المؤلف: ريان ماكنراش، شريك a16z؛ الترجمة: 0xjs@金财经
شبكة الطاقة عبارة عن نظام كبير ومعقد من الأسلاك ومحطات الطاقة التي تعتبر بالغة الأهمية لاقتصادنا وهي أساس اقتصادنا القوة الصناعية. تواجه الولايات المتحدة حاليًا تحديًا خطيرًا: من المتوقع أن يتضاعف الطلب على الكهرباء في الولايات المتحدة تقريبًا بحلول عام 2040 بسبب عوامل مثل حوسبة الذكاء الاصطناعي، وإعادة التوطين، و"الكهربة"، لكن البنية التحتية وعمليات الشبكة لدينا تكافح من أجل مواكبة ذلك. . تصعيد.
للحصول على مستقبل غني بالطاقة، يجب علينا تبسيط إنتاج ونقل واستهلاك الكهرباء؛ وهذا يتطلب شبكة لامركزية. إن بناء محطات الطاقة الكبيرة وخطوط النقل لمسافات طويلة أمر مرهق، ولكن التقنيات مثل الطاقة الشمسية والبطاريات والمفاعلات النووية المتقدمة تجلب إمكانيات جديدة. إن هذه التقنيات وغيرها من التقنيات "المحلية" هي التي يمكنها تجنب توصيل الكابلات بعيدة المدى المكلفة ويتم نشرها مباشرة في الموقع، والتيستساعد في دعم النمو الكبير في الأحمالفي العقود القادمة.
بينما اعتمد التوسع الصناعي التاريخي على محطات توليد الطاقة المركزية الكبيرة، شهد القرن الحادي والعشرون تحولًا نحو الطاقة اللامركزية والمتقطعة، من نموذج "المحور والتحدث" إلى الشبكات الموزعة. وبطبيعة الحال، سوف يجلب هذا التطور تحديات جديدة، وسوف نحتاج إلى الابتكار لسد الفجوات.
آلام النمو
تتكون شبكة الكهرباء الأمريكية من ثلاثة روابط رئيسية: الشرق والغرب وتكساس، ويعمل بها 17 منسقًا من NERC والإدارة وISOs (مشغلو النظام المستقلون) وRTOs (مشغلو النقل الإقليميون) يشرفون على الاقتصادات والبنية التحتية الإقليمية. ومع ذلك، يتم التعامل مع التوليد والتسليم الفعلي من قبل شركات المرافق المحلية أو التعاونيات. لقد نجح هذا الهيكل في أوقات نمو الأحمال المنخفضة، ولكن توسيع نطاق البنية التحتية للشبكة لتلبية متطلبات اليوم أصبح صعبًا ومكلفًا بشكل متزايد.
اتصال مشكلات الإدخال
يستخدم مشغلو الشبكة قوائم انتظار القبول لإدارة إدخال الأصول الجديدة وتقييم ما إذا كانت الشبكة يمكنها دعم الأصول الجديدة في ذلك الموقع دون اختلال التوازن. أضف الطاقة و تحديد تكلفة الترقيات اللازمة. واليوم، ينتظر أكثر من 2000 جيجاوات من الكهرباء أن يتم ربطها بالشبكة، مع دخول أكثر من 700 جيجاوات من المشاريع في قائمة الانتظار لعام 2022 وحده. وهذارقم كبير: تمتلك الشبكة الأمريكية بأكملها 1200 جيجاوات فقط من قدرة التوليد المركبة.
ولكن في الواقع، تم سحب العديد من المشاريع بسبب تكاليف الاتصال بالشبكة. تاريخيًا، فقط 10-20% من المشاريع الموجودة في قائمة الانتظار تؤتي ثمارها، وغالبًا ما تستغرق أكثر من 5 سنوات بعد تقديم طلب الاتصال النهائي - وهذه الأوقات تزداد طولًا. وتتعقد دراسات الجدوى بسبب قيام المولدات في كثير من الأحيان بتقديم مقترحات تخمينية متعددة لتحديد أرخص نقاط الوصول ثم سحب المقترحات غير المواتية بمجرد معرفة التكاليف. واضطر مشغل شبكة كاليفورنيا CAISO إلى التوقف عن قبول أي طلبات جديدة في عام 2022 بسبب الزيادة الكبيرة في الطلبات، ويخطط للقيام بذلك مرة أخرى في عام 2024.
يعد هذا عاملًا رئيسيًا يحد من المعدل ومحركًا للتكلفة في تحول الطاقة لدينا. وجد تقرير حديث لوزارة الطاقة الأمريكية أنه لتلبية النمو المرتفع في الأحمال حتى عام 2035، يجب أن يزيد النقل داخل المنطقة الذي يدمج الأصول الجديدة بنسبة 128% ويجب أن يزيد النقل بين المناطق بنسبة 412%. وتتوقع التوقعات الأكثر تفاؤلاً معدلات نمو تبلغ 64% و34% على التوالي.
يمكن أن تساعد الإصلاحات المقترحة في تخفيف هذا التراكم التنموي. تتبع اللجنة الفيدرالية لتنظيم الطاقة (FERC) سياسة "أولاً للتحضير، أولاً للخدمة"، مع إضافة رسوم لتصفية المقترحات وتسريع المراجعة. يتبنى مجلس موثوقية الكهرباء في تكساس (ERCOT) نهج "التوصيل والإدارة" الذي يسمح باتصالات أسرع ولكنه يفصل المشاريع إذا كانت تهدد موثوقية الشبكة - وهي خطوة تضيف بسرعة جديدة. لقد تم تحقيق نجاح كبير باستخدام أصول الشبكة. وفي حين تمثل هذه السياسات تقدمًا، فإن تبسيط الأنظمة الأخرى مثل NEPA يعد أيضًا أمرًا بالغ الأهمية لتسريع عملية البناء.
ولكن حتى مع الموافقة، لا يزال بناء الشبكة يواجه عقبات في سلسلة التوريد، بما في ذلك فترات التسليم التي تزيد عن 12 شهرًا، وارتفاع بنسبة 400% في أسعار محولات الطاقة الكبيرة، ونقص الفولاذ المتخصص. ويعتمد تحقيق الأهداف الفيدرالية لتنمية تصنيع المحولات أيضًا على دعم صناعة الصلب الكهربائية، وخاصة معايير كفاءة الطاقة القادمة لعام 2027. ويأتي كل هذا مع وصول انقطاعات الشبكة، ومعظمها بسبب الطقس، إلى أعلى مستوى لها منذ 20 عامًا، مما يتطلب استبدال الأجهزة.
هذا وهذا لا يشمل النقل
في نهاية المطاف، يتجلى إصلاح تكلفة البنية التحتية لشبكة البناء في ارتفاع الأسعار بالنسبة للمستهلكين. "سعر التجزئة" الذي يدفعه المستهلكون هو مزيج من سعر الجملة (تكلفة توليد الكهرباء) ورسوم التوصيل (تكلفة البنية التحتية اللازمة لتوصيل الكهرباء إليك). ومن الأهمية بمكان أنه على الرغم من انخفاض أسعار توليد الطاقة المتجددة والغاز الطبيعي الرخيص، إلا أن أسعار تسليمه ارتفعت بشكل حاد.
وهذه الحادثة ناجمة عن أسباب عديدة. وتستخدم المرافق رسوم التوزيع لتعويض الخسائر في توليد العملاء، والمصممة لضمان إيرادات ذات عائد ثابت للاستثمارات في البنية الأساسية (أشبه بالتعاقدات الدفاعية ذات التكلفة الإضافية). ويتطلب تطوير الطاقة المتجددة مد خطوط الكهرباء إلى المناطق النائية الأقل استخداما بسبب تقطّعها. بالإضافة إلى ذلك، مع زيادة الكهرباء والتوليد الذاتي، تصبح الأحمال أكثر تقلبًا وتصبح البنية التحتية المصممة لتلبية الطلب في أوقات الذروة غير فعالة ومكلفة.
تستجيب تعديلات السياسة والسوق لارتفاع تكاليف النقل هذه، ومن الأمثلة البارزة على ذلك اعتماد كاليفورنيا على نطاق واسع لأنظمة الطاقة الموزعة مثل الطاقة الشمسية على الأسطح.
سمح برنامج صافي قياس الطاقة (NEM) في كاليفورنيا في البداية لأصحاب المنازل ببيع الطاقة الشمسية الزائدة إلى الشبكة بأسعار التجزئة، متجاهلين تكاليف التوزيع التي تتحملها شركات المرافق. التغييرات الأخيرة الآن تقوم في الأساس بإعادة شراء الكهرباء بأسعار الجملة المتغيرة، مما يقلل من دخل أصحاب الألواح الشمسية خلال فترات ذروة التوليد، والتي تتزامن عادة مع أدنى أسعار الكهرباء. ويعمل هذا التعديل على إطالة فترة الاسترداد لتركيبات الطاقة الشمسية، مما يدفع أصحاب المنازل والشركات إلى الاستثمار في تخزين الكهرباء لبيع الطاقة عندما تكون أكثر ربحية.
اقترحت شركة California Utilities أيضًا نموذجًا لإعداد الفواتير حيث تعتمد الرسوم الثابتة على مستويات الدخل وتعتمد رسوم الاستخدام على الاستهلاك. وتهدف هذه الخطوة إلى جعل العملاء الأكثر ثراء يتحملون المزيد من تكاليف البنية التحتية للشبكة وحماية الأفراد ذوي الدخل المنخفض من ارتفاع أسعار الكهرباء بالتجزئة. في حين تم تأجيل هذه السياسة المحددة مؤخرًا لصالح نسخة مماثلة ولكن أقل تطرفًا، فإن مثل هذه الفكرة يمكن أن تؤدي إلى خروج العملاء الأثرياء تمامًا عن الشبكة. وقد يؤدي الانشقاق إلى ارتفاع التكاليف بالنسبة للمستخدمين المتبقين ويؤدي إلى "دوامة الموت". ويعتقد البعض أن هذا يحدث بالفعل في سوق الكهرباء في هاواي، حيث تتحول بعض المناطق بسرعة إلى المضخات الحرارية الكهربائية.
الحفاظ على الأضواء
الكهرباء ليست سحرًا؛ فالشبكة معقدة. في أي وقت، يجب أن تتوافق الطاقة المنتجة مع الطلب على الطاقة، أو "الحمل"، وهذا ما يعنيه الناس بـ "موازنة الشبكة". على مستوى عال، يعتمد استقرار الشبكة على الحفاظ على تردد ثابت - 60 هرتز في الولايات المتحدة.
يمكن أن يؤدي الازدحام الناجم عن السعة الزائدة على خطوط الكهرباء (إغراق الطاقة في الشبكة) إلى تقليصات وفروقات في الأسعار المحلية. يمكن أن يؤدي أي انحراف في التردد أيضًا إلى تلف المولد ومعدات المحرك. كما أن الرياح والطاقة الشمسية والبطاريات - الموارد العكسية التي تفتقر إلى القصور الذاتي - تؤدي أيضًا إلى تعقيد عملية تثبيت التردد مع انتشارها. في الحالات القصوى، يمكن أن تؤدي الانحرافات إلى انقطاع التيار الكهربائي أو حتى إتلاف المعدات المتصلة بالشبكة.
نظرًا للهشاشة المتأصلة في شبكة الطاقة، يجب دراسة الأصول المرتبطة بها بعناية لمواءمة العرض الموثوق مع الطلب المتوقع. يؤدي نمو الطاقة المتقطعة (الإمدادات غير الموثوقة) جنبًا إلى جنب مع ظهور "الكهربة" (ارتفاع الطلب) إلى خلقتحدياتخطيرة قوية >.
متى يكفي؟
تتم موازنة حوالي ثلثي الحمولة بواسطة أسواق الجملة من خلال مزادات اليوم (في الغالب)، حيث يتم تحديد الأسعار حسب تكلفة الوحدة الأخيرة من الكهرباء المطلوبة. ليس للطاقة المتجددة تكلفة هامشية، وغالبًا ما تتفوق على مصادر الطاقة الأخرى عندما تكون نشطة، مما يؤدي إلى تقلبات الأسعار - تكون الأسعار منخفضة للغاية عندما تلبي مصادر الطاقة المتجددة الطلب وترتفع عند الحاجة إلى طاقة أكثر تكلفة (ملاحظة: تختلف العطاءات عن <قوي>التكلفة المستوية للطاقة LCOE.)
عدم القدرة على التنبؤ بالطاقة الشمسية وطاقة الرياح، فضلا عن إغلاق محطات توليد الطاقة التي تعمل بالوقود الأحفوري المتقادمة، تضع ضغوطا على استقرار الشبكة. ويؤدي هذا إلى انقطاع التيار الكهربائي (نقص الإنتاج) وتقليصه (الإفراط في الإنتاج)، كما هو الحال في ولاية كاليفورنيا، التي ستولد 2400 جيجاواط ساعة من النفايات في عام 2022. ستتطلب معالجة هذه المشكلة استثمارات في تحسين تخزين الطاقة ونقلها (نوقش أدناه).
بالإضافة إلى ذلك، نظرًا لأن إمدادات الكهرباء أصبحت غير قابلة للتنبؤ بها، يلعب الغاز الطبيعي دورًا متزايد الأهمية نظرًا لفعاليته من حيث التكلفة ومرونته. غالبًا ما يدعم الغاز الطبيعي الطاقة المتجددة من خلال "محطات الذروة" التي لا تعمل إلا عند الحاجة إليها. بشكل عام، فإن انقطاع الطاقة الشمسية وطاقة الرياح يجعل محطات توليد الطاقة بالغاز الطبيعي وأنواع أخرى من محطات الطاقة مربحة بشكل متقطع، بل وأحيانًا تعمل بخسارة مستمرة لأسباب فنية. لذلك عندما تحدد "ذروة" أسعار الجملة أثناء انقطاع التيار المتجدد، فإن ذلك يؤدي إلى ارتفاع التكاليف، مما يخلق تقلبات بالنسبة للمستهلكين.
إن الطلب على الكهرباء يتغير أيضًا. تقنيات مثل المضخات الحرارية، على الرغم من فعاليتها في استخدام الطاقة، يمكن أن تسبب ذروة الأحمال في فصل الشتاء عندما يكون توليد الطاقة المتجددة منخفضًا. ويتطلب ذلك من مشغلي الشبكات الاحتفاظ بقدر معين من أصول الطاقة، وغالباً ما يتم تجاهل مصادر الطاقة المتجددة في التخطيط لكفاية الموارد. يتبع مشغلو الشبكة عادةً قاعدة "1 من 10"، ويقبلون نقص الطاقة مرة واحدة كل عقد، لكن الحساب الفعلي أكثر تعقيدًا. وفي مشروع ERCOT، الذي يفتقر إلى سوق القدرة التقليدية ليحل محل حوافز زيادة الأسعار، شهدنا نمو "احتياطيات الطوارئ" مع دخول مصادر الطاقة المتجددة إلى الشبكة.
تواجه المناطق ذات الاختراق العالي للطاقة الشمسية مثل كاليفورنيا أيضًا "منحنى البطة"، مما يتطلب من مشغلي الشبكات إضافة أكثر من 20 جيجاوات من الطاقة بسرعة مع تلاشي ضوء النهار وزيادة الطلب. وهذا يمثل تحديًا تقنيًا واقتصاديًا بالنسبة لمصنع مصمم لإنتاج إنتاج مستمر.
يخلق انقطاع الطاقة المتجددة التكاليف الخفية، مما يجبر مشغلي الشبكات على تحمل المخاطر أو الاستثمار في أصول جديدة. في حين أن تكلفة الطاقة المستوية تعمل على تقييم الجدوى الاقتصادية للمشروع، إلا أنها تبالغ في تبسيط القيمة الحقيقية للأصول بالنسبة للشبكة الأوسع. ومع ذلك، فإن قانون LCOE يسلط الضوء على التحديات الاقتصادية لبناء أصول جديدة مثل محطات الطاقة النووية. على الرغم من أنها أكثر تكلفة من الغاز الطبيعي اليوم، إلا أن الطاقة النووية توفر مسارًا مقنعًا لإزالة الكربون من الكهرباء الموثوقة. نحن بحاجة فقط إلى توسيع نطاق بناء المفاعلات.
لكن لا يمكننا الاعتماد على الطاقة النووية فقط. إن الاعتماد على مصدر واحد للطاقة فقط أمر محفوف بالمخاطر، كما أظهر التحدي النووي الذي تواجهه فرنسا في ظل العقوبات المفروضة على الطاقة الروسية ومشاكل الغاز الطبيعي وسط الطقس البارد في جنوب الولايات المتحدة، ناهيك عن أسعار السلع الأساسية المتقلبة. كما تواجه المناطق التي لديها كميات كبيرة من الطاقة المتجددة، مثل كاليفورنيا، حالة من عدم اليقين بسبب اعتمادها اليومي على الواردات. وحتى الأماكن مثل أيسلندا أو الدول الاسكندنافية التي تعمل بالطاقة النظيفة بنسبة 100% تقريباً سوف تحتفظ بخيارات احتياطية أو استيراد يمكن الاعتماد عليها أثناء الأزمات.
أن تصبح ذكيًا
مع تزايد الطلب على الطاقة، تكافح الشبكة للتعامل مع التعقيد المتزايد لمصادر الطاقة المتجددة اللامركزية والمتقطعة. لا يمكننا فرض هذا التحول بالقوة الغاشمة؛ إذا أردنا القيام بذلك،فنحن بحاجة حقًا إلى أن نكون أذكياء.
الشبكة الحالية قديمة و"غبية"، وتعتمد على محطات توليد الطاقة لضبط الإنتاج على أساس الطلب المتوقع مع إجراء تعديلات صغيرة في الوقت الحقيقي لضمان الاستقرار. تم تصميم الشبكة في الأصل للتدفق في اتجاه واحد من محطات الطاقة الكبيرة، ولكن تم تحديها من خلال مفهوم المصادر الأصغر المتعددة التي توفر الطاقة في جميع الاتجاهات، مثل الطاقة الشمسية الموجودة على السطح لشحن السيارة الكهربائية لجيرانك. علاوة على ذلك، فإن الافتقار إلى الرؤية الحقيقية لتدفقات الطاقة في الوقت الحقيقي يطرح مشاكل ملحة، خاصة على مستوى التوزيع.
توفر الطاقة الشمسية السكنية والبطاريات والطاقة النووية المتقدمة والطاقة الحرارية الأرضية (وربما) طاقة لا مركزية، مما يقلل الحاجة إلى البنية التحتية. ومع ذلك، لا يزال دمج الشبكة المتغيرة وغير المستقرة يتطلب حلولاً مبتكرة. بالإضافة إلى ذلك، يمكن تحسين الاستخدام الفعال لأنظمة الطاقة على نطاق المرافق بشكل كبير من خلال التخزين المحلي والاستجابة من جانب الطلب (مثل إيقاف تشغيل منظم الحرارة عند الضغط على الشبكة)، وبالتالي تقليل الحاجة إلى بناء أصول غير مستغلة بشكل كامل والتي تكون متصلة بالإنترنت فقط لفترة وجيزة خلال فترات ذروة الطلب.
وتهدف "الشبكة الذكية" إلى تحقيق كل هذه الأهداف وأكثر، ويمكن تقسيمها إلى ثلاث مجموعات تكنولوجية رئيسية:
-
الواجهة الأمامية للعداد
الواجهة الخلفية للأجهزة
برامج شبكة الطاقة
على وجه التحديد، هناك اتجاهان رئيسيان لهما أهمية حاسمة بالنسبة لمستقبل "الشبكة الذكية".
أولاً وقبل كل شيء، نحتاج إلى بناء عدد كبير من مرافق تخزين الطاقة لتسهيل أحمال الذروة المحلية وتحقيق استقرار إمدادات الطاقة المتقطعة لشبكة الطاقة بأكملها. تعتبر بطاريات تخزين الطاقة ضرورية بالفعل لتدفقات صغيرة من الكهرباء، ومع استمرار انخفاض الأسعار، يمكن أن تغطي فترات زمنية أطول. لكن توسيع نطاق البطاريات إلى مئات الجيغاواط/ساعة يتطلب أيضًا توسيع سلسلة التوريد. ولحسن الحظ، من المرجح أن تستمر الظروف الاقتصادية القوية في تسريع عملية النشر؛ ويجب على رواد الأعمال أن يتطلعوا إلى توصيل البطاريات حيثما أمكن ذلك.
والثاني هو تسريع نشر وتكامل شبكات أصول الطاقة الموزعة. أي شيء يمكنه إنتاج الكهرباء سيصبح كهربائيًا. سيتطلب السماح لهذه الأنظمة بالتفاعل مع أنظمة الطاقة المنزلية وعلى مستوى الشبكة مجموعة متنوعة من الحلول الجديدة. ومن الممكن أن تشكل مجموعات من الأجهزة "الذكية" مثل السيارات الكهربائية أو منظمات الحرارة محطات طاقة افتراضية تحاكي سلوك أصول الطاقة الأكبر حجما.
ما هو المستقبل؟
يتمثل التحدي الأساسي في توسيع الشبكة في تحقيق التوازن الدقيق بين الانتقال بين الأنظمة المركزية واللامركزية، مع مراعاة القضايا الاقتصادية والموثوقية. على الرغم من أن شبكات الطاقة المركزية بسيطة وموثوقة (عادة)، فإنها تواجه أيضًا تقلبات معقدة في الطلب وتكاليف ثابتة عالية - على سبيل المثال، تمول معظم محطات الطاقة النووية الكبرى في جميع أنحاء العالم بتمويل من الحكومة، ولا تزال شبكات الطاقة اللامركزية قيد النشر. المراحل المبكرة، ولكن رخيصة الثمن، لا تضمن تلقائيا توفير طاقة موثوقة، كما تشير تفضيلات بعض المجتمعات الريفية في الهند.
لكي نكون واضحين، فإن الشبكة المركزية التي لدينا اليوم لن تختفي بالتأكيد - في الواقع، إنها بحاجة إلى التوسع - ولكنها ستكونمحاطة بالعدد المتزايد من الأصول اللامركزية التي تستهلكها الشبكة. قوي>. وسوف يتبنى دافعو الضرائب بشكل متزايد وسائل التوليد والتخزين الخاصة بهم، مما يتحدى احتكارات الطاقة التقليدية ويدفع الإصلاحات التنظيمية والسوقية. سيصل هذا الاتجاه نحو التوليد الذاتي إلى ذروته في الصناعات كثيفة الاستهلاك للطاقة والتي تعطي أهمية كبيرة للموثوقية — إذ تعمل أمازون ومايكروسوفت بالفعل على إنشاء مراكز بيانات تعمل بالطاقة النووية — ويجب بذل كل جهد ممكن لتسريع عملية التوليد الذاتي. تطوير مفاعلات جديدة ونشرها.
على نطاق أوسع، يحتاج دافعو الضرائب إلى كهرباء موثوقة وبأسعار معقولة ونظيفة، وغالبًا ما يكون ذلك بالترتيب. ستكون شركة ERCOT، بموقعها الفريد، وسوق "الطاقة النقية" سهل الابتكار، وسياسات الربط البيني المريحة، أمرًا أساسيًا يجب مراقبته لفهم ما إذا كان من الممكن تحقيق ذلك من خلال شبكة لا مركزية ومتى وكيف. وليس هناك شك في أن النجاح في اجتياز هذا التحول سيؤدي إلى نمو اقتصادي كبير.
من الأهمية بمكان أن بناء هذه الشبكة اللامركزية سيتطلب رواد الأعمال والمهندسين الأكثر موهبة لدينا:نحن بحاجة إلى شخص يتمتع بخبرة جادة في تكنولوجيا برمجيات ما قبل المستخدم وما بعد المستخدم والشبكة. "الشبكة الذكية" المبتكرة. قوي> وسوف تؤدي الاتجاهات السياسية والاقتصادية إلى تسريع عملية تطوير الطاقة هذه، ولكن مسؤولية ضمان عمل هذه الشبكة اللامركزية بشكل أفضل من الشبكة القديمة ستقع على عاتق القطاع الخاص.
يكمن مستقبل الشبكة الكهربائية الأمريكية في الاستفادة من التقنيات الجديدة واحتضان الأسواق الحرة للتغلب على التحديات التي تواجهها بلادنا وتمهيد الطريق لمشهد طاقة أكثر كفاءة وديناميكية. وهذه واحدة من المشاريع العظيمة في القرن الحادي والعشرين، ولكن يجب علينا أن نرتقي إلى مستوى التحدي.
إن العالم يتغير بسرعة، ويجب أن تتغير الشبكة معه. ص>