ما الذي يجعل الكهرباء الذكية مستقبل إدارة الطاقة؟

الكهرباء الذكية: الإشراف الفوري والتحكم الذكي في شبكات التوزيع

تتمثّل القدرة على تتبع بيانات استهلاك الطاقة في توفير تحكم فوري في العمليات في تحول جذري في مجال إدارة الطاقة. وتتيح البيانات الفورية، بفضل القدرات الحاسوبية لأجهزة الاستشعار المُركَّبة ضمن شبكة إنترنت الأشياء (IoT) السلسة، والخوارزميات المتطوّرة المعالِجة لتدفُّق البيانات، اكتشاف أي شذوذ يُسجَّل من أجهزة الاستشعار في هذا التدفُّق (مثل ارتفاعات الجهد المفاجئة، أو القمم، أو الانخفاضات)، وأنماط الاستهلاك. ويمكن لهذه البيانات الفورية أن تسمح للمُشغِّلين بـ:

- تجنب فشل المعدات من خلال إجراء الصيانة الاستباقية لها قبل حدوث الأعطال.

- تحسين توزيع الطاقة بشكل فوري أثناء فترات الطلب المرتفع.

- خفض التكاليف التشغيلية وتحسين موثوقية عُقد الاستهلاك (الشبكة الموزَّعة) عبر خفض متوسط التكاليف التشغيلية لعُقد الاستهلاك (الشبكة الموزَّعة).

- خفض متوسط التكاليف التشغيلية لعُقد الاستهلاك (الشبكة الموزَّعة).

قدرة مراقبة استهلاك الطاقة في الوقت الفعلي على زيادة المرونة التشغيلية.

ما تحققه المراقبة الذكية من دمج للشبكة الذكية

تتيح المراقبة الذكية إدارة الطلب ديناميكيًّا والاستجابة لجهة الطلب في جميع أنحاء الشبكة. فتُغيّر أنماط استهلاك الطاقة استجابةً لتقلبات الطقس المفاجئة أو العواصف أو أنماط إنتاج التصنيع. وستُفعِّل أجهزة الاستشعار التي تكشف عن استجابات غير طبيعية في المنشآت التصنيعية إجراءات وقائية لتفادي حالات فشل النظام. كما أن الاستجابة للطلب قد تزيد المرونة التشغيلية بنسبة تصل إلى ٤٠٪ مقارنةً بالأنظمة التي تعمل بطريقة الاستجابة للطلب. وللهذا النوع من الأنظمة القدرة على خفض وقت تشغيل النظام بنسبة ٤٠٪.

دمج تقنيات التعلُّم الآلي والتحليلات وإنترنت الأشياء لتحقيق موازنة حمل تنبؤية

يؤدي دمج الحوسبة الطرفية مع التحليلات القائمة على السحابة إلى إنشاء شبكات كهربائية ذكية ومرنة، وتقوم باستمرار بتحسين أدائها ذاتيًّا.

أنظمة الشبكة الذكية: معنى أنظمة الشبكة الذكية: العمود الفقري لنشر الكهرباء الذكية

تحديث الشبكة: الموثوقية، والمرونة، والاتصالات ثنائية الاتجاه

تُحدِّث الشبكات الذكية نفسها باستخدام تقنيات المراقبة الفورية والتحكم الآلي التي تكتشف المشكلات، بما في ذلك أعطال المحولات، خلال جزء من الثانية (أي في نصف الوقت الذي تستغرقه الأنظمة القديمة للاستجابة لأي عطل). كما تمتلك الشبكات الذكية آليات إصلاح ذاتي تُعيد توجيه تدفق الكهرباء تلقائيًّا لمنع انقطاعات التيار الكهربائي الكبرى. وقد قدَّر تقرير أعدَّته مؤسسة بونيون عام ٢٠٢٣ أن هذه الأنظمة توفر للمنشآت ما يقارب ٧٤٠٠٠٠ دولار أمريكي سنويًّا بسبب خسائر الإيرادات. علاوةً على ذلك، تتميز هذه الشبكات بتقنية الاتصال ثنائي الاتجاه؛ فعند ارتفاع الطلب على الطاقة في الشبكة، يمكن لشركات توزيع الكهرباء إرسال إشارات تفيد برفع الأسعار، مما يحفِّز المستهلكين على نقل أنشطتهم الكهربائية المكثفة (مثل شحن مركبات EV وغسل الملابس) إلى ساعات الذروة المنخفضة. وبذلك، يتحول المستهلكون إلى مشاركين فاعلين يساهمون في استقرار الشبكة.

تدفق بيانات الكهرباء الذكي المُمكَّن بواسطة بروتوكولات منخفضة زمن الاستجابة (MQTT، LoRaWAN، 5G)

يُعد النقل الفوري والموثوق للبيانات ضروريًّا للحفاظ على استقرار الشبكة الكهربائية. وتُستخدم بروتوكولات ذات زمن انتقال منخفض لتوفير نقل البيانات مع درجات متفاوتة من زمن الانتقال:
يمكن لشبكة الجيل الخامس (5G) أن توفر وقت استجابة أقل من ١٠ ملي ثانية لإشارات التحكم التي تُعتبر حاسمةً للعملية (مثل التحكم في العاكسات الشمسية أثناء تقلبات الجهد).

يستطيع بروتوكول MQTT معالجة بيانات القياس عن بُعد (Telemetry) القادمة من ملايين أجهزة القياس، ويُقدَّر أن يقلل حجم البيانات بنسبة ٧٠٪ (IEEE، ٢٠٢٣).

يمكن لتقنية LoRaWAN أن تعمل لسنوات عديدة باستخدام بطارية واحدة فقط (لتوفير تنبيهات الانقطاع)، كما يمكنها الاتصال بأجهزة الاستشعار الموجودة داخل المحطات الفرعية النائية.

باختصار، تعمل هذه التقنيات معًا لتمكين موازنة الأحمال التنبؤية.

تمكين دمج مصادر الطاقة المتجددة من خلال أنظمة الكهرباء الذكية

التنسيق بين الطاقة الشمسية الموزَّعة، وطاقة الرياح، والتخزين عبر طبقات تحكم ذكية

تتطلب توليد الطاقة الشمسية وطاقة الرياح تنسيقًا كبيرًا للحفاظ على استقرار الشبكة الكهربائية، نظرًا لطبيعتها المتقطعة في التوليد. وتتميَّز الشبكات الذكية الحديثة بأنظمة تحكُّم متقدِّمة تدير مصادر التوليد المختلفة في أرجاء الشبكة بأكملها. وتقوم هذه الأنظمة بالتحكم في عمليات التوليد والتخزين المستمدة من مصادر الطاقة الشمسية وطاقة الرياح استنادًا إلى توقعات الطقس والبيانات الفورية الواردة من الشبكة. فعلى سبيل المثال، إذا وُجد فائض في توليد الطاقة الشمسية، فإن الشبكة توجِّه تلك الطاقة نحو مرافق التخزين أو نحو مناطق أخرى من الشبكة. وعلى العكس من ذلك، عند حدوث انخفاض مؤقت في سرعة الرياح، تقوم الشبكة بإطلاق الطاقة المخزَّنة لتغذية المولِّدات. ويؤدي هذا النوع من الإدارة إلى خفض الحاجة إلى استخدام المولِّدات التي تعمل بالوقود الأحفوري، كما يقلِّل من هدر الطاقة المولَّدة من المصادر المتجددة. ووفقًا لدراسة أجرتها مختبر الطاقة المتجددة الوطني العام الماضي، وُجد أن هذا النوع من الإدارة يمكن أن يرفع كفاءة استغلال الطاقة المولَّدة من المصادر المتجددة بنسبة تصل إلى ٣٠٪ تقريبًا، ما يؤدي إلى خفض انبعاثات ثاني أكسيد الكربون الناتجة عن توليد الطاقة من الوقود الأحفوري بمقدار ٢٨ طنًا سنويًّا لكل ميجاواط من السعة التوليدية. وبذلك، لم تعد مصادر الطاقة المتجددة المتقطعة مجرد نقاط توليد عابرة، بل أصبحت مصدرًا موثوقًا لتوليد الطاقة للشبكة.

تمكين المستهلك: العدادات الذكية والمشاركة من جانب الطلب

إن تطوير العدادات الذكية يمنح العملاء القدرة على التحكم في استهلاكهم للطاقة. وتمكن العدادات الذكية عملاء خدمات الطاقة من تجاوز دور العميل السلبي ليصبحوا مشاركين فاعلين في تشغيل نظام الطاقة. وتشكل العدادات الذكية جزءًا من نظامٍ يُعرف باسم «البنية التحتية المتقدمة للقياس». وهذا يعني أن العميل يستطيع الاطلاع على طريقة تشغيل النظام، ومعرفة كيفية توزّع استهلاكه بين كل جهازٍ على حدة، وبالتالي اتخاذ تغييرات سلوكية لتوفير المال. وقد أظهرت دراسة نُشرت في مجلة كفاءة الطاقة أن عملاء العدادات الذكية خفضوا استهلاكهم بنسبة ٥٠٪ خلال السنة الأولى من تنفيذ هذه العدادات. وهذا أمرٌ متوقع، إذ إن العملاء الذين يدركون مستويات استهلاكهم سيغيّرون سلوكهم لتخفيض هذا الاستهلاك.

العدادات التقليدية مقابل العدادات الذكية

القراءات اليدوية الشهرية، والفواتير التقديرية، والاتصال أحادي الاتجاه.

يدعم النظام بأكمله إعدادات التسعير الديناميكي التي نراها حاليًّا، لا سيما أسعار الكهرباء المرتبطة بالوقت. وبفضل توافر هذه الخيارات، يقوم الأشخاص بغسل ملابسهم وشحن مركباتهم الكهربائية (EV) خلال فترات الذروة المنخفضة، حيث تكون الأسعار أقل تكلفة. وقد قدَّمت بعض البرامج التجريبية أدلةً في بيئات واقعية. وأدى إدارة الطلب على الطاقة إلى خفض الاعتماد على محطات التوليد الاحتياطية القديمة التي تعمل بالوقود الأحفوري بنسبة ١٤٪ وفق تقرير تحديث الشبكة الكهربائية الصادر العام الماضي. وهناك بحوث كثيرة جدًّا في هذا المجال. ويُظهر الناس عمومًا فهمهم للوضع الحالي، ثم يميلون إلى خفض استهلاكهم خلال أوقات الذروة بنسبة تتراوح بين ٨ و١٢٪. وقد أكَّدت دراسة نُشرت في مجلة «سياسة الطاقة» (Energy Policy) هذه النتيجة عند التحقيق في آثار مشاركة المستهلكين. وتتجاوز المنازل الذكية هذا الحدَّ أكثر فأكثر: إذ تستجيب العدادات تلقائيًّا للتغيرات في أسعار الطاقة خلال اليوم، وقد تقوم بتعديل إعدادات منظم الحرارة (الثرموستات)، أو حتى إيقاف شحن المركبات الكهربائية (EV) مؤقتًا. وبذلك، يتحول الاستهلاك العشوائي للطاقة إلى استخدامٍ مقصودٍ ومفيدٍ لشبكة الكهرباء.

الأسئلة الشائعة

ما المقصود بمراقبة استهلاك الطاقة في الوقت الفعلي؟

تشير مراقبة استهلاك الطاقة في الوقت الفعلي إلى استخدام أجهزة الاستشعار وتدفقات البيانات للكشف التلقائي عن الانحرافات في استهلاك الطاقة واتخاذ إجراءات تصحيحية لزيادة الكفاءة وتقليل التكاليف التشغيلية.

كيف تحسّن الشبكات الذكية موثوقية الشبكة الكهربائية؟

تساعد التحليلات المتقدمة ومراقبة البيانات في الوقت الفعلي الشبكات الذكية على التعامل مع الأعطال الكبيرة وتجنبها قبل وقوعها. كما تُدار أنظمة التحكم الآلي والشبكات ذاتية الإصلاح وتحسّن من موثوقية إمدادات الطاقة، حتى في أوقات الذروة في الطلب.

ما التقنيات التي تدعم تدفق بيانات الكهرباء الذكية؟

ولكي تحافظ تقنيات تدفق البيانات على الاستقرار، فإنها تحتاج إلى اتصالات منخفضة زمنياً. وتؤدي تقنيات مثل 5G وLoRaWAN وMQTT دوراً جيداً في توفير هذه الميزة، مما يسمح بمعالجة سريعة للبيانات لإدارة أفضل للأحمال وأنظمة الشبكة.

كيف تشجّع العدادات الذكية مشاركة المستهلكين؟

تشجع العدادات الذكية العملاء على مراقبة استهلاكهم للكهرباء وتعديله من خلال تزويدهم ببيانات فورية. ويمكن للعملاء أيضًا المشاركة في برامج التسعير حسب أوقات الاستخدام، ونقل استهلاكهم للكهرباء إلى الأوقات غير الذروية لتقليل فواتيرهم.