تحليل طرق مختلفة لحساب احتياطيات التنظيم الثالثية للطاقة المتجددة في اليابان

حفاظاً على التيار عندما يكون الطقس غير متوقع

مع اعتماد اليابان بشكل متزايد على الألواح الشمسية وتوربينات الرياح، ظهر سؤال جديد: كيف تُحافظ الشبكة على الإمداد الكهربائي عندما لا يكون ضوء الشمس أو الريح غداً كما وعدت التنبؤات؟ تدرس هذه الدراسة ما يحدث خلف الكواليس في سوق الطاقة الياباني لمعرفة كيف يشتري مشغلو الشبكة قدرة احتياطية لسد العجز المفاجئ من المصادر المتجددة، وما إذا كانت القواعد الحالية توفر للبلاد موثوقية جيدة مقابل المال المصروف.

لماذا تهم القدرة الاحتياطية للكهرباء النظيفة

لا تتصرف محطات الطاقة الشمسية والرياح كالمحطات التقليدية التي تعمل بالفحم أو الغاز. فإنتاجها يرتفع وينخفض مع الغيوم ولحظات هبوب الريح، أحياناً بطريقة تفشل النماذج التنبؤية في التقاطها. إذا انخفض إنتاج الطاقة الشمسية عن المتوقع منذ يوم سابق، قد تضطر الشبكة إلى البحث في اللحظة الأخيرة عن كهرباء، مما يعرض التردد للمخاطر أو حتى يؤدي إلى انقطاعات. لمواجهة ذلك، يتعين على مشغلي الشبكة في اليابان شراء نوع خاص من الاحتياطيات يُسمى احتياطي التعويض لمشروعات التعرفة الثابتة للطاقة المتجددة (RR‑FIT)، وهو مخصص لتغطية العجوزات المفاجئة من أساطيل كبيرة من أنظمة الطاقة الشمسية والرياح.

كيف تشتري اليابان حالياً وسادة الأمان

يُحتسب RR‑FIT وفق مجموعة قواعد وضعتها الجهة الوطنية للتنسيق بين مشغلي النقل. لكل نصف ساعة من اليوم التالي، تأخذ شركات الشبكة أخطاء التنبؤ عن عامين ماضيين، وتقسمها إلى شرائح بحسب وقت اليوم ومستويات الإنتاج، وتبحث عن أكبر الأخطاء التي حدثت في تلك الظروف. ثم تحاول استبعاد الأخطاء التي تظهر بالقرب من الوقت الحقيقي—والتي تغطيها احتياطيات أسرع منفصلة—عن طريق طرح قيمة «ذيلية» عالية لأخطاء التنبؤ ساعة‑قبل من قيمة عالية مماثلة لأخطاء التنبؤ يوم‑قبل. ينتج عن هذا جدول واسع بمستويات احتياطية مُوصى بها، يفترض أن يغطي تقريباً جميع حالات المبالغة الخطيرة في تقدير إنتاج المتجددة.

ماذا تكشف البيانات الواقعية عن نقاط الضعف

باستخدام خمس سنوات من بيانات التشغيل التفصيلية من منطقة تشوبو—واحدة من أكبر أنظمة الطاقة في اليابان—يُظهر المؤلفون أن طريقة RR‑FIT الحالية لا تعمل كما يُعلن عنها. رغم أنها تستهدف أخطاء نادرة ومتطرفة، فإن الاحتياطيات الناتجة غطت فقط العجوزات ذات الصلة في التنبؤ بنحو 70–80٪ فقط من الأحيان، وشهدت بعض الساعات فجوات احتياطية تزيد على أكثر من 2 غيغاواط. جزء من المشكلة رياضي: إن طرح قيم «الأسوأ» المحسوبة بشكل منفصل لا يساوي تحديد حجم الاحتياطي مباشرة من الفرق الفعلي بين تنبؤات يوم‑قبل وساعة‑قبل لكل ساعة. كما تقسم الطريقة الحالية البيانات إلى كتل خشنة بحسب الوقت ومستوى الإنتاج، مما يؤدي إلى إحصاءات متفرقة، وكثير من القيم الصفرية أو غير المتسقة، والحاجة إلى تصحيحات ارتجالية.

طرق أذكى لتحديد حجم وسادة الأمان

لإصلاح هذه المشكلات، تختبر الدراسة تحسينيْن. الأول (التعديل I) يؤسس الاحتياطي مباشرة على توزيع الفرق بين أخطاء التنبؤ يوم‑قبل وساعة‑قبل، بدلاً من الفرق بين قيم التطرف المحسوبة بشكل منفصل. الثاني (التعديل II) يُنعِّم جدول الاحتياطيات المتقطِّع إلى منحنى مستمر باستخدام تقريب سبلاين، بحيث تتلقى مستويات التنبؤ المماثلة اقتراحات احتياطية مماثلة. عند تطبيق هذه التغييرات على بيانات تشوبو نفسها، تصير مستويات الاحتياطيات أكثر توافقاً مع سلوك التنبؤ الحقيقي. على سبيل المثال، في 2021، أدت عتبة إحصائية أقل مجتمعة مع التعديلين إلى تغطية العجوزات المتجددة بنسبة 78.7٪ بينما استلزمت فقط 2.3 تيراواط‑ساعة من RR‑FIT—أي زيادة نحو 7 نقاط مئوية في التغطية مع تقليل الاحتياطي بنحو 30٪ مقارنة بالقاعدة الحالية. كما قللت الطرق المحسنة أكبر العجز الاحتياطي في الساعة الواحدة وخففت الفوائض غير الضرورية.

مساعدة خفية من احتياطيات وتصميم سوق آخر

بالرغم من ضعف RR‑FIT، لم تصبح شبكة اليابان أقل موثوقية. السبب أن مصدر احتياطي آخر—الاحتياطي ساعة‑قبل—يلتقط معظم النقص بهدوء. عندما يجمع المؤلفون RR‑FIT مع ما تبقى من احتياطيات ساعة‑قبل التي لم تُستخدم لغرضها الأصلي، تتجاوز التغطية الإجمالية لأخطاء التنبؤ في المتجددة 95٪ حتى مع مستويات معتدلة من RR‑FIT. تؤدي هذه الظاهرة المخفية إلى أن يبالغ مشغلو النظام وصناع السياسات بسهولة في تقدير أداء RR‑FIT بمفرده، وتجعل من الصعب تقييم مقدار هذه الاحتياطيات المكلفة الضرورية فعلياً.

ما يعنيه هذا لمستقبل المتجددة والتكاليف

تخلص الدراسة إلى أن اليابان يمكنها تحسين الموثوقية وتوفير المال بتغيير طريقة تحديد أحجام الاحتياطيات لردع العجز المتعلق بالمتجددة. إن استخدام إحصاءات فروق أخطاء التنبؤ مباشرة وتنعيم منحنى الاحتياطي يؤديان إلى تطابق أوثق بين الطاقة الاحتياطية والخطر الفعلي. تشير النتائج أيضاً إلى أنه يمكن خفض أحجام RR‑FIT الحالية بشكل كبير مع تراجع طفيف فقط في الحماية الإجمالية، لأن احتياطيات ساعة‑قبل سخية بالفعل. للبلدان حول العالم التي تخطط لشبكات ذات حصة عالية من الرياح والطاقة الشمسية، الرسالة واضحة: يجب أن تتطور طرق حساب الاحتياطيات وقواعد السوق معاً، وإلا سيواجه نظام الطاقة خطر دفع تكاليف زائدة لاحتياطيات ليست موجهة حيث الحاجة الحقيقية.

الاستشهاد: Fonseca, J.G.S., Hori, T. & Ogimoto, K. Analysis of different methods to calculate tertiary regulation reserves for renewable energy in Japan. Sci Rep 16, 8348 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37441-x

الكلمات المفتاحية: احتياطيات الطاقة المتجددة, موثوقية شبكة الكهرباء, عدم اليقين في التنبؤ, أسواق الكهرباء, نظام الطاقة في اليابان