الهندسة البدائية لأنظمة توزيع القدرة الكهربائية

تمتلك هندسة الطاقة وخاصةً الطاقة الكهربائية مبدأً أساسياً يتمثل في تخفيف عبء البشرية عن عبئها ونقل المعلومات ومعالجتها، كذلك تتم مراجعة التطورات البارزة في القرن الأول من كهربة العالم مع التركيز بشكل خاص على التصميم المعاصر وتشغيل أنظمة الطاقة والطاقة الكهربائية.

تحليل الهندسة البدائية لأنظمة توزيع القدرة الكهربائية

تم تسمية كهربة العالم كأهم إنجاز هندسي في القرن العشرين من قبل الأكاديمية الوطنية للهندسة في عام (2000)م، بحيث يمكن النظر إلى هذه العملية على أنها امتداد للثورة الصناعية التي تم فيها التحكم في مستويات أعلى من الطاقة على التوالي وجعلها لتخفيف أعباء البشرية، كما يُنظر إلى الطاقة الكهربائية باعتبارها وسيلة لتوسيع قدرات الإنسان على نطاق واسع في التعدين والصناعة وبعد ذلك تم تطبيقه في الإضاءة والتحكم في البيئة.

وكتوضيح للعلاقة بالإنتاجية؛ يُظهر الشكل التالي صورةً مصورةً للعلاقة بين الإنتاجية الوطنية في الولايات المتحدة كما تم التقاطها في الفترة (1950 – 2010)م، وذلك على أنها إنتاج الطاقة الكهربائية مقابل الناتج المحلي الإجمالي، كما يعمل أكثر من (260) ألف كيلومتر من ناقل الحركة عالي الجهد في أمريكا الشمالية، كما تشمل التطورات الهندسية الرئيسية في القرن الأول للكهرباء تطوير أجهزة تحويل الطاقة الكهربائية العملية.

وخلال (1900-1999)م تم اتخاذ قرارات هندسية رئيسية بما في ذلك مفهوم توليد المحطة المركزية، بحيث تم استخدام التيار المتردد لتوليد ونقل وتوزيع (50) أو (60) هرتز ومؤخراً تم تحويل فلسفة “تكلفة الخدمة” إلى “تسويق الطاقة” كأساس لتسعير الكهرباء، أما في عام (2009)م تم إنتاج ما يقرب من (475) كوادريليون وحدة حرارية بريطانية من الطاقة في جميع أنحاء العالم مع (21 ٪) مولدة في أمريكا الشمالية و (27 ٪) في آسيا وأوقيانوسيا.

بينما يركز ما سبق على حجم وتصميم وتشغيل أنظمة الطاقة السائبة، بحيث كان هناك العديد من المعالم الداعمة الهامة في هندسة الطاقة التي تجعل هذا المجال بعيداً عن العديد من فروع الهندسة الأخرى، على سبيل المثال؛ فإن ممارسة الترحيل الوقائي لنظام الطاقة لاستشعار الظروف الشاذة واتخاذ إجراءات تصحيحية لحماية أصول النظام هي إلى حد ما أصيلة لهندسة الطاقة.

مصادر الطاقة الكهربائية وتداعيات الاستدامة

من المعروف بأن مصادر الطاقة الرئيسية تكون عكس قطاع النقل وأن (94٪) من مصدر الطاقة الأساسي هو النفط (البترول)، لذلك؛ فإن قطاع الطاقة الكهربائية لديه تنوع أوسع بكثير من مزيج الطاقة وتقنيات التوليد، وبسبب هذا التنوع؛ فإن قطاع الطاقة الكهربائية ليس عرضة لارتفاع الأسعار والضغط السياسي مثل صناعة النقل، كذلك مصادر الطاقة الأولية الرئيسية في قطاع الطاقة الكهربائية وتشمل:

• الفحم: يعتبر الفحم حالياً هو أقل خيارات التوليد تكلفة، وعلى الرغم من أنها أقل كفاءة من التقنيات الأخرى؛ إلا أنها تتميز بأقل تكلفة لكل كيلو واط / ساعة يتم إنتاجها، كما يعتبر قطاع الطاقة الكهربائية المستهلك المهيمن للفحم (93٪)، حيث أن إمدادات الفحم وفيرة، وبالتالي؛ فإن تقلب الأسعار أقل بكثير مقارنة بالغاز الطبيعي.

• الغاز الطبيعي: ساهم الغاز الطبيعي، والذي يتكون في الغالب من الميثان في حوالي (25٪) من إجمالي الطاقة المستخدمة في الولايات المتحدة في عام (2010)م، وذلك عبر جميع قطاعات الاستخدام، كما يعد قطاع الطاقة الكهربائية أحد المستهلكين الرئيسيين للغاز الطبيعي في الولايات المتحدة حيث يمثل حوالي (31٪) من إجمالي الاستخدام.

• الطاقة النووية: تم إنشاء أول محطة نووية أمريكية في عام (1957)م، وفي السبعينيات والثمانينيات؛ شهدت الطاقة النووية نمواً سريعاً منذ عام (1990)، بحيث بقيت “حصة الطاقة النووية” في توليد الكهرباء ثابتة إلى حد ما عند حوالي (20٪) لأسباب فنية واقتصادية، كما يتم تشغيل المحطات النووية بعوامل عالية السعة، بحيث تتجاوز (90٪) وهذه المحطات تدعم بشكل أساسي الحمل الأساسي.

• الموارد المتجددة: ساهمت الموارد المتجددة بنحو (10٪) من إجمالي توليد الكهرباء في عام (2010)م، بحيث يأتي معظمها من الطاقة الكهرومائية، وهو ما يمثل أكثر من (60٪) تليها الرياح بنحو (20٪)، كما تتوقع وكالة معلومات الطاقة الأمريكية (EIA) أن تكون الموارد المتجددة هي المورد الأسرع نموًا لتصل إلى (17٪) من إجمالي الطاقة في الولايات المتحدة بحلول عام (2035)م.

مبدأ الاستدامة والطاقة المتجددة والطلب المرن على الكهرباء

مصادر الطاقة المتجددة هي مفتاح الاستدامة، بحيث تبنت العديد من الولايات معايير حافظة الطاقة المتجددة (RPSs) وبعضها شديد العدوانية، كما صرحت ولاية كاليفورنيا أن (33٪) من إنتاج الكهرباء يجب أن يأتي من مصادر متجددة بحلول عام (2020)، كما وسيتم تبني أهداف أكثر صرامة للسنوات المقبلة، كذلك الجانب السلبي الرئيسي لموارد الطاقة المتجددة، مثل الرياح والطاقة الشمسية هو أنها متغيرة.

كما تشكل الطبيعة التي لا يمكن السيطرة عليها لهذه الموارد ضغطاً كبيراً على عمليات الشبكة الكهربائية، حيث أن الإجراء الحالي لإدارة الموارد المتغيرة هو زيادة متطلبات الاحتياطي، في حين أن هذا النهج قد يعمل مع المستويات الأدنى المعاصرة من الموارد المتقطعة؛ فإن مثل هذا النهج لن يكون، وفي حد ذاته يكون كافياً في السنوات المقبلة مع مستويات أعلى بكثير من الموارد المتغيرة.

لذلك عندما أن يكون هناك المزيد من الاستثمارات في التوليد التقليدي من أجل موازنة هذا التباين، مما سيزيد من التكاليف لتحقيق مستويات عالية من تغلغل الطاقة المتجددة أو سيتعين على المجتمع الخضوع لتحول تحولي فيما يتعلق بكيفية استهلاكنا للكهرباء، كما يعتبر دور الطلب المرن محوريًا لقدرتنا على الوصول إلى أهداف (RPS) القوية.

جانب المرونة في الطلب ومدى تأثيره على استهلاك الطاقة الكهربائية

يُفترض تقليدياً أن الطلب على الطاقة الكهربائية قريب جداً من عدم المرونة تماماً، كما ويعتقد الكثيرون أنه من غير المرجح أن يتغير هذا، بحيث تعد الأنماط المعاصرة لاستهلاك الطاقة الكهربائية نتيجة ثانوية للمعدلات الثابتة للبنية التحتية بالإضافة إلى التكلفة المنخفضة للطاقة، كذلك أنماط الاستهلاك هذه ليست مستدامة وستكون هناك حاجة إلى تغييرات أو اختراقات في التكنولوجيا تقلل بشكل كبير من تكلفة موارد الطاقة المتجددة.

كما ومن المثير للاهتمام أنه يبدو أن المرونة التشغيلية للتوليد قد تحسنت من خلال إدراج مصادر الطاقة المتجددة في مزيج “محفظة المصنع”، حيث أن التسعير في الوقت الحقيقي لديه الفرصة لتحفيز المستهلكين على تغيير عاداتهم الاستهلاكية، كما من غير المحتمل أن يتابع المستهلكون الأسعار في الوقت الفعلي باستمرار، لكن الأجهزة الذكية ستسمح للمستهلكين بتمثيل تفضيلاتهم الاستهلاكية.

أيضاً يمكن للأجهزة الذكية إلى جانب التسعير في الوقت الفعلي أن تمكن من إحداث تغيير تحولي في استهلاك الكهرباء مع عدم جعلها عملية مرهقة للغاية، بحيث يمكن برمجة الأجهزة الذكية لتشغيل الجهاز لاستهلاك الكهرباء عندما ينخفض ​​السعر إلى مستوى معين أو لاستهلاك الكهرباء عندما يكون هناك مستوى كبير من إنتاج الطاقة المتجددة.

وأخيراً يتركز الاستنتاج الرئيسي لهذه الدراسة هو أن هندسة الطاقة كانت ناجحة في صناعة الكهرباء والحياة المشتركة ومعالجة جانب الاتصالات وتكنولوجيا المعلومات في جميع أنحاء العالم في القرن الأول، بحيث تشمل التطورات الرئيسية في هندسة الطاقة في القرن الأول للكهرباء وتطوير أجهزة تحويل الطاقة الكهربائية العملية، كذلك التقدم في هندسة الجهد العالي وتطوير شبكات كهربائية متصلة بشكل متزامن.