الانقطاع الإقليمي للتيار الكهربائي وتقييم الأسباب

أصبحت أنظمة الطاقة الكهربائية ذكية ومعقدة مع مرور كل عام، لا سيما استجابة للظروف البيئية المتغيرة، كما تعد مرونة البنية التحتية لتوليد ونقل الطاقة أمراً مهماً لتجنب مخرجات الطاقة وضمان خدمة قوية وتحقيق فوائد اقتصادية مستدامة، وفي هذه الدراسة سيتم استخدام نموذجاً من مرحلتين لتقدير خرج الطاقة من حيث شدتها وكذلك مدتها.

الوقوف على أسباب الانقطاع الإقليمي للتيار الكهربائي

تتزايد متطلبات الطاقة في العالم يوماً بعد يوم، لذلك يتم استكشاف العديد من مصادر الطاقة لاكتشاف طريقة مستدامة وفعالة لإنتاج الطاقة، بحيث يتطلب العالم الحديث إمداداً مستمراً بالطاقة الكهربائية، ونظراً لأن حدوث خلل بسيط في الإمداد يؤثر بشدة على جميع قطاعات المجتمع، مثل الأمن والصحة والتعليم والصناعة والأنشطة الاجتماعية والاقتصادية.

وفي الولايات المتحدة؛ فإن طبيعة البنية التحتية للطاقة معقدة وواسعة النطاق حيث يتزايد الطلب على الطاقة باستمرار، مثل هذه البنية التحتية الواسعة للطاقة أكثر عرضة للفشل بسبب الكوارث الطبيعية التي يتزايد حدوثها أيضاً خلال العقدين الماضيين بسبب التغيرات الكبيرة في الظروف المناخية، بحيث تدمر أحداث الكارثة البنية التحتية للطاقة الكهربائية وتتسبب في انقطاع التيار الكهربائي لفترات طويلة، كما تشمل الأسباب المحتملة لحدوث مثل هذه الأحداث:

• ارتفاع درجة حرارة مياه البحر مما يؤدي إلى حدوث فيضانات.

• زيادة متوسط ​​درجة الحرارة العالمية المرتفعة التي تسبب موجات الحرارة والجفاف.

• التغير في ضغط الهواء والرطوبة التي تنتج عواصف رعدية.

وعلى سبيل المثال، في عام (2012)م؛ أثرت عاصفة (Derecho) على ما يقرب من (4.2) مليون شخص في إحدى عشرة ولاية من الولايات المتحدة، كما جاءت العاصفة الرملية الخارقة في عام (2012)م في المناطق الحضرية بالولايات الشمالية الشرقية من الولايات المتحدة وأثرت على أكثر من (8.5) مليون شخص من خلال التسبب في انقطاع إمدادات الطاقة الكهربائية.

القطاعات الحيوية التي تضرر بمسألة انقطاع التيار الكهربائي

من بين جميع المتضررين من انقطاع الكهرباء؛ فإن أحد القطاعات الرئيسية هو صناعة المرافق، لذلك لا شك أن انقطاع التيار الكهربائي يؤثر على التقدم الاقتصادي في المنطقة من حيث الخسائر الفادحة في الإيرادات، بحيث تكبد الاقتصاد الأمريكي الخسارة (20-55) مليار دولار أمريكي بسبب انقطاع التيار الكهربائي الناتج عن الأحوال الجوية القاسية من عام (2003)م إلى عام (2012)م.

وعلى مدى (37) عاماً، أي ما بين (1981-2017)؛ تحملت الولايات المتحدة خسائر اقتصادية بقيمة (219) مليار دولار أمريكي ناجمة عن تغير المناخ وما ينتج عنه من كوارث مناخية قاسية، أما في عام (2017)م وحده؛ فقد وقعت ستة عشر كارثة في جميع أنحاء الولايات المتحدة وأدت إلى انخفاض مليار دولار على الاقتصاد، بحيث تشير هذه الإحصائيات إلى المخاطر الاقتصادية المقلقة المرتبطة بانقطاع التيار الكهربائي.

النماذج الخاصة بالتنبؤ بانقطاع التيار الكهربائي

في الدراسات، تم تقديم العديد من النماذج للتنبؤ بمدة انقطاع التيار الكهربائي، كما ويرجع ذلك أساساً إلى الأعاصير والكوارث الطبيعية التي تسببها العواصف، بحيث تُستخدم تقنيات التعلم الآلي على نطاق واسع في هذه الدراسات نظراً لمدى ملاءمتها للبحث متعدد التخصصات، بحيث ترتبط الخسارة المالية الناتجة عن انقطاع التيار الكهربائي أيضاً بطلب القطاعات الاستهلاكية، منها السكنية والتجارية والصناعية حيث يختلف الطلب باختلاف المواسم.

كذلك تم تعزيز استهلاك الكهرباء بنسبة (75٪) في الولايات المتحدة منذ عام (1980)م، كما ونشر أنظمة التدفئة والتبريد هو السبب الرئيسي وراء هذه الزيادة في الطلب السكني والتجاري، بحيث توجد مجموعة واسعة من الدراسات لفهم العلاقة بين الطلب على الكهرباء وحساسية المناخ، بحيث تعرض دراسة حساسية الطلب على الكهرباء والغاز الطبيعي للمناخ لأكبر ثماني ولايات تتركز فيها الطاقة في الولايات المتحدة والتي تضم كاليفورنيا ولويزيانا وتكساس وفلوريدا.

كما تقدم دراسة أخرى تحليل الطلب على الطاقة على مستوى الولايات المتحدة باستخدام منهجية أقل مربع ذات مرحلتين، لذا تم النظر في ثلاثة قطاعات للطاقة، وهي السكنية والتجارية والصناعية لتحليل العلاقة بين الطلب على الطاقة ومرونة الأسعار.

كما تعرض دراسة مماثلة تأثير حساسية المناخ على الطلب السكني والتجاري على الطاقة، وذلك في سياق تغير المناخ، بحيث تناقش معظم الدراسات تأثير تغير درجات الحرارة على الطلب على الطاقة؛ باستثناء العوامل الأخرى مثل سرعة الرياح والتساقط والرطوبة.

تحليل البيانات الاستكشافية الخاصة بأسباب انقطاع التيار الكهربائي

البيانات التاريخية المتعلقة بانقطاع التيار الكهربائي في الولايات المتحدة على سبيل المثال متاحة للجمهور للفترة من يناير (2000)م إلى يوليو (2016)م، كما تحتوي مجموعة البيانات على (1534) حدثاً لانقطاع التيار الكهربائي نشأ بسبب سبعة أسباب مختلفة. تتضمن مجموعة البيانات بشكل شامل معلومات تسع فئات مختلفة ومؤشرات متعددة لاحقة داخل كل فئة، بحيث يتم توفير طبيعة ومصادر البيانات في الجدول التالي.

ومن أجل التفسير وتأسيس هذا الأبحاث والعثور على الإحصائيات المخفية؛ فقد قدمت التجارب تحليل البيانات الاستكشافية، بحيث يوضح الشكل التالي التوزيع النسبي لوقوع سبعة أنواع من الأحداث التي تسببت في انقطاع التيار الكهربائي، كما ترتبط النسبة الكبرى من أحداث انقطاع التيار الكهربائي بفئة الطقس القاسي (50٪) تليها الهجمات الدولية (27٪).

الاستجابة المتغير ة لأشكال انقطاع التيار الكهربائي

عندما تمت ملاحظة مدة أحداث انقطاع التيار الكهربائي؛ فقد تم الوصول الى أن معظم أحداث انقطاع التيار الكهربائي حدثت لفترة أقصر مثل أقل من (48) ساعة، بينما حدث عدد أقل من الأحداث لفترات زمنية أطول مثل أكثر من أسبوع، ومع ذلك؛ فإن تأثير أحداث الانقطاع ذات المدة الأطول يكون أكثر ضرراً للوتيرة الاقتصادية مقارنة بأحداث الانقطاع ذات المدة الأقصر.

لتوضيح هذا التأثير؛ تم تقسيم الأحداث حسب مدة انقطاعها إلى أرباع، بحيث يوضح الشكل التالي النسبة المئوية للخسارة المالية لأكبر ثلاث ولايات متضررة على حدة، وهي محسوبة وفقاً لمدة الانقطاع المرتبطة بالربيعات المختلفة حيث يتم تعريف النطاق الربيعي على أنه الربع الثاني.

كما لوحظ أن الجزء الأكبر من الخسارة يرتبط بمدى الربع الثالث، لذلك  يبقى من المهم التنبؤ بمدة حدث انقطاع التيار الذي من المحتمل أن يكون في الربع الثالث، أي انقطاع التيار الكهربائي لفترة طويلة، ومن ثم فبدلاً من استخدام جميع البيانات للتنبؤ بمدة الانقطاع؛ سيتم النظر في الملاحظات التي تنتمي فقط إلى النطاق الربعي الثالث لفترة الانقطاع للتنبؤ بمدة الانقطاع.

وأخيراً في هذه الدراسة، تم القيام بتحليل بيانات أحداث انقطاع التيار الكهربائي الناتجة عن أسباب مختلفة، كذلك من النطاق العام ووقود الطوارئ إلى الكوارث الطبيعية التي يسببها الطقس القاسي، بحيث كشف تحليل البيانات الاستكشافية عن ضياع مبلغ ضخم من الإيرادات بسبب الأضرار التي لحقت بالبنية التحتية للطاقة، وبشكل رئيسي (ولكن ليس بالكامل) بسبب الكوارث الطبيعية.