التحليل المادي لترابط شبكات الطاقة الكهربائية الدولية

في هذا البحث، يتم تحري ما إذا كان الربط البيني لشبكات الطاقة الكهربائية مع توليد طاقة متجددة بنسبة (100٪) يمكن أن يجلب فوائد اقتصادية أكبر الآن بعد أن وجدت التكنولوجيا لنقل التيار المباشر عالي الجهد لمسافات طويلة، وذلك استناداً إلى بيانات الطقس التاريخية متعددة السنوات وسلسلة الطلب.

أهمية التحليل المادي لترابط شبكات الطاقة الكهربائية الدولية

كان التحول الحالي لشبكات الطاقة الكهربائية مدفوعاً بالرغبة في تقليل انبعاثات الكربون وشهدت نسبة متزايدة من “الطاقة المتجددة”، لا سيما طاقة الرياح والطاقة الشمسية، كذلك الأهداف الأكثر تطلباً لانبعاثات الكربون المنخفضة ترفع من احتمالية وجود قطاع كهرباء يمكن أن يكون مصدر طاقة متجددة بنسبة 100٪، ولكن التطور الأخير لنقل الجهد الفائق (UHV)، بحيث يجلب إمكانية الربط البيني الدولي لمسافات طويلة.

كما فحصت العديد من الدراسات ما إذا كان الطلب المتوقع يمكن أن يقابله طاقة متجددة عالية الاختراق (RE) من النطاق الوطني إلى النطاق الإقليمي من قطاع الطاقة فقط، كما ضمنت معظم الدراسات إرسال كل ساعة لمدة عام كامل لاستيعاب القوى المتقلبة من مصادر الطاقة المتجددة بشكل أفضل بناءً على نهج النمذجة التي يحركها الطقس، بحيث يثير الإرسال لمسافات طويلة إمكانية التخفيف من تذبذب وتقطع مصادر الطاقة المتجددة من خلال الاستفادة من التأثيرات السهلة والتكميلية على نطاق جغرافي كبير.

التسلسل الزمني لترابط الشبكات الكهربائية الإقليمية

تم اقتراح مفهوم الترابط الشبكي في أوائل الثمانينيات، كما وكانت هناك تطورات بطيئة ذات صلة، حيث تم استخدام منهجيات مبسطة بشكل طبيعي، وفي السنوات الأخيرة أعطت التطورات في عمليات نقل القدرة ذات الجهد العالي المباشر (HVDC) دفعة جديدة لهذه الفكرة، كما تم تقدير استثمارات الرابط البيني لدمج الطاقة المتجددة المتغيرة في أوروبا بدقة زمنية لكل ساعة، كذلك تمت دراسة التحديات والفرص المتعلقة بتصدير توليد الطاقة المتجددة من روسيا إلى أوروبا.

فيما بعد تمت دراسة ثلاثة طرق محتملة لربط أوروبا بالصين والتحليل التقني الاقتصادي لربط أوروبا بأمريكا الشمالية عبر كابل طاقة بحري، بحيث تم إصدار سيناريوهات الشبكة الكهربائية الأساسية من منظور عالمي وكذلك المخططات الإقليمية بواسطة (GEIDCO)، على سبيل المثال تم الإبلاغ مؤخراً عن اقتراح نقل أمريكا الشمالية، بحيث يجري إنشاء خط ربط كهربائي عملي بين أوروبا وآسيا .

كما تم تقديم مراجعة حول فوائد وتحديات شبكات الطاقة العالمية، وفي الآونة الأخيرة تمت دراسة جدوى شبكة الكهرباء العالمية المنظمة في (13) منطقة بشكل شامل من قبل مجموعة العمل (CIGRE C1.35)، ومع ذلك؛ فإن تغلغل الطاقة المتجددة في أنظمة الكهرباء أعلاه منخفض نسبياً وسيكون قصة مختلفة لـ (100٪) من الطاقة المتجددة في المستقبل.

كذلك تم اقتراح خطة “Desertec” لربط أوروبا بمنطقة البحر الأبيض المتوسط ، بالإضافة إلى ذلك تمت دراسة جدوى تزويد أوروبا وأمريكا بالطاقة بنسبة (100٪) من الطاقة المتجددة على التوالي، ونظر كلاهما في الترابط الإقليمي للشبكة وأجروا تحليلهم بدقة مكانية وزمنية عالية، ومع ذلك وحتى الآن؛ فإن هناك عدد قليل جداُ من الدراسات التي تستكشف الفوائد الاقتصادية للوصلات البينية للشبكات متعددة القارات مع إمدادات الطاقة المتجددة بنسبة (100٪) باستخدام إحصائيات تفصيلية جماعية لبيانات الطقس بدقة مكانية عالية.

توليد البيانات التفصيلية لسلسلة توليد الطاقة المتجددة

استخدم عدد من الدراسات المتعلقة بنسبة (100٪) من مصادر الطاقة المتجددة بيانات الطقس لتوليد سلسلة طاقة (RE)، ومع ذلك نادراً ما ينتج أي منها السلسلة بناءً على البيانات الخام الجماعية بدقة عالية من حيث التوقيت والجغرافيا (0.25) ∘ × 0.25) لمدة تصل إلى سبع سنوات، وللحصول على الملامح الإقليمية لتوليد الطاقة المتجددة كل ساعة.

كما أنها نقوم بتحويل بيانات الطقس التاريخية لمدة (7) سنوات داخل (NE_Asia) وأوروبا و (N_America) (تتكون من ما يقرب من 64000 خلية نقطية بشكل عام) إلى سلسلة طاقة الرياح الشمسية والبرية والبحرية على التوالي، وذلك باستخدام صيغتين للتجميع على أساس الوزن وخوارزمية كتلة واحدة قائمة على الكثافة، كما يتم فرز واختيار وتجميع سلسلة الطاقة في الخلايا النقطية مع عامل قدرة أعلى بنسبة (50٪) في سلسلة إقليمية ثم تحديد السلسلة التمثيلية لكل شهر.

توليد البيانات المفصلة عن الطلب والمتسلسلة المائية

تم إنشاء سلسلة الطلب على الكهرباء حتى الآن بشكل أساسي إما عن طريق قياس الإحصائيات التاريخية لسنة واحدة أو الحساب بناءً على بيانات الحمل التركيبية، وفي هذه الدراسة؛ فإنه يتم استرداد سلسلة الطلب التاريخي للساعة متعددة السنوات التوليد الكهربائي المائي الشهري بالإضافة إلى سلسلة تمثيلية بديلة للتخطيط طويل الأجل من المواقع الرسمية واستخدامها لتوليد طلب تمثيلي إقليمي وسلسلة مائية.

وبالنسبة الى نموذج الحد الأدنى السنوي لتحسين تكلفة النظام مع بيانات السلسلة التفصيلية، ومع الحد الأدنى من تكلفة النظام السنوية؛ فإنه يتم إنشاء نموذج تحسين يشتمل على إرسال الطاقة لتحديد السعات الإضافية للموصلات البينية للإرسال وأنظمة تخزين الكهرباء ومصادر الطاقة المتجددة بناءً على التركيبات الحالية في عام (2030)م والمتطلبات المتوقعة في عام (2050)م.

إضافة الى ذلك توازن الطاقة بالساعة بين العرض و يتم تحديد الطلب خلال (12) شهراً (كل منها أربعة أسابيع)، وفي نظام أوروبا بالكامل و (NE_Asia) و (N_America) لتمثيل النمذجة بالساعة بالكامل للعام بأكمله، ووصولاً الى تقييم مخططات الربط بين المناطق الثلاث؛ فقد ظهرت مؤخراً بعض الدراسات التي تبحث في التوصيل البيني للكهرباء عبر القارات، ومع ذلك لم يبحث أي منها في مخططات الربط المختلفة بين ثلاثة مراكز تحميل رئيسية في العالم.

كما تتم مقارنة ثمانية مخططات من منظور التكاليف السنوية للنظام والتكلفة الإقليمية للكهرباء في هذه الدراسة، ولتحليل الحساسية؛ فإنه يتم إجراء تحليل الحساسية من جانبين للتحقيق في مدى قوة النتائج:

• من خلال تغيير تكلفة رأس مال البنية التحتية لكل وحدة.

• باستخدام سنة طقس فردية مختلفة.

في نهاية هذه الدراسة، تم تضمين بيانات الطقس التاريخية الضخمة التي تصل إلى (7) سنوات وبدقة زمنية ومكانية عالية لأوروبا وشمال شرق آسيا وأمريكا الشمالية وتحويلها واختيارها وتجميعها لتوليد سلسلة الطاقة التمثيلية للرياح وتوليد الطاقة الشمسية، كما تم تقديم نموذج تخطيط متكامل مقترن بالإيفاد لتحديد السعات الإضافية الإقليمية لمصادر الطاقة المتجددة وأنظمة التخزين والموصلات البينية للإرسال، حيث من المتوقع تلبية الطلبات في عام (2050)م من خلال توليد الطاقة المتجددة بنسبة (100٪).

لذلك تم تقديم تحليل الحساسية للتحقق من قوة النتائج لتكاليف البنية التحتية المتغيرة ولسنوات الطقس المختلفة، بحيث تمت دراسة الخاصية التكميلية لحوالي (8) ساعات من الفروق الزمنية بين المناطق الثلاث المذكورة أعلاه لأول مرة.

كما تشير النتائج النهائية في هذه الدراسة أيضاً إلى أن التكلفة الإقليمية للكهرباء (LCOE) تنخفض بنسبة (31٪ ، 10٪ ، 10٪) لأوروبا وشمال شرق آسيا وأمريكا الشمالية على التوالي، كما وخلص إلى أن هناك حافزاً قويًا من خلال كل من التوفير السنوي في التكاليف وانخفاض (LCOE) الإقليمي لصالح الترابط الكامل لمسافات طويلة بين المناطق الثلاث في سياق التوجه الدولي نحو استراتيجية صافي الصفر.