محطات الطاقة الافتراضية تمر بلحظتها

نفذت شركة RWE الألمانية أول محطة طاقة افتراضية معروفة (VPP) في عام 2008، حيث جمعت تسع محطات صغيرة للطاقة الكهرومائية بقدرة إجمالية تبلغ 8.6 ميجاوات. بشكل عام، يجمع VPP العديد من المكونات الصغيرة معًا – مثل الطاقة الشمسية الموجودة على الأسطح، والبطاريات المنزلية، وأجهزة تنظيم الحرارة الذكية – في نظام طاقة واحد منسق. ويستجيب النظام لاحتياجات الشبكة عند الطلب، سواء من خلال إتاحة الطاقة المخزنة أو تقليل استهلاك الطاقة بواسطة الأجهزة الذكية خلال ساعات الذروة.

كان لدى VPPs لحظة في منتصف عام 2010، لكن ظروف السوق والتكنولوجيا لم تكن متوافقة تمامًا مع انطلاقتها. ولم يكن الطلب على الكهرباء مرتفعا بما فيه الكفاية، وكانت المصادر الحالية – الفحم والغاز الطبيعي والطاقة النووية والطاقة المتجددة – تلبي الطلب وحافظت على استقرار الأسعار. بالإضافة إلى ذلك، على الرغم من انخفاض تكاليف الأجهزة مثل الألواح الشمسية والبطاريات، فقد تخلفت برامج ربط هذه الموارد وإدارتها، ولم يكن هناك حافز مالي كبير للحاق بها.

لكن الزمن تغير، وبعد أقل من عقد من الزمان، أصبحت النجوم تصطف لصالح VPPs. إنهم يصلون إلى نقطة انعطاف للنشر، ويمكنهم لعب دور مهم في تلبية الطلب على الطاقة على مدى السنوات الخمس إلى العشر القادمة بطريقة أسرع وأرخص وأكثر خضرة من الحلول الأخرى.

الطلب على الكهرباء في الولايات المتحدة آخذ في النمو

من المتوقع أن ينمو الطلب على الكهرباء في الولايات المتحدة بنسبة 25% بحلول عام 2030 بسبب بناء مراكز البيانات، والسيارات الكهربائية، والتصنيع، والكهرباء، وفقًا لتقديرات شركة الاستشارات التكنولوجية ICF International.

وفي الوقت نفسه، هناك مجموعة من الاختناقات تجعل من الصعب توسيع الشبكة. هناك تراكم لمدة لا تقل عن ثلاث إلى خمس سنوات في توربينات الغاز الجديدة. وتقبع مئات الجيغاوات من مصادر الطاقة المتجددة في طوابير الربط البيني، حيث يوجد أيضًا تراكم يصل إلى خمس سنوات. ومن ناحية التسليم، هناك نقص في المحولات قد يستغرق حله ما يصل إلى خمس سنوات، وندرة في خطوط النقل. كل هذا يضيف إلى عملية طويلة وبطيئة لإضافة القدرة على التوليد والتسليم، ولن تصبح أسرع في أي وقت قريب.

يقول براد هيفنر، المدير التنفيذي لجمعية الطاقة الشمسية والتخزين في كاليفورنيا: “إن تزويد السيارات الكهربائية، والحرارة الكهربائية، ومراكز البيانات بالوقود باستخدام الأساليب التقليدية فقط من شأنه أن يزيد المعدلات المرتفعة للغاية بالفعل”.

أدخل إلى الشبكة الواسعة من الموارد النشطة بالفعل والمتصلة بالشبكة – والعاصفة المثالية من العوامل التي تجعل الآن الوقت مناسبًا لتوسيع نطاقها. يقول عادل الناصري، أستاذ الهندسة الكهربائية في جامعة كارولينا الجنوبية، إن تباين الأحمال من مراكز البيانات والمركبات الكهربائية قد زاد، وكذلك نشر البطاريات ووحدات التخزين على نطاق الشبكة. أصبحت موارد الطاقة الموزعة متاحة أكثر مما كانت عليه من قبل، وقد شهد العقد الماضي تقدمًا في إدارة الشبكة باستخدام أدوات التحكم المستقلة.

ومع ذلك، فإن جوهر كل ذلك هو التكنولوجيا التي تقوم بتخزين وتوزيع الكهرباء عند الطلب: البطاريات.

التقدم في تكنولوجيا البطاريات

على مدى السنوات العشر الماضية، انخفضت أسعار البطاريات: انخفض متوسط ​​سعر حزمة بطاريات الليثيوم أيون من 715 دولارًا أمريكيًا لكل كيلووات/ساعة في عام 2014 إلى 115 دولارًا لكل كيلووات/ساعة في عام 2024. وقد زادت كثافة الطاقة في الوقت نفسه بفضل مجموعة من التطورات في المواد، وتحسين تصميم خلايا البطارية، والتحسينات في تعبئة أنظمة البطاريات، كما يقول أوليفر جروس، وهو زميل بارز في مجال تخزين الطاقة والكهرباء في شركة صناعة السيارات ستيلانتس.

وقد جاءت أكبر التحسينات في كاثودات البطاريات والإلكتروليتات، حيث بدأ استخدام الكاثودات القائمة على النيكل منذ حوالي عقد من الزمن. يقول جريج ليس، مدير مختبر البطاريات بجامعة ميشيغان: “من نواحٍ عديدة، يحد الكاثود من قدرة البطارية، لذلك من خلال فتح مواد الكاثود ذات السعة العالية، تمكنا من الاستفادة من السعة العالية الجوهرية لمواد الأنود”.

تؤدي زيادة نسبة النيكل في الكاثود (بالنسبة للمعادن الأخرى) إلى زيادة كثافة الطاقة لأن النيكل يمكن أن يحتوي على كمية أكبر من الليثيوم لكل جرام مقارنة بمواد مثل الكوبالت أو المنغنيز، مما يؤدي إلى تبادل المزيد من الإلكترونات والمشاركة بشكل كامل في تفاعلات الأكسدة والاختزال التي تحرك الليثيوم داخل وخارج البطارية. وينطبق الشيء نفسه على السيليكون، الذي أصبح أكثر شيوعا في الأنودات. ومع ذلك، هناك مقايضة: تسبب هذه المواد المزيد من عدم الاستقرار الهيكلي أثناء دورة البطارية.

الأنود والكاثود محاطان بالكهرباء السائلة. يجب أن يكون المنحل بالكهرباء مستقرًا كهربائيًا وكيميائيًا عند تعرضه للأنود والكاثود لتجنب مخاطر السلامة مثل الهروب الحراري أو الحرائق والتدهور السريع. يقول جروس: “كانت الثورة الحقيقية هي الاختراقات في الكيمياء لجعل الإلكتروليت مستقرًا ضد مواد الكاثود الأكثر تفاعلية لزيادة كثافة الطاقة”. تساعد إضافات المركبات الكيميائية – يعتمد العديد منها على كيمياء الكبريت والبورون – على المنحل بالكهرباء على إنشاء طبقات مستقرة بينه وبين مواد الأنود والكاثود. “إنها تشكل هذه الطبقات الواقية في وقت مبكر جدًا من عملية التصنيع بحيث تظل الخلية مستقرة طوال حياتها.”

تم إجراء هذه التطورات في المقام الأول على بطاريات السيارات الكهربائية، والتي تختلف عن البطاريات على نطاق الشبكة حيث أن المركبات الكهربائية غالبًا ما تكون متوقفة أو خاملة، في حين أن بطاريات الشبكة متصلة باستمرار وتحتاج إلى أن تكون جاهزة لنقل الطاقة. ومع ذلك، يقول جروس: “يمكن أيضًا تطبيق نفس الأساليب التي أدت إلى زيادة كثافة الطاقة لدينا في المركبات الكهربائية لتحسين تخزين الشبكة. قد تكون المواد مختلفة قليلاً، لكن المنهجيات هي نفسها”. مادة الكاثود الأكثر شيوعًا لبطاريات تخزين الشبكة في الوقت الحالي هي فوسفات حديد الليثيوم، أو LFP.

وبفضل هذه المكاسب التقنية وانخفاض التكاليف، بدأ تأثير الدومينو: كلما زاد عدد البطاريات التي تم نشرها، أصبحت أرخص، مما يغذي المزيد من النشر ويخلق حلقات ردود فعل إيجابية.

تعد المناطق التي شهدت انقطاعات متكررة للتيار الكهربائي – مثل أجزاء من تكساس وكاليفورنيا وبورتوريكو – سوقًا رئيسية للبطاريات المنزلية. تقوم شركة Base Power، ومقرها تكساس، والتي جمعت مليار دولار من تمويل السلسلة C في أكتوبر، بتركيب البطاريات في منازل العملاء وتصبح مزود الطاقة بالتجزئة، حيث تشحن البطاريات عندما يؤدي إنتاج الرياح أو الطاقة الشمسية الزائد إلى جعل الأسعار رخيصة، ثم تبيع تلك الطاقة مرة أخرى إلى الشبكة عندما يرتفع الطلب.

ومع ذلك، لا يزال هناك مجال للتحسين. ومن أجل اعتماد أوسع، يقول نصيري، “يجب أن تقل تكلفة البطارية المثبتة عن 100 دولار لكل كيلووات في الساعة لعمليات نشر VPP الكبيرة.”

تحسينات في برنامج VPP

لقد نضجت البنية التحتية للبرمجيات التي كانت في السابق تقتصر على VPPs على المشاريع التجريبية، لتصبح عمودًا فقريًا رقميًا قويًا، مما يجعل من الممكن تشغيل VPPs على نطاق الشبكة. يعد التقدم في الذكاء الاصطناعي أمرًا أساسيًا: يستخدم العديد من VPPs الآن خوارزميات التعلم الآلي للتنبؤ بمرونة التحميل، ومخرجات الطاقة الشمسية والبطارية، وسلوك العملاء، وأحداث إجهاد الشبكة. يؤدي هذا إلى تحسين موثوقية قدرة VPP، والتي كانت تاريخياً مصدر قلق كبير لمشغلي الشبكة.

في حين أن الألواح الشمسية قد تطورت، إلا أن VPPs تم إعاقةها بسبب عدم وجود تقدم مماثل في البرامج المطلوبة حتى وقت قريب.Sunrun

لا تزال معايير الأمن السيبراني وقابلية التشغيل البيني في طور التطور. عمليات الربط البيني ورؤية البيانات في العديد من المجالات ليست متسقة، مما يجعل من الصعب مراقبة وتنسيق الموارد الموزعة بشكل فعال. باختصار، في حين أن التكنولوجيا والاقتصاديات الخاصة بـ VPPs راسخة، فلا يزال هناك عمل يتعين القيام به لمواءمة التنظيم والبنية التحتية وتصميم السوق.

علاوة على القيود الفنية والقيود المتعلقة بالتكلفة، ظلت الشركات VPP مقيدة منذ فترة طويلة بسبب القواعد التنظيمية التي منعتها من المشاركة في أسواق الطاقة مثل المولدات التقليدية. أعلنت شركة SolarEdge مؤخرًا عن تسجيل أكثر من 500 ميجاوات/ساعة من تخزين البطاريات السكنية في برامج VPP الخاصة بها. تقول تامارا سينينسكي، المدير الأول لخدمات الشبكة في الشركة، إن العقبة الأكبر أمام تحقيق هذا الإنجاز لم تكن تقنية، بل كانت تصميم البرنامج التنظيمي.

يقوم برنامج دعم الشبكة على جانب الطلب (DSGS) في كاليفورنيا، الذي تم إطلاقه في منتصف عام 2022، بالدفع للمنازل والشركات وVPPs لتقليل استخدام الكهرباء أو تفريغ الطاقة أثناء حالات طوارئ الشبكة. يقول سينينسكي: “لقد شهدنا زيادة هائلة في عدد المسجلين في برنامج VPP لدينا، مدفوعًا في المقام الأول ببرنامج DSGS”. وبالمثل، قام مشروع Sunrun’s Northern California VPP بتوصيل 535 ميجاوات من الطاقة من البطاريات المنزلية إلى الشبكة في يوليو، وشهد زيادة بنسبة 400 بالمائة في مشاركة VPP عن العام الماضي.

يتطلب أمر FERC رقم 2222، الصادر في عام 2020، من مشغلي الشبكات الإقليمية السماح لـ VPPs ببيع الطاقة، أو تقليل الحمل، أو تقديم خدمات الشبكة مباشرة إلى مشغلي سوق الجملة، والحصول على نفس سعر السوق الذي تدفعه محطة الطاقة التقليدية مقابل تلك الخدمات. ومع ذلك، فإن العديد من الولايات ومناطق الشبكة ليس لديها حتى الآن عملية للامتثال لأمر FERC. ونظرًا لأن المرافق تستفيد من توسيع الشبكة وليس نشر VPP، فلا يتم تحفيزها لدمج VPPs في عملياتها. يقول هيفنر إن المرافق “تنظر إلى بطاريات العملاء على أنها منافسة”.

ووفقاً للناصري، سيكون لـ VPPs تأثير ملموس على الشبكة إذا حققت اختراقًا بنسبة 2 بالمائة من ذروة الطاقة في السوق. ويقول: “يتطلب الأمر اختراقًا أكبر بنسبة تصل إلى 5 بالمائة لمدة تصل إلى 4 ساعات لإحداث تأثير ملموس على القدرة على تخطيط الشبكة وتشغيلها”.

بمعنى آخر، يواجه مشغلو VPP عملاً صعبًا بالنسبة لهم في الاستمرار في إطلاق العنان للقدرات المرنة في المنازل والشركات والمركبات الكهربائية. يمكن للتقدم التقني والسياسي الإضافي أن ينقل VPPs من أداة موثوقية متخصصة إلى مصدر رئيسي للطاقة ومثبت للشبكة لمواجهة اضطرابات الطاقة المقبلة.