دور هندسة الطاقة في تحقيق أهداف التنمية الحضرية المستدامة

مؤسسة هندسة الطاقة كعنصر من عناصر التنمية الحضرية المستدامة

وتشكل المراكز الحضرية محركات النمو الاقتصادي العالمي، ولكنها تمثل أيضا أكثر من 70 في المائة من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون العالمية المتصلة بالطاقة، ومع توسع المدن، يكثف الضغط على الهياكل الأساسية للطاقة، مما يؤدي إلى إجهاد الشبكات، وتدهور نوعية الهواء، وارتفاع تركيزات غازات الدفيئة، وتوفر هندسة الطاقة مسارا منهجيا يحركه التكنولوجيا لتحويل كيفية إنتاج المدن وتوزيعها واستهلاك الطاقة، وذلك عن طريق تصميم نظم متكاملة تحقق أقصى قدر من الكفاءة مع التقليل إلى أدنى حد من التأثير البيئي.

Understanding the Urban Energy Challenge and the SDGs

ولا تشغل المدن سوى نحو ٣ في المائة من سطح الأرض للأرض، ولكنها تستهلك ما يقرب من ٧٨ في المائة من الطاقة الأولية في العالم، وهذا التركيز من الطلب يخلق نقاط ضعف ونقاط نفوذ على السواء، ويحدد جدول أعمال الأمم المتحدة لعام ٢٠٣٠ ١٧ مجموعة من الأهداف الإنمائية التي تعالج بصورة جماعية الاستدامة الاجتماعية والاقتصادية والبيئية، وفيما يتعلق بنظم الطاقة الحضرية، فإن ثلاثة أهداف لها أهمية خاصة:

Goal 7 - Affordable and Clean Energy:] Ensuring universal access to affordable, reliable, and modern energy services, while significantly increasing the share of renewable energy and doubling the global rate of improvement in energy efficiency.
Goal 11 - Sustainable Cities and Communities:] Making cities inclusive, safe, resilient, and sustainable, with a focus on access to adequate housing, transport, and green public spaces, as well as reducing the environmental impact of cities per capita.
Goal 13 - Climate Action:] Integrating climate change measures into national policies, strategies, and planning, including building resilience and adaptive capacity to climate-related hazards.

فهندسة الطاقة تتداخل مباشرة مع كل هدف من هذه الأهداف، فعلى سبيل المثال، يؤدي تصميم نظام لتدفئة المناطق يستخدم حرارة النفايات من النباتات الصناعية إلى خفض تكاليف الطاقة والانبعاثات (الهدفان 7 و 13) وتنفيذ ضوابط بناء ذكية تكيف الإضاءة والتردد العالي على أساس الشغل إلى تحسين كفاءة الطاقة مع تعزيز الراحة بين شاغلي هذه المواد (الهدف 11 المشجع).

المساهمات الأساسية لهندسة الطاقة في الاستدامة الحضرية

إن هندسة الطاقة هي نظام مطبق يجمع بين المبادئ من الهندسة الميكانيكية والكهربائية والمدنية والبيئية لإنشاء نظم للطاقة تتسم بالكفاءة والموثوقية وانخفاض الكربون، وفي السياق الحضري، يتناول الميدان عدة مجالات رئيسية:

تجديد تكامل الطاقة وتوليدها الموزع

ويأتي الانتقال من محطات الطاقة الكهربائية المركزية للوقود الأحفوري إلى مصادر الطاقة المتجددة الموزعة أساساً إلى المدن المستدامة، ويقيِّم مهندسو الطاقة الطاقة الطاقة الطاقة الشمسية من خلال نظم المعلومات الجغرافية، ويضعون في المائة من مصممات الطاقة الكهربائية المدمجة التي تُستخدم في تركيبات الطاقة الشمسية، والتي تُدرَج في أسطحها ومتغيرات في المتغيرات.

Smart Grids and Advanced Distribution Management

وشبكات الكهرباء التقليدية هي خطوط أنابيب من محطات توليد الطاقة الكبيرة إلى المستهلكين، وتتحول شبكات الذكاء هذه الشبكة إلى شبكة ذات اتجاهين وثراء للبيانات قادرة على تحقيق الاستخدام الأمثل في الوقت الحقيقي، ويقوم مهندسو الطاقة بتصميم هيكل الاتصالات ونظم التشغيل الآلي وبرامجيات المراقبة التي تتيح شبكة ذكية للقيام بما يلي:

رصد الظروف المحيطة بالشبكة وإعادة توجيه الطاقة تلقائياً أثناء فترات انقطاع الكهرباء.
دمج آلاف صفائف الطاقة الشمسية السطحية والمركبات الكهربائية في محطات الشحن دون تطاير أو تردد مزعزع للاستقرار.
تنفيذ تسعير استخدامات ممتدة إلى حد بعيد، مما يحفز المستهلكين على تحويل استخدام الطاقة إلى فترات متناهية.
وتوفر " محطات توليد الطاقة " التي توفر فيها البطاريات المجمّعة والمركبات الإلكترونية والأجهزة الذكية خدمات الشبكة.

وتعتمد نظم إدارة المواصفات المتقدمة ونظم إدارة التوزيع اعتمادا كبيرا على الخبرة الهندسية للطاقة، فعلى سبيل المثال، نشرت مدينة أوستن، تكساس، شبكة ذكية وفرت أكثر من 20 مليون دولار من تكاليف توليد الطاقة في السنوات الخمس الأولى، بينما تدمج 25 في المائة من الطاقة المتجددة دون المساس بالموثوقية.

تصميم ومراجع بناء الطاقة بكفاءة

وتمثل المباني نحو 40 في المائة من استخدام الطاقة الحضرية وثلث انبعاثات غازات الدفيئة، وتشمل استراتيجيات هندسة الطاقة للمباني ما يلي:

Passive design:] Optimizing orientation, insulation, glazing, and natural ventilation to reduce heating and cooling loads.
High-efficiency HVAC systems:] Variable refrigerant flow (VRF) systems, heat recovery ventilators, and radiant heating/cooling that cut energy use by — 3050% compared to conventional systems.
Building functioning systems (BAS): ] Sensors, controllers, and software that continuously optimize lighting, temperature, and plug loads.
Net —Net —zero energy design:] Combining super-efficient envelopes with onsite renewable generation so that a building produces as much energy as it consumes annually.

وتتيح المباني الموجودة أكبر فرصة لإعادة استخدام الطاقة، ويقوم مهندسو الطاقة بإجراء عمليات مراجعة للطاقة باستخدام التصوير الحراري، وسجلات البيانات، واختبارات الهواء الطلق لتحديد أوجه القصور، ويمكن أن تؤدي حالات إعادة الإضاءة مثل رفع مستوى الأجهزة المتفجرة المرتجلة، وتركيب إحصاءات الحرارة الذكية، وإضافة العزل إلى خفض استهلاك الطاقة بنسبة 20 إلى 40 في المائة مع فترات انتكاس تقل عن خمس سنوات.

كهرباء النقل الحضري والحركة الدقيقة

ويشكل النقل أسرع مصدر متنام للانبعاثات الحضرية في مناطق كثيرة، ويسهم مهندسو الطاقة في التنقل المستدام عن طريق ما يلي:

EV charging infrastructure design:] Siting, sizing, and integrating fast —chargers into the grid while managing transformer loads and top demand.
Wireless inductive charging for buses and taxis that enables opportunity charging during short stops.
Smart fleet management systems] that optimize routes to minimize energy consumption and match EV charging schedules with renewable availability.
Integration of micro-mobility options (e‐bikes, e--scooters) with public transit using energy —efficient batteries and swappable bat schemes.

ومن الحالات المعروفة جيداً هي شينزهين، الصين، التي حولت أسطولها بأكمله من أكثر من 000 16 حافلة إلى مركبات تعمل بالبطارية الكهربائية، وصمم مهندسو الطاقة مستودعات الشحن، ومحطات تبديل البطاريات، وتعزيز الشبكات التي جعلت الانتقال ممكناً، مما أدى إلى انخفاض بنسبة 48 في المائة في انبعاثات الكربون من النقل العام.

Waste — TO —Energy and Circular Economy Integration

كما أن مجرى النفايات الحضرية يمثل فرصة متغيبة للطاقة، إذ أن مهندسي الطاقة يصممون نفايات الطاقة من أجل الطاقة التي تستخدم الحرق أو التغويز أو الهضم الهوائي لتحويل النفايات الصلبة البلدية إلى الكهرباء أو الحرارة أو الوقود الأحيائي، كما أن مرافق الطاقة المتجددة تحقق كفاءة كهربائية تزيد على 25 في المائة وتخفض حجم مدافن القمامة بنسبة تصل إلى 90 في المائة.

نظم الطاقة المحلية والشبكات الحرارية

وتوزع شبكات التدفئة والتبريد في المناطق مياه ساخنة أو باردة من منشأة مركزية (أو مصانع متعددة) إلى مبان متعددة، ويسمح مهندسو الطاقة بتصميم هذه النظم بالاستفادة من وفورات الحجم، واستعادة حرارة النفايات، والتخزين الموسمي للحرارة، مثلا في ستوكهولم، يستخدم نظام لتبريد المياه العميقة للتبريد الحر، مما يخفض استخدام الكهرباء بنسبة 80 في المائة مقارنة بالمبردات التقليدية.

التحديات في تنفيذ الحلول الهندسية للطاقة الحضرية

وعلى الرغم من النضج التقني للعديد من الحلول الهندسية للطاقة، فإن الاعتماد الواسع النطاق في المدن يواجه عقبات كبيرة:

التكاليف الرأسمالية العليا

وتتطلب نظم الطاقة المتجددة والهياكل الأساسية للشبكات الذكية وأجهزة إعادة البناء العميقة استثمارات أولية كبيرة، ورغم أن وفورات تكاليف دورة الحياة كثيرا ما تبرر النفقات، فإن البلديات وملاك المباني الخاصة كثيرا ما يفتقرون إلى ميزانيات رأس المال أو يواجهون أولويات متنافسة، ويساعد مهندسو الطاقة في وضع خطط تنفيذ تدريجية تعطي الأولوية لتدخلات أعلى مستوى من حيث العائد أولا، ومن خلال إجراء تحليل مالي صارم يشمل تجنب تكاليف الكربون، وتصاعد أسعار الطاقة، والمنافع العامة.

التنظيم والسياسات

وتمتد نظم الطاقة الحضرية لتشمل مجالات تنظيمية متعددة: رموز البناء، وتعريفات المرافق، وقواعد الربط الشبكي، والتصاريح البيئية، والتخطيط لاستخدام الأراضي، وقد يحتاج التركيب الشمسي إلى موافقة من المرافق الكهربائية، وإدارة تخطيط المدن، ولجنة الطاقة الحكومية، مما يؤدي إلى تأخيرات وعدم يقين، ويمكن لمهندسي الطاقة الدعوة إلى تبسيط العمليات وتوفير الخبرة التقنية لصانعي السياسات الذين يضعون خططا متكاملة للموارد.

قابلية التشغيل المتبادل وسلاح البيانات

وكثيرا ما تستخدم أجهزة الشبكة الذكية (المقاييس، أجهزة الاستشعار، المفارز) من مختلف الجهات المصنعة بروتوكولات الاتصالات الخاصة بالملكية، مما يجعل من الصعب إدماج النظم، ونادرا ما تتقاسم البيانات المتعلقة ببناء الطاقة مع متعهدي الطاقة في المقاطعات أو سلطات العبور، مما يحول دون تحقيق الاستخدام الأمثل الكلي، ويتزايد اعتماد مهندسي الطاقة معايير مفتوحة مثل IE 1547 فيما يتعلق بالربط الشبكي وبهستاك من أجل بناء البيانات، ولكن الاعتماد الواسع النطاق لا يزال عملا جاريا.

قفزة المهارات وتنمية القوى العاملة

ويقتضي التغيير التكنولوجي السريع أن يقوم مهندسو الطاقة باستمرار بتحديث مهاراتهم في النمذجة الرقمية، وأمن الفضاء الإلكتروني، وتحليل البيانات، كما تفتقر العديد من البلديات إلى موظفين ذوي خلفية تقنية لتقييم المقترحات المعقدة المتعلقة بهندسة الطاقة، كما أن الشراكات بين الجامعات والمجتمعات المهنية (مثلاً الرابطة الدولية لدراسات المحيطات، ورابطة الدول المستقلة، ورابطة الدول المستقلة، ورابطة الدول المستقلة، وحكومات المدن تساعد على سد هذه الفجوة من خلال مواصلة برامج التعليم والاعتماد.

الفرص والاتجاهات الناشئة

وتخلق عدة تطورات إمكانيات جديدة لهندسة الطاقة للتعجيل بالتنمية الحضرية المستدامة:

التوائم الرقمية والعمليات المعززة

ويُعد التوأم الرقمي نسخة افتراضية من نظام الطاقة المادية (وهو مبنى، أو شبكة تدفئة في المقاطعات، أو شبكة مدينة بأكملها) يجري تحديثها باستمرار مع بيانات في الوقت الحقيقي، ويستخدم مهندسو الطاقة التوأم الرقمي لتشغيل السيناريوهات القائمة على التقلبات، ويُحدّدون استراتيجيات الرقابة على النحو الأمثل، ويُتوقع أن تُحدث الأجهزة الخلوية من البيانات التاريخية، وأن تُعدّل قواعد تحديد المواقع الزمنية للشحن/الضرر.

شبكة الإنترنت للأشياء (IoT) وحساب إدج

ويسمح جهاز الاستشعار من حيث التكلفة والأجهزة ذات الصلة بالسحابية برصد ومراقبة استخدام الطاقة في مجال رطوبة الأجهزة الفردية، ويتيح استخدام نظام الحوسبة في الوقت الحقيقي دون إرسال جميع البيانات إلى حاسوب مركزي، مما يقلل من الاحتياجات من الترددات والزوارق، ويدمج مهندسو الطاقة منابر إيوت بنظم إدارة المباني من أجل إتاحة إمكانية استخدام الطاقة على نحو أمثل في المكاتب التجارية.

Community —Scale Microgrids

فبدلا من الاعتماد على الشبكة الرئيسية فقط، يمكن للمجتمعات المحلية أن تشكل شبكات كهربائية محمية بالميكريدات يمكن أن تعمل بصورة مستقلة )طريقة الأرض( أثناء فترات انقطاع الكهرباء، ويقوم مهندسو الطاقة بتصميم ميكريدات تجمع بين الطاقة الشمسية وخزن البطاريات والمولدات الاحتياطية، وتدمج في كثير من الأحيان شبكات الحرارة والطاقة المترابطة من أجل القدرة على التكيف، وتظهر المشاريع الصغيرة القيمة بوجه خاص في المرافق الحرجة مثل المستشفيات وملاجئ الطوارئ ومراكز البيانات.

الاقتصاد العلماني والتعدين الحضري

وترتبط هندسة الطاقة ارتباطا متزايدا بالاقتصاد الدائري، إذ " تعدين اليورانيوم " يسترد مواد قيمة (اليثيوم، والكوبالت، والأرض النادرة) من الإلكترونيات والبطاريات المهجورة، مما يقلل الحاجة إلى التعدين العذراء، ويصمم مهندسو الطاقة عمليات إعادة التدوير ويقيّم كثافة الطاقة في الاسترداد مقابل التخلص منها، وبالمثل، يمكن تفكيك الألواح الشمسية الهالكة لاستعادة السائلة والفضة والألمية الاقتصادية التي لا تزال بحاجة إلى الكمال.

الابتكارات السياساتية والتمويل الأخضر

ويمكن للسياسات الداعمة أن تفتح أبواب الاستثمار في مشاريع هندسة الطاقة، وتشمل الأمثلة على ذلك ما يلي:

Property Assessed Clean Energy (PACE) financing] that allows building owners to repay energy upgrades through property tax assessments.
Performance contracting] where energy service companies (ESCOs) guarantee savings and are paid from a share of the reduced utility bills.
Carbon pricing] that makes fossil —fuel generation more expensive, improving the economics of renewables and efficiency.

ويؤدي مهندسو الطاقة دورا رئيسيا من خلال وضع بروتوكولات القياس والتحقق التي تشكل أساس هذه الصكوك المالية، مع ضمان وجود مستثمرين وعدوا بالوفورات حقيقية.

دراسات الحالة: هندسة الطاقة في العمل

وتوضح الأمثلة الحقيقية التالية الأثر التحولي لهندسة الطاقة على الاستدامة الحضرية:

كوبنهاغن، الدانمرك - التدفئة المحلية مع نفايات

ويغطي نظام تدفئة المناطق في كوبنهاغن أكثر من 98 في المائة من المدينة، وهو أحد أكثر النظم كفاءة في العالم، وقد صمم مهندسو الطاقة شبكة تسترد حرارة النفايات من محطات توليد الطاقة، ومحرقات المياه، ومراكز البيانات، ويستخدم النظام خزانات كبيرة للتخزين الحراري من أجل تحقيق التوازن بين العرض والطلب، مما يتيح للمدينة أن تحرق الوقود الأحفوري أقل، وأن تخفض انبعاثات الكربون بنسبة 60 في المائة منذ عام 1990.

مدينة ماسر، أبو ظبي - مركز اختبار للابتكار في مجال الطاقة الحضرية

وعلى الرغم من أن مدينة ماسر هي مجتمع مخطط له مصمم من الأرض بحيث يكون أكثر كفاءة ويزودها بالطاقة المتجددة إلى حد كبير، فقد صمم مهندسو الطاقة تصميما ضيقا ومظللا في الشوارع يقلل من حمولات التبريد في المناخ الصحراوي، وتعتمد المدينة على مجموعة كبيرة من المواد الفوتاتوغرافية، ومصنع قوة شمسية مركز، ومزرعة للريح، وقد أدت الضوابط على بناء الذرة، ونظام للهندسة السريعة في العالم إلى الحد الأدنى من استخدام الطاقة.

نيويورك - القانون المحلي 97 ومبنى Retrofits

ويقضي القانون المحلي لمدينة نيويورك رقم 97 بتخفيضات كبيرة في انبعاثات الكربون من المباني الكبيرة بحلول عام 2030، إذ أن مهندسي الطاقة هم من العناصر الأساسية للامتثال، وإجراء عمليات مراجعة لحسابات الطاقة، وتصميم مجموعات مواد الاسترداد، وتنفيذ نظم القياس، وتشمل التدابير النموذجية رفع مستوى المبردات، وتركيب الضوء المميت بالضوابط، وتحسين العزلة المظروفة، ومن المتوقع أن يؤدي القانون إلى إيجاد 000 20 وظيفة في قطاع كفاءة الطاقة وتخفيض الانبعاثات على نطاق المدينة بنسبة 40 في المائة.

التعليم وطرق العمل في الهندسة الحضرية للطاقة

ومن أجل معالجة الطلب المتزايد على مهندسي الطاقة المهرة، تقدم الجامعات برامج متخصصة في الهندسة المستدامة للطاقة، والشبكات الذكية، وتصميم المباني الخضراء، وتشمل المناهج عادة الديناميكا الحرارية، ونظم الطاقة، والأسس الأساسية للطاقة المتجددة، وعلوم البناء، ونموذج الطاقة، وتزيد الشهادات المهنية، مثل مدير الطاقة المعتمد، أو القيادة في الطاقة والتصميم البيئي، من فرص العمل، كما أن شركات عديدة تعمل في مجال تكنولوجيا الطاقة، وتديرها.

خاتمة

(ب) [الإطار الاستراتيجي] للطاقة، يُعدُّ متقاطعاً بين الابتكار التقني والسياسة الحضرية، ويوفر أدوات ملموسة لمواءمة تنمية المدن مع أهداف التنمية المستدامة.() ومن خلال المشاريع الصغيرة الحجم للطاقة الشمسية في المدن الساحلية إلى شبكات التبريد في المناطق القاحلة، يوفر هذا الانضباط حلولاً قابلة للتكثيف تقلل من الانبعاثات، وتدني التكاليف، وتعزيز القدرة على التكيف.() وفي حين أن الاستثمار الأولي والتعقيد التنظيمي لا يزالان يشكلان حواجز، والوتيرة السريعة للتغيير التكنولوجي، وانخفاض تكاليف الطاقة المتجددة، وزيادة فرص العمل في المناطق الحضرية.