Table of Contents

ومع ارتفاع الطلب العالمي على الطاقة وازدياد الضغط على إزالة الكربون، تشغل محطات توليد الطاقة الغازية الطبيعية موقعا محوريا في مزيج توليد الكهرباء، وهي توفر جسرا مرنا منخفضا نسبيا بين طاقة التعبئة الأساسية التي تعمل بالفحم وتشابك شبكات الطاقة المتجددة مثل شبكات الرياح والطاقة الشمسية، ومع ذلك لا يمكن فتح إمكاناتها الحقيقية إلا عندما تكون مقترنة بشدة بالتكنولوجيات الحديثة الواسعة النطاق.

ما هي تقنية (سمارت غريد)؟

وفي صميمها، تشكل شبكة ذكية شبكة كهرباء تستخدم تكنولوجيا الاتصالات الرقمية والتشغيل الآلي والاستشعار لرصد وإدارة تدفق الكهرباء من مصادر توليد الطاقة إلى المستعملين النهائيين، خلافا للشبكة التقليدية ذات الاتجاه الواحد التي تُوصل ببساطة القوة وتستجيب للأخطاء، تتيح الشبكة الذكية الاتصال بين المرافق، ونباتات الطاقة، والمستهلكين، ويتيح هذا التبادل الثنائي الاتجاه تحقيق التوازن في الوقت الحقيقي بين العرض والطلب، ودمج قدرات الطاقة الموزعة،

وتشمل العناصر الرئيسية لشبكة ذكية ما يلي:

  • Advanced Metering Infrastructure (AMI): ] Smart meters at client premises provide granular, time-stamped usage data that helps utilities predict demand and detect anomalies.
  • Phasor Measurement Units (PMUs):] These high-speed sensors capture voltage and current phasors across the grid, enabling wide-area situational awareness and early detection of instability.
  • Distribution Automation:] Remotely controlled shiftes, reclosers, and capacitor banks allow for automatic fault isolation and voltage regulation, reducing downtime.
  • Energy Management Systems (EMS) and Distributed Energy Resource Management Systems (DERMS):] These software platforms aggregate data from generation, storage, and loads to optimize grid operations.
  • Internet of things (IoT) sensors:] Temperature, vibration, pressure, and gas analyzers on plant equipment feed condition-based maintenance algorithms.

والشبكة الذكية ليست تكنولوجيا واحدة بل هي تكامل للمعدات والبرامجيات والاتصالات التي تؤدي معا إلى إيجاد نظام أكثر مرونة وكفاءة واستدامة للطاقة.

منافع إدماج غريد الذكية في نباتات القوى الغازية الطبيعية

إن زواج توليد الغاز الطبيعي الذي تتوفر فيه قدرات شبكة ذكية يولد مجموعة من المزايا التشغيلية والاقتصادية والبيئية، وندرس على نحو مفصل أكثر الفوائد تأثيرا.

تعزيز الكفاءة التشغيلية

ويمكن لشبكات الذكاء أن تعمل محطات الغاز الطبيعي في نقاط التحميل المثلى عن طريق المضاهاة المستمرة بين جيل ومؤشرات الطلب في الوقت الحقيقي، وبدلا من أن تعمل في إنتاج ثابت وتعتمد على التقلبات أو التهوية أثناء انخفاض الطلب، يمكن للمصنع أن يخفض إنتاجه باستخدام البيانات من نظام إدارة الطاقة الكهربائية للشبكة، مما يقلل من استهلاك الوقود، ويخفض معدلات الحرارة، ويقلل من سرعة تشغيل الغازات المخفضة.

ويزيد من تحسين الكفاءة التحليلات الافتراضية التي تُستخدم في نماذج التعلم الآلي، إذ إن البيانات التاريخية عن درجة الحرارة المحيطة، والرطوبة، وأنماط الحمل تسمح للمشغلين بالتنبؤ بالدليل المثالي للضغط على المحركات الفارغة أو تدفق البخار إلى التربين، ويمكن لهذه الاستخدامات الدقيقة، التي تُجمع على مدى سنة، أن تُحلق 1.3 في المائة من تكاليف الوقود - التي تعتبر ذات قيمة لمصنع ذروة كبيرة.

تحسين الموثوقية والاستقرار في ظل ظروف الظلم

وكثيرا ما تكلف محطات الغاز الطبيعي بتوفير قدرة احتياطية سريعة التأثُّر لتغطية التغييرات المفاجئة في الناتج المتجدِّد أو المسامير غير المتوقعة للشحن، ويعزز التكامل الشبكي الذكية هذا الدور من خلال إيصال إشارات دون ثانية من مشغلي الشبكات مباشرة إلى نظام مراقبة توليد الطاقة الآلية في المصنع، ويضمن هذا التحكم في المواقع المغلقة أن استجابة المصنع سريعة ودقيقة، مما يقلل من انحرافات الترددات ويحول دون حدوث إخفاقات.

وبالإضافة إلى ذلك، فإن الرصد القائم على الظروف باستخدام أجهزة استشعار إيوت على التوربينات والمولدات والمحولات يسمح بالتنبؤ بالنفقة، وبدلا من أن تكون المخارج المقررة، يمكن للمصنع أن يحدد بدقة تكاليف الصيانة عندما تجتاز العتبات الصحية للمعدات، وتخفض التجاوزات القسرية وتمتد فترة حياة الأصول، كما أن الشبكة الذكية تيسر أيضا قدرات الجزر والسوق السوداء: في حالة انقطاع الكهرباء عن المناطق الصغيرة، يمكن لمصنع الغازي أن يتلقى إشارة إلى بدء تخزين الطاقة الكهربائية.

الدعم المرن للطاقة المتجددة

فالطاقة الشمسية والريحية متغيرة وغير مؤكدة، إذ يمكن لمصانع الغاز الطبيعي، عندما تكون مجهزة بقدرات سريعة وبطاقات ذكية على الشبكة، أن تتحول من الحد الأدنى من الحمولة إلى الناتج الكامل في أسرع وقت من الفحم أو النباتات النووية، مما يجعلها مثل الشركاء في مصادر الطاقة المتجددة، وتنسق الشبكة الذكية هذا الدمج: عندما يخفض مصرف السحب الإنتاج الشمسي، يرسل نظام الرصد البيئي تلقائيا توربين الغازي للتعويض، وضمان التردد والفولط.

وعلاوة على ذلك، يمكن لمصانع الغاز الطبيعي أن تعمل في إطار " عامل " في معظم الساعات، ولا يمكن أن يحرق الوقود إلا عندما تكون مصادر الطاقة المتجددة منخفضة، ويرتفع الطلب، وهذا يقلل من كثافة الكربون الإجمالية، لأن المصنع يتجنب تشغيله في أجزاء غير فعالة خلال فترات توليد الطاقة المتجددة الفائضة، بل إن بعض المشغلين يربطون محطات الغاز بخزن البطاريات في الموقع، مما يسمح لمحطة الغاز بشحن البطاريات عندما يكون الإمداد المتجدد وافاًاًاًاً وتصريفً، عند الحاجة، ويزيد من السلاسة.

خفض الانبعاثات وبصمات الأثر البيئي

وتترجم المكاسب الناتجة عن زيادة الكفاءة من التكامل الشبكي الذكي مباشرة إلى انخفاض الانبعاثات لكل ساعة من ساعات عمل الميغاوات، ويمكن أن يؤدي تحسين معدل الحرارة ل500 محطة من محطات الغاز المستنفد العاملة سنوياً إلى تخفيض انبعاثات ثاني أكسيد الكربون بنحو 000 15 طن متري سنوياً، كما أن الضوابط المتعلقة بالغاز الذري تقلل من تسريبات الميثان - وهي أكثر عناصر غازات الدفيئة قوة من الغاز الطبيعي، وذلك بضمان اكتمال الاحتراق وعدم حدوث اختراق في الغازات.

وفيما عدا ثاني أكسيد الكربون، يمكن للتكامل الذكي أن يقيد انبعاثات ثاني أكسيد النيتروجين وثاني أكسيد النيتروجين، وتستخدم دروساً في الحرق في الوقت الحقيقي للحفاظ على نسب الوقود الجوي المثلى، مما يقلل من تكوين أكسيد النيتروجين، أما بالنسبة للنباتات التي تستخدم استخدام الكربون وتخزينه، فإن بيانات الشبكة الذكية يمكن أن تحدد مواعيد عمليات الإمساك خلال انخفاض أسعار الكهرباء، مما يقلل من الحمل الطفيلي على المصنع.

المزايا الاقتصادية للمشغلين والمستهلكين

ومن الناحية المالية، يتيح تكامل الشبكات الذكية لمصانع الغاز الطبيعي المشاركة بفعالية أكبر في أسواق الكهرباء بالجملة، إذ تتيح إشارات الأسعار في الوقت الحقيقي للمصنع زيادة إنتاجه بذكاء عندما تتجاوز الأسعار تكلفته الهامشية وتتوقف عند هبوط الأسعار، ويحسن هذا السلوك المستجيب للأسعار الربحية ويخفض متوسط تكاليف الكهرباء للمستهلكين عن طريق خفض الاعتماد على وحدات الذروة الباهظة.

وعلاوة على ذلك، فإن الصيانة القائمة على الظروف تخفض حالات الخروج غير المخطط لها، التي تكون باهظة التكلفة للغاية - وهي عملية تخل قسرية في توربين كبير من الغازات يمكن أن تكلف مئات الآلاف من الدولارات يوميا في شراءات ضائعة للإيرادات واستبدال الطاقة، ومن خلال التقليل إلى أدنى حد من هذه الأحداث، يحمي التكامل الذكي خط النبات السفلي ويعزز موثوقية الشبكة.

How Smart Grid Integration Works in Practice

ويشمل تنفيذ التكامل الذكي لشبكات محطات الغاز الطبيعي عدة طبقات من التكنولوجيا وتغيرات سير العمل، ويمكن تقسيم العملية إلى مجموعات من البيانات والتحليلات والتحكم وثغرات التغذية المرتدة.

اقتناء البيانات والاتصالات

ويبدأ الاندماج بتركيب أجهزة الاستشعار في جميع أنحاء المصانع على متن التربينات، وأجهزة الضغط، ورياح المولدات، وقطع العادم، والنظم الفرعية المساعدة، وتغذي هذه أجهزة الاستشعار بيانات عن تاريخ على نطاق النباتات، مثل نظام الاتصالات السلكية واللاسلكية بين المنشآت أو نظام سيمينس أومنيفيز، وتصدر في نفس الوقت أرقاماً مصغرة عن مواقع التحميل الخارجي:

وتوفر الهياكل الأساسية المتقدمة للمعدات في جانب المرافق بيانات حمولة قريبة من الزمن من ملايين النقاط النهائية، في حين أن وحدات قياس المراحل في حافلات النقل الرئيسية تعطي نظرة واسعة النطاق لديناميات الشبكات، وهذه الثروة من البيانات هي أساس اتخاذ القرارات الذكية.

التحليلات المتقدمة والتعظيم

البيانات وحدها ليست كافية، ويجب تحليلها لإنتاج أفكار قابلة للتنفيذ، كما أن خوارزميات التعلم الآلاتي يتم تدريبها على البيانات التاريخية للتنبؤ بموجات الطلب، وتحديد نقاط الحمل المثلى، واكتشاف الشذوذ الذي يشير إلى فشل المعدات الوشيكة، فعلى سبيل المثال، يمكن للشبكة العصبية المتكررة التنبؤ بالشحنة في اليوم التالي مع خطأ في خطيــة شراء تبلغ نسبتها ٢-٣ في المائة، مما يتيح لفريق المصانع إرسالها.

والتحكم التوقعي النموذجي هو أداة قوية أخرى، وهو يستخدم نموذجا ديناميا لدورة توربين الغاز - بما في ذلك الضغط والحرق والتركيب - لمراعاة مواقع الصمامات المثلى وتدفق الوقود على أفق زمني متجدد، ويمكن للحركة أن تعالج قيودا متعددة في آن واحد: الحدود القصوى لمعدلات الانبعاث، والحد الأدنى للزيادة/الحد الأدنى، والحدود القصوى لاستقرار الشبكات.

مراقبة التوقيت الحقيقي والتجهيز

وترسل النواتج إلى أقصى حد على أنها نقاط محددة لنظام مراقبة المصنع الموزع، وتقوم دائرة خدمات الدعم الوطنية بتعديل صمامات الوقود، وفتح الشاحنات، وربط صمامات دخول البخار بالتربين، وبناء على ذلك، وفيما يتعلق بمصانع الدراجات المشتركة، يقوم التكامل الذكي أيضا بتنسيق مولد البخاري للتعافي من الحرارة، وتربين البخاري لتحقيق أقصى قدر من الكفاءة العامة.

وعلى جانب الشبكة، يقوم جهاز التحكم الآلي التابع لجهاز إدارة الطاقة التابع للشبكة باستمرار بإرسال إشارات إلى محطات الغاز المشاركة من خلال بروتوكول الاتصال المفتوح، ويترجم جهاز استقبال المفاعلات إلى تغييرات في إنتاج الطاقة، ويحافظ هذا النظام المغلقة على توازن الشبكة بين الجيل والحمولة في جميع الأوقات، حتى عندما يتحول من جزيرة إلى طريقة متصلة بالشبكة.

الاستجابة للطلب ونباتات الطاقة الافتراضية

ويمكن لمصانع الغاز الطبيعي أيضاً أن تشارك في برامج الاستجابة للطلبات عن طريق الإسراع في تخفيض ناتجها الصافي (أو زيادة ذلك) استجابة لإشارة السوق، وفي بعض التشكيلات المتقدمة، يتم تجميع توربين الغاز الطبيعي مع سائر أنواع الموارد المرنة، والتحميل الصناعي القابل للتقليص، بل وحتى أجهزة شحن المركبات الكهربائية - في محطة توليد الطاقة الافتراضية، وتُعمد هذه التركة بواسطة نظام إدارة خفض الانبعاثات الناجمة عن إزالة الانبعاثات الناجمة عن إزالة الانبعاثات الناجمة عن إزالة الانبعاثات الناجمة عن إزالة الانبعاثات الناجمة عن إزالة الغابات وتدهورها إلى أقصى حد ممكن.

التحديات والنظر في المسألة

وفي حين أن الفوائد هي مُلحة، فإن تكامل الشبكات الذكية لمصانع الغاز الطبيعي لا يُواجه دون تحديات، بل يجب التصدي لها لتحقيق كامل إمكانات التكنولوجيا.

مخاطر الأمن السيبرى

كما أن زيادة الربط التي تتيح تحقيق الاستخدام الأمثل في الوقت الحقيقي تزيد من سطح الهجوم، كما أن وجود مجموعة إلكترونية على نظام مراقبة محطة الغاز يمكن أن يسبب أضرارا مادية أو عدم استقرار الشبكات أو حتى انقطاعاً، كما يجب على المرافق ومشغلي المنشآت أن ينفذوا أطراً قوية لأمن الفضاء الإلكتروني، بما في ذلك تقسيم الشبكة، والاتصالات المشفرة، والتوثيق المتعدد الأطراف، والرصد المستمر لسلوك أساسي سام.

قابلية التشغيل البيني وتوحيد البيانات

وكثيرا ما يشمل التكامل الشبكي الذكي معدات وبرامجيات من بائعين متعددين، كل منها ببروتوكولاته الخاصة وصيغ بياناته، ويتطلب تحقيق قابلية التشغيل المتبادل غير المستقر بين نظام إدارة السلع الأساسية لضبط الغازات، ونظام إدارة المنافع، ومنصة تحليلية من طرف ثالث، كما أن جهود الصناعة مثل معيار التعقد في مجال تبادل البيانات بين الأجهزة المفتوحة المصدرة للغاز، ومعاينة تركيبات نموذجية لتبادل المعلومات.

الحواجز التنظيمية والأسواق

وفي بعض المناطق، لا تعوض قواعد سوق الكهرباء بالجملة بعد بالكامل محطات الغاز عن خدمات المرونة التي تقدمها عند دمجها مع شبكة ذكية، وكثيرا ما تعوض أنظمة التردد، واحتياطيات التموين، والدعم بالفولط بأسعار منخفضة أو تُجمع في مدفوعات الطاقة، كما أن الأطر التنظيمية التي تقدر على النحو الصحيح هذه الخدمات الإضافية يمكن أن تحفز على زيادة الاستثمار في الإضراب الذكي.

الفترة الزمنية للنفقات الرأسمالية واستحقاقات المرتبات

فرفع محطة الغاز الطبيعي ذات القدرات الجديدة - أجهزة الاستشعار الحديثة، والبنى التحتية للاتصالات، والمنصات التحليلية - تتطلب رأسمالاً عالياً كبيراً بالنسبة للمصانع القديمة، قد يكون من الصعب تبرير التكلفة، لا سيما إذا كانت الحياة التشغيلية المتبقية للمصنع قصيرة، غير أن فترة الانتقام يمكن أن تكون قصيرة إلى سنتين وخمس سنوات عندما تُراعى في وفورات الوقود، أو في الصيانة المحدودة، أو تحسين توافر الأعمال التجارية.

التدريب على القوى العاملة والتغيير التنظيمي

ويتطلب تكامل الشبكة الذكية وجود قوة عاملة مرتاحة مع تحليل البيانات وأمن الفضاء الإلكتروني ونظم المراقبة الآلية، وقد تم تدريب العديد من المشغلين والمهندسين الحاليين في النظم الميكانيكية والحرارية، وليس الضوابط الرقمية، ويلزم توفير تدريب كبير، وأحيانا تعيينات جديدة لإدارة عملية الانتقال، وبالإضافة إلى ذلك، فإن التحول إلى صنع القرار القائم على البيانات يمكن أن يتحد من الثقافات التنظيمية الراسخة التي تعتمد على أساليب التشغيل الثابتة والمحافظة.

التوقعات المستقبلية

وسيعمق إدماج محطات توليد الطاقة الغازية الطبيعية التي تستخدم تكنولوجيا الشبكات الذكية على مدى العقد القادم، وذلك بفضل عدة اتجاهات رئيسية.

الاستخبارات الفنية والتعلم الآتي

وسوف تتجاوز منظمة العفو الدولية عمليات الصيانة المتوقعة إلى عمليات مستقلة، ويمكن أن تتعلم نظم التكافل المعززة سياسات الإرسال الأمثل لمصنع الغاز الذي يتفاعل مع شبكة ذكية، ويحسن الأداء باستمرار دون تدخل بشري، وسيتيح التواؤم الرقمية - الارتداد الفيذيائي للنباتات المادية - للمشغلين حفز السيناريوهات واستراتيجيات مراقبة الاختبارات، ثم نشرها في الوقت الحقيقي، مما سيزيد من قدرة النباتات على الوصل إلى الاضطرابات والشبكية.

إدارة الهيدروجين والكربون

ومع تسارع عملية الانتقال في الطاقة، ستتزايد مصانع الغاز الطبيعي في مزيجها من الهيدروجين، وستكون الشبكة الذكية أساسية لتحقيق الاستخدام الأمثل لإنتاج الهيدروجين (عن طريق التحلل الكهربائي) وزمن التخزين، والتنسيق مع توليد الطاقة المتجددة لإنتاج الهيدروجين الأخضر عندما تكون الكهرباء رخيصة، كما أن نظم احتجاز الكربون ستكون مبرمجة بدقة على أساس ظروف الشبكة وأسعار الكربون، كما أن شبكة ذكية يمكن أن تتعقب كثافة الكربون في الوقت الحقيقي ستمكن من " الزراعة " .

توسيع نطاق دور موارد الطاقة الموزعة

وستتضاءل الحدود بين محطات الغاز المركزية والموارد الموزعة، وبدلا من أن تُرسل فقط بفائدة مركزية، ستشارك محطات الغاز في أسواق الطاقة التفاعلية، حيث تستجيب لإشارات الأسعار من ملايين الأجهزة الذكية في المنازل والأعمال التجارية، ولا تؤدي الميكرويين التي تشمل توربين الغاز، والألواح الشمسية، والبطاريات، وشحنات المركبات الكهربائية إلى زيادة القدرة على مواجهة شبكات الطاقة المحلية إلا عند الحاجة.

سائقو السياسات التنظيمية

وتقوم الحكومات في جميع أنحاء العالم بوضع أهداف عدوانية لتطهير الكربون وتحديث شبكة التمويل، حيث إن مبادرة تحديث المحاجر التي وضعتها إدارة الطاقة بالولايات المتحدة وفرقة العمل المعنية بمصائد الأسماك الذكية التابعة للاتحاد الأوروبي تضغطان على معايير التشغيل المتبادل والمشاريع التجريبية، ومع نضج هذه السياسات، فإن محطات الغاز الطبيعي التي تتبنى تكاملا تاما ستكون في وضع أفضل للامتثال لحدود الانبعاثات في المستقبل وتأمين اتفاقات طويلة الأجل لشراء الطاقة.

خاتمة

فتكامل الشبكة الذكية يؤدي إلى تحويل محطات توليد الطاقة الغازية الطبيعية من المولدات الثابتة إلى أصول ذكية وذكية يمكنها أن تحقق أقصى قدر من عملياتها، مع دعم شبكة أنظف وأكثر موثوقية، وتحسين الكفاءة، والتكامل المرن للمتجدد، وانخفاض الانبعاثات، وجعلها أكثر إلحاحا، مع نضج تكاليف التكنولوجيا، وبلوغ المعايير، وما زالت التحديات المتعلقة بالأمن السيبراني، والقدرة على التشغيل المتبادل، وتنمية القوة العاملة قائمة على ما هو عليه.

For further reading: ]U.S. Department of Energy Grid Modernization Initiative, ]IEA World Energy Outlook 2023, IEE Smart Grid Resources.