ينمو قطاع الكهرباء كل يوم من حيث عدد المستهلكين، واحتياجات المستهلكين، وموارد الطاقة، والتقنيات الجديدة المعتمدة. نحن بحاجة إلى بنية تحتية جديدة لمواكبة كل هذه التغييرات. ويجب أن تكون هذه الشبكة المستقبلية ذكية بما فيه الكفاية لتوفير الاحتياج المتنامي للطاقة بأقل تكلفة وأعلى كفاءة، مع الأخذ في الاعتبار ظاهرة تغير المناخ والاحتباس الحراري، التي أصبحت تشكل تهديدا حقيقيا للبشرية.
ما هي الشبكة الذكية؟
وفقًا لمنصة التكنولوجيا الأوروبية للشبكات الذكية، فإن الشبكة الذكية هي “شبكة كهرباء يمكنها أن تدمج بذكاء تصرفات جميع المستخدمين المتصلين بها – المولدين والمستهلكين وأولئك الذين يقومون بالأمرين معًا – لتوفير كهرباء مستدامة واقتصادية وآمنة بكفاءة.”
لنبدأ بتحديد الفرق بين الشبكات الذكية والشبكات التقليدية.
يمكن تصنيف الاختلافات بين الشبكة التقليدية والشبكة الذكية إلى خمس فئات رئيسية: التوليد والأسواق والنقل والتوزيع والمستهلكين، فيما يلي سنستعرض الاختلافات الخمسة على التوالي.
إنتاج او توليد الطاقة
ومن وجهة نظر الإنتاج، تعتمد الشبكات التقليدية على عدد قليل من محطات الطاقة الكبيرة التي تعمل بالوقود الأحفوري، مثل الفحم أو الغاز أو الطاقة المائية أو النووية. باستثناء الطاقة المائية، فإن جميع المحطات الأخرى غير متجددة، وهي مسؤولة عن أكثر من 40% من جميع انبعاثات ثاني أكسيد الكربون المرتبطة بالطاقة. ومن ناحية أخرى، تم تصميم الشبكات الذكية لتشمل التوليد الموزع، والذي يمكن أن يكون متجددًا أو غير متجدد. ولن تؤدي الشبكة الذكية إلى إغلاق محطات الطاقة القائمة، ولكن سيتم استبدالها تدريجياً بموارد موزعة ومتجددة مثل الطاقة الشمسية وطاقة الرياح والغاز الحيوي. ستحتاج شبكة التوليد الموزعة هذه مع جميع الموارد المتقطعة إلى أنواع مختلفة من المراقبة والتحكم.
السوق
سيتحول سوق الطاقة في عصر الشبكة الذكية من سوق مركزية ووطنية في الغالب إلى سوق لا مركزية مع لاعبين جدد مثل شركات الطرف الثالث التي تقدم خدمات التشغيل والمراقبة وتجارة الطاقة بالجملة. وفي الشبكة الذكية الجديدة، يمكن حتى للمستخدم النهائي أن يكون جزءًا من السوق ويستخدم سطح منزله للاستثمار في بيع الطاقة للشبكة. يتطلب هذا السوق الديناميكي درجة عالية من رقمنة الخدمات للتعامل مع العوامل المختلفة التي تؤثر على سعر الطاقة، كما يحتاج أيضًا إلى الأمن السيبراني لحماية تدفق الطاقة والأموال بين مختلف اللاعبين في السوق.
النقل
إن الحاجة إلى خطوط نقل كبيرة لنقل الطاقة عبر مسافات طويلة سوف تختفي تدريجياً مع ثورة الشبكات الذكية. وسيكون التوليد أصغر حجما ومحليا تقريبا، مما سيقلل من فقدان الطاقة في الخطوط ويقلل تكاليف إنشاء خطوط النقل وصيانتها. كما أن وسائل نقل الطاقة ستتغير مع ظهور الهيدروجين والبطاريات كوسيلة لتحويل الطاقة. وهذا سيعطي الشبكة المزيد من المرونة ويخلق تحديات جديدة.
التوزيع
خطوط التوزيع في شبكات الطاقة التقليدية هي خطوط ذات اتجاه واحد، من الأعلى إلى الأسفل، أما في الشبكة الذكية، فخطوط التوزيع عبارة عن خطوط ذات اتجاهين تقوم بإرسال واستقبال الطاقة والبيانات إلى المستهلك. ستحل العدادات الذكية محل العدادات التقليدية التي تقرأ فقط الكهرباء المستهلكة في العقار بوظائف جديدة لا تقتصر على مراقبة مدخلات ومخرجات الطاقة ولكن يمكن توسيعها للتعامل مع الأسعار الديناميكية للكهرباء للمساهمة في وظيفة إدارة جانب الطلب على الشبكات الذكية.
المستهلكين
في الشبكة التقليدية، يكون المستهلكون سلبيين؛ إنهم يستهلكون الطاقة فقط ويدفعون الفواتير. في الشبكات الذكية، ينشط المستهلكون؛ هم يولدون الكهرباء. تساهم بطاريات السيارات الكهربائية الخاصة بهم في استقرار النظام؛ وهناك تدفق للمعلومات في اتجاهين بينهم وبين الشبكة.
تقنيات الشبكة الذكية
تتضمن تقنية الشبكة الذكية مكونات مادية جديدة، وبرمجيات جديدة، وخدمات جديدة. تلعب مفاهيم مثل إنترنت الأشياء (IoT)، والذكاء الاصطناعي (AI)، والتحول الرقمي دورًا كبيرًا في بناء الشبكات الذكية.
المكونات المادية للشبكة الذكية:
المولدات الموزعة (أو الشبكات الصغيرة microgrids) هي اللبنات الأساسية للشبكة الذكية. وهي عبارة عن شبكات معزولة لها تحكمها الخاص ثم يتم ربطها معًا لتشكل الشبكة الذكية بأكملها. وفي نقطة التوصيل، يقوم عداد ذكي بقياس الطاقة المصدرة والمستوردة.
تشمل الشبكات الذكية وسائط نقل لم تكن موجودة في الشبكات التقليدية، مثل خزانات الهيدروجين أو البطاريات.
يجب أن تكون هناك بعض أجهزة الاستشعار لجمع البيانات المراقبة، مثل مدخلات الطاقة الشمسية ودرجة الحرارة، ووقت شحن السيارة الكهربائية، وبيانات المراقبة الأخرى ذات الصلة. هناك حاجة إلى بعض معدات التحكم لفتح أو إغلاق المفاتيح في حالة حدوث أخطاء، ولن تكون هذه المستشعرات والمشغلات هي نفس أجهزة الاستشعار التقليدية ولكن سيتم التحكم فيها بواسطة أنظمة إنترنت الأشياء (IoT).
برمجيات الشبكة الذكية
جميع البيانات المستمدة من العدادات الذكية وأنظمة المراقبة والتحكم تولد بيانات ضخمة. هذه البيانات الضخمة مفيدة في إدارة الطاقة وأنظمة الاستجابة للطلب.
إن وضع كل هذه البيانات الحساسة على الإنترنت ليتم التحكم فيها من خلال أنظمة إنترنت الأشياء يتطلب مستوى عالٍ من الأمن السيبراني. لا ينبغي للأشخاص غير المصرح لهم الوصول إلى هذه الأنواع من البيانات.
خدمات الشبكة الذكية
الأنواع الأخرى من التكنولوجيا المتعلقة بالشبكات الذكية هي تطبيقات البرامج كخدمات (SAAS) مثل تطبيقات الأعمال إلى العميل (B2C) لمراقبة أسعار الطاقة وتزويد العميل بالبيانات المطلوبة لتشغيل أجهزته بأقل سعر. تطبيقات الاعمال الى الأعمال (B2B) التي تدير العلاقة بين شركات التوليد وشركات بيع الطاقة بالجملة.
وسيتم تقديم خدمات أخرى مع تطور سوق الشبكات الذكية.
مميزات الشبكات الذكية
للتحول إلى الشبكات الذكية العديد من المزايا؛ وهنا نستعرض بعض منها:
انخفاض انبعاثات الكربون
الشبكات الذكية، بالإضافة إلى كونها مناسبة لاستخدام الطاقة المتجددة، فإن موقع المولدات الموزعة بالقرب من المستهلكين يقلل من خسائر الطاقة على خطوط النقل، والتي تبلغ حوالي 10٪ من إجمالي الخسائر حتى في الدول المتقدمة. وهذا التوفير بنسبة 10% من مولدات الطاقة يعني انخفاض انبعاثات الكربون بنسبة 10%.
كفاءة الطاقة
تعد إدارة جانب الطلب إحدى وظائف الشبكة الذكية التي يمكن أن تؤدي إلى الاستخدام الفعال للطاقة من قبل المستخدمين النهائيين. تشجع التعريفات الديناميكية العملاء على تحويل أحمالهم إلى فترات زمنية عالية التوليد، مما يخلق علاقة مربحة للجانبين للشبكة والعملاء ويؤدي إلى استخدام أكثر كفاءة للطاقة وبالتالي تقليل انبعاثات الكربون. يمكن أن يساعد استخدام الذكاء الاصطناعي (AI) وإنترنت الأشياء (IoT) المستخدمين النهائيين على التحكم في أحمالهم بسهولة دون استهلاك الوقت والجهد.
محطات طاقة مرنة
تنشر الشبكات الذكية محطات طاقة متوسطة وصغيرة الحجم على شكل شبكات صغيرة. يمنح تكوين الشبكات الصغيرة مستوى عالٍ من المرونة للشبكة الذكية، حيث يمكنها العمل كوحدة قائمة بذاتها مع التحكم الكامل وأيضًا أن تكون متصلة بالشبكة الذكية بأكملها لتبادل الطاقة والبيانات. بالمقارنة مع محطات الطاقة التقليدية الكبيرة، تعد الشبكات الصغيرة أسرع في التركيب والتشغيل، وأكثر قابلية للموائمة مع الطلب، ومناسبة للمجموعات السكانية الموزعة.
نشر المركبات الكهربائية
بسبب تغير المناخ واتجاه أنظمة العالم الخالية من الكربون، أصبحت السيارات الكهربائية الآن ضرورية للنقل النظيف.
السيارات الكهربائية ليست مجرد مستهلكات للطاقة في الشبكة الذكية، ولكنها جزء من توازن نظام الطاقة. إنها توفر بطاريات تخزين يمكن شحنها في وقت ذروة التوليد، كما أنها توفر القصور الذاتي لنظام الطاقة. هناك حاجة إلى القصور الذاتي لنظام الطاقة لمنع البدء من الصفر. في محطات الطاقة التقليدية، يتم توفير هذا القصور الذاتي عن طريق الآلات التي تدور ولكن نظام الطاقة المتجددة مثل الطاقة الشمسية لا يحتوي على قصور ذاتي، لذا فإن بطاريات المركبات الكهربائية تحاكي هذا القصور الذاتي للنظام.
لا تزال الشبكات الذكية هي شبكات المستقبل ولم يتم تنفيذها بشكل كامل على أرض الواقع، ولكن يتم إجراء الكثير من الأبحاث والتطبيقات على عينات تجريبية ومشاريع تجريبية. وأظهرت العديد من الدراسات الاقتصادية والفنية أن الشبكة الذكية هي الحل الأمثل لتغذية كوكبنا بالطاقة النظيفة ذات الكفاءة العالية والسعر المنخفض لتلبية احتياجاتنا الحالية وتوفير موارد الكوكب للأجيال القادمة.
