الربط العالمي للكهرباء ونطاق توليد الطاقة المتجددة

في إطار هدف الأمم المتحدة (Net-Zero 2050)؛ أصبح الانتقال إلى شبكة طاقة عامة وشاملة من مصادر الطاقة المتجددة بنسبة (100٪) مساراً أكثر جاذبية من أي وقت مضى، بما في ذلك التقلبات الفنية المتأصلة والتقطع في توليد الطاقة المتجددة وخاصة طاقة الرياح والطاقة الشمسية، بحيث ستشكل حتماً حواجز كبيرة واقتصادية أمام اندماجها الهائل في إمدادات الطاقة الكهربائية.

أهمية الربط العالمي للكهرباء ونطاق توليد الطاقة المتجددة

إن هدف السياسة المتمثل في صافي انبعاثات غازات الاحتباس الحراري يعني حتماً توقع نسبة عالية من الطاقة المتجددة (RE) في نظام الطاقة العالمي المستقبلي، ولا سيما أنظمة الكهرباء، ومع ذلك تظهر الطاقة من مصادر الطاقة المتجددة مثل الطاقة الشمسية وطاقة الرياح بطبيعتها تقلباً وتقطعاً قويين، مما يشكل تحديات كبيرة لاستقرار النظام ويزيد بشكل كبير من تكاليف الموازنة.

كذلك تكامل مصادر الطاقة المتجددة وأنظمة التخزين والاقتران القطاعي وتمديد الشبكة الكهربائية، بحيث يمكن أن يخفف من مثل هذا التباين، أيضاً أثار نقل الجهد الكهربائي الفائق (UHV) واحتمالية ربط الكهرباء لمسافات طويلة عبر القارات، وذلك للاستفادة من التأثيرات التكميلية لموارد الطاقة المتجددة المتنوعة وأنماط الطلب على نطاق جغرافي واسع.

ومن ثم؛ فإن التحقيقات حول الفوائد الاقتصادية لمثل هذه الوصلات الكهربائية وحتى الربط الكهربائي العالمي لدعم اختراق طاقة متجددة عالية أو حتى (100٪) ستكون ذات أهمية كبيرة، وفي الماضي كانت هناك دراسات حول الربط الكهربائي بين المناطق، بحيث تم استكشاف خطط لربط أوروبا بروسيا لاستيراد طاقة الرياح أو الطاقة المائية البرية ومنطقة البحر الأبيض المتوسط ​​لاستيراد الطاقة الشمسية الصحراوية على التوالي.

كما تم عرض الطرق المحتملة للترابط بين أوروبا والصين وآسيا الوسطى من قبل مركز الأبحاث المشترك (JRC) التابع للمفوضية الأوروبية، بحيث تم تحليل فوائد أوروبا وأمريكا الشمالية المتصلين بشكل أكبر، كذلك تم استكشاف مخططات الربط الشبكي بين شينجيانغ في الصين وباكستان في جنوب آسيا وخمس دول في آسيا الوسطى بالإضافة إلى بعض الدول العربية.

تاريخ الربط العالمي للكهرباء ضمن نطاق الطاقة المتجددة

يمكن إرجاع فكرة التوصيل البيني العالمي للكهرباء إلى أوائل الثمانينيات، وقد حظيت باهتمام متزايد سريعاً في السنوات الأخيرة في سياق استيعاب نسبة عالية من الطاقة المتجددة بالإضافة إلى الاختراق التكنولوجي في نقل التيار المستمر فوق العالي، بحيث اقترحت منظمة تدعى (GEIDCO) سيناريوهات شبكة العمود الفقري العالمية، وذلك جنباً إلى جنب مع المخططات الإقليمية التفصيلية، على سبيل المثال أمريكا الشمالية.

كذلك تمت معاينة مزايا وتحديات شبكات الطاقة الكهربائية الدولية بشكل شامل، ومؤخراً تمت دراسة جدوى شبكة الكهرباء العالمية المنظمة في (13) منطقة بواسطة مجموعة العمل (CIGRE C1.35)، وفي الأعمال المذكورة أعلاه؛ كان هناك نقص في “النماذج التفصيلية” أو الدقة الفائقة لبيانات الطلب والتوليد ولم يتم النظر في توليد الطاقة المتجددة بنسبة (100٪) بشكل كافٍ حتى الآن.

بيانات النظام الكهربائي الأساسية والمعطيات الفنية

في هذه الدراسة، يتم استخدام أربع تقنيات توليد جنباً إلى جنب مع نظام التخزين لتشغيل الشبكة الكهربائية، وهي والرياح البحرية والطاقة الشمسية الكهروضوئية والطاقة المائية، والتي تُعرف عموماً بأنها مصادر طاقة مهمة في مجموعات بحثية مستقلة مختلفة، أما بالنسبة للمولدات الحرارية التقليدية؛ يعتبر المدخل مستقراً.

وبالتالي يقتصر ناتج الإنتاج بشكل أساسي على قدرته عند الإرسال، ولكن بالنسبة لتقنيات التوليد المدفوعة بالطقس، مثل الرياح والطاقة الشمسية؛ فإن ناتجها يقتصر أيضاً على قوة الرياح اللحظية أو الاشعاع الشمسي، لذلك من الضروري الحصول على الطاقة المتاحة كل ساعة من الطاقة الشمسية وطاقة الرياح، حيث أن الطلب الإقليمي والسلسلة المائية وكذلك المعلومات حول الترابط بين المناطق هي مدخلات رئيسية أيضاً.

سلسلة الطاقة الشمسية وطاقة الرياح كل ساعة

تقع بيانات إعادة تحليل الأرصاد الجوية التاريخية لما يصل إلى سبع سنوات (2011-2017)م، وبدقة مكانية (خط الطول × خط العرض)، بحيث تبلغ (0.25 × 0.25) درجة، أي تقريباً (28 كم × 28 كم) والدقة الزمنية لمدة ساعة يتم تحويلها إلى سلسلة الطاقة الشمسية وطاقة الرياح استناداً إلى طريقة مشابهة لتلك المقترحة، وباستخدام حزمة بايثون مفتوحة المصدر تسمى “Atlite” وتستخدم على نطاق واسع.

كما أن هناك ما يقارب (224،750) خلية شبكية للمناطق البرية و (19،958) خلية شبكية للمناطق البحرية، بحيث تشغل بيانات الأرصاد الجوية مساحة تخزين تبلغ حوالي (5) تيرابايت، ونظراً للكميات الكبيرة من البيانات المتضمنة؛ تجدر الإشارة إلى أن تنزيل بيانات الطقس لمدة (7) سنوات كل ساعة استغرق أكثر من شهر واحد واستغرق (160) ساعة أخرى لتحويل بيانات الطقس إلى طاقة الرياح البرية والرياح البحرية والطاقة الشمسية سلسلة.

سلسلة الطاقة الكهرومائية لكل ساعة (Hydro Power)

من الأصعب بكثير محاكاة التوليد المائي لكل ساعة بدقة والذي يرتبط بالتدفق الفوري إلى السدود المائية جنبًا إلى جنب مع التأثيرات المتتالية بين السدود على طول نفس النهر، لكن السدود المائية تلعب دوراً مهماً في توفير المرونة للشبكة الكهربائية.

كما يتم استخدام النظام الشهري، والذي يميز التأثيرات الموسمية لتوليد الطاقة المائية، وفي هذه الدراسة وعلى وجه التحديد؛ سيتم إرسال الطاقة الكهرومائية بالكمية المتاحة بالساعة وفقاً لعامل السعة الشهرية، حيث أن هذا معقول لأن الطاقة المائية أقل تقلباً وتقطعاً ومعظم السدود المائية مجهزة بخزانات، ومع ذلك لا يمكن الحصول على (CF) شهرياً بشكل مباشر لمعظم البلدان على مستوى العالم.

وبالنسبة الى السلاسل الزمنية للطلب بالساعة، وإلى جانب تلك الموجودة في معظم البلدان في أوروبا؛ فإنه يتم جمع سلسلة الطلب على الكهرباء لمدة عام كامل في (15) دولة من المواقع الرسمية أو التعاون الشخصي، على سبيل المثال الولايات المتحدة والبرازيل وأستراليا وروسيا وجنوب إفريقيا وإيران وقطر وماليزيا.

وبالنسبة إلى (13) دولة أخرى؛ فإنه يمكن جمع سلسلة الطلب النموذجية ليوم واحد والطلب الشهري بدلاً من سلسلة السنة الكاملة، وفي هذه الحالة يتم استخدام طريقة مماثلة مقترحة، وذلك لتوليد سلسلة طلب متعددة السنوات حيث يتم استخدام الضوضاء والخط الاستيفاء، كما يمكن الحصول على يومين نموذجيين على الأقل لمعظم البلدان، على سبيل المثال المملكة العربية السعودية (الصيف والشتاء) ونيجيريا (موسم الأمطار والجفاف) والمغرب خلال (4) مواسم والهند وتايلاند وموزمبيق (12) شهراً.

أما من حيث الموازنة وخسارة النقل والتكاليف؛ فإنه يتم التعامل مع المركز الجغرافي (النقطة الوسطى) لكل منطقة على أنه عقدة الكهرباء الفائقة المكافئة، والتي يتم حسابها على النحو التالي:

حيث تمثل (X ،Y) خط الطول وخط العرض للنقطة الوسطى و (xi ،yi) هي نقاط على حدود المنطقة ومجموع (N) من النقاط تشكل الأشكال الهندسية للمنطقة.

وأخيراً بحثت هذه الدراسة في فوائد الربط الكهربائي لشبكة الطاقة العالمية (100٪) من مصادر الطاقة المتجددة مع (14) منطقة و (20) مساراً محتملاً من خلال مقارنة شاملة (24) من مجموعات التزويد بالرياح والطاقة الشمسية والطاقة المائية ونظام التخزين وتقليص الأحمال، وذلك بناءً على تخطيط محسن ونموذج إرسال لمدة عام كامل بحيث يكون أكثر دقة وموثوقية.