استخدام محطات توليد الطاقة الافتراضية في مجموعة طاقة الغاز الطبيعي

مقدمة: ارتفاع محطات الطاقة الافتراضية

ويشهد نظام الطاقة العالمي تحولاً عميقاً، حيث تدمج الشبكات حصصاً متزايدة من جيل متجدد متغير من الرياح والطاقة الشمسية، ويخلق هذا التحول حاجة ملحة إلى قدرة مرنة وقابلة للإرسال على تحقيق التوازن بين العرض والطلب في الوقت الحقيقي، وقد عملت محطات توليد الطاقة الغازية الطبيعية منذ فترة طويلة كعنصر أساسي للموثوقية على الشبكة، مما يتيح فترات بدء سريعة وإمكانية التحكم في الإنتاج، غير أن تشغيل هذه الأصول يؤدي في كثير من الأحيان إلى تحقيق كفاءة أقل من حيث القيمة، وإلى عدم استخدام الطاقة المتاحة، وإلى عدم القدرة الفعلية، وإلى عدم القدرة الفعلية، وإلى عدم القدرة الفعلية، وإلى عدم القدرة على التكيف مع تغير الفرص المتاحة.

تحديد محطات الطاقة الافتراضية ومكوناتها الأساسية

ولا تشكل محطة توليد الطاقة الافتراضية محطة طاقة مادية بل شبكة قائمة على الغيوم تربط بين العديد من موارد الطاقة الموزعة وترصدها وتتحكم فيها، ويمكن أن تشمل هذه الموارد محركات متبادلة للغاز الطبيعي، وتركيبات الاحتراق، ووحدات الحرارة والطاقة المشتركة، والصفائف الفوتاتية الشمسية، ونظم تخزين البطاريات، بل وحتى الحمولات القابلة للتحكم.

How VPPs Coordinate Natural Gas Plants

ويعتمد التنسيق على حلقة اتصال ذات اتجاهين بين مركز مراقبة تعادلات القوة الشرائية وكل محطة من محطات الغاز المشاركة، ويجمع أجهزة الاستشعار والمتر الذكي بيانات آنية عن الناتج، ومعدل الحرارة، والانبعاثات، والقدرة على التقطيع، وظروف الشبكات المحلية، وتتدفق هذه البيانات إلى محرك متقن يستخدم المقاييس - التي كثيرا ما تتوقف عن التعلم الآلي، ويحول تحليلات التنبؤ - إلى تحديد أكثر المسائل الاقتصادية والموثوقية في مجال مراقبة عمليات الشحن.

التكنولوجيات الرئيسية التي تتيح تحقيق الشراكات بين الجنسين

(ج) إن العديد من الركائز التكنولوجية تجعل تجميع المنتجات غير التعريفية أمراً ممكناً، وتوفر أجهزة الحوسبة والصناعية في كل موقع من مواقع النباتات استشعاراً منخفضاً ومواقداً، وتسمح منابر تجميعية للبيانات، وتنظم نماذج متشعبة للتصنيف، وتؤمن البنية التحتية المتقدمة للتيار، وتتأكد من سلامة عمليات توليد الطاقة والخدمات المستلمة، كما أن بروتوكولات الاتصالات مثل تبادل المعلومات عن المنتجات غير القابلة للتنبؤات والمفتوحة والمفتوحة.

منافع تجميع قدرة محطة توليد الغاز الطبيعي

وتُوفِّر وحدات الغاز الطبيعي التي تُجمَّع عن طريق برنامج عمل فيينا مجموعة واسعة من الفوائد التي تشمل مشغلي الشبكات وملاك المنشآت وسوق الكهرباء الأوسع نطاقاً، ونتناقش أدناه المزايا الرئيسية الأربعة.

Enhanced Grid Stability and Reliability

ويمكن لمصانع الغاز الطبيعي في إطار برنامج عمل فيينا أن تستجيب للتقلبات في ترددات الشبكة أو الفولطية بسرعة أكبر بكثير من المولدات الكبيرة للحمولة الأساسية، ويمكن لمراقب الغازات المتوسطة الحجم أن يرسل وحدات الغاز في أُطر زمنية دون دقيقة، ويوفر استجابة أولية للتردد، ومراقبة التوليد الآلي، والدعم بالفولط، وهذا الإصلاح السريع يساعد على منع حدوث انقطاع في المكبس، ويحافظ على جودة الطاقة، ولا سيما وأن مصادر الطاقة المتجددة الموجودة تقلل من الطاقة المتجددة.

الاستخدام الأمثل للطاقة ووفورات التكاليف

وبدون التجميع، يعمل كل مصنع من محطات الغاز الطبيعي على أساس تحقيقه الأمثل محليا، مما يؤدي في كثير من الأحيان إلى عدم الكفاءة مثل تشغيل وحدات في شكل جزء من الحمولة عندما يكون الطلب منخفضا، كما أن هناك مجموعة من خطط الطلب على السلع الأساسية على نطاق الأسطول، ولا ترسل سوى أكثر النباتات كفاءة لتلبية الحمولة، وهذا الإرسال الانتقائي يقلل من الاستهلاك الكلي للوقود، ويخفض الانبعاثات لكل ساعة من ساعات العمل الطويلة، ويقلل من تكاليف استهلاك الوقود إلى أدنى حد ممكن مقارنة بوحدات.

دعم تكامل الطاقة المتجددة

ومن أكبر التحديات التي تواجه الشبكات ذات التغلغل المتجدد المرتفع إدارة تقلب إنتاج الرياح والطاقة الشمسية، وقد وفرت محطات الغاز الطبيعي الدعم اللازم عادة عند سلاسل الشمس أو قطرات الرياح، كما أن شركة VPP تأخذ هذه الخطوة خطوة أبعد من ذلك عن طريق القدرة على استخدام الغازات المضغوطة لسد الثغرات بأقل تكلفة، وعلى سبيل المثال، إذا كانت الجبهة السحابية تقلل من الناتج الشمسي بمقدار 200 ميغاواط، فإن شركة VPP يمكن أن تُحدث مجموعة من الكميات الغاز السريع.

مسارات جديدة لاستئناف النباتات

وقد أصبحت المشاركة في أسواق الكهرباء بالجملة أكثر تعقيداً بسبب تطور القواعد وتعاريف المنتجات، إذ تمكن برنامج تنمية القيمة الشرائية مالكي محطات الغاز الطبيعي من تجميع قدرتهم في كتل متوافقة مع السوق، ومن الدخول إلى مسارات متعددة للإيرادات في آن واحد، وتشمل هذه الأسواق الطاقة (الرأسية والزمن الحقيقي)، وأسواق القدرة، وأسواق الخدمات المساعدة على التنظيم المتزامن، والاحتياطي المصاحب، والقدرة على إعادة التشغيل، كما تسمح الشراكات القائمة على توسيع أسواق المنتجات الناشئة بأن تقدم خدمات المرونة

How VPPs Aggregate Natural Gas Capacity: A Technical Process

ويوضح فهم سير العمل التشغيلي لمحطة الغاز الطبيعي VPP كيفية تحقيق التجميع عمليا، ويمكن تقسيم العملية إلى أربع مراحل: جمع البيانات والتنبؤ بها وتحقيقها على الوجه الأمثل وإرسالها.

(أ) جمع البيانات: [(FLT:1]] كل شبكة من أجهزة الاستشعار التابعة لمصنع الغازات تبلغ قياسات آنية مثل الناتج الكهربائي، ومعدل الحرارة، ودرجة الحرارة المحيطة، والانبعاثات، ومعدل المصابيح، وتُبث هذه البيانات إلى منصة السحب الخاصة بمحطة VPP في فترات دون الثانية، بالإضافة إلى تواتر تنبؤات مواقع البث الخارجية، وأسعار الترددات العالية، والتنبؤات الجوية، والأسعار الخارجية لنقل البيانات.

Forecasting:] Machine learning models trained on historical data predict short-term (minutes to hours) demand, renewable generation, and plant performance. For example, a model might predict that a specific gas turbine will require 15 minutes to reach full load from a cold start, but only 5 minutes if it remains in hot standby. These predictions feed into the optimization.

(أ) وضع برامج خطية مختلطة أو مذيبات مماثلة تحدد جدول الإرسال الأقل تكلفة الذي يفي بعقبات الموثوقية، وتنظر الجهة المفضّلة في الحد الأدنى المستقر لكل منشأة، وتكاليف البدء، والحدود القصوى للانبعاثات، كما أنها تُحسب لاختناقات النقل والأسعار الهامشية القائمة على الموقع.

]Dispatch Execution:] The VPP sends secure control commands to each plant’s distributed control system (DCS) or a dedicated gateway; these commands can be set —point values for megawat output or emergency start/stop signals. The execution cycle runs every few minutes, with the optimizer rerunches continuously to changing online.

وتكفل هذه العملية التقنية أن يستجيب أسطول الغاز الطبيعي الإجمالي للاحتياجات من الشبكة بدقة وسرعة بحيث يكون من المستحيل على كل منشأة تعمل في عزلة.

الأسواق والتنظيم

ويتوقف نجاح الشراكات بين القطاعين العام والخاص في مجال الغاز الطبيعي اعتماداً كبيراً على تصميم الأسواق والأطر التنظيمية التي تعترف بالموارد الإجمالية كمشاركين مشروعين في السوق، وقد أحرز تقدم كبير على مدى العقد الماضي، ولكن لا تزال هناك ثغرات.

المشاركة في أسواق الكهرباء بالجملة

وفي الولايات المتحدة، فإن الأمر رقم 2222 الصادر عن اللجنة الاتحادية لتنظيم الطاقة، الصادر في عام 2020، يتطلب من منظمات النقل الإقليمية ومشغلي النظم المستقلين إزالة الحواجز التي تحول دون تجميع وحدات خفض الانبعاثات الناجمة عن إزالة غازات الدفيئة - بما في ذلك توليد الغاز - من التنافس في أسواق البيع بالجملة، وقد فتح هذا الأمر الباب أمام مجموعات المنتجات غير المتطورة أمام عطاءات في الطاقة والقدرة وأسواق الخدمات المساعدة في مختلف المناطق مثل نظام إدارة الطاقة.

وعلى الصعيد الدولي، استحدثت الأسواق في أوروبا وأستراليا وأجزاء من آسيا أيضا أطرا للموارد الإجمالية، وتشجع مجموعة الطاقة النظيفة التابعة للاتحاد الأوروبي الدول الأعضاء على السماح لمجمعين مستقلين، كما أن منابر مثل السوق الألمانية " ريجيليستونغ " (الاحتياطي التجاري) تقبل عروض أسعار السلع الأساسية، وفي بريطانيا العظمى، يدير عامل نظام الكهرباء خدمة " للحيازة والفصل والاسترداد " يمكن أن يقدم لها VPP.

التحديات التنظيمية ودعم السياسات

وعلى الرغم من هذه التطورات، لا تزال هناك عقبات تنظيمية عديدة، حيث أن قواعد الترابط تُعامل كل محطة من محطات الغاز كنقطة اتصال فردية، وتُعقّد قدرة التجميع على إدارة القياس عن بعد وتحديد الجدولة، وتستبعد متطلبات الأمن عن تجميعات غازات الدفيئة، إلا أن مؤسسة أمريكا الشمالية للاعتماد على الكهرباء قد أصدرت إنذارات بشأن مخاطر التعبئة الإجمالية من مصادر غير مُلزمة.

دراسات حالة وتطبيقات عالمية حقيقية

وتوضح عمليات النشر في العالم الحقيقي كيف تعمل الشراكات بين القطاعين العام والخاص في مجال الغاز الطبيعي في الممارسة العملية، وتبرز النجاحات التشغيلية والدروس المستفادة.

VPPs in Texas: Leveraging ERCOT’s Flexible Gas Fleet

ويدير مجلس موثوقية الكهرباء في تكساس سوقاً ذات حصة عالية من الرياح والطاقة الشمسية، وأسطولاً واسعاً من محطات الغاز الطبيعي التي توفر المرونة الأساسية، وقد جمع عدد من مطوري إنتاج الغازات المحتوية على الغازات المحتوية على محركات متبادلة إطلاقات الغازات، وحافظت على استقرار شبكات الوقود المسببة للهجوم، حيث يتراوح ما بين 50 ميغاواط وما يزيد على 300 ميغاواط، وذلك لتوفير احتياطيات احتياطية للطوارئ وخدمة للتبريد في الشتاء(21).

المبادرات الأوروبية: تحقيق التوازن بين المتجددات وبين شركة Gas Peakers

وفي ألمانيا، أدى تزايد حصة الطاقة الشمسية والريحية إلى إيجاد سوق للشراكات بين الغازات المتوسطة الحجم التي تجمع بين وحدات الحرارة والطاقة الطبيعية الصغيرة الحجم بالبطاريات والاستجابة للطلبات، وتلبي شركات مثل كرافتويرك المقبل آلاف وحدات الغاز الميثان، التي يُقدر كل منها بحوالي مئات الكيلوتات إلى عدة وحدات من الميغاوات، وترسل شركة VPP هذه الوحدات إلى التوازن بين الإنتاج المتجدد.

التحديات والنظر في المسألة

While the benefits are compelling, deploymenting VPPs that aggregate natural gas capacity involves several challenges that must be addressed for widespread adoption.

التكامل التقني والقابلية للتشغيل المتبادل

كما أن محطات توليد الطاقة من مختلف المصنعين تستخدم نظم مراقبة الممتلكات وبروتوكولات الاتصال، إذ إن إدماج هذه النظم في منصة موحدة للشراكات بين الجنسين يتطلب بوابات معدة وأدوات إضافية، وزيادة التكاليف الأولية، كما أن عدم القدرة على تنفيذ القيادة بين نظامي الحد من الفقر والضوابط النباتية يمكن أن يضعف الأداء في أسواق الاستجابة السريعة، كما أن جهود التوحيد، مثل استخدام المادة 61850 من أجل التشغيل الآلي للاستبدال، وتحسين إدارة المعدات الحاسوبية لعام 2030.5

مخاطر الأمن السيبرى

وينتج اعتماد حزب المؤتمر الكرواتي على شبكات الاتصالات الواسعة النطاق عن وجود أسطح هجومية يمكن استغلالها لتعطيل عمليات الشبكة، ويمكن أن يأمر أحد الأطراف الفاعلة الخبيثة التي تتحكم في نظام إرسال القوات المسلحة الفلبينية ببدء أو وقف إنتاج الغاز في أوقات غير ملائمة، مما يتسبب في انقطاع الكهرباء، ويضم الطبيعة الموزعة للشراكات بين القطاعين العام والخاص - مع نباتات متعددة تعمل - إدارة الأمن.

الهيكل التنظيمي والأسواق

فبعد التقدم الذي لوحظ سابقاً، يمكن أن تضر قواعد السوق المحددة بالشراكات بين الغاز الطبيعي والقطاعات المتوسطة، فعلى سبيل المثال، تحتاج بعض أسواق القدرة إلى موارد متاحة لفترات طويلة غير مخطط لها، مما قد يتعارض مع الجدول الزمني التشغيلي لشراكة إنتاجية في إنتاج الغازات الخاملة التي تُخطط لاستخدام محطات الغاز كغازات ذائعة، وكثيراً ما تتطلب قواعد التسوية المتعلقة بالموارد الإجمالية المجمَّعة قياساً مفصَّلاً، وزيادة العبء الإداري.

التوقعات المستقبلية: دور الشراكات في مجال الغازات الطبيعية في منطقة كربون مُحَلَّمة

ومع انتقال قطاع الطاقة نحو إزالة الكربون عن عمقها، يتوقع أن يتطور دور الغاز الطبيعي بدلا من أن يختفي، فالشراكات بين الجنسين التي تشكل قدرة الغاز الطبيعي الإجمالية في موقع فريد يمكنها من دعم هذا الانتقال بطرق عدة.

(ب) Fuel —Flexible Operations:] Emerging technologies allow gas motors and turbines to burn hydrogen blends, biogas, and synthetic methane. A VPP can dynamically select the fuel mix across its fleet based on availability and cost, reducing the carbon intensity of each megawat delivered.

(ب) دمج بعض مشغلي الشراك الشرائية في شكل معدات لاستخلاص الكربون في وحدات الغاز الكبيرة، مع أن التكلفة هي أن يُمكن للشركة أن تُرسل إلى أقصى حد لاستخلاص ثاني أكسيد الكربون عندما تكون أسعار الكهرباء منخفضة، وإطلاقها عندما تكون الأسعار مرتفعة، وتحسين اقتصاديات التقاطها، وضمان وجود هياكل أساسية مدمجة كافية لتسويق ثاني أكسيد الكربون.

Hybrid VPPs for Long-Duration Energy Storage: looking ahead, natural gas plants may serve as the growing capacity " complement to growing fleets of lithium —ion and long-duration energy storage. A VPP that includes gas, batteries, and electrolyzers can offer both short-term flexibility and multially resilience, particularly in renewable regions.

Demand — Slexibility as a Substitute:] Over time, demand response and distributed storage may reduce the need for new gastoming capacity. However, existing gas plants will remain valuable for decades as the grid retireds coal units and before longduration storage reaches scale. VPPs can maximize the value of this existing infrastructure while minimgent its environmental coordination through scale.

ويُتوقع أن يتراجع توليد الغاز الطبيعي العالمي بحلول عام 2030 في سيناريو انبعاثات صفر من الطاقة في الوكالة الدولية للطاقة، ولكن لا تزال هناك حاجة إلى القدرة على المرونة، حيث يعمل أسطول الغاز بعوامل أقل قدرة، كما أن الشراكات بين القطاعين العام والخاص هي الأداة المثالية لإدارة هذا الأسطول بكفاءة، وضمان ألا تُدار محطات الغاز إلا عندما توفر أكبر قيمة للنظام.

خاتمة

إن محطات توليد الطاقة الافتراضية التي تشكل إجمالاً قدرة محطات توليد الطاقة الغازية الطبيعية تمثل استراتيجية عملية وقوية لتحديث الشبكة الكهربائية، إذ أن من خلال توحيد مراقبة مولدات الغاز اللامركزية، تؤدي الشراكات القائمة إلى تعزيز الاستقرار، وتحقيق الاستخدام الأمثل اقتصادياً، وتحقيق التكامل غير المتجدد، وتهيئ فرصاً جديدة للملاك من مصادر الدخل، وتوفر لمشغلي الشبكات القدرة السريعة والمرنة اللازمة لإدارة مزيج متزايد من الإمدادات.

For further reading, see the U.S. Department of Energy’s VPP resource page], the National Renewable Energy Laboratory’s research on VPPs], and the IEA’s analysis of virtual power plants.