تحسين تصميم وتشغيل الأنظمة الموزعة للطاقة السكنية في البرازيل
أجرى باحثون من البرازيل وألمانيا دراسة شاملة لتحسين تصميم وتشغيل الشبكات الصغيرة السكنية، بهدف جعل أنظمة الطاقة الموزعة (DERs) أكثر كفاءة واستدامة. توصلت الدراسة إلى أن استخدام نموذج كفاءة مرتبط بالزمن يمكن أن يخفض التكاليف الإجمالية بنسبة 45%، ويبرز أهمية دمج تقنيات متعددة ومشاركة الطاقة بين المنازل بدلاً من الاستثمار في معدات فردية.
الإطار العام للدراسة
اعتمد الباحثون على نموذج برمجة مختلط غير خطي (MINLP) لتحليل الدمج الأمثل لمصادر الطاقة الموزعة مثل الطاقة الشمسية، الرياح، والغاز الحيوي. يركز هذا النموذج على تحسين تصميم الشبكات الضغيرة مع الأخذ بعين الاعتبار:
- التغيرات الموسمية في الطلب على الطاقة.
- تأثير السياسات التحفيزية على جدوى الأنظمة.
أهم النتائج: توفير التكاليف وتحسين الكفاءة
- يمكن للنموذج المقترح تحسين الاستفادة من الموارد المتجددة، وتقليل الاستثمارات في المعدات، وزيادة الفوائد المكتسبة من نظام الاعتماد على الشبكة (net metering)
- مشاركة الطاقة ضمن الشبكات الصغيرة بين المنازل تقلل التكاليف مقارنةً بتركيب تقنيات كبيرة لكل منزل بشكل فردي.
تحليل السيناريوهات
اختبرت الدراسة ثلاثة سيناريوهات:
- السيناريو الأول: كفاءة ثابتة للمعدات مع تقسيم الوقت باستخدام طريقة التجميع (Clustering)
- السيناريو الثاني: كفاءة متغيرة تعتمد على الوقت مع طريقة التجميع لتقسيم الوقت.
- السيناريو الثالث: كفاءة متغيرة تعتمد على الوقت ولكن باستخدام الطريقة التجريبية لتقسيم الوقت.
نتائج السيناريوهات:
- السيناريو الثاني، الذي يعتمد على الكفاءة المتغيرة مع طريقة التجميع، حقق تخفيضًا في التكاليف بنسبة 45% مقارنة بالطريقة التجريبية في السيناريو الثالث.
- السيناريو الأول أدى إلى تقدير مفرط لقدرات توليد الطاقة، مما زاد التكاليف بمقدار ثلاثة أضعاف مقارنة بالسيناريو الثاني.
- جميع السيناريوهات تضمنت ألواحًا شمسية لكل المنازل، مع اختلاف الديناميكيات في مشاركة الطاقة بين المنازل بناءً على عددها (5 أو 10 منازل).
التغيرات الزمنية وتأثيرها على الأداء
- لتجنب تعقيد النموذج وتحقيق التمثيل الواقعي لأنماط الاستهلاك، قُسّم الأفق الزمني إلى مواسم (الربيع، الصيف، الخريف، الشتاء) مع تحليل البيانات المناخية والطلب على الطاقة.
- التغيرات في التوافر الموسمي للموارد مثل الإشعاع الشمسي وسرعة الرياح أُخذت بعين الاعتبار لتحسين النموذج.
- استخدام طريقة التجميع سمح بالتعرف على الفترات التمثيلية الأكثر تأثيرًا على الأداء.
دور الغاز الحيوي والطاقة الشمسية الحرارية
- أكدت الدراسة جدوى استخدام الغاز الحيوي في الشبكات الصغيرة، لكنه يظل محدودًا بسبب توافر بقايا الكتلة الحيوية.
- الغاز الحيوي يمكن أن يكون بديلاً تنافسيًا مقارنةً بالغاز الطبيعي إذا تم توفيره على نطاق أوسع، خاصةً في المناطق الريفية.
- الطاقة الشمسية الحرارية أثبتت كفاءتها كبديل اقتصادي لسخانات الغاز لإنتاج الماء الساخن، حيث تم تركيب مجمعات شمسية في جميع السيناريوهات سواء للاستخدام الفردي أو المشترك.
تطبيقات اقتصادية وبيئية
اعتمدت الدراسة على بيانات واقعية من مدينة سالڤادور، باهيا، واحتسبت التكاليف البيئية باستخدام مرجع من المملكة المتحدة لتحديد ضرائب الكربون، مع تعديلها لتناسب الاقتصاد البرازيلي.
- تكلفة الكربون تم تقديرها بـ R$0.06/كجم من CO2
- عامل استرداد رأس المال تم احتسابه بمعدل فائدة 7% على مدى 20 عامًا.
دروس مستفادة ومستقبل الشبكات الصغيرة في البرازيل
- دمج الموارد المتجددة: يبرز أهمية استخدام تقنيات متنوعة في الشبكات الصغيرة بدلاً من الاعتماد على تقنية واحدة.
- النماذج الزمنية الدقيقة: تحسين الكفاءة يعتمد بشكل كبير على التغيرات الزمنية في الكفاءة التشغيلية.
- التكامل التعاوني: تعزيز مشاركة الطاقة بين المنازل يقلل التكاليف الإجمالية ويحسن كفاءة النظام.
الآفاق المستقبلية
- مع استمرار تطور التكنولوجيا، يمكن توسيع نطاق تطبيقات الميكروشبكات لتشمل مجتمعات أكبر ومناطق حضرية أكثر تعقيدًا.
- السياسات التحفيزية ودعم التقنيات المتكاملة سيكونان أساسيين لتسريع تبني الأنظمة الموزعة للطاقة في البرازيل.
