إن دخول الطاقة الشمسية بشكل موسع كمصدر رئيسي للطاقة ضمن الشبكة الكهربائية يولد تحديات جديدة لم يعتد مشغلو الشبكات الكهربائية عليها من قبل. ومن أهم هذه التحديات هو فائض الإنتاج من الطاقة الشمسية في ساعات الذروة في بعض أيام السنة، وتوقف محطات الطاقة الشمسية عن الإنتاج عند ساعات المغيب وذلك تماما عند ارتفاع الطلب المسائي للكهرباء.
إن اختلاف شكل منحني توليد الطاقة من المصادر الغير متجددة مع ازدياد نسبة الطاقة الشمسية في الشبكة الكهربائية يمكن تمثيله بمنحن بياني أشبه بالبطة. وسنقوم في هذا المقال بتوضيح هذا المبدأ وسبب تسمية منحني التوليد من مصادر الطاقة الغير متجددة بمنحني البطة Duck Curve. تابعوا معنا.
تنبيه
إن جميع البيانات المستخدمة في هذا المقال تأتي من بيانات الطلب و التوليد للكهرباء في ولاية كاليفورنيا الأمريكية حسب المرجع المعلن أسفل هذا المقال
فهرس
منحني الطلب على الكهرباء
دائما ما تعمل الشركات المشغلة للشبكات الكهربائية على دراسة الطلب على الكهرباء من قبل المستهلكين وذلك للتحكم بمحطات التوليد لمجاراة الطلب بشكل مستمر و الحفاظ على إستقرار الشبكة كما وضحنا في مقالنا السابق. نجحت هذه التوقعات والدراسات في تحقيق هدفها لفترة طويلة من الزمن بدقة عالية، حيث تمكن مشغلوا الشبكات الكهربائية في العقود الماضية من توقع الأحمال و ضبط الإنتاج الكهربائي لمطابقة الطلب.
يمثل المخطط التالي الطلب على الكهرباء خلال يوم كامل، حيث يكون الطلب في أدنى مستوياته ليلا في وقت النوم، ويزيد الطلب صباحا عندما نستيقظ ومن ثم يحافظ الطلب على مستواه حتى ساعات المساء الأولى ليعود للانخفاض مجددا.
قبل دخول الطاقة المتجددة كجزء من الشبكة الكهربائية بشكل جدي، كان يتم تشغيل محطات توليد الكهرباء التقليدية (الغير متجددة مثل محطات الغاز أو الفحم أو النووية) بشكل شبه كامل خلال النهار والليل بحيث ينطبق منحني الطاقة المنتجة من هذه المحطات مع منحني الطلب من قبل المستهلكين مع اختلاف بسيط من جهة منحني التوليد حيث يكون هناك قابلية زيادة مقبولة في التوليد لتغطية أي زيادة مفاجئة محتملة للأحمال، وهذا التطابق التقريبي يؤمن استقرار الشبكة والمحافظة على تلبية احتياج الأحمال وتغيراتها خلال ساعات النهار. كما يؤمن هذا التشغيل شبه الكامل الربحية لمحطات التوليد التقليدية.
ازداد في الأعوام الأخيرة انتشار محطات الطاقة البديلة بشكل عام ومحطات الطاقة الشمسية الكهروضوئية بشكل خاص في مستوياتها المختلفة سواء على المستوى المنزلي Residential أو الصناعي C&I أو على مستوى المرافق الخدمية Utility-scale. وفي الوقت نفسه أظهرت بعض الدراسات والتوقعات للأحمال في الولايات المتحدة الأمريكية وبالذات في ولاية كاليفورنيا مقدار التباعد في تطابق منحنيات التوليد من مصادر الطاقة التقليدية مع منحنيات الطلب على الحمل. ويوضح الشكل في الأسفل توقعات الطلب على الطاقة وما يتم تأمينه من محطات الطاقة التقليدية في الأعوام من 2012 إلى 2020 في ولاية كاليفورنيا بالتناسب مع خطة الولاية في التوسع بمشاريع الطاقة الشمسية والكهروضوئية خلال السنوات الثمانية. أما التشابه الكبير بين هذا المخطط وشكل البطة دفع الباحثين لتسميته منحني البطة Duck curve.
تفسير منحني البطة Duck Curve
كان منحنيا الطلب والتوليد من مصادر الطاقة التقليدية شبه متطابقين قبل ظهور محطات الطاقة الشمسية الكهروضوئية، ولكن بدأ يظهر الاختلاف في التطابق مع انتشار محطات الطاقة الشمسية. لفهم السبب، نعود إلى المخطط السابق ونلاحظ مايلي:
يتدرج التزايد في الطلب مع بداية النهار ومع ازدياد الأنشطة قبل شروق الشمس حيث تعمل المحطات التقليدية على تأمين الطاقة المطلوبة، ولكن مع شروق الشمس، تبدأ محطات الطاقة الشمسية بالتوليد والدخول إلى الشبكة لتغذية الأحمال، و في هذه الأثناء، ينخفض مقدار الطاقة المطلوبة من المحطات التقليدية. ومع الاقتراب من مغيب الشمس، ينخفض انتاج محطات الطاقة الشمسية حتى يتوقف مع غياب الشمس وهنا يجب على المحطات التقليدية تعويض الفرق وتأمين طاقة كافية لتعويض الطاقة التي كانت تقدمها محطات الطاقة الشمسية. كما يجب أن تكون هذه الاستجابة سريعة وفي وقت قصير نسبياً بالنظر إلى قيمة الطاقة المطلوبة.
تكمن المشكلة في إمكانية تعويض قيمة الطاقة التي تولدها محطات الطاقة الشمسية خلال فترة قصيرة وهذا أمر خطر على محطات التوليد الحرارية واستقرار الشبكة على حد سواء. كما أن ربحية محطات الطاقة التقليدية عادة ما تكون محسوبة بناء على الإستخدام الأمثل وشبه الكامل للإستطاعة، و بالتالي فإن تخفيض إنتاج المحطات التقليدية في ساعات النهار يخفض من ربحية هذه المحطات و يؤدي إلى خسائر اقتصادية جمة.
الحلول على مستوى التوليد
من أهم الحلول لمشكلة فائض الإنتاج من الطاقة الشمسية في ساعات الظهيرة و نقص الطاقة الحاد في ساعات المساء الأولى هو تخزين جزء من الطاقة الكهربائية المنتجة من المحطات الشمسية الكهروضوئية وذلك عن طريق أنظمة تخزين الطاقة بالبطاريات أو عن طريق المحطات الكهرومائية للتخزين بالضخ.
هذه الحلول تسمح باستخدام الطاقة الكهربائية المنتجة من المحطات الشمسية والكهروضوئية على مستوى أوسع خلال النهار والليل وعدم مقاطعة الإنتاج من الطاقة الشمسية في ساعات الذروة. كما أنها تساعد على إحالة محطات التوليد التقليدية إلى التقاعد و إغلاق عملياتها بالكامل لتفادي الخسائر المستمرة.
الحلول على مستوى الطلب
يمكن تحسين منحني الطلب من خلال دراسة العوامل التي تؤدي إلى الزيادة الحادة في ساعات المساء الأولى. وبالفعل أظهرت بعض الأبحاث أن الإضاءة والتكييف أو التدفئة مجتمعة يشكلون القفزة الأعلى في الطلب، ولذلك ينصح بتطبيق برامج كفاءة وترشيد الإستهلاك لتخفيض الطلب.
كما يمكن نقل ساعات عمل بعض المعامل خارج ساعات الذروة للتخفيض من الطلب في هذه الساعات و توزيع الطلب بشكل يساهم من الإستفادة من الطاقة الشمسية بشكل أعظمي.
كما أن التحكم بالطلب يمكن أن يتم بتقديم شرائح أسعار مختلفة للكهرباء بحيث يخفض المستهلكون ذو الحساسية العالية للسعر المرتفع من الاستهلاك في ساعات الذروة.
خلاصة
إن منحني البطة Duck Curve يعد مشكلة حقيقية تواجه التوسع في بناء محطات الطاقة الشمسية وقد ظهر هذا المنحني لأول مرة في ولاية كاليفورنيا الأمريكية منذ عشر سنوات تقريبا وتم تقديم العديد من الحلول للتخفيض من أثره و المساعدة على التوجه بشكل كامل نحو الطاقة المتجددة.
نتمنى لكم يوماً مشمساً.
