ويُعزى قطاع الطاقة العالمي إلى أكبر حصة من انبعاثات غازات الدفيئة، حيث يضع الشبكة الكهربائية في مركز التحدي المتعلق بالمناخ، ونظراً لارتفاع الطلب على الكهرباء بسبب كهربة النقل والتدفئة والصناعة، فإن الحاجة إلى إزالة الكربون من حيث العرض أمر عاجل، إذ أن مهندسي نظم الطاقة هم المهندسون الفنيون المعماريون والمشغلون الذين يديرون هذا التحول، وقد توسع دورهم من ضمان استقرار التطاير والتواتر إلى إنشاء نظام إيكولوجي للطاقة في المستقبل يتسم بالتعقيد واللامركزية وبتحرر من الكربون.

الولاية المتطورة لمهندس نظام السلطة

فالولاية التقليدية لمهندس نظام الطاقة تركز على تدفق الطاقة غير المباشرة من المولدات المركزية الكبيرة إلى المستعملين النهائيين، ويعطل التحول الصافي إلى الصفر هذا النموذج بصورة أساسية، ويجب على المهندسين الآن أن يدمجوا آلاف المولدات الصغيرة والمتغيرة - الطاقة الشمسية والمركبات الكهربائية ومزارع الرياح - داخل شبكة متماسكة واحدة، ويتطلب هذا التحول اعتماد تقييم مخاطر محتمل على مخططات نظم الطاقة المولدة اليوم.

العناصر التقنية في الشبكة - زيرو غريد

ويرتكز بناء شبكة قادرة على دعم 100 في المائة من الكهرباء النظيفة على عدة ركائز تقنية، كل منها يحتاج إلى خبرة هندسية عميقة.

تحديث الأحشاء: بناء الطرق السريعة للطاقة النظيفة

(د) البنية التحتية الحالية للنقل، التي تُبنى إلى حد كبير لمصانع الطاقة الوقود الأحفوري، لا يمكن في كثير من الأحيان الوصول إلى أفضل الموارد المتجددة، ويقوم مهندسو نظام الطاقة بدور قيادي في نشر خطوط التيار المباشر العالية الفولط، التي تنقل الطاقة على مسافات طويلة بأقل قدر من الخسائر.

تخزين الطاقة: قانون الموازنة

(ب) [تغيير الطاقة الريحية والشمسية يجعل تخزين الطاقة عنصراً أساسياً في شبكة صافية الصفر، ويدمج مهندسو نظم الطاقة حافظة متنوعة من حلول التخزين، ويوفر تخزين البطاريات ذات الترددات السريعة الاستجابة والقدرة على التصريف القصير، وبالنسبة للاحتياجات الطويلة الأجل، يمكن للمهندسين نشر مخزون مضخ، وتخزين الطاقة الكهربائية المكبوتة، وإنتاج الهيدروجين الأخضر عن طريق نماذج الوقود الكهربي المتطورة.

Smart Grids and Digitalization: Controlling the Complexity

(د) إدارة شبكة عالية التجديد مستحيلة بدون تكنولوجيات رقمية متقدمة، ويقوم مهندسو نظام الطاقة بتنفيذ نظم متقدمة لإدارة التوزيع ونظم إدارة موارد الطاقة الموزعة، وتتيح هذه البرامج رؤية ومراقبة في الوقت الحقيقي لملايين الأجهزة، وتستخدم البيانات المستمدة من أجهزة القياس الذكية، وأجهزة الاستشعار على خطوط التردد، ووحدات القياس التدريجي، وكشف المهندسين، وتوقعات الأجهزة، وتوقعات الصيانة الفعالة.

إدماج الطاقة المتجددة المتغيرة

وتتمثل مهمة يومية أساسية للمهندسين في إدارة التقلبات المتأصلة في توليد الرياح والطاقة الشمسية، ويشمل ذلك تحسين نماذج التنبؤ بالطقس وتطوير تكنولوجيات متطورة لللافقارات تتيح للمتجددين توفير خدمات دعم الشبكة، مثل مراقبة الفولط والتوتر الاصطناعي، ويحتاج المهندسون الذين يصممون شبكات الكهرباء الهجينة التي تجمع بين الرياح والطاقة الشمسية والتخزين خلف نقطة اتصال واحدة، وتيسر إنتاج المواد وتخفض الكتلة.

التحديات التشغيلية والحلول الهندسية

ويطرح الانتقال إلى الشبكة تحديات تشغيلية معقدة يتعين على مهندسي نظم الطاقة أن يحلوها للحفاظ على شبكة مستقرة وموثوقة.

القوة والانتقال

فالمولدات الكهربائية التقليدية المتزامنة (الفحم والغاز والنووية) توفر في جوهرها نقصا في الطاقة وخطئا في القوة الحالية، مما يثبّت الشبكة أثناء الاضطرابات، ولا توفر الموارد المتقلبة مثل الطاقة الشمسية والريحية هذه الخدمات، ومن الطبيعي أن يعمل مهندسو نظم الطاقة على توفير وسائل ثابتة للشبكات يمكن أن تخلق مرجعا ثابتا للفولاذ وتوفر الاضطرابات الاصطناعية.

التحكم في التطاير والتواتر

أما الحفاظ على التطاير والتواتر في إطار التهاون الصارم فيكون أكثر تعقيدا في شبكة لا مركزية، فخلافا لمصانع الطاقة الكبيرة، لا يمكن إرسال البطاريات الشمسية والصغيرة التي تحلق فوق السطح مركزيا من قبل مشغل واحد، ويعتمد المهندسون على متحكمين ذكاء موزعين ومعايير محايدة ذكية مثل IEE 1547-2018 لتنسيق هذه الأجهزة، وتستلزم استراتيجيات المراقبة الهرمية من مراقبة أجهزة التدوير المحلية إلى الحد الأمثل، وإدارة عمليات النقل السريع.

الأمن السيبرى والقدرة على التكيف المادي

ومع تزايد عدد الشبكات الرقمية والمترابطة، تزداد قابلية تأثرها بالهجمات الإلكترونية، إذ أن مهندسي نظم الطاقة مسؤولون عن تصميم نظم ذات أمن في ذهنهم، ويشمل ذلك تنفيذ عمليات تقسيم الشبكات، ونظم كشف الاقتحام، وبروتوكولات اتصال مأمونة تستند إلى أطر مثل إطار الأمن الإلكتروني للسيارات، وفيما عدا أمن الفضاء الإلكتروني، يجب على المهندسين أن يقوّدوا الشبكة المادية ضد آثار تغير المناخ نفسه - من الحرائق البرية والأعاصير إلى التخطيط للفيضانات.

السياسات والاقتصاد وتصميم الأسواق

فالحلول التقنية وحدها ليست كافية، إذ يقدم مهندسو نظم الطاقة التحليل الكمي الذي يقوم على سياسات الطاقة الفعالة وتصميم الأسواق.

الناتج الهندسي لسياسة إزالة الكربون

ويُعدّ المهندسون نموذجاً لموثوقية وتكلفة مختلف معايير حافظة الطاقة المتجددة، وآليات تسعير الكربون، وولايات الكهرباء النظيفة، ويساعد تحليلهم واضعي السياسات على فهم المفاضلات بين مختلف المسارات إلى صافي الصفر، ويحدّد نماذج تكاليف الإنتاج ونماذج توسيع القدرات المكوّنة المثلى من موارد توليد الطاقة وتخزينها ونقلها اللازمة للوفاء بالأهداف البيئية بأقل تكلفة مع الحفاظ على كفاية الموارد، ويسترشد هذا التحليل مباشرة بالسياسات الرئيسية مثل قانون خفض التضخم في الولايات المتحدة والاتحاد الأوروبي في الولايات المتحدة.

تحديث الترابط والتعريفات

وكثيرا ما تكون عملية ربط المولدات الجديدة بالشبكة بطيئة ومكلفة، ويقوم مهندسو نظام الطاقة بوضع إجراءات جديدة للترابط، مثل مجموعات " الجاهزة الأولى، أو المزودة بخدمة أولى " ، وعمليات دراسة أسرع، على تراكم الأعمال، كما أنهم يصممون تعريفات للكهرباء التجزئة تشجع المستهلكين على نقل الطلب إلى أوقات توليد الطاقة المتجددة العالية، مما يتيح تحسين تكامل الموارد الموزعة والمركبات الكهربائية، كما أن السياسات الهندسية الموزعة على أسواق الاتحاد الدولي لبحوث اقتصاديات في الولايات المتحدة.

The Future Toolbox: Advanced Technologies

وستمكن عدة تكنولوجيات ناشئة مهندسي نظم الطاقة من التعجيل بالانتقال إلى الشبكة الصفرية.

The concept of the Digital Twin - a real-time virtual replica of the physical grid-allows engineers to simulate and test operational strategies without risk. Artificial intelligence] moves beyond forecasting to optimize the millions of distributed resources in milliseconds.[

خاتمة

إن تحقيق انبعاثات صافية صفرية هو في المقام الأول مهمة تقنية هائلة، إذ أن مهندسي نظام الطاقة هم المهنيون الأساسيون الذين يصممون ويبنيون ويديرون البنية التحتية للطاقة في المستقبل، ويحلون التحديات المعقدة، من الحفاظ على الاستقرار في شبكة منخفضة الارتداد إلى تكامل ملايين الموارد الموزعة، ويحتاج عملهم إلى معرفة تقنية عميقة، وإلى تفكير ابتكاري، وإلى تعاون وثيق مع واضعي السياسات، ومع سرعة العالم نحو مستقبل للطاقة النظيفة، لم يكن دور مهندس نظام الطاقة المركزي أبدا.