Multi regional power system transmission storage collaborative planning based on distributed optimization framework

لم تعد شبكة الطاقة الحديثة مجرد شارع بسيط في اتجاه واحد حيث تتدفق الكهرباء بثبات من عدد قليل من محطات الطاقة الكبيرة إلى المنازل والمصانع، بل أصبحت شبكة معقدة ثنائية الاتجاه تتحكم فيها أحوال الطق বল في الإمدادات. فمزارع الرياح ومصفوفات الطاقة الشمسية تولد الطاقة فقط عندما تهب الرياح أو تشرق الشمس، وغالبًا ما تكون في مناطق نائية بعيدة عن المدن التي تحتاج إلى تلك الطاقة بشدة. وهذا يخلق عدم تطابق جوهري: الطاقة متاحة في مكان ما في وقت ما، بينما الطلب موجود في مكان آخر في وقت مختلف. ولإبقاء الأضواء مشتعلة، يتعين على المهندسين حل لغز مزدوج؛ فهم بحاجة إلى بناء خطوط طاقة جديدة لنقل الكهرباء عبر مسافات شاسعة، ويحتاجون أيضًا إلى تركيب بطاريات ضخمة لتخزين تلك الطاقة لاستخدامها لاحقًا. ويكمكم التحدي في معرفة مقدار كل منهما وما يجب بناؤه وأين يوضع، دون إضاعة المال أو ترك الشبكة عرضة للمخاطر.

لقد تصدى فريق من الباحثين من شركة "ستيت غريد شانشي" للكهرباء لهذا اللغز من خلال تطوير طريقة جديدة للتخطيط لمستقبل هذه الأنظمة المترابطة للطاقة. وبدلاً من التعامل مع بناء خطوط الطاقة الجديدة وتركيب تخزين الطاقة كقرارات منفصلة، ابتكروا نموذجًا موحدًا يحسن كليهما في آن واحد. ويقر نهجهم بأن خط طاقة جديد وبطارية كبيرة يمكنهما غالبًا القيام بنفس المهمة: كلاهما يسمح للنظام بالتعامل مع التقلبات غير المتوقعة للطاقة المتجددة. وباستخدام إطار رياضي متطور يسمح للمناطق المختلفة بحل مشكلات التخطيط الخاصة بها مع البقاء في تزامن مع جيرانها، وجد الباحثون طريقة لتصميم شبكة تكون أرخص، وأكثر كفاءة، وأفضل في استيعاب الطاقة النظيفة من الطرق السابقة.

اختبر الباحثون طريقتهم على نظام طاقة محاكى مكون من أربع مناطق، وهو سيناريو مصمم لمحاكاة التعقيد الواقعي لشبكة وطنية كبيرة. في هذا النظام، تمتلك بعض المناطق وفرة في طاقة الرياح والطاقة الشمسية ولكن عدد سكانها قليل، بينما تمتلك مناطق أخرى صناعات ثقيلة وطلبًا مرتفعًا على الكهرباء ولكن إنتاجها من الطاقة المتجددة أقل. وقارن الفريق نهجهم المنسق الجديد بثلاث استراتيجيات قديمة: واحدة بنت خطوط طاقة جديدة فقط، وأخرى ركزت على تركيب البطاريات فقط، وثالثة حيث خططت كل منطقة مستقبلها بشكل مستقل دون التواصل مع الآخرين. وكانت النتائج واضحة؛ فالخطة المنسقة، التي قررت بشأن خطوط النقل وبطاريات التخزين في وقت واحد، حققت أفضل نتيجة. فقد قللت التكلفة السنوية الإجمالية للنظام بملايين الدولارات مقارنة بالاستراتيجيات الأخرى. وتحديدًا، وفرت الخطة الجديدة 36.5 مليون يوان سنويًا مقارنة بخطة بنيت الخطوط فقط، و44.7 مليون يوان مقارنة بخطة اشترت البطاريات فقط، و82.8 مليون يوان مقارنة بالنهج غير المنسق حيث عملت المناطق بمفردها.

وبعيدًا عن توفير المال فحسب، فقد حسنت الخطة المنسقة بشكل كبير من قدرة النظام على استخدام الطاقة المتجددة. ففي عمليات المحاكاة، سمحت الطريقة الجديدة للشبكة بقبول واستخدام طاقة رياح وشمس بنسبة تزيد بمقدار 4.6 نقطة مئوية عن استراتيجية "الخطوط فقط" و3.55 نقطة مئوية أكثر من استراتيجية "البطاريات فقط". وهذا تمييز حاسم لأن إهدار الطاقة المتجددة، المعروف باسم "التقليص"، يمثل خسارة اقتصادية وبيئية كبيرة. ووجد الباحثون أنه من خلال وضع البطاريات في المواقع الصحيحة وبناء القدر الكافي فقط من خطوط الطاقة الجديدة لربطها، يمكن للنظام تنعيم التقلبات اليومية للرياح والشمس. حيث تقوم البطاريات بالشحن عندما يكون هناك فائض في الطاقة، وتفريغها عندما يكون الطلب مرتفعًا، بينما تقوم خطوط الطاقة بنقل الطاقة الزائدة من منطقة عاصفة إلى منطقة مشمسة، أو من منطقة ذات طلب منخفض إلى منطقة ذات طلب مرتفع. هذا الجمع بين نقل الطاقة عبر المكان وتخزينها عبر الزمان خلق شبكة أكثر استقرارًا ومرونة.

لم يكن الابتكار التقني وراء هذا النجاح يكمن فقط في عملية التخطيط نفسها، بل في كيفية حل الباحثين للمشكلة الرياضية الضخمة المطلوبة لإيجاد الحل الأمثل. إن التخطيط لشبكة طاقة لدولة بأكملة يتضمن ملايين المتغيرات: كل موقع محتمل لخط جديد، وكل موقع محتمل لبطارية، كل ساعة من ساعات اليوم، وكل سيناريو جوي محتمل. إن حل كل هذا دفعة واحدة في برنامج كمبيوتر واحد أمر صعب للغاية وبطيء، وغالبًا ما يتطلب من كل منطقة مشاركة بياناتها الخاصة مع سلطة مركزية، وهو أمر ليس عمليًا دائمًا. استخدم الباحثون تقنية تسمى "التحسين الموزع". تخيل مجموعة من الأشخاص يحاولون حل لغز "بازل" عملاق؛ فبدلاً من أن يحاول شخص واحد تركيب كل قطعة في وقت واحد، يتم تقسيم اللغز إلى أقسام. يعمل كل شخص على قسمه الخاص، لكنهم يتحققون باستمرار من الحواف حيث يلتقي قسمهم بجارهم للتأكد من أن القطع تتناسب مع بعضها البعض.

في هذه الدراسة، قام كل إقليم من أقاليم نظام الطاقة بحل مشكلة التخطيط الخاصة به بشكل مستقل، حيث قرر محليًا مكان بناء الخطوط والبطاريات. ومع ذلك، لم يعملوا في عزلة؛ فقد تبادلوا فقط المعلومات المتعلقة بخطوط الطاقة التي تربطهم بجيرانهم، مما ضمن أن إجمالي الطاقة المتدفقة داخل وخارج النظام يتطابق تمامًا. سمحت هذه الطريقة للفريق بإجراء الحسابات بشكل أسرع بكثير. وبينما استغرق نموذج الكمبيوتر المركزي التقليدي أكثر من 82 ثانية لإيجاد حل، انتهت الطريقة الموزعة الجديدة، التي قامت بتشغيل الحسابات الإقليمية بالتوازي، في حوالي 21.5 ثانية. وهذا التسريع مهم لأنه يعني أن مخططي الشبكة يمكنهم إجراء المزيد من عمليات المحاكاة لاختبار سيناريوهات مختلفة، مما يؤدي إلى قرارات أكثر قوة وموثوقية. كما احترمت الطة خصوصية كل منطقة، حيث لم تكن بحاجة إلى الكشف عن تكاليفها الداخلية أو بيانات شبكتها التفصيلية لسلطة مركزية، بل فقط معلومات الحدود الضرورية للحفاظ على توازن النظام.

أكدت الدراسة أن الاعتماد على أداة واحدة فقط ليس كافيًا لمستقبل الطاقة. فالخطة التي تركز فقط على بناء المزيد من خطوط الطاقة تميل إلى الإفراط في البناء، وإنفاق الكثير على بنية تحتية قد لا تُستخدم بالكامل. وعلى العكس من ذلك، فإن الخطة التي تعتمد فقط على البطاريات يمكن أن تصبح مكلفة للغاية لأنها تحاول تخزين كل جزء من الطاقة الزائدة محليًا، مما يفوت فرصة نقل تلك الطاقة إلى حيث تشتد الحاجة إليها. أما نهج التخطيط المستقل، حيث لا تنسق المناطق فيما بينها، فيؤدي إلى أسوأ النتائج، مع تكاليف عالية وطاقة مهدرة لأن المناطق تبني أصولاً مكررة أو تفشل في دعم بعضها البعض عند الحاجة. وتشير نتائج الباحثين إلى أن المسار الأكثر كفاءة هو مزيج متوازن. ففي نظام الأربع مناطق المحاكى، تضمنت الخطة المثلى توسيع خمس ممرات نقل محددة بكميات تتراوح بين 130 و260 ميجاواط، مع تثبيت إجمالي 800 ميجاواط من قدرة الطاقة و3200 ميجاواط/ساعة من تخزين الطاقة عبر المناطق الأربع.

وكشف التكوين المحدد لهذه الموارد عن نمط واضح؛ فالأقاليم التي لديها أعلى إنتاج من الطاقة المتجددة، والتي غالبًا ما تواجه خطر إهدار تلك الطاقة، كانت هي الأكثر استفادة من إضافة التخزين المحلي. عملت البطاريات كمنظم، حيث امتصت الطاقة الزائدة خلال أوقات ذروة الإنتاج وأطلقتها خلال ذروة الاستهلاك المسائية بعد غروب الشمس. وفي الوقت نفسه، عملت خطوط النقل الجديدة كصمام أمان، مما سمح للأقاليم بتصدير فائضها إلى الجيران الذين يعانون من نقص. هذا التنسيق يعني أن النظام لم يكن بحاجة إلى بناء عدد كبير من الخطوط الضخمة كما في خطة "الخطوط فقط"، ولا كان بحاجة إلى تركيب عدد كبير من البطاريات كما في خطة "البطاريات فقط". وكانت النتيجة نظامًا تم فيه تقليل التكلفة الإجمالية إلى الحد الأدنى وتعظيم الموثوقية.

نظر الباحثون أيضًا في كيفية سلوك النظام في يوم نموذجي. ووجدوا أن تدفقات الطاقة بين الأقاليم لم تكن ثابتة؛ بل تغير اتجاهها وحجمها طوال اليوم اعتمادًا على الطقس والطلب. ففي الصباح، قد يستورد إقليم ما الطاقة لتلبية الطلب المتزايد، بينما في فترة بعد الظهر، ومع وصول إنتاج الطاقة الشمسية إلى ذروته، قد يتحول نفس الإقليم إلى تصدير الطاقة لجيرانه. لعبت البطاريات دورًا حاسمًا في هذه "الرقصة"، حيث تشحن عندما تكون الشبكة ممتلئة بالطاقة المتجددة الرخيصة، وتفرغ عندما تحتاج الشبكة إلى الطاقة. وقد تمت إدارة حالة الشحن لهذه البطاريات، والتي تمثل مدى امتلائها، بعناية للبقاء ضمن حدود آمنة، مما يضمن جاهزيتها للدورة التالية. هذا التفاعل الديناميكي بين التخزين وخطوط النقل سمح للشبكة بالتعامل مع تقلبات الطاقة المتجددة بمستوى من السلاسة لا يمكن لأي من التقنيتين تحقيقه بمفرده.

تخلص الدراسة إلى أن هذا النهج المنسق ليس مجرد تمرين نظري، بل هو حل عملي للتحديات التي تواجه شبكات الطاقة الحديثة. فمن خلال استخدام إطار تحسين موزع، يمكن لمخططي الشبكة تحقيق نتائج تقارب مثالية الخطة المركزية الكاملة، ولكن مع المزايا الإضافية المتمثلة في السرعة والخصوصية والقابلية للتوسع. تسمح هذه الطريقة لمختلف المناطق بالحفاظ على استقلاليتها مع الاستمرار في العمل معًا لإنشاء كلٍ أكثر كفاءة ومرونة. ومع توجه العالم نحو مستقبل يهيمن عليه طاقة الرياح والشمس، ستكون القدرة على التخطيط لكل من حركة الطاقة عبر المكان وتخزينها عبر الزمان أمرًا ضروريًا. يوفر هذا البحث خارطة طريق واضحة لكيفية القيام بذلك، موضحًا أن المفتاح لشبكة أرخص وأنظف وأكثر موثوقية يكمن في التنسيق الذكي لمكوناتها الفيزيائية. وتشير النتائج إلى أن مستقبل تخطيط الطاقة لا يتعلق بالاختيار بين الخطوط أو البطاريات، بل بفهم كيفية عملهما معًا لحل اللغز المعقد لتكامل الطاقة المتجددة.