⚡ electrical engineering

Cleaner energy microgrids under market power and limited regulation in developing countries

تقترح هذه الورقة نموذجاً قائماً على نظرية الألعاب ثنائي المستوى للشبكات الصغيرة في لبنان، يوضح كيف يمكن لسقوف تنظيمية لأسعار التعرفة وتعميدات التغذية الكهربائية أن تواجه بفعالية القوة السوقية لمولدات الديزل الاحتكارية، مما يؤدي إلى تعظيم الفائض الاقتصادي للأسر وتمكين حصص الطاقة المتجددة من الوصول إلى 100%.

المؤلفون الأصليون: Elsa Bou Gebrael (American University of Beirut, Maroun Semaan Faculty of Engineering and Architecture, Industrial Engineering and Management Department Beirut, Lebanon), Majd Olleik (American Univers

نُشر 2026-03-19

📖 5 دقيقة قراءة🧠 قراءة متعمّقة

CC BY 4.0

المؤلفون الأصليون: Elsa Bou Gebrael (American University of Beirut, Maroun Semaan Faculty of Engineering and Architecture, Industrial Engineering and Management Department Beirut, Lebanon), Majd Olleik (American University of Beirut, Maroun Semaan Faculty of Engineering and Architecture, Industrial Engineering and Management Department Beirut, Lebanon), Sebastian Zwickl-Bernhard (Vienna University of Technology, Institute of Energy Systems and Electrical Drives, Energy Economics Group)

البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي للبحث أدناه. لم يكتبه المؤلفون ولم يصادقوا عليه. وللتحقق من الدقة التقنية، يرجى الرجوع إلى البحث الأصلي. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل

تخيل حياً في بلد نامٍ حيث شبكة الكهرباء الوطنية تشبه أنبوب مياه مكسور: فهي غير موثوقة، وغالباً ما تكون جافة، وأحياناً تنقطع تماماً لأيام. وللبقاء على قيد الحياة، قام الجيران ببناء "بئرهم" الخاص—وهو مولد ديزل محلي يديره شركة واحدة (لنسمِّها "زعيم المولد").

"زعيم المولد" يمتلك البئر، والأنابيب، والمضخة. ولأنه الوحيد في المنطقة، فهو يعمل كـ محتكر. يمكنه فرض أي سعر يريده، وإذا شعر بالرغبة في إطفاء المياه لبضع ساعات لتوفير الوقود، فإنه يفعل ذلك. إنه أمر مكلف، وملوث (يصدر الكثير من الدخان)، وليس للجيران أي كلمة فيه.

ومع ذلك، بدأ الجيران يصبحون أذكياء. فقد قام الكثير منهم بتركيب ألواح شمسية خاصة بهم على أسطح منازلهم. لكن هناك مشكلة:

عند الظهيرة: تكون الشمس ساطعة، والألواح الشمسية تنتج كهرباء أكثر من اللازم. لا يستطيع الجيران استخدام كل هذه الطاقة، لذا تذهب سدى (مثل الماء الذي يفيض من دلو).
في الليل: تغيب الشمس، وتصبح الألواح الشمسية عديمة الفائدة. لا يزال الجيران بحاجة لشراء طاقة الديزل الغالية من "زعيم المولد".

السؤال الكبير:
كيف يمكن لمنظم حكومي (ضعيف ولا يستطيع ببساطة طرد "زعيم المولد") أن يبتكر صفقة تسمح للجيران بمشاركة طاقتهم الشمسية الزائدة، مما يخفض السعر للجميع، ويوقف الدخان، دون أن يخسر "زعيم المولد" ماله ويرحل؟

الحل: لعبة "المستويين"

ابتكر مؤلفو هذه الورقة البحثية "لعبة" رياضية لحل هذه المعضلة. فكر في الأمر كأنه تفاوض بين لاعبين:

المستوى الأول: الحكم (المنظم)
لا يستطيع الحكم إجبار "زعيم المولد" على فعل أي شيء، لكن يمكنه وضع قواعد اللعبة. هو يضع حدين:

سقف السعر: "أنت يا زعيم المولد، لا يمكنك فرض سعر على الجيران يزيد عن (س) لكل وحدة كهرباء".
حد الشراء الأدنى: "أنت يا زعيم المولد، يجب أن تدفع للجيران ما لا يقل عن (ص) مقابل أي طاقة شمسية زائدة يريدون بيعها لك".

هدف الحكم هو جعل الجيران أكثر سعادة (تعظيم "الفائض الاقتصادي" لديهم) مع ضمان استمرار "زعيم المولد" في تحقيق الربح.

المستوى الثاني: اللاعب (زعيم المولد)
يرى "زعيم المولد" هذه القواعد ويفكر: "حسناً، كيف يمكنني تحقيق أكبر قدر من المال في ظل هذه القواعد؟"

إذا كانت الطاقة الشمسية الخاصة بالجيران رخيصة الثمن، فقد يشتريها الزعيم بدلاً من حرق الديزل الغالي.
إذا كان لدى الزعيم مال وفير (ميزانية كبيرة)، فقد يشتري هو نفسه ألواحاً شمسية وبطاريات لاستبدال مولد الديزل القديم والملوث.
إذا كانت القواعد صارمة جداً، فقد يقوم الزعيم ببساطة بإطفاء الكهرباء لبضع ساعات لتوفير التكاليف.

ماذا حدث في العالم الحقيقي (دراسة حالة لبنان)

اختبر الباحثون هذا النموذج باستخدام بيانات حقيقية من قرية في لبنان. وإليكم ما وجدوه، باستخدام تشبيهات بسيطة:

1. صفقة "النقطة المثالية"
عندما وضع الحكم سقفاً عادلاً للسعر وسعراً عادلاً لإعادة الشراء، حدثت المعجزة.

حصل الجيران على كهرباء أرخص: انخفض السعر لأن الزعمان لم يعد مضطراً لحرق الكثير من الديزل الغالي.
حصل الجيران على مقابل مادي: استطاعوا بيع طاقتهم الشمسية الزائدة وقت الظهيرة للزعيم.
أصبح "زعيم المولد" أكثر ثراءً (أو على الأقل حافظ على ثرائه): من خلال شراء الطاقة الشمسية الرخيصة، وبالتالي التحول في النهاية إلى نظام (شمس + بطاريات)، وفر الزعيم المال الذي كان ينفقه على الوقود.
النتيجة: ارتفعت سعادة الجيران (الفائض الاقتصادي) بنسبة 18%.

2. عامل "الميزانية"
فكر في ميزانية "زعيم المولد" كأنها محفظة.

المحفظة الصغيرة: إذا كان الزعيم فقيراً، فلا يمكنه شراء ألواح شمسية جديدة. لذا يضطر لشراء الطاقة الشمسية من الجيران لأنها الخيار الأرخص. وهذا في الواقع أمر جيد للجيران!
المحفظة الكبيرة: إذا كان لدى الزعيم الكثير من المال، فقد يشتري ألواحه الشمسية الخاصة. هذا رائع للبيئة (تقليل الديزل)، لكنه قد يتوقف عن شراء طاقة الجيران بقدر أقل. ومع ذلك، يظل النظام ككل يعمل بشكل أفضل من ذي قبل.

3. عامل "الجار الشمسي"

إذا كان لدى عدد قليل من الجيران ألواح شمسية، فلن يتغير النظام كثيراً.
ولكن إذا امتلك 90% من الجيران ألواحاً شمسية، فسيتحول الحي بأكمله إلى مركز للطاقة النظيفة. يمكن للزعيم أن يتوقف تماماً عن استخدام الديزل. ترتفع حصة الطاقة المتجددة من 0% إلى ما يقرب من 100%.

4. الفخ (الطلب غير الملبي)
هناك جانب سلبي واحد. نظرًا لأن الزعيم يحاول تعظيم ربحه، فقد يقوم أحياناً بقطع الكهرباء لبضع ساعات إذا كان تشغيل النظام مكلفاً للغاية (مثل الأيام الغائمة في فصل الشتاء).

في الأيام الخوالي، كان الزعيم يقطع الكهرباء متى أراد.
في النظام الجديد، لا يزال يفعل ذلك قليلاً، لكن الحكم لا يستطيع منع ذلك تماماً بمجرد تحديد الأسعار.
ومع ذلك، توضح الورقة أنه حتى مع وجود هذا الخطر الصغير لانقطاع التيار، لا يزال الجيران في وضع أفضل بكثير من الناحية المالية والبيئية مقارنة بما كانوا عليه سابقاً.

الخلاصة

تثبت هذه الورقة أنه حتى في الأماكن التي تكون فيها الحكومة ضعيفة وشركة واحدة تسيطر على الطاقة، لا يزال بإمكانك خلق وضع (رابح-رابح-رابح):

الجيران: يحصلون على كهرباء أرخص وأنظف ويتقاضون مقابلاً لألواحهم الشمسية.
زعيم المولد: يظل رابحاً وينتقل في النهاية إلى تكنولوجيا أنظف وأرخص.
الكوكب: يحصل على تلوث أقل.

الأمر يشبه تحويل حيّ كان الجميع فيه يتشاجرون على بئر مكسور، إلى حديقة مجتمعية يتشارك فيها الجميع الحصاد، حتى لو ظل صاحب العقار (زعيم المولد) هو من يحتفظ بمفاتيح البوابة.

إليك ملخص تقني مفصل لورقة البحث بعنوان: "الشبكات الصغيرة للطاقة الأنظف في ظل القوة السوقية والرقابة المحدودة في الدول النامية."

1. بيان المشكلة

في العديد من الدول النامية التي تواجه عدم استقرار جيوسياسي، أو فساد، أو أزمات اقتصادية (مثل لبنان، اليمن، نيجيريا)، تكون شبكات الكهرباء الوطنية غير موثوقة أو غير فعالة. ونتيجة لذلك، تعتمد المجتمعات على مولدات ديزل محلية يديرها شركات توليد ديزل (DGCs) خاصة. تعمل هذه الشركات كاحتكارات طبيعية، حيث تسيطر على كل من التوليد والتوزيع في ظل رقابة تنظيمية ضعيفة.

في الوقت نفسه، تتجه الأسر بشكل متزايد نحو اعتماد أنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية (PV) المستقلة عن الشبكة. ومع ذلك، تواجه هذه الأنظمة مشكلتين رئيسيتين في الكفاءة:

التقليص (Curtailment): يُهدر فائض التوليد الشمسي خلال ساعات الذروة لأنه لا يمكن ضخه في الشبكة المحلية.
التقطع (Intermittency): لا تستطيع الأنظمة الشمسية تلبية الطلب خلال ساعات انخفاض سطوع الشمس، مما يؤدي إلى الاعتماد على الديزل المكلف والملوث.

التحدي الجوهري: تتجاهل الدراسات التقنية والاقتصادية الحالية للشبكات الصغيرة (Microgrids) القوة السوقية لشركات توليد الديزل القائمة. فالتخطيط التقني البحت يفشل في الواقع لأن شركة توليد الديزل، بصفتها محتكرة تسعى لتعظيم الربح، تتحكم في الوصول إلى الخدمة والإمدادات. وتطرح الورقة السؤال التالي: كيف يمكن للمنظم (الجهة الرقابية) الذي يمتلك إشرافاً محدوداً، تصميم سياسة لدمج أصول الطاقة الشمسية المنزلية في شبكة صغيرة تسيطر عليها شركة توليد ديزل، لتقليل الاعتماد على الديزل وتحسين الرفاه الاقتصادي للأسر دون تدمير ربحية الشركة؟

2. المنهجية

يقترح المؤلفون نموذجاً قائماً على نظرية الألعاب ثنائي المستوى (لعبة ستيكلبيرج - Stackelberg Game) لمحاكاة التفاعل بين المنظم وشركة توليد الديزل الاحتكارية.

أ. هيكل اللعبة

القائد (المنظم): يعمل أولاً. هدف المنظم هو تعظيم الفائض الاقتصادي للأسر (HES). يضع المنظم أداتين للسياسة:
1. $P_{max}$ : سقف علوي لسعر الكهرباء الذي تفرضه الشركة على الأسر.
2. $FiT_{min}$ : سقف سفلي لتعرفة التغذية الكهربائية (Feed-in Tariff) التي تدفعها الشركة للأسر مقابل الفائض من إنتاج الطاقة الشمسية.
- القيد: يجب على المنظم ضمان أن صافي القيمة الحالية (NPV) للشركة تحت السياسة الجديدة لا يقل عن صافي قيمتها الحالية في الوضع الراهن (لضمان استمرار مشاركة الشركة).
التابع (شركة توليد الديزل): يعمل ثانياً. تستجيب الشركة للقيود التي وضعها المنظم عبر تحسين عملياتها لتعظيم صافي قيمتها الحالية (NPV).
- متغيرات القرار: تختار الشركة سعر البيع الفعلي ( $P \le P_{max}$ )، وتعرفة التغذية الفعلية ( $FiT \ge FiT_{min}$ )، وتوزيع تشغيل مولد الديزل، وشراء الفائض من الطاقة الشمسية المنزلية، والاستثمار في أصول جديدة (طاقة شمسية وبطاريات).
- الهدف: تعظيم صافي القيمة الحالية مع تقليل الطلب غير الملبي (عبر وزن عقوبة صغير $\epsilon$ ).

ب. الصياغة الرياضية

دالة الهدف (المنظم): تعظم مجموع (قيمة الطلب الملبى - تكلفة الكهرباء) + (قيمة تغذية الطاقة الشمسية).
دالة الهدف (الشركة): تعظم صافي القيمة الحالية المعرّف بـ (إجمالي الإيرادات - التكاليف الرأسمالية - تكاليف التشغيل المتغيرة - تكاليف التشغيل الثابتة - عقوبات الطلب غير الملبى).
القيود:
- توازن العرض والطلب: يضمن أن (التوليد + التغذية) = (الطلب + شحن البطارية + الطلب غير الملبى).
- قيد الميزانية: استثمار الشركة في القدرات الجديدة محدود بميزانية محددة ( $\Pi$ ).
- القيود التقنية: تشمل تقريبات خطية مجزأة لمعدلات حرارة مولد الديزل، وديناميكيات حالة شحن البطارية، وحدود السعة.
نهج الحل: يتم حل النموذج من خلال التكرار عبر شبكة من أزواج $(P_{max}, FiT_{min})$ . وتثبت إحدى المبرهنات أن الشركة ستضبط دائماً $P = P_{max}$ و $FiT = FiT_{min}$ لتعظيم ربحها، مما يسمح بمعاملة المصطلحات غير الخطية كمعاملات ثابتة أثناء التحسين.

3. دراسة الحالة والبيانات

الموقع: دير قنون النهير، لبنان.
السياق: شبكة صغيرة تتمحور حول مولد ديزل بقدرة 400 كيلوواط يخدم 650 أسرة (40% منهم يمتلكون أنظمة طاقة شمسية).
مصادر البيانات:
- ملفات الأحمال: بيانات عالية الدقة تم جمعها عبر أجهزة تسجيل في 3 منازل (أغسطس 2024 – أبريل 2025)، مصنفة إلى أيام ممثلة لفصول الصيف والشتاء والربيع والخريف.
- بيانات الطاقة الشمسية: عوامل السعة من موقع renewables.ninja.
- المعاملات: تكاليف الديزل، الأعمار الافتراضية للتكنولوجيا (الطاقة الشمسية: 20 سنة، البطاريات: 8 سنوات، الديزل: 5 سنوات)، وأسعار السوق الحالية.

4. النتائج الرئيسية

تقارن الدراسة بين الوضع الراهن (ديزل فقط، لا يوجد تغذية كهربائية) وبين النموذج المقترح (قيود سعرية وتعرفة تغذية مع تحسين عمليات الشركة).

أ. تحسينات الأداء (الحالة الأساسية)

تحت ميزانية قدرها 420 ألف دولار (تطابق العمليات الحالية):

الفائض الاقتصادي للأسر (HES): ارتفع بنسبة 18% (من 6.99 مليون دولار إلى 8.26 مليون دولار).
سعر الكهرباء: انخفض من 0.40 دولار/كيلوواط ساعة إلى 0.36 دولار/كيلوواط ساعة.
تعرفة التغذية الكهربائية (FiT): حُددت عند 0.12 دولار/كيلوواط ساعة، مما يحفز الأسر على بيع الفائض.
اختراق الطاقة المتجددة: ارتفع من 0% إلى 60.1%.
تقليل الهدر: انخفض إمكانات توليد الطاقة الشمسية المنزلية المهدورة من 58.8% إلى 6.2%.
المقايضة: زاد الطلب غير الملبى قليلاً (من 1.9% إلى 12.2%) لأن الشركة، بسبب قيود الميزانية ودوافع الربح، لم تستثمر في قدرات كافية لتغطية كل ساعات الذروة، مفضلة الاعتماد على مزيج أرخص من الطاقة الشمسية والبطاريات.

ب. تحليل الحساسية: قيود الميزانية

الميزانيات الأعلى: مع زيادة ميزانية الشركة (مثلاً إلى 1.75 مليون دولار)، تزدل مكاسب الفائض الاقتصادي للأسر (لتصل إلى 41% فوق الوضع الراهن).
التحول التكنولوجي: مع توفر ميزانية كافية، تتخلص الشركة تماماً من الديزل، مستبدلة إياه بأنظمة (طاقة شمسية-بطاريات).
ديناميكيات التعرفة (FiT): مع الميزانيات الضيقة، تعتمد الشركة بشدة على التغذية الرخيحة من المنازل (تحتاج FiT مرتفع). أما مع الميزانيات الواسعة، فتستثمر الشركة في طاقتها الشمسية الخاصة، مما يسم يسمح للمنظم بخفض سقف التعرفة مع الحفاظ على نسبة عالية من الطاقة المتجددة.

ج. تحليل الحساسية: اختراق الطاقة الشمسية

تأثير العتبة: إذا كان مالكو الأنظمة الشمسية أقل من 10% من الأسر، فإن النموذج المقترح يعطي نتائج أقل من الوضع الراهن (بسبب نقص حجم التغذية الكهربائية).
الاختراق الأمثل: تصل تحسينات الفائض الاقتصادي للأسر إلى ذروتها عندما يمتلك 90% من الأسر أنظمة شمسية. عند هذا المستوى، تركز الشركة بالكامل تقريباً على تخزين البطاريات وإدارة التغذية.
حصة الطاقة المتجددة: عند وصول اختراق الطاقة الشمسية إلى 75% مع ميزانيات عالية، تقترب حصة الطاقة المتجددة من 100%.

د. محدودية الرقابة

تسلط الدراسة الضوء على نتيجة حاسمة: القيود السعرية وحدها لا تضمن موثوقية الإمدادات.

النموذج المقترح يؤدي إلى زيادة في الطلب غير الملبى مقارنة بالوضع الراهن في معظم السيناريوهات لأن الشركة تعطي الأولوية للربح على حساب تلبية كل وحدة طلب هامشية.
ومع ذلك، إذا امتلك المنظم القدرة على أيضاً وضع سقف للطلب غير الملبى (الرقابة الموسعة)، فإن الفائض الاقتصادي للأسر سيزداد بنسبة 10% إضافية في الحالة الأساسية. الفجوة بين "الرقابة المحدودة" و"الرقابة الموسعة" صغيرة (أقل من 5-7%) عندما تكون الميزانيات كافية أو عندما يكون اختراق الطاقة الشمسية مرتفعاً.

5. المساهمات الرئيسية

الإطار النظري: تطوير نموذج قائم على نظرية الألعاب ثنائي المستوى يأخذ في الاعتبار صراحةً القوة السوقية الاحتكارية والرقابة التنظيمية المحدودة في السياقات النامية. وخلافاً للدراسات السابقة التي تفترض وجود مشغلين محايدين، يعامل هذا النموذج شركة توليد الديزل كجهة تسعى لتعظيم الربح استراتيجياً.
تصميم السياسات: يثبت أن مجموعة بسيلة من السياسات (سقف السعر + الحد الأدنى للتعرفة) كافية لفتح آفاق دمج الطاقة المتجددة وتحقيق فائض اقتصادي، حتى دون سيطرة مباشرة من المنظم على قرارات الاستثمار للشركة.
التحقق التجريبي: تطبيق النموذج على بيانات حقيقية عالية الدقة من لبنان، متجاوزاً الافتراضات النظرية نحو رؤى عملية قائمة على البيانات.

6. الأهمية

للدول النامية: يوفر خارطة طريق للانتقال من شبكات الديزل الملوثة والمكلفة إلى أنظمة هجينة أنظف وأرخص، دون انتظار استقرار الشبكات الوطنية.
لصناع السياسات: يوضح أن المنظمين ليسوا بحاجة إلى سيطرة كاملة على المرافق لتحقيق التحول الأخضر؛ فمن خلال وضع الحدود السعرية الصحيحة، يمكنهم مواءمة دافع الربح لدى المحتكر مع المصلحة العامة (دمج الطاقة المتجددة وخفض الأسعار).
التحول الطاقي: يسلط الضوء على الدور الحاسم لـ "المستهلكين المنتجين" (Prosumers) (الأسر المالكة للطاقة الشمسية). دمج فائض إنتاجهم أكثر جدوى اقتصادية من بناء قدرات توليد جديدة، بشرما توفر إطار تنظيمي يسمة بالتداول العادل.
الواقعية: تقر الورقة بالواقع السياسي المتمثل في أن شركات توليد الديزل راسخة ومربحة؛ لذا يجب تصميم السياسات لتكون متوافقة مع ربحيتها لضمان تبنيها في الواقع.

الخاتمة

تخلص الورقة إلى أنه بينما تؤدي الرقابة التنظيمية المحدودة إلى بعض المقايضات في موثوقية الإمدادات (الطلب غير الملبى)، فإن تصميم سياسة سقف السعر والتعرفة بشكل جيد يمكن أن يزيد بشكل كبير من رفاهية الأسر ونسبة اختراق الطاقة المتجددة. إن الانتقال إلى شبكات صغيرة أنظف أمر ممكن حتى في ظل ظروف الاحتكار، بشرست توفير إطار تنظيمي يضمن بقاء الشركة رابحة مع تحفيزها على شراء الطاقة الشمسية المنزلية.