نموذج سلسلة كتل مؤمّن بمساعدة خادم لاستجابة الطلب السكنية في الشبكات الذكية

لماذا قد تتبادل منازلنا المستقبلية الطاقة فيما بينها

مع إضافة المزيد من الأسر لألواح شمسية على الأسطح وبطاريات وحتى سيارات كهربائية، تتحول منازلنا بهدوء إلى محطات طاقة مصغّرة. هذا خبر جيد للطاقة النظيفة، لكنه يجعل مهمة الحفاظ على تزويد الكهرباء أكثر تعقيدًا. تستعرض هذه الورقة طريقة جديدة للأحياء لمشاركة الكهرباء مباشرة مع بعضها البعض باستخدام أفكار مستعارة من العملات الرقمية، مع الحفاظ على سرعة النظام وعدالته وأمانه.

من طاقة باتجاه واحد إلى جيران نشطين

في الشبكة التقليدية، كانت الكهرباء تتدفق في اتجاه واحد: من محطات الطاقة البعيدة إلى المستهلكين الساكنين. اليوم، كثير من السكان يستهلكون وينتجون الطاقة في آن واحد، ليحملوا تسمية «المنتجين-المستهلكين» (prosumers). قد يصدرون الطاقة الشمسية في ظهيرات مشمسة ويستهلكون من الشبكة ليلًا. هذه التوليد المحلي يمكن أن يقلل الخسائر على خطوط الطاقة الطويلة ويخفف الضغط على المحطات الكبيرة، لكنه يجعل نمط العرض والطلب العام أكثر تقلبًا. لمعادلة ذلك، تشجع شركات المرافق برامج «إدارة جانب الطلب» التي تدفع الناس لتحريك الاستخدامات المرنة مثل تسخين المياه أو غسل الملابس بعيدًا عن ساعات الذروة.

لماذا السيطرة المركزية البسيطة ليست كافية

تعتمد معظم البرامج الحالية على مراكز تحكم كبيرة ومركزية. ترسل العدادات الذكية بيانات مفصلة عن المنازل إلى خادم المرفق، الذي يقرر متى تعمل الأجهزة أو كيف تتغير الأسعار على مدار اليوم. رغم أن هذا قد يكون فعالًا، فإنه يخلق مشكلات. يمكن أن يصبح محور تحكم واحد عنق زجاجة أو هدفًا مغريًا للهجمات الإلكترونية. تخزين بيانات مفصلة في مكان واحد يثير مخاوف كبيرة بشأن الخصوصية لأنه قد يكشف متى يكون الأشخاص في منازلهم وما الأجهزة التي يستخدمونها. ومع ملايين الأجهزة التي تحاول التواصل، قد تكافح هذه الأنظمة لتوسيع النطاق. دفعت هذه النقائص الباحثين للبحث عن حلول أكثر توزيعًا و«لا تتطلب ثقة» حيث لا يتعين الوثوق بأي طرف بمحض العمى.

جمع سلسلة الكتل وخادم ذكي معًا

تقدم أنظمة سلسلة الكتل اللامركزية الخالصة—مثل المستخدمة في العملات المشفرة الشعبية—سجلات مقاومة للعبث و«عقودًا ذكية» آلية، لكنها غالبًا ما تكون بطيئة ومستهلكة للطاقة جدًا لإدارة الطاقة ثانيةً تلو الأخرى. يقترح المؤلفون نهجًا هجينًا يمزج بين مزايا العالمين. في تصميمهم، تستخدم كل منزل عدادًا ذكيًا ووحدة تحكم محلية لقياس الاستهلاك والإنتاج الشمسي. تُشفّر هذه البيانات وتُرسل إلى خادم مركزي آمن يُسمى EnPlus، والذي يتولى الحسابات الثقيلة: توقع طلب كل منزل للغد بنموذج تعلّم آلي، وتخطيط جداول تشغيل الأجهزة، ومطابقة مشترين وبائعين للطاقة الشمسية الفائضة. بعد أن يتأكد EnPlus من صحة وفائدة صفقة ما، يُكتب السجل الفعلي للمعاملة إلى سلسلة كتل خاصة، حيث تسوّي العقود الذكية المدفوعات تلقائيًا باستخدام رمز رقمي خاص يسمى مكافأة الطاقة الخضراء (GER).

كيف تعمل مشاركة الطاقة المرمّزة المؤمّنة

الأمان مضمّن في كل خطوة من العملية. تُمنح كل أسرة هوية رقمية تستند إلى مفاتيح وشهادات تشفيرية، بحيث لا يمكن للأجهزة غير المعتمدة المشاركة. يشفر العداد الذكي قراءاته قبل إرسالها؛ يتحقق الخادم من المصدر ويوقّع المعاملات قبل أن تصل إلى سلسلة الكتل. داخل EnPlus، يتعلم نموذج توقع يسمى شبكة الذاكرة طويلة القصر (LSTM) أنماط الاستهلاك والإنتاج الشمسي اليومية من بيانات حقيقية جُمعت في مجمع سكني في كولكاتا. ثم يقرر أسلوب تحسين أي الأجهزة يمكن تأجيل تشغيلها زمنياً، موازنًا بين فواتير أقل وأوقات استخدام مفضلة من قِبل السكان. عندما تمتلك الأسر طاقة شمسية فائضة، يمكنها عرضها على الجيران مقابل رموز GER بدلاً من دفعها ببساطة إلى الشبكة الرئيسية. يقوم محرك المطابقة في الخادم بقرن المشترين والبائعين، والتحقق من توازنات الطاقة والرموز، ثم يطلق عقدًا ذكيًا لنقل حقوق الطاقة والرموز على سلسلة الكتل.

ما يحدث في حي حقيقي

اختبر الباحثون تصميمهم باستخدام بيانات من 25 منزلًا في مشروع إسكان شمسي حقيقي، ثم وسّعوا السيناريو إلى 52 منزلًا بتوليد أنماط طلب إحصائية مشابهة. كان لدى كل منزل نظام شمسي على السطح بقدرة 2.5 كيلوواط. أولًا، فحصوا برنامجًا تقليديًا حيث تم تعديل جدولة الأجهزة فقط؛ ثم أضافوا طبقة التداول القائمة على الرموز. في كلتا الحالتين، جدّول الخادم المركزي الأحمال المرنة لتجنب فترات الأسعار العالية وللتوافق بشكل أفضل مع الإنتاج الشمسي المحلي. مع جدولة الطلب فقط، انخفضت تكاليف الكهرباء الإجمالية للمنازل الـ52 بنحو 14 في المئة وأصبح منحنى الطلب اليومي أكثر سلاسة بشكل ملحوظ. عندما أُضيف التداول بين الأقران باستخدام رموز GER، انخفضت التكاليف الإجمالية بحوالي 22 في المئة مقارنة بعدم وجود إدارة، وتحسّن معامل الذروة إلى المتوسط—مقياس لمدى تقلب الحمل—بنحو 40 في المئة تقريبًا. كما ارتفع مؤشر العدالة، مما يدل على أن فوائد الفواتير الأقل وكسب الرموز تم تقاسمها بشكل أكثر توازنًا عبر المجتمع.

لماذا هذا مهم لشبكة الغد

للغير متخصصين، الرسالة الأساسية هي أن شبكتنا المستقبلية لا يجب أن تكون مُركّزة بشدة أو لامركزية بالكامل. ترسم هذه الدراسة مسارًا وسطًا حيث يقوم خادم ذكي وموثوق بالعمليات الحسابية السريعة والمعقدة، بينما تضمن دفتر سلسلة الكتل أن تكون صفقات الطاقة الناتجة شفافة وقابلة للتدقيق وصعبة العبث. تشير دراسة الحالة إلى أن مثل هذا النظام يمكن أن يخفض فواتير الأسر، ويكافئ من يستثمرون في الطاقة النظيفة، ويجعل الطلب المجتمعي أكثر قابلية للتنبؤ—كل ذلك مع حماية الخصوصية وبقاء القدرة على التوسع مع انضمام مزيد من المنازل. إذا تم تبنّيها على نطاق واسع، قد تساعد مثل هذه البُنى في تحويل مجموعات من المنازل إلى مجتمعات طاقة تعاونية ومتوازنة ذاتيًا تدعم نظام طاقة أنظف وأكثر مرونة.

الاستشهاد: Ghosh, A., Goswami, A.K., Shuaibu, H.A. et al. A server-assisted secure blockchain model for residential demand response in smart grids. Sci Rep 16, 9595 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-025-31668-w

الكلمات المفتاحية: الشبكة الذكية, تداول الطاقة بين الأقران, طاقة سلسلة الكتل, إدارة جانب الطلب, ألواح شمسية على الأسطح