تقرير فريق العمل التابع لجمعية مهندسي الكهرباء والإلكترونيات IEEE PES: القيمة السعة للطاقة الشمسية والجيل المتغير

1. المقدمة

يتناول هذا التقرير، الذي أعده فريق العمل التابع لجمعية مهندسي الكهرباء والإلكترونيات IEEE PES، التحدي الحاسم المتمثل في قياس مساهمة الطاقة الشمسية وموارد التوليد المتغيرة الأخرى في موثوقية نظام الطاقة. مع زيادة حصة الطاقة المتجددة، أصبحت الأساليب التقليدية لتقييم "القيمة السعة" - وهي قدرة المورد على تلبية ذروة الطلب بشكل موثوق - غير كافية. يعد هذا الورقة مسحًا شاملاً ومراجعة نقدية لمنهجيات تقييم مخاطر الكفاءة وتقدير السعة، مع البناء على أعمال سابقة ركزت على طاقة الرياح مع التأكيد على الخصائص الفريدة للطاقة الشمسية الكهروضوئية.

مجالات التركيز الرئيسية: يغطي التقرير تقييم موارد الطاقة الشمسية، وتقنيات النمذجة الإحصائية والاحتمالية، ومقاييس القيمة السعة (مثل القدرة الفعالة على تحمل الحمل - ELCC)، وقضايا تصميم أسواق السعة، ومراجعة للدراسات التطبيقية الحديثة. يتميز التقرير بتأكيد قوي على النقد المنهجي والتحديات الخاصة بالطاقة الشمسية، مثل نمطها اليومي وارتباطها بالطلب.

2. تقييم مورد الطاقة الشمسية الكهروضوئية

يخضع توليد الطاقة الشمسية للإشعاع الشمسي السطحي، الذي يظهر دورات يومية وموسمية يمكن التنبؤ بها ولكنه يتأثر بشكل كبير بعناصر عشوائية مثل الغطاء السحابي. على عكس التوليد التقليدي أو حتى طاقة الرياح، غالبًا ما تكون بيانات التوليد طويلة الأجل وعالية الجودة للطاقة الشمسية الكهروضوئية نادرة، مما يفرض الاعتماد على البيانات النموذجية المشتقة من الملاحظات الجوية والأقمار الصناعية.

الخصائص الفريدة:

• النمط الزمني: يكون الإنتاج صفرًا في الليل ويبلغ ذروته حول منتصف النهار، مما يخلق تقاربًا محددًا (أو عدم تقارب) مع ذروة الطلب على النظام، والتي تحدث غالبًا في وقت مبكر من المساء.
• الارتباط المكاني: يمكن أن يؤثر الغطاء السحابي على مناطق جغرافية كبيرة في وقت واحد، مما يقلل من فوائد التنويع الجغرافي مقارنة بطاقة الرياح.
• عوامل التصميم: تؤثر اتجاه الألواح (ثابت مقابل متتبع)، وزاوية الميل، والتكنولوجيا (الكهروضوئية مقابل الطاقة الشمسية المركزة مع التخزين) بشكل كبير على ملف التوليد وقيمته السعة.

3. الأساليب الإحصائية للكفاءة والقيمة السعة

يشكل هذا القسم الجوهر المنهجي للتقرير، حيث يوضح بالتفصيل الأدوات الاحتمالية المستخدمة لتقييم كفاءة النظام مع التوليد المتغير.

4. مسح للدراسات والتطبيقات العملية

يراجع التقرير الأدبيات والممارسات الصناعية، ويجد نطاقًا واسعًا من قيم السعة المقدرة للطاقة الشمسية الكهروضوئية، عادة بين 10% و 50% من سعتها الاسمية. يُعزى هذا التباين إلى:

• الموقع الجغرافي: محاذاة ملف الطاقة الشمسية مع ذروة الطلب المحلي (على سبيل المثال، أعلى في الأنظمة ذات الذروة الصيفية مع حمل تكييف الهواء بعد الظهر).
• المنهجية المستخدمة: تنتج الدراسات التي تستخدم منهجيات "عامل السعة" المبسطة قيماً أعلى من تلك التي تستخدم حسابات ELCC الدقيقة التي تأخذ في الاعتبار الارتباط.
• مستوى الاختراق في النظام: تنخفض القيمة السعة الهامشية للطاقة الشمسية مع إضافة المزيد منها إلى النظام، حيث تعالج بشكل متزايد ساعات أقل أهمية.

5. الاستنتاجات واحتياجات البحث

يخلص التقرير إلى أن التقييم الدقيق لسعة الطاقة الشمسية يتطلب أساليب احتمالية متطورة تلتقط طبيعتها المعتمدة على الطقس وارتباطها بالحمل. ويحدد فجوات البحث الرئيسية:

• تحسين مجموعات بيانات موارد الطاقة الشمسية طويلة الأجل ونماذج التوليد.
• الأساليب الإحصائية المتقدمة لنمذجة التبعيات عالية الأبعاد (الطاقة الشمسية، الرياح، الطلب، التوقفات).
• تصميمات أسواق السعة التي تدمج بكفاءة التقييمات القائمة على ELCC وتتعامل مع مخاطر الأداء.
• توحيد منهجيات التقييم لضمان إمكانية المقارنة والشفافية.

6. التحليل الأصلي والتعليقات الخبيرة

الفكرة الأساسية: يعد تقرير فريق العمل التابع لـ IEEE اعترافًا حاسمًا، وإن كان متأخرًا، بأن مجموعة أدوات صناعة الطاقة لتقييم الموثوقية معطلة بشكل أساسي في عصر الطاقة المتجددة. إن كشفه الأساسي ليس صيغة جديدة، ولكن التحذير الصارخ بأن تجاهل الواقع الإحصائي المشترك للشمس والرياح والحمل يؤدي إلى وهم خطير لمرونة الشبكة. هذا ليس تفصيلاً أكاديميًا؛ إنه الفرق بين انتقال طاقة قوي وانقطاعات التيار المتتالية خلال جفاف مستقبلي كثيف بالطاقة المتجددة أو موجة برد هادئة.

التسلسل المنطقي: يبني التقرير قضيته بإتقان. يبدأ بتفكيك مورد الطاقة الشمسية نفسه - مسلطًا الضوء على دوراته المتوقعة ولكن فجواته العشوائية العميقة - ثم يحطم بشكل منهجي بدائل التقييم المبسطة مثل عامل السعة. ثم يتحول إلى جوهر المسألة الرياضي: التقييم الاحتمالي للكفاءة. هنا، يحدد بشكل صحيح الارتباط بين إنتاج الطاقة المتجددة وفترات الضغط على النظام باعتباره المحور. مزرعة شمسية تنتج في الظهيرة في نظام ذروته شتوية تكاد تكون عديمة القيمة من حيث السعة؛ نفس المزرعة في نظام ذروته صيفية أكثر قيمة بكثير. يبلغ منطق التقرير ذروته في كشف عدم التوافق بين هذه القيمة الدقيقة والمعتمدة على المكان والزمان (ELCC) وآليات معظم أسواق السعة الحالية الجامدة والموحدة.

نقاط القوة والضعف: تكمن قوة التقرير في صرامته المنهجية التي لا هوادة فيها وتركيزه على التحدي المحدد للطاقة الشمسية المتمثل في عدم التطابق اليومي، وهي نقطة يتم أحيانًا التغاضي عنها في المناقشات المركزة على الرياح. يظهر مسحه للدراسات التطبيقية بشكل فعال التناقض الشديد في الممارسة، مما يثبت أن المشكلة حقيقية وحاضرة. ومع ذلك، فإن عيبه الأساسي هو طبيعته الحذرة القائمة على الإجماع. فهو يتوقف عند تحديد المشكلات وسرد احتياجات البحث. إنه يقدم القليل من النقد المباشر لتصميمات أسواق محددة فاشلة (مثل صعوبات سوق السعة في PJM مع الطاقة المتجددة) أو مقترحات جريئة للإصلاح. كما أنه يقلل من التأثير الزلزالي لتخزين الطاقة. على الرغم من ذكرها، فإن الإمكانية التحويلية للبطاريات لإعادة تشكيل حساب القيمة السعة - وتحويل الطاقة الشمسية غير الثابتة إلى سعة ثابتة وقابلة للإرسال - تستحق أكثر من مجرد ملاحظة جانبية. أظهر عمل مؤسسات مثل المختبر الوطني للطاقة المتجددة (NREL) أن أنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية مع التخزين يمكن أن تحقق ELCC قريبًا من 90٪، وهو تغيير جذري لا يلمح إليه التقرير إلا.

رؤى قابلة للتنفيذ: بالنسبة للمنظمين ومخططي النظام، فإن التفويض واضح: إلغاء أي قواعد تستخدم متوسط عامل السعة لمنح اعتمادات السعة على الفور. إلزام استخدام الدراسات الاحتمالية القائمة على ELCC لجميع تخطيط الموارد والتوريد. بالنسبة لمصممي الأسواق، فإن المهمة هي إنشاء أسواق آجلة يمكنها التعامل على السعة الاحتمالية، ربما باستخدام المشتقات المالية أو العقود القائمة على الأداء التي تدفع مقابل التوفر خلال "الساعات الحرجة" المحددة إحصائيًا. بالنسبة لشركات المرافق والمطورين، فإن البصيرة هي التنسيق الأمثل للطاقة الشمسية مع الموارد التكميلية (الرياح، التخزين، استجابة الطلب) منذ البداية لإنشاء أصول هجينة ذات ELCC متفوق وأكثر استقرارًا. لن تُبنى موثوقية شبكة المستقبل على الميجاوات من السعة الاسمية، ولكن على الميجاوات من القدرة على التسليم المضمونة إحصائيًا عندما يكون ذلك مهمًا. هذا التقرير هو الكتاب المدرسي الأساسي لفهم هذا الاختلاف.

7. التفاصيل التقنية والإطار الرياضي

الأساس الاحتمالي هو المفتاح. يتم تعريف توقع فقدان الحمل (LOLE) على أنه العدد المتوقع للساعات (أو الأيام) لكل فترة يتجاوز فيها الطلب السعة المتاحة: $$\text{LOLE} = \sum_{t=1}^{T} P(\text{Capacity}_t < \text{Demand}_t)$$ حيث يشمل $\text{Capacity}_t$ التوليد التقليدي (خاضع للتوقفات القسرية) والإنتاج المتاح من التوليد المتغير في الوقت $t$.

يتم حساب القدرة الفعالة على تحمل الحمل (ELCC) لمحطة الطاقة الشمسية على النحو التالي:

1. حساب LOLE الأساسي للنظام الأصلي (LOLE_original).
2. إضافة محطة الطاقة الشمسية إلى النظام وإعادة حساب LOLE (LOLE_{with_solar}).
3. إضافة كتلة من السعة الموثوقة تمامًا ("ثابتة") $C$ إلى النظام الأصلي. إيجاد قيمة $C$ بحيث: $$\text{LOLE}_{\text{original} + C} = \text{LOLE}_{\text{with_solar}}$$
4. ELCC هي هذه القيمة $C$. بشكل رسمي: $$\text{ELCC} = \{ C \, | \, \text{LOLE}(\text{Original System} + C_{\text{firm}}) = \text{LOLE}(\text{Original System} + \text{Solar}) \}$$

مفهوم الرسم البياني - ELCC الهامشي المتناقص: يوضح رسم بياني حاسم موصوف في الأدبيات ذات الصلة ELCC الهامشي للطاقة الشمسية كدالة للاختراق. المنحنى مقعر ومتناقص. أول 100 ميجاوات من الطاقة الشمسية قد يكون لها ELCC بقيمة 40 ميجاوات. الـ 100 ميجاوات التالية المضافة قد يكون لها ELCC بقيمة 30 ميجاوات فقط، لأنها تخدم ساعات أقل أهمية، وهكذا. هذه العلاقة غير الخطية حيوية للتخطيط طويل الأجل.

8. إطار التحليل: دراسة حالة مثال

السيناريو: يحتاج مخطط النظام إلى تقييم القيمة السعة لمحطة طاقة شمسية كهروضوئية مقترحة بقدرة 200 ميجاوات في منطقة ذروتها صيفية.

تطبيق الإطار:

1. إعداد البيانات: تجميع 10+ سنوات من بيانات الحمل الساعية التاريخية للنظام. استخدام نموذج أداء للطاقة الشمسية الكهروضوئية (مثل استخدام System Advisor Model - SAM التابع لـ NREL) مع بيانات الطقس التاريخية المحلية (الإشعاع الشمسي، درجة الحرارة) لتوليد سلسلة إنتاج ساعية متزامنة لمدة 10 سنوات للمحطة المقترحة، مع مراعاة تصميمها المحدد (ميل ثابت، مواجه للجنوب).
2. نموذج الكفاءة الأساسي: إنشاء نموذج احتمالي لأسطول التوليد الحالي، بما في ذلك معدلات التوقف القسري (FOR) لكل وحدة تقليدية. استخدام طريقة الالتفاف أو محاكاة السلاسل الزمنية لحساب LOLE الأساسي (مثلاً 0.1 يوم/سنة).
3. النموذج مع الطاقة الشمسية: دمج السلسلة الزمنية للتوليد الشمسي الساعي كحمل سلبي (أي إنشاء سلسلة "حمل صافي": Load_t - P_{solar, t}). إعادة تشغيل محاكاة الكفاءة مع هذا الحمل الصافي للعثور على LOLE_{with_solar}.
4. حساب ELCC: تشغيل بحث تكراري. إضافة كتلة سعة ثابتة $C$ (مثلاً البدء بـ 50 ميجاوات) إلى النظام الأصلي (وليس الحمل الصافي). إعادة حساب LOLE. ضبط $C$ حتى يصبح LOLE_{original+firm} مساويًا لـ LOLE_{with_solar}. لنفترض أن هذا يحدث عند $C = 65$ ميجاوات.
5. النتيجة والتفسير: ELCC لمحطة الطاقة الشمسية الكهروضوئية بقدرة 200 ميجاوات هي 65 ميجاوات، أو 32.5% من سعتها الاسمية. هذه القيمة، وليس 200 ميجاوات، يجب أن توجه قرارات توريد السعة ومدفوعات السوق. سيظهر التحليل أيضًا أن إنتاج الطاقة الشمسية يكون أكثر قيمة خلال فترات بعد الظهر الحارة في الصيف، حيث يرتبط جيدًا بحمل تكييف الهواء.

9. التطبيقات المستقبلية والاتجاهات

تتطور المنهجيات الموضحة بسرعة مع التكنولوجيا واحتياجات الشبكة:

• الموارد الهجينة: الاتجاه المستقبلي الأساسي هو تقييم الطاقة الشمسية مع التخزين كمورد واحد قابل للإرسال. يجب أن تقوم النمذجة المتقدمة بالتنسيق الأمثل بين تشغيل الطاقة الشمسية الكهروضوئية والبطارية لتعظيم ELCC، مع مراعاة دورة حياة البطارية وإشارات السوق. يعد منصة التحسين والأداء الهجين (HOPP) التابعة لـ NREL رائدة في هذا العمل.
• الأسواق التفصيلية والاحتمالية: قد تنتقل أسواق السعة المستقبلية من توريد الميجاوات إلى توريد "وحدات الموثوقية" المحددة بالأداء خلال أحداث الضغط على النظام المحددة إحصائيًا. وهذا يمحو الدفع مع المساهمة الفعلية في الموثوقية.
• التخطيط الواعي بالمناخ: مع تغير المناخ الذي يغير أنماط الطوء وأشكال الطلب (مزيد من الحرارة/البرد الشديدين)، يجب أن يصبح تقييم السعة استباقيًا وواعيًا بالمناخ، باستخدام مجموعات من توقعات نماذج المناخ وليس البيانات التاريخية فقط.
• التوحيد القياسي والأدوات المفتوحة: يتطلب الانتشار الواسع مجموعات بيانات موحدة وأدوات مفتوحة المصدر لحساب ELCC (مثل امتدادات لمنصات GridLAB-D أو REopt مفتوحة المصدر) لضمان الشفافية وتقليل المراجحة المنهجية.
• القيمة السعة على مستوى التوزيع: مع انتشار الطاقة الشمسية الموزعة (الألواح الشمسية على الأسطح)، يصبح تقييم مساهمتها الإجمالية في الموثوقية المحلية والنظامية بأكمله مجالًا جديدًا، يتطلب نماذج تلتقط التوليد خلف العداد.

10. المراجع

1. IEEE PES Task Force on Capacity Value of Wind Power, "Capacity Value of Wind Power," IEEE Transactions on Power Systems, vol. 29, no. 3, pp. 1363-1372, May 2014.
2. NREL. (2023). Annual Technology Baseline (ATB). [Online]. Available: https://atb.nrel.gov/
3. P. Denholm et al., "The Value of Energy Storage for Grid Applications," National Renewable Energy Laboratory (NREL), Technical Report NREL/TP-6A20-58449, 2013.
4. North American Electric Reliability Corporation (NERC), "Special Report: Effective Load Carrying Capability (ELCC) for Intermittent Resources," 2021.
5. International Energy Agency (IEA) PVPS, "Trends in Photovoltaic Applications 2023," Report IEA-PVPS T1-43:2023.
6. S. Pfenninger et al., "The importance of open data and software: Is energy research lagging behind?" Energy Policy, vol. 101, pp. 211-215, 2017.
7. R. Sioshansi, P. Denholm, and T. Jenkin, "A Comparative Analysis of the Capacity Value of Wind and Solar Generation," IEEE Transactions on Power Systems, vol. 27, no. 3, pp. 1407-1414, Aug. 2012.