آفاق بناء وتطوير أنظمة الطاقة الجديدة

استعرض الاجتماع الثاني للجنة المركزية للتعميق الشامل للإصلاح، الذي عُقد بعد ظهر يوم 11 يوليو، واعتمد «الآراء التوجيهية بشأن تعميق إصلاح نظام الطاقة الكهربائية والتعجيل ببناء نظام طاقة جديد» وغيرها من الوثائق.

أشار الاجتماع إلى ضرورة تعميق إصلاح منظومة الطاقة والتعجيل ببناء منظومة طاقة جديدة تتسم بالنظافة والكربون المنخفض، وبالسلامة والوفرة، وبالاقتصادية والكفاءة، وبالتوازن بين العرض والطلب، وبالالمامية والمرونة الذكية، وذلك بهدف تعزيز ثورة إنتاج الطاقة واستهلاكها على نحو أفضل وضمان الأمن الوطني للطاقة. وأكد الاجتماع على ضرورة التصميم العلمي والمنطقي لمسار بناء منظومة الطاقة الجديدة، وعلى أنه، في ظل الاستبدال الآمن والموثوق للطاقة الجديدة، تُوضع خطط للتقليل التدريجي من حصة الطاقة التقليدية. كما يتعين تحسين النظم والآليات الملائمة لمنظومة الطاقة الجديدة، وتعزيز الابتكار في تكنولوجيا الطاقة، وفي آليات السوق، وفي نماذج الأعمال. ويتعين أيضاً دفع التكامل الأفضل بين الأسواق الفعّالة والحكومات الواعدة، والتحسين المستمر لنظام السياسات، والقيام بعمل متقن في توفير الخدمات العامة الأساسية المتعلقة بالكهرباء. وتهدف هذه الورقة إلى مناقشة مستقبل بناء وتطوير منظومة الطاقة الجديدة واستشرافه.

التصميم العلمي والمعقول لمسار إنشاء نظام الطاقة الجديد

في سياق الانتقال نحو طاقة نظيفة ومنخفضة الكربون، أدى الدخول الواسع النطاق للطاقة المتجددة، مثل طاقة الرياح والطاقة الكهروضوئية، إلى إحداث تحديات كبيرة أمام تشغيل نظام الطاقة والتحكم فيه. إذ إن الطابع العشوائي والمتقطع والتقلب الذي يميّز الطاقة المتجددة يجعل توازن الطاقة في تخطيط النظام وتشغيله أمراً احتمالياً، مما يقلل من موثوقية الإمداد بالطاقة إلى حدٍّ ما، كما أن نمط التشغيل التقليدي القائم على «المصدر مع الحمل» (أي تعديل الإنتاج الكهربائي وفقاً لتغيرات الحمل) سيتحول إلى نمط من التفاعل الودّي بين المصدر والحمل.

تتحكّم في خصائص استقرار نظام الطاقة بعد تعرضه لاضطرابات التفاعل المتعدّد الطرق بين النمط الكهروميكانيكي التقليدي والنمط الكهروميكانيكي–الكهرومغناطيسي المتشابك، ولذلك حظيت مشكلات تحليل استقرار النظام والتحكم فيه باهتمام واسع. وتبرز على جانب مصدر الطاقة خصائص الانertia المنخفضة ونسبة القصر الكهربائي المنخفضة، مما يؤدي إلى تراجع مستمر في قدرة الدعم الأمني والاستقراري؛ كما تزداد خصائص الحمولة الديناميكية تعقيداً، فيما يصبح الترابط بين الشبكات ذات التيار المتردد والتيار المستمر، وكذلك بين شبكات التيار المستمر المتعددة، أكثر ارتباطاً داخل الشبكة.

في السنوات الأخيرة، شهدت عدة بلدان في الخارج انقطاعات كهربائية واسعة النطاق ناجمة عن أعطال في معدات شبكات الكهرباء، ما أثار نقاشات حادة. ففي 28 سبتمبر 2016، حدث انقطاع كهربائي شامل استمر 50 ساعة في شبكة كهرباء ولاية جنوب أستراليا. كما تضرر نحو مليون شخص من الانقطاع الهائل الذي شهدته المملكة المتحدة في 9 أغسطس 2019. وفي الفترة من 15 إلى 19 فبراير 2021، وقع انقطاع كهربائي في ولاية تكساس بالولايات المتحدة، أثر على ما يصل إلى 4.5 مليون شخص. وقد دخلت شبكة كهرباء تكساس حالة طوارئ من المستوى الثالث، مع خفض أقصى للحمل بلغ 20 مليون كيلوواط، وسعر السوق اللحظي الذي تجاوز 9000 دولار أمريكي لكل ميجاواط ساعي.

يمكن ملاحظة أنه، من أجل ضمان إمداد كهربائي آمن وموثوق، لا يزال من الضروري أن تواصل الطاقة التقليدية أداء دور الدعم والتنظيم في مجال الإمداد بالطاقة لفترة طويلة. ولا يمكن تحقيق التحوّل في قطاع الطاقة بين ليلة وضحاها؛ بل يتطلب الأمر اتخاذ خطوات مدروسة ومتدرجة للحدّ تدريجياً من حصة الطاقة التقليدية.

تحسين النظام والآلية للتكيف مع نظام الطاقة الجديد

في ظل هدف «الكربون المزدوج»، ومع دخول نسبة عالية من الطاقة المتجددة المتقطعة إلى النظام الكهربائي، بات من الضروري تحسين الآلية المؤسسية للتكيف مع النظام الكهربائي الجديد. ففي التصميم التقليدي لسوق الجملة الكهربائية القائم على نظرية سعر الكهرباء اللحظي، وبسبب خصائص التكلفة الحدية شبه الصفرية للطاقة الشمسية الكهروضوئية وطاقة الرياح، ينخفض سعر تصفية السوق أو قد يصبح سالباً، مما يؤدي إلى إقصاء الطاقة الحرارية التقليدية والطاقة النووية في عمليات المناقصة التي تعتمد على التكلفة الحدية. ونتيجة لذلك، يصعب على هذه المصادر أن تستمر، ما يفضي إلى اختلال في هيكل الإمداد الكهربائي ويقلل من أمان ومرونة النظام الكهربائي. وفي الوقت نفسه، إن طابع العشوائية والتقطع والتقلب الذي يتسم بهما الإنتاج من الطاقة الشمسية الكهروضوئية وطاقة الرياح يطرح تحديات كبيرة أمام تشغيل وأنظمة التحكم في النظم الكهربائية، كما ارتفع الطلب على مرونة النظام بشكل حاد، الأمر الذي يستلزم توفير حوافز اقتصادية كافية للموارد المرنة.

في ظل هدف «الكربون المزدوج»، من الضروري للغاية تصميم آلية سوقية جديدة تعكس على نحوٍ دقيق قيمة الطاقة الكهربائية ذات الجودة المختلفة. وفي نظام الطاقة الجديد، وبصفتها الركيزة الأساسية لنموذج تشغيل «تفاعل المصدر والحمل»، حظيت التقنيات الجديدة ونماذج الأعمال مثل الأحمال المرنة والمحطة الكهربائية الافتراضية باهتمامٍ واسع.

تشمل الأحمال المرنة الأحمال القابلة للتعديل أو الأحمال القابلة للتحويل مع مرونة في الاستجابة للطلب، والمركبات الكهربائية ذات القدرة على التعديل ثنائي الاتجاه، وتخزين الطاقة، ومصادر الطاقة الموزعة، والشبكات المصغرة، وغيرها؛ كما أن سلوكها من حيث استهلاك الطاقة يمكنه الاستجابة بمرونة لإشارات الأسعار، مما يجعلها مصدراً مهماً لمرونة نظام الطاقة. وفي المدن الكبرى التي لا يكفي فيها إمداد الطاقة لتلبية نمو الطلب على الكهرباء، يمكن لتأثير خفض الذروة وتعبئة الوادي الذي تحققه الأحمال المرنة أن يلعب أيضاً دوراً رئيسياً في ضمان التشغيل الآمن لشبكة الكهرباء. ومع تقدم إصلاح سوق الطاقة، تتحقق تدريجياً الشروط اللازمة لمشاركة الأحمال المرنة والمحطات الافتراضية للطاقة في سوق العقود الفورية للطاقة وسوق الخدمات المساعدة، ويتم تشكيل نموذج الأعمال تدريجياً.

تعزيز التكامل الأفضل بين الأسواق الفعّالة والحكومات الواعدة.

يُعَدُّ اقتصاد نظام الطاقة وأمنه وجهين لجسمٍ واحد، إذ يرتكز الاقتصاد على الأمن؛ فبدون الأمن لا يمكن الحديث عن اقتصاد نظام الطاقة. ولسنوات طويلة، ظلَّ نظام الطاقة في بلادي يُؤْثِرُ السلامةَ قبل كلِّ شيء، غير أنَّ الاهتمامَ بالجانب الاقتصادي لم يكن كافيًا. وقد حافظ تشغيل شبكة الكهرباء على هامشٍ عالٍ من السلامة، مما أدى إلى ظاهرةٍ تتمثل في الإفراطِ في الاستثمار من أجل تحقيق السلامة. وتعكس عملية إصلاح سوق الطاقة الأهميةَ الكبرى التي توليها اللجنة المركزية للحزب الشيوعي الصيني ومجلس الدولة لكفاءة نظام الطاقة واقتصاديته، الأمر الذي فتح صفحةً جديدةً أمام تطوّر صناعة الطاقة في الصين، ووفَّر فرصًا غير مسبوقة.

في تصميم سوق الطاقة وتشغيله والإشراف عليه، لا يزال من الضروري، بين الحين والآخر، اعتبار سلامة نظام الطاقة شرطاً مسبقاً. وفي الروابط غير التجارية داخل سوق الطاقة، ينبغي إيلاء الاهتمام الكامل لدور أساليب التخطيط (بما في ذلك تدخل الحكومة وإدارة تخطيط شبكة الكهرباء)، بحيث يمكن الفصل بين «اليد المرئية» للتخطيط و«اليد الخفية» للسوق والتنسيق بينهما، والاستفادة المتبادلة من نقاط القوة لدى كل منهما، وإبراز المزايا الكاملة للملكية العامة لقطاع الطاقة في بلدي بوصفه العنصر الرئيسي، وللنظام الاقتصادي السوسيالي-السّوقِي.

وبشكلٍ خاص، في الحالات التي يطغى فيها عنصر الأمن، تُعَدّ الاحتكارات الطبيعية والخدمات العامة مناسبةً لإدخال الإدارة المخطَّطة؛ أما في الحالات التي يطغى فيها عنصر الاقتصاد (مع تفضيل الكفاءة)، فتُعَدّ التنظيمات السوقية هي الأنسب؛ فيما تقع بعض الروابط بين هذين النمطين، وذلك وفقاً للظروف. ويتعيّن على الأسواق الفعّالة والحكومات النشطة أن توضّح حدودها المعقولة. ولا يمكن لعمليات التبادل في السوق أن تصبح أكثر حريةً وانسيابيةً، وأن تؤدّي فعلاً دوراً حاسماً في تخصيص الموارد، إلا إذا مُنِحَت الحكومة صلاحيات إدارة الخدمات العامة وضمان أمن شبكة الكهرباء.

بناء نظام طاقة جديد مع تجميع هرمي

غالبًا ما يتعيّن تنفيذ إنتاج الكهرباء والطاقة ونقلهما واستهلاكهما عبر أنواعٍ متعددة من الشبكات، مثل شبكات الكهرباء وشبكات التدفئة وشبكات الغاز. ونظرًا لطبيعة هذه الشبكات، التي تتمثل في نقل الطاقة بأشكالٍ مختلفة، يُشار إليها مجتمعةً باسم «شبكة الطاقة». وتتكوّن شبكة الطاقة من شبكات فرعية تُعنى بأنواعٍ مختلفة من الطاقة (الكهرباء، التدفئة، الغاز، وغيرها)، ترتبط بعضها ببعض بواسطة أجهزة تحويل الطاقة (مثل المولدات والمضخات وأجهزة التكييف وسخانات المياه، وغيرها).

نتيجةً للتطور المتسارع لتكنولوجيا المعلومات والاتصالات (ICT)، يمكن، استناداً إلى الشبكة الطاقية على المستوى الفيزيائي، إنشاء شبكات معلوماتية تعتمد على الأتمتة التقليدية وتكنولوجيا الإنترنت وكذلك على تقنيات ناشئة مثل «سلسلة الذكاء في الحوسبة السحابية الجماعية»، وذلك لتنظيم ومراقبة معدات إنتاج الطاقة وتخزينها ونقلها واستخدامها. كما يؤدي التشغيل الفعلي للمعاملات ونقل القيمة في سلع الكهرباء والطاقة إلى تشكيل شبكة قيمة. وتُعَدُّ شبكة القيمة الأساسَ لنظام أسعار الكهرباء والطاقة، وهي محكومة بالقانون الفيزيائي الخاص بالشبكة الطاقية. ولذلك، ستتخذ منظومة الطاقة الجديدة ومنظومة الطاقة الكهربائية الجديدة شكلَ بنيةٍ شبكيّةٍ ثلاثيةِ الطبقاتٍ تجمع بين «الطاقة والمعلومات والقيمة»، بحيث تكون هذه الطبقات مترابطةً بشكلٍ وثيقٍ ومتشابكةٍ بعضها مع بعض.

في نظام الطاقة الجديد، ستكون الطاقة المتجددة النظيفة، مثل طاقة الرياح والطاقة الشمسية، متوفرة في كل مكان، مما يعني أن إمدادات الطاقة ستصبح منتشرةً على امتداد النظام الكهربائي بأكمله، وأن هيكل هذا النظام سيشهد تغييرات جوهرية. وقد اقترح الأكاديمي يو يي شين من جامعة تيانجين وآخرون بنيةً هرميةً لشبكة الكهرباء المجمّعة، تتمثل في «تقسيم النظام إلى مجموعات (عناقيد) ضمن هرميةٍ مع تنسيقٍ عالمي»، و«محافظة كل مجموعة (عنقود) على توازنها الذاتي للطاقة وعلى التحسين الذاتي المحلي». ولغرض تحقيق الوضوح، يُشير هذا البحث إلى النظام الكهربائي ذي هذه الخاصية الهيكلية باسم «نظام طاقة جديد ذو عناقيد هرمية»، ويواصل مناقشة مشكلات تشغيله والتحكم فيه.

يقدّم نظام الطاقة الجديد القائم على التجميع الهرمي أيضًا بنيةً شبكيّةً ثلاثيّة الطبقات تُعَبَّر عنها بعبارة «الطاقة–المعلومات–القيمة»، كما يرتبط ارتباطًا وثيقًا بأنظمة الطاقة الأخرى. ويمكن تقسيم مشكلات التخطيط والتشغيل الخاصة بنظام الطاقة الجديد ذي التجميع الهرمي إلى ثلاثة مستويات: الآلية الفيزيائية (مستوى «شبكة الطاقة»)، والتحكم التشغيلي (مستوى «شبكة المعلومات»)، والمعاملات السوقية (مستوى «شبكة القيمة»). ويُعَدّ هذا الأمر مسألةً متعددةَ التخصصات وعابرةَ القطاعات بشكلٍ نموذجي، تتطلب حلًّا من خلال البحث المشترك بين التخصصات والصناعات المتعددة.

في نظام الطاقة التقليدي، تُنشَأ غالباً مجموعات مولدات ذات سعة كبيرة في المناطق الغنية بموارد الطاقة الأولية، ثم تُنقَل إلى مراكز الأحمال باستخدام تقنيات النقل طويل المدى فائقة الجهد أو فائقة الفولتية. وفي عملية التحوّل من شبكة الكهرباء التقليدية إلى نظام الطاقة الجديد المستقبلي، وانطلاقاً من الهدف الوطني المتمثل في «الكربون المزدوج» ومن متطلبات ضمان أمن الطاقة، يجب أن يرتكز السحب التدريجي للطاقة التقليدية على إحلال طاقة جديدة بصورة آمنة وموثوقة. ومع الارتفاع التدريجي لنسبة انتشار الطاقة منخفضة الكربون والخالية من الكربون وكذلك للأحمال، سيتخذ تحوّل نظام الطاقة شكل عملية تقوم على التأسيس أولاً ثم التفكيك لاحقاً.

في سياق عملية تحول نظام الطاقة، ستعمل شركات الطاقة وغيرها من الجهات الفاعلة في السوق تدريجياً على تحسين معدل استغلال مصادر التوليد الموزعة ضمن النظام الكهربائي، ولا سيما على جانب المستهلكين وشبكة التوزيع، كما ستعمل على تطوير شبكة ذكية موزعة. وهذا يعني أن شكل ووظيفة شبكة التوزيع سيخضعان لتغييرات جوهرية، لا سيما مع الربط الواسع النطاق لمصادر التوليد الموزعة والمركبات الكهربائية وحلول تخزين الطاقة والأحمال المرنة وغيرها.

وبالأخذ في الاعتبار توليد الطاقة الكهروضوئية كمثال، يشهد إجمالي القدرة المركبة للطاقة الكهروضوئية في الصين زيادةً متسارعةً عاماً بعد عام. ومنذ عام 2016، احتلت الصين المرتبة الأولى عالمياً من حيث القدرة المركبة الجديدة والمتراكمة. ولتحقيق إمدادات طاقة مستقرة في المناطق الصحراوية الشاسعة، وكذلك في الأراضي القاحلة والمهجورة الناجمة عن الأنشطة الصناعية والتعدينية، وفي المناطق الريفية، ينبغي تطوير نموذج التنمية البيئية للطاقة الكهروضوئية، مع التركيز على التكامل بين الزراعة والطاقة الضوئية، بما يعزّز مرونتها وسهولة تنفيذها، ويقلّل إلى حدٍّ كبير من التأثير على التخطيط والتشغيل الحاليين لمرافق توليد الطاقة ونقلها وتوزيعها.