منازل صفر طاقة.. استهلاكها السنوي من الطاقة الصافية قريبًا من الصفر.. تقاسم الطاقة بين المنازل

تشكل المباني السكنية نسبة كبيرة من استهلاك الطاقة العالمي، وتبحث العديد من البلدان في جميع أنحاء العالم عن حلول فعّالة لهذه القضية في ظل أزمة الطاقة المستمرة.

وتماشياً مع الجهود العالمية للتحول بعيداً عن الوقود الأحفوري، فإن الخيار الجذاب هو جعل المنازل مكتفية ذاتياً من خلال جعلها تولد الكهرباء الخاصة بها – وهو ما يتحقق عادة باستخدام أنظمة الطاقة الكهروضوئية.

من المشاكل المتكررة عند محاولة الترويج لأنظمة الطاقة الكهروضوئية في المناطق السكنية حساب حجم الألواح الشمسية والبطاريات الأمثل لكل منزل.

ورغم أن الأمر قد يبدو بسيطًا بشكل مخادع، فإن إيجاد الحل الأمثل لهذه المشكلة للعديد من المنازل يصبح سريعًا أمرًا مكثفًا من الناحية الحسابية.

ويزداد الأمر سوءًا إذا أخذنا في الاعتبار الكثير من العوامل غير المؤكدة، بما في ذلك الاختلافات في متوسط الإشعاع الشمسي، وأنماط استهلاك الطاقة، وإمكانية تقاسم الطاقة بين المنازل.

طريقة جديدة وفعالة لحل مشكلة التحسين

وعلى هذه الخلفية، توصل فريق بحثي من اليابان، يضم البروفيسور تاكيشي هاتاناكا من معهد طوكيو للتكنولوجيا، إلى طريقة جديدة وفعالة لحل مشكلة التحسين المذكورة أعلاه.

وكما أوضحوا في ورقتهم البحثية، التي نُشرت مؤخرًا في مجلة IEEE Access ، فإن النهج المقترح يهدف إلى تحقيق منازل ذات طاقة صافية صفرية (ZEHs) – أي منازل مصممة بحيث يكون استهلاكها السنوي من الطاقة الصافية قريبًا من الصفر، وكان هذا العمل بحثًا تعاونيًا مع جامعة واسيدا وجامعة توياما.

أولاً، صاغ الباحثون مشكلة التحسين كنظام من المعادلات الرياضية والتفاوتات التي توفر، عند حلها، الحجم الأمثل للألواح الكهروضوئية والبطاريات من حيث التكلفة والحياد الكربوني.

وقد نظروا في الحالات التي يتعين فيها على كل منزل إنتاج طاقته بمفرده، فضلاً عن الحالات التي يُسمح فيها بتقاسم الطاقة بين المنازل، وهو ما يشار إليه باسم “اقتصاد المشاركة”.

كان التحدي الرئيسي الذي كان على الفريق أن يتعامل معه هو حقيقة أن مثل هذه المشكلات المعقدة المتعلقة بالتحسين عادة ما تكون غير محدبة.

بعبارة أخرى، نظرًا لطبيعة المشكلة، يمكن خداع خوارزميات الحل لتستقر على حل دون المستوى الأمثل. لمعالجة هذه المشكلة، طبق الباحثون سلسلة من التحويلات الذكية لتحويل المشكلة الأصلية إلى مشكلة برمجة خطية (LP)، والتي يمكن التعامل معها بسهولة أكبر.

وبعد ذلك، لاختبار نهجهم، طبق الفريق الإطار المقترح على حي في اليابان، حيث كانت بيانات استهلاك الطاقة وتوليد الطاقة الشمسية متاحة لـ 134 أسرة.

وكما كان متوقعًا، تمكنوا بسرعة من إيجاد الحلول المثلى لكل من الاقتصادات الفردية والتشاركية.

ويؤكد هاتاناكا قائلاً: “لقد استفادت أمثلتنا الرقمية من بيانات العالم الحقيقي بدلاً من الاعتماد على البيانات الاصطناعية، مما أدى إلى تعزيز مصداقية النتائج التي توصلنا إليها، لقد أثبتنا أن تحقيق وضع ZEH لا يؤدي إلى زيادة التكاليف بشكل كبير، مما يعني أنه هدف قابل للتحقيق للمنازل السكنية في اليابان”.

حل المشكلة في أقل من عشر ثوانٍ باستخدام تحويلات LP

ومن الجدير بالذكر أن التجربة المذكورة أعلاه كشفت أيضًا أن الحلول المتاحة تجاريًا لم تتمكن من حل مشكلة التحسين الأصلية بسبب تعقيدها الشديد.

ويضيف هاتاناكا: “عند النظر إلى بيانات تبلغ حوالي شهرين، تصبح المشكلة الأصلية صعبة حسابيًا، حيث يستغرق حلها بواسطة حلول تجارية ما يصل إلى 14 ساعة، وعلى النقيض من ذلك، يمكن حل المشكلة بالكامل في أقل من عشر ثوانٍ باستخدام تحويلات LP الخاصة بنا”.

وبالنظر إلى النتائج التي توصلت إليها هذه الدراسة، فإنها قد تساهم بشكل كبير في تبني ونشر أنظمة الطاقة المتجددة في الأحياء السكنية من خلال تمكين المخططين من تحديد أحجام الألواح الشمسية والبطاريات بشكل صحيح.

ويأمل الباحثون أن تمهد هذه الجهود الطريق لمدن مليئة بالمنازل ذات الطاقة المتجددة.