لا يخفى على القاريء الكريم أن الطلب على مراكز البيانات سيؤدي الى ارتفاع الطلب على الطاقة الكهربائية بشكل غير مسبوق. فحسب دراسة شركة ماكينزي فنمو الطلب على القدرة الكهربائية لمراكز البيانات يتراوح بين 19% الى 27% بشكل سنوي حتى 2030. مما يعني زيادة الطلب السنوي بمقدار 171 الى 298 جيجاواط من القدرة الكهربائية. إذا اخذنا متوسط توقعات ماكينزي بنمو طلب سنوي يقدر ب 219 جيجاواط، فهذا يعني وصول اجمالي الطلب التراكمي لأكثر من 1.3 تيراواط من القدرة الكهربائية والذي يعادل 14% من اجمالي القدرة الكهربائية المركبة بالعالم اليوم. لذا، فمراكز البيانات ستساهم لوحدها بنمو الطلب على الطاقة الكهربائية سنويا بأكثر من 2.3% الى 3.3% بالعالم. أيضا في الولايات المتحدة الأمريكية، حسب معمل لورانس بيركلي الوطني، فالطلب على الطاقة الكهربائية لمراكز البيانات سينمو من 180 تيراواط ساعه الى 580 تيراواط ساعه حتى 2028 كما هو موضح بالرسم البياني (1).

أما محليا في المملكة العربية السعودية، فمتوقع أن يصل الطلب المحلي لمراكز البيانات بالسعودية لأرقام كبيرة. فحجم الاستثمارات ستتجاوز 15 مليار دولار بنسبة نمو تتجاوز 29% ليرتفع الطلب على القدرة الكهربائية من 300 ميقاواط الى 1300 ميقاواط كأقل تقدير حسب الرسم البياني (1).

أطرح هنا حل عملي لتلبية احتياجات مراكز البيانات من الطاقة لمراكز البيانات بالاستفادة من الطاقة الشمسية وبطاريات التخزين.حيث تبرز الحلول الهجينة التي تجمع بين الطاقة الشمسية وأنظمة تخزين الطاقة بالبطاريات (BES) كبديل مستدام وفعال يلبي احتياجات مراكز البيانات بطريقة مبتكرة واقتصادية. إن الحاجة إلى حلول مستدامة لتغذية الطلب من مراكز البيانات الحديثة ذات كثافة الاستهلاك العالي للطاقة يعتبر ذا أهمية لتفادي الحاجة لترقية شبكة النقل والتوزيع المكلفة اقتصاديا وزمنيا. إن الاعتماد الكلي على الشبكة الكهربائية يؤدي إلى تحديات متعددة، مثل زيادة الحمل على شبكة النقل مما يتطلب حاجة إلى تطوير وبناء خطوط نقل جديدة ذات تكلفة عالية بالإضافة لعامل الوقت لتنفيذها ومشاكل سلاسل الامداد المتعلقة بمحولات القدرة العالية وانظمة الحماية. ومع ازدياد الطلب العالمي على خدمات مراكز البيانات، يصبح من الضروري تبني حلول مبتكرة ومستدامة لتلبية هذا الطلب المتسارع والمتزايد. النظام الهجين المقترح في هذا المقال يركز على عنصرين للتعامل مع هذه التحديات بحيث تم تصميم مقترح نظامًا هجينًا يجمع بين الطاقة الشمسية الكهروضوئية (PV) وأنظمة تخزين البطاريات متصلة بالتوازي على نقطة الربط بخطوط النقل بما يعرف بالربط الكهربائي المتردد AC Coupled System لتغطية 80-85% من احتياجات مراكز البيانات من الطاقة اليومية، مع تقليل الاعتماد على الشبكة الكهربائية إلى 20% فقط.

مواصفات النظام:

• نظام الطاقة الشمسية: 3.9 جيجاوات (DC) \ 3.52 جيجاوات (AC)
•  نظام تخزين الطاقة بالبطاريات: 3 جيجاوات 5.6 /جيجاوات ساعة
• قدرة خط النقل الكهربائي: 200 ميجاوات فقط (ما يعادل 20% من حمل المركز).

هذا التصميم يعتمد على بنية توصيل تعتمد على التيار المتردد (AC-Coupled System). كما يضمن نظام إدارة الطاقة أن يكون الحمل المسحوب من الشبكة الكهربائية في حدود السعة القصوى لخط النقل البالغة 200 ميجاوات، مما يقلل بشكل كبير من الحاجة إلى توسعة البنية التحتية للشبكة كما بالصورة المرفقه.

محطة الطاقة المقترحة لتغذية مركز البيانات (NREL Report)

إجراء محاكاة للنظام المقترح على مدار عام كامل باستخدام بيانات فعلية لأحد مناطق المملكة العربية السعودية، مع استخدام دقة بيانات كل خمس دقائق. أظهرت نتائج المحاكاة أن نسبة شحن البطاريات (SOC) لم تنخفض أبدًا عن 15%، مما يضمن استقرار النظام واعتماديته.

صُمم النظام بحيث تكون السعة الإجمالية للطاقة الشمسية ونظام تخزين الطاقة بالبطاريات تعادل حوالي ثلاثة أضعاف الحمل المطلوب. هذه الزيادة توفر فائضًا إضافيًا للطاقة يعزز من الاعتمادية ويضمن استدامة الإمدادات حتى في حالات الطلب المرتفع. فوائد النظام الهجين:

1. تقليل الحاجة لتوسيع الشبكة الكهربائية: بفضل الاعتماد المحدود على الشبكة (20% فقط)، يتم تخفيف العبء على الشبكة وتقليل الحاجة إلى تطوير خطوط نقل جديدة أو توسعات في الشبكة الوطنية.

2. تقليل الانبعاثات الكربونية: الاعتماد الأكبر على مصادر الطاقة المتجددة يقلل من استخدام الوقود الأحفوري، مما يساهم في تحقيق أهداف الاستدامة البيئية.

3. المرونة في التصميم والتوسع: النظام يمكن تعديله بسهولة ليتناسب مع مراكز بيانات ذات أحجام مختلفة، مما يجعله حلاً مرنًا ومستدامًا.

4. تقليل التكاليف طويلة الأمد: الاعتماد على الطاقة الشمسية والتخزين بالبطاريات يقلل من تكاليف التشغيل على المدى البعيد مقارنة بالاعتماد الكلي على شبكة النقل والفواقد المتعلقة بها.

5. تحقيق ايرادات اضافية للمطور والمستثمر: إن وجود بطاريات بجانب محطات الطاقة الشمسية يقدم خدمات كبيرة للشبكة لدعم استقرارها مثل خدمات Ancillary services والمساهمة في برامج استجابة الطلب والذي يعظم الفائدة الاقتصادية بجانب ايرادات بيع الكهرباء لمراكز البيانات.

 إضافة إلى النظام الهجين المقترح، يمكن الاستفادة من بنية تحتية قائمة بالفعل مثل محطات الطاقة الشمسية الكبيرة المنتشرة بالمملكة. بحيث يتم نشر مراكز البيانات بجوار هذه المحطات لتقليل الحاجة إلى خطوط نقل جديدة وللاستفادة القصوى من البنية التحتية القائمة وتعظيم التنمية المستدامة. يتم تجنب نشر البطاريات في اماكن أخرى قد لاتكون أنسب من ناحية اقتصادية وفنية مقارنة بهذا النظام الهجين.

ختاما، يقدم النظام الهجين المقترح حلاً عمليًا ومستدامًا لتلبية احتياجات مراكز البيانات من الطاقة، مع تقليل الاعتماد على توسيع الشبكة الكهربائية. هذا الحل يمثل نموذجًا مستقبليًا يمكن تطبيقه في المملكة العربية السعودية بالشكل الأمثل لتعظيم الفوائد الاقتصادية والفنية للشبكة.

مراجع:

• McKinsey & Company. (n.d.). AI power: Expanding data center capacity to meet growing demand. Retrieved December 21, 2024, from https://www.mckinsey.com/industries/technology-media-and-telecommunications/our-insights/ai-power-expanding-data-center-capacity-to-meet-growing-demand
• Shehabi, A., Smith, S.J., Hubbard, A., Newkirk, A., Lei, N., Siddik, M.A.B., Holecek, B., Koomey, J., Masanet, E., Sartor, D. 2024. 2024 United States Data Center Energy Usage Report. Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, California. LBNL-2001637
•  Shaikh, J. (2024, July 12). Unlocking the Data Center Opportunity in KSA. Roland Berger. Retrieved from https://www.rolandberger.com/en/Insights/Publications/Unlocking-the-Data-Center-opportunity-in-KSA.html
•  Gevorgian, Vahan, Przemyslaw Koralewicz, Shahil Shah, Emanuel Mendiola, Robb Wallen, and Hugo Villegas Pico. 2022. Photovoltaic Plant and Battery Energy Storage System Integration at NREL’s Flatirons Campus. Golden, CO: National Renewable Energy Laboratory. NREL/TP-5D00-81104. https://www.nrel.gov/docs/fy21osti/81104.pdf.