التشغيل المستدام لأنظمة الطاقة المتعددة تحت استراتيجيات تعاونية وغير تعاونية

لماذا يهم مشاركة الطاقة النظيفة المحلية

مع تثبيت المزيد من المنازل والشركات للألواح الشمسية فوق الأسطح والبطاريات وتوربينات الرياح الصغيرة، تتغير شبكات الطاقة بهدوء. بدلاً من تدفق الكهرباء باتجاه واحد من عدد قليل من المحطات الكبيرة، بات بإمكان آلاف «الشبكات الدقيقة» الصغيرة الآن توليد الطاقة وتخزينها وتداولها. تدرس هذه الدراسة كيف يمكن لتلك الشبكات الدقيقة أن تعمل مع المرفق المحلي بطرق أكثر ذكاءً وعدلاً — ما يقلل التكاليف ويحد من هدر الطاقة ويحافظ على التيار، خاصة ونحن نحتاج أيضاً إلى التدفئة للمباني.

من طاقة باتجاه واحد إلى سوق مجتمعي ثنائي الاتجاه

تقليدياً، يقوم مشغل محلي واحد — يُسمى مشغل نظام التوزيع (DSO) — بشراء الكهرباء من سوق الجملة الكبير ثم بيعها للعملاء. في العالم الذي تبحثه هذه الورقة، يظل ذلك المشغل وسيطاً لكنه يتعامل الآن مع شبكات دقيقة قائمة على مصادر متجددة بدلاً من مستهلكين سلبيين. تجمع كل شبكة دقيقة الألواح الشمسية وتوربينات الرياح والمحركات الصغيرة وخلايا الوقود والبطاريات ومعدات التدفئة المحلية لخدمة مجموعة من المباني. كما يمكن للمشغل أن ينتج الحرارة والكهرباء باستخدام وحدات التوليد المشترك، والغلايات، وتخزين الحرارة، ثم يبيع كل من الطاقة والكِـر إلى الشبكات الدقيقة. السؤال الأساسي هو: كيف يجب تحديد الأسعار وتداولات الطاقة بحيث يحقق المرفق ربحاً بينما تقلل الشبكات الدقيقة من تكاليفها؟

السماح للشبكات الدقيقة بالتفاوض معاً

تفترض معظم النماذج السابقة أن كل شبكة دقيقة تفاوض بشكل منفصل مع مشغل التوزيع. هذا يترك قدراً كبيراً من القوة في يد المشغل: فهو يحدد أسعاراً مختلفة لكل شبكة دقيقة ويركز أساساً على تلبية طلب الكهرباء، مع اعتبار احتياجات التدفئة مسألة فرعية. تقلب هذه الدراسة السيناريو من خلال السماح للشبكات الدقيقة بالتعاون. عندما تشكل الشبكات تحالفاً، يمكنها مقارنة العروض وتداول الطاقة فيما بينها وتقديم موقف موحد عند التعامل مع المشغل. يبني المؤلفون نموذجاً رياضياً «ثنائي المستوى» حيث يختار المشغل، على المستوى الأعلى، مقدار الشراء من سوق الجملة وكيفية تسعير الطاقة للشبكات الدقيقة، بينما تقرر الشبكات الدقيقة، على المستوى الأدنى، كيفية تشغيل المولدات المحلية ووحدات التخزين وتقليص الأحمال المحتملة لتقليل التكلفة اليومية.

إدراج التدفئة في لغز الطاقة النظيفة

ما يميز الإطار هو أنه يعالج الحرارة والكهرباء معاً. فالمباني لا تحتاج فقط إلى طاقة للإضاءة والأجهزة؛ بل تحتاج أيضاً إلى مياه ساخنة وتدفئة للمساحات. ويمكن لإمداد الحرارة بكفاءة أن يغير بدوره كمية الكهرباء المطلوبة من الشبكة. يتيح النموذج للمشغل اختيار متى يشغّل الغلاية، ومتى يعمل بوحدات التوليد المشترك التي تنتج الحرارة والكهرباء معاً، ومتى يشحن أو يفرغ كل من التخزين الكهربائي والحراري. من خلال تنسيق هذه الاختيارات مع أسعار الوقت الحقيقي للشبكات الدقيقة، يمكن للنظام أن يستفيد بشكل أفضل من الطاقة المتجددة، ويتجنب استخدام الوقود غير الضروري، ويقلل من «الطاقة غير الموفرة» — الفترات التي لا يمكن تلبية الطلب فيها بالكامل.

ماذا يحدث عندما تتعاون الشبكات الدقيقة

يختبر المؤلفون نهجهم على شبكة توزيع نموذجية بها مشغل واحد وأربع شبكات دقيقة متجددة، لكل منها توليفات مختلفة من الشمس والرياح وخلايا الوقود والمايكروتوربينات، إلى جانب أنماط طلبها على الكهرباء والحرارة. يفحصون أولاً حالة غير تعاونية، حيث لا يمكن للشبكات الدقيقة إلا الشراء من المشغل. ثم يسمحون بالتعاون، بحيث يمكن للشبكات أن تتداول فيما بينها وتتصرف كمشتري واحد أكبر عند التعامل مع المشغل. والنتائج لافتة: يقلل التعاون من تكاليف تشغيل الشبكات الدقيقة بنحو 9 بالمئة ويخفض الطاقة غير الموفرة بأكثر من ثلث. وللبقاء قادراً على المنافسة، يُضطر المشغل لخفض أسعار التجزئة التي يفرضها مقارنة بالحالة غير التعاونية، خصوصاً خلال ساعات الطلب الأعلى عندما قد تعتمد الشبكات الدقيقة بدلاً من ذلك أكثر على مواردها أو على جيرانها.

أسواق مرنة في مواجهة تغير الأسعار

تستكشف الدراسة أيضاً كيفية تصرف النظام عندما تكون أسعار الكهرباء في سوق الجملة غير مؤكدة. باستخدام مجموعة من سيناريوهات الأسعار المحتملة وإعداد متين «لأسوأ الحالات»، يظهر المؤلفون أن التعاون يفيد الشبكات الدقيقة بشكل ثابت، حتى عندما تصبح الكهرباء من الشبكة الأكبر أكثر تكلفة. في ظروف أصعب، يتقلص ربح المشغل لأنه يجب أن يدفع أكثر مقابل الكهرباء لكنه لا يستطيع رفع أسعار التجزئة عالياً جداً من دون فقدان العملاء لصالح التوليد المحلي والتداول من نظير إلى نظير بين الشبكات الدقيقة. ويشير ذلك إلى أن تمكين مجتمعات الطاقة المحلية يمكن أن يجعل النظام الكلي أكثر مرونة وأقل عرضة لصدمات الأسعار.

ماذا يعني هذا لمستخدمي الطاقة يومياً

لغير المتخصصين، الخلاصة واضحة: عندما يُسمح لأنظمة الطاقة النظيفة الصغيرة في الأحياء بمشاركة الطاقة والتفاوض معاً، يتحسن وضع الجميع عدا البائع الاحتكاري. يمكن للأسر والشركات أن ترى فواتير أقل وانقطاعات أقل؛ لا يزال المرفق المحلي يحقق ربحاً لكنه يضطر إلى تقديم أسعار أكثر معقولية؛ ويستخدم نظام الطاقة ككل الوقود والمعدات بكفاءة أكبر، بما في ذلك للتدفئة. مع تركيب المزيد من الألواح الشمسية والبطاريات والضوابط الذكية، تشير نماذج مثل تلك الواردة في هذه الورقة إلى مستقبل تكون فيه التعاونيات المحلية بنفس أهمية الأجهزة الجديدة لبناء شبكة طاقة أنظف وأكثر موثوقية.

الاستشهاد: Karimi, H. Sustainable operation of multi-energy systems under cooperative and non-cooperative strategies. Sci Rep 16, 6177 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36536-9

الكلمات المفتاحية: الشبكات الدقيقة, الطاقة المتجددة, أسواق الطاقة, التدفئة الحضرية, تداول الطاقة من نظير إلى نظير