، ولكنه يتوافق أيضا مع الأهداف الاتحادية وأهداف قدرة الدولة على مواجهة المناخ.

التكلفة - الأثر على الوقت

وفي حين أن التكلفة الرأسمالية الأولية لمؤسسة صغيرة تعمل بالطاقة الشمسية يمكن أن تكون أعلى من مولد الديزل الذي يتمتع بقدرات قابلة للمقارنة، فإن التكلفة الإجمالية للملكية أقل كثيراً، إذ أن المايكريدات الشمسية لا تتحمل تكاليف وقود تقريباً وتتطلب الحد الأدنى من الصيانة الدورية لللوحات وإدارة البطاريات، وعلى مدى فترة عشر سنوات، انخفضت تكلفة الطاقة المخفضة لنظام تخزين الطاقة الشمسية في كثير من المناطق المعرضة للكوارث إلى أدنى من نسبة الحوافز الأولية للاستثمارات الضريبية.

وفي حالة الطوارئ، أصبحت وفورات التكاليف أكثر وضوحا، والنظر في التكاليف التي تجنبت شاحنات الوقود، ودفع ساعات إضافية لطاقم صيانة المولدات الكهربائية، والاستعاضة عن قطع المولدات المدمورة، وكثيرا ما تضاعف هذه النفقات غير المباشرة التكلفة الفعلية لمساندة الديزل، كما توفر الميكروفونات الشمسية أيضا أصولا طويلة الأجل تواصل توليد المدخرات للمجتمع بعد مرور الكارثة بفترة طويلة، مما يقلل من فواتير الكهرباء ويحسن استقلال الطاقة.

دراسات الحالة والتطبيقات العالمية الحقيقية

بورتوريكو: إعصار ماريا وما بعدها

وقد ضرب إعصار ماريا بورتوريكو في أيلول/سبتمبر 2017 كعاصفة من الفئة 5، حيث دمر ما يقرب من 80 في المائة من الشبكة الكهربائية للجزيرة، وكان بعض السكان بدون طاقة لمدة سنة تقريبا، وردا على ذلك، قامت عدة منظمات غير ربحية وشركات خاصة بنشر مجهري شمسي في مرافق حرجة للطاقة، وكان من الأمثلة البارزة: قام مستشفى نينيو في سان خوان بتركيب مجموعة شمسية تبلغ 400 كيلوواط مع مركز لتخين البطاريات الذي أقام على شبكة الإنترنت خلال فترات انقطاع الشبكات اللاحقة.

وقد أدى النجاح في بورتوريكو إلى استلهام صندوق قدرة بورتوريكو على مواجهة الطاقة، الذي خصص مئات الملايين من الدولارات للزجاجات الشمسية المجتمعية، ولا سيما للمساكن المنخفضة الدخل والمدارس والمستوصفات الصحية، وقد أثبتت هذه المنشآت أن الحاجات الشمسية يمكن نشرها بسرعة في بيئات معقدة وجزيرة ذات بنية أساسية مضرورة، وقد دعمت وزارة الطاقة في الولايات المتحدة أدوات الطاقة المتجددة [NREL].

California: Wildfire Mitigation and Public Safety Power shutoffs

وقد أدى تزايد خطر إطلاق النار في كاليفورنيا إلى قيام المرافق بتنفيذ عمليات مكوك قوة السلامة العامة التي تزيل من الضغط على أجزاء كبيرة من الشبكة أثناء طقس حرائق شديد، وفي حين أن هذه الاضطرابات قد تخفف من مخاطر الإشعال، فإنها يمكن أن تستمر أياماً طويلة، وتترك المجتمعات المحلية بدون طاقة للأجهزة الطبية، والتبريد، والمياه، ورداً على ذلك، تحولت العديد من المرافق الحيوية إلى طاقات صغيرة شمسية.

وقد مول برنامج كاليفورنيا للحوافز الذاتية للتوليد الذاتي مخزونا واسع النطاق من البطاريات للزجاجات الشمسية الدقيقة، ولا سيما بالنسبة للعملاء الذين يعانون من ضعف طبي، وتبين هذه المشاريع كيف يمكن للمحاصيل الشمسية أن تكون بمثابة دعم أثناء حالات الطوارئ ومصدر للطاقة النظيفة على مدار السنة، مما يقلل من الطلب على الطاقة الذروة وتخفيض تكاليف الكهرباء.

اليابان: الزلزال والارتقاء بداء تسونامي

وقد قامت اليابان، وهي بلد كثيرا ما تصيبه الزلازل وأمواج تسونامي، بتركيب ميكروفيدات شمسية في العديد من المدارس والمستشفيات ومراكز المجتمع، وبعد الزلزال الذي ضرب توهوكو عام 2011 وكارثة تسونامي، مما أدى إلى ظهور ضعف نظم الطاقة الكهربائية المركزية، حيث استثمرت اليابان منذ ذلك الحين في مآوي صغرة شمسية موزعة، وعلى سبيل المثال، تحتفظ مدرسة هيغاشي - ماتشوما للطاقة الشمسية.

ويشدد النهج الذي تتبعه اليابان على التكامل مع الهيكل الأساسي القائم - كل مجهري على حدة، وهو مصمم للعمل في انسجام مع الشبكة الوطنية خلال الأوقات العادية، ثم في الجزيرة بلا رحمة أثناء حالات الطوارئ، وقد اعتمدت دول أخرى فلسفة " الشبكة الذكية " هذه وهي درس أساسي في عمليات النشر في المستقبل في جميع أنحاء العالم.

المجتمعات المحلية الجزرية والمتلوثة

إن المجتمعات الجزرية - وخاصة في منطقة البحر الكاريبي والمحيط الهادئ والمحيط الهندي - هي من أكثر الفئات تعرضا للكوارث الطبيعية وانعدام الأمن في الطاقة، ويعتمد الكثير منها على الديزل المستورد الذي يصبح شحنا بعد العواصف، ويوفر مجهري الشمس طريقا لاستقلال الطاقة، وتاو، وهي جزيرة من جزر ساموا الأمريكية، تتقدم الآن تقريبا على مجهرية شمسية تبلغ مساحتها ١,٤ ميغاواط، وتخزن البطاريات التي ظلت تغرق في السابق.

وبالمثل، أعادت جزيرة سانت يوستاتيوس في منطقة البحر الكاريبي بناء نظامها الكهربائي بعد إعصار إرما باستخدام الميكرويجات الشمسية، وتبين هذه المشاريع أن أكثر المجتمعات المحلية نائية يمكنها أن تحقق قدرة على مواجهة الطاقة بالتكنولوجيا الحديثة وآليات التمويل المناسبة.

التحديات والفرص المستقبلية

التكاليف الرأسمالية الأولية والتمويل

ورغم انخفاض تكاليف العناصر، فإن الاستثمار المباشر في مجال الطاقة الشمسية الصغيرة، وخاصة الاستثمار الذي يحتوي على كميات كافية من البطاريات لمدة عدة أيام من الاستقلال الذاتي، يمكن أن يكون باهظا بالنسبة للبلديات الصغيرة أو المدارس أو المراكز المجتمعية، وبرامج المنح والقروض المنخفضة الفائدة المقدمة من وكالات مثل اتحاد القوى العاملة، وإدارة الطاقة، ودائرة المرافق الريفية التابعة لإدارة الزراعة، ولكن عمليات التطبيق يمكن أن تكون معقدة.

وبدأت شركات التأمين أيضاً في الاعتراف بقيمة الحد من المخاطر التي تنطوي عليها الحاجات الشمسية البالغة الصغر، والتي يمكن أن تقدم تخفيضات في أقساط المرافق التي لديها نظم طاقة معززة، ونظراً إلى توافر المزيد من البيانات عن الخسائر الناجمة عن استمرارية العمليات التي يمكن استخدامها في إطار المشاريع الصغرى، فإن حالة الأعمال التجارية ستواصل تعزيزها، وقد نشرت الوكالة الدولية للطاقة المتجددة (() مبادئ توجيهية لتبسيط عملية الاعتماد.

الخبرة التقنية والصيانة

ويتطلب تركيب وتشغيل شبكة صغيرة من الطاقة الشمسية معرفة تقنية بالنظم الكهربائية، وإدارة البطاريات، وبرامج المراقبة، وفي المناطق النائية أو المتأثرة بالكوارث، قد يكون الموظفون المهرة شحيحة، ولمعالجة ذلك، يقوم العديد من البائعين الآن بتصميم محاصيل صغيرة مع أجهزة التحكم " بالزبدة واللعب " التي تقلل الحاجة إلى مهندسين في الموقع، كما أن الرصد عن طريق شبكات الخلايا أو السواتل يسمح للخبراء بتشخيص القضايا التي تشبه الظواهر الارتدادية من قوة العمل البديلة،

ومن الاعتبارات الأخرى تدهور البطاريات، ففي حين أن بطاريات الليثيوم -يون تدوم دورات عديدة، فإنها قد تفقد القدرة إذا لم تدار على النحو المناسب، ولا سيما في المناخات الساخنة أو الباردة جدا، كما أن نظم الإدارة الحرارية واختيار كيميائي البطاريات المناسب (مثل فوسفات الحديد الليثيوم من أجل السلامة والطول) هي خيارات تصميم هامة.

الهيكل التنظيمي والسياساتي

وهناك العديد من الولايات والأقاليم ذات الفائدة التي تدون أنظمة للشبكات المركزية التقليدية، مما يخلق عقبات أمام نشر الشبكات الصغرى، وتشمل المسائل اتفاقات الترابط، وسياسات القياس الصافي، والرسوم الاحتياطية، وشواغل المسؤولية، فعلى سبيل المثال، تتطلب بعض المرافق من المحرضين البالغ الصغر أن يكون لديهم معدات حماية معينة تضيف التكاليف، بينما تحد جهات أخرى من القدرة على بيع الشبكة الفائضة، إلا أن الاتجاه يتحول: كاليفورنيا، نيويورك، ماساتشوستس، سياسات مبسطة.

وتعمل المبادرات الاتحادية مثل مبادرة تحديث النظام () على مواءمة هذه السياسات وإنشاء إطار وطني للزجاجات الصغرى، كما تقوم وكالات إدارة الطوارئ بتحديث خططها لإدماج المحصول المجهرية كصيلة استجابة موحدة، مع التسليم بأن تخزين الطاقة الشمسية - المعززة أسرع وأكثر موثوقية من نشر مولدات ديزل مؤقتة في سيناريوهات عديدة.

Integration with Energy Storage and Smart Grids

وتشمل أكثر الفرص إثارة دمج المحاجر الشمسية بشبكات أذكى أكبر ومخزون متقدم للطاقة، مثلا، يمكن تنسيق شبكة من المحاجين الصغيرة لتبادل الطاقة في منطقة ما، لا سيما إذا تم تضييق نطاق شمسي واحد من المايكريد، بينما يتضح مفهوم آخر، ويجري اختبار مفهوم " الخضروات المحشوة " في أماكن مثل بروكلين، نيويورك، وفي قرى ألكسندر ذات الزمن الحقيقي.

وقد أثبتت البطاريات ذات الحياة الثانية - التي تم إعادة استخدامها في أغراض التخزين الثابتة - المخزنة بطريقة تزيد بشكل كبير من قدرة التخزين بتكلفة أقل، وقد أظهرت عدة مشاريع تجريبية في الولايات المتحدة والاتحاد الأوروبي أن البطاريات الثانية، التي تضاهي صفائف الطاقة الشمسية، يمكن أن توفر قدرة احتياطية موثوقة للمدارس ومراكز المجتمع المحلي، ومع تزايد اعتماد المركبات الإلكترونية، فإن هذا التدفق من التخزين الرخيص نسبياً سيزيد من تخفيض تكاليف المايكريد.

كما أن تخزين الهيدروجينات هو حدود أخرى، إذ يمكن للزجاجات الصغيرة جداً ذات الكهروليت أن تنتج الهيدروجين الأخضر الذي يمكن تخزينه إلى أجل غير مسمى وتحويله إلى الكهرباء عن طريق خلايا الوقود، وفي حين أن هذه التكنولوجيا لا تزال باهظة التكلفة، فإنها يمكن أن تتيح القدرة على التكيف على مدى عدة أسابيع دون الحاجة إلى مصارف بطارية ضخمة، وتقوم اليابان وألمانيا بالفعل بنشر نماذج مصغرة للهيدروجين من أجل التصدي للكوارث.

خاتمة

إن الميكروفونات ذات الطاقة الشمسية قد أظهرت مرارا وتكرارا أنها تستطيع توفير الكهرباء الموثوقة والسريعة والمستدامة خلال الفوضى التي تشهدها استعادة القدرة على العمل بعد الكوارث، ومن توفير الطاقة المنقذة للحياة في المستشفيات في بورتوريكو لإبقاء مآوي الإجلاء تعمل في كاليفورنيا خلال فترات انقطاع إطلاق النار، فإن هذه النظم تعيد تحديد ما تعنيه لتكون قادرة على التكيف، وفي حين أن التكاليف الأولية والحواجز التنظيمية لا تزال تشكل تحديات، وانخفاض أسعار التكنولوجيا، والسياسات الداعمة، والتمويل الابتكاري، تزيل هذه العقبات بصورة مطردة.