التخطيط الأمثل للكهرباء والبنية التحتية للحرارة والغاز الطبيعي

يلعب توليد الغاز وتخزين الحرارة دوراً بارزاً في أنظمة الطاقة المتعددة (MES)، كما ويمكن أن يفيد التخطيط المنسق للبنى التحتية المتكاملة للكهرباء والحرارة والغاز (MES) بشكل كبير، وفي هذا السياق يُقترح نموذج تخطيط منسق للمحطات الأرضية المتحركة لتحديد التوسع الأمثل للمولدات الكهربائية التقليدية وخطوط النقل.

الغاية من التخطيط الأمثل للكهرباء وتحسين البنية التحتية

مع تزايد المخاوف بشأن أزمة الطاقة وقضايا التلوث البيئي، أثار نظام متعدد الطاقة (MES) اهتماماً واسع النطاق لقدرته على استيعاب موارد الطاقة المتجددة بشكل فعال، بحيث يمكن لـ (MES) تحويل طاقة الرياح والطاقة الشمسية والغاز الطبيعي والطاقة الحرارية الأرضية وموارد الكتلة الحيوية، وما إلى ذلك إلى أشكال مختلفة للطاقة المستخدمة بشكل مباشر مثل التبريد والتدفئة والكهرباء من خلال تقنية تحويل الطاقة المتقدمة، وبالتالي تحسين الاقتصاد والملاءمة البيئية لاستخدام الطاقة الكهربائية.

في الوقت الحاضر، تم تحقيق بعض الإنجازات في مجال التخطيط (MES)، على سبيل المثال واستناداً إلى نموذج محور الطاقة، تم اقتراح طريقة توسعة (MES) لتخطيط وحدات التدفئة والطاقة (CHP) والمراجل الغازية (GBs) وناقلات الطاقة الأخرى، كما تم تحسين وحدات (CHP) وشبكة توزيع الغاز الطبيعي بشكل مشترك لضمان تعظيم إمدادات الكهرباء والحرارة لتلبية احتياجات العملاء المرنة.

كذلك تم التخطيط المشترك لشبكة توزيع الكهرباء وشبكة الغاز الطبيعي لتحسين موقع وحجم توربينات الغاز الصغيرة، مما أدى إلى انخفاض التكلفة الاستثمارية الإجمالية للنظام المتكامل، وذلك بالإضافة إلى نموذج تخطيط مثالي لمراكز الطاقة المترابطة والبنى التحتية المتعددة للطاقة.

كما تم وضع نموذج تخطيط طويل المدى ومتعدد المناطق ومتعدد المراحل، وذلك لتحليل اقتصاد الشبكات الهجينة للكهرباء والغاز، بحيث ركز الباحثون بشكل أساسي على وحدات التوليد التقليدية التي تعمل بالفحم والغاز، ولكن لم يتم النظر في وحدات (CHP)، كما تم إنشاء نظام الطاقة الموزعة من وحدات التبريد والتدفئة والطاقة (CCHP) المدمجة والمضخات الكهروضوئية والحرارة.

وأشارت نتائج التحسين إلى أن (CCHP) المدمجة مع الطاقة الشمسية لها مزايا على (CCHP) المنفردة من حيث كل من توفير الطاقة وخفض انبعاثات ثاني أكسيد الكربون، بحيث يمثل نموذج التخطيط المرن والمتعدد المراحل لنظام الكهرباء والغاز المتكامل؛ تحقيق أقصى قدر من توفير زيادة متطلبات الحمل الكهربائي. كذلك تم وضع إطار التخطيط الأمثل القائم على محور الطاقة، وذلك لتحسين حجم (CCHPs) والغلايات والكهرباء وتخزين الحرارة لشبكة الكهرباء والغاز الطبيعي المترابطة.

الصيغة العامة للنظام الكهربائي متعدد النماذج

يمكن لـ (MES) تحسين كفاءة الطاقة بشكل فعال وهي المورد الرئيسي في نموذج الطاقة في العصر التالي، وهو وسيط التحول الرئيسي الذي يربط تدفق الطاقة المختلفة من خلال أجهزة تحويل الطاقة الكهربائية، على سبيل المثال تعتبر غلايات (CHP) والغاز (GB) الأكثر استخداماً هي مصادر في شبكة الكهرباء والتدفئة ولكن المستهلكين في نظام الغاز الطبيعي، بحيث يوضح الشكل التالي (1) البنية النموذجية للمحطة (MES).

ووفقاً للشكل السابق (1)؛ فإنه يتم توصيل المدخلات (P) والمخرج (L) عبر معاملات تحويل الطاقة بواسطة المعادلات الرياضية التالية:

حيث أن:

(ηCHPg − e ، CHPg h): هي معاملات تحويل الغاز إلى الكهرباء ومن الغاز إلى الحرارة لـ (CHPs).

(ηGBg − h): هو معامل الغاز إلى الحرارة لـ (GBs).

النموذج المقترح لتخطيط نظام البنية التحتية المتعدد

يقدم هذا الجزء من الدراسة الصيغة الرياضية لنموذج تخطيط التوسع المنسق، والذي يأخذ في الاعتبار تكاليف الاستثمار والتشغيل بالإضافة إلى قيود التشغيل المقترنة لنظام الكهرباء والغاز والتدفئة، وبالنسبة لنموذج التخطيط طويل الأجل المقترح؛ فإنه يتم تمثيل طلب حمل الكهرباء خلال كل عام من خلال العدد الإجمالي للكتل (h) بمستويات تحميل مختلفة كما هو موضح في الشكل التالي (2).

كما أن المربع (h) يكون ضمن مستوى استهلاك الحمل (ELb ، h ، t) والمدة الزمنية (DTh ، t)، مما يعني أن مستوى الحمل الكهربائي (hth) في (MW) سيستمر (DTh) و خلال (t) ساعة في التوزيع (b)، كما وسيتم استخدامه للحفاظ على توازن الطاقة في المعادل (III-C.1)، وبالمثل؛ فإن طلب حمل الغاز والحرارة خلال كل سنة تخطيط يتم تمثيله أيضاً من خلال العدد الإجمالي للكتل (h) مع مستويات الحمل (h).

دليل الهدف من التخطيط

يعتبر الهدف من نموذج تخطيط التوسع المنسق المقترح هو تقليل التكلفة الإجمالية للمحطات الأرضية المتوسطة خلال أفق التخطيط لمدة (10) سنوات، كما ويتم حساب معامل القيمة الحالية (λt) على أنه [λt = 1 / (1 + τ) t − 1] المكافئ، بحيث يمثل التكلفة الاستثمارية للمولدات وخطوط النقل و (CHP) و (GBs) على التوالي، كذلك يمثل تكاليف تشغيل المولدات و (CHP) ، (GBs)، بحيث يتم حساب تكلفة الطاقة غير المخدومة (ENS) بضرب مبلغ (ENS) بسعر الحمولة المفقودة (PLL).

قيود الاستثمار

يأخذ نموذج تخطيط التوسع المنسق في الاعتبار قيود الاستثمار للمولدات وخطوط النقل الكهربائية ومشتقات الطاقة الحرارية ومراجل الغاز وخطوط أنابيب الغاز، وبمجرد تثبيت جهاز مرشح؛ فإنه يتم تثبيت حالة الاستثمار الخاصة به للسنوات المتبقية، وعلاوة على ذلك؛ فإنه يتم فرض وقت التشغيل على جهاز (MES) المركب حديثاً بمقدار معين، بحيث يضمن القيد أن إجمالي سعة توليد الطاقة يلبي متطلبات الحمل الكهربائي المطلوب والاحتياطي المتوقعة للكهرباء.

قيود عملية التشغيل والتزويد

يأخذ نموذج التخطيط المقترح في الاعتبار قيود التشغيل المزدوجة لشبكات الكهرباء والغاز والحرارة على النحو التالي:

• القيود المتعلقة بشبكة الكهرباء، بحيث يتم تحديد القيود المتعلقة بالشبكة لظروف تشغيل المولدات وخطوط النقل ونقاط التفرع.

• القيود المتعلقة بشبكة الغاز، بحيث يُشار إلى تدفق الغاز الطبيعي عبر خط أنابيب به عقدتان، وذلك كمصطلح تربيعي للضغط النهائي لكلا الطرفين.

• القيود المتعلقة بشبكة الحرارة، وتعني موازنة الحرارة بشكل مكافئ، كما تشير إلى أن إجمالي الحرارة الناتجة يساوي إجمالي التدفق عند كل عقدة.

• معوقات التشغيل المزدوجة لشبكة الكهرباء والحرارة والغاز، والتي تعتمد قيود التشغيل المزدوجة لشبكة الكهرباء والحرارة والغاز بشكل أساسي على عملية تحويل الطاقة.

• قيود الموثوقية، والتي تم اعتماد (ENS) المحسوب لقياس كمية الكهرباء التي لا يتم تقديمها خلال كل عام  وموثوقية النظام المقابل.

بالنهاية تقترح هذه الدراسة البحثية نموذج توسع منسق طويل الأجل لتحديد التخطيط الأمثل للمولدات الكهربائية المرشحة وخطوط النقل وغلايات الغاز و (CHP) وخطوط أنابيب الغاز للمحطات الأرضية الرئيسية، بحيث تم تصميم تكلفة الاستثمار لمرة واحدة خلال مرحلة التخطيط بالإضافة إلى ساحل تشغيل (MES) والطاقة غير الموفرة أثناء مرحلة التشغيل في الهدف.

بينما يتم أيضاً مراعاة قيود تشغيل نظام الغاز والحرارة والكهرباء ومتطلبات الموثوقية في نموذج، وبالتالي يتم استخدام خوارزمية تحليل (Benders) لحل نموذج التوسع المنسق المقترح، حيث أظهرت نتائج المحاكاة للشبكة المتكاملة للكهرباء والحرارة والغاز الطبيعي المؤلفة من (14) تفرع بأن التخطيط المنسق المقترح للمحطات (MES).