إمداد الطاقة الكهربائية المستدام مع توليد الطاقة الهجين

أهمية إمداد الطاقة الكهربائية المستدام مع توليد الطاقة الهجين

تسببت الكمية المتزايدة من غازات الدفيئة (GHG) في “ظاهرة الاحتباس الحراري” وأضرار بيئية؛ فإن المصادر الرئيسية لغازات الاحتباس الحراري هي النقل وإنتاج الكهرباء والصناعة التحويلية والتجارية والسكنية واستخدام الأراضي والحراجة، وفي الولايات المتحدة الأمريكية تعتبر القطاعات الثلاثة التي لديها أكبر مساهمة في “انبعاثات غازات الدفيئة” في عام 2017م هي النقل (28.9٪) والكهرباء (27.5٪) والصناعة (22.2٪).

في سلسلة إمداد الطاقة الكهربائية، يتم “توليد الكهرباء” بواسطة “محطة توليد الطاقة” ثم نقلها عبر محطة النقل إلى العملاء النهائيين، بحيث تنتج انبعاثات غازات الدفيئة بشكل أساسي من الأنشطة المتعلقة بإنتاج الكهرباء حيث يتم إطلاقها أثناء احتراق الوقود الأحفوري، مثل النفط والغاز الطبيعي والفحم، وبالتالي ونظراً لزيادة “الوعي العالمي” بشأن حماية البيئة؛ فإنه يجب اتخاذ إجراءات مختلفة لتقليل الانبعاثات لتقليل الانبعاثات من النظام، لذلك سيكون أحد الإجراءات هو استخدام تقنية كهربائية أنظف تولد انبعاثات أقل.

لذلك تم اقتراح العمل الأول المتعلق بتوزيع الكهرباء فيما بعد، كما وتم واقتراح نموذجاً يوضح توزيع الكهرباء من نظام توليد الطاقة للعملاء النهائيين، وفي تطور أحدث، تم الوصول الى الكثير من الأعمال التي تتناول مشاكل التحسين المطبقة على سياق سلسلة إمداد الكهرباء، ولاحقاً تم إيجاد نموذجاً رياضياً لتحسين موارد الطاقة الموزعة في شبكات توزيع الكهرباء باستخدام البرمجة غير الخطية.

كما واعتبر عدم اليقين في أسعار الكهرباء والمفاضلة بين تقليل التكلفة النقدية وتقليل الملوثات، بحيث طور الباحثون نموذجاً لإنتاج الكهرباء باستخدام البرمجة الخطية ودرس تأثير الانبعاثات على قرارات الإنتاج، كذلك استخدموا نموذج تحسين قوي لحل مشكلة تخطيط موارد الطاقة الموزعة، لذلك لقد اعتبروا عدم اليقين في الحمل ووضعوا الربح الإجمالي كوظيفة موضوعية.

كما وتم استخدم نموذج البرمجة العشوائية المكون من مرحلتين لتنسيق مزيج الإمداد من أنظمة الكهرباء والغاز الطبيعي واقتراح سلسلة إمداد كهرباء من أربعة مستويات تتكون من المورد والتخزين ومحطة الطاقة والمستهلكين، أيضاً تم تطوير برمجة غير خطية عشوائية مختلطة ذات مرحلتين من خلال النظر في قرار شراء مواد الكتلة الحيوية.

وباستخدام نموذج برمجة رياضي عشوائي لسلسلة التوريد لتوليد الطاقة الحيوية مع الأخذ في الاعتبار تأثيرات الاضطراب؛ فإنه تم وضع نموذج تخطيط التشغيل لنظام الطاقة الذي يشتمل على أنظمة الغاز والكهرباء، بحيث تم تداول الكربون لتقليل الانبعاثات الناتجة عن النظام، كما واقترحت منهجية للعثور على مواقع محطات الطاقة ومحطات التوزيع في نظام طاقة متكامل إقليمياً، وذلك باستخدام تقدير كثافة النواة وأقصر طريقة للمسار لتحسين شبكة النقل الكهربائية.

وصف نظام إمداد الطاقة الكهربائية بشكل دقيق

في هذا الطرح، نتناول نظام سلسلة إمداد الطاقة الكهربائية الذي يتكون من محطة طاقة ونظام نقل، كما تمتلك محطة الطاقة نوعين من أنظمة توليد الطاقة، حيث يكون الأول (PG1) أكثر ملاءمة للبيئة ولكنه أغلى من الثاني (PG2)، لذلك ينتج نظاما توليد الطاقة الكهرباء التي سيتم نقلها بعد ذلك إلى العملاء النهائيين من خلال نظام النقل.

كذلك يتبع الطلب لدى العملاء النهائيين توزيعاً عادياً بمتوسط ​​قيمة (D) وانحراف معياري، كما توجد تكلفة إعداد عندما يبدأ نظام توليد الطاقة نشاط الإنتاج وهناك تكلفة الاحتفاظ بأي كهرباء يتم وضعها في نظام التخزين، وبالإضافة إلى ذلك؛ فإن أنشطة الإنتاج والتخزين تولد أيضًا انبعاثات، كذلك يتم تكبد تكلفة النقل في عملية النقل، أيضاً قد يتعين على نظام النقل الاحتفاظ بالكهرباء في المخزن، وخاصةً إذا كانت كمية الكهرباء المتاحة أقل من الطلب؛ فسيحدث نقص ونتيجة لذلك يحدث انقطاع التيار الكهربائي.

كما أن الأسئلة التي يجب الإجابة عليها هنا هي مقدار الكهرباء التي سيتم إنتاجها في (PG1) و (PG2) ومقدار الحجم الاقتصادي لاستهلاك الطاقة والتخزين الاحتياطي في حالات الطوارئ ومقدار الأموال التي يجب استثمارها لتقليل تكلفة الإعداد، بحيث ينتج عن نشاط الإنتاج انبعاثات يجب أن تكون مصدر قلق أيضاً.

وبالتالي؛ فإن الهدف هو تقليل التكلفة الإجمالية التي تشمل تكلفة إعداد الإنتاج وتكلفة الاحتفاظ بالكهرباء في كل من مرحلتي الإنتاج والنقل وتكاليف الانبعاثات والتكاليف الثابتة المرتبطة بأي دفعة نقل، وذلك فضلاً عن تكاليف انقطاع التيار الكهربائي بسبب النقص في الكهرباء إمداد، بحيث يسمى هذا النظام كنظام سلسلة إمداد الطاقة الكهربائية المستدامة (SEESCS).

كما يشبه الهيكل إلى حد كبير نظام جرد “سلسلة التوريد الكلاسيكي” (CSCIS)، حيث يوجد مصنعان للتصنيع بخصائص مختلفة ينتجان نفس المنتج الذي سيتم توزيعه بعد ذلك من قبل الموزع إلى العملاء النهائيين، حيث يعرض الشكل التالي (1) التشابهات بين (SEESCS) و (CSCIS)، كذلك إنتاج الطاقة الكهربائية في محطة توليد الكهرباء يشبه إنتاج المنتج في الشركة المصنعة.

وعلاوة على ذلك؛ فإن عملية نقل الكهرباء من محطة توليد الكهرباء إلى “محطة النقل” تبدو وكأنها عملية نقل المنتجات من الشركة المصنعة إلى بائع التجزئة، بحيث يتشابه حجم تخزين الطاقة في كل من الشركة المصنعة ومحطة النقل إلى حد كبير مع حجم الدفعة في إدارة المخزون، وبالتالي يتم الاستنتاج أن عملية تحديد تخزين الطاقة في (SEESCS) تشبه أيضاً عملية تحديد كمية الأمر في (CSCIS).

وفي (SEESCS) المقترحة، تنتج محطة الطاقة دفعة من الكهرباء (Qtn kWh)، وهي (1 − α) [Qtn kWh] المتولدة من (PG1) و (αQtn kWh) المتولدة من (PG2)، بحيث تقوم محطة الطاقة بعد ذلك بإرسال حجم (Qt kWh) إلى محطة النقل خلال عدد (n) من المرات.

كما يعمل نظاما توليد الطاقة بالتوازي لإنتاج الكهرباء، بحيث تمت صياغة معدل إمداد الطاقة لـ (PG1) و (PG2) بواسطة [P1 = (1 − α) P kWh] و [P2 = αP kWh] على التوالي، وفي هذه الدراسة نستخدم مفاهيم نهج حجم الدفعة الاقتصادي المشترك (JELS) حيث يتم اشتقاق دفعات الإنتاج والنقل المثلى لتقليل التكلفة الإجمالية لنظام سلسلة التوريد بأكمله.

كما تم استخدام الافتراضات التالية في هذه الورقة لتطوير النموذج الرياضي لنظام سلسلة إمداد الطاقة الكهربائية لمحطة نقل الطاقة.

• نعتبر نظام سلسلة إمداد الطاقة الكهربائية الذي يتكون من محطة طاقة واحدة ومحطة نقل واحدة.

• تنتج المحطة الكهرباء ثم تنقلها إلى محطة النقل، كما تواجه محطة النقل طلباً من العملاء النهائيين يتبع التوزيع الطبيعي بمتوسط (​D) وانحراف معياري (σ).

• تستخدم محطة النقل سياسة مراجعة مستمرة لإدارة تخزين الطاقة الكهربائية.

• لمحطة الطاقة معدل محدود من إمداد الطاقة وهو [P (1 − γ)> D].

• يوجد في المحطة نظامان مختلفان لتوليد الطاقة ينتجان الطاقة الكهربائية، كذلك تكلفة إنتاج الكهرباء لـ (PG1) أعلى من تكلفة (PG2) ومع ذلك؛ فإن كمية الكربون المنبعث من (PG1) أقل من الانبعاثات من (PG2).

• تنتج محطة الطاقة دفعة من الكهرباء [Qtn (kWh)]، وهي [(1 − α) Qtn (kWh)] المتولدة من (PG1) و [αQtn (kWh)] المتولدة من (PG2)، بحيث تقوم محطة الطاقة بعد ذلك بإرسال حجم [Qt (kWh)] إلى محطة النقل على مدى (m) مرات.

• كما يعمل نظاما توليد الطاقة بالتوازي لإنتاج الكهرباء، كما تمت صياغة معدل إمداد الطاقة لـ (PG1) و (PG2) بواسطة [P1 = (1 − α) P] و [P2 = αP] على التوالي.