The economic value of load flexibility and its viability as a substitute for grid expansion

تُعد شبكة الكهرباء بمثابة الجهاز العصبي غير المرئي للحياة المعاصرة، وهي عبارة عن شبكة واسعة من الأسلاك والمحولات التي تنقل الطاقة من مكان إنتاجها إلى حيث تشتد الحاجة إليها. لعقود من الزمن، صُمم هذا النظام للتعامل مع إيقاع يمكن التنبؤ به: يستيقظ الناس، ويشغلون الأضواء والأجهزة، وتصل الطلبات إلى ذروتها في المساء قبل أن تتلاشى في الليل. وللحفاظ على استمرارية التيار، بنى المهندسون الشبكة بسعة إضافية، لضمان قدرتها على التعامل مع أكثر لحظات السنة ازدحاماً دون فشل. ومع ذلك، فإن العالم يتغير. فبينما يتحول المجتمع نحو السيارات الكهربائية، والمضخات الحرارية، والألواح الشمسية فوق الأسطح، أصبح إيقاع استخدام الكهرباء فوضوياً. فالسيارات الكهربائية تسحب كميات هائلة من الطاقة عند توصيلها، وغالباً في نفس الوقت الذي يفعل فيه الجيران ذلك، بينما يمكن للألواح الشمسية أن تغمر الشبكة فجأة بطاقة تفوق ما يمكن للحي المحلي استخدامه. تخلق هذه التحولات طفرات جديدة وحادة في الطلب، وزيادات غير متوقعة في الاتجاه المعاكس، مما يهدد بتحميل المعدات المحلية فوق طاقتها. والحل التقليدي هو بناء أسلاك ومحولات أكبر وأقوى، لكن هذا أمر مكلف للغاية ويتطلب حفر الشوارع وتركيب بنية تحتية جديدة في كل مكان.

لقد أثار ارتفاع تكلفة توسيع الشبكة البحث عن نهج مختلف: المرونة. فبدلاً من بناء المزيد من الأجهزة، هل يمكننا ببساطة أن نطلب من الناس استخدام كهربائهم في أوقات مختلفة قليلاً؟ إذا استطاع صاحب منزل تأخير شحن سيارته لمدة ساعة، أو إذا استطاع مصنع إيقاف آلة مؤقتاً خلال وقت الذروة، فإن الضغط على الشبكة سيهدأ. تُعرف هذه الفكرة بـ "مرونة الأحمال". والسؤال المركزي لصناع السياسات والاقتصاديين ليس فقط ما إذا كانت المرونة فعالة، بل ما هي قيمتها. فإذا أرادت الحكومة دفع مبالغ للناس مقابل تغيير استهلاكهم، فكم يجب أن تدفع؟ إذا كان المبلغ مرتفعاً جداً، فسيكون من الأرخص بناء سلك جديد فحسب. وإذا كان منخفضاً جداً، فلن يكلف أحد نفسه عناء تغيير عاداته. إن إيجاد نقطة التوازن الدقيقة التي يصبح فيها دفع الأموال للناس لتغيير أحمالهم استثماراً أفضل من توسيع الشبكة المادية هو لغز معقد ظل دون حل إلى حد كبير.

قام فريق من الباحثين في جامعة يوهانس كبلر في لينز بالنمسا بمعالجة هذا اللغز عبر تطوير طريقة جديدة لحساب القيمة الاقتصادية الحقيقية للمرونة. وبدلاً من النظر في إجمالي كمية الطاقة التي تم نقلها، ركزوا على اللحظات المحددة التي تكون فيها الشبكة تحت أقصى درجات الضغط. يبدأ نهجهم بإدراك بسيط ولكنه قوي: الشبكة بُنيت لتنجو في أسوأ لحظاتها، لا في متوسط لحظاتها. فحتى لو استهلك حي ما الكثير من الكهرباء على مدار العام، فإن الشبكة لا تحتاج إلى تعزيز إلا إذا هددت ساعات محددة من الطلب الشديد بكسرها. أنشأ الباحثون إطاراً يحاكي سيناريوهات مستقبلية حيث يزداد اعتماد السيارات الكهربائية والألواح الشمسية بشكل كبير. ثم طرحوا سؤالاً حاسماً: إذا استطعنا التنبؤ بدقة متناهة متى ستحدث هذه الذروات الخطيرة، وإذا استطعنا إقناع الناس تماماً بتغيير استخدامهم خلال تلك الأوقات، فكم سنوفر من المال بتجنب الحاجة إلى بناء سعة جديدة للشبكة؟

للإجابة على ذلك، استخدم الفريق بيانات حقيقية من أكثر من 1,200 أسرة في منطقة أعالي النمسا، حيث سجلوا استهلاكهم للكهرباء كل خمس عشرة دقيقة. وبنوا نماذج حاسوبية لتوقع كيف سيبدو هذا الحي في المستقبل تحت سيناريوهات مختلفة من اعتماد السيارات الكهربائية والألواح الشمسية. ثم أدخلوا عنصراً للتنبؤ، معترفين بأننا في العالم الحقيقي لا نستطيع التنبؤ بالمستقبل بدقة تامة. كان على النموذج أن يخمن متى ستحدث الذروة، وفي بعض الأحيان كان يخطئ. تتبع الباحثون نوعين من الأخطاء: تفويت ذروة بالكامل، مما يعني أن الشبكة ستتعرض بالفعل لزيادة الحمل، والتنبؤ بذروة لم تحدث أبداً، مما يعني دفع أموال للناس لتغيير أحمالهم دون سبب. ومن خلال تشغيل هذه المحاكاة، تمكنوا من حساب مقدار سعة الشبكة التي يمكن تجنبها بدقة، وترجمة هذا التوفير إلى ميزانية قصوى لدفع التعويضات للمستهلكين مقابل مرونتهم.

تقدم نتائج محاكاتهم صورة واقعية ولكن واضحة. فقد وجد الباحثون أن القيمة الاقتصادية للمرونة منخفضة بشكل مثير للدهشة عند النظر إليها من منظور تكاليف توسيع الشبكة. فحتى في السيناريو الذي يكون فيه نظام التنبؤ مثالياً ويتوقع كل حدث ذروة مسبقاً، فإن الحد الأقصى لما يمكن تبريره لدفع ثمن نقل كيلوواط واحد من الطاقة هو حوالي ثلاثة سنتات فقط. وفي السيناريوهات الأكثر واقعية، حيث لا يكون التنبؤ مثالياً وتفشل بعض حالات الذرواة، تنخفض الدفعة المبررة إلى أقل من سنت واحد لكل كيلوواط تم نقله. يشير هذا إلى أنه بينما تعد المرونة أداة مفيدة، إلا أنها ليست حلاً سحرياً يمكنه استبدال الحاجة إلى الاستثمار في الشبكة بالكامل. ويرى الباحثون أنه بما أن الشبكة يجب أن تُبنى أيضاً للتعامل مع اللحظات القليلة التي تفشل المرونة في تغطيتها، فإن إجمالي التوفير يظل محدوداً. وبالتالي، فإن الميزانية المتاحة لدفع الأموال للناس مقابل مرونتهم محدودة أيضاً.

يتحدى البحث صراحةً فكرة إمكانية تقييم المرونة بناءً على الحجم الإجمالي للطاقة المنقولة. في الماضي، ربما نظرت بعض التحليلات إلى كمية الكيلوواط/ساعة التي نُقلت من أوقات الذروة إلى أوقات انخفاض الطلب واعتبرت قيمتها عالية. وتجادل هذه الورقة بأن مثل هذا النهج مضلل لأن الشبكة لا تهتم بإجمالي الطاقة؛ بل تهتم بالضغط الأقصى الذي تواجهه في أي لحظة واحدة. فإذا فشل تغيير الحمل المرن في تقليل ذلك الضغط الأقصى، فإنه لم يوفر أي أموال لمشغل الشبكة، بغض النظر عن كمية الطاقة التي تم نقلها. ويؤكد الباحثون أن عدم اليقين هو العامل الرئيسي هنا. ففي كل مرة يفشل فيها التنبؤ في توقع ذروة ما، يجب على مشغل الشبكة مع ذلك توفير السعة الفيزيائية للتعامل معها. وهذا الاحتياج "المتبقي" للسعة يؤثر مباشرة على تقليل كمية الأموال التي يمكن توفيرها، وبالتالي على المبلغ الذي يمكن دفعه كحافز.

وفي تحليلهم لشبكة الجهد المنخفض في النمسا، وجد الفريق أن المرونة القائمة على التنبؤ يمكن أن تقلل الحاجة إلى سعة إيجابية جديدة بنسبة تتراوح بين 2.3% و19.6%، اعتماداً على مدى قوة استهداف النظام لأحداث الذروة. ومع ذلك، جاء هذا الانخفاض بتكلفة: فالحوافز المطلوبة لتحقيق ذلك كانت متواضعة. ففي ظل ظروف التنبؤ الواقعية، ستكون الميزانية السنوية للحوافز حوالي 5 إلى 25 يورو لكل أسرة. وحتى في السيناريو المثالي للتنبؤ، حيث يتم رصد وتحويل كل ذروة، سترتفع الحوافوة لكل أسرة لتتراوح بين 34 و131 يورو سنوياً. ورغم أن هذه الأرقام قد تبدو صغيرة، إلا أن الباحثين يشيرون إلى أنها تمثل الحد الأقصى المطلق لما يمكن تبريره اقتصادياً. فإذا تجاوزت التكلفة الفعلية لدفع الأموال للناس لتغيير أحمالهم هذه الأرقام، فمن الأفضل للمجتمع ببساطة بناء البنية التحتية الجديدة للشبكة.

تخلص الورقة إلى أن المرونة يجب أن تُقيم باستخدام نفس المنطق القائم على السعة الذي يحرك قرارات توسيع الشبكة. فلا يكفي القول بأن المرونة جيدة؛ بل يجب إثبات أنها أرخص من البديل. وتوضح الدراسة أنه بينما تلعب المرونة دوراً في عملية انتقال الطاقة، فإن قيمتها مقيدة بصرامة بالواقع المادي لطلبات الذروة في الشبكة. ويقترح الباحثون أنه لكي تكون المرونة بديلاً قابلاً للتطبيق لتوسيع الشبكة، يجب أن تتوافق الحوافز المقدمة مع هذه الحدود المحسوبة. فإذا قدم صناع السياسات مدفوعات مرتفعة للغاية، فإنهم يهدرون الأموال التي كان يمكن إنفاقها على البنية التحتية الضرورية. وإذا قدموا مدفوعات منخفضة للغاية، فقد يفشلون في تحفيز التغييرات السلوكية اللازمة لتنعيم استهلاك الشبكة. ويوفر الإطار الذي طوره فريق لينز طريقة شفافة لإيجاد هذا التوازن، مما يضمن أن يظل الانتقال إلى نظام طاقة أنظف مستداماً مالياً.

في نهاية المطاف، ينقل هذا العمل النقاش من "كمية الطاقة التي يمكننا نقلها" إلى "مقدار الضغط الذي يمكننا إزالته من النظام". وهو يسلط الضوء على أن مستقبل الشبكة لن يُحل بواسطة تقنية واحدة أو سياسة واحدة، بل من خلال حساب دقيق للتكاليف والمخاطر. المرونة أداة قيمة، لكنها ليست بديلاً للأسلاك والمحولات المادية التي تبقي الأنوار مضاءة. ومن خلال فهم القيمة الاقتصادية الدقيقة لتغيير الحمل، يمكن للمنظمين تصميم برامج حوافز تكون فعالة ومعقولة التكلفة، مما يضمن قدرة الشبكة على التعامل مع متطلبات مستقبل خالٍ من الكربون دون إفلاس. وتعمل هذه النتائج كتذكير بأنه في عالم أنظمة الطاقة المعقد، غالباً ما يكون الحل الأكثر كفاءة هو الذي يحترم الحدود المادية للبنية التحتية مع الاستفادة القصوى من السلوك البشري.