ما هي مرونة الشبكة؟

يمكن أن تحدث انقطاعات التيار الكهربائي مع الكوارث الطبيعية، أو الهجمات الإلكترونية، أو أعطال المعدات، أو أسباب أخرى. مدى قدرة مشغلي الشبكة على الحد من نطاق ومدة وتأثير الانقطاعات يحدد مستوى مرونة نظام الطاقة.

تعد مرونة الشبكة وموثوقية الشبكة مصطلحين مرتبطين ارتباطاً وثيقاً:

• تقيس موثوقية الشبكة مدى استمرارية الشبكة الكهربائية في الحفاظ على إمدادات الطاقة وتلبية احتياجات المشتركين في ظل الظروف العادية.

• تُركز مرونة الشبكة على قدرة الشبكة على الصمود أمام الاضطرابات، والتكيف معها، والتعافي منها.

بينما يوجد تداخل بين المفهومين، إلا أن الشبكة المرنة قد لا تكون بالضرورة موثوقة، والعكس صحيح أيضاً. غالباً ما تعزز الاستثمارات في المرونة الموثوقية على المدى الطويل من خلال تقصير مدة الانقطاع وتحسين متانة النظام.

تعكس مرونة الشبكة الكهربائية مدى تداخل العوامل التقنية والبيئية والتشغيلية المتعددة تحت الضغط للحفاظ على توليد الطاقة وإيصالها. تشمل العوامل التي تحدد مدى مرونة شبكة الطاقة العناصر المدرجة هنا:

• البنية التحتية الحالية

• تعقيد الشبكة وتصميمها

• نمو الطلب

• التحول في مجال الطاقة

• المرونة التشغيلية

• تغير المناخ

• الأمن الإلكتروني

تشمل البنية التحتية للطاقة محطات توليد الكهرباء، والمحولات، وخطوط نقل الطاقة، وغيرها من المعدات المادية التي تعمل على توليد الطاقة ونقلها وإيصالها. إنّ أنظمة التوليد والنقل المتقادمة هي أكثر عرضة للأحداث المسببة للاضطرابات.

تُعد الشبكات المركزية ذات الفائض المحدود أسهل في الإدارة، ولكنها غالباً ما تحتوي على نقاط ضعف حرجة. وعلى العكس من ذلك، فإن الشبكات اللامركزية أو الموزعة تزيد من الفائض ولكنها أكثر تعقيداً من حيث التصميم والتشغيل والصيانة.

تؤدي زيادة الطلب إلى الضغط على البنية التحتية الحيوية، ويمكن أن تُقلل من مرونة شبكة الكهرباء. على سبيل المثال، أدى الارتفاع في بناء مراكز البيانات القائمة على الذكاء الاصطناعي إلى زيادة مقابلة في الطلب على الطاقة.

يشكل نمو الطلب في أوقات الذروة تحديات خاصة في مجال المرونة من خلال الضغط على قدرة التوليد والنقل خلال الظروف القاسية.

يضيف التحول إلى مصادر الطاقة المتجددة متغيراً آخر إلى عملية تشغيل النظام وإدارته. تتطلب مصادر الطاقة المتقطعة، مثل الطاقة الشمسية وطاقة الرياح، تدابير مضادة مثل تخزين الطاقة، والاستجابة للطلب، والتوليد المرن؛ وذلك للتعويض عن عدم استمرارية إنتاجها للكهرباء.

تُعرف المرونة التشغيلية بأنها قدرة الشبكة على التعديل السريع لعمليات التوليد والحمل وتدفقات الطاقة، استجابةً للظروف المتغيرة في عرض الطاقة الكهربائية أو الطلب عليها. إنها ضرورية لدمج الطاقة المتجددة لأنها توازن التقلبات التي يمكن أن تحدث مع مصادر الطاقة المتقطعة.

يؤدي تغير المناخ إلى أنماط جوية غير مستقرة بشكل متزايد، وكوارث طبيعية، وأحداث جوية متطرفة، مما يمكن أن يتسبب في تعطيل إمدادات الطاقة. تُشكل موجات البرد القارس والحرارة الشديدة اختباراً متزايداً لمرونة الشبكة في مختلف المناطق. تسببت درجات الحرارة الباردة القياسية في يناير 2024 في حدوث انقطاع التيار الكهربائي في تكساس نتيجة الضغط الكبير على محطات التوليد، وإمدادات الوقود، وعمليات الشبكة.

تعد حرائق الغابات، والفيضانات، والعواصف الشديدة جميعها مخاطر مناخية جسيمة تؤثر على قدرة شبكة الكهرباء على الصمود. تؤدي درجات الحرارة المرتفعة وموجات الحر إلى زيادة استخدام أجهزة تكييف الهواء، مما يؤدي إلى تسارع نمو الطلب على شركات المرافق الكهربائية. تؤدي الجزر الحرارية الحضرية—وهي مناطق مطورة تتميز بدرجات حرارة أعلى من المناطق المحيطة بها—إلى تفاقم المشكلات المتعلقة بالتبريد بشكل أكبر.

إن زيادة اعتماد تقنيات الشبكة الرقمية تجعل أنظمة الطاقة أكثر عرضة للهجمات السيبرانية. يحتاج مشغلو الشبكة إلى تدابير أمنية سيبرانية قوية لتقليل أسطح الهجمات والحفاظ على مرونة الشبكة في مواجهة التهديدات المتغيرة.

يعد عام 2026 عاماً محورياً لمرونة الشبكة بسبب عدة عوامل متقاربة. ينبع الطلب المتزايد من التوسع في كهربة الخدمات، وبناء مراكز البيانات، والنمو الاقتصادي. وفي الوقت نفسه، فإن تقادم البنية التحتية وزيادة تواتر الكوارث الطبيعية المرتبطة بتغير المناخ تعيق قدرة الشبكة على تلبية الطلب المتزايد.

إن تكييف الشبكة مع ترقيات تكنولوجية متقدمة، مثل مبادرات الاستدامة التي تستخدم الطاقة المتجددة والطاقة النووية، لا يخلو من التحديات الخاصة به. كلاهما يحتاجان إلى رأس مال كثيف، كما أن دمج الطاقة المتجددة في البنية التحتية القديمة أمر معقد من الناحية اللوجستية.

على عكس مصادر الطاقة المتجددة المتقطعة، يمكن للمحطات النووية أن تعمل بشكل مستمر وتكون أقل حساسية لتقلبات الطقس على المدى القصير. ومع ذلك، تخضع الطاقة النووية لنقاش مستمر فيما يتعلق بالسلامة وغيرها من المخاوف.

هناك حاجة إلى حلول مرونة قصيرة الأجل لمواجهة تحديات عام 2026 قبل أن يتسنى توفير مصادر الطاقة على المدى الطويل.

تعتمد مرونة الشبكة الحديثة على تقنيات رئيسية تشمل الذكاء الاصطناعي ومصادر الطاقة المتجددة والشبكات الموزعة. هذه الأساليب هي الطرق الأساسية الأربعة لتحسين مرونة الشبكة:

• التقنيات الذكية

• تحسينات البنية التحتية المادية

• التوليد الموزع

• تخزين الطاقة

يمكن لمشغلي الشبكات وأصحاب المصلحة الآخرين إدخال الأتمتة على إدارة أصول الطاقة من خلال اعتماد تقنيات الشبكة الذكية. يمكن لنماذج التحليلات التنبؤية أن تساعد في توقع التهديدات ومنح مشغلي الشبكة وقتاً للتفاعل أو إجراء صيانة تنبؤية. يمكن لأجهزة الاستشعار المتقدمة، مثل وحدات قياس الطور (PMUs)، أن تساهم في أتمتة اكتشاف انقطاع التيار الكهربائي وتعزيز الوعي الظرفي.

من خلال تحديث الشبكة بشكل كافٍ، يمكن للأنظمة ذاتية الاستشعار وذاتية الإصلاح إعادة توجيه الطاقة عند اكتشاف أي خلل، والحفاظ على استمرارية التوصيل للمشتركين. يمكن لتكامل التقنيات الذكية أن يساعد المؤسسات في تقديم نفسها ككيانات مؤهلة لفرص تمويل البنية التحتية، وبرامج المنح، والشراكات الأخرى.

يشير "تقوية" الشبكة إلى جعلها أكثر مرونة في مواجهة الاضطرابات المادية. تشمل الحلول تدابير مرونة لمقاومة المناخ مثل ارتفاع الجدران البحرية، وإدارة الغطا النباتي، ونقل الأصول الرئيسية، والمواد المقاومة للحريق، ودفن خطوط الطاقة.

بدلاً من بناء بنية تحتية جديدة، يمكن لمشغلي الشبكات استخدام أنظمة نقل التيار المتردد المرنة (FACTS) لموازنة توصيل الطاقة غير المستقر. تساعد FACTS الشبكات القديمة على التكيف مع مصادر الطاقة المتجددة دون الحاجة إلى إنشاءات جديدة.

توفر التقنيات الذكية والتحسينات المادية على حد سواء لمزودي الطاقة فرصة لتحويل المخاطر المناخية إلى فرص تجارية من خلال استثمارات استراتيجية.

التوليد الموزع (DG) هو توفير الكهرباء من خلال شبكات محلية صغيرة الحجم بدلاً من الشبكات المركزية الكبيرة. غالبا ما تركز مصادر الطاقة الموزعة (DERs) على مصادر الطاقة المتجددة ويمكن أن تتضمن ميزة الألواح الشمسية، وتوربينات الرياح، وأنظمة تخزين الطاقة.

يمكن لمصادر الطاقة الموزعة (DERs) تزويد المنازل الفردية بالطاقة أو الاتصال بشبكة صغيرة (microgrid)—وهي شبكة تدار بشكل مستقل تغذي منطقة إقليمية، مثل مجمع جامعي أو مستشفى. يمكن للشبكات الصغيرة وأنظمة التوليد المشترك للطاقة والحرارة (CHP) الاتصال بالشبكة العامة والمساهمة فيها، مع قدرتها أيضاً على عزل نفسها يدوياً أو تلقائياً، وهو ما يُعرف بـ "التجزير" (Islanding)، وذلك للحفاظ على استمرارية الخدمة أثناء انقطاع التيار الكهربائي.

يمكن لأنظمة التوليد الموزع (DG) أن تساعد في تخفيف الطلب على الطاقة من خلال استكمال الطاقة التي توفرها الشبكة أو استبدالها بالكامل للمناطق التي تخدمها. يمكن لمشغلي الشبكة بعد ذلك تركيز الموارد على عملاء آخرين لا تخدمهم مصادر الطاقة الموزعة. يمكن للجهات التي تدير مصادر الطاقة الموزعة تحقيق أرباح من بيع الطاقة الزائدة للشبكة الأكبر.

تُعد أنظمة تخزين الطاقة عنصرًا حاسمًا في تحديث الشبكة. يمكن للعملاء ومرافق الخدمات الحفاظ على إمدادات الكهرباء أثناء الانقطاعات وتوازن التقلبات. يمكن نشر أنظمة تخزين طاقة البطاريات (BESS) على مستويات سكنية وتجارية وخدمية، حيث توفر طاقة احتياطية أثناء انقطاع التيار الكهربائي، بالإضافة إلى خدمات الشبكة مثل تنظيم التردد، ودعم الجهد، وخفض أحمال الذروة.

تعمل تقنيات تخزين الطاقة لفترات أطول على توسيع نطاق هذه الفوائد من خلال توفير الطاقة لساعات أو أيام بدلاً من دقائق. تعزز أنظمة تخزين الطاقة أداء الشبكات الصغيرة، وتحسّن مرونة النظام، وتسمح لمشغلي الشبكة باستعادة الخدمة بسرعة.

تتيح مؤشرات الأداء الرئيسية (KPIs) لمرونة الشبكة للمؤسسات وأصحاب المصلحة تقييم فعالية مبادراتهم. يمكن لهذه الرؤى أن توجه المزيد من التحسينات وتعظيم الكفاءة.

تتضمن مؤشرات الأداء الرئيسية لمرونة الشبكة المقاييس الموضحة هنا:

• يقيس SAIDI (مؤشر متوسط مدة الانقطاع في النظام) متوسط مدة انقطاع التيار الكهربائي التراكمي لكل عميل.

• يعتبر SAIFI (مؤشر متوسط تكرار الانقطاع في النظام) مقياساً لمتوسط عدد حالات انقطاع الخدمة خلال فترة قياس معينة، وغالباً ما تكون سنوياً.

• يقيس CAIDI (مؤشر متوسط مدة انقطاع الخدمة للعميل) متوسط الوقت المستغرق لاستعادة التيار الكهربائي بعد انقطاعه. تعتبر مؤشرات SAIDI و SAIFI و CAIDI تقليدياً مقاييس للموثوقية، ولكن غالباً ما تُستخدم كمؤشرات بديلة للتعبير عن مرونة الشبكة.

• أداء الأحمال الحرجة هو الحد الأقصى للطلب الذي يمكن للشبكة تحمله قبل التعرض لآثار سلبية، مثل انقطاع التيار الكهربائي.

• يمكن أن تشمل مقاييس تحصين البنية التحتية عدد أميال خطوط الطاقة المدفونة، وزيادة ارتفاع السدود البحرية، وتطوير المرافق، والميغاواط (MW) من محطات التوليد المجهزة لمقاومة الظروف الجوية.

• يشير عدد الشبكات الصغيرة وسعتها إلى مدى جودة مساهمة الشبكات الصغيرة في دعم الشبكة الرئيسية في منطقة خدمتها.

• يمكن لنمذجة التهديدات التي تستخدم التحليلات التنبؤية أن تظهر تأثيرات الأحداث الجوية المتطرفة على الشبكة.

• تُحدد تقييمات نقاط ضعف الأصول البنية التحتية الحيوية المعرضة لخطر التعطل.

• دالة ضرر المستهلك (CDF)، التي طورها المختبر الوطني للطاقة المتجددة (NREL) من خلال برنامجه National Library of the Rockies (NLR) بتمويل من وزارة الطاقة الأمريكية (DoE). يقيس الفرق في تكاليف انقطاع الطاقة مع وبدون استثمارات مرونة.

حتى الآن، لا توجد معايير عالمية لمؤشرات الأداء الرئيسية لمرونة الشبكة، رغم أن الأبحاث جارية لتطوير نظام جديد لقياس فعالية المبادرات. اقترحت ورقة بحثية نُشرت في Science Direct عام 2026 مجموعة جديدة من مؤشرات الأداء الرئيسية (KPIs) المتمحورة حول مصادر الطاقة الموزعة (DER)، والتي تهدف إلى تقديم نظرة أكثر تركيزاً على التطورات المتعلقة بالمرونة.