Techno-economic Energy Management of Water-Integrated Multi- microgrid System using Dynamic Demand Response Programs

في العالم الحديث، غالباً ما تُعامل الكهرباء والمياه كخدمات منفصلة، تتدفق عبر أنابيب وأسلاك متميزة إلى منازلنا وأعمالنا. ومع ذلك، فهما مترابطان بعمق؛ إذ يتطلب إنتاج الكهرب️أ كميات هائلة من المياه للتبريد، بينما يتطلب ضخ المياه ومعالجتها طاقة كهربائية كبيرة. هذا الاتصال، المعروف باسم "رابط الماء والطاقة"، يعني أن إدارة مورد واحد تؤثر حتماً على الآخر. ومع اعتماد المجتمعات بشكل متزايد على مصادر طاقة محلية مثل الألواح الشمسية وتوربينات الرياح لاستبدال محطات الطاقة المركزية الضخمة، ينتقل التحدي من مجرد توليد طاقة كافية إلى موازنة العرض والطلب في الوقت الفعلي. فعندما لا تشرق الشمس أو لا تهب الرياح، يمكن للشبكات المحلية أن تعاني، مما يؤدي إلى انقطاعات في التيار أو الاعتماد المكلف على خطوط الطاقة البعيدة. ولحل هذه المشكلة، يعمل المهندسون على تطوير "الشبكات الصغيرة" (microgrids) — وهي شبكات طاقة مستقلة وصغيرة الحجم يمكنها العمل بشكل منفصل. والهدف هو جعل هذه الأنظمة المحلية أكثر ذكاءً، مما يسمح لها بتعديل استهلاكها بناءً على ما هو متاح، تماماً كما قد يطفئ أحد المنازل الأنوار لتوفير المال، ولكن على نطاق يحافظ على سير عمل حي كامل بسلاسة.

قام حميد كريمي، وهو باحث في جامعة قم للتكنولوجيا في إيران، بمعالجة عملية التوازن المعقدة هذه من خلال تصميم نظام إدارة جديد لشبكة مكونة من ثلاث شبكات صغيرة من هذا النوع، والتي تكون مسؤولة أيضاً عن توفير مياه الشرب. وفي دراسته، قام بمحاكاة سيناريو كانت فيه هذه الشبكات المحلية مجهزة بألواح شمسية، وتوربينات رياح، ومولدات ديزل، وتخزين بطاريات، إلى جانب آبار مياه، وآلات تحلية، وخزانات تخزين. كان جوهر عمله يتمثل في عملية تخطيط من خطوتين صُممت للتعامل مع الحقائق المالية والتقنية لإدارة مثل هذا النظام. ركزت الخطوة الأولى بحت على الجانب الاقتصادي، حيث حسبت الطريقة الأرخص لتشغيل النظام من خلال تحديد متى يتم شراء الطاقة من الشبكة الرئيسية، ومتى يتم استخدام المولدات المحلية، ومتى يتم نقل إنتاج المياه إلى الأوقات التي تكون فيها الكهرباء رخيصة. ثم قامت الخطوة الثانية بأخذ تلك الخطة الأرخص وعدلتها لتحسين مقياس محدد للاستقلال يسمى "مؤشر مقياس الاكتفاء الذاتي". يكافئ هذا المؤشر النظام تقريباً على توليد طاقته الخاصة محلياً بدلاً من الاعتماد على الشبكة الرئيسية، مما يساعد في تقليل فقدان الطاقة والحفاظ على استقرار الجهد المحلي.

كان الابتكار الحاسم في نهج كريمي هو الطريقة التي تعامل بها مع "الاستجابة للطلب"، وهي استراتيجية يوافق فيها المستهلكون على تغيير استخدامهم للكهرباء استجابةً للإشارات. غالباً ما افترضت الدراسات السابقة أن الشبكة الصغيرة يمكنها ببساطة قطع أو إضافة نسبة مئوية ثابتة من حملها في أي وقت، بشكل يشبه افتراض أن الشخص يمكنه تناول نفس كمية الطعام الإضافية تماماً بغض النظر عما إذا كان شبعاناً أو جائعاً جداً. جادل كريمي بأن هذا غير واقعي. وبدلاً من ذلك، طور برنامجاً ديناميكياً ينظر إلى العادات اليومية الفعلية للشبكات الصغيرة. فقد أدرك أنه خلال ساعات خارج الذروة، عندما تكون الكهرباء رخيصة والطلب منخفضاً، تمتلك الشبكة الصغيرة مساحة كبيرة لزيادة ضخ المياه أو شحن بطارياتها. وعلى العكس من ذلك، خلال ساعات الذروة عندما يستخدم الجميع الطاقة، هناك مساحة ضئيلة جداً لإضافة المزيد من الحمل، ولكن هناك مساحة كبيرة لتقليله. ومن خلال حساب هذه الحدود ساعة بساعة، يمكن للنظام اتخاذ قرارات أكثر ذكاءً بكثير. على سبيل المثال، حدد النموذج أنه خلال ساعات الصباح الباكر، يمكن للشبكات الصغيرة زيادة ضخ المياه بنسبة تصل إلى 20 بالمائة، في حين أنه خلال ذروة المساء، يمكنها تقليل الاستهلاك بهامش مماثل، وهو نوع من المرونة لم يستطع نظام ثابت المعدل تحقيقه.

عندما قام كريمي بإجراء عمليات المحاكاة الخاصة به مقارنةً بين هذا النهج الديناميكي الجديد والنهج التقليدي ثابت المعدل، كانت النتائج مذهلة. فقد قلل النظام الديناميكي إجمالي تكلفة تشغيل الشبكات الثلاث بنسبة 20 بالمائ^ة تقريباً، مما وفر أكثر من 700 دولار في اليوم المحاكى مقارنة بالطريقة القياسية. والأهم من ذلك، أنه حسن الموثوقية بشكل كبير؛ حيث انخفضت كمية الكهرباء غير الموردة، والمعروفة باسم "الطاقة غير الموردة"، بمقدار الثلثين، لتنخفض من أكثر من 1300 كيلووات/ساعة إلى أقل من 440 كيلووات/ساعة. حدث هذا لأن النموذج الديناميكي سمح للشبكات الصغيرة بنقل إنتاج المياه وشحن البطاريات إلى الأوقات التي تكون فيها الطاقة المتجددة المحلية وفيرة والأسعار منخفضة، بدلاً من المعاناة لتلبية الطلب خلال ساعات الذروة المكلفة وعالية الضغط. كما أصبح النظام أكثر اعتماداً على الذات، حيث ارتفع مؤشر مقياس الاكتفاء الذاتي من حوالي 79 بالمائة إلى 86 بالمائة، مما يعني أن الشبكات المحلية تمكنت من تلبية المزيد من احتياجاتها دون السحب من الشبكة الرئيسية.

كشفت الدراسة أيضاً كيف أثرت أنظمة المياه والطاقة على بعضها البعض بطرق غير متوقعة. أظهرت المحاكاة أن الشبكات الصغيرة أعطت الأولوية لضخ المياه من الآبار الجوفية لأنها تتطلب كهرباء أقل من تشغيل وحدات التحلية. ومع ذلك، عندما كان إنتاج الرياح والشمس مرتفعاً، كان النظام يقوم تلقائياً بتوجيه تلك الطاقة النظيفة الفائضة لتشغيل آلات التحلية، مما يملأ خزانات التخزين بالمياه العذبة لاستخدامها لاحقاً. أدى هذا التنسيق إلى تسوية ملف الحمل اليومي، مما جعل منحنى استخدام الكهرباء أكثر استواءً وكفاءة. وقد قدم الباحثون مقياساً جديداً يسمى "مؤشر ملف الحمل الناعم" لقياس مدى هذا الاستواء، وحسن النموذج الديناميكي هذا المجموع بنحو 4 بالمائة مقارنة بالنهج الاستاتيكي. وبحلول نهاية المحاكاة، نجحت الشبكات الصغيرة في إثبات أن معاملة أنظمة المياه والكهرباء كنظام واحد منسق، يُدار باستجابة مرنة وذكية للظروف في الوقت الفعلي، يمكن أن يجعل شبكات الطاقة المحلية أرخص، وأكثر موثوقية، وأكثر استقلالاً بكثير. وتشير النتائج إلى أنه مع انتقال المجتمعات نحو الطاقة اللامركزية، فإن مفتاح النجاح لا يكمن فقط في امتلاك المزيد من الألواح الشمسية أو البطاريات، بل في فهم القدرة الدقيقة، ساعة بساعة، على تحويل الطلب بطريقة تحترم الحدود الفيزيائية للنظام.