تحديات استقرار نظام الطاقة في مشاريع كهربة المناطق النائية

فالوصول إلى الكهرباء الموثوق بها ليس رفاهية وإنما هو عامل تمكين أساسي من التنمية البشرية، فهو يخول العيادات الصحية ويسمح للأطفال بالدراسة بعد حلول الظلام، ويقود الأعمال التجارية الصغيرة، ويربط السكان المعزولين بالاقتصاد الأوسع، وفي المناطق النائية والمناطق الواقعة خارج نطاق الشبكة، حيث يكون التوسع المركزي باهظ التكلفة أو مستحيلا من الناحية المادية، كثيرا ما تكون الوسيلة الرئيسية لتحقيق هذه الفوائد.

ووفقاً لما ذكرته الوكالة الدولية للطاقة، فإن تقرير تتبع مجموعة الـ 7() من الأهداف الإنمائية للألفية() لا يزال يفتقر إلى إمكانية الحصول على الكهرباء في عام 2022، حيث تتركز معظم هذه النظم في أفريقيا جنوب الصحراء الكبرى وفي آسيا النامية، حيث يعيش العديد من هذه الفئات في مجتمعات محلية بعيدة جغرافياً، ومجزأة عبر هامش السحب الضيق، أو تقع في مناطق جبلية لا تكون فيها حلولاً عادلة اقتصادياً.

تحديد قدرة نظام الطاقة على الاستقرار في البيئات غير الزراعية

إن استقرار نظام الطاقة الكهربائية هو قدرة الشبكة على الحفاظ على حالة توازن تشغيلي بعد أن تتعرض لاضطرابات مادية، وعلى العموم، فإن الكتلة الدوارة لمئات المولدات الكهربائية المتزامنة التي تدور في النسيج توفر عازلة طبيعية ضد التقلبات التواترية والفولطية، وقد يؤدي تغير الحمل المفاجئ أو الخطأ إلى حدوث تذبذب شديد، ولكن الاضطرابات الناجمة عن التكاثر في النظام

وتصنف الاستقرار عادة في ثلاثة مجالات مترابطة، يتجلى كل منها بشكل مختلف في شبكات ضعيفة ومنعزلة:

• ]Rotor angle stability] concerns the ability of coincidehronous machines to remain in coincidehronism after a disturbance. In a remote grid with even a single birth birth birth birth، a fault can cause the rotor to accelerate or decelerate relative to the system’s magnetic field. If the damping torque is insufficient-common in lightly loaded or poorly tu canthe.
• (ب) يعكس استقرار التردد التوازن الفعلي بين الجيل والطلب، فالنظم التي تهيمن عليها المنحرفات لا تكاد تكون متأصلة في التخلف، مما يعني أن معدل تغيير الترددات (RoCoF) بعد اختلال الطلب على الإمدادات يمكن أن يكون مرتفعاً للغاية، وبدون تخزين سريع أو رفوف للحمولة، فإن التردد يمكن أن ينهار بسرعة أكبر من أي حاكم آلي يمكن أن يستجيب له.
• Voltage stability] is the ability to maintain steady voltages at all buses within statutory limits. Long, radial feeders with high resistance, combined with poor reactive power compensation, are common in remote areas. A small increase in load can cause a disproportionate voltage drop, which in turn forces induction motors to draw more reactive current, further depressing voltage.

وفي مشاريع الكهربة عن بعد، تكون هذه الأنواع الثلاثة من الاستقرار متباعدة إلى حد بعيد، وكثيرا ما تتفاقم بسبب عدم وجود ربط قوي بشبكة أكبر، ويجب على المصممين والمشغلين أن يعاملوها لا كظواهر مستقلة بل كنظام مقترن يتطلب استجابة هندسية متكاملة.

التحديات المميزة في المناطق النائية

ولا ترث نظم الطاقة عن بعد مشاكل الشبكات الكبيرة على نطاق أصغر فحسب، بل تواجه تأثيرا فريدا وغير مغتفر في كثير من الأحيان على العوامل المادية والاقتصادية والبشرية التي تزيد من مخاطر عدم الاستقرار، ولا بد من فهم هذه التحديات بعمق لأي شخص يشارك في تصميم المشاريع أو تمويلها أو تشغيلها.

محدودية الترابطات والعملية الجزرية

فالشبكات الحضرية والصناعية تستفيد من شبكات واسعة النطاق من المحميات، وتوفر مسارات متعددة لتدفق الطاقة، وتتيح المساعدة المتبادلة أثناء حالات الطوارئ، وعادة ما تعمل الشبكة الصغيرة النائية في عزلة كاملة، أو في أفضل الأحوال مع وجود ترابط ضعيف في نظام جار، وهذا العزل يعني أنه لا يوجد فائدة خارجية لاستيعاب توليد الفائض خلال فترات الحمل الخفيفة أو لتقوية الطاقة عندما تكون الموارد المحلية قصيرة.

عدم كفاية القدرة على توليد الطاقة وقابلية الطلب

فمشاريع الفرز كثيرا ما تُقيد بميزانيات ضيقة، مما يؤدي إلى توليد القدرة على تلبية الطلب على ذروته المتوقعة، مع وجود هامش ضئيل إلى حد لا يُذكر للخطأ أو النمو، وقد يؤدي مولد الديزل الوحيد الذي يبلغ 50 كيلوفولت أمبير إلى خدمة قرية تضم 200 أسرة، ولكن البدء المفاجئ في استخدام مطحن للحبوب أو مضخة مياه يمكن أن يؤدي إلى حدوث تضخم في السحب دون تردد.

أوجه الضعف في الهياكل الأساسية للنقل والتوزيع

وكثيرا ما تتسم النباتات المادية لشبكة نائية بخطوط توزيع طويلة منخفضة الحركة تصطدم بأعباء كبيرة من التضاريس، والأحراج الكثيفة، والمستنقعات، أو عبر أجسام المياه، وتعاني هذه الخطوط من خسائر مقاومة كبيرة، مما يجعل الانقطاعات الفولطية شديدة في الطرف البعيد من المغذي، ولا سيما في ظل التحميل الشديد، وعدم استقرار الكورونا، وهبوط الموصلات أثناء العواصف، والارتباطلات المتطورة للحيوانات.

التوحيد والتجديد العالي

فإحكام البطاريات الحديثة يميل بشكل متزايد إلى التحلل الضوئي الشمسي والرياح الصغيرة لتقليل تكاليف الوقود، وانخفاض الانبعاثات، وتحسين استقلال الطاقة، مع أن هذه المصادر جذابة اقتصاديا وبيئيا، فإنها تستحدث درجة من التقلبات التي يمكن أن تزعزع استقرار شبكة الطاقة الشمسية، ويمكن أن تؤدي إلى ارتفاع معدلات التدفق من الطاقة الكهربائية بمعدلات تتراوح بين 60 و 80 في المائة في الدقيقة الواحدة.

الحد من رأس المال البشري والصيانة

فالخبرة التقنية هي أحد أضعف الموارد في المناطق النائية، إذ أن مشغلي النظام غالبا ما يكون لديهم تدريب رسمي محدود، كما أن روتينات الصيانة رد الفعل بدلا من الوقاية، وقد يؤدي فشل منظم للفولط في مولد الديزل إلى عدم تجديده لأسابيع لأن قطع الغيار تبعد مئات الكيلومترات، مما يرغم المولد على العمل في شكل يدوي مع ضعف الرقابة على الفولطية.

الحواجز الاقتصادية واللوجستية

وبالإضافة إلى ذلك، فإن المواقع النائية تؤدي إلى زيادة تكلفة كل ما يتم تسليمه من الوقود، ونقل المعدات، والخدمات الهندسية المتخصصة، ومخزون قطع الغيار، ويمكن تعطيل سلاسل إعادة الإمداد بالديزل بسبب الطقس الموسمي، أو سوء ظروف الطرق، أو الصراع المدني، مما يجعل المولدات الكهربائية متعطلة لأيام أو أسابيع، ونادرا ما تكون القطع المزروعة على أقساط، وتكلفة زيارة واحدة من المولدات الكهربائية التقنية التي تثبطت عن الكمبوطد الدخل الشهري.

آثار عدم الاستقرار في أماكن الإقامة

وتمتد آثار الإمداد غير المستقر بالطاقة إلى أبعد من إزعاج الأضواء المرنة، وفي عيادات الرعاية الصحية، يمكن للتخلّص المفاجئ من تبريد اللقاحات، وتخريب الأدوية المنقذة للحياة، وتقويض برامج التحصين، وتفقد أجنحة الأمومة معدات الإضاءة والرصد أثناء الإجراءات الحرجة، وتضع فيها الأرواح في خطر، وتضطر المدارس إلى إلغاء الفصول الدراسية والمختبرات الحاسوبية المسببة للتلف.

وعلى مستوى النظام، يمكن أن يتحول اضطرابات صغيرة إلى إخفاق متصاعد، بالنظر إلى وجود شبكة نائية تحدث فيها خطأ من خط إلى أرضي واحد على جهاز تغذية مكثف، وإذا فشلت الحماية في عزل الخطأ بسرعة، فإن الفشل الحاد في إنتاج السيارات عبر الشبكة قد يؤدي إلى توقف، مما يؤدي إلى حدوث انخفاض كبير في المولدات الكهربائية، مما يؤدي إلى زيادة انخفاض حجم المولدات الكهربائية إلى حد ما

استراتيجيات تعزيز الاستقرار

ويتطلب بناء نظام ثابت للطاقة في منطقة نائية وجود دفاع مطبق: التصميم المادي القوي، والرقابة الذكية في الوقت الحقيقي، والعنصر الإنساني المدرب تدريبا جيدا، ولا يكفي أي تدبير واحد، وتأتي أفضل النتائج من نهج متكامل، وتتيح الاستراتيجيات التالية، المستمدة من المشاريع الناجحة في جميع أنحاء العالم، خريطة طريق عملية للممارسين.

Energy Storage Integration for Inertia Buffering

كما أن نظم تخزين الطاقة في البطاريات هي أكثر التكنولوجيات تحولاً لتحسين الاستقرار في المناطق النائية من المناطق المتجمدة، ويمكن أن تؤدي البطاريات التي تستخدم فيها البطاريات التي تستخدم فيها الفلور أو الارتفاع في الطاقة في غضون ثواني، مما يؤدي إلى نقل القدرة بصورة فعالة إلى الاستجابة غير المباشرة لآلة التناوب.

نظم المراقبة المتقدمة وتكنولوجيات الجريمتين الذكية

إنَّ مركز التحكم الحديث في الأحواض الصغرى يُدمج توقعات توليد الطاقة، وتوقعات الحمل، وتقديرات الدولة في الوقت الحقيقي لتحقيق الإرسال الأمثل والحفاظ على الاستقرار في مرحلة ما قبل التشغيل، مثلاً، يمكن لجهاز التحكم أن يُقلل من الناتج الشمسي إذا كان هناك انخفاض كبير في حجم الشحنات، بدلاً من انتظار الإفراط في إرسالها إلى مواقع الحماية.

الربط بين الأزواج والمدن - غريد

وفي الحالات التي تسمح بها الجغرافيا والاقتصاد، يمكن أن يؤدي ربط الحجاجات الصغيرة المجاورة بمجموعات أو شبكات صغيرة إلى تحسين الاستقرار بشكل كبير، إذ أن الترابط يقلل من الإخفاق الفعال الذي تشهده أي حمولة واحدة، ويتقاسم الاحتياطيات عبر المجموعة، ويتيح تصدير فائض الطاقة المتجددة بدلا من تقليصه، ويمكن لمجموعة من خمسة أحفاد صغيرة، مثلا، أن تجتاز بصورة جماعية فشلا كبيرا في توليد الطاقة في قرية واحدة، وذلك باستيراد مصادر الحماية من غيرها.

نظم توليد الطاقة الهجينة وتنبؤ الموارد

لا توجد تكنولوجيا واحدة هي رصاصة فضية، نظام هجين مصمم جيدا يوازن بين إمكانية إرسال مصادر مثل الديزل أو الديزل أو الهيدرولوجيا الصغيرة بتكلفة التشغيل المنخفضة للطاقة الشمسية والريحية، والمفتاح هو ضخ النظام ليس فقط لمتوسط الطاقة ولكن لتصليح الطلب والأحداث الطارئة، ويمكن للتنبؤ بالأشعة الشمسية، باستخدام كاميرات محركة كلي أو بيانات ساتلية، أن يوفر ما يتراوح بين 10 و 15 دقيقة من التحذير قبل بدء تشغيلي حاد

بناء القدرات وتنمية القوى العاملة المحلية

ويجب أن تكون التكنولوجيا مقترنة مع أشخاص يمكنهم العمل والتشخيص وإصلاحها، وينبغي أن تشمل برامج التدريب الشاملة، التي تُنجز في إطار شراكة مع معاهد تقنية محلية، أصولاً من النظرية الكهربائية، وتنسيق الحماية، والبرمجة اللافترية، وإدارة البطاريات، ويمكن للمصانع تصميم معدات تُسوَّق في كثير من الأحيان على أنها " خالية من الإعالة " ، ولكن الواقع هو أن جميع النظم تحتاج إلى اهتمام دوري.

الأطر السياساتية والتنظيمية التي تدعم الاستقرار

فالحكومات والوكالات الإنمائية تؤدي دورا تمكينيا بالغ الأهمية، إذ يمكن أن تتفادى المعايير التقنية المتعلقة بالاستقرارات الدنيا - التي تحدد الحد الأدنى للتواتر والارتفاع بالفولاذ، والحدود المقبولة لإطار التمويل الشامل، والأوضاع التي توفر الحماية، والتزامات الإبلاغ - تحديد خط الأساس للجودة عبر القطاع، ويمكن أن تتيح للأجهزة التنظيمية هياكل تعريفية تسترد أعلى تكلفة للنظم المستقرة، مثل عدم وجود نظام توجيهي في قاعدة الأسعار أو السماح لربط بين الجهات المعنية بتوليد الطاقة.

تحسين الإدارة الوقائية وإدارة التخلف

فتحسين الحماية هو في كثير من الأحيان أكثر التدخلات فعالية من حيث التكلفة، إذ أن رد الصمامات إلى أجهزة الاستجمام والتأخر في الاتجاه على المغذيات الطويلة يمكن أن يعزل الأخطاء بسرعة ويعيد الخدمة تلقائياً إلى الأخطاء المؤقتة، فحماية خطأ الأرض، التي كثيراً ما تكون غير موجودة في نظم بسيطة، تحول دون حدوث أخطاء عالية في التوليد إلى نقص في الإنفاق التدريجي.

التخطيط التشغيلي والتحكيم الديناميكي

فالقابلية للاختزال ليست مجرد شاغل تشغيلي في الوقت الحقيقي؛ بل يجب أن تُعدّ في النظام منذ البداية؛ وينبغي للمطورين أن يُجريوا دراسات محاكاة دينامية باستخدام أدوات مثل مخططات " بيغ سيفند " أو " بي سي دي سينغ " في سيناريوهات الحماية الأولية، وأن يُصبحوا مُعدّلين في تصميمات مُعدّلة غير مُستقرة، و " .

التطبيقات العالمية الحقيقية وقصوات النجاح

وتوضح عدة مشاريع حديثة كيف يمكن للتصميم الذي يركز على الاستقرار أن يحول الكهربة عن بعد من تجربة هشة إلى أصول دائمة، وهذه الأمثلة المستمدة من مختلف الرسوم الجغرافية والمقاييس، توفر دروسا عملية يمكن تكرارها.

في ولاية أوتار براديش الهندية، شراكة بين مطور خاص وفائدة الدولة نشرت 200 كيلو فولط من الطاقة الشمسية - الميكروفية التي تخدم مجموعة من خمس من المهورين غير المكتشفة سابقاً، وجهاز تخزين الطاقة الكهربائية المستقرة، مقترنة ببطارية سعة 400 كيلوواط - إيون، التي أزالت تقلبات التجهيزات الكهربية التي كانت تحرق في السابق شركات الأزهار.

وثمة حالة أخرى مفيدة من الهجينات الخارجية في اسكتلندا، حيث قامت شبكات الكهرباء الاسكتلندية والجنوبية بتجربة بطارية واحدة من طراز MW، ومتحكم متقدم في الشبكة الجزرية الصغيرة ذات التغلغل الريحي المرتفع، كما أن النظام الموثق من قبل ] TMONGLT)( )(((((((((((((((((((((((((((((((((((((

وفي أفريقيا جنوب الصحراء الكبرى، جمع مشروع " رواندا " للقابلية للتأثر بالطاقة الشمسية مع نظام ممتد على نحو مستهدف من المناطق الصغيرة في المناطق التي تبرر فيها كثافة الحمل الاستثمار، كما أن أصغر شبكة في الحافظة، وهي مجموعة شمسية تبلغ 30 كيلوواطاً، وتحتوي على بطارية تبلغ 60 كيلوواطاً، قد صُممت بآلية غير متطورة للمضخات المائية - وهي تدبير استقرار بسيط وفعّل للغاية يحول دون توليد الطاقة الكهربائية

النظر إلى الرأس: مستقبل متجدد للسلطة عن بعد

ولا يشكل التصدي للاستقرار في مجال الكهربة عن بعد حلاً واحداً يمكن التحقق منه من خطة مشاريع، بل هو عملية مستمرة للتكيف والتعلم والاستثمار، ونظراً لأن تكاليف المكونات لا تزال تسقط، وتتحول إلى انحرافات، وأجهزة اتصال، فقد أصبحت جميعها أكثر تكلفة بكثير على مدى العقد الماضي، ومع زيادة إمكانية الوصول إلى منابر المراقبة الرقمية، فإن الأدوات اللازمة لبناء نظم مستقرة أصبحت في متناول اليد، غير أنها لن توزع أصحاب المصلحة على نحو متضافر.

وتعتمد المجتمعات المحلية التي تستفيد من مشاريع الكهربة عن بعد على المهندسين والمخططين وصانعي السياسات الذين يتطلعون إلى ما هو أبعد من مجرد قياس للوصلات الجديدة، ولتوليد الكهرباء التي يمكن الاعتماد عليها حقاً، بعد يوم وسنة بعد عام، ويُعتبر استقرار نظام الطاقة الأساس غير المرئي الذي تقوم عليه جميع الفوائد الأخرى من كهربة السكان، وبدونه، قد تتطور الأضواء بشكل موجز، ولكن التقدم سيتوقف، إذ يمكن للمناطق النائية أن تحقق أخيراً الوعد بتحسن نوعية التعليم.