يقدم هذا البحث دراسة رائدة لنمذجة نظام الطاقة بدقة ساعية لتحقيق إمداد طاقة متجددة بنسبة 100% في جميع أنحاء أمريكا الجنوبية والوسطى بحلول عام 2030. تتناول الدراسة التحدي المزدوج للمنطقة المتمثل في الحفاظ على النمو الاقتصادي مع التحول من حصة الطاقة المتجددة المرتفعة بالفعل (المهيمن عليها الطاقة الكهرومائية) نحو نظام أكثر تنوعًا وقدرة على الصمود واستدامة كاملة. يكمن الابتكار الأساسي في دمج ليس فقط الكهرباء ولكن أيضًا تحلية المياه وإنتاج الغاز الطبيعي الاصطناعي (SNG) عبر تقنية تحويل الطاقة إلى غاز (PtG) في نموذج واحد محسن.
2030
ساعية
15
4
تستخدم الدراسة نموذج تحسين خطي لتقليل التكلفة السنوية الإجمالية لنظام الطاقة المتكامل، مع الالتزام بتلبية الطلب الساعي على الكهرباء والمياه والغاز.
النموذج هو أداة لتحسين التكلفة تحدد المزيج الأمثل لقدرات التوليد والتخزين والنقل. يستخدم بيانات الطقس التاريخية (2005-2009) للإشعاع الشمسي وسرعات الرياح لتوليد عوامل سعة ساعية اصطناعية لمحطات الطاقة الشمسية الكهروضوئية وطاقة الرياح عبر المناطق الفرعية الـ 15.
تم تقسيم القارة إلى 15 منطقة فرعية بناءً على الحدود السياسية وهياكل سوق الطاقة لنمذجة توزيع الموارد واحتياجات النقل بدقة.
وجد النموذج أن نظام الطاقة المتجددة بنسبة 100% ممكن تقنيًا. تهيمن الطاقة الشمسية الكهروضوئية (حوالي 415 جيجاوات) وطاقة الرياح (حوالي 200 جيجاوات) على السعة المركبة، بينما توفر الطاقة الكهرومائية الحالية (حوالي 150 جيجاوات) التوازن والتخزين. تلعب الكتلة الحيوية والطاقة الحرارية الأرضية أدوارًا ثانوية وتكميلية.
نتيجة حاسمة هي استخدام السدود الكهرومائية الحالية كـ "بطاريات افتراضية". من خلال تشغيل الطاقة الكهرومائية بشكل استراتيجي بالتزامن مع إنتاج الطاقة الشمسية وطاقة الرياح، يتم تقليل الحاجة إلى تقنيات تخزين إضافية كهروكيميائية أو أخرى بشكل كبير. وهذا يستفيد من البنية التحتية الحالية لاستقرار الشبكة.
يوضح السيناريو المتكامل "قيمة النظام" لربط القطاعات. تعمل تقنية تحويل الطاقة إلى غاز وتحلية المياه كأحمال تخزين مرنة غير بطارية، تمتص الفائض من التوليد المتجدد وتحسن الاستفادة من الأصول بشكل عام، مما يؤدي إلى خفض التكاليف.
جوهر النموذج هو مشكلة تحسين خطي لتقليل التكلفة السنوية الإجمالية $C_{total}$:
$\min C_{total} = \sum_{t,i} (C_{cap,i} \cdot G_{i} + C_{op,i} \cdot g_{i,t}) + \sum_{l} C_{trans,l} \cdot T_l + \sum_s C_{store,s} \cdot S_s$
مع مراعاة:
1. توازن الطاقة (ساعي): $\sum_i g_{i,t} + \sum_s (p_{s,t}^{dis} - p_{s,t}^{ch}) + \sum_l I_{l,t} = D_{t}^{elec} + D_{t}^{PtG} + D_{t}^{Desal}$
2. قيود السعة: $0 \le g_{i,t} \le CF_{i,t} \cdot G_i$
3. ديناميكيات التخزين: $E_{s,t+1} = E_{s,t} + \eta_s^{ch} \cdot p_{s,t}^{ch} - p_{s,t}^{dis} / \eta_s^{dis}$
حيث $G_i$ هي سعة التقنية $i$، $g_{i,t}$ هي توليدها في الوقت $t$، $T_l$ هي سعة النقل، $S_s$ هي سعة التخزين، و $D_t$ تمثل الطلبات المختلفة.
تشمل الافتراضات الرئيسية بيانات الأرصاد الجوية للفترة 2005-2009 لمصادر الطاقة المتجددة المتغيرة (VRE)، وتوقعات تكلفة التقنيات لعام 2030 من الأدبيات، ومتوسط تكلفة مرجحة لرأس المال (WACC) بنسبة 8%، والطلبات المقدرة للكهرباء (1813 تيراواط ساعة) والمياه والغاز.
وصف المخطط (بناءً على ناتج النموذج النموذجي): سيظهر مخطط الناتج الرئيسي مزيج توليد الكهرباء الساعي لعام تمثيلي في السيناريو المتكامل (4). سيكون لمخطط المساحة المتراكبة الوقت (الساعات) على المحور السيني والطاقة (جيجاوات) على المحور الصادي. ستُمثل الطبقات: الطاقة الشمسية الكهروضوئية (تُظهر دورات يومية قوية)، طاقة الرياح (أكثر تباينًا، ليلاً ونهارًا)، الطاقة الكهرومائية (تعمل كقاعدة تحميل/موازنة مرنة، تملأ الفجوات عندما تكون الطاقة الشمسية وطاقة الرياح منخفضة)، وطبقات رقيقة للكتلة الحيوية/الطاقة الحرارية الأرضية. يمثل الخط العلوي إجمالي الطلب، بما في ذلك الاستهلاك المباشر والأحمال لتقنية تحويل الطاقة إلى غاز/تحلية المياه. سيوضح المخطط بصريًا كيف أن تشغيل الطاقة الكهرومائية والأحمال المقترنة بالقطاعات (تحويل الطاقة إلى غاز/تحلية المياه) "تقلل" من قمم فائض مصادر الطاقة المتجددة المتغيرة وتملأ قيعان العجز، مما يضمن توازنًا ثابتًا.
الحالة: تقييم مركزية الشبكة مقابل تكامل القطاعات
الإطار: يمكن استخدام مصفوفة تحليل ذات محورين لمقارنة السيناريوهات الأربعة.
رسم السيناريوهات:
الاستبصار: يؤدي التحرك لليمين (شبكة أفضل) إلى تقليل متوسط تكلفة الكهرباء. يؤدي التحرك لأعلى (إضافة قطاعات) إلى تقليل التكلفة الإجمالية للنظام وزيادة القدرة على الصمود. يتطلب تصميم النظام الأمثل (السيناريو 4) استثمارًا في كل من البنية التحتية للنقل و تقنيات الاقتران بين القطاعات.
الاستبصار الأساسي: هذه الدراسة ليست مجرد فحص للجدوى؛ إنها مخطط للاستفادة من الأصل الفريد لأمريكا الجنوبية - الطاقة الكهرومائية الضخمة - كحجر الزاوية لشبكة متجددة مقترنة بالقطاعات من الجيل التالي. الاختراق الحقيقي هو إعادة صياغة دور الطاقة الكهرومائية من مجرد مولد إلى بطارية افتراضية أساسية لتشكيل الشبكة للقارة، مما يقلل بشكل كبير من الحاجة إلى تخزين جديد مكلف ويمكن من اختراق عميق للطاقة الشمسية وطاقة الرياح.
التدفق المنطقي: الحجة مقنعة: 1) يجعل خطر المناخ الأنظمة المهيمنة عليها الطاقة الكهرومائية غير موثوقة. 2) تمتلك المنطقة موارد طاقة شمسية/رياح من الطراز العالمي. 3) المشكلة هي التقطع. 4) الحل: استخدام خزانات الطاقة الكهرومائية الحالية للتخزين، وليس فقط التوليد. 5) مكافأة: استخدام الطاقة المتجددة الفائضة لإنتاج وقود ومياه خضراء، مما يخلق نظام طاقة ومياه دائري. المنطق من المشكلة إلى الحل المتكامل متماسك ويعالج الاحتياجات الاقتصادية والتقنية والتكيف المناخي في وقت واحد.
نقاط القوة والضعف: تكمن قوة النموذج في نهجه الشامل والساعي لتحسين التكلفة والتكامل الرائد لتقنية تحويل الطاقة إلى غاز/تحلية المياه - وهي خطوة تتجاوز معظم دراسات الطاقة المتجددة بنسبة 100% التي تركز فقط على الكهرباء. ومع ذلك، فإن التحليل يحتوي على نقاط ضعف ملحوظة. يعتبر متوسط تكلفة مرجحة لرأس المال بنسبة 8% متفائلاً بالنسبة للأسواق الناشئة؛ تحليل الحساسية بمعدلات أعلى (مثل 10-12%) أمر بالغ الأهمية. الجدوى السياسية والتنظيمية لشبكة فائقة للتيار المباشر عالي الجهد على مستوى القارة هي الفيل في الغرفة، تم تجاهلها من قبل النموذج التقني الاقتصادي. علاوة على ذلك، بينما يعد استخدام الطاقة الكهرومائية للتخزين فكرة ذكية، فقد يتعارض مع حقوق المياه الحالية والتحكم في الفيضانات والتفويضات البيئية - وهو تحدٍ للتحسين متعدد الأهداف بالكاد تم التطرق إليه. تتفوق الدراسة، مثل العديد من الدراسات في المجال (مثل خطط جاكوبسون وآخرون للطاقة المتجددة بنسبة 100% للولايات المتحدة)، في الإمكانات التقنية ولكنها تتطلب دراسات مصاحبة قوية حول الحوكمة والتمويل والترخيص الاجتماعي.
رؤى قابلة للتنفيذ: بالنسبة لواضعي السياسات والمرافق في المنطقة، يجب أن تكون الأولوية: 1) تحديث حوكمة الطاقة الكهرومائية: البدء في إصلاح قواعد سوق المياه والطاقة الآن لتمكين محطات الطاقة الكهرومائية من العمل بمرونة لخدمات الشبكة، وليس فقط الطاقة السائبة. 2) تجريب اقتران القطاعات: تعد صناعة التعدين في تشيلي (التي تحتاج إلى المياه والطاقة) أو المراكز الصناعية في البرازيل مواقع اختبار مثالية لمشاريع تحويل الطاقة إلى غاز/تحلية المياه. 3) تخطيط ممرات الشبكة بشكل استراتيجي: بدلاً من شبكة قارية كاملة، ركز على الممرات الثنائية الرئيسية (مثل البرازيل-الأوروغواي-الأرجنتين لطاقة الرياح) التي تبني الثقة وتظهر الفوائد. 4) اختبار الإجهاد بالتمويل الحقيقي: تشغيل النموذج بتكاليف تمويل محددة للمنطقة ومعدلة حسب المخاطر للحصول على صورة واقعية للنفقات الرأسمالية. توفر الدراسة الرؤية التقنية؛ الخطوة التالية هي بناء الهيكل السياسي والمالي لتحقيقها.