التقنيات الثورية في قطاع الكهرباء وتأثيرها

إنفورماتيك ديجيتال » الموارد » التقنيات الثورية في قطاع الكهرباء وتأثيرها

يشهد قطاع الكهرباء والطاقة ثورةً صامتةً تُغيّر كل شيء: كيفية توليدها، وكيفية نقلها، وكيفية استهلاكها في المنازل والشركات والمدن. ويسير التحول الأخضر ، وإزالة الكربون، والرقمنة جنباً إلى جنب، مما يُجبر شركات المرافق، ومشغلي الشبكات، والهيئات الحكومية، وشركات التكنولوجيا على توحيد جهودها إذا أرادت ألا تتخلف عن الركب.

في الوقت نفسه، تُعيد التقنيات الثورية والناشئة صياغة قواعد اللعبة : الذكاء الاصطناعي، وإنترنت الأشياء، وتقنية سلسلة الكتل (البلوك تشين)، والمواد الجديدة ، والواقع الممتد، والأمن السيبراني المتقدم، والشبكات الذكية، وحلول التخزين المتطورة، والهيدروجين، وحتى نماذج السوق الجديدة مثل تداول الطاقة بين الأفراد. كل هذا يؤثر بشكل مباشر على قطاع الكهرباء، والاتصالات، والبنية التحتية الحيوية لأي بلد.

ماذا نعني بالتقنيات الثورية والابتكار في قطاع الكهرباء؟

عندما نتحدث عن التقنيات الثورية في مجال الطاقة، فإننا لا نشير إلى مجرد تقدم تدريجي، بل إلى ابتكار ثوري يكسر النموذج السائد ويخلق أسواقًا أو عمليات أو أساليب تشغيل جديدة. يتوافق هذا النهج مع مفهوم "الابتكار الثوري" الذي صاغه كلايتون إم. كريستنسن، والذي يصف حلولًا تقتحم سوقًا قائمة وتُحدث تحولًا جذريًا فيها.

غالباً ما تفتح هذه الأنواع من الابتكارات آفاقاً جديدة في السوق لم تكن موجودة سابقاً أو كانت تعاني من نقص في الخدمات، مما يتيح تقديم منتجات أو خدمات تلبي احتياجات المستخدمين الحالية بشكل أفضل. وفي قطاع الطاقة، يترجم هذا إلى نماذج أعمال جديدة، وآليات جديدة للعلاقة بين المستهلك وشبكة الكهرباء، وخدمات رقمية تعتمد على البيانات والأتمتة المتقدمة.

علاوة على ذلك، تميل التقنيات الثورية إلى خفض التكاليف وتسهيل الوصول إلى خدمات الطاقة. يدخل لاعبون جدد إلى السوق بعروض أكثر مرونة وتنافسية، مما يضغط على المشغلين التقليديين ويجبرهم على إعادة ابتكار أنفسهم. وفي كثير من الحالات، يصبح ما كان يُعتبر منتجًا متميزًا أمرًا شائعًا.

لا يقتصر الأمر على إدخال أدوات أو أجهزة براقة فحسب، بل يشمل التغيير الجذري أيضاً تغيير العمليات ونماذج التشغيل وكيفية اتخاذ القرارات . فالرقمنة والأتمتة وتحليل البيانات في الوقت الفعلي تُتيح إدارة شبكات أكثر تعقيداً ولا مركزية، مع ملايين الموارد الموزعة المتصلة بالنظام.

اعتمادًا على نطاقها، يمكننا الحديث عن الابتكارات الثورية التي تعمل على تحسين أو تقليل تكلفة النماذج المعروفة (الاضطراب منخفض المستوى) ، وغيرها التي تخلق أسواقًا جديدة تمامًا، مثل تبادل الطاقة من نظير إلى نظير أو أنظمة إدارة الشبكات الذكية المتقدمة.

التحول البيئي، والرقمنة، والضغط على نظام الكهرباء

تتعرض أنظمة الكهرباء والاتصالات لضغوط مزدوجة: من جهة، الحاجة إلى دمج كميات متزايدة من الطاقة المتجددة ، ومن جهة أخرى، الزيادة الهائلة في الطلب على الاتصال والخدمات الرقمية والأتمتة. كل هذا يحدث في ظل أهداف طموحة لخفض الانبعاثات الكربونية وتزايد وعي الجمهور بأهمية أمن الإمداد.

تشير البيانات الحديثة إلى أن أكثر من خُمس الشركات الإسبانية المتوسطة والكبيرة تستخدم الذكاء الاصطناعي في عملياتها ، مقارنةً بما يزيد قليلاً عن عُشرها في العام السابق. ورغم أن هذه النسبة لا تمثل أغلبية بعد، إلا أن الاتجاه واضح للغاية: فالشركات تُسرّع من تبني التقنيات المتقدمة لتحسين عملياتها، وخفض التكاليف، وتعزيز قدرتها على الصمود. ويُعدّ الاستخدام المتزايد للذكاء الاصطناعي جزءًا أساسيًا من هذا التحول.

في قطاعي الكهرباء والاتصالات، أصبحت هذه التقنيات أدوات أساسية لإدارة الأصول الموزعة، ودمج مصادر الطاقة المتجددة المتغيرة، وتحسين الكفاءة التقنية والاقتصادية للشبكات، وتحقيق أهداف المناخ. إن من يفشل في رقمنة شبكاته يُخاطر بالعمل دون رؤية واضحة.

لا يقتصر هذا التطور الديناميكي على ضرورة الاستثمار في الأجهزة والبرامج فحسب، بل يفرض أيضاً إعادة النظر في النماذج التنظيمية والملامح المهنية والتعاون بين الشركات . لم تعد شركات المرافق تتنافس فيما بينها فحسب، بل تتنافس أيضاً مع شركات التكنولوجيا الجديدة التي تقدم حلولاً مرنة تعتمد على البيانات وتستند إلى نماذج الابتكار المفتوح.

التقنيات الرئيسية التي تُحدث تحولاً في نظام الكهرباء

تستند موجة التحول التكنولوجي في قطاعي الطاقة والاتصالات إلى مجموعة من التقنيات المترابطة. وفيما يلي تفصيل لأهم هذه التقنيات، بالإضافة إلى كيفية تأثيرها على المشهد التكنولوجي.

معدات جديدة، ومواد متطورة، وإلكترونيات الطاقة

يتطلب تحديث النظام الكهربائي معدات ومواد جديدة ذات قدرات محسّنة في العزل والتوصيل والتحويل والتخزين. وتتيح إلكترونيات الطاقة المتطورة إدارة أكثر دقة لتدفق الطاقة، وتقليل الفاقد، والدمج الآمن لأنظمة الطاقة المتجددة الكبيرة.

تُتيح هذه التطورات، على سبيل المثال، محولات أكثر كفاءة وصغرًا ، ومحولات ذكية، وأنظمة نقل التيار المتردد المرنة (مثل المعوضات الثابتة)، وحلول تخزين واسعة النطاق تُعزز مرونة الشبكة. وفي نظام مُشبع بتوليد الطاقة الموزعة، لم تعد هذه العناصر اختيارية.

الأتمتة الذكية: الذكاء الاصطناعي، والتحليلات المتقدمة، والبيانات الاصطناعية

يُتيح التحول الرقمي للشبكات والمحطات الفرعية والأصول إمكانية استخدام نماذج تشغيل تعتمد على البيانات . فالذكاء الاصطناعي والتعلم الآلي والتحليلات المتقدمة تُمكن من توقع الأعطال، وتقدير عمر المكونات، وتحسين الصيانة.

بفضل النماذج والتقنيات التنبؤية، مثل البيانات الاصطناعية، يُمكن محاكاة العديد من السيناريوهات دون الحاجة إلى اختبارات ميدانية ، مما يُقلل المخاطر ويُسرّع نشر الحلول الجديدة. وينعكس ذلك على عمليات أكثر كفاءة، مع تقليل الاضطرابات وتحسين جودة الإمداد.

تؤثر الأتمتة الذكية أيضاً على تخطيط الشبكات، وإدارة الازدحام، وتكامل الموارد الموزعة، وتنسيق عمليات التوليد والتخزين والطلب في الوقت الفعلي . ما كان يتطلب سابقاً أياماً من الحسابات اليدوية، أصبح الآن يُدار بشكل فوري تقريباً باستخدام خوارزميات متطورة.

شبكات اتصال متطورة وشبكات اتصالات حيوية

تعتمد عمليات شبكة الطاقة الحديثة على بنية تحتية قوية للاتصالات ذات زمن استجابة منخفض . وتتيح الشبكات السلكية للألياف الضوئية، والتقنيات المتنقلة مثل الجيل الخامس، والاتصالات المصممة خصيصًا لقطاع الطاقة، نقل البيانات من ملايين أجهزة الاستشعار والأجهزة الميدانية في الوقت الفعلي تقريبًا.

تُعدّ هذه الاتصالات أساسية لمراقبة الأصول الموزعة والتحكم بها ، وتمكين خدمات الشبكة الذكية، ودمج المركبات الكهربائية ، وإدارة مجتمعات الطاقة. فبدون قنوات اتصال موثوقة، لا يمكن للذكاء الموزع والأتمتة المتقدمة أن تعمل.

التقنيات الغامرة، والروبوتات، والتشغيل عن بعد

تُغيّر تقنيات الواقع الافتراضي والواقع المعزز والواقع الممتد وبيئات الميتافيرس، إلى جانب الروبوتات واستخدام الطائرات المسيّرة، طريقة تصميم وتشغيل وصيانة البنية التحتية للطاقة . إذ يُمكن للفني تلقّي تعليمات مُدمجة على المعدات التي يفحصها أو القيام بجولة افتراضية في محطة من خلال نموذج رقمي مُطابق دون الحاجة إلى زيارة الموقع فعلياً.

تُمكّن الروبوتات والطائرات المسيّرة من إجراء عمليات تفتيش في المناطق التي يصعب الوصول إليها أو المناطق التي تُشكّل خطراً على الأفراد ، مثل خطوط نقل الطاقة ذات الجهد العالي، وتوربينات الرياح، أو المحطات الفرعية النائية. وهذا يُقلّل من أوقات التدخل، ويُحسّن السلامة، ويُسهّل اتخاذ القرارات من خلال البيانات المرئية وبيانات أجهزة الاستشعار في الوقت الفعلي.

المنصات الرقمية، وWeb3، والحوسبة الطرفية، والبيانات الضخمة، وتقنية البلوك تشين، والحوسبة الكمومية

يتطلب التزايد الهائل في البيانات الناتجة عن الشبكات والأصول المتصلة منصات رقمية قادرة على معالجة كميات هائلة من المعلومات . وتوفر البيانات الضخمة والحوسبة السحابية القدرة اللازمة لتحليل التدفقات الهائلة من البيانات التاريخية واللحظية.

تُقرّب الحوسبة الطرفية المعالجة من حافة الشبكة، مما يقلل زمن الاستجابة ويخفف الضغط على الحوسبة السحابية، وهو أمر بالغ الأهمية لتطبيقات الحماية والتحكم الحساسة. في الوقت نفسه، تفتح تقنيتا Web3 وBlockchain الباب أمام أسواق الطاقة اللامركزية، وإمكانية تتبع ضمانات المنشأ، والعقود الذكية بين الأفراد.

الأمن السيبراني في تكنولوجيا المعلومات والتشغيل

يؤدي تقارب أنظمة تكنولوجيا المعلومات (IT) وتكنولوجيا التشغيل (OT) إلى زيادة مساحة الهجوم. لذا، تُعدّ حلول الأمن السيبراني المتقدمة ركيزة أساسية في قطاعي الكهرباء والاتصالات. ولا يقتصر الأمر على حماية البيانات فحسب، بل يشمل ضمان استمرارية الخدمة في البنية التحتية الحيوية.

يتعين على مشغلي الشبكات تطبيق بنى أمنية مصممة خصيصًا للبيئات الصناعية، ومراقبة الأنظمة باستمرار، وتقسيم الشبكات، وتطبيق سياسات انعدام الثقة . ويمكن أن يكون للهجوم على محطة فرعية أو مركز تحكم أو مشغل اتصالات تأثير مباشر على الحياة اليومية لملايين الأشخاص.

مشاريع المراقبة وإنترنت الأشياء والتحول الرقمي المتقدم

يُتيح الانتشار الواسع لأجهزة الاستشعار وأجهزة إنترنت الأشياء والأجهزة القابلة للارتداء الصناعية مراقبة حالة الأصول والبنية التحتية في الوقت الفعلي . فمن المحولات وخطوط الجهد المتوسط ​​إلى مزارع الرياح ومنشآت الطاقة الشمسية، يُمكن تجهيز أي عنصر تقريبًا بأجهزة قياس.

تُدمج هذه البيانات في منصات المراقبة والتحليل التي تُسهّل الإدارة عن بُعد، والكشف المبكر عن الأعطال، والصيانة المُحسّنة . علاوة على ذلك، تُساهم المعلومات المتعلقة ببيئة التشغيل في تحسين سلامة كلٍ من المنشآت والعاملين فيها.

ومن الأمثلة التوضيحية على ذلك المشاريع التي تجمع بين إنترنت الأشياء والذكاء الاصطناعي والتحليلات المتقدمة لمراقبة الأصول في الوقت الفعلي ودعم التحول في قطاع الطاقة . تعمل هذه الحلول على تحسين استخدام الموارد، والتنبؤ بالحوادث، وتحسين جودة الخدمة واستمراريتها، مع دمج الرقمنة بشكل كامل في عمليات الشبكة.

البنى التحتية الحيوية والمجتمع المتنامي بشكل متسارع

تُعدّ الكهرباء والمياه والنقل والاتصالات والرعاية الصحية والصناعة النووية جميعها جزءًا مما يُعرف بالبنى التحتية الحيوية لأي بلد . وهي أنظمة مادية أو افتراضية لا يمكن للمجتمع والاقتصاد والخدمات الأساسية أن تعمل بشكل طبيعي بدونها.

يوجد في إسبانيا إطار تنظيمي محدد لحماية البنية التحتية الحيوية، يحدد القطاعات الاستراتيجية والتزامات المشغلين والهيئات الحكومية . وتشمل هذه القطاعات المياه والطاقة وتكنولوجيا المعلومات والاتصالات والنقل والصحة والصناعة النووية والصناعات الكيميائية.

أي اضطراب كبير، سواء كان ناجماً عن أحداث طبيعية (مثل زلزال كبير يُلحق أضراراً بشبكات الكهرباء) أو عن أفعال بشرية (مثل الهجمات الإرهابية أو الهجمات الإلكترونية على محطات الطاقة أو المطارات)، يمكن أن يُؤدي إلى آثار متسلسلة ذات تأثير كبير على السكان والاقتصاد. ومن هنا تبرز أهمية تعزيز كفاءة هذه الأنظمة وقدرتها على الصمود.

نعيش أيضاً في "مجتمع متسارع" يتميز بالتطور التكنولوجي السريع . وقد سمح قانون مور وغيره من الظواهر المماثلة بتطور تقنيات مثل الذكاء الاصطناعي وإنترنت الأشياء وشبكات الجيل الخامس والتنقل الذاتي بسرعة فائقة، مما أدى إلى تغيير موازين القوى ونماذج الأعمال في فترة زمنية قصيرة جداً.

تُظهر الأمثلة التاريخية للتقادم المتسارع، كالتحصينات العسكرية التي أصبحت بالية قبل حتى افتتاحها، أو الشركات الرائدة التي تفوقت عليها الابتكارات الرقمية (كوداك، نوكيا، بلوكباستر، بلاك بيري)، مخاطر التفكير الخطي فقط في عالم يشهد تغيرات مفاجئة . وفي البنية التحتية الحيوية، قد يكون سوء فهم هذه الظاهرة إشكاليًا للغاية.

من الكفاءة إلى المرونة: استراتيجيات جديدة لتصميم الشبكات

في هذا السياق المتسارع، لا يكفي إنشاء شبكات عالية الكفاءة؛ بل من الضروري إيجاد توازن بين الكفاءة والمرونة . بعض أنواع الشبكات عالية الكفاءة، مثل ما يُسمى بالشبكات "غير المقياسية"، قد تكون هشة للغاية عند مواجهة اضطرابات تستهدف عقدها الأكثر أهمية.

في الأنظمة الكهربائية وشبكات النقل والاتصالات والرعاية الصحية، من الضروري تبني مناهج تصميم أكثر توزيعًا ومتانة قادرة على تحمل الأعطال الجزئية دون انهيار. وتُحسّن البنى الموزعة والمتكررة ذات المسارات البديلة المتعددة من مرونة الأنظمة بشكل ملحوظ.

يتطلب هذا تطبيق تفكير غير خطي ومنهجي ، مع مراعاة الترابطات والتأثيرات المتتالية والديناميكيات المعقدة. وبدلاً من تصميم حل واحد مغلق، يصبح من المنطقي بشكل متزايد العمل على "مساحات حلول" تسمح بالتكيف مع أنواع مختلفة من التهديدات والسيناريوهات المستقبلية.

في الهندسة، يُترجم هذا النهج إلى الانتقال من المنتجات الجامدة إلى بنى تحتية قادرة على العمل بأنماط متعددة ، مع مرونة في الاستجابة للأحداث الطارئة، سواءً كانت مادية أو رقمية. لا يهدف هذا النهج إلى القضاء التام على عدم اليقين (وهو أمر مستحيل)، بل إلى زيادة قدرة النظام على استيعاب الصدمات دون الانهيار.

تفاقمت نقاط الضعف والتهديدات بسبب التقنيات الثورية

إن التقنيات نفسها التي توفر إمكانيات جديدة قد تزيد من نقاط الضعف إذا استُخدمت لأغراض خبيثة . فالجريمة المنظمة، وانتشار أسلحة الدمار الشامل، والهجمات الإلكترونية، والتهديدات في البحار أو الجو أو الفضاء الخارجي، فضلاً عن الظواهر الطبيعية المتطرفة، كلها تستغل التقنيات المتقدمة لزيادة تأثيرها.

يؤدي تزايد ترابط البنية التحتية الحيوية، مدفوعاً بالتحول الرقمي، إلى إنشاء أنظمة معقدة ذات نقاط ضعف محتملة أكثر . ويمكن لمشكلة في عقدة رئيسية واحدة أن تنتشر بسرعة إلى قطاعات أخرى، كما هو الحال في حوادث الأمن السيبراني أو أعطال منصات التكنولوجيا الكبيرة.

لذا تبرز الحاجة إلى تصميم استراتيجيات شاملة للتخفيف والحماية تتضمن الوقاية والاستجابة والتعافي. ويشمل ذلك كل شيء بدءًا من التدابير التقنية والتنظيمية وصولًا إلى الأطر التنظيمية وآليات التعاون بين القطاعين العام والخاص.

استراتيجيات الحماية: التوليد الموزع والتصميم من أجل المرونة

من أبرز التوجهات الاستراتيجية الالتزام بنماذج توليد وإدارة الطاقة الموزعة . فبدلاً من النموذج التقليدي لمحطات الطاقة المركزية الكبيرة، يتزايد الاهتمام بشبكات محطات الطاقة المتجددة الصغيرة المنتشرة في أنحاء المنطقة، والشبكات المصغرة، والاستهلاك الذاتي المحلي.

يتميز هذا الهيكل الموزع بقدرة أكبر على الصمود في وجه الأعطال والكوارث والهجمات المعزولة ، نظرًا لاعتماده الأقل على عدد قليل من العقد العملاقة. علاوة على ذلك، فهو يُسهّل دمج موارد الطاقة المتجددة بالقرب من نقاط الاستهلاك، مما يقلل الفاقد ويزيد من مشاركة المواطنين والشركات في عملية التحول الطاقي.

تتمثل إحدى الاستراتيجيات الرئيسية الأخرى في دمج "هندسة الأنظمة المعقدة" منذ مرحلة التصميم ، مع مراعاة ليس فقط المشروع الأولي، بل أيضاً النطاق الكامل للتكوينات المستقبلية المحتملة. وهذا يسمح للبنى التحتية بالتكيف مع المؤثرات الخارجية غير المتوقعة.

كلما زادت مرونة النظام (على سبيل المثال، من خلال الأتمتة، أو التخزين، أو موارد الطلب المرنة، أو التوليد الموزع)، زادت قدرته على الصمود في وجه الحوادث الخطيرة . لا يتعلق الأمر هنا بتوسيع نطاق النظام بشكل مفرط وغير منضبط، بل يتعلق بإدخال درجات حرية استراتيجية في النقاط الحرجة.

أمثلة على تقنيات الطاقة الثورية الأقل شهرة

إلى جانب مصادر الطاقة المتجددة التقليدية (الرياح، والخلايا الكهروضوئية القياسية، والطاقة الكهرومائية أو الكتلة الحيوية)، هناك مجموعة من التقنيات الناشئة الواعدة للغاية التي يمكن أن تكمل وتعزز مزيج الطاقة في المستقبل.

ألواح كهروضوئية معكوسة تعتمد على الإشعاع الحراري

تستخدم ما يُسمى بـ"الألواح الكهروضوئية العكسية" خلايا الإشعاع الحراري التي تستغل الأشعة تحت الحمراء المنبعثة من الأجسام الساخنة لتوجيهها نحو الأجسام الباردة. في هذه الحالة، يكون الجسم الساخن هو سطح الأرض، والجسم البارد هو الفضاء الخارجي.

تستطيع هذه الأجهزة توليد الكهرباء حتى في الليل أو في ظروف انخفاض الإشعاع الشمسي ، وذلك بفضل قدرتها على التقاط الطاقة التي تشعها الأرض عائدةً إلى الفضاء. وتشير النماذج الأولية الحالية إلى أنها قد تحقق ما يصل إلى نصف إنتاج الألواح الكهروضوئية التقليدية خلال النهار.

حتى الآن، كانت تستخدم بشكل رئيسي لاستعادة الحرارة المهدرة في المحركات الحرارية والمنشآت الصناعية ، لكن فكرة توسيع نطاق تطبيقها ليشمل توليد الطاقة المتجددة بشكل مستمر تفتح مجالًا بحثيًا جذابًا للغاية.

الطاقة الحرارية للمحيطات أو طاقة التدرج الحراري للمحيطات

تستغل تقنية تحويل الطاقة الحرارية للمحيطات (OTEC) فرق درجات الحرارة بين سطح مياه المحيط وطبقاته العميقة لتوليد الكهرباء. وفي بعض المناطق الاستوائية، يكون هذا الفرق في درجات الحرارة مرتفعًا ومستقرًا بما يكفي لتشغيل محطات توليد طاقة مخصصة.

توجد تكوينات دورة مفتوحة ، حيث تقوم مياه البحر نفسها بتشغيل التوربين (مع إنتاج طاقة يصل إلى عشرات الميغاواط)، وتكوينات دورة مغلقة، حيث يتم استخدام سوائل التشغيل مثل الأمونيا لنقل الحرارة (مع إنتاج طاقة أعلى محتمل).

لقد تم اختبار هذه الأنواع من المنشآت بالفعل في دول مثل اليابان وجزر المحيط الهادئ وأجزاء من جنوب شرق آسيا، على الرغم من أن نشرها محدود بمتطلبات التدرج الحراري . ومع ذلك، فهي تمثل خيارًا مثيرًا للاهتمام لتوليد الطاقة المتجددة الأساسية في المناطق المناسبة.

محطات الطاقة النووية من الجيل الرابع

يشمل ما يُسمى بالجيل الرابع من المفاعلات النووية العديد من التصاميم المتقدمة التي تهدف إلى تحسين السلامة والكفاءة والاستدامة بشكل جذري مقارنةً بمحطات الطاقة الحالية. وتشمل هذه التصاميم مفاعلات درجات الحرارة العالية جدًا (VHTRs)، ومفاعلات الملح المنصهر (MSRs)، ومفاعلات التبريد فوق الحرج (SCWRs)، ومفاعلات الغاز السريع، أو مفاعلات الصوديوم، أو مفاعلات الرصاص (GFRs، SFRs، LFRs).

باستثناء مفاعل VHTR، تسمح معظم هذه التصاميم بدورات وقود مغلقة ، حيث يمكن استخدام النفايات النووية من محطات أخرى كمادة خام، مما يقلل من كمية النفايات على المدى الطويل.

من خلال استخراج طاقة تصل إلى مئات المرات من نفس حجم اليورانيوم الذي يستخرجه المفاعل التقليدي، تُعتبر هذه التقنيات بمثابة مكمل احتياطي محتمل للطاقة المتجددة ، خاصة في الوقت الذي لا يكون فيه الاندماج النووي مجديًا تجاريًا بعد.

تخليق الهيدروجين باستخدام ثاني أكسيد الكربون المحتجز

تركز تقنيات احتجاز الكربون وتخزينه على احتجاز ثاني أكسيد الكربون من العمليات الصناعية ومحطات توليد الطاقة، ومنع انبعاثه في الغلاف الجوي . ويمكن أن يقلل الاحتجاز الانبعاثات بنسبة تتراوح بين 10% و55%، مع تخزين الغاز في تكوينات جوفية لاستخدامه في المستقبل.

مع ذلك، لا يُشترط اعتبار ثاني أكسيد الكربون المُحتجز "نفايات" لإدارته. إذ يزداد الاهتمام باستخدامه كعامل مساعد في عمليات إنتاج الوقود أو ناقلات الطاقة ، وخاصة الهيدروجين. وتُجرى حاليًا أبحاث لاستكشاف إمكانية تصنيع الهيدروجين باستخدام ثاني أكسيد الكربون وتوليد الكهرباء في هذه العملية.

سيسمح هذا بإنتاج هيدروجين أنظف بكثير ببصمة كربونية أقل ، مع تقليل الحاجة إلى التخزين الجيولوجي طويل الأمد لثاني أكسيد الكربون. ونظرًا لأن الهيدروجين مُرشّح ليصبح ناقلًا رئيسيًا للطاقة، فإن هذه التقنيات تتمتع بإمكانيات هائلة.

معوضات ثابتة لتوفير "القصور الذاتي الكهربائي"

تعتمد الشبكات الكهربائية على قصور المولدات التزامنية التقليدية لتخفيف الاختلالات بين الإنتاج والطلب. وتساهم العديد من مصادر الطاقة المتجددة، مثل طاقة الرياح والطاقة الشمسية الكهروضوئية المتصلة عبر إلكترونيات الطاقة، بقصور ضئيل للغاية، مما يجعل تردد النظام أكثر تقلباً.

تُعدّ المعوضات الثابتة، وهي جزء من أنظمة نقل التيار المتردد المرنة (FACTS)، أجهزة إلكترونية للطاقة تُنظّم القدرة التفاعلية وتُحاكي القصور الذاتي في الشبكات ذات التوليد المتزامن المنخفض. وعند اقترانها بمصادر الطاقة المتجددة، فإنها تزيد من مساهمتها في دعم التردد.

تُستخدم هذه التقنيات حاليًا بشكل أساسي في الشبكات الصغيرة والتطبيقات المحلية، ولكن يجري العمل على توسيع نطاق استخدامها ليشمل الشبكات الوطنية أو الإقليمية . ومن شأن نشرها على نطاق واسع أن يقلل الحاجة إلى صيانة محطات الطاقة الحرارية كعامل "موازنة" لاستقرار الشبكة.

ابتكارات متطورة في مجال الطاقة المتجددة وتخزين الطاقة

تستمر الطاقة المتجددة في التطور. فإلى جانب الألواح الشمسية التقليدية وتوربينات الرياح، تعمل التكوينات والمواد الجديدة على دفع حدود الكفاءة والمرونة ، في حين أن تقنيات التخزين أصبحت أكثر تنوعاً ونضجاً.

الطاقة الشمسية البيروفسكيتية

أصبحت الخلايا الكهروضوئية المصنوعة من البيروفسكايت من أبرز التقنيات في مجال أبحاث الطاقة الشمسية بفضل كفاءتها العالية وتكلفتها المنخفضة . ويمكن تصنيعها باستخدام عمليات أبسط من خلايا السيليكون، وبأشكال خفيفة الوزن ومرنة.

تُجري العديد من الشركات أبحاثًا حول الهياكل المزدوجة التي تجمع بين البيروفسكايت والسيليكون للتغلب على قيود الكفاءة التي تعاني منها كل تقنية على حدة. ومع حل مشكلات الاستقرار والإنتاج على نطاق واسع، يُتوقع ازدياد اعتماد السوق لهذه التقنية.

بطاريات التدفق الأكسدة والاختزال

تخزن بطاريات تدفق الأكسدة والاختزال الطاقة في محاليل إلكتروليتية سائلة موجودة في خزانات خارجية ، مما يسمح بتحديد حجم سعة الطاقة وقدرتها بشكل مستقل. وهي مفيدة بشكل خاص لتخزين الطاقة الثابتة على المدى الطويل.

من خلال القدرة على تغيير حجم الخزانات دون تغيير قوة الأكوام الكهروكيميائية، فإنها تسهل إدارة الفائض المتجدد لساعات أو حتى أيام ، مما يؤدي إلى تخفيف ذروة الإنتاج وتغطية فترات انخفاض الإنتاج.

توربينات الرياح العائمة

تتيح توربينات الرياح العائمة إمكانية إنشاء مزارع الرياح في المياه العميقة حيث لا يكون إنشاء هياكل ثابتة أمراً ممكناً . في هذه المناطق البحرية، تكون الرياح عادةً أقوى وأكثر استقراراً، مما يزيد من معامل التحميل لتوربينات الرياح.

يُضاعف هذا الحل إمكانات استغلال طاقة الرياح البحرية على مستوى العالم، ويفتح آفاقاً جديدة أمام الدول ذات الجروف القارية الضيقة . ويكمن التحدي في خفض التكاليف وتوحيد التصاميم لتسريع عمليات النشر واسعة النطاق.

الطاقة الحرارية الأرضية المعززة

تهدف أنظمة الطاقة الحرارية الأرضية المحسّنة إلى تسخير الحرارة من التكوينات الصخرية العميقة حتى في المناطق التي لا توجد بها طبقات مياه جوفية طبيعية قابلة للاستخدام. ومن خلال تقنيات التحفيز وتدوير السوائل، يمكن استخراج الحرارة من مناطق كانت غير قابلة للاستخدام سابقًا.

وهذا يسمح بتوسيع نطاق الطاقة الحرارية الأرضية إلى ما وراء المواقع "المميزة" الكلاسيكية، مما يزيد بشكل كبير من الإمكانات العالمية لهذا المصدر المتجدد الثابت ، القادر على توفير توليد الطاقة الأساسية مع بصمة بيئية منخفضة.

الألواح الشمسية العائمة

تُركّب الألواح الشمسية العائمة على أسطح المياه مثل الخزانات وبرك الري والبحيرات الاصطناعية . وإلى جانب توليد الكهرباء، فإنها تساعد على تقليل التبخر ويمكنها تحسين الأداء بشكل طفيف من خلال التبريد الطبيعي.

تُعدّ هذه التقنيات ذات أهمية خاصة في المناطق ذات الأراضي المحدودة وفي حالات الجفاف، إذ تسمح باستخدام المسطحات المائية الموجودة دون استهلاك الأراضي الزراعية أو الطبيعية . ويتزايد استخدامها كعنصر مكمّل لأنواع أخرى من توليد الطاقة الموزعة.

الهيدروجين الأخضر واحتجاز ثاني أكسيد الكربون: عوامل مساعدة على إزالة الكربون

يُعد الهيدروجين المنتج عن طريق التحليل الكهربائي للماء باستخدام الكهرباء المتجددة، والمعروف باسم الهيدروجين الأخضر، بمثابة ناقل رئيسي لإزالة الكربون من القطاعات التي يصعب تزويدها بالكهرباء بشكل مباشر، مثل الصناعات الثقيلة وبعض وسائل النقل والاستخدامات الحرارية.

لا يُنتج استخدامه انبعاثات مباشرة لثاني أكسيد الكربون، ويمكن تخزينه ونقله كوقود ، ما يجعله حلقة وصل بين قطاعات الطاقة المختلفة. كما أن الجمع بين الهيدروجين الأخضر وتقنيات احتجاز ثاني أكسيد الكربون يُتيح معالجة الانبعاثات المتبقية وخلق سلاسل قيمة جديدة كلياً.

وفي الوقت نفسه، يظل احتجاز الكربون وتخزينه، إلى جانب استخدامه في المنتجات والوقود الاصطناعي ، عنصراً مهماً في تحقيق أهداف المناخ، لا سيما في الصناعات التحويلية ذات الانبعاثات التي لا يمكن تجنبها.

نماذج السوق المبتكرة: تداول الطاقة بين الأفراد والمستهلكين المنتجين

لقد أتاحت الرقمنة وتقنية البلوك تشين والعدادات الذكية والذكاء الاصطناعي إمكانية اقتراح نماذج تداول الطاقة من نظير إلى نظير ، حيث يصبح المستهلكون أنفسهم منتجين وعناصر فاعلة في النظام.

في هذه المخططات، يمكن للأفراد أو الشركات التي تمتلك مصادر توليد الطاقة المتجددة الخاصة بها بيع أو مشاركة أو تبادل الطاقة الفائضة مع مستخدمين آخرين ، إما بشكل مباشر أو من خلال منصات رقمية تعمل على أتمتة المعاملات باستخدام العقود الذكية.

الهدف هو الانتقال نحو نموذج طاقة أكثر لامركزية ومحلية ومرونة ومتجددة بنسبة 100٪ ، حيث يتم إنتاج الطاقة واستهلاكها في أقرب مكان ممكن، مما يقلل الخسائر ويمنح المستخدمين النهائيين المزيد من القدرة على اتخاذ القرار.

تسعى المشاريع القائمة على تقنية البلوك تشين والمنصات المفتوحة إلى إنشاء أسواق كهرباء شفافة حيث يمكن للمستخدمين اختيار من يتفاعلون معه ، أو تفويض قراراتهم إلى وكلاء رقميين يعتمدون على الذكاء الاصطناعي لتحسين التكاليف والتفضيلات دون الحاجة إلى وسطاء تقليديين.

أمثلة على الابتكار الثوري المطبق على الشبكات الذكية

أصبحت شبكات توزيع الكهرباء منصات رقمية معقدة تتكامل فيها الأجهزة والبيانات والخدمات . ولإدارتها، تظهر أنظمة تشغيل خاصة بالشبكات الذكية، قادرة على تخطيطها وتشغيلها وصيانتها بطريقة متكاملة.

يتم نشر هذه المنصات عادةً في السحابة، مع قدرات تحليلية متقدمة، وخوارزميات حساب تدفق الأحمال، ونماذج تنبؤية، ووحدات ذكاء اصطناعي لتحديد الحالات الشاذة، وتحديد أولويات الإجراءات، وتقديم خدمات ذات قيمة مضافة للعملاء والمجمعين.

ويرتبط بهذه الحلول أيضًا إجراء تجارب على المختبرات الحية أو مختبرات الطاقة الحية ، حيث تعمل المجتمعات بأكملها كبيئات اختبار لنماذج الاستقلال المحلي للطاقة، والاستهلاك الذاتي الجماعي، وتخزين الطاقة المجتمعي، والتحكم الذكي في الأحمال.

في هذه البيئات، من الشائع رؤية منازل مزودة بألواح شمسية وبطاريات وشواحن سيارات كهربائية وأجهزة أتمتة منزلية، وكلها منسقة بواسطة أنظمة ذكية تعمل على تحسين استخدام الطاقة وفقًا للأسعار وتفضيلات الراحة وإشارات الشبكة.

الابتكار والبيانات ودور النظم البيئية التكنولوجية

تُدرك شركات الكهرباء والطاقة الرائدة في هذا التغيير أن الابتكار عملية مستمرة تتمحور حول البيانات والبرمجيات ونماذج الأعمال ، وليس مجرد تركيب معدات جديدة. وتُصبح الإدارة الشاملة لبيانات الشبكة والعملاء جوهر استراتيجيتها.

في هذا السياق، يكتسب دور من يربطون الأنظمة التقنية باحتياجات الأعمال الحقيقية أهمية بالغة ، إذ يقومون بتحديد التقنيات القابلة للتطبيق، ودعم المشاريع التجريبية، وتيسير توسيع نطاقها لتشمل الشبكة بأكملها. وقد أصبح الابتكار المفتوح والتعاون مع الشركات الناشئة ومراكز الأبحاث وغيرها من القطاعات هو القاعدة السائدة.

يرتكز العديد من مشغلي شبكات الطاقة على ثلاثة محاور رئيسية: الشبكات الذكية وأنظمة التوزيع المتقدمة، والطاقة الذكية التي تركز على المستخدم، ومحطات الطاقة الرقمية، وذلك لتعظيم أداء أصول توليد الطاقة المتجددة. والهدف واضح: شبكات أكثر كفاءة، وأكثر رقمية، وأكثر توجهاً نحو المنتجين والمستهلكين.

إنّ الجمع بين علم البيانات، والبيانات الضخمة، والذكاء الاصطناعي، والبرمجيات المتخصصة، يُتيح حلّ مشكلات الشبكات التي كانت تُعالج سابقاً بالبنية التحتية المادية الجديدة فقط . أما الآن، فقد يتطلب الحلّ خوارزمية مُدرّبة تدريباً جيداً بقدر ما يتطلب محوّلاً جديداً.

التحدي المتمثل في التكيف مع بيئة الطاقة والرقمية المتغيرة باستمرار

تُعدّ العجلة والمصباح الكهربائي والهاتف المحمول أمثلة كلاسيكية على التقنيات الثورية التي غيّرت طريقة عيش الناس وعملهم . وفي قطاع الكهرباء والطاقة الحالي، نشهد موجة من التحولات ذات حجم مماثل، وإن كانت أكثر انتشارًا على مدى فترة زمنية أطول وفي مجالات شديدة التنوع.

تحتاج الشركات التي ترغب في الحفاظ على مكانتها في السوق إلى أقسام بحث وتطوير وفرق ابتكار قادرة على استشراف التوجهات ، وتطوير منتجات جديدة، وتحسين المنتجات الحالية لتلبية الاحتياجات غير الملباة. لا يكفي مجرد إدارة الأعمال بالطريقة المعتادة؛ بل يجب أن تكون الشركات مستعدة للقفزة النوعية التالية.

يكمن مستقبل قطاع الكهرباء في شبكات أكثر رقمنة ولا مركزية ومرونة، تعتمد على البيانات ، حيث سيكون التعاون بين الجهات المعنية من القطاعين العام والخاص أساسياً. وتُعدّ تقنيات مثل الذكاء الاصطناعي، وإنترنت الأشياء، وتقنية سلسلة الكتل، والمواد الجديدة، وحلول الأمن السيبراني المتقدمة، من أهمّ عناصر هذا التحوّل.

إن أولئك الذين يستطيعون دمج هذه التقنيات الثورية بذكاء في العمليات اليومية، مع مراعاة الكفاءة والمرونة وحماية البنية التحتية الحيوية، لن يساهموا فقط في نظام طاقة أكثر استدامة ، بل سيكونون أيضاً في وضع أفضل في سوق يشهد تحولاً عميقاً.