بـاء - اعتبارات استقرار نظام الطاقة في تصميم المدن الذكية في المستقبل

وتعتمد المولدات الكهربائية المتقاربة على الاستجابة غير المباشرة لأن كتلتها الكبيرة التي تقاوم تغيرات التواتر، وتشتري ثوان حرجة لمراقبة الترددات الأولية لتنشط، ولا تسهم نظم الاختراق، إلا إذا برمجت بشكل صريح مع حلقات التحكم في الاضطرابات الاصطناعية، في حدوث تغيرات في مستويات الارتداد، كما أن هذه المدن التي لديها تذبذبات شديدة في المستقبل قد تشهد معدلاً من التواتر (RoCoF) أعلى بكثير من القيم التقليدية التي واجهتها الشبكة قبل 60 سنة.

عدم الاستقرار في غياب المصادر القوية

وقد اعتمد استقرار التقلبات تقليديا على قدرة الأجهزة المتزامنة على توفير الطاقة الرجعية للشبكة والحفاظ على مرجع للفولط المكشوف، ويمكن أن توفر أجهزة إعادة البناء دعما تفاعليا من خلال ضوابط متطورة لللافتات، ولكن هذه القدرة محدودة من خلال ما يُقدر على استخدامه من حيث الحجم الحالي ومن حيث توافر الطاقة من جانب البلدان النامية، وفي شبكات التوزيع الحضرية التي تتسم بارتفاع معدل التقلبات الشمسية وارتفاع حجم الفولطية خلال فترات التوليد المتوسطة(18).

The New Disturbance Landscape in Urban Environments

التوليد المتقطع والتوازنات المكانية

(أ) الطاقة المتجددة ضرورية لتطهير الكربون، ولكن تقلبها يُطرح تحديات تتعلق بالاستقرار المؤقت والمكاني، ويمكن أن يؤدي مصرف السحابي الذي ينتقل إلى تركيز كثيف من الألواح الشمسية التي تعمل على سطح الأرض إلى انخفاض مفاجئ في عشرات الميغاوات خلال ثواني، مما يؤدي إلى إحداث خسائر فورية في محطة توليد الطاقة متوسطة الحجم.

:: إن اختلالات المكان تضيف بعدا آخر من أبعاد التعقيد، إذ أن مراكز المدن الكثيفة ذات المساحة المحدودة السطحية قد تعتمد على المزارع الشمسية النائية أو الحدائق الهوائية المرتبطة بممرات الانتقال الطويلة، وفي هذه التشكيلات، يصبح الاستقرار وظيفة من وظائف نظام النقل والقدرة على الحفاظ على التزامن عبر مسافات كبيرة، كما أن التفاعلات في مجال الرقابة الفرعية بين محولات التربينات الريحية وخطوط نقل الطاقة الكهربائية المجهزة بالسلاسل قد وثبطأتها في أحداث حقيقية

التوليد الموزع وخط نظام القوة

The rise of the prosumer-buildings that concur consume and produce electricity-fundamentally alters urban grid topology. instead of unidirectional power flow from transmission substations to end users, electricity now moves bidirectionally on feeders that were never designed for reverse flow. This creates two significant protection problems:protection blinding

(أ) قوة الشبكة [التي تحافظ على نوعية الموجات الفولطية أثناء الاضطرابات - التقليدية تأتي من ارتفاع الخطأ في المساهمة الحالية للآلات المتزامنة، حيث أن هذه الأجهزة تتقاعد وتستبدلها المستويات الحالية، مما يجعل الشبكة أكثر عرضة للتشويه الناجع للشبكة، ومشعلة الفولط، وعدم الاستقرار العابر للحدود، ويجب على المدن الجاهزة أن تزيد من بناء الهياكل الأساسية المتزامنة لزيادة الاصطناعية

تكامل المركبات الكهربائية وخزن اللوازم

ومن الملاحظ أن كهربة النقل تشكل أكبر فئة جديدة من فئات الحمولة يجب أن تستوعبها المدن الذكية، حيث يمكن أن تسحب محطة واحدة للشحن السريع للحافلات الكهربائية أكثر من 350 كيلوواط؛ وقد يجمّع مستودع الأسطول عدة ميغاوات، وبدون تنسيق الجدول الزمني، تسبب هذه الحمولات في حدوث اضطرابات مفاجئة في الترددات وفي تحميل المحولات المحلية أثناء ساعات الذروة المسائية.

وتوفر تكنولوجيا المركبات إلى الشبكة مصدراً قوياً لدعم الاستقرار: فأسطول موزع من بطاريات المركبات الكهربائية يمكن أن يستوعب الجيل الزائد من الطاقة أثناء الإفراط في الإنتاج أو الحقن أثناء العجز، غير أن V2G يستحدث مشكلة رقابة معقدة تشمل عدم القدرة على الاتصال، والمبادلات بين شبكات الترددات، وأجهزة التغاضي عن موافقة المستهلك، ويمكن أن يتسبب سوء تصميم بروتوكولات إرسال المركبات من طراز V2G في تزامن بين آلاف

أمن الفضاء الإلكتروني كa دافع إنفاذ الاستقرار

وعندما تتحول آليات الاستقرار من عدم القدرة على التحكم في المواد المادية إلى حلقات المراقبة الرقمية، يصبح الأمن السيبراني بعد الاستقرار الأولي بدلا من التفكير في تكنولوجيا المعلومات، ويتسبب المهاجم الذي يتلاعب بنقاط اللافتر أو يقيس مقاييس زائفة في نظام مراقبة مجمّع البطاريات في إحداثيات اصطناعية، في حدوث موجات من أجهزة التثبيت الرقمية المحتوية على سحابة.

مؤسسة التكنولوجيا لمدينة سمارت

تخزين الطاقة كهيكل أساسي للشبكة

ولا توجد تكنولوجيا واحدة تسد الفجوة بين الاستقرار التقليدي والمستقبل الذي يهيمن عليه الغواصات أكثر فعالية من تخزين الطاقة، ويمكن لنظم بطارية الليثيوم التي تنشر في وحدات نموذجية ومحمولة في مواقع فرعية استراتيجية أن توفر استجابة سريعة في الألف ثانية - أسرع بكثير من الاحتياطيات الأولية من النباتات الحرارية، وعندما تكون مجهزة بأجهزة متزامنة افتراضية، فإن هذه النظم تؤدي إلى عمليات تطهير متزامنة

:: زيادة تعزيز القدرة على التكيف في حافظات التخزين المتعددة التكنولوجيا، وتُعتبر البطاريات المتدفقة، التي تُحدَّد فيها الطاقة وتُقيَّد الطاقة، مناسبة تماماً لدعم الفولطية الطويلة الأجل وتطبيقات الحلق القصوى، وتُهدد شبكات تخزين العجلات العالية الدراجة في المناطق الحضرية ذات السعة الصغر، وتُحدِّد أشكال التخزين الحراري المدمجة مع شبكات التدفئة المحلية من حمولات الحرارية.

المحتالون ونموذج المراقبة الجديدة

فالغير، الذي كان تاريخياً مجرد محول من DC-to-AC، يتطور إلى الجوهر الحسابي للشبكة الموزعة، حيث أن المحاورين الذكيين الحديثي العهد بالإنفاق مع التعليم الدولي الخاص بالفترة 1547-2018 يقدمون مهام دعم الشبكة بما في ذلك مراقبة الغلاف الجوي، وغسل الترددات، وعدم الاستقرار المنخفض والعالي المدى، غير أن هذه الإشارات الخفيضة المصممة للوصل الشبكي تتوقف على وجود اضطراب ثابت.

وتمثل المحاصد التي تعمل على إنتاج الطاقة الحيوية تحولاً في التحكم في شبكات الطاقة الكهربائية، وهي تعمل بنشاط على إنشاء قدرة على الضخ وتواترها، مما يتيح للمجموعات الصغيرة في الجزر أن تعمل بشكل مستقر دون أي مولدات كهربائية متزامنة، كما أن مشاريع التضليل في المدن، بما فيها آتشن، ألمانيا، وجامعة تسمانيا، أستراليا، قد أظهرت أن هناك خطوات مصغرة لا تتردد في مجال تحديد النطاقات يمكن أن تحافظ على حزمتها

التوائم الرقمية والرصد الواسع النطاق - الإقليمي

فالقابلية للملاحظة شرط أساسي لإدارة الاستقرار النشط، إذ ستزود المدن الذكية المقبلة بشبكاتها بوحدات قياس متحركة تقدم قياسات متزامنة دون الثانية للفولط والعجلات الحالية في جميع المناطق الواسعة، وتستفيد هذه البيانات، مع الهياكل الأساسية المتقدمة للتعدين، من برامج قياسية رقمية ذات طابع بيئي للشبكة المادية التي تدار في الوقت الحقيقي.

ويمكن أن تؤدي نماذج التعلم المستمد من الاختبار إلى زيادة هذه القدرات من خلال أنماط التعلم من البيانات التاريخية التي قدمتها وحدة التفتيش المشتركة للتنبؤ بالقرب من انهيار الفولط أو عدم الاستقرار الافتراضي، ويمكن أن تصنف نماذج الفشل في النظام الافتراضي في استخدام الطاقة الافتراضية، مما يوفر الإنذار المبكر بالطرق المتردية التي يمكن أن تنمو في أحداث على نطاق المنظومة، غير أن التحكم في الاضطرابات القائمة على أساس التعددية يُحدث مخاطره على الاشراف على الاصطروح.

مرونة الطلب والمستهلك النشط

فالبناء والعمليات الصناعية لم تعد حمولات سلبية ولكن المشاركين النشطين في إدارة الاستقرار، ومن خلال الاستجابة الآلية للطلب، يمكن أن تحد نظم إدارة المباني الكبيرة من الحمولات غير الأساسية في غضون ثوان من انحراف الترددات، وتوفر احتياطيا للترددات السريعة يعادل احتياطيات الدوار التقليدية، ويمكن للأجهزة الذكية المجهزة بمراقبي الطلب الدينامي أن تخفف تلقائيا، وتعلق تشغيل مبردات الترددات العالية، أو تعطل رسوم الأشعة فوق البنفسية دون أي تدخل بشري.

وتكفي المعلومات الاستخبارية عن طريق نظام غريد-دج هذه القدرات بنشر أجهزة مراقبة محلية في وحدات فرعية ثانوية تجهز البيانات من أجهزة مترية وأجهزة محايدة لإرسال الطاقة الاستباقية أو لتقليص توليد الطاقة في الثانية من دون انتظار تعليمات مركزية للمشغلين، وتُجري تجربة نظم الطاقة التفاعلية التي تُعرض فيها أجهزة العرض والتفاوض بشأن استهلاك الطاقة في الوقت الحقيقي باستخدام تكنولوجيا دفتر الأستاذ الموزعة في المناطق الحضرية بما في ذلك بروكلين ونيويورك وتحدي في تايلند.

تصميم الاستقرار من التخطيط الأولي من خلال العمليات

التخطيط العام المتكامل للمناطق الحضرية - الطاقة

ولا يمكن إعادة هيكلة الاستقرار إلى مدينة مصممة دون النظر فيها، إذ أن أكثر المدن قدرة على التكيف في المستقبل ستشترك في توليد الطاقة وتخزينها وعبء مرن في إطار حلقات التوزيع المتوسطة الحجم نفسها، مما يؤدي إلى تقليل حالات الاعتماد على النقل التي تُحدث مواطن ضعف في الاستقرار، ويجب على المخططين الحضريين العمل جنبا إلى جنب مع مهندسي شبكات الطاقة من مراحل التصميم الأولى إلى تحديد مناطق لمراكز البيانات، مما يمكن أن يوفر مرونة في مجال بناء القدرات الشمسية، بالقرب من المزارع الشمسية.

الهندسة المعمارية والجزرية

ويعزز الاستقرار على نطاق المدينة عندما تقسم شبكة التوزيع إلى شبكات صغيرة مكتفية ذاتيا قادرة على التسويق المتعمد خلال الاضطرابات التي حدثت في أعلى المجرى، وقد استولت الجامعات والمقاطعات الطبية على هذا النهج، ولكن المدن الذكية في المستقبل ستمتد إلى قطع سكنية وممرات تجارية، ويكمن التحدي في تصميم نقاط اتصال موحدة تمكّن من استعادة القدرة على إحداث الانقلاب دون أن تُعدّل في مواقع الشحن الجوي (BIes-achiev)

آليات السوق التي تعوض عن خدمات الاستقرار

فالتكنولوجيا وحدها غير كافية؛ ويجب أن تقدر أسواق الكهرباء خدمات الاستقرار على النحو المناسب، وقد عوضت أسواق الخدمات المساعدة التقليدية مولدات كبيرة عن تنظيم الترددات والقدرة الاحتياطية الأساسية، وفي مدينة ذكية، يمكن للعديد من الموارد الموزعة أن توفر هذه الخدمات على نحو أكثر كفاءة، ولكنها تتطلب قواعد سوقية تسمح بالتجميع، وتضع حدا أدنى من حجم العطاءات، وتتيح فترات التعبئة السريعة.

Lessons from Pioneering Smart City Implementations

وقد بدأ بالفعل الانتقال إلى شبكات ذكية واعية للاستقرار في عدة مواقع رائدة، حيث أن مشروع كوبنهاجن للطاقة اللب نوردهافن المتكامل في مجال التدفئة في المناطق، والتشغيل الآلي للبناء، وسوق الكهرباء المحلية، لإثبات كيف يمكن أن تعمل منطقة حضرية في المستقبل باستخدام الطاقة المتجددة بنسبة 100 في المائة مع الحفاظ على الفول والتواتر في حدود صارمة، وكشف المشروع أن الاضطرابات الحرارية في المباني قد وفرت آثارا عازلة هائلة غير مستعملة يمكن أن تستوعب تقلباتها دون تردد.

وقد استثمرت سنغافورة، التي تعاني من شح الأراضي الشديد، استثمارا كبيرا في توأم رقمي شامل لشبكة الطاقة التابعة لها، فبتحفيز آثار التغل الشمسي المرتفع على قوة النظام، حددت دول المدينة اختناقات الاستقرار في وحدات فرعية محددة ونظم تخزين هجينة ثابتة بشكل استباقي، وتحتاج هيئة سوق الطاقة الآن إلى جميع المنشآت الشمسية الجديدة لدعم وظائف الشبكات المتقدمة، مما يعرقل بفعالية الشبكة الحضرية ضد 2030 هدفا من أهداف النشر.

وفي الأمريكتين، أبرز مشروع بروكلين ميكروغريد البعد الاجتماعي التقني للاستقرار: فقد أدى الاتجار المحلي من الأقران إلى خلق مجتمع يشارك مشاركة نشطة في موازنة الشبكات وتحويل المستهلكين إلى جهات فاعلة مدركة للاستقرار وتدرك قيمة مساهمتهم، كما أن احتياطي الطاقة من القرنية في جنوب أستراليا - حجم 150 مليون ليغاوات، 193.5 مليون ليرة هاغاوات.

تشحن الطريق إلى الأمام

ولا يشكل استقرار المدن الذكية في المستقبل مشكلة يمكن لأي كيان بمفرده أن يحلها بمعزل عن الآخر، بل يتطلب تعاوناً عميقاً ومستمراً بين مهندسي نظم الطاقة، ومعماريي شبكات الاتصالات، والمخططين الحضريين، وأخصائيي الأمن السيبراني، والهيئات التنظيمية، وتقوم المنظمات الدولية، بما فيها مركز البحوث البيئية الدولية وجمعية الطاقة التابعة للشبكة الدولية للطاقة، بوضع مبادئ توجيهية تقنية مستكملة تعالج استقرار النظم التي تستخدم الشبكة اللافتية؛ وينبغي للمدن أن تعتمد هذه المعايير الناشئة في وقت مبكر وأن تطبقها باستمرار.

وينبغي أن تتحول أولويات الاستثمار من مجرد بناء قدرة على توليد الطاقة المتجددة لبناء بنية أساسية ذكية للتخزين والمراقبة والاتصالات تجعل هذه القدرة مستقرة، وينبغي توجيه التمويل الحكومي ورأس المال الخاص نحو توجيه المشاريع الصغيرة الحجم على نطاق الحي، ووضع بروتوكولات اتصال آمنة لتطبيقات الرقابة الموزعة، وتدريب قوة عاملة متقلبة في كل من نظام الطاقة الأساسي وعمليات الأمن السيبرانية - الفيزيائية في الوقت الحقيقي.

وفي نهاية المطاف، فإن مدينة ذكية مستقرة هي مدينة لا تزال الكهرباء غير مرئية لمواطنيها - وهي موجودة دائما في حدود ما هو محدد من التسامح في الجودة، وهي مدينة يمكن الاعتماد عليها دائما، إذ إن تحقيق عدم القدرة على التحمل يتطلب جعل الاستقرار المعيار المركزي وغير القابل للتفاوض في التصميم من أول مخطط تخطيطي، إذ إن الأخذ بأجهزة إلكترونية لا تُعد صيغاً ذات مصداقية في مجال الطاقة الحضرية، والتخطيط المتكامل في مجال الاستدامة الحضرية، والأسواق التي تكافئ على نحو ملائم خدمات المرونة،