Do wind and solar curtail at negative electricity prices? Incentives and evidence across two decades of German renewable support schemes
تحلل هذه الورقة عقدين من مخططات دعم الطاقة المتجددة في ألمانيا لتكشف أن الحوافز الحالية غالباً ما تفشل في تشجيع مولدات طاقة الرياح والطاقة الشمسية على تقليص الإنتاج أثناء أسعار الكهرباء السالبة، مما يؤدي إلى تضخم تكاليف الدعم وتعقيد استقرار الشبكة، الأمر الذي يستلزم إصلاحات سياساتية لضمان استجابة الطاقات المتجددة لإشارات السوق.
في عالم الكهرباء المعاصر، تُعد الشبكة بمثابة ميزان دقيق للغاية. إذ يجب على محطات الطاقة توليد قدر من الطاقة يعادل تماماً ما يستهلكه الناس في أي ثانية معينة. فعندما تتوفر كهرباء زائدة عن الحاجة، يمكن أن يصبح النظام غير مستقر؛ وعندما يقل الإنتاج عن المطلوب، تنطفئ الأضواء. ولعقود من الزمن، كان الحل لمواجهة فائض الطاقة بسيطاً: خفض سرعة الآلات الضخمة التي تحرق الفحم أو الغاز. ولكن مع قيام دول مثل ألمانيا ببناء آلاف التوربينات الهوائية والألواح الشمسية، ظهرت مشكلة جديدة. ففي الأيام العاصفة جداً أو المشمسة جداً، يمكن لهذه المصادر المتجددة أن تنتج كهرباء أكثر مما يحتاجه أي شخص. ولأن طاقة الرياح والطاقة الشمسية لا تكلف شيئاً من حيث تكلفة الوقود، فغالباً ما تكون هي الأولى التي يتم الاستعانة بها، لكن لا يمكن إيقاف تشغيلها دائماً بسهولة إذا كانت قواعد السوق تفرض عليها الاستمرار في العمل. وهذا يخلق وضعاً يمكن أن ينخفض فيه سعر الكهرباء إلى مستويات متدنية جداً لتصبح سالبة، مما يعني أن المنتجين يضطرون في الواقع للدفع مقابل التخلص من طاقتهم. والسؤال الذي يواجه المهندسين والاقتصاديين هو ما إذا كانت هذه المولدات المتجددة ستتوقف ببساء عن الإنتاج عندما تصبح الأسعار سالبة، أم أنها ستستمر في إغراق الشبكة بالطاقة التي لا يريدها أحد.
لقد شرع باحث بقيادة ليون هيرث في محاولة للإجابة على هذا السؤال من خلال النظر في تاريخ الطاقة في ألمانيا على مدار العشرين عاماً الماضية. أراد الباحث فهم أمرين محددين: أولاً، ما إذا كانت القواعد المالية والدعم المقدم قد أعطى بالفعل مزارع الرياح والطاقة الشمسية سبباً للتوقف عن الإنتاج عندما تنخفض الأسعار دون الصفر؛ وثانياً، ما إذا كانت هذه المزارع قد توقفت بالفعل عندما توفر لديها هذا السبب. وللقيام بذلك، لم يكتفِ الباحث بمراقبة ما حدث فحسب، بل بنى خريطة تفصيلية ساعة بساعة لما "كان ينبغي" أن يحدث بناءً على القوانين المعقدة التي تحكم كل توربين رياح ولوح شمسي في البلاد. ثم قارن هذه الخريطة النظرية بتقدير جديد وعالي الدقة لكمية الطاقة التي تم هدرها بالفعل، والمستمد من بيانات الطقب وسجلات الشبكة.
تكشف الدراسة عن قصة تقنيتين مختلفتين تتصرفان بطرق متناقضة. فبالنسبة لطاقة الرياح، تغيرت القواعد المالية بمرور الوقت لجعل مزارع الرياح أكثر حساسية لأسعار السوق. وبحلول عام 2025، عندما انخفضت أسعار الكهرباء إلى مستويات سالبة عميقة، وتحديداً إلى ما دون 50 يورو لكل ميجاوات/ساعة، كان لدى كل مزارع الرياح في ألمانيا حافز مالي للتوقف. كانت الحسابات واضحة: كان من المربح أكثر التوقف بدلاً من الاستمرار في التوليد ودفع الغرامة. ومع ذلك، عندما نظر الباحث في البيانات الفعلية، وجد أن حوالي نصف مزارع الرياح فقط هي التي توقفت بالفعل. أما النصف الآخر فقد استمر في الدوران، متجاهلاً إشارات السعر، ومستمراً في إنتاج طاقة لا تحتاجها الشبكة.
أما الطاقة الشمسية فتقدم قصة مختلفة، وربما أكثر عناداً. فبسبب كون جزء كبير من الألواح الشمسية في ألمانيا عبارة عن أنظمة صغيرة فوق الأسطح تبيع طاقتها للشبكة بسعر ثابت ومضمون، فإنها محمية تماماً من التقلبات العنيفة في سوق الجملة. وبالنسبة لهذه الأنظمة، فإن انخفاض سعر الكهرباء إلى أرقام سالبة لا يهم؛ فهي تحصل على نفس المبلغ بغض النظر عن السعر. وقد وجد الباحث أن ما يقرب من ثلثي إمكانات توليد الطاقة الشمسية لم يكن لديها أي حافز على الإطلاق للتوقف عن الإنتاج، حتى عندما كانت الأسعار سالبة بعمق. ومن بين مزارع الطاقة الشمسية المتبقية المعرضة لأسعار السوق، لم يقم سوى جزء صغير منها بتقليل إنتاجها. وفي المجمل، عندما كانت الأسعار سالبة بعمق، تم إيقاف حوالي 9 في المائة فقط من طاقة الشمس المحتملة، بينما استمرت الغالبية العظمى في التدفق إلى الشبكة.
إن عدم التطابق هذا بين إشارات السوق وما تفعله المولدات له عواقب وخيمة. فعندما تستمر مزارع الرياح والطاقة الشمسية في الإنتاج أثناء فترات الأسعار السالبة، فإنها تجبر الشبكة على امتصاص طاقة زائدة لا يمكنها استخدامها. وهذا يجعل المهمة الفيزيائية للحفاظ على استمرار تشغيل الأضواء أصعب وأكثر خطورة على مشغلي الشبكة. علاوة على ذلك، ولأن العديد من هذه المولدات لا تزال تتلقى دعماً مالياً مقابل كل كيلووات/ساعة تنتجه، فإن الجمهور ينتهي به الأمر بدفع ثمن كهرباء يتم التخلص منها فعلياً. وقد حسب الباحث أن هذا الافتقار إلى الاستجابة يكلف الجمهور والنظام مليارات اليورو خلال السنوات القلية الماضية. وتخلص الدراسة إلى أنه مع استمرار الدول في بناء المزيد من قدرات الرياح والطاقة الشمسية، فإن أنظمة الدعم الحالية أصبحت تشكل عبئاً. ولكي تظل شبكة الطاقة آمنة وفعالة في مستقبل تهيمن عليه الطاقات المتجددة، يجب تصميم المولدات لتكون مستجيبة لإشارات الأسعار ومستعدة للتوقف عندما تخبرها المنظومة بذلك.
ملخص تقني: هل تقوم طاقة الرياح والطاقة الشمسية بالتقليص عند أسعار الكهرباء السالبة؟ الحوافز والأدلة عبر عقدين من خطط دعم الطاقة المتجددة في ألمانيا
بيان المشكلة مع تجاوز قدرات طاقة الرياح والطاقة الشمسية للطلب الذروي بشكل متزايد في الأنظمة الكهربائية المتحررة، أصبحت أسعار الجملة السالبة إشارات متكررة للمولدين لتقليل الإنتاج. وبينما يعد التقليص (curtailment) عملية سهلة تقنياً للطاقات المتجددة، فإن خطط الدعم غالباً ما تخلق حوافز اقتصادية للاستمرار في الإنتاج حتى عندما تكون الأسعار سالبة. يبحث هذا البحث في مدى استجابة مولدي طاقة الرياح والشمس في ألمانيا لهذه الإشارات السعرية. ويتناول سؤالين محددين: (1) ما هي الحوافز المالية للتقليص في ظل سياسات الدعم الألمانية المعقدة والمتطورة؟ و(2) إلى أي درجة يستجيب المولدون فعلياً لهذه الحوافز؟ يجادل البحث بأن انخفاض التعرض لإشارات الأسعار وانخفاض معدلات الاستجابة يؤديان إلى تضخم مدفوعات الدعم وخلق تحديات تشغيلية لاستقرار الشبكة، خاصة مع بدء تجاوز "التوليد المتصلب" (الذي يستمر رغم الأسعار السالبة) لمتوسط الحمل خلال أحداث الأسعار السالبة العميقة.
المنهجية تستخدم الدراسة نهجاً تجريبياً يتكون من ثلاث خطوات يغطي عقدين من بيانات سياسة الطاقة وبيانات السوق في ألمانيا:
تكميم الحوافز: يستخرج المؤلف "عتبة التقليص" (p∗) لكل ميجاواط من أسطول طاقة الرياح والشمس في ألمانيا. يتضمن ذلك تجميع القدرة في 84 مجموعة متميزة بناءً على التكنولوجيا، وسنة التكليف، وأداة الدعم (مثل تعريفات التغذية الكهربائية، علاوات السوق، عقود الفروقات - CfDs)، وفئة الحجم، وجودة الموارد. لكل مجموعة ولكل ساعة، يحسب البحث مستوى السعر المحدد الذي تقتضي عنده تعظيم الربح وقف الإنتاج. وهذا يأخذ في الاعتبار قواعد السياسة المعقدة، مثل "قاعدة الست ساعات" (تعليق المدفوعات فقط بعد ست ساعات سالبة متتالية) والتفاعل بين أسعار التنفيذ وأسعار الالتقاط في عقود الفروقات (CfDs).
تقدير التقليص القائم على السوق: نظراً لأن التقليص القائم على السوق لا يتم تسجيله مباشرة في الإحصائيات، يقوم المؤلف بإنشاء سلسلة زمنية جديدة عن طريق تقدير الفجوة بين إمكانات التوليد التقنية والتوليد الفعلي. يتم معايرة نموذج فيزيائي لمخرجات الأسطول باستخدام بيانات إعادة التحليل من ERA5 (سرعة الرياح والإشعاع السطحي) مقابل التوليد المقاس. ومن الأهمية بمكان أنه تمت معايرة النموذج فقط في الساعات التي لم يكن لدى أي مولد فيها حافز سعري للتقليص (باستثناء الساعات التي كانت فيها أسعار السوق قبل يوم واحد أقل من 5 يورو/ميجاواط ساعة) لتجنب تحيز التداخل (endogeneity bias). ويتم طرح التقليص المرتبط بالشبكة لعزل التقليص القائم على السوق.
التحليل المقارن: تقارن الدراسة "التقليص المتوقع" (المستمد من الحوافز) مقابل "التقليص الملحوظ" (المستمد من المتبقي من بيانات الطقس) لحساب معدلات التعرض (حصة القدرة ذات الحافز للتقليص) ومعدلات الاستجابة (حصة القدرة المعرضة التي تقلصت بالفعل).
المساهمات الرئيسية يقدم هذا البحث ثلاث مساهمات محددة في الأدبيات:
رسم خرائط الحوافز التفصيلية: على عكس الدراسات السابقة التي تعامل الحوافز كأنواع عقود ثنائية أو تواريخ إصلاح، يقوم هذا البحث بحساب عتبة تقليص مستمرة، ساعة بساعة، لكامل الأسطول الوطني، مع مراعاة المعايير المحددة لـ 20 عاماً من تطور السياسات.
بيانات تقليص مبتكرة: يوفر أول سلسلة زمنية طويلة الأمد وساعية للتقليص القائم على السوق لسوق منطقة أوروبية، مشتقة من بيانات إعادة تحليل الطقالأ وليس من التوافر المعلن أو تعليمات المشغل.
تحليل متكامل للحوافز والسلوك: يعد هذا أول بحث يقيس بشكل منهجي كلاً من الحافز النظري والاستجابة السلوكية الفعلية على نفس المقياس، مما يسمح بتقييم مباشر لكفاءة خطط الدعم.
النتائج يكشف التحليل عن انفصال كبير بين الحوافز والسلوك، مع اختلافات صارخة بين طاقة الرياح والطاقة الشمسية:
طاقة الرياح: بحلول عام 2025، كان كامل أسطول الرياح تقريباً معرضاً لأسعار الجملة. عند الأسعار التي تقل عن -50 يورو/ميجاواط ساعة، كان لدى جميع مولدي طاقة الرياح تقريباً حافز للتقليص. ومع ذلك، كانت معدل الاستجابة منخفضة: حيث قلصت حوالي نصف القدرة المعرضة فقط. في عام 2025، كان معدل الاستجابة 27%، وارتفع إلى 32% في عام 2026.
الطاقة الشمسية: أداء الطاقة الشمسية أسوأ بكثير. عند الأسعار التي تقل عن -50 يورو/ميجاواط ساعة، كان 39% فقط من توليد الطاقة الشمسية لديه حافز للتقليص، ويرجع ذلك أساساً إلى أن جزءاً كبيراً من الأسطول (خاصة الطاقة الشمسية فوق الأسطح) يعمل بموجب تعريفات التغذية الكهربائية التي تحميه من أسعار الجملة. ومن بين الجزء المتبقي المعرض، قلص حوالي الربع فقط. وبناءً على ذلك، في عام 2025، تم تقليص 4% فقط من إجمالي إمكانات الطاقة الشمسية خلال ساعات الأسعار السالبة.
الاتجاهات الزمنية: بينما أدت إصلاحات السياسة (مثل التحول من تعريفات التغذية الكهربائية إلى علاوات السوق وتشديد قواعد التعليق) إلى زيادة تعرض طاقة الرياح لإشارات الأسعار، إلا أن معدل الاستجابة ظل متواضعاً. بالنسبة للطاقة الشمسية، أدى نمو القدرة الصغيرة ذات الحماية بالتعريفات إلى زيادة حجم "التوليد المتصلب".
تأثير النظام: في عام ك 2026، تجاوز "التوليد المتصلب" (طاقة الرياح والشمس تعمل بأسعار أقل من -50 يورو/ميجاواط ساعة) متوسط الحمل في 33 ساعة من أصل 34 ساعة من هذه الحالات. وهذا يخلق مخاطر على الاستقرار الفيزيائي ويفرض تكاليف باهظة.
التكاليف الاقتصادية: يؤدي عدم التقليص إلى تكاليف تقارب 2.5 مليار يورو (2022-2026). ويشمل ذلك 0.5 مليار يورو من الهوامش الخاصة المفقودة و2.0 مليار يورو من التكاليف العامة. المكون الأكبر (1.6 مليار يورو) ينشأ من تأثير "القيمة السوقية": حيث يؤدي استمرار الإنتاج إلى خفض سعر الالتقاط الشهري، مما يزيد بدوره من علاوة الدعم المدفوعة لجميع المولدين المدعومين، بما في ذلك أولئك الذين قاموا بالتقليص.
الأهمية والادعاءات يخلص البحث إلى أنه بينما يعد إيقاف تشغيل توربينات الرياح والألواح الشمسية أسهل تقنياً من خفض إنتاج المحطات الحرارية، فإن التصميم الحالي لخطط الدعم غالباً ما يمنع حدوث ذلك اقتصادياً. ويدعي المؤلف أن التوسع الإضافي في قدرات طاقة الرياح والشمس يتطلب من المولدين الاستجابة لإشارات الأسعار لضمان التشغيل الآمن لنظام الطاقة. وتشير النتائج إلى أن تصميمات الدعم الحالية، وخاصة تلك التي تحمي المولدين من الأسعار السالبة أو تفتقر إلى التسوية المستقلة عن الإنتاج، تخلق "توليداً متصلباً" يقوض كلاً من كفاءة المالية العامة واستقرار الشبكة. لا يقترح البحث سياسات جديدة محددة، لكنه يسلط الضوء على ضرورة مواءمة الحوافز مع احتياجات النظام، مشيراً إلى أن الوضع الافتراضي الأوروبي للمحطات الجديدة (عقود الفروقات ثنائية الجانب - Two-sided CfDs) يجب أن يأخذ بعين الاعتبار بعناية الاختيار بين التسوية القائمة على الإنتاج والتسوية المستقلة عن الإنتاج لتجنب هذه التشوهات.