استدامة الطاقة الكهربائية ضمن الشبكة الذكية والمحطات

في القرن الحادي والعشرين، يتم تطوير فكرة الشبكة الصغيرة والشبكة الذكية ومحطة الطاقة الافتراضية (VPP) لحل تحديات تغير المناخ واستخدام الطاقة المتجددة في شبكة الكهرباء، ومن أجل زيادة الطلب على الكهرباء ولرفع مستوى الوعي العام حول الحد من انبعاثات الكربون؛ فإنه يتم إنشاء شبكة صغيرة، والتي يتم تحويلها إلى محطة طاقة افتراضية (VPP) أو شبكة ذكية.

أهمية استدامة الطاقة الكهربائية ضمن الشبكة الذكية والمحطات

يعد توليد الطاقة أمراً مهماً لعالمنا الحديث لأنه يقود العديد من الأجهزة الكهربائية في حياتنا اليومية ويعمل على تشغيل المباني التجارية والصناعات والإنترنت وما إلى ذلك، وفي الآونة الأخيرة ينمو الطلب على الكهرباء بسرعة، كما من المتوقع أن يتضاعف استخدام الكهرباء خلال العقد القادم، بحيث يبحث العلماء والباحثون عن أنظمة توليد وتوزيع الطاقة البديلة لتلبية الطلب على الكهرباء في المستقبل.

كذلك الطاقة التي تأتي من الطاقات المتجددة هي الطاقة غير المستخدمة، بحيث تعتبر المياه أو الرياح أو الطاقة الشمسية أو الوقود الحيوي أو الطاقة الكهرومائية من أكثر مصادر الطاقة المتجددة شهرة.، كما بلغت القدرة المتجددة في العالم في نهاية عام (2019)م، وذلك عند (2537) جيجاواط، وبإنتاج (1190) جيجاواط؛ حصلت الطاقة الكهرومائية على أكبر حصة في العالم.

ولدمج الطاقات المتولدة من مصادر الطاقة المتجددة في الشبكة الرئيسية من أجل الحصول على استدامة الطاقة؛ تم تقديم مفهوم الشبكة الصغيرة والشبكة الذكية ومحطة الطاقة الافتراضية، بحيث أصبحت (Microgrid) والشبكة الذكية أو محطة الطاقة الافتراضية التطبيق المثالي للطاقة المتجددة؛ فإن هناك طلب كبير على السوق العالمية للشبكة المصغرة والشبكة الذكية و (VPP).

حالة التقدم الحالية للشبكة الصغيرة والشبكة الذكية ومحطات الطاقة

• مشاريع (Microgrid): تمثل أمريكا الشمالية (66٪) من الكهرباء العالمية في الشبكات الصغيرة، لذلك من المتوقع أنه بحلول منتصف هذا القرن سيكون لأمريكا الشمالية تأثير كبير على أبحاث التوليد الموزعة، بما في ذلك الموارد المتجددة، بحيث تتطور تكنولوجيا الشبكة الصغيرة في الصين بسرعة، كما أنه تم نشر أكثر من (100) شبكة، بما في ذلك الشبكات الصغيرة والمعزولة، كذلك هناك بحلول نهاية عام (2016)م.

كذلك توضح سياسات الشبكات الصغيرة الصينية أن الإعداد الأمثل لسعة الشبكة الصغيرة وتخزين الطاقة وسياسة الحوافز هي عوامل رئيسية لتعزيز نشر الشبكات الصغيرة في الصين وفي الاتحاد الأوروبي، بحيث وصلت الشبكات الصغيرة إلى تكنولوجيا ناضجة للمشاركة في شبكة المرافق، لذلك لقد حققت أوروبا بالفعل تقدماً في إنتاج واستخدام الطاقة المتجددة.

• مشاريع الشبكة الذكية: على مدار العشرين عاماً القادمة؛ سيصل الطلب على البنية التحتية المرتبطة بالشبكة الذكية في الولايات المتحدة إلى حوالي (13) مليار دولار في السنة، وفي السنوات الأخيرة أنفقت صناعة الشبكة الذكية (20) مليار دولار سنوياً في إنفاق جديد وستزيد إلى أكثر من (100) مليار دولار سنوياً بحلول عام (2030)م في أوروبا، كذلك تم إنشاء ما يقرب من (527) مشروعاً حتى عام (2017)م.

• مشاريع محطة الطاقة الافتراضية (VPP): تم الإبلاغ عن (VPP) العالمي من خلال استطلاعات الرأي والدراسات الاستقصائية (P&S)، وفي عام (2016)م، بحيث كان من المتوقع أن ينمو سوق (VPP) من (191.5) مليون دولار أمريكي إلى (1.1875) مليار دولار أمريكي في عام (2023)م، بحيث تم وصف قائمة ببعض مشاريع (VPP) في جميع أنحاء العالم.

الشبكات الصغيرة والمعمارية ومبدأ التحكم الكهربائي

(Microgrid) هو نظام طاقة صغير الحجم يقع بالقرب من المستهلكين، كما إنها مجموعة شحن مترابطة ذات حدود كهربائية محددة بوضوح وموارد طاقة موزعة (DERs)، كذلك إنها شبكة طاقة منفصلة، بحيث تتكون من مصدر الكهرباء والأحمال المنقولة ويمكن تشغيلها مع أو بدون محطة الطاقة المركزية، كما يمكن تسمية الشبكة المصغرة بأي محطة طاقة لامركزية صغيرة الحجم لها سعة توليد وتخزين وحدود محددة.

وهناك شبكة إمداد منخفضة أو متوسطة الجهد الكهربائي تتضمن مجموعة متنوعة من الأجيال الموزعة وأجهزة التخزين والأحمال التي يمكن التحكم فيها، أيضاً (Microgrids) قادرة على العمل إما على شبكة المرافق الأولية (الوضع المتصل بالشبكة) أو يمكنها العمل بدون شبكة مرافق معزولة أو مستقلة دون التضحية بجودة الكهرباء، بحيث تشارك (Microgrid) الكهرباء مع شبكة الطاقة في وضع متصل بالشبكة الكهربائية.

ومع ذلك في الوضع المعزول؛ تعمل الشبكة الصغيرة بشكل مستقل دون اتصال شبكة الطاقة، بحيث يمكن دمج مصادر الطاقة المتجددة مثل الألواح الشمسية أو توربينات الرياح بسهولة في شبكة ميكروية لتلبية النمو السريع للطلب على إمدادات الطاقة، كما تسمى المولدات المحلية بالمصادر الصغيرة ويمكن أن تكون إما مولدات طاقة تقليدية أو متجددة. هذه المولدات في المقام الأول بالقرب من المصادر.

كذلك تسمح نهج (Microgrid) لمقدمي الخدمات بالاستفادة من الموارد المحلية والمتجددة والأرخص التي توفر حماية أكثر موثوقية وأوثق للمصدر الأساسي، بحيث ستمكّن أساليب (Microgrid) المزود من الاستفادة من الموارد المحلية والمتجددة والأقل تكلفة التي توفر أماناً لمصدر أولي أكثر اتساقاً وأقرب، كما وتقدم (Microgrid) مجموعة واسعة من الفوائد وحتى أنها أكثر قابلية للتكيف من نظام النسخ الاحتياطي.

القيود الفنية المرتبطة بوحدات الشبكة الكهربائية الذكية

اعتماداً على نوع الوحدة؛ فإنه يمكن لوحدة التحكم (microgrid) والتحكم في الوحدات وتخضع لقيود فنية، كذلك الوحدات غير القابلة للإرسال هي في الأساس وحدات توليد الطاقة المتجددة، والتي تولد كهرباء غير متوقعة ومتقطعة وعادة ما تكون الألواح الشمسية وتوربينات الرياح، كما تقوم نقطة التبديل المشتركة (PCC) بتحويل الشبكة الصغيرة إلى وضع الجزر عن طريق فصل الشبكة الصغيرة عن شبكة الطاقة الرئيسية.

كما أنها تمكّن السعة المعزولة للشبكة المصغرة من الانفصال عن الشبكة الرئيسية وهي أحد أهم عناصر الشبكة الصغيرة، بحيث تتحول الشبكة المصغرة إلى وضع الجزيرة أثناء تقلبات شبكة المرافق وتوفر (DERs) المحلية إمداداً ثابتاً ومتواصلًا لأحمال العملاء، وعند إزالة الاضطراب؛ ستتم إعادة مزامنة الشبكة الصغيرة الموجودة على الجزيرة مع الشبكة الكهربائية.

كما أن الغرض النهائي من الشبكة المصغرة هو ضمان تثبيت مصادر الطاقة الموزعة المختلفة بسلاسة، بحيث سيكون هناك تأثير عميق على الشبكة المصغرة، لذلك يجب معالجة بعض التحديات في تطوير الشبكات الصغيرة مثل الموثوقية والاستقرار والبرمجة والتصميم والتحكم والحماية وجدولة التشغيل، كما توفر (Microgrid) شبكات العملاء والمرافق الأساسية.

وأخيراً ستكون الشبكة الصغيرة والشبكة الذكية و (VPP) هي مستقبل نظام الطاقة العالمي، بحيث لا يمكن التغاضي عن دور هذه المجالات الثلاثة لإطار الطاقة، أيضاً التقدم التقني من جميع الجوانب مطلوب للنظر في استدامة الطاقة، وفي هذا العمل، تم توفير ملخصاً موجزاً ​​عن دور وآفاق خوارزميات التحكم في تحقيق الاستدامة، بحيث تم البدء بتقديم تحليل تفصيلي عن حالة الشبكات الحديثة الموجودة في سياق التقدم التكنولوجي لأدوارها المختلفة.

أيضاً ثم تقديم تفاصيل تكامل (RERs) المختلفة مثل توليد الرياح وتوليد الطاقة الكهروضوئية والمركبات الكهربائية وأنظمة تخزين الطاقة ودورها في استدامة الطاقة والتحديات في تنفيذها، وذلك إضافة الى الجوانب المتغيرة لتقنيات التحكم المختلفة المستخدمة في الشبكات الصغيرة والشبكات الذكية وكذلك (VPP) التي تم تقديمها.