نشرت دراسة علمية في مجلة "الطاقة والاستدامة والمجتمع" نتائج بحث يستخدم خوارزميات تطورية مع تحسين متعدد الأهداف لتحقيق التوازن بين أهداف متعارضة، هي تقليل تكاليف النظام السنوية وخفض انبعاثات ثاني أكسيد الكربون. ركز النموذج على مبنى سكني متعدد الوحدات في ألمانيا شُيد قبل عام 1918، ويمثل خصائص المراكز التاريخية للمدن حيث يتجاوز 50 بالمئة من المخزون السكني القائم قبل 1970.
دوافع البحث وأهمية القطاع السكني
ينبع الدافع الرئيسي من مساهمة قطاع المباني السكنية الكبيرة في انبعاثات غازات الاحتباس الحراري بألمانيا. لا يزال أكثر من 60 بالمئة من الطاقة المستخدمة للتدفئة وتسخين المياه يأتي من مصادر الوقود الأحفوري، التي تبقى الخيار السائد في هذا القطاع. ورغم وصول الطاقة المتجددة إلى 54.4 بالمئة من قطاع الكهرباء الألماني في 2024، فإن حصتها من الطاقة النهائية للتدفئة والتبريد تظل محدودة عند 17.7 بالمئة. ويتحمل قطاع التدفئة وحده أكثر من 50 بالمئة من الاستخدام النهائي للطاقة في ألمانيا، مما يخلق فجوة كبيرة يجب معالجتها لتحقيق الأهداف المناخية الوطنية.
مكونات نظام الطاقة المُدرَج في النموذج
يتضمن نظام الطاقة المُدرَج في الدراسة مجموعة متنوعة من المكونات لتمثيل استراتيجية واقعية لإزالة الكربون: بلاط سقف كهروضوئي حراري، نظام تخزين طاقة بالبطاريات، مضخة حرارية مصدرها الهواء، وحدة تخزين مياه ساخنة. كما شمل النموذج غلاية غاز طبيعي مع خيار استبدالها بغلاية تعمل بالهيدروجين، لتقييم فوائد التحول في الوقود. وأُدرج أيضًا برنامج إدارة طاقة لبطارية المركبة الكهربائية، يعكس التكامل المتزايد للمركبات الكهربائية في أنظمة الطاقة السكنية.
عملية التحسين وخوارزمية AGE-MOEA
تتيح عملية التحسين اختيار ستة تدابير متميزة لتجديد الطاقة، تتراوح من عدم التجديد إلى تجديد عميق شامل يشمل أنظمة التهوية. نُفذ التحسين متعدد الأهداف باستخدام خوارزمية AGE-MOEA التطورية، التي اُختيرت عبر اختبار أداء منهجي قارن خوارزميات مختلفة. ترتب الخوارزمية الحلول مع مراعاة التنوع والقرب من جبهة باريتو، مما يضمن مجموعة واسعة من الحلول الموزعة بالتساوي. أهداف التحسين هي تقليل إجمالي التكاليف السنوية للنظام (ممثلة كقسط سنوي) وتقليل انبعاثات ثاني أكسيد الكربون.
نتائج جبهة باريتو: أربعة قطاعات متميزة
تراوحت تكاليف القسط السنوي للحلول الناتجة بين 49 و116 يورو للمتر المربع سنويًا، بينما تراوحت انبعاثات ثاني أكسيد الكربون السنوية بين 74 و4 كيلوغرامات للمتر المربع سنويًا، مما يوضح المقايضات الكبيرة بين التكلفة والأداء البيئي. كشفت النتائج عن قطاعات متميزة داخل جبهة باريتو:
القطاع الأول: حلول "العمل كالمعتاد" الأكثر فعالية من حيث التكلفة، تتميز باستخدام غلاية غاز طبيعي دون استثمارات مالية في تحسين النظام الحراري. مع التحرك نحو انبعاثات أقل، تزداد سعة مضخة الحرارة وتخزين الطاقة الحرارية، وتحل المضخة الحرارية محل الغلاية تدريجيًا، في استراتيجية اكتفاء ذاتي حيث تولد المحطة الكهروضوئية الحرارية طاقة تُخزن وتستخدم لتخفيف الانبعاثات.
القطاع الثاني: منطقة أكثر تنافسية تستمر فيها استراتيجية الاكتفاء الذاتي مع زيادة استخدام الهيدروجين. لا يرتبط استخدام الهيدروجين بانبعاثات كربونية داخل النموذج، مما يجعله خيارًا جذابًا. يقلل هذا التجديد من طلب التدفئة المكانية، مما يخفض الانبعاثات المحتملة ويسمح بالمنافسة مع حالة عدم التجديد.
القطاع الثالث: نمط مشابه للأول لكن مع حالة التجديد الرابعة (سقف، نوافذ، جدران، سقف قبو)، مما يقلل طلب التدفئة ويسمح بتحقيق انبعاثات أقل بمكونات نظام حراري أصغر. يتغير قرار نظام إدارة الطاقة عند سعات أقل للمكونات الحرارية.
القطاع الرابع: استراتيجية تركز على تحقيق انبعاثات صفرية. تنخفض أهمية متغيرات قرار النظام الحراري، وترتفع نقطة التبديل الثنائي لتقليل وقت تشغيل المضخة الحرارية، مما يسهل الاستخدام الأقصى للهيدروجين لإنتاج الطاقة الحرارية. كما تزداد سعة تخزين البطاريات لتعظيم استغلال الطاقة الكهربائية من المحطة الكهروضوئية الحرارية.
تحليلات الحساسية: أسعار الغاز والهيدروجين والكهرباء
أظهرت تحليلات الحساسية تأثير أسعار الغاز الطبيعي والهيدروجين وكهرباء المنازل على جبهة باريتو. أسعار الكهرباء المنخفضة تضغط نطاق تكاليف القسط للحلول المعتمدة على الغاز. ارتفاع أسعار الغاز يقلص القطاعات التي تهيمن عليها حلول الغاز، في سيناريو يشبه ضرائب كربون مستقبلية أعلى. أما تحليل سعر الهيدروجين فيظهر تشوهًا أساسيًا نحو الأسعار الأقل، مع تضمين الجبهة تدريجيًا المزيد من حلول الهيدروجين التي تنخفض تكاليفها وتتفوق على الحلول الأقل استخدامًا للهيدروجين.
القيود والاستنتاجات الرئيسية
أقرت الدراسة بعدة قيود، منها تقييم دورة حياة مبسط يقتصر على انبعاثات الكربون المرتبطة بحاملات الطاقة، وتجاهل انبعاثات بناء الأنظمة المقترحة، وتقييمات تكلفة مبسطة لحالات التجديد، ومنهجية تقدير درجات حرارة التخزين الحراري لا تلتزم بمبادئ حفظ الطاقة. تقدم هذه القيود فرصًا لأبحاث مستقبلية.
تؤكد النتائج أن التقنيات الكهروضوئية تشكل إجراءً فعالًا للغاية لتقليل انبعاثات الكربون في قطاع المباني. تبدو أكثر الاستراتيجيات فعالية من حيث التكلفة هي تبني توليد الكهرباء من الأنظمة الكهروضوئية، مع إمكانية دمج التكنولوجيا الكهروضوئية الحرارية. يمكن تحقيق تخفيضات كبيرة إضافية في الانبعاثات عبر دمج سعات إضافية للمضخات الحرارية والتخزين الحراري، وإن أدى ذلك لزيادة معتدلة في تكاليف القسط. يعتمد نهج تقليل الانبعاثات على استبدال حامل طاقة الغلاية من الغاز الطبيعي إلى الهيدروجين. يبدو تضمين نظام إدارة الطاقة مع المركبة الكهربائية واعدًا، بينما لا يُعد تخزين البطاريات تنافسيًا مع مزيج المضخة الحرارية والتخزين الحراري تحت فرضية انخفاض كفاءة طاقة المبنى. لا تُعوض تكاليف حالات التجديد بالتخفيضات المقابلة في تكاليف مكونات نظام التدفئة.
تقدم الدراسة نهجًا منهجيًا قابلًا للتطبيق لدعم تحول أنظمة الطاقة السكنية. النتائج خاصة بموقع واحد ويجب أن تخضع للتغيير تحت ظروف مناخية أخرى. تُظهر المحاكاة سلوكًا يتماشى مع التوقعات لنظام طاقة سكني حقيقي مماثل، وتعتبر معقولة. الخلاصة الأساسية هي أن التحسين متعدد الأهداف مع الخوارزميات التطورية أداة مناسبة لتحديد مسارات تحول أنظمة الطاقة السكنية من حيث انبعاثات غازات الاحتباس الحراري والجدوى الاقتصادية، بدعم من التكوينات الواسعة التي حُددت للنظام المدروس.