تأثير تقييم نظام الطاقة الكهربائية المتكامل على وحدة النظام

أهمية تقييم نظام الطاقة الكهربائية المتكامل على وحدة النظام

بسبب التأثير السلبي للاحترار العالمي (الاحتباس الحراري)؛ فإن الحد من انبعاثات غازات الاحتباس الحراري يحظى باهتمام متزايد، كما يوفر نظام الطاقة المتكامل حلاً ذكياً لتقليل انبعاثات ثاني أكسيد الكربون وتحسين كفاءة استهلاك الطاقة وتقليل تكلفة إمداد الطاقة، كما تقع بالقرب من عملاء الطاقة، بحيث يتم تحليل (IES) على مستوى المنطقة على نطاق واسع، والتي ورد ذكر تفاعلها بين (microgrid).

كما تقدم أمثلة (IES) على مستوى المنطقة والتي تحتوي على عناصر أساسية مثل توزيع الحرارة ومولدات الطاقة ومحولات الطاقة المتجددة بالإضافة إلى أشكال متعددة من أجهزة تخزين الطاقة، ومن الجدير بالذكر أن العديد من (IES) تم تصميمها بطريقة شائعة جداً تسمى محور الطاقة، كما تم تحليل (IES) هو مشكلة تحسين والكثير من الأعمال السابقة لها وظيفة موضوعية لتقليل استهلاك الطاقة لمنطقة معينة خلال فترة معينة.

على سبيل المثال، هناك نماذج مزيج من نظام الطاقة والحرارة، مما يزيد من الكفاءة الاقتصادية لنظام الطاقة المتكامل مقارنة بأنظمة الطاقة والحرارة المنفصلة، ومن ناحية أخرى يعد الحد من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون وظيفة هدف مشتركة أخرى مستخدمة في البحث السابق، كما يقدم تكاملاً لأنظمة الطاقة اللامركزية بما في ذلك الحرارة والطاقة والطاقة المتجددة الموزعة.

وبالمقارنة مع (IES) على مستوى المنطقة، بحيث يوسع (IES) الإقليمي المنظور الجغرافي كما أن ناقلات الطاقة مختلفة أيضاً، كما يبني نموذجاً للتوسع التخطيطي لشبكة تجميع الطاقة والغاز استناداً إلى نظام تكامل الطاقة والغاز الذي تم تحليله على نطاق واسع والذي تديره (National Grid) في المملكة المتحدة، وهناك عنصر التكامل لهاتين الشبكتين هو التوربينات الغازية.

كما أن الهدف هو تقليل تكلفة توسيع الشبكة الكهربائية وتحقيق استهلاك الطاقة في المستقبل، بحيث يتم تحليل سيناريو شبكة الكهرباء والغاز في المملكة المتحدة في عام 2030م وتقديم اقتراحات التخطيط، يقدم الباحثون مشكلة التزام الوحدة الحرارية المائية حيث يتم حل البرمجة غير الخطية المختلطة (MINLP) عن طريق تحلل “بيندرز” (BD).

كما تم اقتراح مزيجاً من توليد الطاقة المتجددة المتقطع وإنتاج الهيدروجين، وتتمثل ميزة هذا النظام في تنعيم حقن الطاقة وتحرير عبء شبكة الطاقة، وكما ذكرنا أعلاه، تعد الطاقة الكهربائية جزءاً لا يمكن الاستغناء عنه في نظام الطاقة الإقليمي المتكامل نظراً لخصائص النقل السريعة والمرنة وعالية السعة.

النموذج المشترك لمحطة الطاقة الحرارية و IES

في هذه الدراسة تم تصميم مجموعة من محطات الطاقة و (IES) بناءً على منطقة مركزية لمدينة صينية نموذجية في الصيف عندما يكون حمل التبريد جزءاً مهماً من إجمالي استهلاك الكهرباء.

هيكل تفصيلي لـ (IES) على مستوى المقاطعة: يتم عرض تفاصيل المعدات في (IES) واحد على مستوى المنطقة في الشكل التالي أدناه.

إن (CCHP) الذي يعمل بالغاز هو المعدات الأساسية التي تفي بأحمال الكهرباء والتدفئة والتبريد، كما يتم عرض الهيكل التفصيلي داخل (CCHP) في الشكل التالي، حيث يولد توربين الغاز الطبيعي الكهرباء ويستخدم غاز العادم لإنتاج السوائل الساخنة والباردة، كما يمكن لـ (CCHP) تحسين الكفاءة عن طريق إعادة تدوير الحرارة المهدرة لتوفير طاقة التدفئة والتبريد.

واستناداً إلى الأبحاث السابقة، تتمتع شبكة الغاز الطبيعي بقدرة أقوى بكثير على التعامل مع الحمل الأقصى مقارنة بشبكة الطاقة الكهربائية، كما ويمكن أن يعمل أنبوب نقل الغاز أيضاً كدور تخزين يسمى (linepack)، والذي يختلف تمامًا عن خط الطاقة الكهربائية، كذلك من الواضح أن تحرير عبء نظام الطاقة خلال وقت الذروة هو سبب آخر لاختيار (CCHP) الذي يعمل بالغاز لـ (IES).

كما أن هناك نوعان من أجهزة التخزين في نموذج (IES)، وهما التخزين الحراري والتبريد. مقارنةً بسعة تخزين البطاريات الباهظة الثمن، كما يمكن لهذين النوعين من التخزين تحسين الكفاءة النهائية لـ (IES)، وفي نموذج (IES)؛ فإنه يتم استخدام نوعين من المضخات الحرارية لتلبية حمل التبريد والتدفئة، والتي تعمل كنسخة احتياطية من (CCHP).

وبدلاً من توليد طاقة التدفئة أو التبريد نفسها، تستهلك المضخة الحرارية الكهرباء لنقل الطاقة من جانب درجة الحرارة المنخفضة إلى جانب درجة الحرارة المرتفعة، والذي عادةً ما يكون له معامل أداء مرتفع (COP).

هيكل نظام الطاقة بالكامل: كما هو مذكور أعلاه؛  فإن معظم أعمال أبحاث (IES) السابقة تتعامل مع شبكة الطاقة كحافلة لا نهائية لا تتأثر بـ (IES) على مستوى المنطقة، ومع ذلك مع زيادة عدد وحجم (IES)، كما سيؤثر سلوك (IES) بشكل كبير على تشغيل نظام الطاقة، في هذه الحالة لا يمكن التعامل مع نظام الطاقة كحافلة لا نهائية، ولملاحظة هذا التغيير تم بناء نموذج يحتوي على العديد من مناطق التحميل بالإضافة إلى نظام طاقة مستوى النقل كما هو موضح من الشكل التالي أدناه.

كما تحتوي كل منطقة على تبريد وتدفئة وأحمال كهربائية، كما وتتوافق مع مستوى منطقة واحد على مستوى المنطقة المذكورة أعلاه، وفي البداية تأتي جميع الطاقة اللازمة لخدمة هذه الأحمال من نظام الطاقة، وفي هذه الدراسة تم تجهيز مناطق التحميل هذه بمكونات طاقة متكاملة وتصبح (IES) واحدة تلو الأخرى.

الهيكل التفصيلي لنظام الطاقة: تم تصميم قسم نظام الطاقة ليكون مشكلة التزام الوحدة، حيث يتم الاهتمام بعشر محطات طاقة حرارية كما هو موضح في الشكل التالي، بحيث تخدم الطاقة المولدة مناطق التحميل الفردية العشر هذه من خلال شبكة النقل.

كما تم وضع عدة افتراضات لمجرد النموذج والمحاكاة، أولاً يتم التعامل مع خطوط النقل في نظام الطاقة على أنها مثالية ويتم إهمال فقد الطاقة لأن هذه المقالة تركز بشكل أساسي على التفاعل بين نظام الطاقة و (IES) وثانياً تم تعيين جميع مراكز التحميل بحيث يكون لها نفس منحنى الحمل الكهربائي، ونظراً لأن ملاحظة التأثير المتزايد لـ (IES) لا تتطلب الاختلاف بين كل مركز تحميل.

وثالثاً لا يتم النظر في تكلفة إنشاء (IES)، ونظراً لأن (IESs) لكل مركز تحميل يتم إنشاؤها وتشغيلها بواسطة موزع طاقة مختلف لغرض التحسين الخاص به، وهو الشرط المسبق المقبول بشكل سلبي ولن يؤثر على وظيفة التحسين لهذه الدراسة، كما يمكن التخلص من الاختلاف في وظائف أهداف التحسين بين (IES) الفردية والنظام بأكمله من خلال تحديد آلية سعر معقول.

تقدم النمذجة: مبدئياً بدون تطبيق تقنية (IES)، يتم خدمة جميع الأحمال داخل هذه المناطق العشر في الشكل التالي بالكهرباء من نظام الطاقة فقط، وهي الحالة العادية في المناطق الحضرية في البلدان النامية، وفي هذا النموذج الأولي، يتم تطبيق المضخات الحرارية للوفاء بأحمال التدفئة والتبريد كما هو موضح في الشكل التالي، كما ويتم تقديم الحمل الكهربائي بواسطة نظام الطاقة.

لذلك هذا هو التصميم الشائع لمدينة في جنوب الصين حيث أن الكهرباء هي مصدر الطاقة الرئيسي الوحيد، لذلك من المتوقع أن توفر شبكة الغاز الطبيعي فقط الطهي وبعض أحمال الماء الساخن في هذه المنطقة ونادراً ما يتم استخدام توربينات الغاز للتدفئة، ونظراً لارتفاع سعر الغاز الطبيعي.