تحجيم متعدد الأهداف وتحسين الأداء لشبكات ميكرو هجينة معزولة: دراسة حالة في ينبع، المملكة العربية السعودية

الطاقة للمنازل النائية

لا تزال الكهرباء الموثوقة تحدياً للعديد من المجتمعات المعزولة، خصوصاً في المناطق الحارة والجافة حيث يكون توصيل الشبكة الوطنية مكلفاً للغاية. تبحث هذه الدراسة كيف يمكن لأنظمة طاقة صغيرة ومستقلة — تُسمى ميكروجرِيد هجينة — أن تستخدم ضوء الشمس والرياح والبطاريات ومولِّد ديزل صغير لتزويد المنازل في ينبع بالمملكة العربية السعودية بالكهرباء على مدار الساعة، وكيفية تحديد أحجام كل مكوّن بحيث تكون الطاقة موثوقة وميسورة التكلفة.

شبكات صغيرة مبنية على الشمس والرياح

الميكروجرِيد الذي فُحص في هذا العمل مصمم لمجموعات من خمسة أو عشرة أو خمسة عشر منزلاً تقيم بعيداً عن الشبكة الرئيسية. في جوهره لوحات شمسية وتوربينات رياح تجمعان طاقة الشمس القوية ورياح الساحل المناسبة في المنطقة. تتصل هذه بمخزن بطاريات يخزن الطاقة الفائضة ومولِّد ديزل يتدخل فقط عندما لا تكفي الطاقة المتجددة والطاقة المخزنة. معاً يشكلون نظاماً مستقلاً يمكنه العمل كشبكة محلية صغيرة، مزوِّداً الكهرباء للإضاءة والأجهزة واحتياجات المنازل الأخرى.

موازنة التكلفة والموثوقية والطاقة النظيفة

تصميم مثل هذا النظام ليس مجرد تركيب عدد كبير من الألواح والبطاريات. فالنظام الكبير جداً يكون مكلفاً بلا داعٍ؛ والنظام الصغير جداً يؤدي إلى انقطاعات في التيار. لذلك تعامل الباحثون التصميم كمشكلة متعددة الأهداف بثلاثة غايات: خفض متوسط تكلفة الكهرباء خلال عمر النظام، تقليل احتمال عدم قدرة الميكروجرِيد على تلبية الطلب، وزيادة حصة الطاقة المولدة من مصادر متجددة بدلاً من الديزل. بدلاً من اختيار هدف واحد والتنازل عن البقية، يبحثون عن مجموعات من المعدات تحقق مقايضات مختلفة بين الأهداف الثلاثة.

بحث مستوحى من الطبيعة لأفضل التصاميم

لاستكشاف العديد من تراكيب الألواح الشمسية وتوربينات الرياح والبطاريات ووحدات الديزل، يستخدم البحث خوارزميتين حاسوبيتين مستوحيتين من الطبيعة. إحدى الخوارزميات تحاكي طريقة اقتراب سلاسل مخلوقات بحرية صغيرة تُسمى سالب من الغذاء؛ والأخرى تعتمد على أنماط الصيد الحلزونية لحيتان الأحدب. في هذا السياق، يمثل كل «مخلوق» تصميم ميكروجرِيد محتمل. بينما يتحرك السرب أو القطيع المُحاكى عبر فضاء التصاميم، يختبر أحجام معدات مختلفة باستخدام نموذج ساعة بساعة للطقس، الإشعاع الشمسي، سرعات الرياح، وطلب الكهرباء المنزلي في ينبع. عبر تكرارات عديدة، تُستبعد التصاميم الأضعف وتُحسّن التصاميم الأفضل، فيبنى مجموعة من الحلول التي توازن بين التكلفة والموثوقية واستخدام المتجدد بطرق مختلفة.

ماذا يحدث مع نمو المجتمعات

يقارن الباحثون أنظمة بوجود احتياطي ديزل وبدونه لثلاثة أحجام مجتمعات. عندما تُستخدم الشمس والرياح والبطاريات فقط، تكون الكهرباء أرخص لكن خطر العجز في الطاقة أعلى، لا سيما للأحمال الأكبر أو خلال فترات غيوم وهدوء الرياح. إضافة مولد ديزل يرفع التكلفة قليلاً لكنه يحسّن الموثوقية بشكل كبير ويقلل خطر الانقطاعات إلى مستويات منخفضة جداً. ومن المثير للاهتمام أنه مع زيادة عدد المنازل من خمسة إلى خمسة عشر، تميل التصاميم المحسّنة إلى الاعتماد أكثر على الشمس والرياح وأقل على الديزل. يمكن للمجتمعات الأكبر تبرير سعة متجددة أكبر، ما يدفع حصة المتجدد إلى ما يزيد على 80–90 بالمئة مع إبقاء متوسط التكلفة لكل كيلوواط ساعة قادراً على المنافسة مع العديد من حلول الطاقة خارج الشبكة التقليدية.

كيف تقارن الخوارزميات

تجد طريقتا البحث خيارات تصميم قوية، لكن كل واحدة تتفوق بطرق مختلفة قليلاً. تُنتج الطريقة المستندة إلى السالب مجموعة أوسع من الحلول عالية الجودة، مما يمنح المخططين مرونة أكبر للاختيار بين توليفات مختلفة من التكلفة والموثوقية وحصة المتجدد. غالباً ما تجد طريقة الحيتان تصاميم ذات تكاليف جذابة جداً، وإن كان أحياناً بنطاق خيارات أضيق قليلاً. من خلال دراسة كيفية انتشار الحلول من كلا الطريقتين على طول منحنى المقايضات، يبيّن المؤلفون أن الجمع بين التحسين المتقدم ونماذج واقعية للطقس وأداء المعدات واستهلاك الأسر يمكن أن يكشف أنماطاً يصعب اكتشافها بالتجربة والخطأ.

ماذا يعني هذا للمجتمعات النائية

عملياً، يقدّم هذا العمل خارطة طريق لتصميم أنظمة طاقة مستقلة تُبقي المنازل النائية موصولة بشكل موثوق باستخدام الشمس والرياح في المقام الأول، مع الديزل كنسخة احتياطية مصممة بعناية. تُظهر الدراسة أنه، خصوصاً مع نمو المجتمعات، يمكن للميكروجرِيدات الهجينة أن تصل إلى مستويات عالية من استخدام الطاقة النظيفة دون زيادة فواتير الطاقة أو التضحية بالموثوقية. للمخططين وصانعي السياسات في المناطق الساحلية الجافة مثل ينبع — وفي العديد من المواقع المماثلة عالمياً — يوفر هذا الإطار طريقة لتحويل الموارد المتجددة المحلية إلى أنظمة طاقة على مستوى الحي تكون مستقرة وقابلة للتوسع وتدعم الحياة العصرية مع تقليل الاعتماد على الوقود الأحفوري.

الاستشهاد: Saleh, A.A., Magdy, G. Multi-objective sizing and performance optimization of islanded hybrid renewable microgrids: a case study in yanbu, Saudi Arabia. Sci Rep 16, 12743 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-47028-1

الكلمات المفتاحية: ميكروجرِيد هجينة, الطاقة المتجددة, الطاقة الشمسية والرياح, كهرباء خارج الشبكة, تخزين الطاقة