أساليب التحسين المبتكرة، التي تجعل من الممكن "تخفيف" التقلبات في إنتاج الطاقة المتجددة عن طريق تحويل الحمل في الشبكة حسب الاستهلاك. يتم تخزين الطاقة المذكورة خلال ساعات الاستهلاك المنخفض، وعند الحاجة يتم "حقن" الطاقة الكهربائية في الشبكة
إن استبدال مصادر الطاقة الملوثة بالطاقة الخضراء والمتجددة التي تأتي من الرياح والشمس والبحر وما إلى ذلك يمثل تحديًا عالميًا تشارك فيه الحكومات والمنظمات والعلماء والمهندسون. الطموح: تطوير حلول مستدامة لاستهلاك الطاقة المتزايد باستمرار.
إذا ما هي المشكلة؟ إذا كان هذا التغيير ضروريًا وضروريًا، فلماذا لا يتقدم بشكل أسرع؟ وهل هذه الأمور فقط في التشريع والتنظيم؟
الجواب، بحسب طالبة الماجستير نوع زرغاري من التخنيون، هو سلبي. ويشرح زرغري، الذي يبحث في الموضوع تحت إشراف البروفيسور يواش ليبرون من كلية فيتربي للهندسة الكهربائية وهندسة الكمبيوتر. "ليس هناك شك في أن التشريعات والتنظيمات ضرورية لدعم التغييرات الكبيرة في عمليات إنتاج الكهرباء، ولكن بصرف النظر عن ذلك، هناك أيضًا تحديات تكنولوجية معقدة للغاية في دمج المصادر المتجددة في شبكة الكهرباء. إحدى مشاكل مصادر الطاقة المتجددة هي عدم استقرارها - الإشعاع الشمسي، على سبيل المثال، يتغير خلال النهار ويعود ليلا. بل إن التغيرات في الرياح أقل قابلية للتنبؤ بها في معظم الأماكن. إذا كانت الطاقة في إنتاج الطاقة التقليدية التي تعتمد على حرق الوقود الأحفوري مثل النفط يتم إنتاجها من مصدر متحكم فيه، فإن المصادر المتجددة تتميز بطبيعة متقلبة والطاقة التي تزودها بالشبكة ليست ثابتة ولا يمكن التنبؤ بها على نطاق محدود. حد. كل هذا يؤثر على مبدأ مركزي في إمدادات الكهرباء: التوازن بين الإنتاج والاستهلاك".
ويعني الرصيد المذكور أعلاه أن إنتاج الكهرباء يجب أن يتناسب مع الاستهلاك في أي لحظة. وبالتالي، إذا كان الاستهلاك التقريبي معروفًا في أي لحظة معينة، فإن محطات الطاقة التقليدية تضبط نفسها بحيث توفر نفس الطاقة الكهربائية المطلوبة. المصادر المتجددة لا تخضع لمثل هذه السيطرة الدقيقة. علاوة على ذلك، وبما أنها لا توفر حاليًا سوى جزء من الطلب في شبكات الكهرباء، فمن الضروري دمجها في هذه الشبكات جنبًا إلى جنب مع مصادر الطاقة التقليدية.
مثل هذا الإعداد الهجين، الذي يجمع بين نوعي المصادر، قد يواجه مشكلتين عندما لا يتم تحقيق التوازن بين الإنتاج والاستهلاك: الأولى، عندما يكون الاستهلاك مرتفعا للغاية بحيث لا يمكن الاعتماد على المصادر المتجددة فقط، وتفعيل هائل وفوري لمصادر الطاقة المتجددة. مطلوب مولدات تقليدية. والآخر، عندما يكون الاستهلاك أقل بكثير من الطاقة المجمعة لمصادر الطاقة، فإن هناك خطر الإنتاج الزائد، فالطاقة الكهربائية الزائدة مع مرور الوقت ستضر بجميع مكونات التشغيل والنقل والبنية التحتية.
وتؤدي التفاعلات بين نوعي مصادر الطاقة إلى ظهور منحنى الإنتاج المعروف باسم "منحنى البط" نظراً لشكله**. يصف هذا المنحنى التغيرات في استهلاك الطاقة خلال اليوم. على سبيل المثال، يكون استهلاك الكهرباء المنزلي منخفضًا نسبيًا في فترة ما بعد الظهر ولكنه يرتفع بشكل حاد في المساء. وعندما تتلخص الاستجابة لهذا التغيير في زيادة الإنتاج التقليدي، فإنه ينشأ حمل ثقيل على محطة الطاقة التقليدية، ويصاحب هذا الحمل تكاليف غير طبيعية وزيادة في انبعاث الملوثات. وهذا هو أحد العقبات الرئيسية في تنفيذ مصادر الطاقة المتجددة.
ومن الحلول البسيطة لحالة الطاقة الزائدة من المصادر المتجددة والتي كما ذكرنا تهدد سلامة شبكة الكهرباء هو قطع الموردوهو ما يعني التخفيض المتعمد للطاقة من المصادر المتجددة. ومن الواضح أن هذا الحل غير مرغوب فيه، لأنه يقلل من حصة الطاقة المتجددة في إجمالي الطاقة المنتجة ويترك استخدام مصادر الطاقة الملوثة دون تغيير.
فما نحن فاعلون؟ الحل الذي يبدو بسيطًا هو تخزين الطاقة المتجددة الزائدة خارج ساعات الذروة لاستخدامها خلال ساعات الذروة. ومع ذلك، فإن تخزين الطاقة على نطاق واسع ليس بالأمر السهل سواء من الناحية الاقتصادية أو البيئية.
هذا هو المكان الذي تظهر فيه الأساليب المبتكرة للتحسين، والتي تجعل من الممكن "تخفيف" التقلبات في إنتاج الطاقة المتجددة عن طريق تحويل الحمل في الشبكة وفقًا للاستهلاك. يتم تخزين الطاقة المذكورة خلال ساعات الاستهلاك المنخفض، وعند الحاجة يتم "حقن" الطاقة الكهربائية في الشبكة.
إحدى أدوات التحسين المعروفة والفعالة هي البرمجة الديناميكية. عيبه هو الصعوبة الحسابية التي ينطوي عليها تطبيقه في الأنظمة متعددة المتغيرات. قام باحثو التخنيون بتطوير طريقة تحكم مثالية تعتمد على البرمجة الديناميكية، والتي تم تصميمها خصيصًا لتحقيق الأداء الجيد، عند النظر في حد معدل الإنتاج. الفكرة الرئيسية في الخوارزمية المطورة هي الحد من عدد العمليات الحسابية من خلال "عملية الغربلة" المستمرة، والتي تحد من عدد قيم الطاقة ذات الصلة بالمسح. يتم الاستفادة من هذه القيم المختارة من خلال البرمجة الديناميكية القياسية، ويضمن أن يكون الحل الناتج هو الأمثل، إذا كان موجودًا.
وفي الدراسة الحالية تم اختيار الشبكة الإسرائيلية لتوضيح هذه الفكرة. وبحسب زرغري، "قمنا بتقييم منحنى الإنتاج لعام 2030 بناءً على أهداف وزارة الطاقة: إنتاج 17% من الطاقة بالاعتماد على المصادر المتجددة وزيادة سنوية بنسبة 2.7% في استهلاك الطاقة. يعتمد تقييم احتياطيات الطاقة على الاحتياطيات الموجودة في إسرائيل والاحتياطيات المخطط بناؤها لدعم تكامل المصادر المتجددة. وتظهر عمليات المحاكاة أن استخدام احتياطيات الطاقة سيزيد من مرونة وسائل الإنتاج التقليدية، مما سيجعل من الممكن دمج نطاق أوسع من الطاقة المتجددة في الشبكة.
في الرسم البياني: منحنى البط في 31 مارس في سنوات مختلفة. من الممكن رؤية التقلبات على مستوى الساعة (انخفاض الاستهلاك عند الظهر وزيادة حادة في المساء) والحد الأقصى لهذا التقلب على مر السنين - في عام 2020، يمكن ملاحظة أن انخفاض الاستهلاك عند الظهر أدى إلى إلى خطر الإفراط في الإنتاج، في حين أن زيادة الاستهلاك في المساء تستلزم زيادة إنتاج الكهرباء بالطريقة التقليدية.
البحث أعلاه أجرته نوا زرغري، خريجة كلية الهندسة الكهربائية، كجزء من أطروحتها. تم إجراء البحث بالتعاون مع بعض أعضاء مجموعة البحث بتوجيه من البروفيسور يواش ليبرون، وتم نشره في المجلة العلمية IEEE Transactions on Control Systems Technology (TCST).
