نمو الطاقة الشمسية يتطلب شبكة كهربائية أكثر ذكاء ومتانة

الانتقال العالمي من الوقود الأحفوري إلى شبكات الطاقة الشمسية

في أعقاب انهيار شبكة الكهرباء في شبه الجزيرة الأيبيرية (البرتغال وإسبانيا)، سأل العديد عن السبب الجذري لما حدث. ومثل العديد من الأشياء اليوم، أصبحت المناقشة سريعة السياسة، مع اتهام الطاقة الشمسية بأنها السبب في الحادث.

مصدر: RNZ

ومن المحتمل أن يكون ذلك جزئيًا صحيحًا، على الأقل إلى حد ما. تم تصميم شبكة الكهرباء منذ عقود، مع تصميم مركزي يعتمد على الوقود الأحفوري، مبني حول محطات طاقة ضخمة قادرة على توليد الطاقة حسب الطلب.

في المقابل، يعمل نظام الطاقة المتجددة المركزة بطرق مختلفة. مع انخفاض تكلفة الطاقة الشمسية، من المحتمل أن تسيطر على جزء أكبر من إجمالي توليد الطاقة. حاليًا، تمثل الطاقة الشمسية 80٪ من توليد الطاقة الجديد المضاف إلى الشبكة، والرياح 10٪ أخرى.

مع إضافة 585 جيجاوات من السعة، مثلت الطاقة المتجددة أكثر من 90٪ من التوسع الكلي للطاقة على مستوى العالم في عام 2024.

استمرت الطاقة الشمسية والرياح في التوسع الأكثر، حيث مثلت معًا 96.6٪ من جميع الإضافات الصافية للطاقة المتجددة في عام 2024. بلغت أكثر من ثلاثة أرباع توسيع السعة في الطاقة الشمسية، التي زادت بنسبة 32.2٪، لتصل إلى 1865 جيجاوات، تليها طاقة الرياح التي نمت بنسبة 11.1٪.

مصدر: Irena

لذلك، بينما يبدو أن نظام الطاقة الأخضر القائم على الطاقة المتجددة وشيك، فإن جعل شبكة الكهرباء قادرة على التعامل معه سيكون أمرًا حيويًا. خاصةً لأن أي فشل في شبكة الكهرباء مثل الحادث الأخير، إذا كان حقًا ناتجًا عن إمداد الطاقة الشمسية، سوف يؤخر تبني الطاقة الشمسية وسيؤدي بشكل غير مباشر إلى زيادة انبعاثات الكربون لمدة أطول.

كيف تعمل شبكات الكهرباء ولماذا تفشل

عنصر رئيسي لفهم أهمية شبكة الكهرباء وصعوبات الحفاظ على تشغيلها هو أن الكهرباء صعبة التخزين.

في النظرية، هذا ما تفعله البطاريات، ولكن شبكة الكهرباء لبلد ما تعمل بمستويات طاقة عدة مرات أكبر مما يمكن للبطاريات الأكبر تخزينه.

لذلك، يجب توليد الطاقة بنفس الكمية التي يتم استهلاكها، في الوقت الفعلي.

لإضافة إلى هذه المهمة الصعبة، يجب أيضًا تسليم الطاقة إلى المكان الصحيح وفي الوقت الصحيح. على سبيل المثال، لا يمكن أن تساعد الطاقة الشمسية المولدة في نيفادا شبكة كانساس إذا لم تكن متصلة بها بخطوط طاقة كافية. في حالة إسبانيا، لم تكن الارتباطات مع نظام شبكة الطاقة الفرنسية كافية لإنقاذها من مشاكلها المحلية.

مصدر: ResearchGate

أخيرًا، يجب إجراء تغييرات في الجهد. يمكن أن تتم نقل الطاقة على مسافات طويلة بفعالية فقط عند جهد عال، مما يتطلب محولات لرفع الجهد قبل دفع الكهرباء إلى خطوط الطاقة. يجب أن تتم الاستهلاك عند جهد منخفض، وهو ما يتم أيضًا بمحولات.

مصدر: EIA

فشل شبكة الطاقة الإسبانية: ماذا حدث؟

مشاكل التردد

على الرغم من أنه من المحتمل أن يتم النقاش حول الأسباب الجذرية لانهيار شبكة إيبيريا لمدة أشهر أو سنوات قادمة، إلا أن لدينا بعض النقاط البيانية التي يمكن أن تشير جزئيًا إلى ما حدث.

الأول هو أن نقطة الفشل الفعلية لم تكن حول توليد طاقة زائد أو غير كاف أو استهلاك، ولكن التردد الكهربائي لشبكة الكهرباء.

تردد الخدمة هو سمة تقنية لشبكة الكهرباء، يتم تحديدها بواسطة تذبذب التيار المتغير.

مصدر: Wikipedia

تختلف شبكات الكهرباء المختلفة في تردداتها القياسية، مما يجعلها غير متوافقة مع بعضها البعض. على سبيل المثال، الدول البالتية قد انتقلت مؤخرًا إلى التردد الأوروبي، بعد عقود من الحفاظ على التردد الموروث من الاتحاد السوفيتي.

إذا تجاوز التردد الحدود المعيارية، يمكن أن يدمر المحولات والمعدات عالية القدرة الأخرى، بالإضافة إلى أجهزة المستخدمين العاديين. هناك آليات متعددة مدمجة في أجهزة الطاقة الكهربائية للفصل التلقائي في حالة تقلبات التردد الزائدة.

هل تسببت الطاقة الشمسية في فشل شبكة إسبانيا؟

لم تكن الطاقة الشمسية تسبب直接ًا في الحادث، ولكن عدم وجود quánها لم يساعد في استقرار تردد الشبكة، وهو عامل رئيسي في الحادث.

مع زيادة التكامل المستمر للمصادر المتجددة، التي تعكسها العديد من البلدان، مثل الهند، التي تخطط لاستغلال الموارد المتجددة المتاحة بكميات كبيرة، سوف يكون انخفاض قصور الشبكة مشكلة مستمرة ويرفع مسألة الإدارة في الشبكة التي تحتوي أيضًا على توليد تقليدي.

لا يزال هذا لا يشرح لماذا تقلبت الترددات في المقام الأول. بالإضافة إلى نقص القصور، الذي يمكن ربطه بالطاقة الشمسية، يبدو أن بعض الممارسات السيئة والتصاميم القديمة ساهمت أيضًا في انهيار شبكة إيبيريا من خلال جعلها عرضة لما وصفه مشغل الشبكة بـ “ظاهرة جوية نادرة للغاية”.

تحديث شبكات الكهرباء لمستقبل الطاقة المتجددة

كما أن التصاميم القديمة للمحولات وخطوط الطاقة والبنية التحتية الأخرى هي السبب الأكثر شيوعًا للانقطاعات، فمن المنطقي أن يكون الخطوة الأولى لتحسين شبكة الكهرباء هي تحديث المعدات.

خطوة إلى الأمام هي ما يسمى بشبكات الذكاء، التي تتابع ما يحدث على كل مستوى من مستويات شبكة الكهرباء في الوقت الفعلي، بدلاً من تحليل أكثر عمومية. هذا يشمل أيضًا العديد من الأنظمة التلقائية الفردية.

بهذه الطريقة، يمكن عزل تقلبات التردد المحلية في منطقة معينة، بسبب حدث جوية، على سبيل المثال، قبل أن تنتشر المشكلةさらに.

استقرار تردد الشبكة في أنظمة الطاقة المتجددة

تخزين البطاريات والقصور الافتراضي في شبكات الكهرباء

في حين أن شبكات الذكاء هي جزء من الإجابة، فإنها سوف تقلل من التعرض للتأثيرات البيئية وتحصر الفشل في مناطق أصغر وأكثر إدارة من انهيار على مستوى الدولة.

للمنع من حوادث مثل انهيار شبكة إسبانيا، سوف تحتاج إلى حلول أخرى.

يمكن لتخزين البطاريات على نطاق كبير تقديم بعض المساعدة. هذه البطاريات، على أي حال، سوف تحتاج إلى نظام طاقة متجدد، لأن لوحات الطاقة الشمسية لا تنتج طاقة في المساء في وقت الاستهلاك الذروة.

يمكنها أيضًا تقديم قصور تردد، على الرغم من أن بطريقة مختلفة عن المولدات التقليدية الكبيرة. القصور من البطاريات يسمى قصور افتراضي أو اصطناعي أو محاكى أو رقمي.

عندما يتم اكتشاف اضطرابات خارج النطاق العادي للتردد، يدفع FFR تردد الشبكة مرة أخرى إلى نطاق التشغيل العادي بسرعة عن طريق حقن أو سحب الطاقة من الشبكة.

يمكن للقصور الافتراضي الاستجابة حتى أسرع من المولدات التقليدية للاستقرار في التردد، في أقل من 2 ثانية.

هذه هي الخدمة التي تم تقديمها لأول مرة تجارياً في عام 2022 من قبل مرافق البطاريات التي بناها تيسلا (TSLA ).

يمكن للبطارية الكبيرة توفير ~2000 “ميجاوات ثانية” (MWs) من قصور تردد مكافئ لمساعدة استقرار الشبكة. تفعل ذلك من خلال خدمة режим الآلة الافتراضية من تيسلا.

هل يمكن لللوحات الشمسية مساعدة استقرار تردد الشبكة؟

بذاتها، لا توفر اللوحات الشمسية quánها، لأن هناك لا دوران مادي ولا طاقة حركية لخلقها. لكن يمكن استخدامها بطرق لتوفير دعم للشبكة أيضًا.

على سبيل المثال، تم تصميم مشاريع الطاقة الشمسية تقليديًا وتحفيزها لتحقيق أقصى إنتاج في جميع الأوقات. ولكن من خلال الحفاظ على بعض القدرات الإنتاجية الإضافية، يمكنها تقديمها في حالة انخفاض التردد.

هذا بسيط تقنيًا ويتعلق أكثر بكيفية تعويض محطات الطاقة الشمسية من قبل شركات المرافق ومشغلي الشبكة.

يمكن استخدام تخزين الطاقة على نطاق صغير في مستوى محطة الطاقة الشمسية بنفس الطريقة. يمكن لمشغل الشبكة تخصيص كمية معينة من التوليد لتخزينها وجعلها متاحة للشحن الفوري إذا انخفض التردد.

يمكن استخدام نفس الطريقة مع المحولات المرتبطة باللوحات الشمسية. يمكن لمشغل المحطة تجاوز التحكم في المحولات لمدة زمنية قصيرة لاحتواء انخفاض التردد، “تشغيلها ساخنة”، ولكن أقل من مستوى حيث سيحدث ضرر مادي للمحولات.

في هذا السيناريو، سوف تعمل كل محول لوحة شمسية كمنظم صغير، مما يوفر quánها افتراضي إضافي.

استعادة quánها الشبكة بالحلا الميكانيكية الدوارة

إذا كان quánها مطلوبًا، وتم توفيره تقليديًا بواسطة مشغلي محطات الطاقة التي تحمل مولدات دوارة، فقد يكون الحل لانخفاض quánها هو القيام بذلك.

بعض الأجهزة وأشكال تخزين الطاقة هي من النوع الدوار: المكثفات المتزامنة والطائرات.

المكثفات المتزامنة: إضافة quánها إلى شبكات الكهرباء

المكثفات المتزامنة هي محركات التيار المستمر التي لا توجد وصلات بين محورها وأي شيء آخر، ولكنها تدور بحرية. إنها لا تولد ولا تستهلك طاقة، ولكنها تعدل الظروف على شبكة نقل الكهرباء.

هذه هي خيار جيد جدًا لإضافة quánها إلى الشبكة، ولكنها توفر خدمات قليلة أخرى. لذلك، إذا كان هناك حاجة إلى إضافة العديد منها، سوف يأتي هذا على حساب إضافي، مما يلغي التقدم المحرز في خفض سعر الطاقة المتجددة.

المكثفات هي أيضًا مهمة جدًا لإعادة تشغيل شبكة منتهية الصلاحية، لأنها توفر quánها المطلوبة عندما يكون هناك القليل من الطاقة في الشبكة. يمكنها أيضًا مساعدة امتصاص الشحن الزائد في الشبكة لعدة ثوان، مما يقلل من مخاطر الدائرة القصيرة.

التحديات الرئيسية التي تعوق تحديث شبكات الكهرباء العالمية

نقص المحولات يهدد تحديث الشبكة

أحد أكثر القضايا بروزًا في تحسين الشبكة اليوم هو نقص المحولات. أدت عقود من الاستثمار غير الكافي في بنية تحتية للشبكة إلى الحالة التي لا تحتاج فقط إلى معدات جديدة للتعامل مع استهلاك أكبر، ولكن أيضًا لاستبدال المحولات القديمة.

مصدر: Utility Dive

أيضًا، لم تساعد زيادة الأضرار الناجمة عن الأعاصير والحرائق الغابوية.

الطلب الإضافي يلتقي بمشاكل الإمداد، حيث يبقى الفولاذ الكهربائي الخاص، الحاسم لخفض خسائر الطاقة في المحولات، باهظًا وصعبًا الحصول عليه.

“يمكن أن يستغرق تسليم محول جديد تم طلبه اليوم ما يصل إلى ثلاث سنوات. قبل خمس سنوات، كان وقت الانتظار أربعة إلى ستة أسابيع.”

بيتر فريل – مدير العلاقات الحكومية في جمعية مصنعي المعدات الكهربائية، أو NEMA

نقص النحاس قد يعوق شبكات الطاقة المتجددة

مشكلة أخرى قد تعوق تحديث الشبكة هي نقص الموارد الطبيعية. بينما قد تكون الليثيوم والمعادن الأخرى للبطاريات في إمداد كاف، فإن إنتاج النحاس العالمي غير واضح، خاصة مع زيادة استهلاك السيارات الكهربائية والتكنولوجيا الأخرى المهمة لتحويل الكهرباء.

“يمكن تلبية الطلب من خلال افتتاح ثلاثة مناجم من الدرجة الأولى (تصل سعتها السنوية إلى 300000 طن متري) كل عام لمدة 29 عامًا، مما سيكون توسعًا تاريخيًا للصناعة، بتكلفة تزيد عن 500 مليار دولار.

التصاريح التنظيمية لمناجم النحاس الجديدة في انخفاض، حيث انخفضت إلى أدنى مستوى في 15 عامًا. هذا يثير القلق بشكل خاص، بالنظر إلى أن المناجم يمكن أن تأخذ 10 إلى 20 عامًا للموافقة والتنمية”

استثمار في شبكة الكهرباء

GE Vernova

GE Vernova هو نتيجة انقسام التكتل العملاق GE في عام 2024 إلى GE Aerospace وGE HealthCare وGE Vernova، مع Vernova في قطاع الطاقة.

بهذا المعنى، يجعله Vernova الوريث المباشر للنواة الأصلية لشركة General Electric التي تبلغ من العمر 130 عامًا.

مع 75000 موظف في أكثر من 100 دولة، أنتجت الشركة 55000 توربينة رياح و7000 توربينة غاز، مما ساعد في توليد ما يقرب من 25٪ من الكهرباء في العالم.

تتواجد في جميع مستويات توليد وانتشار الكهرباء، خاصة في قطاعات التوربينات مثل الرياح والمياه والنووية، ولكن أيضًا في شبكة الكهرباء، حيث لديها 16 مليار دولار من المشاريع في قائمة الانتظار.

مصدر: GE Vernova

ت看到 أن الطلب على الكهرباء ينمو gấpين بحلول عام 2040، مع حاجة 4 تريليونات دولار لاستبدال محطات الطاقة التي تعمل بالفحم، مما يمثل فرصة هائلة لصناع المعدات الكهربائية.

مصدر: GE Vernova

GE هو شريك قريب ل许多 من أكبر شركات المرافق في العالم، بما في ذلك Engie الفرنسية وDuke Energy الأمريكية (DUK ) وSouthern Company (SO ) وRWE الألمانية وIberdrola الإسبانية وTaiwan Power Company، إلخ.

فيما يتعلق bằng حلول الشبكة و الكهربة، توفر GE Vernova أنظمة تخزين بطاريات الطاقة، والمكثفات المتزامنة، ومحطات الطاقة المخزنة بالضخ، والتحويل الكهربائي للفرن، والتخزين الحراري، ومحولات الطاقة الشمسية، ومضخات الهيدروجين، إلخ.

مصدر: GE Vernova

GE Vernova هو أيضًا قوة في البحث والتطوير المتعلق بالطاقة (مبلغ 1 مليار دولار في الإنفاق السنوي على البحث والتطوير)، ولا سيما مع احتجاز الكربون، وكابلات HVDC، وغاز توربينات الهيدروجين، وتصميم مفاعل صغير مودуляр (SMR) بالشراكة مع Hitachi.

مصدر: GE Vernova

المنشآت الصناعية والبحوث والتطوير المتراكمة على مستوى العالم بقيمة 9 مليارات دولار حتى عام 2028 للمنشآت الجديدة.

هذا يشمل 50 مليون دولار لتصميم وقود نووي من الجيل التالي، و300 مليون دولار لغاز الطاقة وتصدير الغاز الطبيعي المسال، و600 مليون دولار في المصانع الأمريكية حتى عام 2026، إلخ.

بسبب عمق نشاط GE Vernova، لا يحتاج مستثمرون في أسهم الشركة إلى التأكد من أي تكنولوجيا سوف تفوز بالانتقال الطاقي في السنوات الخمس أو العشر القادمة:

• إذا ظلت الغاز الطبيعي مهمًا، فإن GE Vernova هو بالفعل لاعب رئيسي في هذا القطاع.
• إذا خضعت الطاقة النووية حقًا لتنوير، فسوف تنجح التوربينات النووية والتصاميم المودولارية الصغيرة.
• إذا كان الهيدروجين أو طاقة الرياح أو الطاقة المائية أو التقاط الكربون والاحتفاظ به في ازدهار، فسوف يكون GE Vernova قادرًا على الحصول على جزء من هذه الأسواق أيضًا.

لذلك، بشكل عام، GE Vernova هو سهم جيد يجب النظر إليه للمستثمرين الذين يدركون زيادة الطلب على الكهرباء وضرورة شبكة أفضل، ومتأكدين من أن GE Vernova سوف يكون جزءًا من الإجابة، سواء كانت هيدرو أو رياح أو نووية أو几乎 أي شكل آخر من أشكال الطاقة.

أحدث أخبار GE Vernova