ما هي الشبكة الصغيرة؟

مع التحول المستمر في مجال الطاقة والاعتماد الواسع النطاق للطاقة المتجددة، أصبحت الشبكات الكهربائية الصغيرة مكونًا حاسمًا في أنظمة الطاقة الحديثة. فهي لا تعزز مرونة نظام الطاقة فحسب، بل توفر أيضًا فوائد اقتصادية وبيئية. تقدم هذه المقالة لمحة شاملة عن الشبكات المصغرة، وتغطي التعريفات والميزات ومبادئ التشغيل والمكونات الرئيسية واعتبارات التصميم وتوقعات السوق، مما يمنحك فهمًا واضحًا لنظام الطاقة الناشئ هذا.

ما هي الشبكة الصغيرة؟

الشبكة الكهربائية الصغيرة هي نظام طاقة صغير نموذجي يدمج بين التوليد الموزع وتخزين الطاقة والتحكم الذكي، مما يوفر وظائف توليد الطاقة وتوزيعها واستهلاكها بشكل كامل.

تُعرّف وزارة الطاقة الأمريكية (DOE) الشبكة الكهربائية الصغيرة بأنها “مجموعة من الأحمال المترابطة وموارد الطاقة الموزعة ضمن حدود كهربائية محددة بوضوح تعمل ككيان واحد يمكن التحكم فيه فيما يتعلق بالشبكة ويمكن أن تعمل إما في وضع الاتصال بالشبكة أو في وضع الجزيرة.”

يمكن أن تعمل الشبكة المصغرة بالتنسيق مع الشبكة الرئيسية أو بشكل مستقل أثناء انقطاع الشبكة.

ميزات الشبكات المصغرة

المنطقة المحلية

تخدم الشبكات الكهربائية الصغيرة عادةً مناطق محددة، مثل حرم الجامعات أو مجمعات المستشفيات أو المجمعات الصناعية أو المجتمعات المحلية أو الجزر. يتم توليد الطاقة بالقرب من نقطة الاستخدام (التوليد الموزع)، مما يقلل بشكل كبير من خسائر النقل لمسافات طويلة. ووفقًا لشنايدر إلكتريك، يتراوح إجمالي الخسائر من محطات توليد الطاقة إلى المستخدمين النهائيين في الشبكات التقليدية بين 81 تيرابايت إلى 151 تيرابايت إلى 3 تيرابايت، في حين أن الشبكات الصغيرة تقلل من خسائر الخطوط، مما يتطلب طاقة أقل لتلبية نفس الطلب.

الاستقلالية

يمكن للشبكات الكهربائية الصغيرة أن تنفصل عن الشبكة الرئيسية وتعمل بشكل مستقل في حالة تعطل الشبكة، وهو ما يُعرف باسم “وضع الجزيرة”. تخيل سقوط شجرة على خطوط الكهرباء مما يتسبب في انقطاع التيار الكهربائي على نطاق واسع، وأحيانًا يمتد إلى الحدود، وقد يستغرق الأمر ساعات أو حتى أكثر من عشر ساعات لاستعادة الخدمة. تظل المرافق المتصلة بشبكة كهربائية صغيرة تعمل، وهو أمر بالغ الأهمية بشكل خاص للمستشفيات والقواعد العسكرية وغيرها من البنى التحتية الأساسية.

الاستخبارات

تستخدم الشبكات المصغرة الذكية أجهزة الاستشعار والأتمتة وأنظمة التحكم لتحسين توليد الطاقة وتخزينها وتوزيعها، مما يحقق تأثيرًا تآزريًا (1+1>2)، ويستجيب بسرعة لتغيرات الأحمال أو انقطاع الإمدادات، ويعزز كفاءة النظام وموثوقيته.

كيف تعمل الشبكات المصغرة

تعمل الشبكات الكهربائية الصغيرة في وضعين: متصلة بالشبكة وجزرية.

الوضع المتصل بالشبكة

عندما تعمل الشبكة الرئيسية بشكل طبيعي، تتصل الشبكة المصغرة بالشبكة. ويمكنها سحب الطاقة عندما يكون التوليد المحلي غير كافٍ، وإعادة تغذية الطاقة الشمسية أو طاقة الرياح الزائدة إلى الشبكة عندما يتجاوز التوليد الطلب.

وضع الجزيرة

عند حدوث تشوهات في الشبكة الرئيسية، مثل الطقس القاسي أو الأعطال أو عدم استقرار الجهد، تنفصل الشبكة المصغرة بسرعة عن الشبكة. وعادة ما تكون هذه العملية تلقائية وغير محسوسة تقريباً للمستخدمين.

في وضع الجزيرة، تعتمد الشبكة المصغرة بالكامل على أنظمة التوليد والتخزين الخاصة بها. وتعطي أنظمة التحكم الأولوية للأحمال الحرجة، مثل غرف العمليات في المستشفيات أو معدات الاتصالات أو مراكز البيانات، مع ضبط أو الحد من الأحمال غير الأساسية لمنع التحميل الزائد على النظام.

أهمية الشبكات الكهربائية الصغيرة

تعزيز مرونة نظام الطاقة

تكمن أهم قيمة للشبكات الصغيرة في تعزيز مرونة نظام الطاقة، خاصة في المناطق النائية أو المناطق المعرضة للكوارث الطبيعية.

قبل عام 2022، كان سكان جزيرة أوكينويرابو اليابانية يعتمدون على مولدات الديزل، مما أدى إلى انبعاث غازات دفيئة كبيرة. وكثيراً ما كانت الأعاصير والكوارث الطبيعية الأخرى تتسبب في انقطاع التيار الكهربائي، وأحياناً يستغرق الأمر أياماً لاستعادة الطاقة.

دخلت كيوسيرا في شراكة مع بلدتين في جزيرة أوكينويرابو لبناء شبكة طاقة متجددة صغيرة. يستخدم المشروع الطاقة الشمسية وطاقة الرياح وتخزين البطاريات لتزويد الجزيرة بأكملها بالطاقة، مما يحقق انبعاثات كربونية تقترب من الصفر، ويقلل من الاعتماد على الديزل، ويعزز موثوقية الطاقة أثناء الكوارث.

المزايا الاقتصادية

بالإضافة إلى تعزيز المرونة، يمكن للشبكات الصغيرة أن تحقق عوائد اقتصادية. ويمكن بيع الطاقة النظيفة الزائدة إلى الشبكة الرئيسية. وفي المناطق التي تشهد فروقاً كبيرة في الأسعار من الذروة إلى خارج الذروة، يمكن للشبكات الصغيرة تخزين الطاقة بأسعار منخفضة وإطلاقها أو بيعها بأسعار مرتفعة، مما يحقق أرباحاً من خلال المراجحة.

على سبيل المثال، أفادت التقارير أن مطار بيتسبرغ الدولي وفرت $1 مليون في عامها الأول بعد نشر شبكة صغيرة تعمل بالطاقة الشمسية والغاز الطبيعي.

الفوائد البيئية

غالبًا ما تستخدم الشبكات الصغيرة مصادر الطاقة المتجددة مثل الطاقة الشمسية وطاقة الرياح، مما يقلل بشكل كبير من انبعاثات غازات الاحتباس الحراري وملوثات الهواء.

في جزيرة تاو في ساموا الأمريكية، مكّنت شبكة صغيرة من التحول الكامل للطاقة في جزيرة تاو في ساموا الأمريكية. وقد نشر المشروع أكثر من 5,000 لوحة شمسية وأنظمة تخزين الطاقة, تحويل الجزيرة من طاقة تعتمد على الديزل 100% إلى طاقة كهربائية تعمل بالطاقة الشمسية بالكامل تقريباً.

المكونات الرئيسية للشبكة المصغرة

يتكون نظام الشبكة المصغرة الكامل من مصادر الطاقة وأنظمة تخزين الطاقة والبنية التحتية للتوزيع وأنظمة التحكم ونقطة الاقتران المشترك (PCC).

مصادر الطاقة

تشتمل مصادر الطاقة على الطاقة المتجددة مثل الألواح الشمسية وتوربينات الرياح والطاقة الكهرومائية، بالإضافة إلى التوليد الموزع التقليدي مثل الديزل والغاز الحيوي.

أنظمة تخزين الطاقة

تخزن أنظمة تخزين الطاقة، مثل البطاريات أو الحذافات المتطايرة، الكهرباء الزائدة التي تولدها الشبكة المصغرة وتطلقها عند الحاجة.

البنية التحتية للتوزيع

تتيح البنية التحتية للتوزيع، بما في ذلك محولات الطاقة الإلكترونية والمحولات وخطوط النقل، التحويل بين أشكال مختلفة من الطاقة، وربط أجهزة التوليد والتخزين الموزعة بأجهزة التوليد والتخزين الموزعة بحافلات التيار المتردد أو التيار المستمر لتلبية متطلبات الأحمال المختلفة.

أنظمة التحكم

تتولى أنظمة التحكم، التي تشمل أدوات إدارة الأحمال وأجهزة القياس، مسؤولية موازنة إمدادات الكهرباء ودمج الطاقة المتجددة وإدارة التخزين والحفاظ على جودة الطاقة.

شركة PCC

إن مركز التحكم في الطاقة (PCC) هو الواجهة المادية بين الشبكة المصغرة والشبكة الرئيسية. أثناء انقطاع الشبكة، يمكن لمركز التحكم في الطاقة (PCC) عزل الشبكة المصغرة، مما يمكّنها من العمل بشكل مستقل في وضع الجزيرة.

اعتبارات تصميم الشبكة الصغيرة

توصيل الشبكة الرئيسية

عند توصيلها بالشبكة الرئيسية، يمكن للشبكة المصغرة سحب الطاقة من الشبكة لتكملة التوليد المحلي أو إعادة تغذية الشبكة بالطاقة الزائدة. يوفر هذا التصميم المرونة ويسمح بتحسين استخدام الطاقة بناءً على الطلب الفعلي.

إذا كان الهدف من الشبكة الصغيرة هو فقط توفير الطاقة الاحتياطية للمرافق الحيوية أثناء انقطاع التيار الكهربائي، فإن قدرة التوليد المطلوبة تكون أقل من قدرة التوليد المطلوبة لنظام خارج الشبكة بالكامل. يجب على المصممين تحديد نوع التوصيل المناسب وحجم النظام بناءً على الاحتياجات الفعلية.

متطلبات التحميل

عادةً ما يعتمد حجم وتكلفة التوليد والتخزين على ذروة حمل المجتمع - أي الحد الأقصى للطلب على الطاقة في أي وقت معين خلال العام.

استناداً إلى عدد الأحمال المتصلة ونوعها، تكون سعة التوليد التقريبية المطلوبة لشبكة صغيرة كما يلي:

سعة توليد الشبكة الصغيرة	الروابط المحتملة
5 كيلوواط	1 منزل
25 كيلو وات	10 منازل
250 كيلو واط	100 منزل أو 3 مبانٍ للبيع بالتجزئة
500 كيلوواط	200 منزل أو 5-6 مبانٍ للبيع بالتجزئة أو سوبر ماركت واحد أو عيادة صحية واحدة أو مدرسة صغيرة واحدة
1.5 ميجاوات	600 منزل أو 15-20 مبنى بيع بالتجزئة أو 4 محلات سوبر ماركت أو 4-5 عيادات صحية أو 2-3 مدارس أو مستشفى واحد

قواعد توليد سعة حمل الشبكة المصغرة

طرق الاتصال

ويعتمد حجم الشبكة المصغرة على عدد المباني المتصلة وأحمال الاستخدام النهائي، مما يؤثر بشكل مباشر على معدات التوزيع والكابلات المطلوبة. كما يؤثر استهلاك الطاقة في المباني أو الأحمال النهائية على نوع وحجم التوليد والتخزين. ويؤدي المزيد من نقاط التوصيل والأحمال الفردية الأعلى إلى زيادة تكلفة البناء وتعقيد النظام.

تكاليف الشبكة المصغرة

يختلف هيكل تكلفة مشاريع الشبكات المصغرة باختلاف الموقع الجغرافي والحجم والتعقيد. ومع ذلك، توفر البيانات التاريخية قواعد أساسية لتقدير الاستثمارات الأولية لكل مكون من مكونات النظام.

تمثل تكاليف شراء المعدات وتكاليف العمالة حوالي 751 تيرابايت 3 تيرابايت من إجمالي التكاليف، وهو ما يشكل الغالبية.

المكوّن	الوصف	النسبة المئوية لإجمالي التكلفة المقدرة
المعدات والتركيب	تكاليف المشتريات والعمالة	75%
إدارة الإنشاءات	تكاليف الإشراف على البناء وإدارة المشروع	15%
التصميم والهندسة	فحص النظام الكهربائي؛ والتحليل الداعم؛ والتخطيط؛ ووثائق الامتثال البيئي والتصاريح	10%
الإجمالي		100%

تطوير الشبكات متناهية الصغر وإعانات السياسات

يشهد سوق الشبكات الصغيرة توسعًا سريعًا. فوفقًا لشركة Guidehouse Insights، من المتوقع أن يصل سوق الشبكات الصغيرة العالمية إلى $55 مليار بحلول عام 2032. هذا النمو مدفوع بعوامل متعددة، بما في ذلك احتياجات أمن الطاقة، وانخفاض تكاليف الطاقة المتجددة، ودعم السياسات الحكومية.

في الولايات المتحدة، يقدم مكتب نشر الشبكات التابع لوزارة الطاقة الأمريكية ما يصل إلى $5 مليار دولار في شكل منح لتعزيز مرونة الشبكة ضد الطقس القاسي وحرائق الغابات والكوارث الطبيعية الأخرى، مما يوفر دعماً مالياً حاسماً لمشاريع الشبكات الصغيرة.

في أوروبا، ولدعم الصفقة الخضراء الأوروبية، يمول الاتحاد الأوروبي مشاريع تجريبية وإيضاحية لشبكات التيار المستمر الصغيرة ذات الجهد المنخفض في المدن، مع منح تصل إلى 7 ملايين يورو لكل مشروع، بهدف تحسين كفاءة الطاقة والمرونة في أنظمة الطاقة الحضرية.

من خلال التصميم المحلي والمستقل والذكي للشبكات الصغيرة التي توازن بين المرونة والفوائد الاقتصادية والبيئية. ومع انخفاض تكاليف الطاقة المتجددة، وتزايد الظروف المناخية القاسية، والدعم الأقوى للسياسات، سيواصل سوق الشبكات المصغرة نموه السريع. وسواء للمجتمعات المحلية أو المجمعات التجارية أو البنية التحتية الحيوية، أصبحت الشبكات المصغرة مكونات لا غنى عنها في أنظمة الطاقة الحديثة، مما يوفر دعمًا قويًا لأمن الطاقة والتنمية المستدامة.

مع الحلول الكهروضوئية + حلول التخزين, ، يمكنك بناء أنظمة شبكات صغيرة فعّالة وذكية ومستدامة وفعّالة بسرعة وتحقيق استقلالية الطاقة وتقليل التكاليف التشغيلية وتعزيز مرونة المنشأة وتأثيرها البيئي.