ما هي المزايا الرئيسية لأنظمة الكهرباء الذكية؟

تحسين موثوقية الشبكة بقدراتها الذاتية على الإصلاح

مخاطر فشل البنية التحتية — ما السبب؟

تتعرض بنية الطاقة الكهربائية عالية الجهد القديمة، التي تُوزِّع الطاقة على مستوى الدولة، لمعدلات فشل متزايدة. ويبلغ عمر أكثر من ٧٠٪ من خطوط النقل في الولايات المتحدة ٢٥ عامًا أو أكثر. وارتفعت حالات انقطاع التيار الكهربائي الناجمة عن الظروف الجوية بنسبة ٢٠٠٪ منذ عام ٢٠٠٠ (تقرير وزارة الطاقة الأمريكية حول تحديث الشبكة لعام ٢٠٢٣). وقد يؤدي تدهور البنية التحتية — مثل المحولات والكابلات ومعدات التحكم الكهربائي — أثناء فترات الذروة في الطلب إلى سلسلة من الأعطال المتتالية. ويُكلِّف كل عطل شبكي شركات المرافق ما معدله ٧٤٠.٠٠٠ دولار أمريكي لكل ساعة عطل (معهد بونيمون، ٢٠٢٣). ويشير هذا الخطر المتصاعد إلى الحاجة الملحة لتحديث الشبكة الكهربائية.

الكشف الآلي عن الأعطال والعزل في الشبكات الكهربائية الذكية

تُستخدم تقنيات الإنترنت للأشياء (IoT) والذكاء الاصطناعي (AI) لفحص أنظمة الكهرباء الذكية بشكل نشط لاكتشاف الأعطال. وعند ظهور أي شذوذ، تقوم المفاتيح العازلة بفصل الجزء المتأثر من الشبكة تلقائيًّا. وهذا يعني أنه يمكن إعادة توجيه التيار عبر مسارات بديلة، وبصورة مستقلة تمامًا. وتؤدي هذه الميزة الذاتية الإصلاح إلى تحسين مدة الإصلاح ومدة انقطاع التيار بنسبة ٩٠٪ مقارنةً بالأنظمة التقليدية التي تعتمد على الإصلاح والتشخيص اليدوي.

معيار الاستجابة: الشبكة التقليدية مقابل الشبكة الذكية
زمن اكتشاف العطل: ٣٠ دقيقة فأكثر مقابل أقل من ثانية واحدة
سرعة العزل: يدويًا خلال ساعات مقابل ٢–٥ ثوانٍ
عدد العملاء المتأثرين: ١٠٠٠ عميل فأكثر مقابل أقل من ٥٠ عميلًا

رؤى مستخلصة من مشروع شبكة تشاتانوغا ذاتية الإصلاح

أظهر نظام التوزيع الذاتي الإصلاح في شركة تشاتانوغا EPB، وهي إحدى أولى هذه الأنظمة في الولايات المتحدة، كيف يمكن أن تتحوَّل موثوقية الشبكة نحو الأفضل. وبعد الانتهاء من النشر الشامل للنظام، تمكَّنت الشركة من تحقيق ما يلي:
+ انخفاض بنسبة ٤٠٪ في إجمالي دقائق انقطاع التيار،
+ انخفاض بنسبة ٦٠٪ في متوسط عدد المستهلكين المتضرِّرين لكل حادثة،

إعادة التهيئة الآلية عند وجود ظروف جوية قاسية، في الوقت الفعلي أثناء عاصفة إعادة التهيئة للشبكة، لإثبات معمارية الشبكة ذاتية الإصلاح، وبساطة نظام المرافق ومقاومتها للتغيرات المناخية. منذ عقدين، كانت الشبكة تتعرض لضغوط بنسبة 45% أو أقل، وفقاً لتقرير مختبر الطاقة المتجددة الوطني (NREL) لعام 2023.

التكامل السلس لمصادر الطاقة المتجددة

معالجة التقطعات باستخدام موازنة الأحمال الديناميكية

يحدد الطقس الإنتاجَ الناتج عن مصادر توليد الطاقة الشمسية وطاقة الرياح، وهذا يعني أن التوليد من هذه المصادر يكون متغيرًا. ويُعد استخدام أنظمة الكهرباء الذكية التي تتضمن موازنة الأحمال الديناميكية أو إعادة توزيع الطاقة عبر الشبكة في الوقت الفعلي استنادًا إلى بيانات أجهزة الاستشعار والخوارزميات التنبؤية إحدى طرق التخفيف من هذا التقلب. وعلى سبيل المثال، يمكن نقل الأحمال الصناعية غير الحرجة إلى فترات زمنية تتوفر فيها كميات عالية من التوليد، مما يقلل من عمليات قطع الطاقة المتجددة بنسبة تصل إلى ١٩٪ (IRENA 2021). وتساعد هذه الطريقة في استقرار الشبكة من حيث الجهد والتردد دون الحاجة إلى بنية تحتية جديدة باهظة التكلفة.

التواصل من شركة المرافق إلى المستهلك وتنسيق توليد الطاقة الموزَّعة

الشبكة التقليدية تفتقر إلى الوضوح والتحكم اللازمين لإدارة الآلاف من الأصول المتنوّعة والمُوزَّعة لامركزيًّا، سواء أكانت أنظمة تخزين الطاقة بالبطاريات، أو أنظمة الطاقة الشمسية على أسطح المنازل، أو الشبكات المصغَّرة المجتمعية. وتُحلّ الشبكات الكهربائية الذكية هذه المشكلة عبر نشر قنوات اتصال ثنائية الاتجاه، التي تتيح لمقدِّمي خدمات المرافق إدارة الأصول الموزَّعة والتحكم فيها في وقتٍ قريبٍ جدًّا من الزمن الفعلي. فعلى سبيل المثال، يمكن الاستفادة من الفائض الناتج عن أنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية المنزلية لشحن بطاريات المركبات الكهربائية (EV) أثناء أوقات الذروة. ويؤدي هذا المستوى من التحكم إلى تحويل المستهلك السلبي إلى «مستهلك-منتج» نشط (Prosumer)، ما يمكِّن أنظمة الطاقة من التحسُّن الذاتي، ويقلِّل من نسبة اعتماد النظام الكلي على تقنيات الشبكة الذكية بنسبة تتراوح بين ٨٪ و١٢٪.

استجابة الطلب المُحسَّنة لتخفيف الضغط الواقع على النظام بسبب أحمال الذروة

التكلفة السنوية لبناء طاقة ذروة زائدة في الولايات المتحدة تبلغ ٢٧ مليار دولار أمريكي

من أجل تلبية الطلب الذروي غير المتكرر وقصير المدة (مثل موجات الحر الصيفية)، يجب على مزودي خدمات المرافق توفير قدرة كافية في مجال التوليد والنقل تفوق ما هو مطلوب فعليًّا. ويؤدي ذلك إلى تكلفة سنوية مُقدَّرة تبلغ ٢٧ مليار دولار أمريكي على اقتصاد الولايات المتحدة (وزارة الطاقة الأمريكية، ٢٠٢٣)، مما يرفع تكاليف الخدمات المرافقية المفروضة على العملاء ويُوجِه التمويل بعيدًا عن استثمارات حيوية واستراتيجية أخرى أكثر أهمية. ويمكن لتقنيات الشبكة الذكية أن تساعد في الحد من هذه العبء من خلال تمكين الاستجابة الديناميكية للطلب، والتي تُستخدم بفعالية لإدارة التحكم في الطلب أثناء أوقات الذروة دون الحاجة إلى بنية تحتية جديدة. وينتج عن ذلك تحسُّن في أداء النظام وانخفاض في التكاليف التشغيلية.

ويوضّح المؤلفون كيفية عمل أنظمة الكهرباء الذكية وكيف تؤدي إلى تحقيق وفورات تشغيلية وتحسينات بيئية.

باستخدام أنظمة الكهرباء الذكية، يمكن للعملاء تلقي تنبيهات فورية بشأن أسعار الكهرباء، وحالات التحمُّل الزائد على الشبكة (أي عندما يفوق الطلب العرض)، والتعليمات على مستوى الأجهزة. وتُقدَّم هذه التنبيهات عبر عدادات الكهرباء الذكية أو الأجهزة المنزلية المتصلة بالشبكة، مما يؤدي إلى إجراء تعديلات تلقائية معتمدة مسبقاً من قِبل المستخدم (مثل تغيير درجة الحرارة المُبرمَجة للتيرموستات أو تأجيل تشغيل مضخة حوض السباحة). وقد أدى ذلك في المشاريع التجريبية إلى خفض الطلب الذروي بنسبة تتراوح بين ١٥٪ و٢٠٪ من الاعتماد المتبقي على محطات التوليد العاملة بالوقود الأحفوري والتي تُفعَّل عند أوقات الذروة. كما يسمح هذا النهج بدمج أكبر لمصادر الطاقة المتجددة من خلال جعل الطلب مرنًا وقابلًا للتعديل وفقًا لتوافر إمدادات الطاقة النظيفة.

تتميّز أنظمة الكهرباء الذكية بقيمة إضافية تتمثل في تحقيق وفورات بيئية، والتي بدورها تؤدي إلى وفورات تشغيلية. وتُسهم الأتمتة في خفض الجهود المبذولة لمراقبة الشبكة الكهربائية، وهي عملية تتطلب عمالة كثيفة وتكلّف ما بين ١٥٪ و٣٠٪ من الإنفاق الإجمالي، فضلاً عن الوقاية من الفشل المبكر للمحولات (الصيانة التنبؤية)، مما يجنب حدوث انقطاعات في التيار الكهربائي، ويُطيل عمر الأصول، ويتفادى تكاليف الإصلاح الطارئ. وتسهم كل هذه الكفاءات في خفض الحاجة إلى زيادة القدرة القصوى المُخطَّط لها في الشبكة، وهي زيادةٌ يشير قسم الطاقة الأمريكي إلى أنها تشكّل عبئًا سنويًّا قدره ٢٧ مليار دولار أمريكي. وبالإضافة إلى ذلك، فإن موازنة الأحمال المُحسَّنة تسهم في خفض كمية الوقود الأحفوري المحترق لتوليد الطاقة خلال أوقات الطلب الأقصى. ويمكن لأنظمة الطاقة الذكية أن تخفض انبعاثات ثاني أكسيد الكربون من الشبكة بنسبة تتراوح بين ٨٪ و١٢٪، فضلاً عن تحقيق وفورات في استهلاك الطاقة نتيجة انخفاض الفقد في خطوط النقل، واستخدام مصادر الطاقة المتجددة عند توفرها. وتشكّل أنظمة الكهرباء الذكية ضرورة اقتصادية وبيئية للمدن التي تسعى إلى التنمية المستدامة.

الأسئلة الشائعة

ما هو الشبكة ذاتية الإصلاح؟

تستخدم شبكات الإصلاح الذاتي العزل الآلي وإصلاح الأعطال مزيجًا من الذكاء الاصطناعي وأجهزة الاستشعار الخاصة بالإنترنت للأشياء (IoT) لإعادة توجيه التيار الكهربائي وكشف الأعطال. وتقلل شبكات الإصلاح الذاتي من انقطاعات التيار الكهربائي بشكل كبير مقارنةً بالشبكات الكهربائية التقليدية.

كيف تُحسّن تقنية الشبكة الذكية الموثوقية؟

تتحسّن الموثوقية من خلال تقنية الشبكة الذكية عبر المراقبة الفورية وإدارة الأعطال. وتحسّن التكنولوجيا الآلية الموثوقية وتقلل من مدة انقطاعات التيار الكهربائي. كما أن تحسّن الموثوقية يزيد من فعالية موارد الطاقة الموزَّعة والتوازن الديناميكي للأحمال لمركزية الشبكة.

ما فوائد دمج مصادر الطاقة المتجددة مع الشبكات الذكية؟

تقلل موازنة التحميل الديناميكية المدمجة مع الشبكات الذكية ومصادر الطاقة المتجددة من هدر الطاقة الكهربائية، مع تحسين استخدام الموارد. ويُعد دمج مصادر الطاقة المتجددة والشبكات الذكية أمراً إيجابياً لأنه يخفف من تقلب إنتاج الطاقة ويدير توزيع الطاقة بكفاءة عالية مع أدنى خسائر ممكنة في نقلها.

ما المقصود باستجابة الطلب الديناميكية؟

تتحكم استجابة الطلب الديناميكية في استهلاك الكهرباء استجابةً لإشارات فورية صادرة عن الشبكة الكهربائية. ويسهم إدارة الطلب عبر الاستجابة الديناميكية خلال أوقات الذروة في تعزيز استقرار الشبكة وتقليل الحاجة إلى إنشاء بنى تحتية إضافية لتلبية أحمال الذروة.