- شبكة الكهرباء قديمة جدًا وبسيطة بحيث لا تتحمل نمو الظروف الجوية القاسية والمركبات الكهربائية والطاقة المتجددة.
- قامت مرافق تشاتانوغا ببناء شبكة ذكية بقيمة 280 مليون دولار، مما أدى إلى خلق قيمة اقتصادية قدرها 2.7 مليار دولار.
- هذه المقالة جزء من “تحويل الأعمال: البنية التحتية“، سلسلة تستكشف التطورات التي تعيد تشكيل البنية التحتية في الولايات المتحدة.
من المفيد أن تكون ذكيًا، وقد وضعت تشاتانوغا بولاية تينيسي معنى جديدًا تمامًا لهذه العبارة. المدينة هي موطن لواحدة من شبكات الطاقة الأكثر تقدما في البلاد.
أنفقت المرافق المحلية، التي تسمى EPB في تشاتانوغا، 280 مليون دولار لتجديد نظام الطاقة الخاص بها بتقنيات ذكية لإنشاء “شبكة ذكية”.
وفي السنوات العشر الأولى، حقق المشروع قيمة اقتصادية بقيمة 2.7 مليار دولار، وفقًا لدراسة ممولة من EPB. وهذا ليس عائدا سيئا على الاستثمار.
تحتاج الشبكة الأمريكية إلى الإنترنت الخاص بها
توفر الشبكات الذكية مثل هذه مستقبلًا أنظف وأكثر أمانًا وكفاءة مع فواتير كهرباء أقل وانقطاعات أقل للتيار الكهربائي – وهو أمر رائع لأن الطريقة التي عمل بها نظام الطاقة لدينا خلال القرن الماضي لن تكفي للقرن التالي.
في معظم الأماكن، الطاقة يبدأ بمحطة طاقة عملاقة تعمل بالفحم. ومن هناك، تقوم خطوط النقل بنقل الكهرباء إلى محطة فرعية، مما يخفض الجهد ويضخها إلى خطوط التوزيع إلى المنازل والشركات.
تتدفق الكهرباء في اتجاه واحد، من محطة توليد الكهرباء إلى منزلك، ولا تفعل الكثير في أي اتجاه آخر. الأمر بسيط، وكان ذلك جيدًا لفترة طويلة. لكنها أصبحت مشكلة حيث أدت أزمة المناخ إلى تعقيد إمدادات الطاقة لدينا.
تدمر الأحداث المناخية المتطرفة بشكل متزايد البنية التحتية الكهربائية لدينا وتتسبب في انقطاع التيار الكهربائي الذي يكلف الشركات الأمريكية ما يقدر بنحو 150 مليار دولار سنويًا، وفقًا لوزارة الطاقة الأمريكية.
وفي الوقت نفسه، تفرض الحلول المناخية ضغوطها على الشبكة. تعمل مزارع الرياح والألواح الشمسية على تغذية النظام بالطاقة بشكل غير متسق، مما يجعل من الصعب ضبط وتيرة الإمداد مع التدفق اليومي لاستخدام الكهرباء.
كما تعمل مصادر الطاقة المتجددة على تعقيد الأمور بأعداد هائلة – بدلا من 12 ألف محطة لتوليد الطاقة، في غضون بضعة عقود فقط، يمكن للولايات المتحدة أن تستمد طاقتها من مليون مصدر متفرق، من سدود الطاقة الكهرومائية إلى الألواح الشمسية على الأسطح.
وفي الوقت نفسه، يزيد الطلب على الكهرباء، بما في ذلك ظهور السيارات الكهربائية.
ويقول الخبراء إن الشبكة تحتاج إلى شبكة إنترنت خاصة بها، للتعامل مع هذه المشكلة. إنهم يدعون إلى “شبكة ذكية” رقمية.
وقال كيفن شنايدر، كبير المهندسين الذي يدرس أنظمة الطاقة في المختبر الوطني شمال غرب المحيط الهادئ، لموقع Business Insider: “إنه أمر ضروري”.
وبدون التقنيات الذكية، ستكون الشبكة غير فعالة، مما يؤدي إلى خسائر اقتصادية وإبطاء التحول إلى الطاقة النظيفة. يمكن أيضًا أن تقع الشبكة القديمة ضحية لمزيد من انقطاع التيار الكهربائي.
وقال شنايدر: “إذا كان الناس نائمين حقًا خلف عجلة القيادة، وواصلنا الدفع أكثر، فيمكننا في النهاية الوصول إلى المبالغة في نظام الطاقة في العالم الثالث”.
منحت الجمعية الأمريكية للمهندسين المدنيين البنية التحتية للطاقة في الولايات المتحدة درجة C- سالب في عام 2021، مشيرة إلى ضعف الموثوقية والتهديدات المتزايدة الناجمة عن الأحوال الجوية القاسية.
ولكن التحول الأشبه بتحول تشاتانوغا في مختلف أنحاء البلاد من الممكن أن يوفر لنا كل الأموال، ويقلل من انبعاثات الكربون، ويمنع انقطاع التيار الكهربائي.
ما هي الشبكة الذكية؟
الوظيفة الرئيسية لأي شبكة كهرباء هي تحقيق التوازن بين العرض والطلب على الكهرباء. الكثير من الطاقة يمكن أن تلحق الضرر بالنظام. لا يكفي أن يترك بعض الناس في الظلام.
تقوم الشبكة الذكية بأتمتة عملية التوازن هذه باستخدام نظام من العدادات وأجهزة الاستشعار وأجهزة التحكم وأجهزة الكمبيوتر.
ويمكن للشبكات الذكية أيضًا أن تساعد الشركات أو مشغلي المصانع أو أصحاب المنازل على اتخاذ قرارات مدروسة بشكل أفضل حول متى وكيف يستخدمون الطاقة، وما إذا كانوا يريدون توفير المال، أو تقليل الانبعاثات، أو كليهما.
وقال جوشوا رودس، عالم الأبحاث الذي يدرس الشبكات الذكية في جامعة تكساس في أوستن، لموقع BI: “يمكنها إرسال المعلومات مع الكهرباء”.
وأضاف أنه على سبيل المثال، “يمكنه التحكم في أسطول من مكيفات الهواء وربما إيقاف تشغيلها لمدة 15 دقيقة في المرة الواحدة” لتحسين تكاليف الطاقة.
كيف جعلت تشاتانوغا شبكتها ذكية
احتاج EPB في Chattanooga في البداية إلى نظام للتواصل مع جميع الأجهزة الذكية التي سيقوم بتثبيتها. ولا يمكنها إجراء ترقيات كبيرة لنظامها بدونها.
وقال ديفيد ويد، الرئيس التنفيذي لـ EPB في تشاتانوغا، لـ BI: “كل ما كنت تتطلع إلى القيام به، كان القيد هو الاتصالات”.
ستفي الألياف الضوئية بالغرض، وتسمح لـ EPB بالبدء في تقديم خدمات التلفزيون والإنترنت والهاتف.
مع احتمال الإيرادات والمهمة كمرفق عام لتحسين نوعية الحياة، وافق مجلس إدارة EPB على خطة في عام 2008.
وبمبلغ 169 مليون دولار من إصدار سندات بلدية للمشروع، بدأ العمال في حفر الخنادق وتسلق الأعمدة لمد كابلات ألياف بصرية جديدة عبر مقاطعة هاميلتون.
كان من المفترض أن يستغرق المشروع 10 سنوات، لكن منحة بقيمة 111.5 مليون دولار من وزارة الطاقة أدت إلى تسريع العملية، مما أدى إلى تقليل الوقت اللازم للانتهاء إلى النصف. انتهت المنشأة من بناء شبكتها الذكية في عام 2012.
وفي غضون أربع سنوات فقط، قامت EPB بوضع شبكة الألياف الضوئية الخاصة بها وربطها بأكثر من 180 ألف عداد ذكي في منازل العملاء والشركات. كما قامت أيضًا بتركيب حوالي 1200 مفتاح ذكي آلي، والتي تفتح أو تغلق تدفق الطاقة استجابةً للبرامج الآلية أو الأوامر عن بعد من المشغلين البشريين.
يمكن للمفاتيح الذكية إعادة توجيه الطاقة بسرعة حول خطوط الكهرباء المتساقطة والتي قد تتسبب في انقطاع التيار الكهربائي. وهذا يعني أن النظام يشفى ذاتيًا، ويستعيد الطاقة في ثوانٍ.
ونتيجة لذلك، أبلغت EPB عن انخفاض سنوي بنسبة 55% في دقائق الانقطاع، أو حوالي 19 مليون دقيقة انقطاع سنويًا.
في السابق، كان على المرسلين التوجه إلى كل مفتاح لفتحه أو إغلاقه يدويًا.
وقال وايد: “إنها تتخذ نفس القرارات التي كنا نتخذها كمرسلين وبشر، وربما نجعلها أسرع بعدة مرات”.
وفي العقد التالي، أنفقت EPB 115.5 مليون دولار أخرى لتوسيع شبكتها الذكية لتشمل مشاريع سكنية وتجارية جديدة.
الشبكات الذكية أكثر كفاءة
نظرًا لأن الشبكة الذكية تعمل على أتمتة التوازن بين العرض والطلب – مما يساعد على ضمان عدم وجود طاقة في النظام أكثر مما يستخدمه الأشخاص في أوقات مختلفة من اليوم – فهي أكثر كفاءة.
وهذا يقلل من هدر الطاقة والانبعاثات.
في فترة الدراسة الممولة من EPB، من 2014 إلى 2020، أطلقت شبكة EPB كمية أقل من ثاني أكسيد الكربون بمقدار 8300 طن عما كانت ستصدره لو لم تكن ذكية. هذا تقريبا بقدر ما انبعاثات طائرة تايلور سويفت الخاصة في النصف الأول من عام 2022.
وجاءت هذه المدخرات الكربونية ويرجع ذلك جزئيًا إلى انخفاض استخدام الطاقة وجزئيًا بسبب انخفاض أميال الشاحنات حيث لم يعد المرسلون مضطرين إلى القيادة إلى كل مفتاح عند كل انقطاع.
لا يقتصر الأمر على انقطاع التيار الكهربائي. وعلى نطاق أوسع، يمكن لشبكة أكثر ذكاءً أن تتكيف بشكل أفضل مع زيادة مصادر الطاقة المتجددة.
على سبيل المثال، لنأخذ طريق باسيفيك إنترتي، وهو طريق سريع لخطوط النقل التي تحمل الطاقة الكهرومائية من نهر كولومبيا وصولاً إلى جنوب كاليفورنيا. قد يحتاج النظام إلى إرسال الطاقة في الاتجاه الآخر في كثير من الأحيان مع انتشار الطاقة الشمسية في جنوب الولاية.
وقال شنايدر: “لقد واجهنا موجة برد في الشمال. وكان الجو مشمسًا نسبيًا في الجنوب، وفجأة تدفقت الطاقة في الاتجاه الآخر”.
إن وجود برامج ومعدات آلية للتعامل مع هذه العملية يمكن أن يجعلها أكثر كفاءة ويساعد النظام على التكيف بسرعة مع التغييرات غير المتوقعة.
بعبارة أخرى، تم تصميم الشبكة الذكية للقيام بأكثر من شيء واحد.
وقال شنايدر: “سنبدأ في رؤية المزيد من الأشياء من هذا القبيل، حيث تم تصميم النظام للقيام بـ X، ونحن نرى ABCDEFG”.
يمكن للشبكات الذكية أن تحقق فوائد اقتصادية هائلة
حتى الكونجرس يعرف أن الأمة بحاجة إلى شبكة ذكية. وفي عام 2007، وجهت وزارة الطاقة بالبدء في توزيع المنح لتحقيق ذلك.
هذا هو البرنامج الذي أعطى EPB دفعة، وقد أنفق المليارات على البنية التحتية للشبكة الذكية في جميع أنحاء البلاد.
يبدو أن البداية نجحت. وفي عام 2020، قدرت الوزارة أن استثمارات الشبكة الذكية سترتفع إلى 16.4 مليار دولار سنويا بحلول عام 2026 – مقارنة بنحو 6.4 مليار دولار في عام 2018.
على الرغم من أن الشبكة الذكية تتطلب استثمارًا كبيرًا مقدمًا، إلا أنها يمكن أن توفر الكثير من المال في المستقبل.
على سبيل المثال، قدرت دراسة الشبكة الذكية لـ EPB الفوائد التي تعود على كل مقيم في مقاطعة هاميلتون بحوالي 646 دولارًا سنويًا في السنوات العشر الأولى للمشروع.
ووجدت الدراسة أن ذلك لأن المشروع خلق أكثر من 9500 فرصة عمل، وساعد في جذب شركات جديدة مع طاقة فعالة من حيث التكلفة وإنترنت عالي السرعة، وأبقى فواتير الكهرباء للعملاء أقل مما كانت ستكون عليه بدون الشبكة الذكية. ووفرت كل أسرة حوالي 93 دولارًا سنويًا على فواتير الكهرباء.
ووجدت الدراسة أنه إذا جمعنا كل ذلك، فإن الشبكة الذكية مع إنترنت الألياف الضوئية قدمت قيمة اقتصادية بقيمة 2.7 مليار دولار في السنوات العشر الأولى لها.
مستقبل نظام الطاقة لدينا
وفي المستقبل المثالي، يمكن لكل موجة جديدة من تكنولوجيا الشبكة أن تندمج بسلاسة في النظام الذكي. يمكن أن يوفر تخزين الطاقة على نطاق واسع احتياطيًا لإمداد المجتمعات بالطاقة عندما لا تكون الشمس مشرقة أو عندما لا تهب الرياح بما يكفي.
يومًا ما، يمكن للأجهزة الذكية في منزلك أن تزن جدولك الشخصي مقابل ذروة الطلب على الكهرباء والأسعار، بالإضافة إلى توقيت الحد الأدنى من انبعاثات الكربون، لحساب الوقت المثالي لغسل الأطباق أو تدفئة منزلك. يمكن أن يترجم ذلك إلى توفير كبير في فاتورة الكهرباء الخاصة بك والبصمة الكربونية الخاصة بك.
“أعتقد أن شبكة الغد ستصبح حقًا: كيف يمكنك التعامل مع هذا الانتشار الهائل للأجهزة وتحسينها من أجل مصلحة الجميع؟” قال وايد.
ما زلنا بعيدين عن هذا العالم، ولكن بعض المرافق ترقى إلى مستوى الحدث. على الصعيد الوطني، هناك المئات من الشبكات الصغيرة – وهي مناطق محلية صغيرة يمكن أن تعمل بشكل مستقل عن الشبكة الأكبر إذا لزم الأمر.
وفي حالة انقطاع التيار الكهربائي بشكل كبير، يمكنهم عزل أنفسهم عن الشبكة الأكبر والاعتماد على الألواح الشمسية الخاصة بهم أو البطاريات الاحتياطية. الشبكات الصغيرة هي المفتاح لشبكة ذكية أكبر ومرونة غير مسبوقة في مجال الطاقة.
تقوم تشاتانوغا باختبار شبكة صغيرة حول مقر الشرطة وإدارة الإطفاء.
وقال ويد: “اليوم، نحن في وضع أفضل بكثير من أي مرفق أعرفه فيما يتعلق بإضافة الأصول الموزعة إلى الشبكة وإنشاء شبكات صغيرة”.
وأضاف: “سيصبح أكثر ذكاءً”.