Table of Contents
وتخضع شبكات الطاقة الجزرية - التي تعمل بشكل مستقل دون ارتباط بشبكة أرضية أو إقليمية أكبر - لضغوط متزايدة لدمج حصص عالية من الطاقة المتجددة، مما يؤدي إلى انخفاض التكاليف المتجددة، والشواغل المتعلقة بأمن الطاقة، وأهداف خفض الانبعاثات، والجزر النائية، والمجتمعات المحلية الريفية، والمواقع الصناعية المعزولة، إلى تحويل نحو الطاقة الشمسية والريحية، والموارد المتغيرة الأخرى، ومع ذلك فإن تصميم هذه النظم المستقلة من أجل ارتفاع معدلات التغلغلُّب على الطاقة المتجددة يتطلب أكثر من مجرد إضافة ألواح الشمسية أو توليد الطاقة الريح.
ما الذي يحدد "الطاقة" المُتجمّعة؟
كما أن شبكة من الجزر، المعروفة أيضا باسم نظام الطاقة المعزولة أو غير الثابتة، تقدم الكهرباء إلى منطقة محلية دون أي صلة متزامنة بشبكة أكبر مترابطة، وهذه النظم هي الأكثر شيوعا في الجزر الجغرافية، ولكنها موجودة أيضا في مدن التعدين النائية، والقواعد العسكرية، والمجتمعات المحلية خارج المناطق القارات، والخصائص المحددة هي أن جميع أنواع توليد الطاقة المتجددة، والموازنة بين الحمولة، وتنظيم الوقود الخفيف، ودعم المولدات الكهربائية التقليدية.
وتشمل السمات الرئيسية للشبكات الجزرية عددا محدودا من المولدات الكهربائية، وقدرة محدودة على الدوائر القصيرة، وقلة الطوابق، وقلة الطلب في كثير من الأحيان على الطاقة المتجددة الكبيرة، ونظرا لعدم وجود شبكة خارجية لتوفير الدعم أو استيعاب فائض الطاقة، يجب على مخططي النظام أن يصمموا بعناية لكل سيناريو - من فترات الهدوء والتنبؤ إلى ذروة الحمل في وسط عاصفة.
التحديات الأساسية للاختراق العالي التجديد
ويتطلب تحقيق تغلغل كبير في مصادر الطاقة المتجددة - وهو ما يعرّف هنا على أنه النسبة المئوية للطاقة الكهربائية السنوية من مصادر متجددة - التغلب على أربعة تحديات مترابطة.
التفاوت وعدم اليقين
فالنباتات الشمسية والرياح متغيرة بطبيعتها، إذ أن تغيرات الناتج الشمسية مع الغطاء السحابي ووقت النهار والموسم، وتقلبات الطاقة الكهربائية في اللحظات من دقيقة إلى أخرى، وفي الشبكات الجزرية، لا يمكن أن تُسلّم هذه التقلبات من الواردات من شبكة كبيرة، ويجب أن يُحسب المخططون التوزيع الإحصائي لتوافر الموارد المتجددة، واحتمال إطالة فترات الإنتاج المنخفضة، مثلا، قد تشهد سحابة صغيرة تعتمد بشدة على الطاقة الشمسية هبوطا في الإنتاج إلى الصفر تقريبا.
الثغرة والقدرة على التطاير
وفي الشبكات الجزرية التقليدية القائمة على الديزل، يوفر الكتلة الدوارة من المولدات الكهربائية نقصا في الطاقة - المقاومة الطبيعية للتغيرات في الترددات - وكثيرا ما ينزع التغل المتجدد العالي المولدات المتقاربة التي تتوفر فيها موارد غير مباشرة مثل الطاقة الشمسية والمطاط الريحي التي لا تملك سوى القليل من الاضطرابات الكامنة، مما يقلل من قدرة النظام على ركوب العجلات من خلال الاضطرابات.
اقتصاديات تخزين الطاقة وتوسيمها
(ب) أن تخزين الطاقة هو حجر الزاوية للشبكات الجزرية العالية التجديد، ويمكن أن تستوعب البطاريات، أو المياه المضخة، أو غيرها من التخزين، فائضاً في توليد الطاقة المتجددة والتصريف أثناء العجز، غير أن تكاليف التخزين لا تزال كبيرة، وأن تركيب نظام للموثوقية المتجددة بنسبة 100 في المائة يؤدي في كثير من الأحيان إلى بطاريات غير اقتصادية تدوم شهراً، ويستهدف نهج أكثر واقعية مستويات التخزين الأمثل بنسبة 70 إلى 90 في المائة مع الحد من التصريف.
القيود الاقتصادية والتنظيمية
وكثيرا ما تكون لدى المجتمعات المحلية الجزرية ميزانيات محدودة وتكاليف كهرباء مرتفعة بسبب واردات الوقود، إذ يتطلب الانتقال إلى ارتفاع معدل التغلغل في الطاقة المتجددة رأس مال كبير في الطليعة بالنسبة للتحكم في الطاقة الشمسية والريح والتخزين والتحكم الذكي، وفي حين انخفضت التكاليف المرتدة للطاقة المتجددة انخفاضا كبيرا، فإن التكلفة الإجمالية للنظام تشمل التكامل والتقليص والدعم، كما أن وجود أطر سياساتية فعالة - مثل التعريفات الجمركية التغذوية، أو صافي المقاييس، أو الشراكات بين القطاعين العام والخاص - يمكن أن يكون محدودا للضوابط على القدرة الاقتصادية.
مبادئ تصميم النظام الخاصة بالاختراق العالي التجديد
ويتبع التصميم الناجح للشبكات الجزرية ذات التغلغل العالي في الطاقة المتجددة عدة مبادئ رئيسية تعالج التحديات المذكورة أعلاه.
تنويع الموارد المتجددة
فالاستئناف على الموارد المتجددة الواحدة يزيد من المخاطر، إذ أن الجمع بين الطاقة الشمسية والريح - التي كثيرا ما تكون مكملة لها - يقلل من الحاجة إلى التخزين، فعلى سبيل المثال، قد يكون للجزيرة المدارية طاقة شمسية قوية أثناء النهار والرياح التجارية المتسقة في الليل، ويزيد من تنوع مزيج الموارد إضافة الطاقة الكهرمائية الصغيرة، أو الكتلة الحيوية، بل وحتى الحرارة الأرضية، وتبين الدراسات أن وجود حافظة متنوعة يمكن أن يقلل من احتياجات التخزين بنسبة تتراوح بين ٢٠ و ٤٠ في المائة بالمقارنة مع نظام واحد.
Grid-Forming Versus Grid-Following Inverters
(أ) أن معظم الموارد التي تستخدم حالياً أجهزة التحكم بالشبكات التي تتبع الموجة الفولطية الحالية، وفي شبكة جزرية ضعيفة ذات تغلغل متجدد مرتفع، يمكن أن تفشل أجهزة السحب التي تستخدم الشبكة في انحرافات كبيرة.
هيكل الرقابة الهرمية
وتتطلب المراقبة الفعالة لشبكة جزرية عالية التجديد مستويات متعددة، وتعالج الرقابة الأولية (الاستجابة الثانيةميلي) تنظيم التطاير والتواتر من خلال خصائص الدروود، وتعيد المراقبة الثانوية (الثانية إلى دقائق) التردد والفولط إلى القيم الاسمية، وكثيرا ما تستخدم أجهزة التحكم المركزية أو الموزعة، وتدير الرقابة على المستوى العالي (الدقائق إلى الساعات) الإرسال الاقتصادي، وتزود أي مولدات احتياطية/تخفيفة، والتنسيق مع
التنبؤ الآلي ورصد الوقت الحقيقي
ويصبح التنبؤ الدقيق بالمتجددة أمرا بالغ الأهمية مع زيادة التغلغل، فالتنبؤات القصيرة الأجل (التي تسبق مرور ما بين صفر و 6 ساعات) تُبلغ عن تحديد مواعيد البطاريات والمولدات، في حين تساعد التنبؤات اليومية على تخطيط الصيانة وشراء الوقود، كما أن الرصد في الوقت الحقيقي عن طريق وحدات قياس الترددات الثابتة أو نظم التقييم الذاتي المتقدمة يتيح الاستجابة السريعة للتسرب غير المتوقع في توليد الطاقة، كما أن نماذج التعلم من الآلات التي تجمع بين البيانات الجوية والنواتج التاريخي والصور الساتلية تؤدي إلى تحسين باطراد.
تكنولوجيات تخزين الطاقة وطرائق تصغير الحجم
البطاريات الليثيوم - الأيون: الخيار الدومينيكي
وتسيطر الآن بطاريات الليثيوم - إيون على تخزين الشبكة الجزرية بسبب انخفاض الأسعار، وارتفاع كفاءة المرحلتين )٩٠ في المائة - ٩٥ في المائة(، والنموذج، وهي تبرز في فترات زمنية قصيرة - وتستوعب المسامير الشمسية وتوزع خلال فترات الذروة المسائية، غير أن التكلفة تصبح باهظة، بالنسبة للاستقلال المتعدد الأيام، كما أن قاعدة التصعيد الاعتيادية لشبكة متجددة ذات قدرة موسمية.
التخزين البديل: البطاريات المتدفقة والهيدرو المأهولة
وتُعرض بطاريات التدفق الأحمر في فاناديوم تخزيناً طويل الأجل (6-12 ساعة) دون تدهور في القدرات على مدار الدورات، مما يجعلها مناسبة للتسلية الأسبوعية، غير أن كثافة الطاقة فيها منخفضة وضخامة من الأرض.() وتظل تخزين الهيدروجين المأهولة فعالة من حيث التكلفة بالنسبة للمواقع التي تتوفر فيها الطبوغرافية والماء المناسبة.()
استراتيجيات التخزين الهجينة
وتعتمد شبكات متنقلة عديدة الآن تخزينا مختلطا مع مسارات البطاريات القصيرة الأجل بمتوسط أكبر وأرخص لتخزين الطول، مثلا، يمكن لبطارية من الليثيوم 10 ميغاواط معالجة التقلبات في الأيام الخالصة، بينما تغطي خزانات مضخة من ميغاهوم مضخة عجزا متعدد الأيام، وتستخدم أدوات محاكاة مثل مفاعل هومر وبوليكوس في تحديد أفضل قدر من البيانات القائمة على التكلفة.
التخطيط الاقتصادي والمالي
التكلفة المنخفضة للطاقة والنظام LCOE
ولا تكفي تكنولوجيا المعارف التقليدية لجيل واحد بالنسبة للشبكات الجزرية بسبب هيمنة تكاليف التكامل، ويشمل النظام LCOE جميع الجيل والتخزين والتقليص وتكاليف الدعم التي تقسمها الطاقة المسلمة، وفي إطار هذا القياس، يمكن أن تكون نسبة التغلُّب العالية المتجددة أرخص من النظم الديزلية وحدها - خاصة عندما تكون تكاليف نقل الوقود مرتفعة، وقد وجد تحليل أجري من قبل شركة NREL عام 2022 أن نظاما نموذجيا يقل عن الحمولة القصوى بنسبة 5 في المائة من الأسلحة الكيميائية.
نماذج التمويل
ونظراً إلى ارتفاع تكاليف رأس المال في المناطق الأمامية، كثيراً ما تعتمد مشاريع الشبكة الجزرية على التمويل التساهلي، أو صناديق المناخ الأخضر، أو الشراكات بين القطاعين العام والخاص، ويمكن لاتفاقات شراء الطاقة مع مطوري الطاقة المتجددة التي تشمل التخزين أن تحول المخاطر بعيداً عن المنفعة، وقد أنشأت بعض المجتمعات المحلية تعاونيات للطاقة المتجددة مملوكة للمجتمع المحلي تصدر سندات محلية.() وتوفر الطاقة المستدامة للجميع مبادرة توجيهات في مجال التمويل اللامركزي.
دراسات الحالة الحقيقية في العالم والدروس المستفادة
كينغ آيلند، تسمانيا (أستراليا)
وانتقلت جزيرة كينغ من 100 في المائة من الديزل إلى نظام متجدد عالياً يستخدم التوربينات الريحية، والفولط الشمسي، وبطارية ثلاث ميغاه، وإدارة التحميل الدينامية، حيث بلغ متوسط الاختراق المتجدد 65 في المائة، وتصل ذروته إلى 90 في المائة، وقللت الجزيرة استهلاك الديزل بنسبة 70 في المائة، وشملت الدروس الرئيسية الحاجة إلى التنبؤ الدقيق، وأهمية استخدامات التي تعمل على تواتر الشبكي للحفاظ على الاستقرار أثناء الانقطاع المفاجئ في إنتاج الرياح.
جزر الأزور، البرتغال
وقد قطعت أرخبيل أزور شوطاً كبيراً في عدة جزر، ففي الواجهة والبيكو، يجمع نظام هجين بين الطاقة الحرارية الأرضية، والهرمائية، والريح، وتخزين البطاريات، مما يحقق أكثر من 60 في المائة من التغلغل المتجدد، وسلط المشروع الضوء على التحديات التي تواجه إدماج عدة محطات مستقلة متجددة في مخططات مراقبة مختلفة، وكان توحيد بروتوكولات الاتصال (IEC 61850) حاسماً في التنسيق الفعال.
هاواي: سرير اختبار لعزلة أولترا - هاي
وفي حين أن جزر هاواي الرئيسية ليست مجمدة بالكامل )وهي ضعيفة في الكابلات المشتركة بين الجزر(، فإن جزيرة مولوكاي تعمل باستقلالية تقريبا، ويجمع مشروع الطاقة المتجددة في مولوكاي بين ٥٠٠ كيلوواط من الطاقة الشمسية و ٥٠٠ كيلوواط من مخزن البطاريات والديزل الحالي للمساندة، ويستخدم النظام ضوابط متقدمة على المايكريد لإدارة الفول والتواتر، وتحقيق التغلغل فيما بين الشمس أكثر من ٨٠ في المربعات الدقيقة.
الاتجاهات المستقبلية والتكنولوجيات الناشئة
التوائم الرقمية ومؤشر التنفيذ من أجل تحقيق الاستخدام الأمثل
وتستخدم نماذج التوأم الرقمية التي تستنسخ الشبكة الجزرية في الوقت الحقيقي لتحفيز الطوارئ وتحقيق الاستخدام الأمثل للإرسال، وهذه الأدوات، مجتمعة مع الحمولة القائمة على مبادرة AI والتنبؤات المتجددة، يمكن أن تقلل من حجم البطاريات وتحسن حياة البطاريات، وتقوم عدة مرافق في منطقة البحر الكاريبي بتجريب منابر التوأم الرقمية التي تتكامل مع النظم الحالية للإسعافات السريعة.
Blockchain for Peer-to-Peer Energy Trading
وفي الشبكات الجزرية التي تضم العديد من المستهلكين، يمكن للتجارة القائمة على أساس من الأقران أن تحفز على مرونة الطلب والتخزين الموزع، وقد أتاح نموذج في جزيرة ماديرا للسكان التجارة في فائض الطاقة الشمسية، مما يقلل من متطلبات التخزين على نطاق المرافق، وقد يصبح هذا النموذج أكثر قابلية للاستمرار مع انخفاض تكاليف القياس والاتصالات الذكية.
تخزين الجينات التالية: الحرارة والجاذبية
وتوفر تكنولوجيات التخزين الناشئة مثل التخزين الحراري (استخدام الملح المغنطيسي أو مواد تغيير المراحل) وتخزين الجاذبية (رفع الأوزان الثقيلة) خيارات طويلة الأجل منخفضة التكلفة للشبكات الجزرية، وفي حين أنها لا تزال في مراحل تجارية مبكرة، فإنها يمكن أن تمكن 100 في المائة من الشبكات الجزرية المتجددة بتكلفة أقل من تكلفة الليثيوم وحده، فعلى سبيل المثال، تقوم جزيرة تينريف بتقييم مشروع لتخزين الجاذبية باستخدام التضاريس الجبلية.
خاتمة
إن تصميم نظم الطاقة من أجل التغلغل الكبير في الشبكات الجزرية يمثل تحديا هندسيا معقدا ومتزايد الصلاحية، إذ أن تنويع الموارد، ونشر ضوابط متقدمة مع أجهزة التعقب التي تعمل على شبكة الشبكة، وتخزين الطاقة بصورة مستقلة، واستخدام تنبؤات قوية، يمكن للمخططين أن يحققوا الموثوقية وتكافؤ التكاليف مع النظم المتطورة، وتدل النجاحات التي حققتها العالم الحقيقي من جزيرة كينغ إلى جزر آزوريس على انخفاض يتراوح بين ٦٠ و ٨٠ في المائة من حيث التخريب.