شبكات الكهرباء اللامركزية – مستقبل أمان الطاقة

يرى العديد من الأشخاص أن شبكات الكهرباء اللامركزية هي الخيار الأفضل لتحسين أمان الطاقة. تعمل هذه الشبكات على تعزيز البنية التحتية للشبكة التقليدية من خلال استخدام موارد الطاقة المبنية على المجتمع جنبًا إلى جنب مع محطات الطاقة المركزية. هنا كيف يسعى فريق من مهندسي معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا إلى تحسين شبكات الكهرباء اللامركزية ومساعدة المنازل على الحفاظ على الطاقة في المستقبل.

انقطاع التيار الكهربائي في زيادة

تظهر التقارير أن انقطاع التيار الكهربائي في زيادة على مستوى العالم لعدة أسباب. يُعزى نقص الصيانة إلى نظام قديم وأداء منخفض في العديد من المناطق. بالإضافة إلى ذلك ، فإن الظروف الجوية القاسية أكثر احتمالاً من الماضي ، مما يضيف إلى الضغط على البنية التحتية القديمة.

yếu tố مساهم آخر في انقطاع التيار الكهربائي الذي لا يفكر فيه العديد من الناس هو التحول إلى الطاقة المتجددة. الألواح الشمسية هي أمثلة رئيسية على الأنظمة التي توفر طاقة منخفضة التكلفة ولكنها تفتقر إلى القدرة على الإنتاج في أوقات معينة.

خلال الليل أو الفترات الطويلة من الطقس الغائم ، لا يمكن للألواح الشمسية توفير الطاقة اللازمة لدعم المجتمعات. على عكس انقطاع التيار الكهربائي التقليدي ، يمكن تحقيق الفجوات القابلة للتنبؤ في توليد الطاقة المتجددة (مثل الأيام الغائمة أو الليل للطاقة الشمسية) من خلال تنسيق أجهزة حافة الشبكة لتعديل الاستهلاك والتوزيع في الوقت الفعلي.

إحصائيات انقطاع التيار الكهربائي

كشفت دراسة أجريت في عام 2023 بواسطة مسح السكن الأمريكي عن مدى سوء الأزمة الطاقة. أظهر التقرير أن ما لا يقل عن واحد من كل أربعة منازل في الولايات المتحدة قد تعرضت لانقطاع التيار الكهربائي خلال العام الماضي. كما كشف عن أن أكثر من 70٪ من المشاركين في الاستطلاع تعرضوا لانقطاع التيار الكهربائي لمدة تزيد عن 6 ساعات.

يظهر الإحصاء أيضًا أن المجتمعات الريفية أكثر عرضة لانقطاع التيار الكهربائي لفترات طويلة. ومع ذلك ، أشار إلى أن بعض المدن مثل ديترويت تعاني من انقطاع التيار الكهربائي غير المعتاد بسبب البنية التحتية السيئة وعوامل أخرى.

مخاوف عالمية

يمكنك رؤية هذه القضية تتوسع بشكل كبير عند فحص انقطاع التيار الكهربائي على المستوى العالمي. هناك العديد من الحالات لبلدان بأكملها غُمرت بالظلام لمدة أيام وأسابيع. في أحد الحوادث ، فشلت شبكة الكهرباء القديمة في كوبا ، مما أدى إلى ترك أكثر من 10 ملايين شخص بدون كهرباء لعدة أيام.

تطور شبكات الكهرباء المحلية

عندما تفكر في شبكتك المحلية للكهرباء ، من المحتمل أن تتخيل محطة طاقة مركزية ومحولات وخطوط نقل. لا تزال هذه البنية التحتية هي الأكثر شيوعًا ، ولكنها شهدت بعض التغييرات الكبيرة بسبب تطور الإلكترونيات المنزلية.

Source – MIT

أجهزة حافة الشبكة

يُقصد بأجهزة حافة الشبكة الأجهزة التي تقع بعيدًا عن مصدر الطاقة المركزي. غالبًا ما تتمتع هذه الأجهزة بالقدرات المتقدمة ، بما في ذلك القدرة على توليد الطاقة وتخزينها وضبطها. تشمل أجهزة حافة الشبكة لوحات الطاقة الشمسية المنزلية والبطاريات وسيارات الكهرباء ومضخات الحرارة وأجهزة تسخين المياه وأجهزة إنترنت الأشياء.

موارد الطاقة الموزعة (DERs)

يزيد استخدام موارد الطاقة الموزعة من الفرص في السوق. توفر هذه الأجهزة الذكية القدرة على مراقبة وسيطرة والتواصل والتفعيل المهام. إنها هذه المرونة التي سعى فريق من مهندسي معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا إلى استخدامها في استراتيجيتهم الجديدة لتحسين مرونة الشبكة وحمايةها من الهجمات الإلكترونية وتثبيت الشبكة.

دراسة شبكات الكهرباء اللامركزية

نشرت دراسة حديثة في مجلة الأكاديمية الوطنية للعلوم ، بعنوان “مرونة شبكة الكهرباء من خلال أصول إنترنت الأشياء الموثوقة“¹ ، إطارًا جديدًا للاستفادة من أجهزة حافة الشبكة لدعم مرونة الشبكة ضد سيناريوهات مختلفة. يستخدم النظام الجديد أجهزة حافة الشبكة المنسقة لدعم الشبكة أو تعديلها.

أجهزة إنترنت الأشياء

تتمثل POINTS الأساسية في الدراسة في استخدام أجهزة إنترنت الأشياء. لكي يتم تصنيف الوحدة كجهاز إنترنت الأشياء ، يجب أن يكون لها مستشعر وقدرة على نقل البيانات إلى الإنترنت. يُلاحظ أن هناك مليارات من هذه الأجهزة الذكية الموجودة حول العالم حاليًا. لذلك ، ركز الباحثون على استخدام هذه الأجهزة ، حيث يُ预测 أن تشكل حصة كبيرة من أجهزة حافة الشبكة في غضون 5 سنوات القادمة.

سترى استراتيجية أن يُشترك أصحاب المنازل في سوق إقليمي. سيكون هذا الاشتراك يجعل أجهزتهم الذكية مؤهلة للشبكة الصغيرة. بمجرد الموافقة ، ستكون الأجهزة الموثوقة قادرة على تنسيق استهلاك وتنمية الطاقة المحدد بواسطة الخوارزمية المطورة من قبل المهندسين.

EURIEKA (كفاءة ، متانة فائقة ، أصول إنترنت الأشياء المنسقة)

تتمثل خوارزمية EURIEKA في قلب دراسة المهندسين. ت扫ن الخوارزمية الشبكة بحثًا عن أجهزة حافة المشاركة. ثم تحدد ما إذا كان يجب تعزيز شبكة الكهرباء أو تقليل استهلاك الطاقة من أجهزة إنترنت الأشياء بناءً على معايير محددة مسبقًا. ما يجعل الخوارزمية فعالة للغاية هو أنها تستند إلى كل سوق الكهرباء المحلية.

مشغل

يلعب مشغل السوق المحلية دورًا حيويًا في هذا النهج. لكل سوق مشغل مسؤول عن إدارة وتنسيق المشاركين في الشبكة والمشغلين الآخرين. هم العقدة المسؤولة عن تشغيل خوارزمية EURIEKA وضمان عملها بشكل صحيح.

تأسيس الثقة

الخطوة الأولى في هذا العملية هي تأسيس الثقة. هناك العديد من أجهزة إنترنت الأشياء ، لذلك من الضروري أن تعمل النظام فقط مع وحدات موثوقة ومعتمدة لمنع المخاطر الأمنية. يمكن للخوارزمية التحقق بشكل مستقل من أجهزة إنترنت الأشياء الموثوقة ، وتحديد أفضل مزيج لفعالية الحد من انقطاع التيار الكهربائي وتثبيت النظام.

سوق الكهرباء المحلية

جزء من هذه الاستراتيجية يخلق سوقًا محليًا للطاقة حيث يمكن للمشاركين في إنترنت الأشياء الحصول على مكافآت لجهودهم. ي跟ي النظام تلقائيًا إجراءات كل مشارك ويدفع العائدات بناءً على مساهماتهم في الطاقة. يُلاحظ أن المهندسين قد تصوروا عدة طرق يمكن للمشاركين في الشبكة الحصول على تعويضات ، بما في ذلك المدفوعات المباشرة وائتمانات الفواتير.

اختبار شبكات الكهرباء اللامركزية

يستخدم مهندسو معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا مجموعة من الأجهزة والخوارزميات لاختبار نهجهم الجديد. على وجه التحديد ، استخدم المهندسون محاكيًا ودودًا للمنفعة ، وتنفيذًا حقيقيًا في الوقت الفعلي ، ومنصة محاكاة مشتركة.

خوارزمية شبكة الكهرباء

شمل الاختبار عدة سيناريوهات تراوحت بين حالات فقدان الطاقة. شمل السيناريو فشلًا على كل مستوى من مستويات النظام. في بعض الحالات ، كان الفقدان صغيرًا ، بنسبة 5٪ فقط. في حالات أخرى ، شهدت الشبكة فشلًا كارثيًا بنسبة تصل إلى 40٪.

سيناريوهات هجوم الشبكة

اختبر الباحثون النظام ضد هجوم إلكتروني كبير. في هذا السيناريو ، تخيل الفريق هجمات على جهاز تحكم بالحرارة الذكي. ثم تم ضبط الأجهزة المخترقة لزيادة الضغط على شبكة الكهرباء إلى مستويات خطيرة. سيتسبب هذا الزيادة في الضغط في فشل شبكة الكهرباء التقليدية. ومع ذلك ، أثبتت أنظمة حافة الشبكة متانتها.

الكوارث الطبيعية

اختبر الفريق شبكتهم ضد الأعاصير. تخيلوا كارثة طبيعية كبيرة تسبب في تلف نسبة كبيرة من خطوط النقل. هذا السيناريو شائع حول العالم حيث تكون الكوارث الطبيعية أكثر تواترًا.

نتائج اختبار شبكات الكهرباء اللامركزية

أثبت اختبار الخوارزمية أن شبكات أجهزة حافة الشبكة يمكن أن تعوض عن فقدان الطاقة بسبب الهجمات المختلفة. نجحت الشبكة في استعادة استقرارها عن طريق تعديل طوبولوجيا الشبكة. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن للخوارزمية الجديدة تحديد الأجهزة الموثوقة وقدراتها تلقائيًا.

فوائد شبكات الكهرباء اللامركزية

هناك العديد من الفوائد التي تُقدمها شبكات الكهرباء اللامركزية إلى السوق. أولاً وقبل كل شيء ، توفر توليد الطاقة المخصصة التي تأخذ في الاعتبار استهلاك الطاقة لكل جهاز لتوفير الكفاءة. هذا النظام هو بديل أخضر وأكثر استدامة للوضع الراهن.

أجهزة إنترنت الأشياء موجودة في كل مكان

ميزة أخرى هي استخدام أجهزة إنترنت الأشياء. هناك مليارات من هذه الوحدات الموجودة حول العالم مع الإمكانية لمساعدة استقرار شبكات الكهرباء. تأخذ هذه الاستراتيجية في الاعتبار قدراتها وتستخدمها معًا لإنشاء شبكة كهربائية أكثر متانة ، قادرة على التعامل مع الظروف القاسية دون فشل.

تملأ الفجوات في الطاقة المتجددة

التكنولوجيات مثل طاقة الرياح والطاقة الشمسية رائعة لإنشاء الطاقة النظيفة. ومع ذلك ، هناك أوقات لا تستطيع فيها توفير الكهرباء المطلوبة لتشغيل المنازل. في هذه السيناريوهات ، يتخيل المهندسون أجهزة حافة الشبكة التي تتولى العمل الإضافي.

الربحية

إحدى الفوائد المحتملة لهذه الاستراتيجية هي سوق كهرباء محلي أكثر ديناميكية ، حيث يمكن للمشاركين الحصول على تعويضات لجهودهم. بينما يقترح باحثو معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا هذا المفهوم ، فإن الحوافز المالية المحددة ، مثل ائتمانات الفواتير أو المدفوعات ، سوف تعتمد على تنفيذ السوق والإطارات التنظيمية. سيكون من الجميل الحصول على شهر من الكهرباء المجانية لأن ثلاجتك وجهاز تحكم بالحرارة قاما بدورهما في مساعدة استقرار الشبكة في الشهر السابق.

باحثو شبكات الكهرباء اللامركزية

أجريت دراسة شبكات الكهرباء اللامركزية من قبل فريق من مهندسي معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا. يُذكر المؤلفون الرئيسيون في الورقة على أنهم Vineet Nair و John Williams. ساهم Anu Annaswamy أيضًا في البحث. يُلاحظ أن البحث تلقى تمويلًا من المعهد الهندي للتقنية ، ومختبر الطاقة المتجددة الوطني ، ووزارة الطاقة الأمريكية ومبادرة الطاقة في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا.

تُوسع هذه الدراسة على عمل الباحث الرئيسي السابق في مجال نظرية التحكم التكيفي. تركز نظرية التحكم التكيفي على إنشاء أنظمة يمكنها اكتشاف المشاكل وتحسينها تلقائيًا دون تدخل بشري. يتوافق هذا البروتوكول مع هذا البحث ويمكنه في يوم من الأيام مساعدة المنازل على الحفاظ على الطاقة طوال العام.

الشركات الرائدة في حلول الطاقة

أدى السباق لتقديم حلول الطاقة الأكثر متانة إلى السوق إلى ظهور عدة لاعبين رئيسيين. قامت هذه الشركات بتقديم ملايين الدولارات في البحث والتطوير لتحسين الإنتاج والتسليم في السوق. هنا شركة واحدة في موقع مثالي للاستفادة من أي تحسينات في شبكة الكهرباء.

Duke Energy Corp

دخلت Duke Energy Corp السوق في عام 1904 كمحطة طاقة هيدروكهربائية تقع على نهر Catawba. تأسست الشركة من قبل James Buchanan Duke و Benjamin Newton Duke ومقرها في Charlotte ، North Carolina. منذ إطلاقها ، شهدت Duke Energy Corporation نموًا كبيرًا. اليوم هي واحدة من أكبر شركات الطاقة الكهربائية في الولايات المتحدة.

حدثت صعود Duke Energy إلى السيادة في السوق على مدار عدة عقود ، وعمليات استحواذ ، وحركات السوق. في عام 1997 ، اندمجت الشركة مع PanEnergy Corporation لتعزيز عروضها. ثم في عام 2005 ، استحوذت Duke Energy على Cinergy Corporation ، مما زاد من اختراق السوق عبر الولايات الرئيسية.

اليوم ، تظل Duke Energy رائدة في سوق إنتاج الطاقة. تواصل الشركة فيovation وتكامل التكنولوجيا الجديدة كجزء من استراتيجيتها لتقديم طاقة موثوقة وميسورة التكلفة لعملائها.

من موقعها وتاريخها ، يمكن لـ Duke Energy دمج نتائج دراسة حافة الشبكة لتحسين عروضها. وبالتالي ، يُعتبر DUK إضافة قوية إلى أي محفظة.

أحدث الأخبار حول Duke Energy Corp

مستقبل شبكات الكهرباء اللامركزية

ما زالت هناك العديد من العقبات التي يجب على المهندسين التغلب عليها لتحقيق النجاح. أولاً وقبل كل شيء ، سيتطلب النظام من العملاء والأعمال الاشتراك في الشبكة. من هناك ، سيتعين عليهم الموافقة على دمج بعض الأجهزة لتمكين النظام من الحقن الطاقة مرة أخرى في الشبكة وتتبع جهودهم. سيتطلب كل هذه الخطوات تعليم الجماهير وتقديم حلول منخفضة التكلفة وميسورة التكلفة.

تحقيق مرونة شبكة الكهرباء

يجب أن نقدم لهذا الفريق من المفكرين خارج الصندوق على نهجهم الفريد. استخدمت استراتيجيتهم أجهزة حافة الشبكة المتاحة بسهولة لدعم استقرار الشبكة بأكملها. هذا النهج يعتبر منطقيًا ، ولا يتطلب تكاليف أو تغييرات كبيرة في الشبكة ، ويتوافق مع شبكات إنترنت الأشياء الكبيرة الموجودة اليوم. وبالتالي ، يمكنك期待 رؤية المزيد من الأبحاث حول شبكات الكهرباء اللامركزية في المستقبل.

تعلم المزيد حول مشاريع الطاقة الرائعة الآن

مرجع الدراسة:

^{1. V.J. Nair, P. Srivastava, V. Venkataramanan, P.S. Sarker, A. Srivastava, L.D. Marinovici, J. Zha, C. Irwin, P. Mittal, J. Williams, J. Kumar, H.V. Poor, & A.M. Annaswamy, Resilience of the electric grid through trustable IoT-coordinated assets, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 122 (8) e2413967121, https://doi.org/10.1073/pnas.2413967121 (2025).}