A16Z: شبكة الطاقة اللامركزية

المؤلف: Ryan McEnrush ، شريك A16Z ؛

شبكة الطاقة عبارة عن نظام ضخم ومعقد يتكون من الأسلاك ومحطات الطاقة ، وهو أمر بالغ الأهمية لاقتصادنا وأساس قوتنا الصناعية.في الوقت الحالي ، تواجه الولايات المتحدة تحديات شديدة: من المتوقع أن يزداد الطلب على الكهرباء في الولايات المتحدة بحلول عام 2040 بسبب عوامل مثل الحوسبة الذكاء الاصطناعي ، والتراجع و “كهربة”.تضاعفت تقريبًا ، لكن من الصعب مواكبة البنية التحتية للشبكات.

للاستيلاء على المستقبل الغني بالطاقة ، يجب علينا تبسيط إنتاج الكهرباء ونقلها واستهلاكها ؛شبكة الطاقة اللامركزية.إن بناء محطات توليد الطاقة الكبيرة وخطوط نقل المسافات الطويلة مرهقة للغاية ، ولكن التقنيات مثل الطاقة الشمسية والبطاريات والمفاعلات النووية المتقدمة جلبت إمكانيات جديدة.هذه التقنيات وغيرها من التقنيات “المحلية” التي يمكن أن تتجنب الكابلات باهظة الثمن للمسافات الطويلة ونشرها مباشرة في الموقع ،سيساعد هذا في دعم النمو الكبير في الحمل على مدى العقود القليلة المقبلة.

في حين أن التوسع الصناعي التاريخي يعتمد على محطات الطاقة المركزية الكبيرة ، فإن القرن الحادي والعشرين يمثل تحولًا إلى الطاقة اللامركزية والمتقطعة ، من نموذج “الإشعاع المركزي” إلى شبكة موزعة.بالطبع ، يجلب هذا التطور تحديات جديدة ونحتاج إلى الابتكار لسد الفجوة.

مشاكل النمو

تتكون الشبكة الأمريكية من ثلاث شبكات إنترنت رئيسية: شرق وغرب وتكساس ، تديرها 17 منسق NERC ، و ISO (مشغل النظام المستقل) و RTO (مشغل الإرسال الإقليمي) يشرفون على الاقتصاد الإقليمي والبنية التحتية.ومع ذلك ، يتم التعامل مع توليد الطاقة الفعلي ونقله من قبل شركات المرافق المحلية أو التعاونيات.لعب هذا الهيكل دورًا في عصر النمو المنخفض للحمل ، لكن توسيع البنية التحتية للشبكة لتلبية مطالب اليوم قد أصبحالمزيد والمزيد من التحدي والمكلفة.

قضايا الوصول

تستخدمها مشغلي شبكة الطاقةقائمة انتظار الوصوللإدارة الوصول الجديد للأصول ، قم بتقييم ما إذا كانت الشبكة يمكن أن تدعم الطاقة الجديدة في الموقع دون اختلال التوازن ، وتحديد تكلفة الترقيات اللازمة.في الوقت الحاضر ، أكثر من2000 جيجاواطفي انتظار الوصول إلى الشبكة ، سيكون أكثر من 700 جيجاوات من المشاريع في قائمة الانتظار في عام 2022 وحده.هذا هوواحدرقم كبير: تبلغ السعة المثبتة لشبكة الطاقة الأمريكية بأكملها 1200 جيجاوات فقط.

ولكن في الواقع ، تم سحب العديد من المشاريع بسبب تكلفة الاتصال بالشبكة.تاريخياً ، تم تحقيق 10-20 ٪ فقط من المشاريع في قائمة الانتظار ، وغالبًا ما تتطلب أكثر من 5 سنوات بعد تقديم الطلب للاتصال أخيرًا-وستصبح تلك الأوقات أطول وأطول.غالبًا ما يقدم المولون الإلكترونيون مقترحات مضاربة متعددة لتحديد أرخص نقاط الوصول ومن ثم سحب المقترحات غير المواتية بعد معروفة التكلفة ، وبالتالي تعقيد دراسات الجدوى.اضطر Caiso ، مشغل شبكة كاليفورنيا ، إلى التوقف عن قبول أي طلبات جديدة في عام 2022 وخطط للقيام بذلك مرة أخرى في عام 2024 بسبب الزيادة في الطلبات.

هذا هو عامل الحد من المعدل الرئيسي وسائق التكلفة في انتقال الطاقة لدينا.وجد تقرير لوزارة الطاقة الأمريكية مؤخرًا أنه من أجل تحقيق نمو كبير في الحمل بحلول عام 2035 ، يجب أن يزداد انتقال داخل الأصول التي تدمج الأصول الجديدة بنسبة 128 ٪ ويجب أن يزداد الإرسال بين الإدارة بنسبة 412 ٪.من المتوقع أن تنمو التوقعات الأكثر تفاؤلاً بنسبة 64 ٪ و 34 ٪ على التوالي.

تساعد الإصلاحات المقترحة في تخفيف هذا التنمية المتراكمة.تقوم لجنة إدارة الطاقة الفيدرالية (FERC) بتنفيذ سياسة “جاهزة للخدمة الأولى” التي تقوم بتصفية المقترحات وتسريع المراجعات عن طريق زيادة الرسوم.تعتمد لجنة موثوقية الكهرباء في تكساس (ERCOT) نهج “الوصول والإدارة” الذي يتيح الوصول بشكل أسرع ، ولكنه يفصل المشروع إذا كان يهدد موثوقية الشبكة – وهذا يضيف أصول الشبكة الجديدة بسرعة كبيرة.في حين أن هذه السياسات تحدد التقدم ، فإن تبسيط اللوائح الأخرى مثل NEPA أمر بالغ الأهمية أيضًا في تسريع البناء.

ولكن حتى مع الموافقة ، لا يزال بناء الشبكة يواجه عقبات لسلسلة التوريد ، بما في ذلك أكثر من 12 شهرًا من وقت التسليم ، وارتفع 400 ٪ في سعر محولات الطاقة الكبيرة ، ونقص الفولاذ المتخصص.يعتمد تحقيق الهدف الفيدرالي المتمثل في تطوير تصنيع المحولات أيضًا على دعم صناعة الصلب الكهربائي ، وخاصة معايير كفاءة الطاقة 2027 القادمة.يحدث كل هذا عندما يصل تعتيم الشبكة (المتعلق بالطقس بشكل رئيسي) إلى أعلى مستوياته منذ 20 عامًا ، مما يتطلب استبدال الأجهزة.

هذا لا يشمل التسليم

في النهاية ، يتجلى إصلاح تكلفة بناء البنية التحتية لشبكة الطاقة في ارتفاع أسعار المستهلك.”سعر التجزئة” الذي يدفعه المستهلكون هو مزيج من سعر الجملة (تكلفة توليد الكهرباء) ورسوم التسليم (تكلفة توصيل الكهرباء إلى البنية التحتية التي تحتاجها).من الأهمية بمكان ، في حين أن أسعار توليد الطاقة المتجددة الرخيصة والغاز الطبيعي قد انخفضت ، ارتفعت أسعار انتقال الطاقة بشكل حاد.

هذا الحادث ناتج عن العديد من الأسباب.تستخدم المرافق فواتير التوزيع لتعويض الخسائر من توليد الطاقة لدى العملاء ، بهدف ضمان الإيرادات من استثمارات البنية التحتية العوائد الثابتة (على غرار التعاقد الدفاعي في التكلفة).يتطلب تطوير الطاقة المتجددة تمديد خطوط الطاقة إلى المناطق النائية ، والتي يتم استخدامها أقل بسبب المتقطع.علاوة على ذلك ، مع زيادة الكهربة والتوليد الذاتي ، تصبح الأحمال غير مستقرة ، وتصبح البنية التحتية المصممة لذروة الطلب غير فعالة ومكلفة.

تعالج تعديلات السياسة والسوق تكاليف النقل المتزايدة هذه ، والاعتماد الهائل على أنظمة الطاقة الموزعة مثل الطاقة الشمسية على السطح مثال بارز.

سمحت برنامج Net Energy Metering (NEM) في كاليفورنيا في البداية ببيع شمسية زائدة إلى الشبكة بأسعار التجزئة ، متجاهلين تكاليف توزيع الأداة.التغييرات الحديثة الآن إعادة شراء الكهرباء بأسعار بالجملة متغيرة ، مما يقلل من الإيرادات لأصحاب الألواح الشمسية خلال فترات توليد الذروة ، والتي غالبًا ما تكون متسقة مع أدنى سعر كهرباء.يمتد التعديل فترة الاسترداد للمنشآت الشمسية ، مما يدفع أصحاب المنازل والشركات إلى الاستثمار في تخزين الكهرباء لبيع الطاقة عندما يكون أكثر ربحية.

اقترحت أدوات المساعدة في كاليفورنيا أيضًا نموذج إعداد الفواتير حيث تعتمد الرسوم الثابتة على مستويات الدخل ورسوم الاستخدام على الاستهلاك.تهدف هذه الخطوة إلى السماح للعملاء الأثرياء بتحمل المزيد من تكاليف البنية التحتية للشبكة وحماية الأفراد ذوي الدخل المنخفض من ارتفاع أسعار الكهرباء في التجزئة.على الرغم من أن هذه السياسة المحددة قد تم تعليقها مؤخرًا بسبب إصدارات مماثلة ولكنها أقل تطرفًا ، إلا أن هذه الفكرة قد تؤدي إلى أن يكون المستخدمون الأثرياء خارج الشبكة تمامًا.قد يتسبب الخيانة في دفع المستخدمين الباقين إلى دفع تكاليف أعلى ويؤدي إلى “دوامة الموت”.يعتقد البعض أن هذا قد حدث في سوق الطاقة في هاواي ، حيث تحولت بعض المناطق بسرعة إلى مضخات الحرارة الكهربائية.

حافظ على الضوء

الكهرباء ليست سحرية.في أي وقت ،يجب أن تكون الطاقة المتولدة مرتبطة بالطلب على الطاقةأو “تحميل” تطابقات.على مستوى أعلى ، يعتمد ثبات الشبكة على الحفاظ على تردد ثابت – 60 هرتز في الولايات المتحدة.

الازدحام الناجم عن سعة خط الطاقة المفرطة (إلقاء الكهرباء في الشبكة) يمكن أن يؤدي إلى حدود الطاقة واختلافات الأسعار المحلية.يمكن أن يتسبب أي انحراف في التردد أيضًا في تلف المولد والمعدات المحرك.الرياح والطاقة الشمسية والبطاريات – الموارد المنقوقة التي تفتقر إلى القصور الذاتي – الاستقرار التردد أثناء تكاثرها.في الحالات القصوى ، يمكن أن تؤدي الانحرافات إلى انقطاع التيار الكهربائي وحتى تلف المعدات المتصلة بالشبكة.

نظرًا للضعف المتأصل للشبكة ، يجب النظر بعناية في الأصول المتصلة بها لمواءمة العرض الموثوق مع الطلب المتوقع.نمو إمدادات الطاقة المتقطعة (العرض غير الموثوق) جنبا إلى جنب مع ارتفاع “كهربة” (زيادة في الطلب)شديدالتحدي.

متى يكفي ، بما يكفي؟

حوالي ثلثي الحمل متوازنة من خلال سوق الجملة من خلال (في الغالب) قبل أيام قليلة ، حيث يتم تحديد السعر حسب تكلفة الوحدة الأخيرة من الكهرباء المطلوبة.لا تتمتع الطاقة المتجددة بأي تكلفة هامشية وعادة ما تكون أعلى من مصادر الطاقة الأخرى عندما تكون نشطة ، مما يؤدي إلى تقلبات الأسعار – تكون الأسعار منخفضة للغاية عندما تلبي الطاقة المتجددة الطلب ، والأسعار ترتفع عند الحاجة إلى طاقة أكثر تكلفة (ملاحظة: العطاءات تختلف عنتسوية تكاليف الطاقةlcoe.)

عدم القدرة على التنبؤ بالطاقة الشمسية وطاقة الرياح ، وكذلك إغلاق محطات توليد الطاقة الأحفورية المسنين ، يضع الضغط على استقرار الشبكة.يمكن أن يؤدي ذلك إلى انقطاع التيار الكهربائي (نقص الإنتاج) وحدود الطاقة (الإنتاج الزائد) ، مثل نفايات 2400 GWH في كاليفورنيا في عام 2022.يتطلب معالجة هذه المشكلة الاستثمار في تخزين الطاقة وإعداد التحسينات (الموضحة أدناه).

علاوة على ذلك ، نظرًا لأن إمدادات الكهرباء تصبح أكثر لا يمكن التنبؤ بها ، يلعب الغاز الطبيعي دورًا متزايد الأهمية بسبب فعاليته من حيث التكلفة والمرونة.يدعم الغاز الطبيعي عادة الطاقة المتجددة من خلال “محطات توليد الطاقة الذروة” التي بدأت فقط عند الحاجة.بشكل عام ، فإن الطبيعة المتقطعة للطاقة الشمسية وطاقة الرياح تجعل محطات توليد الطاقة الغاز وأنواع أخرى من محطات الطاقة مربحة بشكل متقطع ، وأحيانًا تعمل في خسائر مستمرة لأسباب تقنية.لذلك ، عندما تحدد “محطة توليد الطاقة الذروة” أسعار الجملة عندما يؤدي انقطاع الطاقة المتجددة إلى ارتفاع تكاليف ، مما سيؤدي إلى تقلبات للمستهلكين.

الطلب على الكهرباء يتغير أيضا.على الرغم من أن التقنيات مثل مضخات الحرارة لتوفير الطاقة ، إلا أنها قد تؤدي إلى ذروة الأحمال في فصل الشتاء عندما يكون توليد الطاقة المتجددة منخفضًا.وهذا يتطلب من مشغلي الشبكات الاحتفاظ بمؤسسة معينة من أصول الطاقة وغالبًا ما يتجاهلون الطاقة المتجددة في التخطيط لتكافؤ الموارد.عادة ما يتبع مشغلو الشبكات قاعدة “عُشر” ، حيث يقبلون نقص الطاقة كل عشر سنوات ، ولكن الحسابات الفعلية أكثر تعقيدًا.في ERCOT ، نظرًا لعدم وجود أسواق سعة تقليدية لاستبدال حوافز زيادة الأسعار ، فقد رأينا أن “احتياطيات الطوارئ” تستمر في النمو مع دخول الطاقة المتجددة إلى الشبكة.

تواجه مناطق مثل كاليفورنيا أيضًا “منحنى البط” يتطلب من مشغلي الشبكات زيادة بسرعة أكثر من 20 جيجاوات من الكهرباء مع انخفاضات ضوء النهار وزيادة الطلب.هذا هو تحدي تقني واقتصادي للمصانع التي تهدف إلى الحفاظ على الإنتاج.

يمكن أن تتحمل الطبيعة المتقطعة للطاقة المتجددة تكاليف خفية ، مما يجبر مشغلي الشبكات على المخاطرة أو الاستثمار في الأصول الجديدة.في حين أن تكاليف تسوية الطاقة تقيم الجدوى الاقتصادية للمشروع ، فإنها تبالغ في تبسيط القيمة الحقيقية للأصول إلى الشبكة الأوسع.ومع ذلك ، فإن LCOE تسلط الضوء على التحديات الاقتصادية التي تواجه بناء أصول جديدة مثل محطات الطاقة النووية.على الرغم من أن الطاقة النووية أغلى من الغاز الطبيعي اليوم ، إلا أنها توفر طريقًا مقنعًا وموثوقًا لإزالة الكربون الكهربائي.نحتاج فقط إلى توسيع نطاق بناء المفاعل.

لكن لا يمكننا الاعتماد فقط على الطاقة النووية.يعد الاعتماد على مصدر طاقة واحد وحده أمرًا محفوفًا بالمخاطر ، كما يتضح من التحديات النووية التي تواجهها فرنسا خلال عقوبات الطاقة الروسية ومشكلة الغاز في الطقس البارد في جنوب الولايات المتحدة ، ناهيك عن تقلبات أسعار السلع.تواجه المناطق ذات الكميات الكبيرة من الطاقة المتجددة ، مثل كاليفورنيا ، عدم اليقين بسبب اعتمادها اليومي على الواردات.حتى أماكن مثل أيسلندا أو الدول الاسكندنافية التي تستخدم طاقة نظيفة بنسبة 100 ٪ تقريبًا ستحافظ على خيارات احتياطية أو استيراد موثوقة أثناء الأزمة.

تصبح ذكية

مع نمو الطلب على الكهرباء ، كافحت الشبكة للتعامل مع المواقف المعقدة بشكل متزايد بسبب مصادر الطاقة المتجددة غير المركزية والمتقطعة.لا يمكننا إجبار هذا التحول بالقوة الغاشمة ؛نحن حقا بحاجة إلى أن نكون أذكياء.

الشبكة الحالية هي شيخوخة و “غبية” وتعتمد على محطات الطاقة لضبط الإنتاج بناءً على الطلب المتوقع مع إجراء تعديلات صغيرة في الوقت الفعلي لضمان الاستقرار.تم تصميم الشبكة في الأصل لتدفق أحادي الاتجاه لمحطات الطاقة الكبيرة ، ولكن تم تحديها من خلال مفهوم إمدادات الطاقة الصغيرة المتعددة التي توفر الطاقة في جميع الاتجاهات ، مثل شحن الطاقة الشمسية على السطح.علاوة على ذلك ، فإن الافتقار إلى الرؤية الحقيقية في الاتجاهات في الوقت الفعلي يشكل مشاكل وشيكة ، وخاصة على مستوى التوزيع.

توفر الطاقة الشمسية السكنية والبطاريات والطاقة النووية المتقدمة (ربما) الكهرباء الحرارية الأرضية الكهرباء المشتتة ، مما يقلل من الحاجة إلى بناء البنية التحتية.ومع ذلك ، فإن دمج شبكة متغيرة وغير مستقرة لا يزال يتطلب حلولًا مبتكرة.بالإضافة إلى ذلك ، من خلال التخزين المحلي والاستجابة من جانب الطلب (مثل إيقاف ترموستات عندما تكون الشبكة ضيقة) ، يمكن تحسين الاستخدام الفعال لأنظمة الطاقة على نطاق المنفعة بشكل كبير ، مما يقلل من فترة ذروة الحاجة إلى بناء الأصول غير المستغلة التي هي فقط على الإنترنت لفترة وجيزة.

تهدف “الشبكة الذكية” إلى تحقيق كل هذه الأشياء وأكثر من ذلك ويمكن تقسيمها إلى ثلاث مجموعات فنية رئيسية:

• الواجهة الأمامية للمتر

• تصنيفات الخطوط الديناميكية ، محولات الحالة الصلبة ، إدارة الجهد وأنظمة الاتجاه ، الموصلات الأفضل ، مراقبة البنية التحتية ، توليد الطاقة على نطاق الشبكة ، تخزين على نطاق الشبكة ، إلخ ، إلخ.

• عداد الخلفية

• المضخات الحرارية ، والأجهزة الكهربائية ، والطاقة الشمسية السكنية ، وتخزين الطاقة المنزلية ، وشواحن المركبات الكهربائية ، والترموستات الذكية ، والمقاييس الذكية ، والمفاعلات الدقيقة ، والمفاعلات المعيارية الصغيرة ، والميكرودات ، إلخ ، إلخ.

• برنامج الشبكة

• محطات توليد الطاقة الافتراضية ، التنبؤ الأفضل ، إدارة المعدات ، البنية التحتية لبيانات الطاقة ، الأمن السيبراني ، ADMS ، تخطيط الترابط ، الأدوات المالية للطاقة ، أتمتة البروتوكول الثنائي ، إلخ.

على وجه التحديد ، هناك اتجاهان رئيسيان حاسمان في مستقبل “الشبكة الذكية”.

أولاً ، نحتاج إلى إنشاء عدد كبير من مرافق تخزين الطاقة لتنعيم أحمال الذروة المحلية وتثبيت إمدادات الطاقة المتقطعة لشبكة الطاقة بأكملها.تعد بطاريات تخزين الطاقة ضرورية بالفعل لتفشي الطاقة على نطاق صغير ، ويمكن أن تغطي أطول مع استمرار انخفاض الأسعار.لكن توسيع حجم البطارية لمئات GWH يتطلب أيضًا توسيع سلسلة التوريد.لحسن الحظ ، قد يستمر وضع اقتصادي قوي في تسريع النشر ؛

والثاني هو تسريع نشر ودمج شبكات أصول الطاقة الموزعة.سيتم تشغيل كل ما يمكن استخدامه في الطاقة.سيتطلب السماح لهذه الأنظمة بالتفاعل مع أنظمة الطاقة في المنزل وشبكة الشبكة مجموعة متنوعة من الحلول الجديدة.يمكن أن تشكل مجموعة من الأجهزة “الذكية” مثل السيارات الكهربائية أو الحرارة محطات توليد الطاقة الظاهرية التي تحاكي سلوك أصول الطاقة الأكبر.

ما هو المستقبل؟

يتمثل التحدي الأساسي في توسيع الشبكة في موازنة الانتقال بين الأنظمة المركزية واللامركزية بعناية مع الأخذ في الاعتبار القضايا الاقتصادية والموثوقية.في حين أن الشبكات البسيطة والموثوقة (عادةً) تواجه تقلبات معقدة للطلب والتكاليف الثابتة المرتفعة – على سبيل المثال ، يتم تمويل معظم محطات الطاقة النووية الكبيرة في جميع أنحاء العالم ، ولا تزال الشبكات اللامركزية يتم نشرها. ، ولكن لا يضمن تلقائيًا كهرباء موثوقة ، كما تشير تفضيلات بعض المجتمعات الريفية في الهند.

يجب أن يكون من الواضح أن الشبكة المركزية التي لدينا اليوم لن تختفي بالتأكيد – في الواقع ، يجب توسيعها – لكنها ستكونتستهلكها الشبكة المتنامية من الأصول اللامركزية حولها.سيعتمد دافعو الضرائب بشكل متزايد توليد الذاتي والتخزين ، ويتحدى احتكارات السلطة التقليدية وتعزيز الإصلاحات التنظيمية والسوق.سيصل هذا الاتجاه المولد الذاتي إلى ذروته في الصناعات المكثفة للطاقة التي تركز بشكل خاص على الموثوقية-Amazon و Microsoft لديهامتابعة مركز البيانات التي تعمل بالطاقة النووية، يجب أن نبذل قصارى جهدنا لتسريع تطوير ونشر مفاعلات جديدة.

على نطاق أوسع ، يحتاج دافعو الضرائب إلى الكهرباء الموثوقة والأسعار معقولة ونظيفة ، وعادة في هذا الترتيب.سيكون الموقع الجغرافي الفريد لـ ERCOT ، وسوق “الطاقة النقية” سهل الاستخدام وسياسات الترابط الفضفاضة مفتاح التركيز لفهم ما إذا كان يمكن تحقيق ذلك ومتى وكيف يمكن تحقيق ذلك من خلال شبكة لا مركزية.ليس هناك شك في أن التنقل بنجاح في هذا التحول سيؤدي إلى نمو اقتصادي كبير.

بشكل حاسم ، يتطلب بناء هذه الشبكة اللامركزية أكثر رواد الأعمال والمهندسين الموهوبين:نحتاج إلى “شبكة ذكية” تبتكر بشكل خطير أمام المستخدمين ، وراء المستخدمين وتكنولوجيا برامج الشبكة ويجري ابتكارات خطيرة من حيث تقنية برامج الشبكة..ستؤدي الاتجاهات السياسية والاقتصادية إلى تسريع تنمية القوة هذه ، ولكن المسؤولية عن ضمان أن هذه الشبكة اللامركزية تعمل بشكل أفضل من الشبكة القديمة ستقع في القطاع الخاص.

يتمثل مستقبل شبكة الطاقة في الولايات المتحدة في استخدام تقنيات جديدة واحتضان الأسواق الحرة للتغلب على تحديات أمتنا وتمهيد الطريق لمشهد الطاقة الأكثر كفاءة وديناميكية.هذا هو أحد الأسباب العظيمة في القرن الحادي والعشرين ، ولكن يجب أن نواجه التحديات.

يتغير العالم بسرعة ، ويجب أن تتغير شبكة الطاقة وفقًا لذلك.