استجابة جانب الطلب (Demand response) والذكاء الاصطناعي: تحسين استهلاك الطاقة في الوقت الحقيقي
- 28 أكتوبر، 2023
- بواسطة د. سماح هاشم
ما هي استجابة الطلب؟
استجابة الطلب هي استجابة المستهلك لفترات الطلب الكهربائي العالي أو المنخفض لمزود الكهرباء الوطني من خلال ضبط استهلاك الطاقة الخاص به.
تشجع استجابة الطلب على استخدام المستهلكين للطاقة خلال فترات الطلب الضعيفة من خلال تقديم أسعار كهرباء منخفضة خلال تلك الفترات.
تعد فترات الأسعار المنخفضة (فترات الطلب الضعيفة) نتيجة لزيادة مستويات توليد الطاقة من مصادر الطاقة المتجددة في فترات زمنية ليست فترات الطلب العالي بسبب الطبيعة غير المتحكمة لمصادر الطاقة المتجددة.
يمكن لبرامج استجابة الطلب تقليل الطلب الاقصى على الكهرباء بمتوسط قدره 10٪، وفقًا للمجلس الأمريكي للاقتصاد الكفء في الطاقة (ACEEE) .
لماذا نحتاج إلى استجابة الطلب؟
تكون تنفيذ الاستجابة للطلب ضروريًا لثلاثة أسباب:
1- المستهلك
- توفير المال
- تجنب التكلفة في الاوقات التي تفرض أسعارًا عالية
- الإعلام عندما يتم الإعلان عن أسعار سلبية
2- البيئة
- تقليل استهلاك الكربون
- استخدام فعال لتوليد الطاقة المتجددة من خلال تشجيع المستهلكين على نقل أعبائهم إلى فترات زمنية عالية لتوليد الطاقة من مصادر الطاقة المتجددة
- تقليل الحاجة إلى محطات توليد الطاقة التي تعتمد على الوقود الأحفوري من خلال القضاء على الحاجة إلى تشغيلها في أوقات الذروة في الشبكة.
- تقليل عدد محطات توليد الطاقة من الوقود الأحفوري في الخطط المستقبلية.
3- الشبكة
- تحسين الاستقرار
- توازن بين العرض والطلب يحافظ على استقرار الشبكة.
- إزالة فترات التوتر تعزز من موثوقية الشبكة.
- تقليل عدد مرات انقطاع التيار الكهربائي.
الشكل 1: منحنى الاستهلاك العام (شكل البطة) source: https://www.synergy.net.au/Blog/2021/10/Everything-you-need-to-know-about-the-Duck-Curve
الشكل 2: منحنيات إنتاج الطاقة الشمسية وطاقة الرياح ومنحنى الطلب، والدوائر باللون البرتقالي توضح وقت ذروة التحميل.
source: Farmer, Warren & Rix, Arnold. (2019). Optimising Power System Frequency Stability using Virtual Inertia from Inverter-based Renewable Energy Generation. 10.13140/RG.2.2.16471.91043.source:
من الشكل رقم 2، يمكننا رؤية أن توليد النظام الشمسي يتميز بذروة ظهرًا لا تتناسب مع ذروة الطلب في المساء الباكر الساعة 6:00 مساءً عندما يعود الجميع إلى المنزل ويبدأون في تشغيل أجهزتهم. وهناك ذروة أخرى في الساعة 6:00 صباحًا عندما يستيقظ الجميع ويبدأون يومهم.
تنفيذ الاستجابة للطلب:
الاستجابة للطلب تغيير لطريقة استخدامنا للطاقة من الشبكة عن طريق:
- نقل وقت استخدام الطاقة، إما بتغيير الأيام أو الساعات
- تجنب ذروات الطلب على الطاقة في الصباح وبعد الظهر
- تخطيط عمليات الأجهزة خلال فترات الأسعار المنخفضة
ما هي أفضل التطبيقات للاستجابة للطلب؟
- الري، مراكز السباحة، وجميع تطبيقات ضخ المياه
- عمليات مرنة في عمليات التصنيع
- تخزين البضائع الباردة
- المباني التجارية
- انظمة تكييف الهواء
الاستجابة للطلب والطاقة الخضراء:
لتغطية هذه الفترات عالية الطلب، يتعين على الشركة الكهربائية أن تنتج المزيد من الطاقة من المحطات التي تعمل بالوقود، مما يؤدي إلى زيادة انبعاثات الكربون، أو استخدام أنظمة تخزين كبيرة الحجم، والتي تكون مكلفة للغاية. الحل الأكثر كفاءة وأقل تكلفة هو تشجيع المستهلكين على استخدام أعبائهم المرنة في هذه الفترات الزمنية ذات الإنتاج العالي. بهذه الطريقة، تقنيات استجابة الطلب تتناغم مع توليد الطاقة الخضراء من الطاقة الشمسية والرياح لتشكل توافقًا مثاليًا لنظام طاقة مستقر وفعال وأكثر نظافة.
الاستجابة للطلب وأسواق الطاقة الذكية:
لتشجيع المستهلكين على استهلاك الطاقة في وقت مناسب على الشبكة، يجب أن تكون أسعار الطاقة دينامية لتتبع هذه الفترات ذات الإنتاج العالي. هذه الأسعار الدينامية تمثل مجموعة جديدة كاملة لسوق الطاقة لأن تحديد أسعار الطاقة سيتطلب بيانات من مصادر مختلفة، مثل الطقس ومولدات الكهرباء وبيانات الاستهلاك. كما نحتاج أيضًا إلى معرفة البيانات التاريخية والبيانات في الوقت الحقيقي والبيانات المتوقعة من جميع المصادر السابقة. هنا يأتي دور الحاجة إلى سوق الطاقة الذكية التي تستخدم تقنيات الذكاء الاصطناعي للتعامل مع البيانات التاريخية والبيانات الحقيقية للتنبؤ بحالة الشبكة على المدى القصير والطويل وبالتالي تحديد أسعار الطاقة بشكل دينامي للاستجابة للتغييرات في الشبكة في الوقت الحقيقي.
الشكل 3: سوق الطاقة الذكي
كيف يمكن أن تستجيب الطلب؟
هناك أنواع مختلفة من الاستجابة للطلب، وذلك حسب نوع الحمل.
1- الأحمال التي يتحكم فيها تلقائياً
يمكن التحكم في بعض الأحمال تلقائيًا للعمل داخل منطقة الراحة للمستهلك، ولكن أيضاً بطريقة تتناسب مع أسعار الطاقة الدينامية للحد الأدنى من الفواتير وأمان تحسين الشبكة. يمكن تنفيذ هذا الآلية التحكمية من خلال تقنيات إنترنت الأشياء (IoT) عن طريق إضافة أجهزة استشعار ومفاتيح للأجهزة قابلة للتحكم عند الحاجة. لحسن الحظ، العديد من الأجهزة في هذه الأيام تأتي بواجهات ذكية بالفعل، وخاصة للمستهلكين عاليي الاستهلاك مثل مكيفات الهواء وبعض الآلات الصناعية ومضخات المياه.
2- الأحمال التي يتحكم فيها يدوياً
بعض الأحمال لا يمكن التحكم فيها تلقائيًا لأنها تعتمد على سلوك المستهلك والوقت، مثل التلفزيون والغسالات وأجهزة المنزل والاجهزة الصناعية الأخرى التي تعتمد ببساطة على وقت الشخص وسلوكه. يمكن التحكم في هذا النوع من الأحمال يدويًا من خلال توفير تكلفة الطاقة في الوقت الحقيقي للمستهلك مع إنذارات وإشعارات عندما يصل استهلاكه إلى نقطة معينة أو عندما يقدم سوق الكهرباء طاقة بأسعار منخفضة مع زيادة توليد الطاقة من مصادر الطاقة المتجددة.
بالنسبة لكلا النوعين من التحكم، يمكن لتقنيات الذكاء الاصطناعي أن تلعب دورًا كبيرًا في التواصل مع سوق الطاقة والتحكم في أحمال المستهلك تلقائيًا أو عن طريق إرسال إشعارات إلى المستهلك. يمكن لهذا الدور تعزيز كفاءة نظام الطاقة من خلال تطبيق أدوات الأمانة الصناعية على الجانبين السوق والمستهلك واستخدام البيانات في الوقت الحقيقي من كلا الجانبين لتحديث الأسعار وجدول الاستهلاك بشكل مستمر.
الاستجابة لأسعار الطاقة الدينامية والتحكم في الأجهزة يمكن أن يكون أسهل بكثير من خلال تنفيذ تطبيقات الذكاء الاصطناعي للتحكم في العملية بأكملها والتواصل.
الشكل 4: نظام الذكاء الاصطناعي للتحكم في الاحمال
أنظمة الذكاء الاصطناعي لدعم عمليات الاستجابة للطلب:
منصة الذكاء الاصطناعي على جانب المستهلك:
- مراقبة أنماط الاستهلاك يوميًا وفصليًا.
- إنشاء الجدول الزمني الأمثل لمطابقة الاستهلاك وأسعار الطاقة.
- إنشاء خوارزميات التحكم لأجهزة التحكم التلقائي باستخدام تقنيات إنترنت الأشياء (IoT).
- التواصل مع المستهلك لجدولة الأحمال غير القابلة للتحكم.
- التواصل مع الشبكة العامة لتحديث بيانات المستهلك ولتفعيل خوارزميات المقارنة بين مختلف المستهلكين.
منصة الذكاء الاصطناعي لسوق الطاقة:
- جمع البيانات في الوقت الحقيقي من جانب المستهلك، وجانب الشبكة، وبيانات الطقس لإنشاء تسعيرة الطاقة.
- توقع البيانات من مصادر مختلفة لتوقع سعر الطاقة للخطط على المدى البعيد والمدى القصير.
منصة الذكاء الاصطناعي على الجانب الشبكي:
- التحكم في عمليات محطات توليد الكهرباء التابعة للشركة المزودة للكهرباء لتحسين الموائمة بين العرض والطلب.
- التواصل مع جانب المستهلك ومنصات السوق لأغراض المراقبة والتنظيم.
في الختام، يمكننا استخدام تكنولوجيا الذكاء الاصطناعي للاستجابة جانب الطلب في الوظائف التالية:
1- إنشاء خطط وجداول استهلاك من بيانات الطلب والعرض على مستوى الشركة المزودة للكهرباء ومستوى المستهلك الفردي.
2- إنشاء أسعار دينامية وأسعار ذروة وأسعار موسمية.
3- استخدام تقنيات الإنترنت من الأشياء (IoT) لمتابعة الجدول الزمني الأمثل للأحمال تلقائيًا.
4- جدولة منظمة بين المستهلكين لخطة تحسين أفضل لاستجابة الطلب.