العربية
English
français
Deutsch
español
中文
هل مررت يومًا بمصنع مليء بالضجيج؟ الآلات أو سوبر ماركت مفتوح على مدار الساعة؟ إن كان الأمر كذلك، فقد شهدتَ الجوهر الخفي الذي يُغذي الصناعة الحديثة: تيار كهربائي ثابت وموثوق.
لكن تخيلوا ماذا يحدث عندما تُنتج الألواح الشمسية طاقةً فائضةً في يومٍ مشمس، أو عندما تنهار شبكة الكهرباء أثناء عاصفةٍ عنيفة؟ هنا يأتي دور نظام تحويل الطاقة (PCS).
قد لا يبدو الأمر ذا أهمية كبيرة، لكن هذه المعجزة التكنولوجية تُحدث تحولاً جذرياً في طريقة تخزين الصناعات للطاقة وإدارتها والاستفادة منها على النحو الأمثل، بهدوء ولكن بثبات. دعونا نلقي نظرة فاحصة على أهمية هذا الجهاز الذي يبدو عادياً للشركات والبيئة على حد سواء.
شرح PCS: أكثر بكثير من مجرد محول
في أبسط صوره، يعمل نظام تحويل الطاقة كحلقة وصل ثنائية الاتجاه. تخيّلوه كمترجم ماهر، يتوسط بين ثلاثة كيانات رئيسية: مصادر الطاقة مثل الألواح الشمسية، وطواحين الهواء، وشبكة الكهرباء؛ وأنظمة التخزين مثل بطاريات أيونات الليثيوم وخزانات الهيدروجين؛ والأحمال الصناعية، بما في ذلك روبوتات خطوط التجميع ووحدات التبريد.
تختلف وحدات أنظمة تحويل الطاقة الحديثة اختلافًا جذريًا عن العاكسات البسيطة. فهي مزودة ببرامج متطورة تُجري حسابات آنية معقدة. على سبيل المثال، تُجري هذه البرامج التحويل بين التيار المستمر (DC) والتيار المتردد (AC).
تستمد هذه البطاريات الطاقة الخام من البطاريات (التيار المستمر) وتحولها إلى تيار متردد يستخدمه نظام الطاقة، والعكس صحيح. كما أنها تنظم التردد ليتوافق مع معيار الشبكة (60 هرتز في الولايات المتحدة، و50 هرتز في أوروبا) لحماية المعدات من التلف. كما تتمتع بالقدرة على تخزين الطاقة خارج أوقات الذروة عندما تكون أرخص، ثم استخدامها خلال فترات الطلب المرتفع، مما يقلل تكاليف المرافق بشكل فعال.
لنأخذ مصنع تيسلا العملاق في نيفادا مثالاً. هنا، تلعب مجموعات الطاقة الشمسية الكهروضوئية (PCS) دورًا حيويًا. خلال النهار، عندما يبلغ إنتاج الطاقة الشمسية ذروته ظهرًا، تُخزَّن الطاقة الزائدة. ثم تُستخدم هذه الطاقة المخزنة ليلًا لتشغيل المصنع، مما أدى إلى انخفاض ملحوظ في تكاليف الطاقة بنسبة 37%، وفقًا لتقارير هيئة الأوراق المالية والبورصات الأمريكية لعام 2023.
تُعرف مصادر الطاقة المتجددة، كالطاقة الشمسية وطاقة الرياح، بعدم قابليتها للتنبؤ. ففي لحظة، تشرق الشمس ساطعةً، ثم تختفي خلف الغيوم؛ وقد تهب الرياح بقوة في لحظة ثم تهدأ. وهنا يكمن سرّ تألق نظام الطاقة الشمسية.
في الأيام التي تتوفر فيها طاقة شمسية وفيرة، يضمن النظام استخدام الفائض لشحن البطاريات بدلاً من إثقال شبكة الكهرباء. وعند غروب الشمس أو انقطاع التيار الكهربائي، يمكن توزيع الطاقة المخزنة بسلاسة.
من الأمثلة الواضحة على ذلك ما حدث في مصنع بي إم دبليو بولاية ساوث كارولينا عام ٢٠٢٢. عندما ضرب إعصارٌ المصنع، كان معرضًا لخطر توقف طويل. ولكن بفضل نظام البطاريات الاحتياطية المُدار بنظام PCS، تجنب المصنع خسائر بقيمة ٢.١ مليون دولار. تحول النظام إلى وضع الجزيرة في أقل من ١٠ ميلي ثانية - أي أسرع من العطس!
تحث الحكومات حول العالم الصناعات على خفض انبعاثات الكربون. ففي الولايات المتحدة، على سبيل المثال، يُقدم قانون خفض التضخم (IRA) خصمًا ضريبيًا كبيرًا بنسبة 30% لأنظمة تخزين الطاقة الصناعية التي تُدمج أنظمة تخزين الطاقة المُدارة (PCS). وهذا لا يُشجع الشركات على تبني حلول طاقة أكثر استدامة فحسب، بل يجعل الاستثمار في أنظمة تخزين الطاقة المُدارة (PCS) خيارًا أكثر جدوى من الناحية المالية.
تجد المصانع الآن طرقًا جديدة للربح من خلال تداول الطاقة. إذ يمكنها شحن بطارياتها عندما تكون أسعار الكهرباء منخفضة، مثلاً عند 0.03 دولار للكيلوواط/ساعة خلال الليالي العاصفة في تكساس. ثم، خلال ساعات الذروة، عندما ترتفع الأسعار إلى 0.18 دولار للكيلوواط/ساعة، يمكنها بيع الطاقة المخزنة إلى الشبكة. حتى أن بعض برامج PCS المتقدمة تستخدم بيانات الطقس واتجاهات سوق الأسهم للتنبؤ بارتفاع الأسعار، مما يمنح الشركات ميزة تنافسية في سوق الطاقة الناشئ هذا.
أظهرت دراسة أجراها معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT) عام ٢٠٢٣ قوة الذكاء الاصطناعي في أنظمة التحكم الآلي (PCS). باستخدام التعلم الآلي، تمكن نظام التحكم الآلي من التنبؤ بموعد استهلاك الآلات لكميات كبيرة من الطاقة، مثل بدء تشغيل فرن القوس الكهربائي في مصنع للصلب. ومن خلال الشحن المسبق للمكثفات، أمكن منع انخفاض الجهد. وفي مصانع السيارات المُحاكاة، أدى ذلك إلى انخفاض أخطاء الإنتاج بنسبة ٢٢٪.
بعد انقطاع التيار الكهربائي، قد تُشكّل إعادة تشغيل شبكة الكهرباء مشكلةً مُعقّدة. تحتاج مُعظم الشبكات إلى طاقة خارجية للعودة إلى العمل، مما يُشكّل نوعًا من "الدجاجة والبيضة". لكن وحدات PCS المُتقدّمة يُمكنها استخدام الطاقة المُتبقية في البطاريات لتشغيل نفسها، ثمّ المساعدة في إعادة تشغيل الشبكة.
قد يؤدي الشحن والتفريغ المتكرر لبطاريات أيونات الليثيوم إلى تدهورها بمرور الوقت. ولمعالجة هذه المشكلة، تعمل شركات مثل فلوينس على دمج أنظمة PCS مع خوارزميات تكيفية. تُعطي هذه الخوارزميات الأولوية للحفاظ على صحة البطارية على حساب توفير التكاليف على المدى القصير، مما يضمن عمرًا أطول للبطاريات.
يُشكّل تهديد الهجمات الإلكترونية على أجهزة الكمبيوتر الشخصية (PCS) مصدر قلق حقيقي. إذ يُمكن أن يُعطّل اختراق جهاز كمبيوتر شخصي شبكة الكهرباء أو يُؤدي إلى تسريب بيانات إنتاجية حساسة. وقد وجدت دراسة أجرتها جامعة ستانفورد عام ٢٠٢٣ أن ٨٠٪ من برمجيات أجهزة الكمبيوتر الشخصية الصناعية الثابتة بها ثغرات أمنية. ومع ذلك، فإن تقنيات تشفير جديدة قائمة على تقنية البلوك تشين آخذة في الظهور، مما يُبشّر بتحسين مستوى الأمان.
يتطلب إنتاج رقائق كربيد السيليكون (SiC) مواد مثل الغاليوم والمعادن الأرضية النادرة، والتي غالبًا ما تُستخرج في مناطق ذات أوضاع جيوسياسية معقدة. هذا يُصعّب على الولايات المتحدة، على سبيل المثال، تحقيق رؤية الرئيس بايدن لتصنيع أجهزة الكمبيوتر محليًا بالكامل.
تختبر شركة سيمنز للطاقة حاليًا وحدات تخزين الهيدروجين (PCS) التي يمكنها التبديل بين تخزين الهيدروجين المعتمد على البطاريات وتخزين الهيدروجين الأخضر. يُعد هذا واعدًا بشكل خاص لصناعات مثل صناعة الصلب، التي تتطلب إمدادًا مستمرًا بالطاقة الحرارية العالية على مدار الساعة.
في المستقبل، قد نرى وحدات PCS قادرة على التفاوض مباشرةً على صفقات الطاقة مع المصانع المجاورة باستخدام تقنية الجيل الخامس، مما يُغني عن الوسيط - شركة المرافق. وتستكشف مشاريع تجريبية في وادي الرور بألمانيا هذا الاحتمال بالفعل.
أدرجت وكالة مشاريع الأبحاث الدفاعية المتقدمة الأمريكية (DARPA) أبحاثًا حول أجهزة الكمبيوتر الكمومية ضمن جولة تمويلها لعام 2024. والهدف هو استخدام البتات الكمومية لإدارة تقلبات الشبكة التي تحدث في ميكروثانية، وهو إنجاز تكافح التكنولوجيا الحالية لتحقيقه.
بالنسبة لطلاب الهندسة، أو المهتمين بالسياسات، أو قادة الأعمال المستقبليين، يُعدّ نظام تحويل الطاقة بالغ الأهمية. فهو قادر على خفض انبعاثات ثاني أكسيد الكربون الصناعية - حيث تُسهم الصناعات الثقيلة بحوالي 30% من الانبعاثات العالمية - ويُحدث نقلة نوعية في أسواق الطاقة ومالية الشركات، ويُقلّل الاعتماد على إمدادات النفط والفحم المتقلبة.
دعم شبكة IPv6
