Uncertainty-Aware Transactive Energy Management of Renewable Interconnected Microgrids with Flexible Cryptocurrency Mining Loads

تواجه الشبكة الكهربائية الحديثة تحولاً جوهرياً. فلعقود من الزمن، كان تدفق الطاقة يسير في اتجاه واحد: من محطات الوقود الأحفوري الضخمة والمستقرة إلى المنازل والمصانع. واليوم، أصبح هذا التدفق ثنائي الاتجاه وغير متوقع. إذ تقوم مجتمعات صغيرة بتوليد طاقتها الكهربائية الخاصة باستخدام الألواح الشمسية وطاقة الرياح، وهي مصادر نظيفة لكنها متقلبة؛ فالشمس لا تشرق دائماً، والرياح لا تهب دائماً. وللحفاظ على استمرارية الإضاءة دون حرق المزيد من الوقود، يجب على هذه الشبكات المحلية للطاقة، المعروفة باسم الشبكات الصغيرة (microgrids)، أن تتعلم كيفية موازنة العرض والطلب في الوقت الفعلي. فهي تحتاج إلى تخزين الطاقة الزائدة عندما يكون الإنتاج مرتفعاً، وإيجاد طرق لاستخدامها عندما ينخفض الإنتاج. وهذا لا يتطلب بطاريات أفضل فحسب، بل يتطلب أيضاً طرقاً أذكى لإدارة استهلاك الكهرباء نفسه.

وهنا يأتي دور تعدين العملات الرقمية. هذه أجهزة كمبيوتر متخصصة مصممة لحل ألغاز رياضية معقدة للتحقق من المعاملات الرقمية، وهي عملية تستهلك كميات هائلة من الكهرباء. لسنوات، نُظر إلى هذه الآلات على أنها عبء على الشبكة، واستنزاف مستمر يعمل بغض النظر عما إذا كانت الكهرباء رخيصة أم غالية. ومع ذلك، بدأ الباحثون يرون إمكانات مختلفة في هذه الأجهزة. فخلافاً للمصنع الذي يجب أن يعمل باستمرار للحفاظ على خط إنتاج متحرك، أو المنزل الذي يحتاج إلى التدفئة ليبقى مريحاً، يمكن لعملية تعدين العملات الرقمية أن تتوقف أو تتباطأ بشكل فوري تقريباً دون إلحاق الضرر بالمعدات. متطلبها الوحيد هو الربح. فإذا كانت الكهرباء باهظة الثمن، يتوقف المعدّن؛ وإذا كانت رخيصة، يستمر في العمل. وهذه القدرة الفريدة على التشغيل والإيقاف بناءً على إشارات الأسعار تجعل حمل التعدين أداة نادرة وقوية لاستقرار شبكة مدعومة بالطاقة المتجددة.

قام فريق من الباحثين من جامعة طهران وجامعة شهيد بهشتي في إيران بتطوير طريقة جديدة لتسخير هذه المرونة. فقد أنشأوا نموذجاً حاسوبياً يحا المحاكاة لشبكة من الشبكات الصغيرة المترابطة، لكل منها ألواحها الشمسية، وتوربينات الرياح، وبطارياتها الخاصة. وفي محاكاتهم، تستضيف إحدى هذه الشبكات الصغيرة منشأة كبيرة لتعدين العملات الرقمية. أراد الباحثون معرفة ما سيحدث إذا لم يكن مرفق التعدين هذا مجرد مستهلك سلبي، بل مشاركاً نشطاً في سوق طاقة محلي. في هذا السوق، يمكن للشبكات الصغيرة أن تتاجر بالكهرباء فيما بينها، حيث تشتري الطاقة عندما تعاني من نقص، وتبيعها عندما يكون لديها فائض. كان الهدف هو تحديد ما إذا كان حمل التعدين يمكن أن يعمل كشريك مرن، يعدل استهلاكه للمساعدة في تشغيل النظام بأكمله بكفاءة وربحية أكبر، حتى عندما يكون سعر الكهرباء المستقبلي غير مؤكد.

بنى الباحثون أداة تخطيط متطورة تعمل على مستويين. يعمل المستوى الأول كمنظم للسوق، حيث يطرح سؤالاً بسيطاً ولكنه صعب: ما مدى إمكانية تقلب سعر الكهرباء قبل أن يتوقف النظام عن تحقيق الربح؟ لقد اختبروا عقليتين مختلفتين لهذا المنظم. كانت إحداهما متحفظة تجاه المخاطر، مما يعني أنها تخطط لأسوأ تقلبات الأسعار الممكنة لضمان عدم خسارة النظام للمال أبداً. والأخرى تسعى وراء المخاطر، مما يعني أنها تخطط للاستفادة من أفضل تقلبات الأسعار لتعظيم المكاسب المحتملة. ثم قام المستوى الثاني من النموذج بحساب كيفية تشغيل الشبكات الصغيرة ومنشأة التعدين بدقة تحت تلك الظروف السعرية المحددة. فقد قرر متى يتم شحن البطاريات، ومتى يتم بيع الطاقة للجيران، والأهم من ذلك، متى يتم تشغيل أجهزة التعدين.

كانت نتائج هذه المحاكاة كاشفة. فعندما سُمح لمنشأة تعدين العملات الرقمية بأن تكون مرنة، وتعدل استخدامها للطاقة ليتناسب مع توافر طاقة الرياح والطاقة الشمسية، أصبح النظام بأكمله أكثر ربحية. وفي أفضل السيناريوهات، أدى دمج هذا الحمل المرن إلى زيادة إجمالي أرباح الشبكات الصغيرة المترابطة بنسبة 2.4 بالمائة مقارنة بنظام يعمل فيه المعدّن بمعدل ثابت وغير قابل للتغيير. والأهم من ذلك، جعلت هذه المرونة النظام أكثر مرونة وصموداً. فقد وجد الباحثون أن النظام يمكنه تحمل تقلبات كبيرة في أسعار الكهرباء دون فقدان استقراره المالي. لقد عمل المعدّن المرن كامتصاص للصدمات؛ فعندما ترتفع الأسعار، يمكنه تقليل استهلاكه لتوفير المال، وعندما تنخفض الأسعار، يمكنه زيادة الإنتاج لامتصاص الطاقة المتجددة الزائدة التي كان سيتم هدرها لولا ذلك.

كما أظهرت الدراسة أن هذه المرونة كانت أكثر قيمة عندما يكون مرفق التعدين جزءاً من شبكة تجارية. فإذا عمل المعدّن بشكل منعزل، فإن قدرته على مساعدة النظام تكون محدودة. ولكن عندما يمكنه تجارة الطاقة مع الشبكات الصغيرة المجاورة، تتضاعف الفوائد. يمكن للمعدّن شراء الكهرباء الرخيصة من جار لديه فائض من الطاقة الشمسية خلال النهار، ثم يعيد بيع تلك الطاقة أو يستخدمها للتعدين عندما تحتاج الشبكة المحلية إليها. وقد خلق هذا دورة تساعد فيها حمولة التعدين في موازنة الشبكة بأكملها، مما يقلل الحاجة إلى شراء طاقة باهظة الثمن ويقلل من كمية الطاقة المتجددة التي كان يجب التخلص منها.

ومع ذلك، أشار الباحثون إلى أن قيمة هذه المرونة تعتمد بشكل كبير على ظروف السوق الخاصة بالعملة الرقمية نفسها. فإذا كان سعر العملة الرقمية مرتفعاً للغاية، تصبح عملية التعدين مربحة جداً لدرجة أنها تريد العمل بكامل طاقتها طوال الوقت، مما لا يترك مجالاً لتعديل استخدامها للطاقة من أجل الشبكة. وعلى العكس من ذلك، إذا كان سعر العملة منخفضاً جداً، تتوقف عملية التعدين تماماً، وبالتالي لا توجد مرونة لتقديمها. أما "النقطة المثالية"، حيث يحقق النظام أكبر فائدة، فتحدث عند أسعار متوسطة للعملات الرقمية. في هذه الظروف، تكون عملية التعدين مربحة بما يكفي للتشغيل، ومرنة بما يكفي للتوقف أو التباطؤ عندما تحتاج سوق الكهرباء إلى ذلك.

كما استكشف الباحثون كيف يتصرف النظام تحت مواقف مختلفة تجاه المخاطر. فعندما كان المشغلون حذرين وخططوا لسيناريوهات الأسعار السيئة، اعتمد النظام بشكل أكبر على التخزين الحراري — أي تخزين الطاقة في شكل حرارة — للحفاظ على الاستقرار. وعندما كان المشغلون مستعدين لخوض المخاطر من أجل مكافآت أعلى، اعتمد النظام أكثر على تجارة الطاقة المباشرة وعلى مرونة حمل التعدين نفسه. وفي كلتا الحالتين، أدى وجود المعدّن المرن إلى تحسين النتائج، مما يثبت أن القدرة على تغيير الطلب هي أصل قوي.

يشير هذا العمل إلى طريقة جديدة للتفكير في العلاقة بين الاقتصادات الرقمية وأنظمة الطاقة الفيزيائية. فبدلاً من النظر إلى الاستهلاك الهائل للطاقة من قبل تعدين العملات الرقمية كمشكلة يجب حلها، يمكن اعتباره مورداً يمكن إدارته. ومن خلال معاملة هذه الأحمال الرقمية كشركاء مرنين في سوق طاقة محلي، يمكن للمجتمعات تحقيق استفادة أفضل من طاقتها المتجددة، وتقليل الهدر، وتحسين عوائدها المالية. لا تدعي الدراسة أن هذا حل سحري لجميع مشاكل الطاقة، ولا تقترح بناء المزيد من مرافق التعدين. بدلاً من ذلك، هي توضح أنه بالنسبة لمرافق التعدين الموجودة بالفعل أو المخطط لها، فإن دمجها بذكاء في الشبكة يمكن أن يحول عبئاً محتملاً إلى قوة استقرار. وفي عالم تكون فيه الشمس والرياح هي المصادر الرئيسية للطاقة، فإن القدرة على تشغيل حمل أو إيقافه في لحظة قد تكون بقيمة القدرة على توليد الطاقة نفسها.