فهم مصانع الطاقة الافتراضية ووظائفها الأساسية

ما هي مصانع الطاقة الافتراضية (VPPs)؟

تعمل محطات الطاقة الافتراضية (VPPs) كشبكات لامركزية تجمع بين مصادر الطاقة الموزعة المختلفة مثل الألواح الشمسية على الأسطح، ووحدات تخزين البطاريات، وحتى المركبات الكهربائية في نظام كبير واحد يتفاعل مع احتياجات الشبكة. لا يمكن للمحطات التقليدية منافسة ذلك بشكل حقيقي، لأن محطات الطاقة الافتراضية تعتمد على برامج متقدمة وأدوات تحليل البيانات لإدارة كمية الطاقة المولدة والمُخزنة والاستهلاكية عبر مواقع مختلفة متباعدة في مناطق واسعة. خذ ألمانيا مثالاً، حيث كانت هناك محطة طاقة افتراضية تعمل منذ عام 2023 تدير حوالي 650 ميغاواط من مصادر الطاقة المتجددة. هذا يُظهر مدى قابلية هذه الأنظمة للتوسيع لتلبية متطلبات الكهرباء المتغيرة على الشبكة.

كيف تجمع محطات الطاقة الافتراضية مصادر الطاقة الموزعة (DERs)

تُنسق محطات الطاقة الافتراضية مصادر الطاقة الموزعة من خلال تبادل البيانات في الوقت الفعلي، مما يمكّن من الاستجابة الديناميكية لظروف الشبكة. وتتضمن هذه التجميعات:

نوع المورد	المساهمة في محطات الطاقة الافتراضية
الطاقة الشمسية/الريحية	توليد الطاقة المتجددة
بطاريات	تخزين الطاقة الزائدة لتلبية الطلب في ذروته
شواحن السيارات الكهربائية	تعديل دورات الشحن أثناء النقص

من خلال دمج هذه الأصول، تقلل الشبكات الكهربائية الافتراضية (VPPs) الاعتماد على محطات توليد الكهرباء التي تعمل بالوقود الأحفوري. ووجد تقرير مختبر الطاقة المتجددة الوطني لعام 2024 أن مصادر الطاقة الموزعة المجمعة يمكن أن تعوّض ما يصل إلى 60٪ من حمل الذروة في الشبكات ذات النسبة العالية من الطاقة المتجددة.

دور الأنظمة المتقدمة للتحكم في تشغيل الشبكات الكهربائية الافتراضية

تعتمد محطات الطاقة الافتراضية اليوم بشكل كبير على الذكاء الاصطناعي في عملياتها. تتولى هذه الأنظمة الذكية التنبؤ باتجاهات استهلاك الطاقة، وإدارة تدفق الكهرباء في كلا الاتجاهين عبر الشبكات، بل وتشارك تلقائيًا في عمليات شراء وبيع الكهرباء. كما أنها تعالج كميات هائلة من المعلومات يوميًا فقط للحفاظ على استقرار الشبكة الكهربائية، وهو أمر يصبح بالغ الأهمية عندما تشكل الطاقة الريحية والشمسية أكثر من 40٪ من مزيج الطاقة في بعض المناطق. فعلى سبيل المثال، خفض مشروع تجريبي حديث باستخدام معدات متصلة بالإنترنت بنسبة 22٪ من مشاكل الازدحام على الشبكة. تحقق ذلك ببساطة من خلال التنبؤ بحدوث ارتفاع في الطلب وضبط الأمور مسبقًا قبل أن تتفاقم الأمور.

دمج الطاقة المتجددة وتعزيز استقرار الشبكة

موازنة تذبذب الطاقة الشمسية والريحية من خلال التجميع الفوري

تساعد محطات الطاقة الافتراضية في إدارة التقلبات في إنتاج الطاقة الشمسية وطاقة الرياح من خلال دمج جميع مصادر الطاقة المتناثرة هذه في نظام واحد فعال. تستخدم هذه الأنظمة برامج كمبيوتر متقدمة تقوم بتحليل التغيرات المناخية المحتملة وتقييم كمية الكهرباء التي يحتاجها المستخدمون في الوقت الحالي. ومن ثم يتم توزيع الطاقة حسب الحاجة عند مرور السحب فوق الألواح الشمسية أو عندما لا يكون الرياح قوية بما يكفي. وعند حدوث انخفاض في الجهد الكهربائي، يمكن للمحولات الذكية تعديل إنتاج الطاقة الشمسية بشكل شبه فوري. وعندما ينخفض الإنتاج، تتدخل مجموعات من البطاريات لتوفير طاقة احتياطية تدوم ما بين أربع إلى ست ساعات. وبحسب بحث أجرته معهد بونيمون في عام 2023، فإن هذا النوع من التنسيق يقلل هدر الطاقة المتجددة بنسبة تصل إلى خُمس، ويوفّر على شركات المرافق ما يقارب 740 ألف دولار سنويًا في تكاليف موازنة الشبكة المعقدة.

تعزيز موثوقية الشبكة وتخفيف الاختناقات

عندما ت decentralized توزيع الطاقة من خلال الشبكات الافتراضية (VPPs)، فإن ذلك يساعد في تجنب ازدحامات النقل المفاجئة التي نراها عندما يقوم الجميع بتشغيل أجهزتهم الكهربائية في نفس الوقت. يمكن لأنظمة التخزين الموزعة في مواقع مختلفة امتصاص الطاقة الشمسية الزائدة التي تُنتج خلال فترات الظهيرة المشمسة، ثم إعادة ضخها إلى الشبكة في المساء عندما يرتفع الطلب. في الواقع، يؤدي هذا إلى تقليل ازدحام الشبكة بنسبة تصل إلى 31 بالمئة وفقًا للدراسات الحديثة. تعد أنظمة الحماية التكيفية الجديدة أيضًا مثيرة للإعجاب. فهي تكتشف المشاكل في الشبكة أسرع بنسبة 40 بالمئة مقارنةً أنظمة SCADA التقليدية، مما يعني أن الانقطاعات الكهربائية تظل محدودة في مناطق معينة بدلًا من الانتشار في كل مكان. تُظهر تقرير ألمانيا حول استقرار الشبكة لعام 2024 صورة مثيرة للاهتمام. فقد شهدت المناطق المجهزة بتقنية الشبكات الافتراضية (VPP) انخفاضًا في حالات فشل المحولات بنسبة 28 بالمئة تقريبًا، وذلك رغم الزيادة المستمرة في استخدام الطاقة المتجددة التي بلغت نسبة نموها السنوي 19 بالمئة. هذا أمر مذهل للغاية إذا أخذنا في الاعتبار الضغط الكبير الذي تسببه دمج الطاقة المتجددة على البنية التحتية التقليدية.

دراسة حالة: دعم الشبكات الافتراضية للقدرة على اختراق عالي من الطاقة المتجددة في ألمانيا

في عام 2023، عندما مثلت الطاقة المتجددة أكثر من نصف مزيج الطاقة في ألمانيا بنسبة 52%، لعبت محطات الطاقة الافتراضية (VPPs) دورًا حيويًا في الحفاظ على سير العمل بسلاسة على الشبكة الوطنية. قامت هذه الأنظمة الذكية بتنسيق حوالي 8400 مصدر طاقة موزعة عبر أربع ولايات مختلفة. ولا تنسى تلك العاصفة الشتوية الكبيرة التي وقعت في العام الماضي أيضًا؟ حسنًا، خلال تلك الفترة، تولت محطات الطاقة الافتراضية إدارة تحويل ما يقارب 1.2 غيغاواط ساعة من الطاقة من تلك البطاريات الصناعية الاحتياطية الكبيرة إلى المناطق السكنية التي كان يُحتاج فيها إلى الكهرباء فعليًا، مما أنقذ حوالي اثني عشر مليون يورو من التكاليف المحتملة الناتجة عن الانقطاعات وفقًا للتقارير. وبحسب الدراسات التي أجرتها معهد فراونهوفر IEE، شهدنا انخفاضًا في تكاليف الاستقرار بنسبة تقارب 41% منذ عام 2021 بفضل تحسين تنظيم التردد عبر هذه الشبكات الافتراضية بدلًا من الاعتماد بشكل كبير على محطات الغاز التقليدية لتوليد الذروة في ذلك الوقت. في الوقت الحالي، تساهم محطات الطاقة الافتراضية في دمج الطاقة المتجددة ضمن النظام الطاقي الألماني بنسبة 42%، وهي أفضل نسبة تحقق في أي مكان بأوروبا حتى الآن.

تخزين الطاقة والاستجابة للطلب في شبكات المحطات الافتراضية

دمج أنظمة تخزين الطاقة بالبطاريات (BESS) لدعم الذروة

تلعب أنظمة تخزين البطاريات دورًا رئيسيًا في عمليات المحطات الكهربائية الافتراضية في الوقت الحالي، حيث تساعد في إدارة طبيعة مصادر الطاقة المتجددة غير المتوقعة وتلبية الزيادات المفاجئة في الطلب عندما يعود الجميع إلى منازلهم من العمل. ووجدت أبحاث نُشرت العام الماضي في مجلة 'Energy Informatics' أن دمج تخزين البطاريات يقلل من تقلبات إنتاج الطاقة الشمسية والرياح بنسبة تصل إلى 26% تقريبًا، وذلك بفضل جدولة أكثر ذكاءً عبر فترات زمنية مختلفة. تقوم هذه الأنظمة بشكل أساسي بامتصاص الطاقة الشمسية الزائدة التي تُنتج في منتصف النهار، ثم تطلقها مرة أخرى إلى الشبكة عندما ترتفع أسعار الكهرباء في المساء. لا يؤدي هذا إلى جعل الشبكة بأكملها أكثر استقرارًا فحسب، بل يوفر أيضًا المال مقارنة بتشغيل محطات الذروة التقليدية، على الرغم من أن التوفير الفعلي يتراوح بين 15% و30% اعتمادًا على الموقع وظروف السوق.

تحسين تحويل الأحمال واستخدام بطاريات السيارات الكهربائية المستعملة في المحطات الافتراضية

يعمل مشغلو المحطات الكهربائية الافتراضية الذين يخططون للمستقبل على إيجاد طرق لإعطاء بطاريات السيارات الكهربائية المستعملة حياة ثانية لنقل الأحمال الكهربائية بتكلفة أقل. لا تزال معظم هذه الأنظمة المعاد استخدامها تحتفظ بحوالي 60 إلى 70 بالمائة من سعتها الأصلية للشحن، مما يعني أن الشركات يمكن أن توفر حوالي 40 بالمائة مقارنةً بتثبيت أنظمة ليثيوم أيون جديدة بالكامل وفقًا لتقرير شركة Energy Market Analytics من العام الماضي. وباستخدام تنبؤات ذكية تعتمد على الذكاء الاصطناعي، تتمكن المحطات الكهربائية الافتراضية من نقل استهلاك الكهرباء بعيدًا عن فترات الذروة المرتفعة التكلفة إلى فترات الليل الأقل تكلفة. لا تخفف هذه الطريقة الضغط عن الشبكة الكهربائية فحسب، بل تساعد أيضًا المستهلكين على توفير المزيد من المال مع الحفاظ على مستوى الراحة المعتاد في منازلهم.

استراتيجيات الاستجابة الديناميكية للطلب والمشاركة الاستهلاكية

وبحسب تقرير الابتكار في الشبكات لعام 2023، فإن المنازل التي تشارك في برامج الاستجابة للطلب المدعومة بإنترنت الأشياء (IoT) تحقق معدلات مشاركة أعلى بنسبة 22٪ في محطات الطاقة الافتراضية مقارنةً بالمنازل التي تستخدم نماذج التسعير الثابتة التقليدية. وبفضل القدرات الخاصة بالمراقبة الفورية والأجهزة الذكية التي تقوم تلقائيًا بالتعديل وفقًا للأسعار، يمكن للأسر أن تخفض استهلاكها للطاقة الكهربائية خلال فترات الذروة بنسبة تتراوح بين 18٪ و25٪. ويصبح الأداء أفضل خلال فترات الضغط الشديد على الشبكة الكهربائية. إذ يُطبّق النظام هيكلًا تدريجيًا للمكافآت لتحفيز خفض أكبر في الاستهلاك، وهو ما يتوافق مع ما وجدته مؤسسة Smart Grid Solutions Institute في أبحاثها. وقد أظهرت تحليلاتهم أن محطات الطاقة الافتراضية المُتكاملة مع إنترنت الأشياء تبدأ إجراءات الاستجابة للطلب أسرع بنسبة 31٪ تقريبًا مقارنة بالإعدادات التقليدية التي لا تستخدم هذه التقنية.

المحطات الكهربائية الافتراضية في أسواق الطاقة والتحسين الاقتصادي

الاشتراك في أسواق الكهرباء وتحقيق الدخل

تُعد محطات الطاقة الافتراضية تغييرًا جذريًا في طريقة عمل أسواق الطاقة، وذلك من خلال دمج موارد الطاقة الموزعة في منظومة أكبر قادرة على المنافسة فعليًا في أسواق الجملة، وتوفير تلك الخدمات الإضافية التي تحتاجها الشبكة. تستخدم هذه المحطات خوارزميات ذكية في الخلفية لتوزيع الطاقة المخزنة عندما ترتفع الأسعار في السوق، أحيانًا تحقق ما يصل إلى 92 دولارًا لكل ميغاواط ساعة فقط من خلال مساعدة النظام الكهربائي على الحفاظ على استقراره، وفقًا لبحث من كلية إنفورماتيكس الطاقة من العام الماضي. الطريق التي تحقق بها هذه المحطات الأرباح تمر عبر قنوات مختلفة حقًا. هناك عمليات الشراء مقدماً حيث تُقدّم العطاءات على العقود قبل بدء اليوم، ثم هناك المزايدة الفورية التي تحدث دقيقة بدقيقة على مدار اليوم. ولا ننسى أيضًا برامج الاستجابة للطلب. جميع هذه الأساليب تساعد مشغلي المحطات في استخلاص قيمة من المعدات التي قد يتركها الأشخاص بدون استخدام، مثل الألواح الشمسية المنزلية المزودة ببطاريات. وفي الوقت نفسه، تضمن هذه المنظومة توفر ما يكفي من الطاقة عند حدوث نقص في إمدادات الشبكة.

دراسة حالة: أنظمة تخزين الطاقة الكهروضوئية في سوق الكهرباء الوطني بأستراليا (NEM)

يُعدّ سوق الكهرباء الوطني في أستراليا رائداً حقاً في دمج محطات الطاقة الافتراضية. فخذ على سبيل المثال ولاية جنوب أستراليا، حيث تمكّن تجمّع محطات افتراضية بسعة 45 ميغاواط في عام 2023 من تخزين وتوصيل حوالي 245 ميغاواط ساعة من الطاقة الشمسية في أوقات الضغط على الشبكة. وقد ساعد هذا في الحفاظ على استقرار التردد بالقرب من 50 هرتز (وتحديداً 49.85) وجذب دفعات تعويضية بلغت حوالي 18200 دولار أمريكي. والجدير بالذكر أن هذا النموذج الناجح قد تم تبنيه في اثني عشر مشروعاً تجريبياً مختلفاً في جميع أنحاء المنطقة. وتُظهر هذه المحطات الافتراضية أنها قادرة على دمج الموارد المتجددة داخل الهياكل السوقية الحالية دون الحاجة إلى تلك المحطات المركزية القديمة التي تعمل بالوقود الأحفوري لتحقيق التوازن. ومن المتوقع أن تساهم هذه المحطات الافتراضية بحوالي 12 بالمئة من القدرة الثابتة المطلوبة لسوق الكهرباء الوطني في أستراليا بحلول نهاية عام 2027، على الرغم من وجود متغيرات قد تؤثر على هذا التوقع.

الحواجز التنظيمية ونماذج الحوافز لدخول السوق

تتمتع محطات الطاقة الافتراضية بإمكانات حقيقية، لكنها تواجه عقبات عندما يتعلق الأمر باللوائح التنظيمية. لا تزال العديد من هياكل التعريفة الكهربائية الحالية تصنف موارد الطاقة الموزعة المجمعة على أنها أحمال تجزئة بسيطة بدلًا من مصادر توليد فعلية. تناولت وزارة الطاقة الأمريكية هذه القضية مؤخرًا واكتشفت أن ما يقارب الثلثين من قواعد الربط الحالية ما زالت تمارس هذه الممارسات التقييدية. ومع ذلك، تبدو الأمور أفضل في كاليفورنيا. فقد نفذت نظام CAISO ما يُعرف بـ"الحدود التشغيلية الديناميكية"، والتي تضع ببساطة حدودًا ذكية لتحديد كمية الطاقة التي يمكن أن تتدفق إلى الشبكة أو منها من هذه الموارد الموزعة. وحدها هذه التغييرات أدت إلى زيادة هائلة بلغت 210٪ في مشاركة محطات الطاقة الافتراضية خلال برامج تجريبية العام الماضي. وباستكمال النظر في النماذج الناجحة في أماكن أخرى، تقدم ألمانيا دفعات سنوية لسعة تبلغ حوالي 5.3 يورو لكل كيلوواط. في الوقت نفسه، تفتح الأسواق نفسها بسرعة أكبر أمام شركات التجميع التي تُظهر إجراءات أمن سيبراني قوية وأداءً متريًا متسقًا.

التغلب على التحديات التقنية والابتكارات المستقبلية

الأمن السيبراني، والتكامل البيني، ومخاطر إدارة البيانات

تواجه محطات الطاقة الافتراضية هذه الأيام مشكلات أمن سيبراني جدية. وجد معهد Ponemon أن الشركات الطاقية تفقد عادةً حوالي 4.7 مليون دولار عندما تتعرض لهجمات سيبرانية. مع كل العمليات الموزعة الجارية، هناك فجوات حقيقية في كيفية تواصل موارد الطاقة الموزعة (DERs) والتحكم في أنظمتها. تحتاج الشركات إلى إجراءات حماية أفضل الآن أكثر من أي وقت مضى - أشياء مثل التأكد من تحديث البرامج الثابتة بشكل آمن ولديها أنظمة جيدة لاكتشاف الأنشطة غير العادية. ثم هناك فوضى التكامل البيني. يواجه معظم مشغلي محطات الطاقة الافتراضية صعوبة في جعل أنظمة SCADA القديمة تعمل جنبًا إلى جنب مع تقنيات موارد الطاقة الموزعة الأحدث. ويشكو حوالي 78٪ من مشكلات كبيرة في محاولة دمج هذه المنصات المختلفة وفقًا لمعايير IEEE 2030.5. ومن الواضح بشكل متزايد أن مشكلات التوافق ستستمر في ملاحقة القطاع ما لم نجد طرقًا أفضل للمضي قدمًا.

المخاطر التشغيلية	استراتيجية التخفيف
جزر البيانات	أنظمة وسم البيانات الوصفية الموحدة لوحدات إنتاج الطاقة الموزعة
ثغرات واجهة برمجة التطبيقات	سلاسل التشفير المقاومة للحوسبة الكمومية
تنوع الأجهزة	نظام بوابة متوافق مع معيار OpenFMB

التحكم التنبؤي المدفوع بالذكاء الاصطناعي لتشغيل شبكات توزيع الطاقة الافتراضية على نطاق واسع

تتوقع نماذج التعلم الآلي الآن إنتاج وحدات إنتاج الطاقة الموزعة محليًا بدقة 94٪، مما يمكّن شبكات توزيع الطاقة الافتراضية من موازنة محفظة بسعة 450 ميغاواط خلال فترات أقل من خمس دقائق. تمكن مشروع تجريبي في كاليفورنيا باستخدام التعلم المعزز من تحقيق مكاسب في الكفاءة بنسبة 12٪ في تشغيل أنظمة تخزين الطاقة الشمسية خلال موجات الحرارة في عام 2023. تساهم تقنيات ناشئة مثل التعلم المشترك في الحفاظ على خصوصية البيانات في حين تحسين خدمات الشبكة عبر الشبكات اللامركزية.

تشمل الابتكارات الرئيسية ما يلي:

• إعادة تكوين ديناميكية لمجموعات وحدات إنتاج الطاقة الموزعة أثناء أعطال الشبكة
• وحدات تحكم ذكية باستخدام التشفير الهومومورفيكي
• نماذج هجينة فيزيائية-تعلم آلي تتنبأ باستجابة أسطول المركبات الكهربائية لإشارات الأسعار

تُعد هذه التطورات حيويةً لتوسيع نطاق محطات الطاقة الافتراضية في المناطق التي تستهدف تحقيق نسبة 50٪ من اقتحام الشبكة من خلال مصادر الطاقة الموزعة بحلول عام 2030.

أسئلة شائعة حول محطات الطاقة الافتراضية

ما هي محطة الطاقة الافتراضية (VPP) بالضبط؟

محطة الطاقة الافتراضية هي شبكة موزعة تتكامل فيها مصادر الطاقة الموزعة المختلفة مثل الألواح الشمسية وأنظمة تخزين البطاريات، مما يمكّنها من العمل بشكل جماعي كوحدة إنتاج طاقة موحّدة تستجيب لاحتياجات الشبكة الكهربائية.

كيف تحسّن محطات الطاقة الافتراضية استقرار الشبكة؟

تحسّن محطات الطاقة الافتراضية استقرار الشبكة من خلال موازنة طبيعة المصادر المتجددة غير المستمرة، عن طريق تجميع الأصول الموزعة واستخدام أنظمة تحكم متقدمة للحفاظ على موثوقية الشبكة خلال ظروف تقلّب العرض والطلب.

ما الدور الذي تلعبه البطاريات في شبكات محطات الطاقة الافتراضية؟

تُخزِّن البطاريات الطاقة الزائدة الناتجة خلال فترات الطلب المنخفض، وتطلقها خلال فترات الذروة، مما يدعم استقرار الشبكة ويقلل الاعتماد على محطات توليد الطاقة التي تعمل بالوقود الأحفوري.

هل تعدّ محطات الطاقة الافتراضية مربحة؟

نعم، حيث تُولِّد محطات VPP إيرادات من خلال المشاركة في أسواق الكهرباء، والمشاركة في المناقصات الخاصة بالعقود الجملة، وتقديم خدمات الاستجابة للطلب، مما يجعلها نماذج اقتصادية قابلة للتطبيق.

ما هي التحديات التي تواجهها محطات الطاقة الافتراضية؟

تواجه محطات VPP حواجز تنظيمية، ومخاطر أمنية سيبرانية، وتحديات في الدمج مع التقنيات التقليدية للشبكة.