تصميم نظم الطاقة الميسرة المناخ تغيير التكيف

The Growing Imperative for Climate-Resilient Energy Infrastructure

إن تغير المناخ لم يعد تهديدا بعيد المنال؛ بل إنه يعيد تشكيل أنماط الطقس، ويكثف العواصف، ويدفع شبكات الطاقة إلى نقطة الانهيار، ومن انقطاع عواصف تكساس في الشتاء إلى عمليات الإغلاق المتصلة بالنيران البرية في كاليفورنيا، فإن الكوارث الأخيرة قد كشفت عن هشاشة نظم الطاقة المركزية، وقد أصبحت تصميم نظم الطاقة التي يمكن أن تتنبأ وتستوعب وتسترد بسرعة من التعطلات التي تحركها المناخ أولوية حاسمة بالنسبة لمقرري السياسات والمرافق والمجتمعات المحلية على حد سواء.

ويكمن التحدي الأساسي في تحقيق التوازن بين الموثوقية والاستدامة، إذ أن الهياكل التقليدية للشبكات تعطي الأولوية للكفاءة وخفض التكاليف، وغالبا ما يكون ذلك على حساب المرونة، ويتطلب التكيف مع المناخ تحولاً في النموذج: يجب أن تكون النظم لا مركزية ورقمية وتنوعاً، ووفقاً لمبادرة تحديث أسعار الطاقة التي ستُنفذ في العقد المقبل، فإن الهياكل الأساسية الناشئة التي تقترن بزيادة في عدد الحالات التي تتطلب فيها زيادة عدد الحالات القصوى.

Defining Resilience: Beyond Reliability

فالتسهيل يمتد إلى أبعد من مقاييس الموثوقية التقليدية مثل نظام SAIFI (مؤشر التردد المتوسط في الترددات) أو مؤشر فترة التداخل (System متوسط متوسط العمر المتوقع)، في حين أن تدابير الموثوقية تُنفذ في ظروف عادية، فإن القدرة على التكيف تعالج قدرة النظام على العمل خلال الأحداث الاستثنائية، ويمكن أن يعزل الحد الأدنى من الضرر، ويُعاد استخدام الطاقة الخارجية، ويحافظ على الخدمات الحيوية، ويعيد التشغيل الكامل.

ويستخدم المهندسون الآن إطار " المثلثات المقاومية " : منع الضرر، واستيعاب الصدمات، والتعافي السريع، وهذه الركائز الثلاث تسترشد بقرارات تصميم من اختيار العناصر إلى هيكل الشبكة، وعلى سبيل المثال، يمكن للزجاج المجهري أن ينزلوا أنفسهم من الشبكة الرئيسية أثناء إطلاق النار البرية، باستخدام الطاقة الشمسية المحلية وتخزين البطاريات لإبقاء المستشفيات وخدمات الطوارئ تعمل في حين تغلق الشبكة المحيطة من أجل السلامة.

الكمية للارتقاء بالمقاييس المتقدمة

(ج) تساعد مقاييس جديدة مثل نظام تقييم مدى القدرة على التكيف، ونظام تقييم القدرة على التكيف (مؤشر القدرة على التكيف بين الأوبئة) المخططين على تقييم مدى قوة النظام، وتقيِّم هذه الأدوات عوامل مثل تنوع الوقود، والقدرة على التخزين، وقدرات رفوف الحمل، وقد وضع مختبر الطاقة المتجددة الوطني نماذج مفتوحة المصدر تُحاكي كيف تؤثر السيناريوهات المناخية المختلفة على أداء نظام الطاقة، مما يمكّن المجتمعات المحلية من [FLT:]

مؤسسة الهندسة المعمارية لنظم الطاقة المتجددة

وتشكل خيارات التصميم المادي العمود الفقري لاستراتيجيات التكيف مع المناخ، وتستند نظم المرونة الحديثة إلى ثلاثة مبادئ هندسية أساسية: النمط والتنوع والتحكم.

التوليد المتنقل والتوليد الموزع

وتخلق محطات توليد الطاقة المركزية نقاطاً واحدة من الفشل، وتوزع موارد الطاقة، وتمزقات الرياح الصغيرة، ووحدات الحرارة والطاقة المشتركة، وتوليد خلايا الوقود عبر مواقع متعددة، وهذا النظام يعني أن الأعاصير التي تدمر مزرعة شمسية واحدة تترك عشرات من غيرها من العمليات، وقد أثبت برنامج إنرجويند الألماني أن توليد الكهرباء الموزعة يمكن أن يوفر ما يزيد على 40 في المائة من مجموع الكهرباء في الوقت الذي يحافظ فيه على استقرار الشبكات.

Energy Diversity as a Climate Hedge

فالاستناد إلى مصدر طاقة واحد يدعو إلى الفشل الكارثي عندما يعطل هذا المصدر، وقد تشمل حافظة متنوعة الطاقة الشمسية لأيام مشمسة، والرياح من أجل الطقس العاصف، والطاقة الكهرمائية اللازمة للكميات الثابتة، والغاز الطبيعي أو الهيدروجين من أجل القدرة على الذروة، فشبكة أيسلندا مثلاً تجمع بين الطاقة الحرارية الأرضية، والهيدرويد، والرياح من أجل تحقيق التغلّد المتجدد تقريباً والموثوقية الاستثنائية.

التحكم من خلال تكنولوجيات الجريمه الذكية

وتتطلب القدرة على التكيف في الوقت الحقيقي، والاستجابة الآلية، وتستخدم شبكات الذكاء وحدات قياس العجلات، والهياكل الأساسية المتقدمة للتكييف، ونظم المراقبة الموزعة لرصد صحة الشبكة وتعديل البارامترات فورا، وخلال مكوك قوة السلامة العامة في كاليفورنيا في عام 2019، انخفضت المرافق التي تستهلك فترات انقطاع تشغيل الشبكة بنسبة 30-5 في المائة مقارنة بالتي تعتمد على التحول اليدوي.

تخزين الطاقة: مضاعف القدرة على التكيف

وتسد نظم التخزين الفجوة بين توليد الطاقة المتجددة المتقطع والطلب المستمر، غير أن التخزين المكيف مع المناخ يجب أن يتجاوز البطاريات البسيطة لليثيوم، كما أن التخزين المتعدد ساعات، بما في ذلك الهيدرو المضخة، والهواء المضغط، وبطاريات التدفق، يوفر الدعم للظواهر الجوية المتعددة الأيام، كما أن التخزين الحراري في أملاح متحركة أو مياه باردة يدعم أيضا التحميلات الحرارية والتبريدية، مما يقلل من الإجهاد الكلي للشبكات.

محميّة (أرنبزديل) في أستراليا، التي تضمّن 150 ميغاواط/194 ميغاواط، قد أثبتت كيف يمكن للتخزين أن يستقرّ شبكات خلال الموجات الحرارية، استجابة لتقلبات التردد في الثانية، وقد أنقذ المرفق المستهلكين أكثر من 150 مليون دولار في السنوات الثلاث الأولى بمنع الإغماءات، وتقليل الاعتماد على محطات القمم الغالية المكلفة، وخلق نظم مرنة حقيقية، تخزين على مستوى المجتمع المحلي (الجار).

Sizing Storage for Climate Extremes

ويفترض التخزين القياسي أنماط الطقس المعتادة، ولكن التكيف مع المناخ يتطلب "تعذيب السيناريوهات الخارجية". ويستخدم المهندسون بيانات نموذجية للمناخ لتحفيز تسلسلات أسوأ الحالات: ثلاثة أيام متتالية من الغطاء السحابي أثناء موجة حرارية، أو عواصف جليدية تقلل في آن واحد من الإنتاج الشمسي وتزيد الطلب على التدفئة الكهربائية، ويفضي هذا النهج إلى منشآت تخزين أكبر، ولكن تضمن بقاء الحمولات الحرجة في الطاقة حتى في الأحداث المركبة.

هضـع البنى التحتية لمكافحة التهديدات المادية

وفي حين أن برامجيات وبرامجيات وهياكل النظم تحسن القدرة على التكيف، فإن الإجهاد المادي يظل أمرا أساسيا، وكل خطر من مخاطر المناخ يتطلب تدابير مضادة محددة.

Flood and Storm Surge Protection

وكشف إعصار ساندي أن كون كون ديسون مدينة نيويورك كان لديه 30 في المائة من فروعها في مناطق الفيضانات، وردا على ذلك، فإن المرافق ترتفع الآن في المنصات، وتضع مساحات مضادة للمياه، وتضع ضوابط حرجة فوق مستويات الفيضانات المتوقعة، وقد قامت هولندا بدور رائد في إنشاء مزارع شمسية وكابلات طاقة غواصة

مدى القدرة على التكيف

فالأدوات التي تعمل بكفاءة أقل عند درجات الحرارة المرتفعة، بينما يمكن لتراكم الجليد أن يقطع خطوط الطاقة، وتشمل الحلول تركيب نظم تبريد للمتحولين، باستخدام الكابلات ذات التمرين العالي والتي تستهلك الكفاءة في الموجات الحرارية، ونشر مواد للتغير التدريجي التي تستوعب الإجهاد الحراري، وفي ألاسكا، تستخدم المرافق موصلات مسخنة تقاوم التكسير، وتخفض الفشل في خطوط الشتاء.

منع الحرائق البرية والتكيف معها

مرافق كاليفورنيا انفقت مليارات على تخفيف حرائقها البرية: حفز الموصلات وزيادة إزالة النباتات ونشر أجهزة كهرباء سريعة للتحرك التي تزيل خطوطها في غضون ثوان من اكتشاف الأخطاء، وقطع الكابلات تحت الأرض، وبالرغم من تكلفتها (1-2 مليون دولار لكل ميل) يزيل مخاطر الإشعال بالكامل، وتسببت أبراج جديدة من المواد المركبة في مقاومة الأضرار الناجمة عن الحريق أكثر من الصلب التقليدي(21).

Microgrids and Community Resilience

وتمثل هذه الشبكات الصغيرة أكثر أشكال التصميم قدرة على التكيف، ويمكن أن تعمل بشكل مستقل عن الشبكة الرئيسية، وتوفر الطاقة للمرافق الحرجة أثناء فترات انقطاع المياه في المناطق الواسعة، وتصبح المستشفيات ومراكز الإطفاء ومحطات معالجة المياه والملاجئ جزراً ذات مصداقية في منطقة ممزقة بالعواصف.

تصميم شبكة زيرو مايكروجريدز

تجمع الميكروفيدجات ذات المحركات المتولدة بين توليد الطاقة المتجددة المحلية وتخزينها والضوابط الذكية لتحقيق استقلال الطاقة، وتزود محاجر بحيرة رانشيا الزرقاء في شمال كاليفورنيا بالطاقة الشمسية وبطارية تبلغ 950 كيلوواط، وتحتفظ بخدمات الطوارئ التي تجري خلال مناسبات متعددة من نظم دعم البرامج، بينما تحقق انبعاثات صافية من الكربون، وتستخدم الميكروفونات المجتمعية، مثل تلك التي يجري تطويرها في بورتوريكو بعد ربط إعصار ماريا، نموذجاً من نوع " هوب " .

الحلول المتنقلة والطارئة للارتقاء

وبالنسبة للمناطق المعرضة للكوارث الموسمية، يقدم الميكروفون المتحركون دعما مرنا، ويمكن نقل نظم البطاريات المحتوية على أسطح شمسية إلى المناطق المتضررة في غضون ساعات، وقد نشرت وزارة الدفاع الأمريكية " ميكروغريدز " في قواعد العمليات الأمامية، مما يدل على التكنولوجيا التي تترجم مباشرة إلى استجابة المدنيين للكوارث، وتوفر هذه الوحدات المتنقلة 2448 ساعة من الطاقة اللازمة للخدمات الحيوية بينما يجري إصلاحها بصورة دائمة.

الأطر التنظيمية والسياساتية التي تؤدي إلى التغيير

ولا يمكن أن تحقق الحلول التقنية وحدها القدرة على التكيف؛ والسياسات الداعمة والحوافز الاقتصادية هي ذات أهمية حيوية بنفس القدر، وتطبق الولايات القضائية التي تفكر في المستقبل معايير المرونة الإلزامية، والتنظيم القائم على الأداء، ومتطلبات الكشف عن مخاطر المناخ.

تنظيم قاعدة الأداء

وتكافأ اللوائح التقليدية لتكاليف الخدمات النفقات الرأسمالية، وليس النتائج، وتربط نماذج الأداء أرباح المنافع بمقاييس القدرة على التكيف: تخفيض عدد الدقائق التي تجتازها العملاء خلال الأحداث البالغة الشدة، والحفاظ على توافر الدوائر الحيوية، وتحقيق أهداف الإصلاح، وتشمل عملية نيويورك لإصلاح رؤية الطاقة القدرة على التكيف كمعيار أساسي للأداء، مما يحفز المرافق على الاستثمار في تحديث الشبكة وتكامل نظم خفض الانبعاثات الناجمة عن إزالة الانبعاثات الناجمة عن إزالة الانبعاثات الناجمة عن إزالة الغابات وتدهورها.

Climate Risk Disclosure requirements

ويطالب المستثمرون والمنظمون الآن بالشفافية بشأن أوجه الضعف المناخي، فنظام الكشف عن المناخ الذي اقترحته لجنة الأوراق المالية سيحتاج إلى مرافق لتفصيل مدى تأثير الطقس المتطرف على أصولهم وعملياتهم، وتصدر كاليفورنيا بالفعل تكليفا بإجراء اختبارات للإجهاد في الهياكل الأساسية للطاقة ضد سيناريوهات المناخ، وهذه الإفصاحات تحفز الاهتمام على مستوى المجالس باستثمارات القدرة على التكيف، وتسمح للمجتمعات المحلية بمساءلة المرافق عن التأهب.

Federal and State Grant Programs

ويخصص قانون الاستثمار في الهياكل الأساسية وفرص العمل في الولايات المتحدة 11.5 بليون دولار لمرونة الشبكات، مع إيلاء الأولوية للمشاريع التي تدمج الطاقة المتجددة، والتخزين، وقدرات المقاولات الصغرى، وتوفر برامج على مستوى الدولة مثل مصرف نيوجيرسي لتيسير الطاقة تمويلا منخفض الفائدة لتوليد الطاقة الموزعة في المرافق الحرجة، وفي أوروبا، يمول برنامج هوريزون الأوروبي مشاريع متعددة المناطق عبر الحدود تعمل كمختبرات معيشية للتكيف مع المناخ.

Case Studies in Climate-Adaptive Energy Design

الدانمرك: مؤسسة Wind Power Integration with District Heating

نظام الطاقة في الدانمرك يحقق 50% من التغلغل الريحي بينما يحافظ على استقرار الشبكة من خلال مزيج فريد من الطاقة الريحية الزائدة من شبكات المياه في المنطقة التي تخزن الطاقة الحرارية لبناء التدفئة هذه الاستراتيجية "الرد على الطلب" تقلل من الضغط الكهربائي خلال فترات الرياح العالية وتوفر الدعم عندما تكون الرياح منخفضة، وخلال الجفاف الذي شهدته منطقة الريح الأوروبية عام 2021، حافظت احتياطيات الطاقة الكهرمائية والغازية في الشمال الأوروبي على قدرة النظام على التكيف.

بورتوريكو: إعادة البناء مع سولار موزعة

وبعد أن دمر إعصار ماريا 80 في المائة من الشبكة، تُنقَّص بورتوريكو من جيل الأحفوري المركزي إلى مجهّزات شمسية مجتمعية، وتلتزم الحكومة بتوليد الطاقة المتجددة بنسبة 100 في المائة بحلول عام 2050، مع هدف مؤقت قدره 40 في المائة بحلول عام 2025، وتظهر النتائج الأولية أن نظم البطاريات الشمسية في المدارس والمستشفيات والمباني البلدية تحافظ على الطاقة أثناء انقطاع الشبكات بينما تخفض تكاليف الكهرباء بنسبة 30 إلى 40 في المائة.

اليابان: Smart Grids and Earthquake Resilience

إن الزلازل و الأمواج المتكررة في اليابان قد أدت إلى الابتكار في تقلص الشبكة، مشاريع مدينة سمارت في يوكوهاما وكيوتو تستخدم نظما مجمّعة لإدارة الطاقة تنسق الطاقة الشمسية، والتخزين، والمركبات الكهربائية، ومضخات الحرارة، وفي أعقاب كارثة فوكوشيما في عام 2011، قامت اليابان بتنويع مزيج الطاقة لديها مع الإسراع في نشر الطاقة الشمسية، ومحطة الغاز الطبيعي المسروقة.

التحليل الاقتصادي: القدرة على الاستثمار

ويدفع الحراس بأن تدابير المرونة تزيد التكاليف الأولية، ولكن تحليل دورة الحياة يكشف عن حالات عودة ملحة، ويقدر المختبر الوطني في منطقة المحيط الهادئ الشمالية الغربية أن كل دولار يستثمر في قدرة الشبكة على الصمود يوفّر تكاليف تجنّبها تكاليف الخروج من الشبكة، أما بالنسبة للمرافق التجارية، فإن تكاليفها تتراوح بين 000 5 و000 50 دولار في كل مناسبة، مما يجعل توليد الدعم والتكامل في مجال المشاريع الصغرى أمراً جذاباً مالياً في غضون 3-5 سنوات.

وتُقيّم قيمة اللافقار الضائعة كمية الضرر الاقتصادي الناجم عن انقطاع الكهرباء، وخلال الموجة الحرارية في كاليفورنيا لعام 2020، فرضت رسوماً متناوبة تتجاوز بليوني دولار من حيث الإنتاجية الضائعة والمخزون المفسد، وكان من شأن تخفيض المدة التي تستغرقها تدابير المرونة بنسبة 10 في المائة أن يوفر 200 مليون دولار، وتمنح شركات التأمين الآن خصومات على المرافق التي ثبتت قدرتها على الازدهار بالكليكروغ والطاقة، مما يخلق حوافز مالية مباشرة للاستثمار في القدرة على التكيف.

آليات تمويل المشاريع الطويلة الأجل

وتبرز السندات الخضراء والقروض المرتبطة بالاستدامة كأدوات تمويل شعبية، ففي عام 2021، بلغ إصدار سندات الطاقة الخضراء على الصعيد العالمي 1.5 تريليون دولار، مع تخصيص أجزاء كبيرة لمرونة الشبكات، وتتيح برامج الطاقة النظيفة التي يُقيّم عليها تقييم الممتلكات للمالكين والأعمال التجارية تمويل نظم تخزين الطاقة الشمسية - الإضافة - من خلال تقييمات ضريبية على الممتلكات، وتوزيع التكاليف على مدى 20-25 سنة مع توفير فوائد فورية على القدرة على التكيف.

الحدود التكنولوجية: القدرة على التكيف في المرحلة التالية

وتعود التكنولوجيات الناشئة بزيادة تحول قدرة نظام الطاقة على التكيف، إذ أن المحولات ذات الدول الصلبة، تضاعف كفاءة المحولات التقليدية ثلاث مرات، مع تمكينها من تدفق الطاقة ذات الاتجاهين وعزلتها عن طريق الخطأ، ويمكن للموصلين المتقدمين الذين يتم إنتاجهم من الغرافيين أو منابيب الكربون أن يحملوا أكثر من النحاس بعشرة أضعاف، مما يقلل من خسائر النقل ويتيح للمنشآت الجوفية مقاومة للضرر الجوي.

إن القفزة القادمة هي القفزة الثانية من المعلومات الاستخبارية والتوائم الرقمي من الشبكات بأكملها تسمح للمشغلين باختبار آلاف السيناريوهات المناخية، وتحديد نقاط الفشل قبل حدوثها، وتتصليحات التنبؤات القائمة على أساس آي عندما تشير حالة المعدات إلى وجود فشل وشيك، وليس في فترات تعسفية، واستخدام التعلّم الآلي في تحقيق التبريد الأمثل لمراكز بيانات غوغل بنسبة 40 في المائة

Blockchain for Transactive Energy

ويمكن للاتجار بالطاقة من جانب الأقران إلى جانب القرين من الجيران الذين لديهم طاقة شمسية سطحية أن يبيعوا الطاقة الفائضة مباشرة إلى الآخرين، وأن ينشئوا شبكات محلية للصمود، ويمكن لهذه الأسواق المحلية أن تواصل العمل في المناطق الجزرية الصغيرة، وقد أدى مشروع بروكلين ميكروغريد إلى قيادة هذا النهج، مما يتيح للمقيمين تجارة الائتمانات الشمسية دون وسيطة ذاتية، وفي حين أن الطاقة التفاعلية ذاتية الناقصة يمكن أن تُعيد تشكيلها بصورة أساسية.

الاستنتاج: بناء مستقبل الطاقة المتردية

ويتطلب تقاطع تغير المناخ وأمن الطاقة اتخاذ إجراءات عاجلة، ولن يكفي أي تكنولوجيا أو سياسة واحدة؛ وتنشأ القدرة على التكيف من نظام شامل لمصادر جيلية متنوعة، وتوزع الهياكل، والضوابط الذكية، والهياكل الأساسية المعززة، والتنظيم الداعم، وستتحسن المجتمعات التي تستثمر الآن في البحيرات الصغرى، والتخزين، والتصميمات المكيفة مع المناخ عندما يصل الإعصار المقبل، أو إطلاق النار، أو الموجات الحرارية.

إن عملية الانتقال جارية بالفعل، من شبكة الدنمارك المهيمنة على الرياح إلى إعادة بناء بورتوريكو بالطاقة الشمسية، تظهر أمثلة العالم الحقيقي أن نظم المرونة يمكن تحقيقها اليوم، وتتناقص التكاليف وتزداد فعالية التكنولوجيات، مما يجعل استثمارات القدرة على التكيف أكثر فعالية من حيث التكلفة، والمفتاح هو العمل على وجه الاستعجال، وإدماج التوقعات المناخية في كل قرار تخطيطي، وتحديد أولويات الهياكل الأساسية الحيوية اللازمة للتقويض الفوري.

Final Principle:] Resilience is not a fixed state but a continuous process. As climate conditions evolved and threats change, energy systems must be designed with adaptive capacitybuilt-in flexibility to incorporate new technologies, adjust to shifting risks, and learn from each disruption. The most resilient system is the one that can transform itself, staying ahead of the changing climate.