Optimal Sizing of ESS and PV Systems in the CCHP Milad Tower Complex (MTC) Microgrid Considering Load Management and Carbon Trading

في العالم الحديث، نادراً ما تكون الكهرباء مجرد سلعة بسيطة تتدفق في اتجاه واحد؛ بل هي توازن ديناميكي بين ما يتم توليده، وما هو مطلوب، وكيفية تخزين تلك الطاقة لاستخدامها لاحقاً. ومع ازدياد تعقيد المدن، ينتقل التحدي من مجرد بناء المزيد من محطات الطاقة إلى إدارة شبكة أكثر ذكاءً ومرونة. وهنا تبرز أهمية مفهوم "الشبكة الصغيرة" (microgrid). فكر في الشبكة الصغيرة كأنها نظام طاقة مستقل لحي سكني، يمكنه العمل بشكل مستقل أو الاتصال بالشبكة الوطنية الرئيسية. وضمن هذه الأنظمة، توفر المصادر المتجددة مثل الألواح الشمسية طاقة نظيفة، لكنها تأتي مع عقبة: فالشمس لا تشرق في الليل، والغيوم قد تظهر بشكل غير متوقع. ولجعل الطاقة الشمسية موثوقة، يقوم المهندسون بدمجها مع أنظمة تخزين الطاقة، وهي في الأساس بطاريات ضخمة تلتقط الطاقة الزائدة عندما تكون الشمس ساطعة وتطلقها عندما يرتفع الطلب. وعند دمج هذه العناصر مع التخطيط المتقدم والأدوات المالية مثل تجارة الكربون، يمكنها تحويل كيفية استهلاك المبنى أو المجمع للطاقة، وتحويل مستخدم الطاقة البسيط إلى مركز طاقة ذكي وفعال.

قام باحثون في الجامعة التقنية والمهنية في طهران، إيران، بتطبيق هذه المفاهيم على موقع واقعي محدد وشديد المتطلبات: مجمع برج ملياد. هذا الهيكل الضخم ليس مجرد برج واحد، بل هو مدينة متكاملة داخل مدينة، تضم فندقاً، ومركز مؤتمرات، ومطاعم، ومنطقة تقنية معلومات. وهو يمثل حملاً ثقيلاً ومستمراً على شبكة الطاقة، مع احتياجات طاقة تتقلب بشدة على مدار اليوم. وقد سعى الفريق، بقيادة شهريار عباسي، لتحديد الحجم الأمثل للألواح الشمسية وتخزين البطاريات لخدمة هذا المجمع. لم يكتفوا فقط بمعرفة حجم المعدات المطلوبة، بل بنوا نموذجاً حاسوبياً متطوراً يحاكي العام بأكه، ويوازن بين تكاليف الاستثمار طويلة الأجل والقرارات التشغيلية اليومية. والأهم من ذلك، أن نموذجهم تضمن استراتيجيتين قويتين غالباً ما يتم إغفالهما في التخطيط البسيط: إدارة الأحمال وتجارة الكربون. تتضمن إدارة الأحمال نقل استخدام الطاقة إلى أوقات أرخص، بينما تسمح تجارة الكربون للمجمع بكسب المال من خلال تقليل التلوث، مما يخلق حافزاً مالياً ليكون أكثر نظافة.

وجد الباحثون أن مجرد تركيب الألواح الشمسية والبطاريات لم يكن كافياً لتحقيق أقصى قدر من الكفاءة. فقد جاء الاختراق الحقيقي من دمج هذه التقنيات مع جدول زمني ذكي لاستخدام الطاقة. فمن خلال إدارة الحمل، يمكن للمجمع تسوية ذروة الطلب، وتجنب ساعات استخدام الكهرباء الأكثر تكلفة. وفي عمليات المحاكاة التي أجروها، قلل هذا النهج الفرق بين أوقات أعلى وأدنى استخدام للطاقة بنحو النصف تقريباً. وعندما أضافوا آلية تجارة الكربون، أصبحت النتائج أكثر إقناعاً؛ حيث أظهر النموذج أنه من خلال كسب الإيرادات من بيع ائتمانات الكربون، يمكن للمجمع تبرير تركيب قدرة أكبر من الطاقة الشمسية. وقد خلق هذا دورة إيجابية: فزيادة الألواح الشمسية تعني تقليل الاعتماد على الوقود الأحفوري، مما يولد المزيد من ائتمانات الكربون، والتي بدورها تمول التوسع الإضافي في نظام الطاقة المتجددة.

كان التأثير المالي لهذا النهج المتكامل كبيراً. ففي السيناريو الأساسي بدون هذه التحسينات، واجه المجمع تكلفة صافية سنوية تزيد عن 6,305 مليون دولار. ومن خلال تنفيذ المزيج الأمثل من الطاقة الشمسية وتخزين البطاريات جنباً إلى جنب مع إدارة الأحمال وتجارة الكربون، حسب الباحثون أن هذه التكلفة يمكن أن تنخفض إلى ما يزيد قليلاً عن 4,107 مليون دولار سنوياً، وهذا يمثل انخفاضاً بنسبة تقارب 35 بالمائة. كما كشفت الدراسة أن الاستثمار في هذه الأنظمة الجديدة سيسترد قيمته بشكل أسرع بكثير من الطرق التقليدية؛ إذ تقلص الوقت المطلوب لاسترداد تكاليف الاستثمار الأولية من ما يقرب من سبع سنوات إلى ما يزيد قليلاً عن خمس سنوات، بينما زاد العائد على الاستثمار بشكل كبير. وهذا يشير إلى أن المسار الأكثر اقتصادية للمرافق الكبيرة كثيفة استهلاك الطاقة ليس مجرد شراء المزيد من المعدات، بل شراء القدر المناسب من المعدات وإدارتها باستراتيجية تقدر كلاً من الوقت والأثر البيئي.

وبعيداً عن الأرقام، سلطت الدراسة الضوء على كيفية مساهمة هذه التغييرات في استقرار شبكة الطاقة بأكملها. فمن خلال تسوية منحنى الطلب، تقلل الشبكة الصغيرة من الضغط على شبكة الطاقة العليا، خاصة خلال ساعات الذروة عندما يكون النظام تحت أقصى درجات الإجهاد. وتعمل البطاريات كمنظم، حيث تمتص الطاقة الشمسية الزائدة خلال النهار وتطلقها عندما تغرب الشمس ويرتفع الطلب. ويعني هذا التنسيق أن المجمع يعتمد بشكل أقل على شراء الطاقة المكلفة من الشبكة الرئيسية، ويمكنه حتى بيع طاقته الفائضة في أوقات مربحة. كما تم تحسين الجانب الحراري أيضاً، حيث يعمل نظام الطاقة والحرارة المشترك في المجمع بكفاءة أكبر لتوفيد كل من الكهرباء والتدفئة أو التبريد. وقد أثبت الباحثون أن نهج الطبقتين هو الأفضل: طبقة التخطيط طويل الأمد التي تقرر كمية الطاقة الشمسية والتخزين المراد تركيبها، وطبقة التشغيل قصيرة المدى التي تدير التدفق اللحظي للطاقة. تضمن هذه الاستراتيجية المزدوجة أن البنية التحتية المادية ذات الحجم الصحيح للمدى الطويل، بينما تستخلص العمليات اليومية أقصى قيمة ممكنة من النظام.

في الختام، يعد العمل في مجمع برج ملياد بمثابة إثبات لمفهوم مستقبل الطاقة الحضرية. فهو يوضح أن الطريق نحو إمدادات طاقة مستدامة وبأسعار معقولة يكمن في التنسيق الذكي بين التوليد والتخزين والطلب. وتؤكد الدراسة أنه عندما يتعامل المرفق مع الطاقة كمورد مرن وليس كتكلفة ثابتة، يمكنه تحقيق وفورات هائلة وبصمة بيئية أصغر. وتشير النتائج إلى أن المجمعات الضخمة المماثلة حول العالم يمكنها تكرار هذا النجاح، بشرط أن تكون مستعدة لتبني رؤية شاملة تجمع بين الهندسة والاقتصاد والسياسة البيئية. والنتيجة هي نظام ليس فقط أرخص في التشغيل، بل أيضاً أكثر مرونة واستقراراً، مما يقدم مخططاً واضحاً لكيفية تمكين المدن من إمداد نفسها بالطاقة في عصر التغير المناخي وارتفاع تكاليف الطاقة.