التحديات والحلول المتعلقة بنظم الطاقة المتجددة المرتبطة بالظلام في المناطق الحضرية

وتنشر المناطق الحضرية في جميع أنحاء العالم بسرعة نظم الطاقة المتجددة ذات الصلة بالشبكة - صفائف شمسية سطحية، وتربينات الرياح المدمجة، والحدائق الشمسية على نطاق المجتمعات المحلية - لتقليص آثار الكربون وبناء القدرة على مواجهة الطاقة، ومع ذلك فإن الطريق إلى شبكة حضرية نظيفة هو أي شيء غير سلس، فالكثافة والهياكل الأساسية المتولدة عن ذلك، والجيل المتغير يخلق شبكة معقدة من التحديات التقنية والمكانية والتحديات في مجال السياسات.

التحديات الرئيسية في مجال تكامل الطاقة المتجددة في المناطق الحضرية

1 - الاستقرار والتدخل في إطار نظام الحكم

فالمصادر المتجددة مثل الطاقة الشمسية والريحية متغيرة بطبيعتها - فالشمس لا تشرق في الليل، وتقلبات سرعة الرياح طوال اليوم، وفي نظام حضري متصل بالشبكة، تؤدي هذه التداخل إلى حدوث تقلبات في الحجم، وانحرافات في الترددات، وظهور أحداث يمكن أن تزعزع استقرار شبكة التوزيع المحلية، وقد تؤدي هذه الظاهرة إلى ارتفاع في مستويات التكاثر الشمسي في نهاية الأسبوع المشمس، على سبيل المثال، إلى زيادة في حجم الطاقة الكهربائية

2- محدودية الفضاء والكثافة الحضرية

ويواجه سكان المدن واقعاً مكانياً صارخاً: فالأرض شحيحة ومكلفة، أما المزارع الشمسية الكبيرة أو صفائف التربين الريحية المتفشية، فهي نادراً ما تكون ممكنة داخل حدود المدن، حيث أن الرؤوس توفر بعض المناطق، ولكن ليس في جميع المباني، ما يمكن أن يدعم الوزن أو التوجه اللازمين للإنتاج الشمسي الأمثل، كما أن التقاسم من الهياكل الأطول تقلل من المحاصيل.

3- البنية التحتية المظلمة القديمة والقابلية للمقارنة التقنية

وقد تم بناء العديد من شبكات التوزيع الحضري منذ عقود من أجل تدفق الطاقة من محطة مركزية لتوليد الطاقة إلى المستعملين النهائيين، غير أن مصادر الطاقة المتجددة الحديثة تحقن في كلا الاتجاهين، وتخلق تحديات لنظم الحماية القديمة، ومعدات تنظيم الفولط، ومتغيرات الحمولات، وقد لا يكون المحولون القديمون مصممين للتعامل مع تدفقات الطاقة العكسية، مما يؤدي إلى زيادة في الحرارة أو إلى عدم وجود أي تقدم في الوقت المناسب، مما يجعل من المشغلين للشبكة يفتقرون في كثير من حيث الحجم الحقيقي إلى الأصول الموزعة.

4- العقبات التنظيمية والتأثيرية

وحتى عندما توجد الإرادة التقنية، يمكن للبيروقراطية أن تعطل التقدم، وكثيرا ما تنطوي تطبيقات الربط الشبكي للنظم المترابطة على عمليات استعراض طويلة، وموافقة متعددة على المنافع، ومعايير غير متسقة عبر الولايات القضائية، وفي كثير من المدن، تكون مدونات البناء، وقواعد الحفظ التاريخية، وأوامر تحديد المناطق، قد تقيد وضع الألواح الشمسية، أو طول التربين، أو مواقع تخزين البطاريات، وتسمح لمالكي الطاقة الشمسية بأن يبيعوا الحافز الإضافي إلى الشبكة المضافة على نطاق واسع.

5 - الحواجز المالية والاقتصادية

فمشاريع الطاقة المتجددة الحضرية كثيرا ما تواجه تكاليف أعلى من نظيراتها الريفية، وقد تتطلب منشآت الرؤوس تعزيزا هيكليا أو نظما تركيبية متخصصة أو أعمال كهربائية معقدة في المباني المتعددة المراحل، كما أن المشاريع الشمسية المجتمعية تحتاج إلى حيازة أرض حضرية باهظة التكلفة أو التفاوض على اتفاقات إيجار معقدة، وعلاوة على ذلك، فإن الفوائد الاقتصادية للمتجددات )مثلا، تجنب رفع مستوى الشبكة، والخسائر في خط الحد الأدنى، والفوائد الصحية من الهواء الأنظف( لا تستوعب دائما في مشروع " القروض " ، كمادة " .

الحلول والاستراتيجيات الفعالة

1 - نظم حرق الذكاء وخزن الطاقة

فالإجابة المباشرة على التقلب هي التخزين، إذ أن تركيبات الطاقة الشمسية الحضرية، عن طريق الجمع بين مصادر الطاقة المتجددة ونظم تخزين الطاقة بالبطارية، يمكن أن تؤدي إلى سلاسة الإنتاج، وتحويل الجيل الزائد إلى ساعات مسائية، وتوفير نظام سريع الاستجابة للتواتر، كما أن تكنولوجيات الشبكة الذكية، مثل الهياكل الأساسية المتقدمة للمقاييس، ونظم إدارة التوزيع، ومنابر الرصد في الوقت الحقيقي، تعطي المرافق الأدوات اللازمة لإدارة موارد الاستهلاك الموزعة بصورة دينامية.

Battery Energy Storage Systems (BESS)

فبطاريات الليثيوم -يون هي أكثر الخيارات شيوعاً للتطبيقات الحضرية نظراً لحجمها المدمج، وتكاليفها، وعمرها في الدورة العالية، ويمكن تركيب نظم في السراويل، أو مرآب السيارات، أو في غرف المرافق المستأجرة، وعندما تقترن ببطارية سكنية تعمل على سطح الأرض، يمكن أن تغطي حمولات مسائية حرجة، بينما يمكن للبطاريات الأطول حجماً للمجتمع المحلي (1-10 ميغاواط) أن تستقر جميع أنواع الورد المغذية.

الاستجابة للطلبات وإدارة القروض

وتستفيد المناطق الحضرية استفادة كبيرة من نظم الاستجابة الآلية للطلبات التي تعدل حمولات المباني - HVAC، والإضاءة، وشحن المركبات الكهربائية - في الوقت الحقيقي استنادا إلى إشارات الشبكة، ويمكن أن يقوم جهاز حراري ذكي بتفادي بناء قبل فترة ما بعد الظهر من الطفرة الشمسية، ثم يسمح له بالطفولة أثناء فترة الذروة الصافية، وتحويل استخدام الطاقة بساعات دون التضحية بالراحة، وعند تجميع هذه التعديلات المتواضعة التي تبلغ ذروتها آلاف العملاء.

2 - التصميمات المتجددة الحضرية الابتكارية

وتحتاج القيود الفضائية إلى التفكير في المجمعات، وتدمج المهندسين والمهندسين المتجددين مباشرة في بناء الجلود، وفي هياكل وقوف السيارات، بل وحتى الحواجز السليمة على الطرق السريعة، وهذه التصميمات لا تولد الكهرباء فحسب، بل تؤدي أيضا وظائف مزدوجة - التظليل، والعزل، والحد من الضوضاء - مما يؤدي إلى تحسين عرض القيمة العام.

المطوّرات الفولطية المدمجة للمبنى (BIPV)

ويحل هذا المشروع محل مواد البناء التقليدية - التوابل الزجاجية، والألواح السطحية، ومواد النوافذ، والربط - مع وحدات فولطية الضوئية التي تولد الطاقة بينما تحافظ على الأداء الهيكلي والاصطناعي، فعلى سبيل المثال، يمكن أن يُلقي حائط ستار من الألواح الشمسية شبه الشفافة الضوء في ردهة بينما ينتج كيلوغرامات من الكهرباء، وعلى الرغم من أن مادة BIPV تُكلِّف عادةً أكثر تكلفةً من الوفورات المعمارية.

محوري حرفي ويند توربينز (مركبات متفجرة)

وعلى عكس الترابينات الأفقية التقليدية، تعمل طائرات VAWT بشكل فعال في رياح مزدهرة وشاملة في المدن، وهي أكثر هدوءا وأمنا للطيور ويمكن تركيبها على أسطح المباني أو بين المباني، كما أن تصميمات جديدة ذات شفرات شفاء يمكن أن تقلل من تقلبات وهزات مواقعها، مما يجعلها مناسبة للأماكن السكنية والتجارية الحضرية، بينما قد لا يولد سوى جيل واحد من طراز VAWT.

البرامج المجتمعية والجامعة

وبالنسبة للمستأجرين وللأسطح غير المناسبة، تقدم الطاقة الشمسية المجتمعية بديلاً، إذ تشتري أو تستأجر حصة من مزرعة شمسية أكبر موجودة في أماكن أخرى (في كثير من الأحيان في موقع ذي بنية داخل حدود المدينة) وتتلقى قروضاً على فواتير الكهرباء الخاصة بهم من أجل الطاقة التي تولدها، وتخفض هذه النماذج الحواجز أمام الدخول، وتسمح باقتصادات الحجم، وتسمح لسكان الشقق بالمشاركة في عملية الانتقال المتجددة دون أي بناء في الموقع.

3- تحديث الشرايين وتحسين التكنولوجيا

ومن الضروري تحسين الشبكة الحضرية لمعالجة التدفقات الثنائية الاتجاه، حيث يقدم المتسللون المتقدمون الدعم في مجال الفولط، والقفز عبر التردد، والاتصال بمشغلي الشبكات - مهام تساعد على استقرار النظام بدلا من زعزعة استقراره، ويوفر صغار الحجاج الذين يمكن أن يعملوا على الشبكة الرئيسية أو " الجزيرة " أنفسهم أثناء فترات انقطاع الكهرباء قدرة على التكيف مع المرافق الحضرية الحرجة مثل المستشفيات ومراكز الطوارئ ومراكز الشرطة.

المترجمون الشفويون المتقدمون والالكترونيات الكهربائية

ويمكن للمتحولين الذكيين الحديثي العهد أن يستجيبوا لأمرات المرافق العامة من أجل تعديل ناتج الطاقة الحقيقي والتفاعلي، والعمل بفعالية كأصول للشبكات، ويمكنهم أن يركبوا من خلال اضطرابات صغيرة في الفولط، وأن يدعموا الشبكة أثناء وقوع الأخطاء، مما يقلل من خطر انتشارها، وعندما يقترن ذلك بمنابر المراقبة الرقمية، فإنهم يتيحون التكامل السلس لمئات أو آلاف النظم الموزعة.

Microgrids and Islanding Capability

ويمكن أن تجمع الجراد المجهري على نطاق الحي الطاقة الشمسية والبطاريات والمولدات الاحتياطية خلف نقطة واحدة من الانقلابات المشتركة، وفي أثناء انقطاع الكهرباء، يمكن أن تقطع الجراد الصغير وتستمر في تقديم حمولات حرجة، وفي المدن المعرضة للأعاصير أو حرائق الغابات أو عدم استقرار الشبكات، توفر هذه الأحياء العمود الفقري قدرة على مواجهة الارتداد، وتظهر مناطق بروكلين الصغرى في غوانوس، والتنمية الجارية في " حي سكني " .

4 - الإصلاحات السياساتية والتنظيمية

ولا يمكن لأي قدر من التكنولوجيا أن يتغلب على سياسة سيئة، إذ أن المدن والدول التي قامت بتبسيط وتوحيد التصاريح والترابط والتعديل الصافي ترى اعتمادا أسرع بكثير من التجديد، وأفضل النهج لا تعتبر مصادر الطاقة المتجددة تهديدا مسببا للاضطرابات، وإنما موردا قيما للشبكة ينبغي تشجيعه من خلال التنظيم الذكي.

الحد من القيود والترابط

وعلى سبيل المثال، فإن البوابات الإلكترونية، والموافقة التلقائية على النظم الصغيرة، والاتفاقات الموحدة للترابط، تقطع السحب الإداري، ف " قانون الحقوق الشمسية " في كاليفورنيا، واعتماد " برنامج حوافز التكوين الذاتي " قلل من أوقات التركيب بالنسبة للشمس السكنية، ويمكن للمدن اعتماد " محل واحد " مماثل يسمح بالريح الصغيرة وبنفسجية، باستخدام تصميمات سابقة التحسين وقوائم المرجعية الهيكلية.

تحديث شبكة القياس والرسوم الجمركية

وينبغي أن تعوض سياسات القياس الصافية إلى حد ما المولدات الشمسية عن القيمة التي توفرها - تجنب تكاليف الوقود، ونقصان خسائر النقل، واستثمارات القدرة المؤجلة - قياس صافي الاستخدام في الوقت الحاضر، الذي يدفع المزيد عن الطاقة المصدرة خلال ساعات ذروة المساء (عندما تختفي الشمس)، ويجمع الحوافز مع احتياجات الشبكة.

برامج الحوافز والائتمانات الضريبية

فالإئتمانات الضريبية للاستثمارات الاتحادية، والمعادن على مستوى الولايات، وتخفيضات ضريبة الملكية البلدية تقلل التكلفة الأولية للمتجددات الحضرية، والبرامج التي تستهدف الأسر المعيشية ذات الدخل المنخفض والمعتدل، مثل مبادرة شبكة الطاقة " للطاقة الشمسية للجميع " التابعة لوزارة الطاقة، تساعد على ضمان الوصول المنصف، وبالإضافة إلى ذلك، فإن الحوافز القائمة على الأداء (مثلاً، دفع أجور مستعملة في تخزين البطاريات) يمكن أن تشجع على اتباع النهج الأمثل.

أمثلة عالمية ودراسات حالة

وقد قامت عدة مدن بالفعل بكسر الرمز المتعلق بالتكامل الحضري المتجدد. ]])١(

التوقعات المستقبلية والاتجاهات الناشئة

وفي نهاية المطاف، فإن المعلومات الاستخبارية الاصطناعية والتعلم الآلي تؤدي دورا أكبر في إدارة الشبكات الحضرية، ويمكن للمحللين الافتراضيين أن يتوقّعوا على الإنتاج الشمسي وأنماط الحمل قبل ذلك، مما يتيح إرسال المواد آليا من التخزين، والاستجابة للطلب، بل وحتى في شكل رسوم مجمّعة، وتتوخى تكنولوجيا المركبات - المحورة - التي تعمل فقط كبطاريات متنقلة، وتغذي الطاقة الكهربائية في المباني التي تدوم فترات الذروّعها أثناء فترات الذروّة.

خاتمة

إن الطاقة المتجددة المتشابكة في المناطق الحضرية ضرورية لتحقيق أهداف المناخ والاستدامة، ولكنها تتطلب التغلب على التحديات الحقيقية والمستمرة، فالتداخل، والقيود الفضائية، والهياكل الأساسية القديمة، والتعقيدات التنظيمية، وثغرات التمويل، لا يمكن التغلب عليها، إذ إن نشر تكنولوجيات الشبكات الذكية، ودمج التصميمات الحضرية المبتكرة، وتحديث الشبكة، وإصلاح السياسات، يمكن للمدن أن تحول هذه العقبات إلى فرص أمام قادة أنظف وأكثر مرونة، وأكثر عدلا في مجال الطاقة.