يتقدم التحول العالمي نحو الطاقة النظيفة، لكن عقبات هيكلية رئيسية لا تزال تبطئ وتيرته، ليس بسبب نقص التكنولوجيا أو ارتفاع تكلفتها، وإنما بسبب الطريقة التي صُممت بها أسواق الكهرباء وآليات الاستثمار فيها.
وسجلت طاقة الرياح والطاقة الشمسية رقمًا قياسيًا العام الماضي، إذ شكلتا معًا نحو 17% من الكهرباء التي أنتجتها شركات المرافق في الولايات المتحدة، ومع ذلك، لا تزال الوقود الأحفوري توفر الحصة الأكبر من الكهرباء، بينما يجري تطوير عدد كبير من محطات الغاز الطبيعي الجديدة لتلبية الطلب المتزايد، خاصة من مراكز البيانات.
ويقول عمر كارادومان، الأستاذ المساعد في العمليات والمعلومات والتكنولوجيا بكلية الدراسات العليا لإدارة الأعمال في جامعة ستانفورد، إن المشكلة لا تتعلق بالتكنولوجيا أو التكلفة، موضحًا أن الاقتصاديات تميل عمومًا لصالح مصادر الطاقة المتجددة.
ويرى كارادومان أن العقبات أمام نشر الطاقة النظيفة ترتبط بعوامل مثل الحوافز السعرية غير المتوافقة، والبيروقراطية، وعدم التطابق بين العرض والطلب.
وخلال السنوات الأخيرة، ركز كارادومان، وهو زميل في معهد ستانفورد لأبحاث السياسات الاقتصادية ومعهد بريكورت للطاقة، على تحديد هذه العقبات واقتراح حلول لها.
ويتمحور السؤال الرئيسي في أبحاثه حول كيفية إعادة تصميم أسواق الكهرباء بحيث تتمكن التقنيات النظيفة من التوسع بسرعة، مع الحفاظ في الوقت نفسه على القدرة على تحمل التكلفة وموثوقية إمدادات الكهرباء.
مفارقة البطاريات: كلما نجحت في خفض تقلبات الأسعار تراجعت أرباحها
تتمثل إحدى المشكلات في أن الطاقة الشمسية وطاقة الرياح مصدران متقطعان، ما يعني أن شركات المرافق لا تستطيع الاعتماد عليهما على نطاق واسع إلا إذا اقترنا بتخزين الكهرباء على مستوى الشبكة.
وتتكون منشآت تخزين الكهرباء واسعة النطاق عادة من مرافق ضخمة تضم مئات الوحدات بحجم حاويات الشحن، تحتوي كل منها على آلاف خلايا تخزين الطاقة.
وفي إحدى دراساته، وضع كارادومان نموذجًا لسوق كهرباء بالجملة يشتري فيه مشغلو أنظمة التخزين الكهرباء عندما تكون رخيصة ومتوفرة بكثرة، ثم يعيدون بيعها عندما يتجاوز الطلب المعروض وترتفع الأسعار.
فعلى سبيل المثال، يمكن شراء الكهرباء الشمسية في منتصف النهار، عندما يكون الإنتاج مرتفعًا والأسعار منخفضة، ثم بيع الكهرباء المخزنة ليلًا عندما ينخفض الإنتاج الشمسي.
وبهذه الطريقة، تعمل البطاريات على تسوية تقلبات الإمدادات، مدفوعة بالفرصة لتحقيق أرباح من الفارق بين الأسعار.
لكن الدراسة توصلت إلى نتيجة تبدو متناقضة: العائد الخاص على الاستثمار في البطاريات يقل عن المنفعة الاجتماعية التي تحققها من خلال خفض الانبعاثات.
ويفسر كارادومان ذلك بأن التخزين نفسه يؤثر في الأسعار؛ فعندما يوازن بين العرض والطلب ويقلل تقلبات الأسعار، فإنه يقلل في الوقت نفسه مصدر الربح الذي كان يجذب مشغلي التخزين إلى السوق.
بعبارة أخرى، كلما نجح تخزين الكهرباء في توفير المرونة للشبكة وتقليل تقلبات الأسعار، أصبح الاستثمار فيه أقل جاذبية من الناحية المالية.
ويشير الباحث إلى أن تحليلات سابقة لم تلتقط هذه النتيجة لأنها افترضت أن مشغلي أنظمة التخزين لا يستطيعون التأثير في الأسعار. أما النموذج الأكثر تعقيدًا الذي أدرج قرارات التخزين داخل ديناميكيات السوق، فقد أظهر تأثيرات من الدرجة الثانية يمكن أن تغير النتيجة بصورة جوهرية.
ويقول كارادومان إن الاعتماد على قوى السوق وحدها لتخصيص رأس المال يؤدي في هذه الحالة إلى نقص الاستثمار في تخزين الكهرباء، ولذلك هناك حاجة إلى إعادة ضبط الحوافز.
ومن بين الحلول المقترحة تغيير نموذج الأعمال بحيث يحصل مشغلو التخزين على مقابل ليس بناءً على كمية الكهرباء التي يسلمونها فقط، وإنما مقابل الحفاظ على قدر محدد من القدرة الكهربائية جاهزًا للاستخدام عند الحاجة.
ومن شأن ما يعرف باسم مدفوعات السعة أن يوفر أيضًا قدرًا أكبر من اليقين ويقلل مخاطر الاستثمار في مشاريع التخزين.
اختناق آخر.. طوابير ربط مشاريع الطاقة بالشبكة
هناك عنق زجاجة أكبر يتمثل في المراجعة الهندسية التي تخضع لها مشاريع توليد الكهرباء وتخزينها قبل بدء البناء.
وهنا أصبحت الطاقة المتجددة، وفق كارادومان، ضحية لنجاحها؛ إذ يوجد حاليًا عدد هائل من المقترحات لمشروعات جديدة، ما أدى إلى تمدد فترة المراجعة التي كانت تستغرق عامًا أو عامين إلى سبع أو ثماني سنوات في بعض الحالات، وهو ما يدفع العديد من المطورين إلى التخلي عن مشاريعهم.
ويصف كارادومان عملية المراجعة بأنها جامدة وبطيئة، مشيرًا إلى أنها كانت تعمل بصورة أفضل في الماضي لأن استهلاك الكهرباء ظل شبه ثابت لعقود، رغم النمو الاقتصادي، بفضل التحسن في كفاءة استخدام الطاقة.
لكن الوضع تغير مع الارتفاع الكبير في الطلب على الكهرباء من مراكز البيانات، والسيارات الكهربائية، ومضخات الحرارة، ما يتطلب إضافة قدرات توليد جديدة بسرعة.
ويقول كارادومان، إن القدرة الإجمالية للمشاريع الموجودة في طابور ربط الشبكة الكهربائية في الولايات المتحدة تعادل ضعف القدرة الحالية للشبكة، معتبرًا أن المشكلة في جوهرها مشكلة تشغيلية تتطلب زيادة معدل معالجة المشاريع خلال مرحلة المراجعة.
وهذا هو محور دراسة حديثة شارك فيها كارادومان مع يي هو، الأستاذ المساعد في العمليات والمعلومات والتكنولوجيا بكلية ستانفورد لإدارة الأعمال، ولين زانج، الباحث بعد الدكتوراه، حيث بحثوا طرقًا لتسريع عملية ربط المشاريع بالشبكة.
ومن بين الابتكارات المقترحة ما يعرف باسم دراسات المجموعات أو التجمعات (Cluster Studies)، حيث يجري تقييم المشاريع في مجموعات جغرافية بدلًا من دراسة كل مشروع بشكل منفصل.
وهناك نهج آخر يركز على استبعاد الطلبات التي تهدر وقت المراجعين وتؤخر المشاريع الأكثر قابلية للتنفيذ.
فعلى سبيل المثال، يمكن أن يؤدي اشتراط إيداعات مالية كبيرة مقدمًا، وإثبات الحصول على موقع المشروع إلى استبعاد الطلبات المضاربية أو المشاريع التي لا تمتلك تمويلًا كافيًا.
ولقياس تأثير هذه الإصلاحات، أنشأ الباحثون نموذجًا يستند إلى حالة PJM Interconnection، وهي أكبر مشغل لشبكة الكهرباء في الولايات المتحدة، والتي أوقفت استقبال طلبات مشاريع التوليد الجديدة في عام 2022 لمعالجة تراكم الطلبات.
وأظهر كارادومان وهو وزملاؤه أن تنسيق دراسات المجموعات مع المتطلبات المالية يمكن أن يساعد مشغلي الشبكات على معالجة المشاريع بكفاءة أكبر.
لكن هذه الإجراءات يجب أن تعمل معًا؛ فعندما ينسحب مشروع من مجموعة معينة، قد تحتاج مشاريع أخرى في المجموعة نفسها إلى إعادة الدراسة.
وقد أدرجت PJM هذه الإجراءات عند إعادة فتح طابور طلبات الربط هذا العام، واعتمدت عملية مراجعة تقوم على مبدأ «الأكثر جاهزية أولًا».
ويؤكد كارادومان أن الحل ليس نموذجًا واحدًا يمكن تطبيقه على الجميع، وإنما يوفر البحث إطارًا يمكن للشركات ومشغلي الشبكات تكييفه وفق ظروفهم المحلية لتصميم طوابير ربط أكثر كفاءة.
أتمتة الطلب بدلًا من مطالبة المستهلكين بتغيير عاداتهم
يوفر تخزين الكهرباء قدرًا من المرونة على جانب العرض، لكنه لا يكفي وحده لجعل الرياح والطاقة الشمسية مصدرين رئيسيين للكهرباء.
ويقول كارادومان إن الشبكة القائمة على مصادر الطاقة المتجددة تحتاج أيضًا إلى مرونة على جانب الطلب، بحيث يصبح استهلاك الكهرباء أكثر توافقًا مع أنماط إنتاجها.
وهذا هو موضوع دراسة شارك فيها كارادومان مع زميليه في كلية ستانفورد لإدارة الأعمال ستيفان واغر، الأستاذ المشارك في العمليات والمعلومات والتكنولوجيا، ومحمد محرابي، الباحث بعد الدكتوراه. وقد ظهرت الدراسة في صورة بحث أولي على منصة arXiv.
وقد جرت بالفعل محاولات لتغيير توقيت استهلاك الكهرباء من خلال أسعار مختلفة لفترات الذروة وخارج الذروة، لكن النتائج ظلت محدودة.
ويرى كارادومان أن السبب هو أن المستهلكين لا يريدون تحمل عبء اتخاذ قرارات معقدة بشأن أفضل وقت لاستخدام الكهرباء.
ويضرب مثالًا بالسيارة الكهربائية: يريد المستهلك توصيل السيارة بالشاحن بمجرد عودته إلى المنزل، وليس أن يتذكر الخروج مرة أخرى في العاشرة مساءً لتشغيل الشحن في الوقت الأمثل.
لذلك يرى الباحث أن الأتمتة هي الحل الأساسي.
ومن خلال نظام لإدارة الطاقة المنزلية، يستطيع المستهلك تحديد النتيجة التي يريدها، مثل أن تكون السيارة مشحونة بحلول الساعة الثامنة صباحًا أو أن تظل درجة حرارة المنزل مريحة، ثم يترك للنظام مهمة تحديد الطريقة المثلى لتحقيق ذلك.
فعلى سبيل المثال، في يوم صيفي حار، يمكن للنظام أن يبدأ في تبريد المنزل مسبقًا خلال فترة ما بعد الظهر، قبل عودة السكان من العمل، وفي الوقت نفسه الذي تكون فيه محطات الطاقة الشمسية تنتج كميات كبيرة من الكهرباء الرخيصة.
كما طور الباحثون خوارزمية تساعد شركات المرافق على تحديد الأسعار الديناميكية المثلى بناءً على إجمالي استجابة المستهلكين لتغير الأسعار.
ويقول كارادومان إن نظامًا من هذا النوع يسمح بتغيير توقيت الطلب على الكهرباء من دون تقليل الراحة أو مطالبة المستهلكين بالانتباه المستمر إلى أسعار الكهرباء ومواعيد الاستهلاك.
انتقال الخبرة الإدارية يمكن أن يرفع كفاءة محطات الكهرباء
يرى كارادومان أيضًا أن الابتكارات على مستوى شبكة الكهرباء يمكن أن تنتشر عبر إعادة هيكلة القطاع.
وفي دراسة تناولت عقدين من عمليات الاندماج والاستحواذ شملت أكثر من 3500 محطة لتوليد الكهرباء من الوقود الأحفوري، درس كارادومان مع ميرت ديميرير من كلية سلون للإدارة بمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا تأثير تغير ملكية وإدارة هذه المحطات.
ووجد الباحثان أن هذه التغييرات أدت عمومًا إلى تحسينات في أداء المحطات عندما انتقلت السيطرة التشغيلية عليها إلى جهات جديدة.
فقد ارتفعت كفاءة المحطات في المتوسط بنحو 5% عندما تغيرت السيطرة التشغيلية، بينما لم يظهر تحسن عندما اقتصر التغيير على ملكية الشركة الأم للمحطة.
كما ارتفع معدل استخدام القدرة الإنتاجية، وزاد إنتاج الكهرباء بنسبة 7.3%، وانخفضت حالات التوقف عن العمل بمقدار الثلث، وتراجعت انبعاثات الكربون لكل وحدة من الكهرباء المنتجة.
ويرى كارادومان أن عمليات الاستحواذ في هذا القطاع يبدو أنها تسهل انتقال الخبرة والمعرفة التنظيمية والإدارية، بحيث تنتقل الأصول إلى شركات تتمتع بإدارة أفضل.
ويعتقد أن الديناميكية نفسها يمكن أن تنطبق مع انتقال المزيد من شركات الكهرباء إلى مصادر الطاقة النظيفة.
الشبكات والبنية التحتية.. مشكلة أخرى أمام الطاقة المتجددة
إلى جانب تصميم السوق، توجد مشكلات أخرى تبطئ التحول إلى الطاقة النظيفة، من بينها تقادم البنية التحتية للكهرباء.
فمحطات الكهرباء التي تعمل بالوقود عادة ما توجد بالقرب من المدن ومراكز الطلب، بينما توجد أفضل المواقع لإقامة مشروعات الطاقة الشمسية وطاقة الرياح غالبًا في الصحارى والسهول والمناطق النائية، حيث لا تتوفر خطوط نقل كهرباء كافية لربط هذه المشاريع بالشبكة.
وتتميز طاقة الرياح والطاقة الشمسية بانخفاض تكاليف التشغيل، لكن بناء نظام كهرباء موثوق يظل بحاجة إلى استثمارات كبيرة.
ويكمن التحدي، وفق كارادومان، في تصميم أسواق قادرة على دعم هذه الاستثمارات ومكافأة المرونة مع تغير مزيج مصادر توليد الكهرباء.
فمع تراجع الاعتماد على الوقود، تختفي نفقات الوقود تقريبًا من جزء كبير من منظومة التوليد، وهو ما يضعف الأساس الذي تعتمد عليه أسواق الكهرباء التقليدية في التسعير وفق التكلفة الحدية.
ويحذر الباحث من أنه عند نقطة معينة قد لا يعود نظام التسعير الحالي قادرًا على العمل بكفاءة مع منظومة كهرباء تعتمد بدرجة أكبر على مصادر الطاقة المتجددة.
ومع ذلك، يظل كارادومان متفائلًا بإمكانية حل هذه المشكلات وتسريع التحول إلى الطاقة النظيفة.
ويقول إن البشر يتمتعون بقدرة كبيرة على التكيف عندما لا يكون أمامهم خيار آخر، معربًا عن اعتقاده بأن القطاع سيتمكن في النهاية من إيجاد الحلول اللازمة.
الخلاصة
تشير هذه الأبحاث إلى أن العقبة أمام التوسع في الطاقة النظيفة لا تكمن بالضرورة في إنتاج ألواح شمسية أو توربينات رياح أكثر كفاءة، وإنما في إعادة تصميم المنظومة الاقتصادية والتشغيلية المحيطة بها.
فالبطاريات تحتاج إلى حوافز استثمارية تتناسب مع قيمتها للشبكة، وطوابير ربط المشاريع تحتاج إلى آليات مراجعة أسرع وأكثر كفاءة، والمستهلكون يحتاجون إلى أنظمة آلية لإدارة الطلب، بينما تتطلب مصادر الطاقة المتجددة استثمارات ضخمة في شبكات النقل والبنية التحتية.
وبذلك يصبح نجاح التحول إلى الطاقة النظيفة مرتبطًا ليس فقط بقدرة التكنولوجيا على إنتاج الكهرباء منخفضة الكربون، بل بقدرة أسواق الكهرباء نفسها على مكافأة المرونة، وتوجيه رأس المال، وتسريع الاستثمار، والحفاظ على موثوقية الشبكة بأسعار يمكن تحملها.
