Battery reserve autonomy and diesel generator mission reliability

عندما تفشل شبكة الطاقة، تنطفئ الأنوار، ولكن بالنسبة للمستشفيات ومراكز البيانات والبنية التحتية الحيوية، فإن الخطر الحقيقي يبدأ عندما تصبح الأنظمة الاحتياطية هي الملاذ الوحيد. تعتمد هذه المرافق على مولدات الديزل في حالات الطوارئ لتولي المهمة عندما تختفي الطاقة الرئيسية. ولكي تكون هذه الآلات مفيدة، يجب أن تقوم بثلاثة أشياء بالتتابع: يجب أن تكون جاهزة للعمل عند استدعائها، ويجب أن تبدأ بنجاح في اللحظة التي تبرز فيها الحاجة إليها، ويجب أن تستمر في العمل دون توقف طوال فترة الأزمة. يتحدث المهندسون غالباً عن "التوافر"، وهو مقياس لمدى جاهزية الآلة، لكن الآلة التي تكون جاهزة اليوم قد تفشل في البدء غداً، أو قد تعمل لساعة واحدة فقط قبل أن تتعطل. إن مسألة مدى إمكانية الوثوق بنظام احتياطي خلال أزمة تمتد لعدة أيام لا تتعلق فقط بوجود قطعة غيار؛ بل تتعلق بفهم سلسلة الأحداث التي تؤدي إلى الفشل التام.

تبحث دراسة حديثة أجراها محمود عبد الفتاح عباس محمود من شركة "هاي بيرفورمانس إندستري" (High Performance Industry) في المملكة العربية السعودية، في استراتيجية محددة لتحسين هذا الموثوقية: استخدام بطارية كبيرة كجسر مؤقت. الفكرة بسيطة؛ فعندما تنقطع الطاقة الرئيسية، تتولى البطارية المهمة فوراً، مما يمنح وقتاً لمولد الديزل ليبدأ بالعمل ويبدأ في توفير الطاقة. وإذا بدأ المولد العمل ثم تعطل لاحقاً، يمكن للبطارية تغطية الفجوة للمدة المتبقية من الأزمة. ومع ذلك، إذا كان احتياطي البطارية أقصر من إجمالي مدة الطواربو، فإنها لن تستطيع تغطية سيناريو فشل المولد في بدء التشغيل على الإطلاق؛ وفي هذه الحالة، تفشل المهمة بمجرد نفاد طاقة البطارية. تسأل الدراسة سؤالاً دقيقاً: ما هي كمية طاقة البطارية المطلوبة فعلياً لجعل مهمة طويلة، مثل عاصفة تستمر اثنتين وسبعين ساعة أو انقطاع للتيار لمدة أسبوع، آمنة؟ لا تختبر الأبحاث آلات جديدة في المختبر؛ بدلاً من ذلك، تستخدم بيانات منشورة من مجموعتين مختلفتين من المولدات لبناء نموذج رياضي لما يحدث أثناء الأزمة.

نظر الباحثون في مجموعتين متمايزتين من مولدات الطوارئ الموجودة في التقارير الحالية. تمثل المجموعة الأولى، والتي تحمل اسم "فير" (Fehr)، الآلات التي تتميز عموماً بموثوقية عالية، مع فترات طويلة من التشغيل المستمر قبل التعطل. أما المجموعة الأخرى، المسماة "هونج كونج" (Hong Kong)، فتمثل آلات أقل موثوقية بكثير، ولديها تاريخ من الفشل في بدء التشغيل أو التوقف بعد وقت قصير فقط. قامت الدراسة بمحاكاة ملايين السيناريوهات الافتراضية لحالات الطوارئ لمعرفة كيف يغير إضافة احتياطي البطارية فرص النجاح. في هذه المحاكاة، عوملت البطارية كواحدة مثالية مشحونة بالكامل يمكنها توفير كل الطاقة اللازمة فوراً. وافترض الباحثون أنه بمجرد بدء تشغيل المولد، فإنه سيستمر في العمل حتى يتعطل، مع عدم إمكانية إجراء أي إصلاحات أثناء الطوارئ. كما افترضوا أن البطارية ستكون متاحة فقط إذا كانت في حالة عمل جيدة في بداية الأزمة.

تكشف النتائج عن انقسام حاد بين حالات الطوارئ القصيرة والطويلة. فبالنسبة لمهمة تستغرق أربع وعشرين ساعة، فإن إضافة احتياطي بطارية لمدة أربع ساعات لا يحدث إلا فرقاً ضئيلاً في معدل النجاح الإجمالي لمجموعة المولدات الموثوقة؛ فالآلات جيدة جداً لدرجة أن البطارية لا تضيف سوى قدر ضئيل من الأمان الإضافي. ومع ذلك، بالنسبة للمجموعة الأقل موثوقية، فإن تلك البطارية ذات الأربع ساعات تجعل فرقاً ملحوظاً، حيث ترفع فرصة النجاة من حوالي ستة وستين بالمئة إلى حوالي واحد وسبعين بالمئة. ولكن مع طول مدة المهمة، تنخفض قيمة البطارية الصغيرة بشكل كبير. فعندما حكت الدراسات مهمة مدتها اثنتان وسبعون ساعة، لم تساعد البطارية ذات الأربع ساعات مجموعة المولدات الموثوقة إلا قليلاً، ولم تفعل شيئاً تقريباً للمجموعة الأقل موثوقية. في سيناريو المولدات الأقل موثوقية، كانت فرصة بقاء المولد لمدة اثنتين وسبعين ساعة دون مساعدة تبلغ حوالي ثلاثين بالمئة فقط، وحتى مع وجود بطارية لأربع ساعات، ارتفع هذا الرقم إلى حوالي اثنين وثلاثين بالمئة فقط. لقد نفدت البطارية ببساطة من الوقت قبل أن يتمكن المولد من إتمام المهمة.

وجدت الدراسة أنه لتأمين مهمة طويلة حقاً، يجب أن تكون البطارية كبيرة بما يكفي لتغطية مدة الطوارئ بأكملها، وليس مجرد بضع ساعات. فإذا كانت البطارية قادرة على الصمود طوال اثنتين وسبعين ساعة، فإنها تغير قواعد اللعبة؛ إذ يمكنها تغطية فشل المولد في بدء التشغيل على الإطلاق، ويمكنها أيضاً تغطية تعطل المولد لاحقاً. وفي عمليات المحاكاة، رفعت بطارية قادرة على مهمة كاملة لمدة اثنتين وسبعين ساعة معدل النجاح للمجموعة الأقل موثوقية إلى ما يقرب من تسعة وتسعين بالمئة. وهذا يسلط الضوء على حد هيكلي: البطارية الصغيرة هي جسر، ولكن إذا كان الجسر قصيراً جداً، فسيتعين على المسافر عبور بقية النهر بمفرده. وإذا كان النهر عريضاً، فإن الجسر القصير لا يوفر إلا حماية ضئيلة. وقد حسب الباحثون أنه لكي تصل المولدات الأقل موثوقية إلى معدل نجاح بنسبة خمسة وتسعين بالمئة على مدار اثنتين وسبعين ساعة، ستحتاج البطارية إلى الصمود لما يقرب من سبعين ساعة، مما يغطي المهمة بأكملها فعلياً.

كما استكشف البحث ما يحدث إذا كان لديك مولدان بدلاً من واحد. إن امتلاك آلة ثانية هو دعم قوي، لكن الدراسة أظهرت أن هذه الميزة تتلاشى إذا كانت كلتا الآلتين تشتركان في نفس المشكلات، مثل إمدادات الوقود المشتركة أو نظام التحكم المشترك الذي يتعطل. فحتى وجود فرصة ضئيلة لفشل كلتا الآلتين معاً يمكن أن يقلل من فائدة وجود مولدين إلى النصف. وأكد الباحثون أن نتائجهم تستند إلى نموذج مبسط حيث لا يتم إصلاح الآلات أثناء الطوارئ ولا يتم إعادة شحن البطاريات. في العالم الحقيقي، قد يقوم العمال بإصلاح مولد، أو قد يتم إعادة شحن البطارية إذا كانت فترة الانقطاع قصيرة. ومع ذلك، تحت الظروف الصارمة لأزمة طويلة لا يمكن إصلاحها، فإن الرياضيات واضحة: الاحتياطي الصغير ليس كافياً لإنقاذ مهمة طويلة إذا كان المولد نفسه غير موثوق.

يخلص المؤلف إلى أنه بينما تعتبر البطاريات ضرورية لتغطية الدقائق القليلة التي يستغرقها بدء تشغيل المولد، إلا أنها لا يمكن أن تحل محل الحاجة إلى آلة موثوقة خلال فترات الانقطاع الطويلة. إن الاعتماد على احتياطي بطارية قصير لإصلاح مشكلة تتعلق بتعطل المولد في بدء التشغيل أو عمله لفترات قصيرة فقط هو شعور زائف بالأمان. لا تقترح الدراسة أن البطاريات عديمة الفائدة، بل تحدد حدودها. فإذا كان الهدف هو النجاة من حالة طوارئ تمتد لعدة أيام، فيجب أن يكون حجم البطارية مناسباً لاستمرار المهمة بأكملها، أو يجب ترقية المولد نفسه ليكون أكثر موثوقية. وتعد هذه الأبحاث بمثابة تحذير ضد افتراض أن كمية إضافية من الطاقة يمكن أن تحل مشكلة كبيرة. إنها تظهر أنه في عالم طاقة الطوارئ عالي المخاطر، يجب أن يتناسب حجم الاحتياطي مع طول الأزمة، وبالنسبة للأزمات الطويلة، فإن الأمان الحقيقي الوحيد يكمن في موثوقية المحرك نفسه.