التكيف مع النار: كيف يمكن للمدن تعزيز المرونة مع توزيع الطاقة

2023 مؤلف: Isabella Ferguson | [email protected]. آخر تعديل: 2023-11-26 12:44

نُشر في الأصل على موقع معهد Rocky Mountain Institute.

بقلم مادلين تايسون ورشاد نانافاتي

نظرًا لأن كاليفورنيا شهدت هطولًا منخفضًا بشكل غير معهود لهطول الأمطار في فبراير ، وهو عادة ذروة موسم الأمطار ، فإن أجزاء من الولاية تنتقل إلى ظروف الجفاف. من المرجح أن يؤدي هذا إلى زيادة انتشار حرائق الغابات في الولاية في عام 2020 ، ويؤكد على النقطة التي مفادها أن المجتمعات بحاجة إلى التفكير في مجموعة من الاستراتيجيات لزيادة قدرتها على الصمود في وجه حرائق الغابات. إحدى هذه الاستراتيجيات هي الطريقة التي تتعامل بها المجتمعات مع أنظمة الكهرباء الخاصة بها.

يمكن لموارد الطاقة الموزعة (DERs) - مثل الطاقة الشمسية في الموقع ، وتخزين طاقة البطارية ، والشبكات الصغيرة - أن تساعد في تقليل احتمالية اندلاع حرائق الغابات وحماية المجتمعات من أسوأ آثارها. تلعب حكومات المدن دورًا مهمًا للمساعدة في تسريع نشر هذه التقنيات والحلول من خلال تقليل الحواجز التي تحول دون التبني ، والاستثمار في المرافق الحيوية والشبكات الصغيرة المجتمعية ، وتعزيز كفاءة الطاقة ، والمشاركة في تخطيط المرافق والعمليات التنظيمية.

تتسبب حرائق الغابات في إلحاق ضرر غير متناسب بالمجتمعات الأكثر ضعفاً

أظهرت لنا حرائق كاليفورنيا مؤخرًا أن حالات الطوارئ الشديدة المرتبطة بالمناخ هي الوضع الطبيعي الجديد (أصبح "موسم" حرائق الغابات في كاليفورنيا ظاهرة على مدار العام) ، ويمكن أن تكون التكاليف فلكية. قدرت الآثار الاقتصادية لحرائق 2018 وحدها بنحو 400 مليار دولار - ما يقرب من ضعف ميزانية فترة السنتين للدولة بأكملها. كما أن تكاليف انقطاع التيار الكهربائي الإلزامي ، أو عمليات إغلاق الطاقة للسلامة العامة (PSPSs) ، التي تنفذها المرافق في كاليفورنيا لمحاولة تجنب المزيد من الأضرار الناجمة عن حرائق الغابات باهظة أيضًا. ضع في اعتبارك ، على سبيل المثال ، تكلفة الانقطاعات في المدارس: تسببت PSPS التي نفذتها شركة PG&E خلال حريق Kincade في فقدان 500000 طالب تقريبًا من المدرسة ، بتكلفة مجتمعية تقدر بـ 14 مليون دولار يوميًا.

أكثر المتضررين من آثار حرائق الغابات هم كبار السن ، وصغار السن ، والمجتمعات المعرضة للخطر طبيًا ، وذوي الدخل المنخفض ، وهي مجتمعات ملونة بشكل غير متناسب. أظهرت دراسة على الصعيد الوطني أجراها باحثون في جامعة واشنطن أن الأمريكيين الأصليين أكثر عرضة لتأثيرات حرائق الغابات بست مرات من البيض. السود وذوي الأصول الأسبانية هم أكثر عرضة بنسبة 50 في المائة. تكافح هذه المجتمعات لدفع تكاليف إجراءات السلامة من الحرائق والتأمين قبل الحدث وإعادة البناء بعد الحدث. تتفاقم نقاط الضعف هذه بسبب التلاعب في أسعار الإيجارات في أعقاب حرائق الغابات ، مما أدى إلى تفاقم نقص المساكن في كاليفورنيا. خلال هذه الأحداث وبعدها ، يميل الأغنياء إلى المغادرة ويميل الفقراء إلى البقاء ؛ يمكن أن ترتفع معدلات الفقر بمقدار نقطة مئوية كاملة في المناطق المتضررة من الكوارث الكبرى.

يجب أن تقود المدن في تعزيز حلول المرونة

بينما يمكن للشركات المغادرة في أعقاب الكوارث ، لا تستطيع المدن ذلك. الحكومات المحلية مسؤولة أمام سكانها والشركات والمؤسسات المحلية التي تبقى أو تعود. تحتاج المدن إلى حماية اقتصاداتها المحلية والاحتفاظ بأصحاب العمل والعمال. بناء المرونة جزء أساسي من تلك المعادلة.

تتمثل إحدى الطرق التي تعمل بها المدن لبناء المرونة في السيطرة بشكل أكبر على أنظمة الطاقة الخاصة بها. في الطرف الأقصى من الطيف ، تقوم سان خوسيه وسان فرانسيسكو بتقييم إمكانية إضفاء الطابع المحلي على أنظمة الطاقة الخاصة بهما (على سبيل المثال ، شراء البنية التحتية للكهرباء المحلية وتشغيلها كمرفق للمدينة) ، مما قد يسمح لهما بالتركيز على الاستثمارات مثل الشبكات الصغيرة المحلية في تخطيط مواردهم. يستخدم آخرون برامج تجميع الخيارات المجتمعية الخاصة بهم لتنفيذ حلول مماثلة.

ومع ذلك ، هناك العديد من الطرق الأخرى التي يمكن للمدن من خلالها الترويج لنفس الأهداف ضمن هيكل علاقة تقليدية بين المدينة والمرافق ، بما في ذلك:

1. تبسيط تصاريح التخزين الشمسي الإضافي للمنازل والشركات الفردية.
2. تعزيز المرونة على مستوى المجتمع المحلي من خلال الاستثمارات في المرافق الحيوية والشبكات الصغيرة.
3. تعزيز كفاءة استخدام الطاقة في المباني لمعالجة جانب الطلب في معادلة المرونة.
4. المساعدة في تحقيق المرونة في تخطيط نظام الكهرباء من خلال المشاركة مع المرافق والمنظمين.

دعونا نلقي نظرة على كل من هذه بدورها.

تبسيط تصاريح تخزين الطاقة الشمسية الإضافية

يمكن أن يتيح تخزين الطاقة الشمسية الإضافية خلف العداد "استمرارية العمليات" في منازلنا وشركاتنا ، مما يسمح لنا بالاستمرار في تشغيل مكيفات الهواء ، والثلاجات ، والأضواء ، وأجهزة الكمبيوتر ، والمعدات الطبية المنزلية. يمكن أن تساعد زيادة الاعتماد على موارد الطاقة الموزعة هذه أيضًا في تقليل مخاطر الحريق عن طريق تقليل الضغط على معدات النقل القديمة - الجاني في Camp Fire في كاليفورنيا ، وهو الأكثر تدميراً في تاريخ الولاية.

لكن هذه الحلول باهظة الثمن - ولن تتمكن الحوافز مثل 100 مليون دولار لبرنامج البطاريات التي تعمل خلف المقياس الذي تنفذه لجنة المرافق العامة في كاليفورنيا ، من الوصول إلى الجميع. تكلف مجموعة الطاقة الشمسية التي تبلغ 10 كيلووات حوالي 30 ألف دولار ، في حين أن أرخص تكلفة من شركة Tesla Powerwall ستعيدك إلى ما يقرب من 10000 دولار.

في حين أن المدن قد لا تكون قادرة على فعل الكثير للتأثير على سعر الألواح الشمسية أو حزمة البطارية ، إلا أنها يمكن أن تساعد بالتأكيد في تقليل "التكاليف الخفيفة" - خاصة بالنسبة للطاقة الشمسية على الأسطح. وفقًا لمؤسسة الطاقة الشمسية ، فإن عملية التصريح والتفتيش والتوصيل البيني لتركيب مجموعة شمسية سكنية نموذجية تمثل حوالي ثلث التكلفة الإجمالية ، والتي تتراوح بين 3.00 دولارات و 3.50 دولارًا لكل واط في الولايات المتحدة. على النقيض من ذلك مع أستراليا ، حيث انخفض متوسط أسعار الطاقة الشمسية السكنية إلى أقل من 1.30 دولارًا لكل واط - في جزء كبير منه بسبب عملية التصاريح والتوصيل البيني التي تعامل مصفوفات الطاقة الشمسية السكنية مثل الأجهزة المنزلية أكثر من كونها مثل الأجزاء الرئيسية من البنية التحتية للشبكة.

تعمل صناعة الطاقة الشمسية واتحاد غير ربحي من أجل نظام تصاريح وفحص يشبه إلى حد كبير نظام أستراليا أو ألمانيا. سيشمل النظام نظامًا أساسيًا بسيطًا ومجانيًا للتطبيق عبر الإنترنت حيث يتلقى المثبتون المعتمدون مسبقًا الموافقة التلقائية طالما أنهم يستمدون من قائمة المعدات المعتمدة. كجزء من النظام ، من شأن الفحوصات العشوائية العشوائية أن تحافظ على امتثال المثبتات ، مع فقدان الشركات للاعتماد في حالة فشلها أو عند فشلها. في نظام مثل هذا ، تتحكم المدن في التصاريح - وتؤثر على تكاليف الربط البيني - بحيث يمكنها تسريع نشر DER بشكل كبير ، مع تعزيز وظائف تركيب الطاقة الشمسية المحلية التي تعد بالفعل واحدة من أسرع فئات التوظيف نموًا في هذا البلد.

الاستثمار في المنشآت الحرجة والشبكات الصغيرة

في حين أن القوة الاحتياطية يمكن أن تكون منطقية على مستوى الأسرة الفردية أو الأعمال التجارية الصغيرة ، إلا أن هذه الحلول لا يمكن الوصول إليها إلى حد كبير بالنسبة لكثير من سكاننا. وفقًا لبيانات التعداد السكاني الأمريكية ، يشغل المستأجرون 34 بالمائة من منازل أمريكا ، ويعيش 57 بالمائة من الأمريكيين في مبان متعددة العائلات. علاوة على ذلك ، فإن امتلاك الألواح الشمسية و Powerwall لن يفيد أي شخص كثيرًا إذا احتاج إلى إخلاء منزله أو مكان عمله.

لذلك تحتاج المدن إلى جعل المرونة سمة من سمات مجتمعاتها من خلال الاستثمار في المرافق الأساسية التي يمكن أن توفر الإغاثة المباشرة أثناء حالات الطوارئ ويمكن أن تكون بمثابة أساس لشبكات صغيرة محلية أكثر اتساعًا في المستقبل. تعتبر المباني البلدية مثل المدارس ومراكز الترفيه والإسكان العام من المرشحين الواضحين. غالبًا ما يُنظر إليها على أنها "أحمال ثانوية حرجة" وليس لديها طاقة احتياطية مخصصة. يمكن للمدن أن تبدأ صغيرة ، وتستثمر في قدرة كافية لخدمة الوظائف التي عادة ما تشكل 10-25 في المائة فقط من إجمالي الطلب على الطاقة في هذه المرافق.

لتعظيم فوائد المرونة لهذه الحلول ، من المهم أن تبنيها على الطاقة الشمسية بالإضافة إلى التخزين بدلاً من الوقود الأحفوري. عادةً ما يكون للمرافق التي تعتمد على مولدات الديزل وقودًا كافيًا يكفي ليومين فقط ، بينما يتم تجديد البطاريات في كل مرة تشرق فيها الشمس (وحتى من خلال ضباب حرائق الغابات). تعمل شبكة Stone Edge Farm الصغيرة ، التي تعتمد بشكل أساسي على الطاقة الشمسية و 10 أنواع مختلفة من البطاريات ، بشكل مستمر خلال 10 أيام من حرائق مقاطعة سونوما في عام 2017 ، ومرة أخرى من خلال PG & E's PSPS في خريف عام 2019 ، حيث تعمل مجموعتها الشمسية بنسبة 50 في المائة من الإنتاج العادي على الرغم من الدخان والرماد.

يمكن لتقنيات البطاريات الناشئة ، مثل بطاريات التدفق أو بطاريات الحالة الصلبة ، أن تخفف أو تقضي على مخاوف القابلية للاشتعال التي تأتي مع كيمياء الليثيوم أيون القياسية. بالإضافة إلى ذلك ، تتجنب حلول الطاقة الشمسية بالإضافة إلى التخزين التلوث الشديد المنبعث من حرق الديزل أثناء عمليات الطوارئ والاختبارات الشهرية - وهو أمر مثير للقلق في المناطق الحضرية المكتظة بالسكان.

لا يلزم أن تكون البطاريات المستخدمة ثابتة. تخزن البطارية التي تبلغ قوتها 60 كيلووات في الساعة والتي تأتي مع سيارة تسلا موديل 3 متوسطة المدى (السيارة الكهربائية الأكثر مبيعًا في أمريكا في عام 2018) قدرًا من الكهرباء يعادل ما يستهلكه المنزل الأمريكي العادي في يومين. يمكن أن توفر الحافلات الكهربائية طاقة احتياطية للمدارس ، والتي غالبًا ما تؤدي الخدمة المزدوجة كمراكز ملجأ في حالات الطوارئ - كما تفكر شركة Holy Cross Energy في Roaring Fork Valley في كولورادو.

يمكن للمدن أيضًا العمل بشكل وثيق مع المؤسسات الخاصة التي تقدم خدمات عامة حيوية ، بما في ذلك الرعاية الصحية وخدمات الطعام والاتصالات السلكية واللاسلكية والمياه وإدارة النفايات. في حين أن العديد من هذه المرافق لديها بالفعل طاقة احتياطية قوية ، فمن المحتمل أن تستفيد من نهج متكامل يزيد من سعة النظام الإجمالية ويوسع فوائد المرونة إلى منشآت إضافية مع خفض تكاليف النظام الإجمالية. أظهرت دراسة أجرتها هيئة أبحاث وتطوير الطاقة بولاية نيويورك (NYSERDA) أن فعالية التكلفة لهذه الشبكات الصغيرة المتكاملة تتحسن إذا:

يمكن أن يعمل النظام على أساس أكثر تواترا ، ويوفر المزيد من الخدمات ، والوصول إلى تدفقات قيمة أكثر من مجرد توليد النسخ الاحتياطي ؛

• المرافق الحرجة متجمعة بإحكام (على بعد نصف ميل من بعضها البعض) ؛
• يمكن تحسين تصميم النظام من خلال الوصول إلى بيانات الاستهلاك الحبيبية (فواصل زمنية مدتها 15 دقيقة) ؛ و
• يمكن تقليل تكلفة تركيب معدات التحويل على أسلاك المرافق الموجودة - وهو محرك رئيسي للتكلفة - إلى الحد الأدنى.

في نهاية المطاف ، يمكن توسيع الشبكات الصغيرة التي تركز على المرافق الحيوية بشكل أكبر. يمكن أن يتجه تحديد الأولويات نحو دعم قطاعات البنية التحتية الستة عشر التي تعتبرها وزارة الأمن الداخلي الأمريكية "حيوية للغاية" بحيث يكون لعجزها أو تدميرها تأثير مدمر على الأمن القومي والاقتصاد الوطني والصحة العامة والسلامة العامة.

يمكن للعديد من المدن أيضًا الاستفادة من علاقات "المدينة والرداء" من خلال تلقي دروس الشبكة المصغرة من كلياتها وجامعاتها المحلية. لطالما كانت مؤسسات التعليم العالي رائدة في الشبكة الصغيرة لأن فقدان السلطة قد يعني خسارة سنوات من العمل الحيوي. كما يشرح خوان أونتيفيروس من جامعة UT Austin ، "إذا فقد الأستاذ فأرًا معدّلًا وراثيًا بعد 20 عامًا من البحث المضمّن فيه ، فهذا كابوس". الشبكة الصغيرة التي يديرها ، والمصممة لحماية أبحاث الجامعة التي تبلغ قيمتها 500 مليون دولار ، هي واحدة من أكبر الشبكات في البلاد وقد حققت موثوقية بنسبة 99.999 في المائة على مدار الأربعين عامًا الماضية. أبقت شبكة برينستون الصغيرة الأضواء مضاءة خلال إعصار ساندي عندما أظلم الكثير من المناطق المحيطة بنيوجيرسي. تخدم شبكة ميكروغريد التابعة لجامعة كاليفورنيا في سان دييغو 92 بالمائة من احتياجاتها من الكهرباء.

عندما تصاحب إصلاحات الشبكة الصغيرة التقنية حلول تمويلية ، يمكن تنفيذ هذه الشبكات المجتمعية الصغيرة دون نفقات رأس المال من المدينة. على سبيل المثال ، تم تطوير وتمويل شبكة مقاطعة مونتغومري الصغيرة في ولاية ماريلاند من قبل شنايدر إلكتريك وديوك إنيرجي. في كاليفورنيا ، من المتوقع أن توفر الشبكة الصغيرة لمحطة إطفاء فريمونت مبلغ 350 ألف دولار أمريكي للمدينة من خلال اتفاقية شراء الطاقة.

تعزيز كفاءة الطاقة في المباني

ستذهب حلول الطاقة الشمسية والتخزين والشبكات الصغيرة إلى أبعد من ذلك بكثير إذا كانت تخدم المباني والمعدات التي تعمل بكفاءة. على سبيل المثال ، يمكن للبطارية التي تبلغ 10 كيلو وات في الساعة تشغيل مكيف هواء عالي الكفاءة (US SEER 18) 1.5 طن لمدة ثلاث ساعات ، أي ضعف المدة التي يمكن أن تعمل بها وحدة منخفضة الكفاءة (US SEER 9).

بعبارة أخرى ، ستوفر حلول المرونة التي تدمج الطاقة الاحتياطية مع إجراءات الكفاءة العديد من "ساعات الأمان" الأكثر أهمية (المدة التي يمكن أن يحافظ فيها المبنى على ظروف ملائمة للعيش أثناء حدث طقس شديد أو حريق هائل). بالإضافة إلى الحفاظ على درجات حرارة مريحة ، قد يعني ذلك تمكين المعدات الحيوية من الاستمرار في العمل والحفاظ على الحد الأدنى من جودة الهواء الداخلي المقبولة. هذا مهم في المناطق المأهولة وبالقرب منها ، حيث يمكن أن يكون دخان حرائق الغابات ضارًا بشكل خاص لأنه يحتوي على بقايا ليس فقط الأشجار والنباتات ، ولكن أيضًا المواد الكيميائية الاصطناعية والدهانات والبلاستيك.

تشمل المحددات الرئيسية لساعات الأمان مدى عزل المبنى جيدًا (للحماية من درجات الحرارة القصوى) ، ومقدار تسرب الهواء الذي يحدث بين الداخل والخارج (مما يؤثر على جودة الهواء الداخلي بالإضافة إلى درجة الحرارة) ، ومدة التسرب. يمكن أن تستمر المعدات الحيوية في العمل - وظيفة سعة الطاقة الاحتياطية بالنسبة للتحميل (على سبيل المثال ، الطاقة المخزنة في بطاريتك بالنسبة لسحب الطاقة لجهاز غسيل الكلى في منزلك).

يمكن مساعدة جانب الطلب في معادلة المرونة من خلال الجهود التي تقودها المدينة لتعزيز قوانين البناء ، ووضع حدود للانبعاثات ومعايير الحد الأدنى من الكفاءة للمباني القائمة ، وتتطلب إفصاحات المباني بشأن الانبعاثات وأداء الطاقة ، وإنفاذ معايير المعدات.

التعامل مع المرافق والمنظمين

حتى عندما تتصاعد التوترات ، كما يحدث عند انقطاع التيار الكهربائي ، فإن التعاون بين مرافق المدينة أمر حيوي للمدن لتحقيق أهدافها المتعلقة بالمرونة والاستدامة. يمكن أن تختلف شروط وأهداف التعاون اختلافًا كبيرًا ، لكن اتفاقيات الشراكة بين المدينة والمرافق تقدم أمثلة على كيفية قيام المدن بتحسين الاتصال ومواءمة الموارد والقدرات مع احتياجات التخطيط الرئيسية. على سبيل المثال ، نظرًا لأن المرافق مثل PG&E في كاليفورنيا تمضي قدمًا في تطوير مناطق المرونة ومحاور الربط البيني المثبتة مسبقًا ، يمكن للمدن التأكد من أن DERs هذه تلبي أهداف المدن ولا تؤدي إلى الاستثمار في المزيد من سعة توليد الوقود الأحفوري.

أظهر تحليل RMI كيف أن تكلفة تركيب الطاقة الشمسية بالإضافة إلى التخزين في المرافق الحيوية هي نفس تكلفة مركزية الأصول في موقع واحد مملوك للمرافق عندما يصل متوسط الانقطاعات السنوية إلى 1 في المائة ، وتكون التكلفة أقل عند أي مستويات انقطاع أعلى من 1 نسبه مئويه. يمكن أن تؤدي الاستثمارات في موازنة المعدات والتخزين في المحطات الفرعية الحالية أو بالقرب منها إلى تخفيف الضغط على خطوط النقل (عن طريق التخفيف من آثار الإفراط في إنتاج الطاقة الشمسية) وتمكين "ربط" أجزاء من شبكة التوزيع. يمكن أن تخلق المشاركة في سوق تخزين الطاقة في كاليفورنيا أثناء غير حالات الطوارئ تدفقًا إضافيًا للقيمة وزيادة تحسين اقتصاديات هذه الاستثمارات.

لا يمكن أن تنتهي مشاركة المدينة عند علاقة المرافق - يجب أن تشارك المدن أيضًا في العملية التنظيمية. تؤثر الإجراءات التنظيمية بشأن خطط الموارد المتكاملة (IRPs) وقضايا التقييم والبرامج التجريبية بشكل مباشر على أهداف مرونة المدن واستدامتها. قد تكون هذه الإجراءات معقدة وغامضة ، ولكن من الأهمية بمكان أن تظهر المدن وتستخدم التأثير الذي تتمتع به كأكبر عملاء للمرافق (غالبًا). يمكنهم الاستفادة من شهادة الخبراء التي يقدمها كل من مقدمي الخدمات غير الربحيين مثل GridLab والمستشارين الربحيين مثل Greenlink Group أو Synapse Energy. يمكنهم أيضًا الاستفادة من معرفة المدن الأخرى والخبراء التقنيين (بما في ذلك معهد روكي ماونتن) من خلال مبادرات مثل تحدي مناخ المدن الأمريكية وشبكة مديري الاستدامة الحضرية.

أظهرت مدن في جورجيا ويوتا كيف يمكنها التأثير على قرارات التخطيط الرئيسية. بعد تدخل أتلانتا والعديد من المجتمعات المحلية الأخرى في IRP الأخير لجورجيا باور ، ضاعفت المرافق استخدامها لمصادر الطاقة المتجددة بأكثر من الضعف وضاعفت تقريبًا أرقام سعتها التخزينية للطاقة. وفقًا لدانييل تايت ، الباحث في معهد الطاقة والسياسة ، "أحدث المتدخلون فرقًا من خلال الشهادة. من خلال المعلومات التي قدمها المتدخلون ، ونمذجةهم وشهاداتهم ، أصبح من الواضح بشكل متزايد كيف أن تكلفة الطاقة المتجددة التنافسية والتخزين بشكل متزايد في جورجيا ". في ولاية يوتا ، دخلت Rocky Mountain Power في شراكة مع العديد من الحكومات المحلية لدعم تمرير تشريعات الولاية التي تسمح بمسار لشبكة كهرباء متجددة بنسبة 100 في المائة للمجتمعات التي لديها أهداف طموحة للطاقة النظيفة.

أتطلع قدما

ستسمح لهم هذه الأنواع من المشاركة من قبل المدن بتحسين أنظمة الطاقة لديهم للاستثمار في مرونة مجتمعاتهم. في عالمنا المضطرب بشكل متزايد ، ستحتاج كل هذه الاستراتيجيات إلى الانتقال من كونها بارزة إلى القاعدة.