تعزيز كفاءة استهلاك الطاقة عن طريق الشبكات الذكية
طاقة إضافية ونظيفة بفضل تكنولوجيا المعلومات والاتصالات
شبكات الطاقة الذكية تستوعب مصادر الطاقة المتجددة وتساعد على الحد من الفاقد
يساعد إنتاج الطاقة المتجددة على التقليل من انبعاثات غازات الاحتباس الحراري. ومع ذلك، فعلى الرغم من أن الطاقة الكهربائية المائية وطاقة الكتلة الحيوية يمكن نقلهما ويمكن إنتاجهما عند الحاجة، فإن طاقة الرياح والطاقة الشمسية غير ثابتتين وبالتالي لا يمكن التنبؤ بهما.
وقد صدر تقرير جديد بعنوان “تعزيز كفاءة استهلاك الطاقة عن طريق شبكات الطاقة الذكية” يوضح كيف تساعد تكنولوجيا المعلومات والاتصالات (ICT) في التخفيف من تغير المناخ عن طريق بناء نظام للطاقة كفء ويمكن التحكم فيه بطريقة أفضل. وقد تم إعداد هذا التقرير بتكليف من الاتحاد الدولي للاتصالات في سبيل دعم “السنة الدولية للطاقة المستدامة للجميع”، كما أنه جزء من أنشطة قطاع تقييس الاتصالات المتصلة بتكنولوجيا المعلومات والاتصالات وتغير المناخ.
ما هي شبكة الطاقة الذكية؟
شبكة الطاقة الذكية هي شبكة كهرباء تستعمل تكنولوجيا المعلومات والاتصالات في جمع المعلومات من الموردين والمستهلكين والتصرف على أساسها بطريقة أوتوماتيكية. وهذا يسمح باستيعاب الطاقة المستمدة من مصادر الطاقة المتجددة التي لا يمكن التنبؤ بها فضلاً عن كونها غير متواصلة، كما يسمح بتوزيع الطاقة بمزيد من الكفاءة. وتستطيع الشبكة الذكية توصيل الكهرباء بشكل أجدى من حيث التكلفة مع الحد من انبعاثات غازات الاحتباس الحراري. وتمثل الشبكة الذكية فرصة للتمكين من كهربة البلدان النامية التي ما يزال الحصول فيها على الكهرباء محدوداً للغاية.
وأجهزة تكنولوجيا المعلومات والاتصالات الحالية في حد ذاتها لها تأثير ملموس، وخصوصاً في القطاع المنزلي. ومن المتوقع أن يزداد هذا الأثر خلال السنوات المقبلة. وسوف يؤدي توزيع أجهزة الاستشعار، ومعدات وتجهيزات الشبكات، وأجهزة الحوسبة والتنفيذ إلى زيادة الطلب على الطاقة.
ويقول فرانكو دافولي، الأستاذ بجامعة جنوا، إيطاليا - وأحد واضعي التقرير – “إن تجشم عناء الحد من استهلاك أجهزة تكنولوجيا المعلومات والاتصالات للطاقة نشاط جدير بالاهتمام. ومع ذلك، ينبغي أن تتجنب الجهات المعنية بتطوير الشبكات نشر معدات وتجهيزات تؤدي إلى زيادة انبعاثات غازات الاحتباس الحراري.”.
البنية التحتية للطاقة – مصدر رئيسي لغاز الاحتباس الحراري
توليد الكهرباء والحرارة من الأنشطة الرئيسية التي تؤدي إلى زيادة انبعاثات غازات الاحتباس الحراري، ومن المتوقع أن تزداد. ويجري توليد معظم الكهرباء في الوقت الحاضر من محطات توليد الكهرباء الكبيرة التي تعمل بالوقود الأحفوري.
ويقول فلافيو كيوشيتي، من شركة الاتصالات الإيطالية، “إن البنية التحتية لتكنولوجيا المعلومات والاتصالات أمامها فرص هائلة لتوفير الطاقة والحد من العادم. ومن أوضح الفرص في هذا السياق الاستفادة من تخزين الطاقة واستعمال المولدات في حالة وجود نقص نسبي للخيارات الخاصة بتخزين الطاقة لإدارة عدم التوازن بين العرض والطلب. ويمكن لتكنولوجيا المعلومات والاتصالات بما تُحدثه من تأثير ضخم على الطاقة أن تقوم بدور نشط في تطوير الشبكات الذكية، وخصوصاً في الاستجابة للطلب.”
مبادرات من جميع أنحاء العالم
انطلقت المبادرة الوزارية الخاصة بالطاقة النظيفة في 2010 وهي تجمع بين جهود 23 حكومة لزيادة كفاءة استهلاك الطاقة، والتوسع في إمدادات الطاقة النظيفة وتحسين الحصول عليها. وتُروِّج شبكة العمل الدولية الخاصة بالشبكات الذكية لشراكة عالمية بشأن الشبكات الذكية، مع التركيز على السياسات، والمعايير واللوائح، والتمويل ونماذج العمل، والتكنولوجيا وتطوير النظم، وإشراك المستعملين والمستهلكين، والمهارات والمعارف التي تتمتع بها قوة العمل.
وتعكف المفوضية الأوروبية منذ 2006 على وضع خطة استراتيجية أوروبية لتكنولوجيا الطاقة، بالتعاون مع الجماعات المهتمة بالصناعة والبحوث. وترى الخطة أن عدداً من العناصر يمكن أن يكون لها تأثير قوي على الحد من بصمة الكربون في أوروبا، وهذه العناصر هي: الهواء، والشمس، وشبكات الكهرباء، والطاقة الحيوية، وامتصاص الكربون وتخزينه، والطاقة النووية المستدامة، وخلايا الوقود والهيدروجين، والمدن الذكية.
وفي الولايات المتحدة، حددت الحكومة الحالية رؤية لمضاعفة استعمال الطاقة النظيفة بحلول سنة 2035، وتشغيل مليون سيارة كهربائية على الطرق بحلول سنة 2015 بغية ضمان إمدادات الطاقة في المستقبل. ويدعو قانون استقلال وأمن الطاقة الصادر في 2007 إلى وضع سياسات واتخاذ مبادرات لتحديث شبكات النقل والتوزيع.
وتشجع اليابان على استعمال مصادر الطاقة المتجددة، وإقامة بنية تحتية لتشغيل المركبات الكهربائية واستحداث خدمات جديدة في شبكات الكهرباء الذكية.
وفي إطار خطة الحوافز، بدأت الصين في 2008 تُنفِق استثمارات كبيرة في تحسين قدرة شبكات الكهرباء وإمكانية الاعتماد عليها. ولا بد أن ذلك سيمكن من دمج مصادر الطاقة المتجددة في شبكة الكهرباء وتحسين كفاءة استهلاك الطاقة.
وتركز جمهورية كوريا على رصد الطاقة وزيادة الإنتاج من المصادر غير الضارة بالبيئة.
نحو شبكات طاقة “ذكية”
إن استعمال مصادر الطاقة المتجددة، يزيد من صعوبة التنبؤ بأنظمة الطاقة. وهذا يعني أن مصادر الطاقة المتجددة تتطلب قدرة جديدة للرصد والتحكم، وهذا ما تستطيع تكنولوجيا المعلومات والاتصالات توفيره. والهدف من ذلك هو تحويل هيكل التوجيه والتحكم في الشبكة التقليدية إلى شبكة ذكية تفاعلية تعتمد على الاتصالات (انظر الشكل).
وعلى حد تعبير كارلو تورنيللي، وجانلويجي بروسيربيو، من شركة البحث عن نظام للطاقة (RSE SpA)، ميلانو: “تمثل وظائف الرصد والتحكم الموسعة، التي أدخِلت باستعمال الأجهزة الذكية وشبكة الاتصــالات الشَعـريــة، لب القــدرة الـذكيــة الجـديــدة التي أضيفت إلى الشبكــة.”
كم عدد العقد التي تقوم عليها الشبكة الذكية، وماذا ستكون عليه بصمة الطاقة المترتبة عليها؟ تُقدِّم إيطاليا - التي تمثل نحو 10 في المائة من سكان أوروبا واستهلاكها من الطاقة الكهربائية – الأساس لتقدير ذلك لأن شركة الاتصالات الإيطالية أعلنت تفاصيل المعلومات الخاصة ببصمة طاقة القطاعات المختلفة لشبكتها.
ويبلغ عدد سكان إيطاليا 60 مليون نسمة، وتبلغ مساحتها301 000 كيلومتر مربع، وتضم نحو 8 000 بلدية. ويوجد أكثر من 30 مليون مشترك في الخدمات الإلكترونية وما يقرب من 20 مليون مشترك في خدمات الاتصالات الثابتة.
ويبلغ استهلاك الطاقة الكهربائية في إيطاليا 317 تيرا وات/ساعة في السنة. ويتم توليد الجانب الأكبر من الطاقة من نحو مائة محطة كبيرة لتوليد الطاقة ونحو 4 000 محطة توليد تقليدية صغيرة (تستخدم الطاقة الحرارية أو المائية). وتتدفق الطاقة عبر خطوط الجهد العالي التي تربطها مئات المحطات الفرعية للجهد العالي بنحو 3 000 محطة فرعية للجهد العالي أو المتوسط، ومن ثم بأكثر من400 000 محطة فرعية للجهد العالي أو المتوسط. وقد تم تركيب أكثر من 30 مليون عداد ذكي أوتوماتيكي في أماكن إقامة المستهلكين.
ويضيف باولو جيما، كبير الخبراء بشركة هواوي العالمية لتكنولوجيا المعلومات والاتصالات “إن التكنولوجيا الذكية التي أدخِلت لتحسين كفاءة الشبكة الكهربائية وتحقيق التوازن بين العرض والطلب، تقلل من الحاجة إلى وجود مولدات طاقة احتياطية. كذلك، فإن إدارة الطلب وتحسين أنظمة التخزين توفر المرونة اللازمة لإدارة مصادر الطاقة المتجددة غير المتواصلة.”
تدفق الطاقة في اتجاهين
قطاع التوزيع، الذي يوصل الطاقة إلى المستعملين النهائيين، هو القطاع الأكثر تأثراً بالتوسع في الشبكة الذكية. وتنحصر المهمة هنا في دمج المولدات الصغيرة والمتوسطة وإدارة تدفق الطاقة في اتجاهين في شبكة مصممة لتدفق في اتجاه واحد.
وتُستعمل قناة التوصيل الجديد هذه التي تعمل في اتجاهين مع العملاء في جمع البيانات ونقل المعلومات، بما يسمح بالتجاوب في الوقت الحقيقي مع ظروف الشبكة من خلال آلية تسعير ديناميكية وإدارة الطلب. ويمكن اللجوء إلى ذلك لإبلاغ قطاعات توريد الكهرباء، على سبيل المثال، باستعمال أجهزة معينة للطاقة ومكان مصدر الطاقة التي تستعملها المركبات الكهربائية الموصولة بـالشبكـــة.
وينبغي أن يؤخذ في الاعتبار الأثر المتوقع للمركبات الكهربائية الموصولة بالتيار على تخزين الطاقة. إذ أن قدرتها الكبيرة على تخزين الطاقة توفر مصدراً محتملاً كبيراً للطاقة بالنسبة للشبكة. ففي أثناء الموجة الكبيرة الأولى لتسويق المركبات الكهربائية على مستوى تجاري، تدار المركبات الكهربائية الموصولة بالتيار والمركبات الكهربائية الهجين الموصولة بالتيار على أساس أنها أحمال مرنة نظراً للقيود التقنية الفعلية الخاصة بهذه المركبات.
وسوف يتطلب دمج المركبات الكهربائية معلومات من أجل إدارة عمليات الشحن والتفريغ بالشكل الذي يلبي الأحمال المتغيرة على الشبكة؛ ويشمل ذلك وقف أو تخفيض نسبة الرسوم بل واسترداد الطاقة أثناء الأحداث الحرجة التي تتعرض لها الشبكة. وبطبيعة الحال، سوف يتعين على أصحاب المركبات أن يوافقوا على استخدام سياراتهم بهذه الطريقة. وتعد الحوافز الاقتصادية والتسعير في الوقت الحقيقي من الوسائل الواقعية لإشراك العملاء في إدارة الطاقة.
الاستفادة من تكنولوجيا المعلومات والاتصالات في إدارة الشبكة
سوف يتطلب جعل الشبكة أكثر ذكاء إدخال ابتكارات للتعامل مع الاتصالات الموروثة والبنية التحتية الكهربائية – في ترتيب هرمي يحركه الطلب. وقد استُخدِمت البنية التحتية للاتصالات حتى الآن في الجزء العلوي من الترتيب الهرمي الكهربائي من محطات التوليد والمحطات الفرعية واستخدامات الشبكات المخصصة مثل شبكات ترحيل البث الإذاعي.
ومن ناحية أخرى، سيتعين أن تربط شبكات المستقبل بين عدد ضخم من أجهزة الاستشعار والعدادات الذكية في قطاع التوزيع، والمواقع والمنازل التي تستخدم موارد الطاقة الموزعة بغية دعم الطلب والاستجابة للطلب، والتطبيقات الخاصة بالطاقة الموزعة. وسوف يُنتِج ذلك كميات كبيرة ومتزايدة من المعلومات اللازمة لإدارة الشبكة.
وهذه الخلطة المتنوعة من التطبيقات وشركات توفير الكهرباء على شبكة التوزيع المتصلة بالشبكة الذكية تتطلب بنية خدمية. وسوف يكون من اللازم الاستفادة من تكنولوجيات نقل التيار، وأتمتة المنازل وقدرة الجزيئات المشحونة بالكهرباء على الانتقال.
وتعد الأجهزة المنزلية وغيرها من الأجهزة المُركـَّبة في المباني مُسرفة في استهلاك الطاقة، إما بسبب طريقة استعمالها أو لعدم وجود معايير كافية لتحقيق الكفاءة، وهذا ما ينبغي إدخال المزيد من التحسينات عليه. وسوف يزيد استعمال الشبكات المنزلية وتكنولوجيا المعلومات والاتصالات المستعملة في إدارة الطاقة من الاستهلاك، على الرغم من وجود مفاضلات في مجال تكنولوجيا المعلومات والاتصــالات.
ويهيمن النظام اللاسلكي على الشبكات المنزلية، ولكن تنفيذه مكلـِّف نسبياً ويتطلب طاقة كبيرة جداً تسمح للبطاريات بالعمل في حالة تطبيقات التحكم عن بُعْد منخفضة التكلفة. وتُستعمل تكنولوجيا بلوتوث الراديوية في بعض الأجهزة الطرفية المستعملة في التحكم عن بُعْد وبعض الحواسيب الشخصية، وإن كان من عيوبها أن النظام اللاسلكي مـُكلِّف نسبياً كما أنها تتطلب أن تكون البطاريات قادرة على العمل لفترات طويلة.
وبــروتــوكــول Z-Wave هـــو بــروتــوكـــول للاتصالات اللاسلكية مصمم لتطبيقات التحكم عن بُعْد في المنازل والبيئات التجارية. ويكون هذا البروتوكول مثبتاً أو يتم تثبيته في الأجهزة والنظم الإلكترونية، مثل أجهزة الإضاءة، والتحكم في النفاذ، ونظم التسلية والأجهزة المنزلية. وعلى النقيض من تكنولوجيات الشبكات اللاسلكية الأخرى، مثل البلوتوث والشبكات المحلية اللاسلكية، يتميز بروتوكول Z-Wave وتكنولوجيا ZigBee (وهي تكنولوجيا لا سلكية قصيرة المدى) بأن استهلاكهما للطاقة أقل كما أن معدلات نقل البيانات أبطأ.
وقد أثبتت شبكات خطوط الطاقة أنها تكنولوجيا يمكن الاعتماد عليها في توزيع الفيديو عالي الوضوح لأغراض التسلية، والألعاب، والنفاذ إلى الإنترنت وغير ذلك من التطبيقات في المنازل. ويتعين على المنتجين التركيز على الوصول باستهلاك الطاقة إلى الحد الأمثل لأن الاستهلاك ما زال مرتفعاً بشكل ملحوظ. وسوف تسمح هذه التكنولوجيا في حالة المعدل المنخفض وعرض النطاق المنخفض للشبكات المنزلية بالتواصل مع عدادات الكهرباء الذكية، وتتيح للمستهلكين القدرة على متابعة وإدارة استهلاكهم من الكهرباء.
ويمكن التوسع في توفير الوصلات التبادلية للتمكين من تحقيق الاتصال الأمثل بين عدادات الكهرباء والمستعملين. ومن بين المبادرات التي اتخِذت في هذا المجال ويمكن التوسع في توفير الوصلات التبادلية للتمكين من تحقيق الاتصال الأمثل بين عدادات الكهرباء والمستعملين. ومن بين المبادرات التي اتخِذت في هذا المجال ITU-T G.hn (التوصيات ITU-T G.9964-G.9960، بالإضافة إلى آلية التعايش المبينة في التوصية ITU-T G.9972)، وITU-T G.hnem (التوصيتان ITU-T G.9955 وITU-T G.9956)، وIEEE 1901، والوسائط المتعددة على معيار Coax Alliance العالمي، والرابطة العالمية لخطوط الطاقة.
وتحدد معايير G.hnem (التوصيتان ITU-T G.9955 وITU-T G.9956)، على وجه الخصوص، مجموعة من ثلاثة معايير للجيل التالي من اتصالات خطوط الطاقة ضيقة النطاق. وتتناول التوصيتان الاتصالات في الداخل والخارج على خطوط الجهد المنخفض، وخطوط الجهد المتوسط، ومن خلال تحويل الجهد المنخفض إلى جهد متوسط والجهد المتوسط إلى جهد منخفض، في اتصالات المناطق الحضرية واتصالات المسافات البعيدة في المناطق الريفية. كما تتناول التوصيتان تطبيقات التوصيل بين الشبكة والعدادات، والبنية التحتية للعدادات المتقدمة وغير ذلك من تطبيقات الشبكات الذكية الأخرى مثل شحن المركبات الكهربائية، وأتمتة المنازل والاتصالات على الشبكات المنزلية. ويشمل المعياران التوافق الكهرمغنطيسي وتقنيات التخفيف، التي تم تحديدها بالتعاون مع قطاع الاتصالات الراديوية. وهما يضمنان درجة عالية من التوافق مع خدمات الاتصالات الراديوية وحماية هذه الخدمات من انبعاثات التوصيل على خطوط الطاقة.
وبالإضافة إلى ذلك، تعكف لجنة الدراسات 5 التابعة لقطاع تقييس الاتصالات على وضع منهجية لتقييم الأثر البيئي لمشروعات تكنولوجيا المعلومات والاتصالات. وسوف تحدد هذه التوصية المبادئ والمتطلبات والطرق اللازمة لتقدير انبعاثات غازات الاحتباس الحراري ورصدها والإبلاغ عنها والحد منها، والتوفير في استهلاك الطاقة، وتحسين كفاءة استهلاك الطاقة بفضل مشروعات تكنولوجيا المعلومات والاتصالات مثل الشبكة الذكية.
وفيما يتصل بالمحطات الفرعية للجهد المتوسط والجهد المنخفض، فلن تكون الوصلات اللاسلكية الحالية كافية لتلبية متطلبات زيادة جودة الخدمة وحِمل الحركة عن طريق القياس وعن طريق التحكم ورصد المعلومات المتدفقة حول البنية التحتية للتحكم في الشبكة الذكية. وسيكون من اللازم رفع مستوى المحطات الفرعية إلى مستوى الجيل الثالث (الاتصالات المتنقلة الدولية – 2000) ثم إلى مستوى الجيل الرابع (الاتصالات المتنقلة الدولية المتقدمة) أو التكنولوجيات السلكية.
ومن اللازم إصدار توجيهات معيارية تتضمن المبادئ التوجيهية الخاصة بالتصميم ومتطلبات التوفير في الطاقة للجيل التالي من أجهزة وتجهيزات تكنولوجيا المعلومات والاتصالات. وينبغي أن يقوم قطاع تقييس الاتصالات بهذه المهمة من خلال نشاط التنسيق المشترك الخاص بالشبكات الذكية والشبكات المنزلية، ولجنة الدراسات 5 التابعة لقطاع تقييس الاتصالات (البيئة وتغير المناخ)، في تعاون مع أجهزة التقييس الرئيسية في مجالات تكنولوجيا المعلومات والاتصالات والمجالات الكهربائية.
توقعات الطاقة – إفريقيا وما وراءها
يمكن أن تقوم الشبكات الذكية بدور مهم في نشر البنية التحتية الكهربائية الجديدة في البلدان النامية والاقتصادات الناشئة عن طريق زيادة كفاءة التشغيل وخفض التكاليف. ومع ذلك، فإن السبب الذي يدعو البلدان النامية إلى بناء شبكة ذكية هو إدارة الطلب في فترات الذروة والحيلولة دون سرقة التيار الكهربائي وليس تحقيق الأهداف البيئية.
وتمثل الطاقة الكهربائية المائية في إفريقيا جنوب الصحراء في الوقت الحاضر 45 في المائة من الطاقة الكهربائية المولـَّدة. وهذا يمثل نسبة ضئيلة فقط من الإمكانيات الهائلة التي يمكن استغلالها تجارياً. كذلك تتمتع إفريقيا بإمكانيات هائلة في مجال توليد الطاقة الشمسية. ولكن استغلال هذه الموارد يتطلب استثمارات ضخمة في محطات توليد الطاقة ومد شبكات الكهرباء. وتعد مؤسسة DESERTEC ومشروعها المسمى TuNur في تنزانيا مثالاً طيباً على استغلال الطاقة الشمسية في إفريقيا.
ومن المرجح أن تكون الطاقة اللامركزية، التي غالباً ما تقوم على أساس مصادر الطاقة المتجددة، من المكونات المهمة في أي توسع كبير في الحصول على الطاقة، وخصوصاً في المناطق الريفية والنائية. ومع ذلك، فإن الاستثمارات الأولية المرتفعة اللازمة لتوليد الطاقة غير الضارة بالبيئة (مقارنة بتوليد الطاقة باستعمال الوقود الأحفوري) في كثير من البلدان النامية قد تمثل عائقاً أمام انتشار الاستفادة من مصادر الطاقة المتجددة.
28-01-2013, 12:36 PM
تعزيز كفاءة استهلاك الطاقة عن طريق الشبكات الذكية
العرض الشجري