تصميم نظم توزيع الطاقة لأغراض الانبعاثات الصافية صفر

إن تصميم نظم توزيع الطاقة التي تدعم أهداف الانبعاثات الصافية صفرية يشكل تحدياً بالغ الأهمية بالنسبة للهياكل الأساسية الحديثة، حيث أن البلدان والشركات تهدف إلى خفض آثار الكربون فيها، يجب أن تتطور الطريقة التي نوزع بها الطاقة لتشمل مصادر متجددة وتكنولوجيا ذكية، فالانتقال من شبكة مركزية قائمة على الوقود الأحفوري إلى نظام لا مركزي للطاقة منخفض الكربون يتطلب تغييرات أساسية في كيفية نقل الكهرباء وإدارتها واستهلاكها، وتستكشف هذه المادة المبادئ الأساسية، والتكنولوجيات التمكينية، والاتجاهات المستقبلية.

" ازدهار توزيع الطاقة المستدامة "

وتعتمد شبكات الطاقة التقليدية اعتماداً كبيراً على الوقود الأحفوري، الذي يسهم إسهاماً كبيراً في انبعاثات غازات الدفيئة، ووفقاً ل الوكالة الدولية للطاقة ، فإن قطاع الطاقة العالمي يُشكل نحو ثلاثة أرباع مجموع الانبعاثات، ويستلزم الانتقال إلى مصادر الطاقة المستدامة مثل الرياح والطاقة الشمسية والهيدروود إعادة التفكير في كيفية تحويل الطاقة إلى مناطق مختلفة وإدارتها.

ويجب أن تعالج نظم التوزيع تقلبات المصادر المتجددة، وأن تستوعب تدفقات الطاقة ذات الاتجاهين من جيل موزع، وأن تتيح تحميلات جديدة مثل المركبات الكهربائية ومضخات الحرارة، وتؤكد خريطة الطريق التي وضعتها الوكالة الدولية للطاقة الذرية بحلول عام 2050 أن شبكات توزيع الكهرباء ستحتاج إلى مضاعفة طولها بحلول عام 2040 لدعم التوسع الهائل في مصادر الطاقة المتجددة والكهرباء، وأن الاستثمار في التوزيع الحديث ليس شرطاً مسبقاً لبلوغ أهداف المناخ.

السياسات والاستثمار كعاملين في مجال الحوافز

فالسياسات الحكومية والحوافز المالية تدفع عجلة التحول، فعلى سبيل المثال، يخصص قانون الاستثمار في الهياكل الأساسية وفرص العمل في الولايات المتحدة بلايين لتحديث الشبكات، في حين يحدد الاتفاق الأخضر للاتحاد الأوروبي أهدافاً ملزمة لتكامل الطاقة المتجددة، فالاستثمار الخاص في عمليات بدء تشغيل الشبكات الذكية وتخزين البطاريات على نطاق واسع قد زاد من 100 بليون دولار سنوياً، كما أن الأطر التنظيمية التي تكافئ مرونة الشبكة والقدرة على التكيف - غير الطاقة فقط من خلال المنظمات ذات القيمة المضافة هي عناصر أساسية لمواءمة بين أهداف التمويل العام

مبادئ التصميم الأساسية لنظم التوزيع الصافية - صفر

ويتطلب بناء نظام توزيع يدعم الانبعاثات الصافية الصفرية التقيد بعدة مبادئ تصميم مترابطة، وهذه المبادئ تسترشد بالمهندسين والمخططين وصانعي السياسات في إنشاء شبكات ليست نظيفة فحسب بل قوية وفعالة من حيث التكلفة.

اللامركزية: مايكرويغدز والطاقة المجتمعية

كما أن تشجيع توليد الطاقة المحلية يقلل من خسائر النقل ويعزز القدرة على التكيف، وبدلاً من الاعتماد على محطات توليد الطاقة الكبيرة والنائية فقط، فإن اللامركزية تقارب الجيل الاستهلاكي، كما أن شبكات الطاقة الصغيرة الحجم التي يمكن أن تعمل بصورة مستقلة، هي مثال رئيسي، ويمكن أن تدمج بين أجهزة التخزين بالطاقة الشمسية، وأجهزة تخزين البطاريات، بل ووحدات الطاقة المشتركة لخدمة الأحياء أو المعسكرات أو الحدائق الصناعية.

المرونة: الاستجابة للطلبات ومراقبة الوقت الحقيقي

ويتيح إدماج تكنولوجيات الشبكات الذكية إدارة تدفق الطاقة في الوقت الحقيقي على أساس تقلبات الطلب والعرض، ويتم المرونة من خلال برامج الاستجابة للطلبات، حيث يقوم المستهلكون بتعديل استخدامها خلال فترات الذروة في مقابل الحوافز، ويمكن للنظم الآلية أن تنقل المركبات الكهربائية التي تشحن إلى ساعات غير صالحة أو مكيفات الهواء أثناء الدورة عندما يتسبب توليد الطاقة الشمسية في حدوث تغيرات في التوليد، ويستخدم المشغلون المتطورون في عمليات العزلة، ويزيدون الافتراضية من حيث يُستخدمون

حلول التخزين: ما بعد ليثيوم - إيون

وتسهم نظم تخزين الطاقة الكهربائية وغيرها في تحقيق التوازن بين مصادر الطاقة المتجددة المتقطعة، وتهيمن البطاريات على البطاريات التي تستخدم الليثيوم على عمليات النشر الحالية بسبب انخفاض التكاليف وارتفاع كفاءة الدورة، غير أن تخزين الطاقة الطويلة الأجل )من ٤ إلى ١٠٠ ساعة( يتطلب أحداثاً جوية متعددة الأيام أو تحولات موسمية، كما أن التكنولوجيات مثل البطاريات التدفقية، ومخزون الطاقة المضغوط، والهيدروجين الأخضر ترتفع.

الترابط: برنامج التنمية البشرية والتكامل الإقليمي

(أ) إن الربط بين الشبكات الإقليمية يتيح تقاسم الطاقة المتجددة، وتحقيق الكفاءة القصوى؛ كما أن خطوط الطاقة المباشرة العالية التوليد تسمح بنقل كميات كبيرة من المسافات الطويلة من حيث الخسائر التي تنجم عن تغيرات في التيار الكهربائي، مثلاً، تربط بين شبكة شمال البحر والمملكة المتحدة والنرويج، مما يتيح القدرة على توليد الطاقة الكهربائية توازناً في تقلبات الرياح، وفي إطار نظم التوزيع، يمكن التفاعل بين أجهزة الترميز الأقل من خلال خطوط التعادل بين الحاجات الدقيقة أو فروع التوزيع

التمكين من التكنولوجيات في الممارسة العملية

وهناك عدة تكنولوجيات مبتكرة في مقدمة عملية تحويل توزيع الطاقة، وهذه التكنولوجيات ليست نظرياً، وهي منتشرة في المرافق والمشاريع في جميع أنحاء العالم، مما يثبت قيمتها على نطاق واسع.

Smart Meters and the Internet of things (IoT)

(أ) توفير بيانات آنية للمستهلكين والمرافق، وتيسير الاستجابة للطلبات، وتحل أجهزة شبكة الذكاء محل أجهزة قياسية ذات أجهزة رقمية تسجل الاستهلاك على فترات زمنية قصيرة تصل إلى 15 دقيقة، وتنتج عن استخدام المرافق هذه البيانات في تحديد أسعار الاستخدام، وكشف التجاوزات، والتنبؤ بالشحن، وفي إيطاليا، أدى نشر أكثر من 30 مليون متر ذكى من خلال شبكة Enel إلى خفض الطلب بنسبة 3.5%.

نظام الحكم الذاتي والاستخبارات الفنية

(ب) استخدام أجهزة الاستشعار والتشغيل الآلي لتحديد القضايا وحلها بسرعة، وتقليلها إلى أدنى حد؛ ويشمل التلقّي مفاتيح التبديل الخاضعة للمراقبة عن بعد، ومنظمات الفولط، ومصارف التنظيف التي تتكيف دون تدخل بشري.

Renewable Energy Integration: Advanced Inverters and Grid Codes

وتسمح المحاورون المتطورة ونظم المراقبة بدمج المصادر المتجددة في الشبكة دون هوادة، وتقتصر المحاور التقليدية على تحويل طاقة DC من الألواح الشمسية إلى AC، ولكن المحافير الذكية يمكنها أن توفر الدعم الفولطي، والاستجابة للتواتر، ومراقبة أسعار الصرف، وتتواصل مع المرافق عن طريق نظم إدارة موارد الطاقة الموزعة، وتؤمن رموز الجرعات مثل تلك المعتمدة في ألمانيا وكاليفورنيا في مواقع العزلة الكهربائية التي تخترق.

Distributed Energy Resources (DERs) Aggregation

ويمكن أن تعمل أجهزة توليد وتخزين صغيرة الحجم على الصعيد المحلي أو أن تصل إلى الشبكة الرئيسية، وتشمل هذه الأجهزة الطاقة الشمسية السطحية والبطاريات المنزلية والمركبات الكهربائية والشحنات الخاضعة للمراقبة، وعند تجميعها، فإنها تعمل كمحطة توليد للطاقة الافتراضية، وفي أستراليا، تصل محطة توليد الطاقة الافتراضية التابعة للشركة بـ 000 1 بطاريات منزلية لتوفير 5 ميغاواط من القدرة على الشبكة خلال فترات الذروة.

التغلب على التحديات الرئيسية في التوزيع الصافي - صفر

وعلى الرغم من التقدم التكنولوجي، لا تزال هناك تحديات عديدة، منها تكاليف الهياكل الأساسية، والعقبات التنظيمية، والحاجة إلى تنمية القوى العاملة الماهرة، ومعالجة هذه الحواجز أمر أساسي للتعجيل بعملية الانتقال.

تكاليف الهياكل الأساسية وألعاب الاستثمار

وتحتاج الهياكل الأساسية الحديثة للتوزيع لاستيعاب مصادر الطاقة المتجددة ونظم المراقبة الرقمية إلى رأسمال ضخم، وتقدّر الوكالة الدولية للطاقة أن الاستثمار التراكمي للشبكات من خلال عام 2040 يحتاج إلى مبلغ 20 تريليون دولار للبقاء على مسار صافي الصفر، وكثيرا ما تواجه المنافع قيودا تنظيمية على زيادات الأسعار، مما يجعل من الصعب تمويل عمليات التحديث.() ومع ذلك، فإن الشراكات بين القطاعين العام والخاص، والسندات الخضراء، وعملية تحديد الأسعار القائمة على الأداء، هي حلول ناشئة.

الهيكل التنظيمي والتصميم السوقي

وفي كثير من الولايات القضائية، تثني هياكل سوق الكهرباء الموجودة عن التوليد والتخزين، وتثني الحدود الصافية للمقاييس عن المنشآت الشمسية السطحية، بينما لا تعكس رسوم الطلب قيمة الاستهلاك المرن، ومن الضروري أن تتطور الأطر التنظيمية إلى القدرة على التكيف، وخفض الكربون، والبدائل غير القائمة على الأسعار، وتحتاج خطة موارد التوزيع في كاليفورنيا إلى مرافق للنظر في وحدات خفض الانبعاثات المعتمدة كبدائل لاستثمارات الهياكل الأساسية التقليدية(22).

تطوير القوى العاملة وأمن الفضاء الحاسوبي

إن تطوير القوى العاملة الماهرة أمر حيوي، إذ يتطلب الانتقال من الطاقة مئات الآلاف من الكهرباء والمهندسين وعلماء البيانات وأخصائيي أمن الفضاء الإلكتروني، إذ يحتاج العديد من العاملين في مجال الخدمات إلى إعادة التدريب على التكنولوجيات الرقمية والتكامل المتجدد، حيث أن كليات المجتمع وبرامج التلمذة الصناعية تتشارك في المرافق اللازمة لوضع المناهج الدراسية، وفي الوقت نفسه، فإن زيادة الاعتماد على شبكات الاتصال والبيانات تعرض نظم التوزيع للهجمات الإلكترونية.

الاتجاهات المستقبلية: التوزيع الصافي للزيرو بحلول عام 2050

وفي المستقبل، سيكون نظام التوزيع في عالم صافيه صفر مختلفا اختلافا جوهريا عن النظام الحالي، وسيشكل العديد من الاتجاهات والابتكارات تطوره.

التحقير الكامل واللوائج الجديدة

وسيزيد كهرباء النقل والتدفئة والعمليات الصناعية زيادة كبيرة في الطلب على الكهرباء، وبحلول عام 2050، ستنمو مشاريع الوكالة الدولية للطاقة الكهربائية بنسبة 80 في المائة من مستويات عام 2022، ويجب تصميم نظم التوزيع لمعالجة الحمولات القصوى من ملايين المركبات الكهربائية التي تشحن في وقت واحد، وستتيح تكنولوجيا تحويل الشحنات المركبات إلى حشوات متحركة، وتغذية الطاقة الكهربائية إلى الضخ الذي تداره الحاجة.

Grid-Edge Intelligence and Autonomous Operations

وسيدفع الشاحنات الفرعية بل وحتى المحولات الفردية إلى متحكمين محليين يتخذون قرارات في ملي ثانية دون انتظار قيادة مركزية، مما يتيح شبكات التعافي الذاتي التي تعزل الأخطاء وتعيد الطاقة تلقائياً، ويتوخى مفهوم " شبكة الإنترنت للطاقة " تركيبة من الأقران إلى أجهزة الإطلاق التي يمكن أن تستكشف فيها أجهزة التلقيم المتطورة للطاقة(47).

Climate Adaptation and Resilience

ويجب تصميم نظم الطاقة الصافية مع مراعاة المرونة: خطوط تحت الأرض حيثما أمكن ذلك، وأعمدة الإجهاد، ونشر وحدات تخزين متنقلة للطاقة في حالات الطوارئ، وستصبح المحصولات الدقيقة ومغذيات التوزيع في الجزر معياراً للمرافق الحرجة مثل المستشفيات ومحطات الإطفاء، ويمكن التعجيل باستصلاح الطاقة بعد الكوارث باستخدام إسقاطات للضعف في مجال الطاقة الكهربائية.

الاستنتاج: مسار تعاوني

ومن خلال إعطاء الأولوية للتصميم الابتكاري والتكامل التكنولوجي، يمكن أن تدعم نظم توزيع الطاقة دعما فعالا هدف تحقيق صافي الانبعاثات الصفرية، وتمهيد الطريق أمام مستقبل مستدام ومرن للطاقة، ويتطلب التحول تعاونا وثيقا بين المرافق، والجهات التنظيمية، ومقدمي التكنولوجيا، والمستهلكين، ولا يمكن لأي طرف فاعل واحد أن يحقق التوزيع الصافي للشبكة وحدها، ويجب على واضعي السياسات أن يخلقوا أطرا مستقرة تشجع الاستثمار والابتكار.