Cost and performance data for distributed energy resources: Literature review, harmonization, and synthesis

لم تعد الشبكة الكهربائية الحديثة مجرد طريق ذي اتجاه واحد حيث تتدفق الطاقة من محطة مركزية ضخمة إلى الحي السكني، بل أصبحت بشكل متزايد شبكة ثنائية الاتجاه حيث يمكن توليد الكهرباء في المكان الذي تشتد الحاجة إليها فيه، في الأفنية الخلفية، والمصانع، ومباني المكاتب. هذه المصادر المحلية، المعروفة باسم موارد الطاقة الموزعة، تشمل تقنيات مألوفة مثل الألواح الشمسية وتخزين البطاريات، لكنها تعتمد أيضاً على آلات قديمة وعملودة: وهي المولدات التي تحرق الديزل أو الغاز الطبيعي، والتوربينات الصغيرة، وخلايا الوقود. هذه الآلات حيوية للحفاظ على استمرار الإضاءة عند فشل الشبكة الرئيسية أو عندما لا تتوفر مصادر الطاقة النظيفة مثل الرياح والشمس. وللتخطيط لمستقبل طاقة موثوق وبأسعار معقولة، يحتاج المهندسون وصناع السياسات إلى معرفة التكلفة الدقيقة لبناء هذه الآلات ومدى كفاءة تشغيلها. ومع ذلك، لعقود من الزمن، كانت البيانات التي تصف هذه التكاليف مشتتة وغير متسقة، مما جعل من الصعب مقارنة آلة بأخرى أو الوثوق بالأرقام المستخدمة في خطط الطاقة الوطنية.

تسعى دراسة جديدة أجراها ريان هانا في جامعة كاليفورنيا، سان دييغو، إلى إزالة هذا الارتباك من خلال جمع وتوحيد بيانات التكلفة لهذه المولدات الموزعة. يركز البحث على أربعة أنواع محددة من التكنولوجيا: مولدات الديزل، ومولدات الغاز الطبيعي، والتوربينات الدقيقة للغاز، وخلايا الوقود. تأتي هذه الآلات في نطاق واسع من الأحجام، بدءاً من الوحدات الصغيرة بقدرة 25 كيلووات التي قد تمد منزلاً واحداً بالطاقة، وصولاً إلى أنظمة ضخمة بقدرة 10,000 كيلووات قادرة على تشغيل منشأة صناعية كبيرة. المشكلة المركزية التي يتناولها المؤلف هي أن مجموعات مختلفة تقدمت بتقارير حول هذه التكالاف استخدمت طرقاً مختلفة لحساب السعر النهائي. فقد أدرجت بعض التقارير سعر المحرك نفسه فقط، بينما شملت تقارير أخرى تكلفة العمالة لتركيبه، ورسوم الهندسة، أو نفقات التصاريح والتأمين. ولأن تعريفات "التكلفة الإجمالية" هذه تباينت بشكل كبير، كانت الأرقام غال خلال من المستحيل مقارنتها مباشرة، مما أدى إلى ظهور بيانات مرقعة تبدو أشبه بمجموعة من اللغات المختلفة بدلاً من كونها صورة واحدة متماسكة.

ولحل هذه المشكلة، جمع الباحث 33 مجموعة بيانات مختلفة نُشرت بين عامي 2001 و2026 من مزيج من الشركات المصنعة للتكنولوجيا، والشركات الاستشارية، والمختبرات الحكومية. في المجمل، جمع هذا الجهد معلومات عن 191 نظام طاقة فريداً. تمثل جوهر العمل في عملية تسمى "التنسيق" (harmonization)، حيث تمت ترجمة كل نقطة بيانات إلى لغة مشتركة. قام المؤلف بتحويل جميع التكاليف إلى دولارات أمريكية لعام 2025 لمراعاة التضخم، ثم فرض على كل دراسة أن تبلغ عن التكاليف باستخدام نموذج شامل واحد. هذا النموذج، المعروف باسم "التكلفة الإجمالية لليلة الواحدة" (total overnight cost)، يقسم سعر النظام إلى أربعة أجزاء متميزة: تكلفة المعدات الرئيسية، وتكلفة تركيبها والعمالة المطلوبة، وتكلفة الهندسة وإدارة الإنشاءات، وتكلفة نفقات المالك، مثل تجهيز الأرض والتأمين. ومن خلال ملء الفجوات في الدراسات التي أبلغت فقط عن بيانات جزئية، أنشأ الباحث مجموعة كاملة ومتسقة من الأرقام لكل نظام في المجموعة.

بمجرد توحيد البيانات، كشفت الدراسة عن أنماط واضحة في كيفية تغير التكاليف مع تغير حجم المولد. بالنسبة لمولدات الديزل والغاز الطبيعي، تكون تكلفة الوحدة من القدرة أعلى بكثير في الآلات الأصغر حجماً. على سبيل المثال، يكلف مولد ديزل بقدرة 50 كيلووات حوالي 2,666 دولاراً لكل كيلوواط من السعة، بينما يكلف وحدة بقدرة 500 كيلوواط حوالي 1,590 دولاراً لكل كيلوواط. وهذا يعني أنه كلما كبر حجم الآلة، أصبحت أرخص بناءً لكل وحدة طاقة تنتجها، وهي ظاهرة تُعرف باسم "اقتصاديات الحجم". وجدت الدراسة أن هذا الاتجاه ينطبق أيضاً على مولدات الغاز الطبيعي، وإن كان الفرق أقل حدة نوعاً ما. كما أظهرت البيانات أنه بالنسبة للأنظمة الصغيرة جداً، يمكن أن تتجاوز تكاليف التركيب والهندسة والنفقات "الناعمة" الأخرى تكلفة الآلة نفسها، وهو تفصيل غالباً ما يتم إغفاله عند النظر فقط إلى سعر المعدات.

كما بحثت الدراسة في كيفية أداء هذه الآلات بمرور الوقت. ترفع الدراسة معدلات حرارية (كفاءة حرارية) وتكاليف تشغيل منسقة جديدة لمولدات الديزل، ومولدات الغاز، والتوربينات الدقيقة، وخلايا الوقود. وبينما يغطي التحليل كلاً من الأنظمة التي تولد الكهرباء فقط وتلك التي تلتقط الحرارة المهدرة لتوفير الماء الساخن أو البخار، والمعروفة بأنظمة "القدرة المشتركة للحرارة والكهرباء"، إلا أن البيانات المتعلقة بتكاليف التشغيل المتغيرة كانت شحيحة للغاية بحيث لا يمكن استخلاص استنتاجات نهائية حول كيفية تغيرها مع الحجم. وبالمثل، بينما تتوفر بيانات معدل الحرارة لجميع أحجام الأنظمة، لا تؤكد الدراسة وجود اتجاه محدد يشير إلى أن الأنظمة الأصغر أقل كفاءة مقارنة بالأنظمة الأكبر؛ بل إنها توفر نقاط البيانات الأساسية لهذه السمات عبر كامل نطاق القدرات. وأشار التحليل إلى أن أنظمة القدرة المشتركة للحرارة والكهرباء أكثر تعقيداً وتكلفة في البناء لأنها تتطلب معدات إضافية لإدارة الحرارة، لكنها توفر كفاءة إجمالية أعلى.

إن أحد أهم نتائج هذا العمل هو إنشاء مجموعة جديدة من الأنظمة "النماذج". فبدلاً من الاعتماد على رقم واحد، قد يكون قديماً، لمولد بقدرة 500 كيلوواط، توفر الدراسة ملفاً تفصيلياً للأنظمة ذات الأحجام المحددة، والتي تتراوح من 25 إلى 10,000 كيلوواط. لا تشمل هذه الملفات رقماً واحداً للتكلفة فحسب، بل توفر نطاقاً من التكاليف المحتملة التي تعكس التباين الطبيعي الموجود في العالم الحقيقي. على سبيل المثال، توفر الدراسة أفضل تقدير لتكلفة مولد غاز طبيعي بقدرة 500 كيلوواط، جنباً إلى جنب مع حد أدنى وحد أعلى يجسد حالة عدم اليقين في البيانات. وهذا يسمح للمخططين بإجراء عمليات محاكاة ونماذج اقتصادية بفهم أوضح للمخاطر والتكاليف المعنية. كما لاحظت الدراسة أنه بالنسبة لخلايا الوقود، كانت البيانات شحيحة جداً لإنشاء هذه الملفات التفصيلية، مما يسلط الض الضوء على فجوة في المعرفة الحالية سيتعين على الأبحاث المستقبلية ملؤها.

في نهاية المطاف، لا يدعي هذا العمل اكتشاف تكنولوجيا جديدة أو حل أزمة الطاقة. بدلاً من ذلك، فإنه يوفر أساساً موثوقاً من الحقائق التي يمكن للباحثين وصناع السياسات الآخرين استخدامها. ومن خلال ضمان أن الجميع يتحدثون اللغة نفسها عند مناقشة تكلفة الطاقة الموزعة، تساعد الدراسة في إزالة التخمين من عملية التخطيط. وتشير النتائج إلى أنه بينما تكون المولدات الأصغر أغلى ثمناً لكل وحدة طاقة، إلا أنها تظل أداة حاسمة للموثوقية، ويمكن التنبؤ بتكاليفها بدقة أكبر من ذي قبل. هذا الوضوح ضروري لتقرير أين يتم الاستثمار في مستقبل الشبكة الكهربائية، لضمان أن الانتقال إلى نظام طاقة أكثر لامركزية ومرونة مبني على بيانات صلبة وقابلة للمقارنة بدلاً من التقارير المتضاربة.