الحلول المبتكرة لنظم الطاقة المستقرة خلال فقدان الأجيال المفاجئة

وتشهد نظم الطاقة في جميع أنحاء العالم توازناً دقيقاً، حيث يجب أن يضاهي توليد الكهرباء الاستهلاك باستمرار، وعندما تقطع محطة توليد الطاقة الكهربائية الرئيسية بصورة غير متوقعة من الشبكة، فإن فقدان الجيل المفاجئ يمكن أن يؤدي إلى انخفاض تواتره بسرعة، وعدم استقرار عدم استقرار نظام الطاقة الكهربائية، وإذا كانت الإجراءات التصحيحية غير كافية، فإن أزمة الكهرباء المتزامنة بين 2021 وأزمة الكهرباء البريطانية لعام 2019، والعديد من الأحداث الأخرى قد أظهرت سرعة حدوث تضارب

فهم فقدان الأجيال المقبلة

وفي حالة حدوث خسارة مفاجئة في الجيل الذي يولد وحدة كبيرة، تكون بمثابة خلل حراري أو نووي أو مائي من النباتات المائية دون إنذار بسبب فشل المعدات أو تنشيط نظام الحماية أو الأحداث الخارجية مثل ضربات البرق أو أخطاء الشبكة، والنتيجة المباشرة هي عدم التوافق بين العرض والطلب: فالجيل الإجمالي يظل دون تغيير، وتقلب النظام الذي يتحكم فيه بشدة في منطقة الطول أو ٦٠ هرتز حسب ما هو عليه.

واتسم مسار التردد خلال هذا الحدث بمقياسين رئيسيين: فنظام " روكو " بعد الاضطرابات وجهاز الترددات (أقل تواتر تم التوصل إليه قبل التعافي) وإذا ما هبطت المشغلات إلى أدنى من الحد الذي تُحدد فيه معدلات الاضطرابات في الحجم الحاد، فإن عوامل التعقد القياسية للشبكات التي تُحدث في حالة حدوث انخفاض في حجمها، تُحدث أيضاً في حالة حدوث انقطاع في الحجم.

تقنيات مبتكرة لتحقيق الاستقرار

ويتطلب الحفاظ على الاستقرار خلال الجيل المفاجئ دفاعاً مطبقاً: الاستجابة الأولية للتواتر في غضون ثواني، والاحتياطيات الثانوية لإعادة التواتر إلى الإسم في غضون دقائق، والاحتياطيات الثالثة لتحل محل الطاقة الضائعة خلال فترات أطول، وتتيح الابتكارات الآن للعديد من هذه المهام التي يتعين أن تؤديها الأصول غير التقليدية ذات السرعة والدقة غير المتطابقة، والتحول من نظام مركزي وثري وغير ذي قيمة إلى استقرار موزع.

1 - نظم تخزين الطاقة في المستقبل

إن نظم تخزين الطاقة في البطاريات من بين أكثر التكنولوجيات تحولاً لتحقيق استقرار الشبكة، ويمكن لبطاريات الليثيوم -يون، على وجه الخصوص، أن تحقن الطاقة الكاملة في غضون مليئ من الثانية من تلقي إشارة، مما يجعلها أسرع بكثير من الوحدات الحرارية التقليدية أو المائية التي تحتاج إلى ثوان لتنشيطها، وهذه السرعة مفيدة لإيقاف تردد التردد قبل أن تصل إلى عتبات خطرة.

وفي شكل نموذجي، تجهز وحدات الطاقة الكهربائية بأجهزة لتخزين الطاقة التي تعمل على شبكة الإنترنت والتي يمكن أن تجسد السلوك غير المباشر للمولدات المتزامنة، وتكتشف هذه الأجهزة انحرافات في الترددات، وتكيف ناتجها على الفور لمواجهة التغير، وتكرار الكبدة الاصطناعية، حيث تؤدي ٥٠٠ رحلة مولد في نظام ذي تردد فعلي، إلى إحداث فجوة في الجسم.

كما أن تحديد موقع موجودات التخزين هو أمر هام، إذ يمكن أن يُضفي على الدعم المحلي، أو في مراكز النقل الحرجة، وأن يخفض الخسائر في الخطوط، ويخفف من الاكتظاظ أثناء حالات الطوارئ، وتنشر بعض المرافق تخزيناً على نطاق المرافق العامة في وحدات أصغر حجماً موزعة توزع عبر الشبكة، وذلك لتعزيز القدرة على مواجهة حالات الطوارئ المتعددة المتزامنة، ويضيف تراكم التخزين الموزع إلى محطات النداءات الافتراضية طبقة أخرى من المرونة التشغيلية.

External Resource:] For a detailed overview of grid-scale storage capabilities, see the ]IEA’s Grid-Scale Storage report.

2 - الضوابط المسبقة للجرائم والتألق

وتشكل نظم الاستشعار والمراقبة الآلية ذات السرعة العالية العمود الفقري للاستراتيجيات الحديثة لتحقيق الاستقرار، كما أن وحدات قياس درجة الفوار تضخم وتجاريا بمعدلات تتراوح بين ٣٠ و ٦٠ مرة في الثانية، مما يوفر رؤية ذاتية واسعة النطاق لحالة الشبكة، وتغذي هذه البيانات في نظم متقدمة لإدارة الطاقة تستخدم تقديرات الدولة وتحليلات الطوارئ للكشف عن وجود أورامل بصرية في إطار الدورة.

إن مراقبة التوليد الآلي تُعدل عادة نقاط الجيل كل بضع ثوان استناداً إلى خطأ في مراقبة المناطق، بيد أن نظم التكوين الحالية يمكن أن تدمج موارد سريعة التأثير وتُستخدم مقاييس نموذجية للمراقبة التنبؤية لتعظيم الاستجابة عبر الأصول المتعددة، وعندما يكتشف حدوث فقدان مفاجئ، يمكن لنظام التقويم الآلي أن يُرسل فوراً إلى أجهزة التخزين والتركيب السريع للغاز، مع إرسال إشارات متزامنة إلى الحد الأمثل من التنفيذ.

وقد أصبحت خطط الحماية المتخصصة، مثل تقليل حجم الحمولة، وفتح شبكات التكتل، وقطع الحمل غير المزروعة، أكثر قدرة على التكيف، وبدلاً من حجب مجموعات التحميل القائمة على العتبات السابقة للوضع، فإن نظم التكسير الذكية التي تم اختبارها، تُعدّل دون التكرار في المناطق الجزرية، وتُعدّل عناصر التعبئة غير الحرجة، وتُقسيمها بين مختلف متعهدي خدمات الحماية.

External Resource:] The National Renewable Energy Laboratory (NREL) provides research on advanced grid controls at ]NREL Grid Automation.

3- إدماج الطاقة المتجددة في القدرات على تحقيق الاستقرار

وقد اعتبرت مصادر الطاقة المتجددة ذات مرة مسؤولية عن استقرار الشبكة بسبب تقلبها وعدم وجود نقص في الطاقة الكهربائية، غير أن التقدم في أجهزة توليد الطاقة الكهربائية تتيح الآن لمصانع الطاقة الكهربائية العاملة بالريح والطاقة الشمسية المساهمة بنشاط في تنظيم الترددات والفولط أثناء الخسائر المفاجئة، وتضع تكنولوجيا اللافقار المضللة في قلب هذا التحول، بخلاف رموز الترددات التقليدية التي تبثها أجهزة التتبع الفوري للإنتاج الشبكي.

وبالإضافة إلى ذلك، يمكن لمزارع الرياح الكبيرة المجهزة بتركيبات مستعملة بالكامل أن تحتفظ بجزء من طاقتها المتاحة عن طريق التحكم في الرماية أو عن طريق العمل تحت الحد الأقصى من الطاقة، وعندما يحدث انخفاض في الترددات، يقدم متحكم التربين هذه الطاقة الحركية المخزنة في الفرن الدوار، مما يوفر انطلاقة من الطاقة التي تولد استجابة غير مباشرة، وكثيرا ما تسمى الاستجابة السريعة من الرياح)٢(.

وبالإضافة إلى ذلك، فإن محطات الطاقة الشمسية، مقرونة بمخزون البطاريات المتواجدة في أماكن مشتركة، آخذة في الظهور بوصفها مرافق هجينة يمكن أن ترسل خدمات الطاقة والخدمات الإضافية على حد سواء، ويمكن للبطارية أن تفرغ فورا أثناء التسبب في فقدان الجيل، بينما يقوم المنعطف المزود بالكهرباء بتعديل ناتجه من الطاقة الرجعية لدعم الفولط المحلي، ومع تناقص الشمس، يواصل عنصر التخزين توفير خدمات الاستقرار المستقلة عن الإنتاج الشمسي.

External Resource:] An IEE Spectrum article explores grid-forming inverter developments: ] “Grid-Forming Inverters: The Path to 100% Renewables”.

4 - الاستجابة للطلب ونباتات الطاقة الافتراضية

إن إدارة جانب الطلب استراتيجية فعالة من حيث التكلفة لاستيعاب الخسائر في الجيل المفاجئ، إذ يمكن للمستهلكين الصناعيين والتجاريين الالتحاق ببرامج الاستجابة للطلبات التي تسمح لمشغلي الشبكات بأن يقللوا مؤقتا من حمولة هذه الحالات خلال حالات الطوارئ، حيث أن الاستجابة السريعة للطلب، التي تتيحها الهياكل الأساسية المتقدمة للتعديل والضوابط الآلية، يمكن أن تخفف من الحمولة في غضون ثوان، وعلى سبيل المثال، فإن ارتفاع حجم الارتفاع الكهربائي، ومحطات ذات الترددات المائية، ومرافق التخزين الباردة يمكن أن يقل استهلاكها فورا دون توقف كبير.

مصانع الطاقة الافتراضية التي توزع على الطاقة الشمسية، وخلف البطاريات، والمركبات الكهربائية، وأجهزة الحرارة الذكية إلى مورد واحد قابل للتحكم، و خلال نقص الجيل، يمكن للمنبر أن يرسل أسطولا من البطاريات المنزلية لتثبيت الطاقة الكهربائية المتوافقة مع الشبكة أو مركبات الإشارات الكهربائية لوقف التدحرج،

5 - القنصلون المحصورون وشعار إنرتيا

كما أن المولدات الكهربائية المتزامنة المتناوبة متقاعدة، وبعض مشغلي الشبكة يجهزون أجهزة متزامنة - مجهزة بأجهزة كهربائية لا تنتج طاقة نشطة صافية، ولكنها توفر طاقة ثابتة وقادرة على تشغيلها، وتضعها في مواقع متزامنة ذات تسارع في التسارع، وتضع فيها أجهزة التوليد ذات المقاييس المقياس المغناطيسي المتزامن.

في الوقت الحالي، يتم نشر نظام تقليدي مُعتمد على البطاريات، وأجهزة التحكم بالبطارية، وأجهزة التحكم بالبطارية، وأجهزة التحكم بالبطارية،

دراسات الحالة والتنفيذات العالمية الحقيقية

جنوب أستراليا

بعد انقطاع الكهرباء في عام 2016، استثمرت جنوب أستراليا بشكل كبير في البطاريات على نطاق الشبكة وأجهزة التكديس المتزامنة، وحافظت على نظام الطاقة المتمركزة في (القوارب الكبيرة)

قدرة الـ "مُحَقَّنِيّة" الوطنية في المملكة المتحدة

النظام البريطاني، الذي يواجه تزايد التغلغل في المصانع الحرارية الكبيرة، قدّم مجموعة من خدمات الاستجابة الجديدة للترددات،

Texas ERCOT Winter Storm Uri (2021)

كما أن الفقد الهائل للجيل خلال فترة الشتاء، الذي يزيد على ٧٠ غيغاواط من الهجرات، كان أساساً إمدادات الوقود ومسألة الطقس البارد، ولكنه كشف الحاجة إلى أصول أكثر دقة للاستجابة السريعة، كما أن نظام ERCOT قد عجل بربط مشاريع تخزين البطاريات، حيث يزيد عدد المصانع التي تستهلك أكثر من ٥ جي دبليوناً في عام ٢٠٢٣ وحده، وهذه البطاريات أصبحت الآن ذات تواتر بالغ لتغطية الخسارة المفاجئة لوحدات الغازية الكبيرة خلال ظروف الطقس القصوى.

الاعتبارات الاقتصادية والتنظيمية

كما أن نشر تكنولوجيات التثبيت المبتكرة ليس مجرد تحد تقني؛ بل يتطلب أيضا تصميمات سوقية مناسبة وأطرا تنظيمية؛ ويجب أن تتطور أسواق الخدمات الإضافية لتقدر سرعة ودقة الموارد ذات الاستجابة السريعة، وكثيرا ما تكافئ أسواق نظم التواتر التقليدية توافر القدرة بدلا من الأداء الفعلي، ولكن آليات الدفع مقابل الأداء تتميز بازدياد الارتباط.

ويمكن تبرير الاستثمار في التخزين والضوابط المتقدمة اقتصادياً بتفادي تكاليف التخلّص من الوقود، وانخفاض الارتداد بالنباتات التقليدية، وانخفاض الانبعاثات من عمليات الاحتياطي الأقل كفاءة، إذ أن التكاثر في كل مرة يمكن أن يكلف بلايين الدولارات في الخسائر الاقتصادية، مما يجعل استثمارات القدرة على التكيّف فعالة إلى حد بعيد، فعلى سبيل المثال، قدرت تكلفة التكاثر في المملكة المتحدة بما يزيد على بليون جنيه استرليني، علاوة على أن تكاليف البطارية لا تزال تقل عن 90 في المائة

وتنقح السلطات التنظيمية مدونات الشبكة بحيث تُسهم المولدات المتجددة الجديدة في استقرار النظام، فعلى سبيل المثال، فإن الشبكة الأوروبية لمشغلي نظام نقل الانبعاثات للكهرباء (مركز خدمات الاتصالات السلكية واللاسلكية) قد اعتمدت مدونات شبكة تتطلب من المتنزهات الريحية والشمسية توفير استجابة سريعة ومتواترة في إطار زمني محدد، كما أن هذه الولايات تضمن وجود ميدان مكافئة وتعجل باعتماد تواتر الوصلات في الأسواق.

الاتجاهات المستقبلية

أما الحدود التالية في استقرار نظام الطاقة فهي تتمثل في الذكاء الاصطناعي والتعلم الآلاتي، ويمكن للنظم التحلل الافتراضي للشبكات التنبؤية أن تتوقّع احتمال حدوث خسائر في الجيل استناداً إلى البيانات الصحية للمعدات والتنبؤات الجوية وظروف الشبكة، مما يتيح للمشغلين أن يحافظوا على احتياطيات ما قبل التكوين بصورة أكثر فعالية، ويجري تدريب عناصر التعلم الرقمية على بيئة محاكاة لوضع سياسات مخففة تماماً من الظواهر السحابية وتقليمية.

ويمكن لأسواق الطاقة المفتوحة التي تتيحها تكنولوجيا دفتر الأستاذ الموزع أو غيرها من تكنولوجيات دفتر الأستاذ الموزعة أن تيسر تبادل خدمات المساعدة بين الأقران، مما يتيح للمستهلكين الصغار أن يبيعوا قدراتهم الاحتياطية السريعة، وفي هذا النظام، يمكن لمالكي السيارات أن يختاروا السماح ببطارية سياراتهم بتوفير استقرار الشبكة، وكسب الإيرادات، مع اقتران العقود الذكية الآلية التي تنفذ فيها المعاملات فوراً عند تقديم الخدمات.

ومن الوسائل الواعدة الأخرى دمج أجهزة الإرسال الهيدروجينية كحمولات قابلة للمراقبة، حيث يمكن للكهرباء أن تستوعب، أثناء وجود فائض في الجيل، الطاقة الفائضة لإنتاج الهيدروجين الأخضر؛ وفي أثناء العجز، يمكن أن تتسارع وتيرة عمليات التزود بالبطاقات الكهربائية، بحيث تؤدي أجهزة القياس المفاجئة التي تستخدمها أجهزة التخزين ذات الترددات العالية، إلى جانب استخدام خلايا الوقود أو التربينات التي تعمل على إحداث تسارع في التثبيت الحراري.

External Resource:] An overview of AI applications in grid stability can be found in ]AI-Driven Frequency Control in Low-Inertia Power Systems].

خاتمة

إن الخسائر الآخذة في الخلق ستظل خطراً متأصلاً في نظم الطاقة، ولكن الأدوات المتاحة لمواجهتها تتقدم بشكل كبير، فعملية تخزين الطاقة في المستقبل، والتشغيل الآلي الذكي، والمتجددة على الشبكة، وتجميع الطلب، والوزع الاستراتيجي لأجهزة تجميع متزامنة توفر الآن مجموعة أدوات شاملة لمشغلي الشبكات، مع تزايد هذه التكنولوجيات وتكاملها، فإنها لا تعوض عن الانخفاض في الدعم التقليدي

External Resource:] The International Renewable Energy Agency (IRENA) offers a broad perspective on power system flexibility at ]IRENA Power System Flexibility].