تقييم مخاطر استقرار نظم الطاقة خلال الفترة الانتقالية إلى 100 في المائة من الطاقة المتجددة

The Imperative of a Renewable Energy Transition and Its Hidden Grid Stability Risks

والدفعة العالمية نحو 100 في المائة من الطاقة المتجددة لم تعد تطلعا بعيد المنال، فالحكومات والمرافق والشركات ملتزمة بأهداف إزالة الكربون العميقة، التي تدفعها الحاجة الملحة إلى خفض انبعاثات غازات الدفيئة والتخفيف من آثار تغير المناخ، وتتزايد المنشآت الفلكية الشمسية ذات الوتوء غير المسبوقة، وتزود في مناطق كثيرة بالفعل بنصيب كبير من الكهرباء، غير أن هذا التحول السريع لنظام الطاقة يجلب تحديا هندسيا أساسيا: استقرار الشبكة.

ويقتضي تقييم مخاطر استقرار نظم الطاقة خلال الانتقال إلى 100 في المائة من الطاقة المتجددة فهماً شاملاً لكيفية اختلاف الموارد القائمة على اللافقار عن المولدات المتزامنة التقليدية، ويتطلب أدوات تحليلية جديدة، وبروتوكولات تشغيلية مستكملة، ومجموعة من التكنولوجيات وآليات السوق للحفاظ على تدفق الكهرباء المستمر، وتوفر هذه المادة دراسة شاملة لتلك المخاطر، والمنهجيات المستخدمة في قياسها كمياً، والحلول التي يكفلها المهندسون ومشغلو الشبكات، وواضعو السياسات.

فهم استقرار نظام الطاقة

(ج) إن استقرار نظام الطاقة هو قدرة الشبكة الكهربائية، في ظل الظروف العادية والمضطربة، على الحفاظ على حالة التوازن وعلى استعادة تلك الدولة بعد حدوث اضطراب مادي، وهي مقسمة عادة إلى ثلاث فئات مترابطة: ] استقرار الزاوية ، استقرار تواتر

الثغرة والعجز

فاستقرار التردد يشير إلى قدرة النظام على الاحتفاظ بشبكة ثابتة من حيث التردد 50 أو 60 هكتاراً - مما يؤدي إلى اختلال مفاجئ بين الجيل والحمولة، وعندما تعطل المولدات الكبيرة، فإن الكتلة الدوارة المتبقية في النظام (تطوير التربينات، والمولدات الكهربائية، والمركبات) تُطلق طاقة حركية لتباطؤ وتيرة التردد.

القدرة على التطاير والرد الفعلي

أما القدرة على التطاير فتتعلق بقدرة النظام على الحفاظ على حجم الفولط المقبول في جميع الحافلات، ولا يمكن نقل الطاقة الاستباقية بكفاءة على مسافات طويلة، بل يجب تزويدها محليا، كما أن محطات الطاقة التقليدية توفر دعما ديناميا للطاقة الرجعية من خلال أجهزة التحكم في الفولطية الآلية ونظم التكليل، وفي نظام متجدد عالي، يمكن أن يؤدي تشرد هذه النباتات بموارد متجهة إلى نحو التآكل.

Rotor Angle Stability and Synchronization

إن استقرار الزوايا الدوارة هو قدرة الآلات المتزامنة على البقاء في تزامن بعد الاضطرابات وحتى في شبكة مهيمنة على نحو كبير، فإن بعض المولدات المتزامنة المتبقية، أو إدخال نظام متزامنة متزامنة - متزامنة، وقصر النسيج يمكن أن يسبب تقلبات كبيرة في السلطة، وفترات تزامنية، وتجاوزات واسعة النطاق

القياسات الرئيسية لتقييم الاستقرار

ويعتمد مشغلو ومخططو المظالم على عدة مقاييس رئيسية لقياس مخاطر الاستقرار كمياً في ظل التغلغل المتجدد الشديد، وهذه القياسات تسترشد بشكل مباشر بالحدود التشغيلية وقرارات الاستثمار، وبخلاف المعايير التقليدية، ظهرت مقاييس جديدة لالتقاط السلوك الفريد للنظم التي تهيمن عليها المحارق.

معدل تغير التردد (الصندوق الملكي)

ويقيِّم نظام " روكوا " مدى انخفاض التردد بسرعة بعد فقدان الجيل، وفي شبكات منخفضة الارتداد، يمكن أن يؤدي اختلال في الطاقة إلى حدوث تضخم كبير في الطاقة الكهربائية، مما يمكن أن يؤدي إلى تأخيرات في الحماية مصممة للنظم التقليدية، كما أن رموز الشبكة الحديثة تحدد الحد الأقصى لبطاريات النيتروز (مثلاً، 0.5 هز/وز/ز) وتشترط أن تظل جميع المولدات الترددات مرتبطة خلال هذه الأحداث.

الدائرة القصيرة الأجل

وتشير وحدة التفتيش الخاصة في نقطة من الترابط إلى القوة النسبية للشبكة، إذ يشير انخفاض مستوى القدرة على إحداث تغيير في الشبكة (دون الثالثة) إلى ضعف الشبكة التي قد تصبح فيها الضوابط غير مستقرة، ولأغراض التخطيط، تستخدم نسبة الدوائر القصيرة المرجحة لتقييم الأثر الجماعي للموارد المتعددة غير المحسوبة في منطقة ما، وأصدرت شركة أمريكا الشمالية للكهرباء مبادئ توجيهية بشأن القابلية للتداول في منطقة [FLT]

Inertia and Minimum Synchronous Inertia Constraint

إن عدم وجود نظام في الثانية من الغسيل، والحفاظ على استقرار الترددات بعد أكبر حالات الطوارئ الموثوقة، تحدد المرافق حدا أدنى من الاحتياج إلى عدم التعرض للإصابة، وهذا القيد يصبح ملزما خلال فترات ارتفاع الناتج المتجدد، ويستخدم التنبؤ بالخطر الديناميكي التنبؤات الجوية وجداول الجيل لتعديل حدود التشغيل في الوقت الحقيقي، وتستخدم بعض النظم، مثل الشبكة الآيرلندية، رصدا غير فعال في الوقت الحقيقي يقل عن الجيل الحقيقي

فترة الاستقرار العابر مارجين والوقت الحرج

ويحد هامش الاستقرار العابر من مدى قرب النظام من فقدان التزامن بعد خطأ معين، وكثيرا ما يُعبر عنه بأنه الفترة الحرجة التي يمكن فيها تحديد مدة الخطأ دون فقدان الاستقرار، ويمكن أن يؤدي ذلك إلى انخفاض مستويات التخلف الحالي وبطء الاستجابة السريعة التأثر بالبطء إلى تقليص الوقت اللازم للتخليص، مما يتطلب سرعة عملية الحماية.

تحديات الاستدامة الوحيدة للقرّاء المتجدّدين

وفي حين أن فيزياء الاستقرار لا تزال على حالها، فإن الانتقال إلى 100 في المائة من الطاقة المتجددة يغير بشكل عميق حافظة الموارد التي توفر ذلك الاستقرار، والتحديات التالية تثير قلقا خاصا لدى مشغلي الشبكات والمخططين.

Loss of Rotational Inertia

كما أن الاضطرابات الريحية الحديثة والنظم الشمسية الفلطية التي تربطها بالشبكة من خلال المحولات الإلكترونية للطاقة، والتي تضعف درجة عدم القدرة على التحكم الميكانيكية في الناقل (الدوارة) من الشبكة، مما يعني أن عدم القدرة على العمل في منطقة كاليفورنيا لا يتقاسم تلقائيا مع النظام، ونتيجة لذلك فإن تقلص عدد النافذ في النظام الكلي يمكن أن يتناقص بشكل كبير خلال فترات الإنتاج العالي من الطاقة المتجددة.

التباين والتداخل

إن إنتاج الطاقة الشمسية والريحية متغير بطبيعته، إذ يتغير على مدى ثواني ودقيقة وساعات مع الظروف الجوية، وفي حين أن التنبؤ قد تحسن بشكل كبير، فإن الجمع بين التدفقات السريعة (مثلا، السحب العابرة لمزرعة شمسية، والهدوء المفاجئ بعد الرياح القوية) والأخطاء المتوقعة قد يؤدي إلى حدوث تقلبات كبيرة في صافي حجم الطاقة، وهذه التقلبات تحدي احتياطيات التردد التي كانت مصممة أصلا لنهج التباطؤ، وأكثر قابلية للتنبؤات، مع تغيرات، ترتبط بتقلبات، مع التغير السريع، أو التقلبات، مع التغير في الطاقة،

انخفاض مستويات القوة والتخلف

قوة النظام هي مقياس قدرة الشبكة على الحفاظ على التطاير أثناء الأخطاء و السماح للشحنات الواقية بالكشف عنها وتطهيرها، المولدات المتميزة عادة ما تقدم مساهماتها الحالية بسبب ضعفها الداخلي،

إجراءات المراقبة والمرونة

وتعتمد المحاصد المرابطة على مقاييس المراقبة الرقمية السريعة المفعول على تزامن الشبكة وتنظيم ناتجها، وفي ظل ظروف تتسم بالضعف، فإن الضوابط على الموجات المتدنية القصيرة المدى يمكن أن تتفاعل مع بعضها البعض ومع ظهور الشبكات مما يؤدي إلى حدوث تقلبات في إطار النظام الفرعي أو عدم استقرار في المزارع.

التركيز الجغرافي وضبط الحركة

وكثيرا ما توجد موارد قابلة للتجديد في المناطق النائية التي توجد بها طاقة الرياح أو موارد شمسية وفرة، بعيدا عن مراكز التحميل، وهذا يتطلب ممرات نقل عالية المدى تكون عرضة لمشاكل استقرار الفولطية وقد تعاني من الازدحام خلال فترات الإنتاج المرتفعة، كما أن فقدان خط نقل وحيد تحت التصدير المتجدد الثقيل يمكن أن يؤدي إلى انهيار الفولط المتزامن إذا كانت احتياطيات الطاقة التفاعلية غير كافية.

تقييم مخاطر الاستقرار: المنهجيات والأدوات

ويستخدم مشغلي المظالم والمخططون مزيجا من المحاكاة المتقدمة، وتقييم المخاطر المحتملة، والرصد في الوقت الحقيقي لتقييم وإدارة مخاطر الاستقرار في نظم الطاقة المتطورة.

المحاكاة والنماذج الديناميكية

ومن الضروري إجراء عمليات محاكاة دينامية للبث المغناطيسي والتكرار الإيجابي لتحليل سلوك نظم التبريد العالي أثناء الاضطرابات، كما أن هناك حاجة إلى إجراء دراسات متطورة في مجال الطاقة الكهربائية، لا سيما من أجل استخلاص التفاعلات السريعة في مجال المراقبة من جانب المحاورين وتقييم مسائل مثل عدم استقرار التحكم في البرمجيات الفرعية والارتقاء بالزوارق الجامدة.

تقييم المخاطر المحتملة

ونظرا لتقلبات توليد الطاقة المتجددة، لم يعد التحليل المحدد للمحتوى الوحيد كافيا، فقد أصبحت الأطر التساهلية التي تنظر في آلاف السيناريوهات المتعلقة بالطقس والحمولة والزيادات الخارجية تستخدم لتحديد ظروف التشغيل العالية المخاطر، وتشير تقنيات مثل محاكاة نظام مونت كارلو وفحص الطوارئ القائمة على التعلم الآلي إلى مستويات قياسية في دراسات عدم الاستقرار على المدى الطويل، وتساعد هذه النُهج على قياس مدى الانبعاثات المتوقعة.

رصد الوقت الحقيقي وقياس المنطقة الواسعة

وحدات قياس الفواسير ونظم الرصد الواسعة تعطي المشغلين رؤية عالية الاستبانة إلى ديناميات الشبكة، بما في ذلك درجات التردد، وزوايا مرحلة الفولط، وطرق التذبذب، وفي شبكة مهيمنة على اللافتر، توفر أدوات تقدير البط في الوقت الحقيقي نظرة عملية على قدرة النظام الحالي على الاستجابة، وتستخدم عدة مشغلي هذه البيانات الآن

استراتيجيات التخفيف والحلول التكنولوجية

وهناك مجموعة من التكنولوجيات والممارسات التشغيلية متاحة للحفاظ على الاستقرار في نظام للطاقة المتجددة بنسبة 100 في المائة، ولا يكفي حل واحد؛ ولا بد من اتباع نهج متكامل.

تخزين الطاقة بسرعة وصحبة الافتراض

كما أن أنظمة تخزين الطاقة في البطاريات يمكن أن تستجيب لانحرافات الترددات في غضون ثواني، أسرع بكثير من المولدات التقليدية، من خلال برمجة المتحولين إلى الطاقة النشطة بشكل يتناسب مع معدل تغير التردد، يمكن للبطاريات أن تحفز على الاستجابة السريعة للآلات المتزامنة.

المحاورون المُنشأون للقرائن والالكترونيات المتطورة للطاقة

وتحتاج المحاولات التقليدية التي تبثها الشبكات إلى إشارة ثابتة من الشبكة إلى العمل، وفي ظل حصص عالية جدا من الطاقة المتجددة، قد تفقد الشبكة المرجعية تماما، ولا سيما أثناء سيناريوهات الجزر.

دعم الأيتام المتلازمين

وفي الحالات التي تكون فيها قوة النظام منخفضة للغاية، فإن أجهزة التكديس المتزامنة - التي لا يمكن تركيبها من أجهزة النقل الرئيسية - يمكن تركيبها لتوفير القدرة على الانتقال القصير، وعدم وجود دعم دينامي للفولط، وهذه الأجهزة هي أساسا مولدات متزامنة تعمل على توليد الطاقة الكهربائية التي لا تزال غير مكتملة، وقد تم نشرها على نطاق واسع في السوق الوطنية للكهرباء وفي الدانمرك لتوليد الطاقة الكهربائية على نحو أمثل.

Enhanced Grid Monitoring and Protection Systems

كما أن تحسين خطط الحماية، مثل إعادة التكييف التي يمكن أن تتسامح مع انخفاض مستويات الذنب الحالي أو الاتصال بأجهزة الجوار، وضمان استمرار إزالة الأخطاء في بيئات القوة المنخفضة في النظام، وضمان استخدام نظم الإنقاذ وأجور الكشف عن النسيج في الوقت الحقيقي لمشغلي الضبط والتقلبات الناشئة قبل أن يتصاعدوا، واستخدام أدوات التعليم العالي في تصنيف المناطق التي تُعاد فيها التوصية بالتصحيح.

مرونة الطلب والترابط

إن موارد الطلب المرنة - مثل الشحن الذكي للمركبات الكهربائية، وتحويل العمليات الصناعية، والشحنات القابلة للمراقبة - يمكن أن تكيف بسرعة الاستهلاك للمساعدة على تواتر الموازنة، كما أن مجموعة تدابير الاستجابة للطلبات تشكل احتياطياً افتراضياً من الطوابق، وبالإضافة إلى ذلك، فإن زيادة الترابط بين المناطق المجاورة التي تحقق التوازن تسمح بتقاسم العزلة والاحتياطيات، مما يقلل من أثر التغير المتجدد على النظم الأصغر حجماً.

دراسات الحالة والتنفيذات العالمية الحقيقية

وهناك عدة مناطق رائدة تدير بالفعل حصصاً عالية المتجددة مع الحفاظ على استقرار قوي، وتوفر تجاربها دروساً قيِّمة.

احتياطي جنوب أستراليا للطاقة الذرية

بعد انقطاع الكهرباء في عام 2016، استثمرت جنوب أستراليا في أول بطارية واسعة النطاق على الشبكة العالمية لمعالجة مخاوف استقرار الترددات، وتركيب القرنزديل يوفر الآن خدمات مساعدة التحكم في الترددات ومرض كهربي، مما يقلل كثيراً من تكلفة أمن النظام ويخفض عدد مرات الاختبار خارج النطاقات العادية، وقد تم الاستشهاد به على نطاق واسع كقصة نجاح، وزاد من قدرة الموقع الأسترالي على تحسين الشبكة(24)

خدمات النظام الإلكتروني لإيرلندا

أيرلندا، التي تبلغ نسبة الكهرباء المتجددة 70 في المائة، لها واحدة من أعلى حصص جيل غير متزامن على نظام معزول نسبياً، و(إيرغريد) مشغل نظام النقل، وإعادة تحديد خدماته الفرعية للحصول على استجابة سريعة، وقوة تفاعلية دينامية، وحشد الخدمات من البطاريات، ومزارع الرياح، ووحدات جانب الطلب، كما أنها تفرض حداً أقصى من التميز غير المنتظم على أساس الواقع

إدارة كرافات داك كاليفورنيا

إن التغلغل الشمسي العالي في كاليفورنيا قد أدى إلى تضليل "حبوب الحظ" مع مسامير مسائية سريعة تشدد بشدة على قدرة النظام على الحفاظ على التردد والفولاذ، وتعتمد هيئة الطاقة الدولية في كاليفورنيا الآن على مزيج من تخزين البطاريات، وأجهزة قياس الغاز المرنة، والتنبؤ المحسن بإدارة هذه المصابيح، وفي عام 2022، ادمجت شركة الشبكة كم قياسي من مخزن البطاريات، مما يدل على أن موارد الحافظة سريعة الاستجابة يمكن أن تُسرّة

دور السياسة العامة وتصميم الأسواق في ضمان الاستقرار

فالتكنولوجيا وحدها لا تستطيع أن توفر شبكة مستقرة متجددة بنسبة 100 في المائة، ويجب أن تتطور هياكل السوق ومدونات الشبكة والتخطيط الطويل الأجل لمكافأة خدمات الاستقرار وتشجيع الاستثمارات الصحيحة.

قانون الجريم

يقوم مشغلو نظام النقل في جميع أنحاء العالم بتنقيح متطلباتهم المتعلقة بالترابط الشبكي لكي يُسندوا الدعم الدينامي للاستقرار، مثلاً، قانون الشبكة الأوروبية بشأن متطلبات المولدات يحدد الآن قدرات على إبطال مفعول العطلات والقدرة على إعادة التشغيل للوحدات القائمة على اللافتات، وتحتاج التنقيحات الأخيرة في مدونة الشبكة الأسترالية إلى نظم جديدة للبطارية واسعة النطاق لديها قدرة على تشغيل الشبكة، مما يضع سابقة للولايات المستقبلية.

أسواق الخدمات الإضافية

تاريخياً، خدمات مساعدة مثل العزلة والقوى التفاعلية تم توفيرها مجاناً كمنتج ثانوي لتشغيل النباتات المتزامنة، حيث تتقاعد تلك النباتات، يجب تطوير الأسواق لأسعار خصوم الاستقرار هذه بشكل صريح.

التخطيط والاستثمار على المدى الطويل

يجب أن تُدرج تقييمات القابلية للانتقال في عمليات التخطيط الطويل الأجل للجيل والإرسال، ويجب على المخططين تقييم ما إذا كانت الحافظات المستقبلية للحفر يمكن أن تستوفي معايير الموثوقية في إطار مجموعة من السيناريوهات الجوية، وهذا يتطلب استخداماً متيناً في عمليات توليد الطاقة وتخزينها وزيادة الشبكات مع وجود قيود على الاستقرار الدينامي، وسيؤدي التعاون الدولي بين المشغلين والمصنعين ومؤسسات البحث إلى تسريع تطوير أفضل الممارسات لتقييم مخاطر الاستقرار.

خاتمة

والانتقال إلى 100 في المائة من الطاقة المتجددة هو تحد هندسي واسع النطاق، ولكنه تحد يمكن إدارته بنجاح باتباع نهج استباقي يستند إلى أسس علمية إزاء مخاطر الاستقرار، كما يجب أن تستوعب نظم الطاقة الحديثة فقدان العوارض، وأن تدار صوراً أكثر تقلباً وفولطاً، وأن تبحر أيضاً في التفاعلات المعقدة لملايين الأجهزة الإلكترونية للطاقة، ومع ذلك فإن نفس التكنولوجيات التي تتيح استخدام أجهزة توليد الطاقة المتجددة - الصمامات، والضوابط الرقمية، والقابلة.

إن الجمع بين منهجيات شاملة لتقييم المخاطر مع النشر الاستراتيجي للمتحولين الذين يعملون على شبكة الإنترنت، ومزودي أجهزة متزامنة، والاستجابة السريعة للتواتر، وإصلاحات السوق، يمكن لمشغلي الشبكات أن يتقاعدوا بثقة من النباتات التقليدية مع الحفاظ على شبكة مستدامة، بل وتحسينها، وتظهر التجارب في جنوب أستراليا وأيرلندا وكاليفورنيا أن الطريق قابل للتطبيق وأن مخاطر الاستقرار يمكن أن تتحول إلى فرص للابتكار.