الطاقة اللامركزية النظم: المنافع والتحديات في المناطق الحضرية

وفي المناطق الحضرية، تجعل كثافة الطلب على الكهرباء النظم اللامركزية جذابة بوجه خاص، ويمكن أن تستضيف أماكن العمل، وهياكل وقوف السيارات، بل وحتى مواجهات البناء وحدات توليد، وعندما تقترن هذه الموارد باللافتات الذكية، والمقاييس المتقدمة، والضوابط الرقمية، يمكن لهذه الموارد أن توفر خدمات شبكة مثل الدعم بالفولط، وتنظيم الترددات، وتخفيض حجم العملة إلى أقصى حد، مع تمكين المستهلكين من المشاركة بنشاط في سوق الطاقة.

فوائد الطاقة اللامركزية في المناطق الحضرية

إن اعتماد نظم الطاقة اللامركزية يوفر مجموعة واسعة من المزايا للمدن تتراوح بين الكفاءة التشغيلية والمكاسب البيئية والاجتماعية، فيما يلي أكثر الفوائد تأثيرا، كل منها يجري بحثه بالتفصيل.

انخفاض الخسائر في الانبعاثات والتوزيع

وفي نموذج مركزي، تنتقل الكهرباء من محطات توليد الطاقة الكبيرة عبر خطوط نقل ذات دفعة عالية ثم من خلال شبكات التوزيع الأقل نشاطاً للوصول إلى المستعملين النهائيين، وتتكبد هذه الرحلة خسائر في الطاقة في كل خطوة، وتقدّر إدارة المعلومات في الولايات المتحدة أن إجمالي خسائر النقل والتوزيع يبلغ نحو 5 في المائة من الكهرباء التي تُسلّم في الولايات المتحدة، ولكن يمكن أن يكون أعلى في الشبكات القديمة أو طرق أطول.

Enhanced Grid Resilience and Reliability

فالهياكل الأساسية الحضرية معرضة للفشل في التكديس أثناء الأحداث الجوية البالغة الشدة، والهجمات الإلكترونية، أو الهجمات المادية على خطوط النقل، كما أن نظم الطاقة اللامركزية، ولا سيما المحصول على الطاقة المتناهية الصغر، يمكن أن تحافظ على المرافق الحيوية مثل المستشفيات، وخدمات الطوارئ، ومحطات معالجة المياه، وأبراج الاتصالات التي تعمل عند هبوط الشبكة الرئيسية، وعلى سبيل المثال، بعد أن تُعدل الأعصاب في عام 2012، ظلت عدة مباني في مدينة نيويورك مجهزة بالظلام.

Environmental and Climate Benefits

كما أن نظم الطاقة اللامركزية التي تُستخدم في مصادر متجددة - خاصة الطاقة الشمسية والريحية - والتي لا تنتج إلا القليل من انبعاثات غازات الدفيئة المباشرة، ومن خلال تفكيك توليد الوقود الأحفوري، تساعد المدن على تحقيق أهداف طموحة تتعلق بالمناخ، وتُفيد شبكة المدن التي تضم 40 مدينة بأنها قد التزمت بأن تصبح محايدة الكربون بحلول عام 2050، وتُعتبر زيادة مصادر الطاقة المتجددة الموزعة استراتيجية رئيسية.

الوفورات الاقتصادية والقدرة على تحمل تكاليف الطاقة

وفي حين أن التكلفة الأولية لشراء وتركيب النظم اللامركزية يمكن أن تكون كبيرة، فإن الفوائد المالية الطويلة الأجل كبيرة، إذ يمكن للمستهلكين الذين لديهم لوحات شمسية أن يقللوا أو يزيلوا فواتير الكهرباء الشهرية، ويمكن للمستهلكين الذين لديهم تخزين أن يحوّلوا الاستهلاك إلى فترات الاستخدام، وأن يتجنبوا معدلات الذروة الباهية، أما بالنسبة للمرافق، فإن الاستثمار في الأصول اللامركزية يمكن أن يؤجل الحاجة إلى رفع مستوى الشبكات المكلفة.

الاستقلال عن الطاقة والرقابة المحلية

وتخفض المدن التي تستحدث حافظات طاقة لا مركزية قوية اعتمادها على محطات توليد الطاقة البعيدة والوقود المستوردة، مما يغذي الاقتصادات الحضرية من تقلبات أسعار الوقود الأحفوري واضطرابات الإمداد، فضلا عن نماذج الملكية المحلية - مثل الحدائق الشمسية المملوكة للمجتمعات المحلية أو المرافق البلدية التي تستثمر في المناطق المتناهية الصغر - السكان الأقل نموا والأعمال التجارية، لتقول كيف يتم إنتاج الطاقة وإدارتها، ويمكن أن تؤدي هذه المشاركة المدنية إلى تسريع عملية الانتقال إلى الطاقة المتجددة مع بناء الثقة العامة.

التحديات التي تواجه تنفيذ النظم اللامركزية في المناطق الحضرية

وعلى الرغم من الفوائد الواضحة، فإن انتشار نظم الطاقة اللامركزية على نطاق واسع في المدن يواجه عقبات هائلة، وهذه التحديات تشمل مجالات مالية وتقنية وتنظيمية ومكانية، وفهمها ومعالجتها أمر حاسم لتحقيق اعتماد واسع النطاق.

تكاليف الاستثمار الأولية المرتفعة

وفي إطار تركيب الألواح الشمسية، والرياح، وتخزين البطاريات، ومكونات موازين النظام، يتطلب الأمر إنفاقاً كبيراً على رأس المال، إذ يمكن أن تتراوح التكلفة المثبتة بين 2.50 و3.50 دولاراً لكل وات في الولايات المتحدة، مما يعني أن نظام الإقامة المكون من 10 كيلوواط يكلف 000 25 دولار قبل تقديم الحوافز، ويضاف إلى ذلك حاجز الائتمان يتراوح بين 000 10 و000 15 دولار أو أكثر.

التكامل بين الأزواج والترابط

In-[re- thousands of small, changing generation sources into a stable, reliable power system is no small feat. Traditional grids were designed for one-way power flow from large birth generated to end users. With decentralized systems, electricity can flow both directions, challenging protection schemes, voltage regulation, and power quality. Advanced inverters,elli meters, and robust communication protocols are needed to manage this complexity.

الحواجز التنظيمية والسياساتية

وقد صيغ العديد من الأطر التنظيمية التي تحكم أسواق الكهرباء بتركيب مركزي، حيث إن سياسات القياس الصافي - التي تُقيد الزبائن بالطاقة الشمسية مقابل الطاقة الزائدة التي تُرسل إلى المنطقة الخاضعة للهجوم في عدة ولايات، مما يخلق عدم يقين لدى المستثمرين، وتشمل المسائل الحاسمة الأخرى قواعد غير واضحة لتجميع وحدات خفض الانبعاثات المعتمدة المتعددة إلى محطات توليد الطاقة الافتراضية، وعدم وجود تعويض عن خدمات الشبكة التي تتيح للموجودات اللامركزية (مثل دعم صناعات) وقواعد تقييدية بشأن إضافة التعريفات.

الجوانب التقنية للعقبات وثغرات القوى العاملة

ويتطلب تصميم وتركيب وصيانة نظام للطاقة اللامركزية الحديثة مهارات متخصصة كثيرا ما تكون في حالة نقص، ويحتاج الكهرباء والمهندسون والتقنيون إلى التدريب على تصميم الطاقة الشمسية، وسلامة البطاريات، والضوابط على الشبكات الصغرى، وأمن الفضاء الإلكتروني، وتشتد الفجوة في القوى العاملة في المناطق الحضرية حيث يكون الطلب أعلى، ولكن برامج التدريب لا تبدأ إلا في الاتساع، وبالإضافة إلى ذلك، فإن إدماج مختلف التكنولوجيات - العازلة، والريح، والتخزين، وأجهزة المحمولة الكهربائية - يتطلب برامج حاسوبية - نظاما متطورة -

Constraints Space in Dense Urban Environments

فالمدن التي تحددها الكثافة السكانية العالية، والمباني الطويلة، والحيز المتاح المحدود، ويمكن أن تهزأ الرؤوس بالهياكل المجاورة، أو أن تكون غير كافية هيكلياً لدعم الألواح الشمسية، أو التي تشغلها بالفعل معدات HVAC، وتواجه التربينات الصغيرة اضطراباً وأنظمة ضوضاء، وتحتاج نظم تخزين البطاريات إلى اعتبارات السلامة من الحرائق، ولا سيما في المباني المتعددة الأسر.

التكنولوجيات التي تؤدي إلى تحقيق اللامركزية في الطاقة

وهناك عدة تكنولوجيات رئيسية تمكن من اعتماد نظم لا مركزية على نطاق واسع في المدن، حيث إن انخفاض تكلفتها بسرعة وتحسين أدائها يعيد تشكيل مشهد الطاقة.

Solar Photovoltaics

وينتشر برنامج الطاقة الشمسية في أكثر التكنولوجيات لا مركزية وضوحا، حيث انخفضت التكاليف بنسبة 90 في المائة منذ عام 2010، حيث تُستخدم منشآت الترميز في المنازل والمكاتب والمستودعات في المدن المشمسة، حيث أن الألواح العالية الكفاءة والنماذج الثنائية الوجه والتصميمات المدمجة للبناء لا تزال تضغط على الحدود، وفي عام 2023، أفادت الوكالة الدولية للطاقة المتجددة بأن الطاقة الموزعة بالطاقة الشمسية بلغت نحو 500 جي دبليو في العالم، والأسواق الحضرية.

Battery Energy Storage

وتُعدّ بطاريات الليثيوم -يون هي الجهة النظيرة الحاسمة لتتغير مصادر الطاقة المتجددة، حيث تهيمن على السوق تكاليف تزيد عن 100 1 دولار/كه في عام 2010 إلى حوالي 150/كه في عام 2023، وقد تُتيح التخزين استخدام الطاقة الشمسية والريحية المتولدة خلال فترات الذروة أو الريحية في الليل أو أثناء فترات ذروة الطلب، كما أن التخزين يوفر طاقة احتياطية للحمولات الحرجة ويساعد على إدارة تكنولوجيات التدفق.

القوام المختلط والقوة

كما أن نظم تجهيز الصادرات، المعروفة أيضاً باسم الجيل المشترك، تنتج في الوقت نفسه الكهرباء والحرارة المفيدة من مصدر وحيد للوقود (عادة الغاز الطبيعي، ولكن الغاز الحيوي المتجدد بصورة متزايدة أو الهيدروجين) وفي المناطق الحضرية الكثيفة، يمكن أن تحقق الكفاءة العامة البالغة 70-90 في المائة، مقارنة بالمعدلات النموذجية لـ 35 في المائة من الكهرباء المزودة بالشبكة بالإضافة إلى التدفئة المستقلة، والمستشفىات والجامعات وشبكات التدفئة المحلية هي مستعملون المشتركون.

Microgrids and Smart Controls

فالمجموعة المصغرة هي مجموعة محلية من مصادر الكهرباء والشحنات التي يمكن أن تعمل على أساس الشبكة الرئيسية أو بشكل مستقل، وتدير أجهزة التحكم المتقدمة في الأحجار المجهرية الجيل والتخزين والتحميل في الوقت الحقيقي، وتزيد التكلفة والموثوقية إلى الحد الأمثل، وفي المدن، يجري نشر الميكروفونات في المعسكرات الجامعية، والقواعد العسكرية، ومتنزهات الأعمال التجارية، بل وفي الأحياء بأكملها، فإن تركيبة من الميكريدات الموزعة والمتجددة والمخزنة هي أكثر الطرق قدرة على الصمود.

مسارات السياسة العامة والتنظيم

ومن الضروري التغلب على الحواجز التي سبق وصفها، وضع سياسات للتفكير في المستقبل، وقد نفذت ولايات قضائية عديدة بالفعل أطرا ناجحة يمكن أن تكون نماذج.

صافي القياسات والرسوم في التعريفات الجمركية

ويتيح القياس الصافي للزبائن الذين لديهم طاقة شمسية التعويض عن استهلاكهم بالجيل، ودفع معدلات التجزئة بفعالية من أجل الطاقة المصدرة، وبينما تدفع بعض المرافق أنها تحول التكاليف إلى زبائن غير سولين، أعيدت صياغة القياس الصافي - مثل التعويض على أساس قيمة الإضراب الشمسي - الكاني، فقد استخدمت رسوم الرسوم الجمركية على أساس التموين، على نطاق واسع في ألمانيا واليابان، وتضمنت عملية اعتماد ثابتة لكل كيلوت - ساعة متولدة في وقت مبكر.

معايير الترابط والتقييد التدريجي

وقد اعتمدت دول مثل كاليفورنيا ونيويورك قواعد موحدة للترابط تخفض تكاليف المولدات الصغيرة وتؤخرها، ويكتسب مفهوم " التلاعب واللعب " مع المحاورين الذكيين مشققين، مما يتيح الامتثال التلقائي للمتطلبات التقنية، كما يمكن للمدن أن تعجل بالسماح من خلال البوابات الإلكترونية ومجموعات التصميم المعتمدة مسبقا، وتوفر رابطة صناعات الطاقة الشمسية أوامر نموذجية يمكن أن تعتمدها المدن للتعجيل بالنشر الشمسي.

الحوافز وآليات التمويل

وبالإضافة إلى إعادة التشغيل المباشرة، فإن تمويل المصارف الخضراء، وبرامج الطاقة النظيفة المُقَسَّمة الملكية، والاشتراكات الشمسية المجتمعية تساعد على التغلب على حاجز التكاليف الأمامي، ويتضمن قانون الولايات المتحدة للحد من التضخم تعزيزات كبيرة في الائتمان الضريبي فيما يتعلق بالمخزون الاحتياطي والمشاريع الشمسية ذات الدخل المنخفض، ويمكن للمرافق البلدية إصدار سندات خضراء لتمويل مشاريع خفض الانبعاثات الناجمة عن إزالة الانبعاثات الناجمة عن إزالة الغابات على نطاق المجتمع المحلي، كما أن النماذج الابتكارية مثل معدات الخدمة الثابتة تسمح للشركات بدفع تكاليف الكهرباء.

دراسات الحالة: المدن التي تقود عملية الانتقال اللامركزية

وتبرهن عدة مراكز حضرية على إمكانية نشر نظم الطاقة اللامركزية على نطاق واسع، مما يوفر دروسا قيمة لبقية العالم.

برشلونة، إسبانيا

وقد أدرجت برشلونة الاحتياجات من الطاقة الشمسية في رموزها للبناء منذ عام 2006، مُنحت أن المباني الجديدة والمتجددة تفي بجزء من طلبها على المياه الساخنة والكهرباء بالطاقة الشمسية، كما أطلقت المدينة " خريطة سولار " تحدد أسطح المباني المناسبة، ومن خلال تعاونيات المواطنين مثل سوم إنرجيا، تزدهر المشاريع الشمسية المملوكة للمجتمعات المحلية، والتزام برشلونة بسيادة الطاقة نموذج للاستدامة الحضرية.

نيويورك، الولايات المتحدة الأمريكية

وتتابع نيويورك بقوة الطاقة اللامركزية كجزء من خطتها " OneYC 2050 " ، وتضع " خريطة طريق جيل موزع " في المدينة هدفاً يتمثل في 1 GW من الطاقة الشمسية بحلول عام 2030، بالإضافة إلى 100 ميغاواط من التخزين، وقد نفذت شركة Con Edison، وهي المرافق المحلية، برنامجاً " Brooklyn-Queens demand Management " يستخدم فيه العديد من مراكز الإسكان السكن السكن السكنية المموَّلة والمموَّلة بمليارات الصغيرة.

سنغافورة

وعلى الرغم من موقعها المداري، فإن مساحة أراضي سنغافورة محدودة بالنسبة للشمس الكبيرة، بل أصبحت اختبارا للنظم اللامركزية الحضرية: المزارع الشمسية العائمة على الخزانات، والألواح الشمسية على مجمعات الشق في سداسي البروم ثنائي الفينيل، وأحد أكبر عمليات نشر للمترات الذكية في العالم، وقد وضعت هيئة سوق الطاقة في المدينة صندوقا للرمال التنظيمية على محطات توليد الطاقة الافتراضية التي تجمع بين الموارد.

التوقعات المستقبلية

إن مسار نظم الطاقة اللامركزية في المناطق الحضرية هو اتجاه تصاعدي لا يوصف، إذ إن تكاليف الخفض والابتكار التكنولوجي وتزايد الحاجة الملحة للمناخ تتجمع لجعل وحدات خفض الانبعاثات المعتمدة خياراً غير مقصود للقدرة الجديدة، ووفقاً لمؤسسة BloombergNEF، فإن المنشآت اللامركزية للطاقة الشمسية والتخزين ستشكل نحو نصف الاستثمار العالمي في قطاع الطاقة بحلول عام 2030، كما أن ارتفاع المركبات الكهربائية - البطاريات المتحركة أساساً - سيزيد من التكامل الحضري.

بيد أن تحقيق هذا المستقبل يتطلب بذل جهود مستمرة، إذ يجب أن تتطور المرافق من الموزعين السلبيين إلى المنابر النشطة التي تدير ملايين الأصول الموزعة، ويتعين على الجهات التنظيمية تحديث تصميمات الأسعار وقواعد السوق، ويجب على مخططي المدن أن يدمجوا القدرة على مواجهة الطاقة في رموز تقسيم المناطق والبناء، ويجب أن تتوسع برامج تطوير القوى العاملة بسرعة لتدريب الجيل القادم من فنيي ومهندسي الطاقة النظيفة، والأهم من ذلك أنه يجب إشراك المجتمعات المحلية في عمليات الانتقال، وليس المستهلكين.

فالطاقة اللامركزية ليست قوة حمولة أساسية مركزية في جميع أنحاء العالم، وسيظل الانتقال البعيد المدى مهماً لعدة عقود، ولكن بالنسبة للمدن، حيث تؤدي الكثافة إلى الضعف والفرص على السواء، وتوفر عمليات الخلق والتخزين والضوابط الذكية الموزعة مساراً عملياً نحو مستقبل أنظف وأكثر موثوقية وأكثر إنصافاً للطاقة، وتكون الفوائد قاهرة، والتحديات قابلة للاستمرار، والوقت الذي يتعين القيام به الآن.