بادرة التخطيط للارتقاء في جريد العصر الحديث التصميم

فهم قدرة الظلم على التكيف في عالم متغير

وتتوقف المجتمعات الحديثة على الكهرباء غير المتقطعة لتوليد الطاقة من المستشفيات وشبكات المياه إلى الهياكل الأساسية الرقمية والتصنيع، ونظراً لأن الأحداث الجوية الشديدة والتهديدات الإلكترونية والمعدات الناشئة تزداد تواتراً، فقد انتقل مفهوم القدرة على الصمود على الشبكة من مكان تقني إلى ركيزة مركزية من سياسات الطاقة واستراتيجية المرافق العامة، ولا يتعلق التخطيط للارتقاء بمجرد منع حدوث انقطاع في الأسعار، بل يتعلق بتصميم نظم يمكن أن تستوعب الصدمات، والتكيف مع الظروف المتغيرة، وإعادة الخدمة بسرعة.

ويركّز النهج التقليدي لموثوقية الشبكات على منع الإخفاقات في ظروف التشغيل العادية، ويمضي الصمود أكثر من ذلك، ويعالج الظواهر المنخفضة الاحتمال، والأحداث ذات الأثر المرتفع التي يمكن أن تسبب فشلاً مسبباً للاختلال، وتقلل شبكة مرنة من مدة وشدة التجاوزات، وتحمي السلامة العامة، وتخفض الخسائر الاقتصادية، وتستكشف هذه المادة المكونات الرئيسية، والفوائد، والتحديات، والاتجاهات المستقبلية لتخطيط القدرة على التكيف في تصميم الشبكات الحديثة.

لماذا الانتقام أكثر من أي وقت مضى

زيادة تواتر حدوث طقس الزحف

ويقود تغير المناخ أعاصير أكثر حدة، وحرائق برية، وعواصف جليدية، وموجات حرارية، ففي الولايات المتحدة وحدها، ارتفعت معدلات انقطاع الكهرباء المتصلة بالطقس بنسبة 78 في المائة منذ عام 2011، وفقا لتحليل Climate Central ، ويختبر كل حدث حدود الهياكل الأساسية القائمة، وعلى سبيل المثال، تسببت العاصفة الشتوية التي وقعت في تكساس في انقطاعات واسعة النطاق لم تكن لها قوة منذ أيام.

الأمن السيبرى والتهديدات المادية

فالبنى التحتية المظلمة هي هدف أساسي للهجمات الإلكترونية، وقد أظهر هجوم عام 2015 على شبكة الطاقة في أوكرانيا أن الخصوم المتطورين يمكن أن يقطعوا عن بعد ثلاثة أضعاف ويتسببوا في انقطاعات كبيرة، كما أن الهجمات المادية، مثل الهجوم على القنص في عام 2022 على الخوادم في كارولينا الشمالية، تؤكد أيضا الحاجة إلى الأصول المكدسة وقدرات الاستعادة السريعة، ويجب أن يعالج التخطيط للارتقاء أوجه الضعف الرقمية والمادية على السواء.

تزايد الطلب على الطاقة الموثوقة

ويؤدي انتشار المركبات الكهربائية والمضخات الحرارية ومراكز البيانات إلى زيادة عواقب حتى حالات انقطاع الكهرباء، وقد يؤدي عدم وجود طاقة في ساعات قليلة إلى تعطيل سلاسل الإمداد، وتفسد الإمدادات الطبية، وشبكات الاتصالات المسببة للاضطرابات، حيث أن الطلب على الكهرباء ينمو ]، والتوقعات المجتمعية بالنسبة إلى ارتفاع مستوى موثوقية الخدمات، مما يجعل القدرة على التكيف مفرقاً تنافسياً بالنسبة للمرافق وشبكات الشبكات.

العناصر الرئيسية لتخطيط القدرة على التكيف

إعادة التوحيد والشبكة

(ب) إن إعادة التوحيد هي أهم استراتيجية للمرونة، وهي تنطوي على إيجاد مسارات متعددة لتوليد الطاقة، بحيث يمكن للطرق البديلة، إذا فشل خط أو محولات، أن تحمل الحمولة، ويتم ذلك من خلال ] تصميمات شبكة مصغرة حيث تكون القطع الفرعية مترابطة في كثير من الأحيان، ومن خلال توليد الطاقة الاحتياطية

معايير الهياكل الأساسية الآلية

ومن الضروري بناء مكونات يمكن أن تصمد أمام الظروف القاسية، وهذا يعني رفع مستوى الهياكل الفرعية في المناطق المعرضة للفيضانات، وتعزيز أبراج الانتقال ضد الرياح العالية، واستخدام المواد المقاومة للحرائق في مناطق إطلاق النار، إضافة إلى أن Infrastructure Investment and Jobs Act ] في الولايات المتحدة تشمل تمويلاً لشبكات التصلب في مواجهة الكوارث الطبيعية.

Smart Grid and Automation Technologies

(ب) أجهزة الاستشعار الحديثة، Phasor Measurement Units (PMUs)، ونظم إدارة التوزيع المتقدمة تسمح للمشغلين بكشف الاضطرابات في الوقت الحقيقي وعزلها قبل أن يتوقّعوا وجودها.

Microgrids and Distributed Energy Resources

وتُعد شبكات المايكرويد المحلية التي يمكن أن تفصل عن الشبكة الرئيسية وتعمل بشكل مستقل أثناء الاضطرابات، وهي تدمج الألواح العازلة، وتخزين البطاريات، ومولدات الدعم ] لخدمة الحمولات الحرجة، وتتزايد المستشفيات والقواعد العسكرية، والمخيمات الجامعية اعتمادها على الخضروات، وتحافظ هذه الجزر على تدفق الطاقة (تزيد من المرونة).

التخطيط لمواجهة الطوارئ وإعادة التأهيل

ويشكل وجود خطة جيدة السمع للاستعادة السريعة عنصرا أساسيا من عناصر القدرة على التكيف، ويشمل ذلك أطقم ومعدات ما قبل التمركز، واتفاقات المساعدة المتبادلة بين المرافق، وبروتوكولات الاتصالات التي تقدم خدمات الطوارئ. Blackstart capacity - قدرة محطة توليد الطاقة على العودة دون شبكة خارجية - وهي حاسمة لإعادة تشغيل المولدات الحرارية الكبيرة بعد أن يتم القيام بعمليات حفر كاملة.

الآثار الاقتصادية المترتبة على استثمارات القدرة على التكيف

تكلفة الأجور مقابل تكلفة القدرة على التكيف

وتفرض رسوم هائلة على البلدان النامية، إذ تقدر وزارة الطاقة الأمريكية أن انقطاع الطاقة قد يكلف اقتصاد الولايات المتحدة ما بين 28 بليون دولار و 169 بليون دولار سنويا، وبالنسبة للعملاء الصناعيين، فإن الخروج لمدة ساعة واحدة قد يعني فقدان عشرات الآلاف من الدولارات، وأن الاستثمار في القدرة على التكيف يقلل من هذه الخسائر، ولكن رأس المال في المقدمة يمكن أن يكون كبيرا، ويجب أن يُحسب تحليل التكاليف في حساب احتمال حدوث أضرار في مختلف السيناريوهات.

المدخرات الطويلة الأجل واستحقاقات التأمين

وكثيراً ما تكون للبنية التحتية المقاومه أطول مدة من عمر الخدمة وتدني تكاليف الصيانة، وبالإضافة إلى ذلك، قد تكون المرافق التي لديها سجلات قوية لمرونة التأمين مؤهلة للحصول على أقساط تأمين أقل أو على درجات أفضل من السندات، كما يمكن للمجتمعات التي تستثمر في الميكرويجات والطاقة الاحتياطية أن تجتذب أيضاً الأعمال التجارية التي تتطلب قدراً كبيراً من الموثوقية، مثل مراكز البيانات ومصنعي المستحضرات الصيدلانية.

اعتبارات المراسلة والتنظيم

وتُسترجع الاستثمارات في مجال المرونة عادة من خلال معدلات الكهرباء، التي يمكن أن تؤدي إلى ارتفاع الفواتير في الأجل القصير، ويجب على الجهات التنظيمية أن توازن بين الحاجة إلى الموثوقية وبين القدرة على تحمل التكاليف، وتحتاج العديد من الدول الآن إلى توفير المرافق اللازمة لوضع خطط المرونة وتبرير النفقات.() وتكتسب اللوائح القائمة على الأداء، التي تكسب فيها المرافق العامة مكافأة لخفض تواترها ومدتها، زخماً كوسيلة لمواءمة الحوافز مع نتائج القدرة على التكيف.

الابتكارات التكنولوجية التي تؤدي إلى تحقيق المرونة

أجهزة الاستشعار المتقدمة والفولط

The Internet of things (IoT) enables continuous monitoring of grid assets. Distribution auto] uses remote-controlled shiftes and sensors to quickly isolate faults. ]Capacitor bank controllers and voltage regulators can be adjusted dynamically to maintain power quality.

Energy Storage Integration

(ب) نظم تخزين الطاقة في البطاريات هي أدوات متعددة الأطراف من أجل القدرة على التكيف، ويمكنها توفير الطاقة الاحتياطية لساعات، ودعم الفولطية وتنظيم الترددات، والقدرة على استخدام الطاقة الخفيفة السوداء، وفي كاليفورنيا، قامت ] CAISO بإدماج البطاريات الواسعة النطاق التي تُنفذ أثناء ذروة الطلب ويمكن أن توفر الطاقة في حالات الطوارئ أثناء عمليات إطلاق النار البرية، ومع انخفاض تكاليف البطاريات، أصبح التخزين قدرة فعالة من حيث التكلفة.

الاستخبارات الفنية والتحليلات الجاهزة

ويمكن أن تحلل الخوارزميات التاريخية بيانات التجاوزات والتنبؤات الجوية ومؤشرات صحة المعدات للتنبؤ بالإخفاقات التي يحتمل أن تحدث فيها، مما يتيح للمرافق أن تجهز طاقماً للتجهيزات أو تحل محل العناصر بصورة استباقية، كما يساعد التعلم في تحسين تشغيل الحاجات الصغرى والوحدات المخفضة للانبعاثات، والتوازن بين الأجيال والشحن في الوقت الحقيقي، ويستخدم مشغلي الأحجار الآي للتوعية بالأوضاعة أثناء فترات الطوارئ الأخرى.

التدابير الأمنية المسبقة عن طريق الاتصال الحاسوبي

ويجب أن يشمل التخطيط للارتقاء أمن الفضاء الحاسوبي لحماية النظم الرقمية التي تتحكم في الشبكة، وتعتمد المرافق هياكل للثقة الزهيدة ]، وشبكات التجزئة للحد من انتشار الهجمات، ونشر نظم كشف الاقتحام التي تُستخدم في بروتوكولات الرقابة الصناعية، وتطبق شركة أمريكا الشمالية للكهرباء على معايير التعاون الأساسية المتطورة في مجال حماية الهياكل الأساسية.

دراسات الحالة في مجال تيسير الوصول إلى غريد

بورتوريكو بعد إعصار ماريا

وقد دمرت إعصار ماريا في عام 2017 معظم شبكة بورتوريكو، مما أدى إلى بقاء 1.5 مليون زبون بدون طاقة لمدة أشهر، وأدت الكارثة إلى إصلاح كبير في مجال القدرة على الصمود، ووضعت هيئة الطاقة الكهربائية في بورتوريكو ووزارة الطاقة في الولايات المتحدة خطة تشدد على [الشبكة FLT:0] على توليد الطاقة الكهربائية، والاحتجاجات الصغرى، وتوزيع الطاقة تحت الأرض .

قدرة استراليا على مقاومة إطلاق النار

وقد تسببت حرائق الأدغال المفجعة التي أطلقتها أستراليا في الفترة من 2019 إلى 2020 في حدوث إخفاقات واسعة النطاق في الشبكة وتلف في المعدات، وردا على ذلك، استثمرت المرافق في أجهزة الحد من خط الأرض الحالية للحد من مخاطر الإشعال من خطوط الكهرباء، وركبت محطات جوية لتحريك خط التلقائي أثناء الخطر الشديد الناجم عن الحريق.

New York’s Climate Leadership and Community Protection Act

وقد وضعت ولاية نيويورك أهدافاً قوية للطاقة المتجددة مع إعطاء الأولوية لمرونة الشبكة، ويقضي قانون المناخ بأن تكون الكهرباء المتجددة 70 في المائة بحلول عام 2030، وللإبقاء على الموثوقية، تدعم الدولة توزيع الطاقة الشمسية، وتخزين البطاريات، واستثمارات تحديث الشبكة، وقد نشرت شركة Con Edison، وهي شركة الخدمات لمدينة نيويورك، تكنولوجيات وشبكات صغيرة للتحضير للموجات الحرارية والأعاصير.

الأطر السياساتية والتنظيمية

المبادرات الاتحادية

وفي الولايات المتحدة، يوفر برنامج المنح المقدمة من وزارة الطاقة والمنتجات القبلية لتمويل المشاريع التي تصعب وتحديث الشبكة، وقد أصدر قانون بشأن البنية التحتية للاستثمار والوظائف ] 5 بلايين دولار خصيصاً لمرونة الشبكة، وبالإضافة إلى ذلك، أصدرت اللجنة الاتحادية لتنظيم الطاقة أوامر لتحسين التنسيق بين عمليات التخطيط للإرسال.

البرامج الحكومية

وقد سنت ولايات عديدة قوانين تقتضي من المرافق تقديم خطط المرونة، وتقضي ولايات كاليفورنيا بأن تعالج المرافق مخاطر إطلاق النار البرية بإدارة شاملة للنباتات، وترقيات المعدات، وعمليات إغلاق الطاقة العامة للأمان، وتحتاج تكساس، بعد تجميد عام 2021، إلى فصل الشتاء في مرافق توليد الطاقة ونقلها، وتتوفر لدول مثل فلوريدا وكارولينا الشمالية برامج للتقويض ضد الأعاصير، وتخلق هذه الأنظمة دافعاً للامتثال للاستثمارات في مجال القدرة على التكيف.

المعايير الدولية

وعلى الصعيد العالمي، تشجع منظمات مثل الوكالة الدولية للطاقة والبنك الدولي المبادئ التوجيهية المتعلقة بالقدرة على التكيف، وقد وضعت الشبكة الأوروبية لمشغلي نظام تحويل الانبعاثات من أجل الكهرباء عبر الحدود (المركز الأوروبي) قياساً رقم 1547 لربط وحدات خفض الانبعاثات المعتمدة على التكيف مع تغير المناخ، يتضمن أحكاماً تتعلق بالتسوية والتنقل خلال الاضطرابات التي تحدثها الشبكة، وقد وضعت الشبكة الأوروبية لمشغلي نظام تحويل الكهرباء عبر الحدود (مركز خدمات تكنولوجيا المعلومات) مقاييس الخاصة بمرونة القدرة على التكيف، وعمليات استعراض الأقران.

التحديات والحواجز أمام التنفيذ

التكاليف العليا

ويتطلب تعزيز الهياكل الأساسية القائمة ونشر التكنولوجيات المتقدمة رأس مال كبير، إذ يعمل العديد من المرافق في إطار ميزانيات مقيدة، ويجب أن تعطي الأولوية للاستثمارات في مختلف المجالات، ويمكن أن تكون فترة الانتكاس من أجل تحسين القدرة على التكيف طويلة، وكثيرا ما لا تتحقق الفوائد إلا خلال أحداث منخفضة الاحتمال، مما يجعل من الصعب تبرير النفقات للمنظمين ودافعي الأسعار.

التعقيد التكنولوجي والقابلية للتشغيل المتبادل

إن إدماج مختلف المعدات من مختلف البائعين في نظام مرنة متماسكة أمر صعب، وقد لا تدعم نظم المجاملة بروتوكولات الاتصالات الحديثة، وتضيف متطلبات الأمن السيبرى طبقة أخرى من التعقيد، وتحتاج المرافق إلى موظفين مهرة لتصميم وتشغيل وصيانة نظم شبكات متطورة بشكل متزايد، كما أن نقص المهندسين والتقنيين ذوي الخبرة في نظم الطاقة والتكنولوجيا الرقمية يثير قلقا متزايدا.

الرقابات التنظيمية

وتركز النماذج التنظيمية التقليدية على تقليل التكاليف وضمان الموثوقية استنادا إلى المتوسطات التاريخية، ومن أجل تشجيع المرونة، يجب أن تتطور اللوائح التنظيمية للسماح للمرافق باسترداد تكاليف الاستثمارات الاستباقية، حتى وإن لم تمنع مباشرة حدوث انقطاع محدد، ويمكن أن تساعد القياسات القائمة على الأداء التي تكافئ نتائج القدرة على التكيف، مثل انخفاض متوسط الرقم القياسي للطول بين العملاء خلال حالات الطوارئ، على مواءمة الحوافز، غير أن تطوير هذه القياسات وتنفيذها أمر معقد.

الغطاء الأرضي المتطور

إن طبيعة التهديدات التي تنجم عن الفضاء الإلكتروني إلى المناخ تتغير باستمرار، إذ إن خطة المرونة التي تصمم اليوم قد تكون غير كافية لمواجهة المخاطر الناشئة، ويجب أن تعتمد المرافق عملية تخطيط دينامية تشمل تحليل السيناريوهات، والتحديثات المنتظمة، ونشر التكنولوجيا المرنة، وهذا يتطلب ثقافة التحسين المستمر والاستعداد للاستثمار في البحث والتطوير.

توجيهات المستقبل بشأن قدرة غريد على التكيف

إدماج المواد المتجددة والمخزون

وتختلف مصادر الطاقة المتجددة مثل الرياح والطاقة الشمسية، ولكن عندما تقترن بمخزونات يمكنها توفير الطاقة النظيفة والقدرة على التكيف، وستتضمن الشبكات المستقبلية تسرباً عالياً من وحدات خفض الانبعاثات المعتمدة، مما يتيح الجزر على نطاقات متعددة، ويمكن لمصانع الطاقة البصرية التي تجمع بين شبكات الطاقة الشمسية والبطارية أن تحل محل توليد الدعم التقليدي.

اللامركزية وتجارة الطاقة بين الأقران

ويمكن لتكنولوجيات دفتر الأستاذ والسجلات الموزعة أن تمكن الأحياء من التجارة في الطاقة الشمسية الزائدة، وإنشاء شبكات مجتمعية مكتفية ذاتيا، وهذا النموذج يعزز القدرة على التكيف عن طريق الحد من الاعتماد على النقل المركزي، وتقوم المشاريع الرائدة في بروكلين وأستراليا باستكشاف الكيفية التي يمكن بها لأسواق الطاقة المحلية أن تعمل خلال حالات الفشل في الشبكات.

Resilience-as-a-Service

وبدأت شركات الأطراف الثالثة في تقديم حلول لمرونة أفرادها على أساس الاشتراك أو الإيجار، مثل نظم البطاريات المجتمعية أو المولدات الاحتياطية التي تتقاسمها عدة زبائن، مما يقلل من التكاليف الأولية للمالكين والأعمال التجارية الفردية وينشر المخاطر في مجموعة أكبر.

Climate Adaptation in Grid Planning

ويتزايد استخدام مخططي شؤون البيئة لنماذج المناخ في تحديد المخاطر المستقبلية - مثل ارتفاع مستوى سطح البحر وارتفاع درجات الحرارة وتغير أنماط العواصف - وإدماجها في إدارة الأصول الطويلة الأجل، وقد شجعت اللجنة الاتحادية لتنظيم الطاقة أصحاب النقل على إدراج بيانات المناخ في تخطيطهم، كما أن أدوات مثل مجموعة الأدوات لتحليل تغير المناخ () تساعد على تقييم أوجه الضعف في معهد بحوث الطاقة الكهربائية.

خاتمة

إن التخطيط للارتقاء لم يعد اختيارياً لتصميم الشبكات الحديثة، وهو أمر أساسي، فمع ارتفاع تواتر وكثافة الأحداث المعطلة، فإن قدرة الهياكل الأساسية الكهربائية على الصمود والتعافي بسرعة تحدد سلامة المجتمعات المحلية وحيويةها الاقتصادية، ومن خلال الاستثمار في إعادة التكرار، والهياكل الأساسية القوية، والتكنولوجيات الذكية، والتأهب للشبكات في حالات الطوارئ، والمرافق، ومشغلي الشبكات يمكن أن يقلل بدرجة كبيرة من أثر التجاوزات.