يُعد قطاع الطاقة الكهربائية من أسرع قطاعات الطاقة نمواً. ويرجع ذلك بشكل أساسي إلى اقتصاديات الدول الأسرع نمواً كالصين والهند، وذلك بسبب زيادة استهلاك الكهرباء في الصناعة، ونمو الطبقة المتوسطة فيها. إضافة إلى ذلك، هناك تحديات أخرى مرتبطة بأنماط إدارة أنظمة الطاقة الكهربائية الحالية ومدى استدامتها على المديين المتوسط والبعيد، التي تشكَّلت مع بداية القرن الحالي. فقد أسهم تغير أنماط الاستهلاك للطاقة الكهربائية في الدول المتقدمة في تعاظم الاستهلاك في أوقات الذروة، الأمر الذي يطرح تحدياً في كيفية استجابة محطات التوليد له. وهناك تحدٍّ آخر يتعلق بتقادم أعمار الشبكات في الدول المتقدمة. والحاجة إلى ترقيتها بما يتماشى مع ما توفره الثورة الرقمية من فوائد في مجالات أنظمة الاتصالات والقياس، والبرمجيات الذكية، تمثل تحدياً تقنياً قادماً.

الشبكات الكهربائية السليمة ذات مواصفات يمكن إجمالها في أربع نقاط: الأولى هي المرونة أو قدرة الشبكة على الاستجابة للطلب المتزايد على الطاقة الكهربائية عندما تكون هناك تغيرات وتحديات متعلقة بالمستقبل. والثانية تتمثل في قدرة الشبكة على الربط الكهربائي بين جميع المستهلكين والمنتجين. والثالثة هي الموثوقية، أي أن تكون الطاقة الكهربائية مستمرة وغير متقطعة، وذات جودة وقدرة على التكيف مع الأحداث غير المتوقعة. وأخيراً، أن يكون تشغيل هذه الشبكة اقتصادياً.

والسؤال الذي يبرز هنا، هل تستطيع الشبكات الكهربائية القائمة على مجابهة تحديات القرن الحالي والبقاء في وضع سليم؟ الجواب إنه من الصعب على الشبكة القائمة الاستجابة لهذه التحديات. فأنظمة التحكم والقياس والبرمجيات في الشبكات القائمة لن تستطيع مثلاً استيعاب مصادر توليد متغيرة لا يمكن التنبؤ بحجم توليدها، كمصادر الطاقة المتجددة، أو حتى استيعابها دون مصادر تخزين كهربائية؟ وثمة تساؤل آخر، كيف يمكن لها التعامل مع أنماط استهلاك الطاقة الكهربائية المستجدة كشحن السيارات الكهربائية دون إعمال أنظمة قادرة على التنبؤ ووضع حلول للاستهلاك المتزامن؟ فكيف يمكن ترقية الشبكات الكهربائية القائمة لكي تستطيع التغلب على تحديات القرن الواحد والعشرين؟

مفاهيم الشبكة الذكية
• ثنائية الاتجاه في كلٍ من الاتصال وتدفق الطاقة:
إن نظاماً تتدفق فيه الطاقة الكهربائية في كلا الاتجاهين وفي الوقت نفسه، هو المفهوم الأهم والأكثر تقدماً. ويترتب على هذا المفهوم عدد من الخصائص أهمها: الطلب المتفاعل، وقابلية التشغيل البيني، والمستهلك المنتج.

الطلب المتفاعل
يُعد الطلب المتفاعل من خصائص الشبكة الكهربائية الذكية. إذ من خلالها، يستطيع المستهلك أن يضبط استهلاكه تفاعلياً مع السعر الديناميكي، الذي يتغير كل ساعة، عن طريقين: إما أن يكبح استهلاكه طوعاً عن طريق آلية محددة سلفاً، أو عن طريق منح الشبكة الكهربائية الذكية الإجازة على التحكم في هامش محدد من الاستهلاك، كما في الأجهزة المنزلية الذكية. فقد كانت الطريقة التقليدية للاستجابة لذروة الطلب هي في زيادة الإنتاج. أما الآن، فعن طريق الشبكة الكهربائية الذكية، تستطيع البرمجيات التنبؤ بالطلب وقت الذروة، عن طريق تفاعل المستهلك مع السعر وكذلك فهم سلوكياته. لذلك يعتقد بأن الطريقة الأكثر فاعلية في المستقبل لتقليل الأحمال سوف تكون عن طريق تغير سلوك الفرد.

قابلية التشغيل البيني
تفتح الشبكة الكهربائية الذكية آفاقاً أرحب لتبادل المعلومات والسيطرة البينية. وذلك ضمن أطر متفق عليها بين مجموعة من مشغلي الشبكات الكهربائية المرتبطين ببعضهم. فالاستجابة لحدث ما كزيادة في الأحمال في شبكة أخرى مرتبطة، يمكن اكتشافها ومعالجتها آنياً عن طريق نظام الرصد لشبكة الاتصال الممتدة. كذلك تستطيع البرمجيات الذكية أن تجد حلولاً أكثر فاعلية للاستجابة، بما يجنب إقفال الشبكة الجزئي أو الكامل.

المستهلك المنتج
بسب قدرة الشبكة على تبادل الطاقة الكهربائية والمعلومات في كلا الاتجاهين، أصبح المستهلك الذي يملك مصدر توليد للطاقة قادراً على بيع الجزء الفائض على عموم الشبكة. وهذا ما يمكن تسميته «المستهلك المنتج». وهو على الأغلب، يملك ألواحاً شمسية وبطارية لخزن الطاقة الكهربائية. وبغض النظر عن دافع «المستهلك المنتج»، يمثل بيع الطاقة الكهربائية وقت الذروة فرصة له لتحقيق عائد أفضل على استثماره.

• الأتمتة والبرمجيات الذكية:
الأتمتة موجودة، أساساً، في الشبكة القائمة تحت نظام التحكم وجمع البيانات. وتعتمد الشبكة الذكية الأتمتة على نطاق أوسع وأكثر فاعلية، خصوصاً في مجال التوزيع، ومن خلال ذلك تستطيع الشبكة القيام بالمعالجة الذاتية والتعظيم الذاتي.

المعالجة الذاتية
تُعد القدرة على الاستجابة لاضطرابات الشبكة ومعالجتها ذاتياً تطوراً جوهرياً في عمل الشبكة. إذ تعتمد الشبكة القائمة على الاستجابة للمتغيرات عن طريق التحكم في حجم التوليد أو إقفال بعض الأحمال الكبيرة. فما يميز عمل الشبكة الكهربائية الذكية هو قدرتها على التنبؤ بالمخاطر، وإيجاد أكثر الحلول مناسبة وتنفيذها الفوري. ويتم ذلك على مستويات عدة، من التحكم بالمولدات الكهربائية إلى الأجهزة المنزلية الذكية، عن طريق تحرك ممنهج، وإشارات كابحة للاستهلاك، مما يجنب الشبكة الإقفال المتقطع أو الإقفال التام.

التعظيم العشوائي الذاتي
إن القدرة على تشغيل الشبكة اقتصادياً عن طريق التحكم في تشغيل المولدات وتقليل خسارة الطاقة الكهربائية آنياً، هي منفذة في الشبكات القائمة. ويذكر أن الشبكة الكهربائية الذكية تتبنى هذا المبدأ، ولكنها تأخذ التعظيم على أساس ما سيحدث في الفترات المقبلة. إن التنبؤ بما سيحدث لاحقاً على صعيد العلاقة بين التسعير الديناميكي وسلوك المستهلكين بإيجاد النماذج التي تحاكي الواقع يساعد على تعظيم التشغيل اقتصادياً.

توجه أكبر نحو توازن قوى العرض والطلب
تتيح نوعية المعلومات وحجمها المتوافرة في نظام الشبكة الكهربائية الذكية إمكانية التسعير الآني الديناميكي. ويتم احتساب السعر بالطريقة التقليدية، حيث يتحمل المستهلكون في وقت الذروة تبعات استخدامهم لسعة توليد أكبر. من جانب آخر، تظهر هذه الميزة في أن التسعير ديناميكي وآني. وتتكامل هذه الميزة مع الطلب المتفاعل لتشغيل أكفأ اقتصادياً وأجدى للاستثمارات في مجال سعة التوليد.

ومن هذا يظهر أن الهدف الرئيس للتسعير الديناميكي هو إزاحة الأحمال عن وقت الذروة مع الحفاظ على إجمالي الاستهلاك، ويتم ذلك عن طريق استخدام سعر أكبر وقت الذروة وأسعار أقل في الحالات الاعتيادية، مع محفزات مالية لضمان استجابة المستهلك. فنظام المحفزات والمكافآت المالية ذو أهمية كبيرة في تغيير السلوك، إذ يلاحظ أن انخفاض الأسعار وحده ذو فاعلية متفاوتة وليست كبيرة. وتستطيع البرمجيات الذكية تحديد حزمة المحفزات والأسعار لكل مستهلك على حدة. كما أن بعض التقديرات المستقبلية ترجِّح أن تكون فائدة التسعير الديناميكي أكبر عند تطبيق التعظيم العشوائي الذاتي على الأجهزة المنزلية الذكية والسيارات الكهربائية، على وجه الخصوص.

العوامل المساعدة للترقية
للشبكة الكهربائية الذكية

بالإضافة إلى السبب الجوهري للترقية إلى الشبكة الكهربائية الذكية القادرة على مواجهة تحديات القرن الواحد والعشرين، هناك عوامل مساعدة تسهم في نزوع المشغلين والمنتفعين إلى تبنيها. من بينها عوامل بنيوية كالتقدم التكنولوجي في مجالات الاتصال، والأتمتة، والبرمجيات، والتخزين الكهربائي، والحاجة إلى ترقية الشبكات المتقادمة، وإضافة الشبكات الصغيرة إلى الشبكة الكبيرة، لتشمل عوامل تتعلق برغبة المنتفعين فيما يتعلق بتحرير أسعار الطاقة، والرغبة في إدخال مصادر الطاقة المتجددة للشبكة باقتصاداتها الواعدة، وكهربة قطاع النقل.

• التقدم التقني في مجالات الاتصال، والأتمتة، والبرمجيات:
إن التقدم التقني في الشبكة الكهربائية الذكية لا يعد مساراً تقنياً واحداً، بل هو حزمة من التقنيات في مجالات مختلفة كثيرة تعمل معاً لتبلور مفهوم الشبكة الكهربائية الذكية. ولهذا السبب، يبذل عدد كبير من المهندسين جهداً حثيثاً لتضمين أحدث الابتكارات في مجالات الاتصال، والأتمتة، والبرمجيات الذكية، لتكاملها في الشبكة الكهربائية الذكية. فالأهمية الحقيقية لهذه الابتكارات تكمن في القيمة المضافة عند استخدامها معاً. والقدرات التخزينية للبيانات الكبيرة وسرعة معالجتها الآني، والانخفاض السريع لأسعار الحساسات والمرحلات وتحسن كفاءة أدائهما، والتطور في مجالات الاتصالات اللاسلكية، والتطور الحاصل في مجال البرمجيات الذكية القادرة على التكيف ومحاكاة الواقع، كلها عوامل ستؤدي إلى جعل ترقية الشبكة الكهربائية الذكية ذات جدوى اقتصادية.

• التقدم التقني في مجال تخزين الطاقة الكهربائية:
إن تقنية تخزين الطاقة الكهربائية ذات السعات الكبيرة لا تزال في مرحلة أولية، ولا توجد تقنية في مجال التخزين يتركز عليها البحث التقني حالياً، ولكن ثمة حرص على استخدام التخزين أكثر فأكثر. وهذا ما ستكون له ثلاث فوائد: خزن الطاقة لاستخدامها وقت الذروة، وزيادة موثوقية الشبكة باستخدامها وقت الاضطراب في الشبكة، واستخدامها كذلك في تعزيز كفاءة الطاقة الكهربائية المقدمة من حيث المحافظة على فرق الجهد القياسي والتردد ثابتين، كما أن التخزين عنصر مكمل لمصادر الطاقة المتجددة المتغيرة الإنتاج بين الأوقات المختلفة وكذلك عندما يصعب بالتنبؤ بقدراتها التوليدية.

إن الاستثمار الأفضل لتخزين الطاقة الكهربائية لن يتم إلا عن طريق تقنية الشبكة الكهربائية الذكية، فيما توفره من ثنائية الاتجاه في كل من الاتصال وتدفق الطاقة بالإضافة إلى البرمجيات الذكية. أيضاً، ما يمكن أن يقدِّمه التخزين من تعزيز كفاءة وموثوقية الطاقة الكهربائية لن يتم بصورة مجدية إلا إذا تحقق الاتصال السريع والموثوق.

وهناك دور آخر ممكن أن تلعبه الشبكة الكهربائية الذكية في مجال تخزين الطاقة الكهربائية ذات السعات المتوسطة والصغيرة، وغالباً ما يكون من «المستهلك المنتج». إذ إن قدرتها على التنبؤ بمقدار حجم التخزين الآني وكذلك التحكم الذاتي، وفق ضوابط متفق عليها، يعزِّز فوائد التخزين المشار إليها.

• الحاجة إلى ترقية الشبكات المتقادمة:
إن عمر معظم الشبكات الكهربائية في كثير من الدول، وخصوصاً المتقدِّمة، على وشك الانتهاء. وكذلك، فإن الاستثمار في تجديد عمر الشبكة أمر محتم. ولن يكون من الأجدى اقتصادياً، بعد الآن، ترقية الشبكات المتقادمة إلى معدات ليست متوافقة مع الشبكة الكهربائية الذكية.

• انتشار الشبكات الكهربائية الصغيرة:
عندما يكون إنشاء محطة توليد خاصة كبيرة نسبياً على ما يستهلكه صاحبها، يستطيع هذا المستهلك أن يستقل أو أن يربطها بالشبكة العامة. ويستطيع أيضاً عندها بيع الفائض من التوليد للشبكة العامة، أو شراء الطاقة الكهربائية في حال حدوث عطل في محطة التوليد أو أثناء صيانتها. إن ثنائية الاتجاه في الاتصال وتدفق الطاقة تعزز إمكانية وجود «المستهلك المنتج»، أيضاً.

• هيكلة قطاع الكهرباء وتحرير سعر الطاقة:
لتعزيز كفاءة تشغيل الشبكات الكهربائية، لجأ المنتفعون وصانعو القرار في كثير من الدول، خلال العقدين الماضيين، إلى سن تشريعات هدفت إلى فض التكامل العمودي في شركات تشغيل الطاقة الكهربائية بفصل القطاعات الرئيسة عن بعضها: التوليد، ونقل الجهد العالي، والتوزيع. وهذا ما فتح أبواب المنافسة في مجالي التوليد والتوزيع لتطوير أدائهما. واستكملت بعض هذه الدول تشريعاتها في تحرير سعر الطاقة. ونتيجة لذلك، وجد أصحاب القرار في هذه الدول أن ترقية الشبكة هو خيار استراتيجي، وأن الحاجة هي إلى نظام حديث يعتمد مفاهيم الشبكة الكهربائية الذكية.

• إضافة مصادر الطاقة المتجدِّدة للشبكة:
إن إضافة مصادر مثل الطاقة الشمسية وطاقة الرياح إلى الشبكة عامل مساعد لتسريع الترقية إلى الشبكة الكهربائية الذكية، ومن دون الشبكة الكهربائية الذكية، لن يكون هناك اختراق كبير لهذه المصادر في الشبكة الكهربائية. ويبدو أن السبب في أهميتها يرجع إلى تغير كمية إنتاج هذه المصادر من الطاقة الكهربائية على مدى اليوم وكذلك على مدى السنة. فالبرمجيات الذكية ستكون قادرة على الحد من التأثير السلبي للتغير والعشوائية. وتُعد رغبة البعض في التحول إلى «المستهلك المنتج» بتبني توليد الطاقة الكهربائية من الطاقة الشمسية وطاقة الرياح من العوامل المساعدة لتبني الشبكة الكهربائية الذكية.

• كهربة قطاع النقل:
تتوقع منظمة الطاقة الدولية أن تبلغ نسبة استهلاك السيارات الكهربائية والمهجنة من الطاقة الكهربائية %10 من مجمل الطلب عليها. وعليه، فإن سلوك مالكي هذه السيارات سوف يؤثر على منحنى الطلب اليومي للطاقة الكهربائية، كأن تلجأ مجموعة كبيرة للشحن في وقت واحد حيث تتكون من خلالها ذروة طلب خاصة بالسيارات الكهربائية.

عناصر الشبكة الكهربائية الذكية
يمكن تقسيم عناصر الشبكة الكهربائية الذكية إلى: أجهزة القياس وأنظمة إدارة المعلومات، والبرمجيات الذكية.

أجهزة القياس وأنظمة إدارة المعلومات:
تنقسم أجهزة القياس وأنظمة إدارة المعلومات إلى قسمين: قسم يعنى بخطوط الضغط العالي كوحدات قياس الطور ونظام الرصد لشبكة الاتصال الممتدة، وقسم يعنى بالمستهلك والتوزيع كالحساسات الذكية، والأجهزة المنزلية الذكية وغير ذلك.

وحدات قياس الطور
ويعد جهاز «قياس الطور» من أهم الأجهزة المتطورة في منظومة الشبكة الكهربائية الذكية. وهو نظام مطور لجهاز قياس فرق الجهد في الشبكة التقليدية مع بعض الفروقات الجوهرية. فبينما يقاس فقط فرق الجهد في الشبكة التقليدية، يقيس الجهاز المطور منحنى الطور، أيضاً. هذا التطور الملاحظ جاء لقدرة الجهاز المطور على إجراء قياسات بنسبة تصل إلى 60 قراءة في الثانية، بينما الجهاز التقليدي لا تتعدى هذه القدرة 4 قراءات بالثانية. كذلك يرتبط هذا الجهاز بالأقمار الصناعية لتحقيق القياس المتزامن بين مجموعة من أجهزة قياس الطور المتصلة تحت بنية نظام الرصد لشبكة الاتصال الممتدة.

نظام الرصد لشبكة الاتصال الممتدة
يُعرف نظام الرصد لشبكة الاتصال الممتدة بأنه بنية إدارة وتحليل المعلومات المتزامنة القادمة من أجهزة قياس الطور الموجودة في أماكن مختلفة من الشبكة والمتصلة عبر الأقمار الصناعية. ويعمل كنظام إنذار مبكر عند وجود اضطراب في الشبكة قد يؤدي إلى القفل التام لها. إن سرعة استكشاف الخطر التي يوفرها نظام الرصد لشبكة الاتصال الممتدة يؤدي إلى اتخاد قرارات سريعة غير مرتبكة لمعالجة اضطراب الشبكة.

الأجهزة المنزلية الذكية
وسوف يكون للمستهلك الخيار لانتقاء نمط عمل الأجهزة المنزلية الذكية المرتبطة مع الشبكة الكهربائية الذكية. فمن الممكن تنميط عملها لتعمل تحت إدارة تامة من الشبكة مما يحقق تشغيلاً اقتصادياً، أو انتقاء نمط تشغيلها لتعظيم المنفعة للمستهلك وعملها بما يلائم أسلوب حياته. فلو فرضنا أن المستهلك يملك جهاز تكييف، وجهاز تسخين، وثلاجة، وغسالة ملابس، ونشافة، تستطيع الشبكة بواسطة الحساس الذكي التحكم في أوقات عملها والتحكم في جهاز منظم الحرارة المبرمج بالموازنة بين نمط حياة المستهلك والتشغيل الاقتصادي، وتجنب التشغيل المكلف في وقت الذروة.

الحساسات الذكية
وهي أجهزة لقياس كمية الكهرباء المستهلكة، وبعثها إلى بنية القياس المتقدمة بغرض تحليل المعلومات والفوترة وبعثها إلى المستهلك بغرض الإحاطة وإمكانية تعديل السلوك الاستهلاكي. كذلك من وظائفها إخطار المستهلك بالسعر الديناميكي وإيصال معلومات إلى الأجهزة المنزلية الذكية لغرض تعظيم فائدة المستهلك الاقتصادية. فهي أجهزة ثنائية الاتصال، حيث يتم الاتصال عن طريقها بالمستهلك بواسطة شبكة الإنترنت المنزلية وتصل المعلومات للمستهلك في جهاز الحاسب أو الهواتف الذكية التي يستطيع من خلالها التحكم في نمط عمل هذه الأجهزة المنزلية.

بنية القياس المتقدِّمة
وهي نظام اتصال ثنائي الاتجاه ما بين مشغل الشبكة والمستهلك، لجمع وتحليل البيانات على مستوى مجموعة من المستهلكين. يعمل هذا النظام كوسيط بين البرمجيات عند مشغل الشبكة والحساسات الذكية. كما أنه يستطيع اكتشاف انقطاع الشبكة عن المستهلك، حتى قبل قيامه بالاتصال للإبلاغ عن شكوى. أما التحدي فهو في التكلفة الباهظة لبنية القياس هذه، وكيف يستطيع التطور في التقنيات المختلفة تخفيضها.

• البرمجيات الذكية:
يمكن تعريف البرمجة الذكية على أنها الأنظمة البرمجية القادرة على التعامل مع مسائل معقَّدة، وعشوائية، ومتغيرة البيئة. ومن المسائل المعقَّدة التي يجب أن تتعامل معها البرمجيات: المعالجة الذاتية، والطلب المتفاعل والسعر الديناميكي، والتعظيم الذاتي، والتنبؤ بقدرة مصادر الطاقة الشمسية وطاقة الرياح على التوليد، والتعامل مع التنبؤ بشحن السيارة الكهربائية. ويجب على أنظمة تشمل المراقبة، والتعظيم، والتنبؤ، وصناعة القرار، والتحكم والسيطرة، أن تتكامل فيما بينها، وهذا هو التحدي الأكبر لتطويرها.

ومما سبق ذكره يمكن إجمال مجموعة من فوائد الشبكة الكهربائية الذكية المتوقعة التي ذكرت في السياق والتي تعزز خصائص الشبكة الصحية. فهناك فوائد تتعلق بكفاءة تشغيل الشبكة كزيادة الموثوقية من المعالجة الذاتية. وإمكانية إضافة مصادر لتوليد الطاقة وتعزيز خاصية المرونة وإمكانية الربط. ومما يذكر، أن المعالجة الذاتية، والتعظيم الذاتي، والتسعير الديناميكي كلها أمور تؤدي إلى تحسين الجدوى الاقتصادية للشبكة.

وفي المقابل، تواجه الترقية في الشبكة الكهربائية الذكية بعض التحديات، منها كبر حجم البيانات، وتعقُّد معالجتها. فعلى سبيل المثال، هناك تحدٍّ في تعزيز الأمان المعلوماتي والمحافظة على خصوصية المستهلكين. ومنها أيضاً، تحدي توحيد المواصفات والأمور التقنية للترقية للشبكة الكهربائية الذكية من الشبكة التقليدية المتعددة المواصفات أصلاً.

نتيجة لهذه التحديات العديدة، فإن قوى السوق لن تكون قادرة وحدها على الدفع بالترقية للشبكة الكهربائية الذكية، وحزمة من الدعم والتشريعات ستكون ضرورية. كذلك سيكون دعم الأبحاث في مجال البرمجيات الذكية وتوحيد المواصفات أمراً ضرورياً، لتسريع بلوغ الشبكة الكهربائية الذكية مرحلة الرشد.

وختاماً، فإن الشبكة الكهربائية الذكية مفهوم مرن، قابل للتطور والتأقلم، بما يتناسب وحاجات العصر، ومواجهة تحديات القرن الواحد والعشرين.