الشبكة الذكية: الذكاء الاصطناعي في مجال الطاقات المتجددة

مرّت 33 سنة منذ أن تعرفت لأول مرة على مجال الذكاء الاصطناعي الناشئ آنذاك. عملتُ بلغات برمجة الذكاء الاصطناعي LISP و Prolog. ومن خلال شبكة الجامعة، تعرفتُ أيضاً على الإنترنت. في الوقت نفسه، كان سوق البث التلفزيوني عبر الأقمار الصناعية مزدهراً. ومن هناك، طورتُ مهاراتي في مجال الخدمات اللوجستية الداخلية، وصولاً إلى منصبي الحالي في مجال الطاقة الشمسية الكهروضوئية.

FAW Ulm ) عام 1987 كأول معهد مستقل متخصص في الذكاء الاصطناعي. وشاركت فيه شركات كبرى مثل دايملر كرايسلر، وجينوبتك، وهيوليت-باكارد، وروبرت بوش، وغيرها. عملتُ شخصياً هناك كمساعد باحث من عام 1988 إلى عام 1990.

في غضون ذلك، شقّ الذكاء الاصطناعي طريقه إلى العديد من المجالات، سواءً في الطب أو القانون أو التسويق أو ألعاب الفيديو. وتُعدّ الترجمة الآلية، على سبيل المثال باستخدام ترجمة جوجل أو DeepL، من بين أشهر تطبيقاته. كما يُستخدم الذكاء الاصطناعي في تحليل وتوقع تحركات أسعار الأسهم، وفي إدارة الكم الهائل من المعلومات في محركات البحث.

الذكاء الاصطناعي هو فرع من فروع علوم الحاسوب يُعنى بأتمتة الأنماط السلوكية، التي يمكن من خلالها استخلاص دعم اتخاذ القرار، ويؤدي في الوضع الأمثل إلى عمليات مستقلة ذاتية التشغيل. ويُستخدم غالبًا عند الحاجة إلى إدارة وتنسيق كميات هائلة من البيانات أو غير المنظمة، والتي يصعب التحكم بها.

لا ينجح الأمر دائماً. على سبيل المثال، اضطرت أمازون إلى تعطيل نظام الذكاء الاصطناعي الخاص بها لتقييم المتقدمين للوظائف لأن نظام التقييم الآلي كان يضر بالنساء.

وحتى الترجمات الآلية غالباً ما تحتوي على أخطاء فادحة، والتي عند التدقيق فيها، تسبب العبوس أو الابتسام.

إذن، الذكاء الاصطناعي ليس بهذه البساطة. فالمشكلة لا تكمن في كمية البيانات، بل في تفسيرها الصحيح. ولأن أمازون كانت توظف الرجال في الغالب، استنتج الذكاء الاصطناعي أن أداء النساء أقل من أداء الرجال. إلا أنه أغفل حقيقة أن انخفاض نسبة النساء في المهن التي يهيمن عليها الرجال له أسباب اجتماعية.

تكمن المشكلة الأساسية في الذكاء الاصطناعي في أن جودة برمجة الخوارزميات والبيانات المصدرية تعتمد كلياً على العمل الذاتي للمطورين الذين يقومون بإنشائها وتوفيرها. فالذكاء الاصطناعي يستوعب أوجه القصور في الموضوعية الناتجة عن المشاعر والنوايا الفردية، فضلاً عن أخطاء التفسير والإدراك من جانب المطورين؛ إذ يتعلم منها ويطور قدراته. وإذا أضفنا إلى ذلك نقص المعرفة بالعلاقات المتبادلة بين الأشياء والعمليات (وهي مهارات أساسية)، تكتمل الدائرة.

المزيد حول هذا الموضوع: الذكاء الاصطناعي ببساطة

لذلك، يحتاج الذكاء الاصطناعي إلى الكثير من وقت التطوير والشجاعة لمواجهة النكسات قبل أن يظهر نظام فعال.

إن عناوين مثل "الذكاء الاصطناعي كمحرك لانتقال الطاقة" أو "كيف تستفيد الخدمات اللوجستية من الذكاء الاصطناعي" هي مجرد ضجة إعلامية لا تعكس حتى جزءًا بسيطًا من التطوير والجهد المطلوبين، وأن التكاليف هي الشاغل الرئيسي قبل أن تصبح الربحية المالية واضحة.

يُستخدم الذكاء الاصطناعي حاليًا في قطاع الطاقة بشكل أساسي لمهام المراقبة أو التنبؤ.

 

الشبكة الذكية – الطاقة الذكية

ومع ذلك، ومع تزايد حصة الكهرباء من مصادر الطاقة المتجددة، بات من الواضح أن الذكاء الاصطناعي سيتحكم أيضًا في عمليات نظام الطاقة على نطاق واسع في المستقبل.

رغم هيمنة توليد الطاقة المركزي على شبكات الكهرباء حتى الآن، إلا أن التوجه يتجه نحو محطات التوليد اللامركزية. وينطبق هذا بشكل خاص على مصادر الطاقة المتجددة، مثل أنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية، ومحطات الطاقة الشمسية الحرارية، وتوربينات الرياح، ومحطات الغاز الحيوي. ويؤدي هذا إلى بنية أكثر تعقيدًا، لا سيما في مجالات التحكم في الأحمال، وتنظيم الجهد في شبكة التوزيع، والحفاظ على استقرار الشبكة. كما أن محطات التوليد اللامركزية الصغيرة، على عكس محطات الطاقة المتوسطة والكبيرة، تغذي مباشرةً مستويات الجهد المنخفضة، مثل شبكات الجهد المنخفض أو المتوسط.

 

تطوير شبكة ذكية

تُدمج شبكة الطاقة الذكية جميع الأطراف المعنية في نظام شامل من خلال التفاعل بين توليد الطاقة وتخزينها وإدارتها واستهلاكها. وتُدار محطات توليد الطاقة (بما في ذلك مرافق التخزين) لضمان تطابق كمية الطاقة الكهربائية المنتجة مع الكمية المستهلكة. وتُدمج شبكات الطاقة الذكية المستهلكين، بالإضافة إلى موردي الطاقة اللامركزيين على نطاق صغير ومرافق التخزين، في عملية التحكم هذه. وينتج عن ذلك نمط استهلاك متوازن عبر الزمان والمكان (طاقة ذكية/استهلاك ذكي للكهرباء)، ويتيح تكاملاً أفضل لمرافق التوليد غير القابلة للتحكم (مثل توربينات الرياح وأنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية) والمستهلكين (مثل الإضاءة).

مع تزايد حصة الطاقات المتجددة، بات من الضروري مواءمة تقلبات إنتاج الطاقة مع تقلبات استهلاكها. فإلى جانب إمكانية تخزين الطاقة الكهربائية باستخدام أنظمة تخزين الطاقة أو محطات الطاقة الكهرومائية، وتوليد الكهرباء حسب الطلب (مثل محطات الطاقة الكهرومائية أو الطاقة الحيوية)، وتوسيع شبكات الكهرباء لتوزيعها السريع على مساحات واسعة، هناك أيضاً خيار تعديل استهلاك الكهرباء بما يتناسب مع إمداداتها.

يقول البروفيسور الدكتور كليمنس هوفمان، مدير معهد فراونهوفر لهندسة الكهرباء والإلكترونيات: "إن توليد الكهرباء من محطات الطاقة الشمسية وطاقة الرياح يجعل نظام الإمداد أكثر تجزئةً وتأثراً بالطقس مقارنةً بتشغيل محطات الطاقة التقليدية. علاوةً على ذلك، يجب أن يكون الاستهلاك أكثر توافقاً مع إمدادات الكهرباء. ولا يمكن إدارة المرونة اللازمة حالياً بالبنية التحتية الحالية. ولا يمكن لنظام لا مركزي أن يعمل إلا من خلال عمليات رقمية فورية وقرارات مؤتمتة". ويرى هوفمان أن الرقمنة هي الأساس للخطوات التالية في التحول الطاقي: "إن عمليات التنسيق واتخاذ القرارات في نظام إمداد الطاقة المتجددة اللامركزي بالغة التعقيد. ولن يتسنى ربط الأنظمة المختلفة، مثل إمدادات الكهرباء والتدفئة والتنقل، على نطاق واسع من خلال القرارات المؤتمتة إلا بفضل الذكاء الاصطناعي. ومن خلال بناء منظومة لأنظمة الطاقة المعرفية، فإننا نطور تطبيقات الذكاء الاصطناعي في قطاع الطاقة"

 

يحتاج نظام الطاقة اللامركزي إلى الذكاء الاصطناعي

توجد بالفعل حاجة ماسة للذكاء الاصطناعي في مختلف مجالات قطاع الطاقة. فعلى سبيل المثال، في مجال تداول الطاقة الآلي، ينصب التركيز على الأنظمة التي تحدد استراتيجيات التداول بشكل مستقل وتُفعّل أوامر البيع والشراء. ويمكن لمحطات الطاقة الشمسية الكهروضوئية وطاقة الرياح، بالإضافة إلى محطات الشحن وأجهزة التحليل الكهربائي، استخدام الذكاء الاصطناعي لتحسين عملياتها، مما يقلل من الصيانة ويطيل عمرها الافتراضي. أما في قطاع شبكات الكهرباء، فتُستخدم هذه التقنية لتحليل نطاق واسع من المعلومات، وتحديد الحالات الحرجة، ودعم حلها.

يعمل معهد فراونهوفر لهندسة الكهرباء والإلكترونيات منذ 15 عامًا على تطوير الذكاء الاصطناعي للتنبؤ بتوليد الكهرباء من مصادر الطاقة الشمسية والرياح والطاقة الحيوية، وذلك تبعًا لتغيرات الطقس. كما يجري تطوير نظام تداول آلي لبورصة الطاقة الفورية (EPEX Spot) في كاسل.

 

أبحاث الذكاء الاصطناعي في قطاع الطاقة

"يُعدّ الذكاء الاصطناعي تقنيةً أساسيةً لمواصلة تطوير التحول في قطاع الطاقة: فالانتقال من صناعة محطات توليد الطاقة المركزية القائمة على الوقود الأحفوري إلى نظام طاقة يعتمد على مصادر متجددة عمليةٌ بالغة التعقيد لا يُمكن إدارتها إلا من خلال التحكم الذكي"، هذا ما صرّحت به وزيرة العلوم في ولاية هيسن، أنجيلا دورن. وأضافت: "يُوفّر مركز الكفاءات لأنظمة الطاقة المعرفية للعلماء مساحةً لطرح أفكار جديدة ومناهج بحثية مبتكرة في قطاع الطاقة. ويسرّني دعمنا لإنشائه. ومن الأهمية بمكان الآن الجمع بين خبرات الباحثين وشركاء أقوياء من قطاع الصناعة"

لذا، يجري إنشاء مركز كفاءات جديد لأنظمة الطاقة المعرفية في كاسل. ويسعى مشروع البحث حول الذكاء الاصطناعي في أنظمة الطاقة إلى إيجاد شركاء من الأوساط الأكاديمية والصناعية، ويرى فرصًا ممتازة لألمانيا كمركز للأعمال والبحث لتحقيق الريادة العالمية في مجال الابتكار. ولهذا السبب، تدعم ولاية هيسن إنشاء مركز الكفاءات الجديد، الذي يديره معهد فراونهوفر لاقتصاديات الطاقة وتكنولوجيا أنظمة الطاقة (IEE).

يتم البحث في مجالات تطبيق الذكاء الاصطناعي هذه من قبل مركز الكفاءة الجديد لأنظمة الطاقة المعرفية في كاسل، والذي يتم تمويل إنشائه من قبل حكومة ولاية هيسن بمبلغ إجمالي قدره 5.8 مليون يورو بين عامي 2020 و2022.

 

K-ES

يعمل معهد فراونهوفر لهندسة الكهرباء والإلكترونيات (IEE) على تطوير مركز الكفاءات لأنظمة الطاقة المعرفية (K-ES) منذ منتصف عام 2020، بهدف البحث في اقتصاديات الطاقة المعرفية، وشبكات الطاقة المعرفية، وتكنولوجيا أنظمة الطاقة المعرفية. ومن المخطط أن تستغرق عملية التطوير عشر سنوات. ويهدف مركز K-ES إلى أن يصبح مركزًا وطنيًا ودوليًا رائدًا في مجال الذكاء الاصطناعي في البحث والتدريس.

يدرس مركز الكفاءات لأنظمة الطاقة المعرفية (K-ES) مهام أنظمة الطاقة من منظور الذكاء الاصطناعي، ويطورها في ثلاثة مجالات: اقتصاديات الطاقة المعرفية، وشبكات الطاقة المعرفية، وتكنولوجيا أنظمة الطاقة المعرفية. ويوضح أندريه باير، مدير مشروع معهد الطاقة الكهربائية (IEE): "يحدد نظام الطاقة المعرفي حالته بشكل مستقل بناءً على المعلومات المتاحة، ويتعلم كيفية تحقيق أهداف محددة مسبقًا. لا يتعارض الذكاء الاصطناعي مع الذكاء البشري، بل يتفاعل معه باستمرار ويدعمه. ومع استمرار تطور هذه التكنولوجيا، سيتغير كلا الجانبين".

يمكن لقطاع الطاقة أيضاً الاستفادة من خبرات القطاعات الأخرى. فالذكاء الاصطناعي يُحدث تغييراً جذرياً في صناعة السيارات، وتجارة التجزئة، وقطاعي التأمين والخدمات المالية. أما فيما يخص التحول الطاقي نحو الطاقات المتجددة وتكامل القطاعات، فإن أهم مجالات الرقمنة هي المنتجون والمستهلكون الأذكياء، ومحطات الطاقة الافتراضية، وتقنيات الشبكات الذكية، وإدارة الطاقة في الوقت الفعلي.

 

مفاهيم وتطبيقات في مجال الاقتصاد

طُوِّر مفهوم إنشاء مركز الكفاءات لأنظمة الطاقة (K-ES) من قِبَل معهد فراونهوفر لهندسة الكهرباء والإلكترونيات (IEE). وتنبثق هذه المبادرة من اتفاقية ضمن اتفاقية الائتلاف لحكومة ولاية هيسن. وقد بدأت مرحلة التطوير بالفعل. ويتمثل الهدف الرئيسي في إنشاء بيئة حاضنة للابتكار وبناء مجتمع من الخبراء. وسيكون مركز الكفاءات الجديد جزءًا من حرم معهد فراونهوفر لهندسة الكهرباء والإلكترونيات قيد الإنشاء حاليًا في كاسل، وسيُكمِّل محفظة الأبحاث الخاصة بتحويل أنظمة الطاقة.

تتضمن الخطوة الأولى تجهيز المقرات والبنية التحتية لتكنولوجيا المعلومات باستخدام نظام سحابي. بعد ذلك، سيتم إنشاء منصة رقمية لتسهيل التواصل بين الشركاء من قطاعي الصناعة والبحث العلمي. ستركز المرحلة الأولى على استقطاب العلماء وتطوير الخبرات. يقول باير: "هدفنا هو ربط العلماء الذين يتشاركون هدفًا مشتركًا، بغض النظر عن مكان إقامتهم في العالم".

إلى حين التأسيس الرسمي المخطط له لمركز الكفاءات، سينصبّ التركيز على استقطاب الشركاء وتأمين مشاريع تطبيقية من قطاع الصناعة. ويُعدّ الارتباط الوثيق بقطاع الطاقة جزءًا أساسيًا من هذا المفهوم، إذ تتراوح خدمات K-ES لشركات الطاقة بين الاستشارات ودراسات المفاهيم وصولًا إلى النماذج الأولية والأنظمة المتكاملة. ويؤكد هوفمان قائلًا: "نرحب بطلبات الباحثين والشركات على حدّ سواء، لأنّ مثل هذه البيئة تزدهر بالتواصل بين النظرية والتطبيق".

 

الهدف: مجتمع ذو شهرة عالمية في ألمانيا

من المتوقع أن يضم مركز K-ES خلال السنوات العشر القادمة نحو 100 خبير يعملون في مجالات علوم البيانات، والتطورات في التعلم الآلي، وأنظمة التوصية، وإدارة الابتكار الرقمي. ويعمل حاليًا 15 موظفًا في معهد فراونهوفر لهندسة الكهرباء والإلكترونيات (Fraunhofer IEE) في هذه المجالات. ويهدف المركز الجديد إلى أن يصبح أحد أبرز مراكز الذكاء الاصطناعي في قطاع الطاقة في ألمانيا.

وانطلاقاً من الطابع الدولي البارز لأبحاث الذكاء الاصطناعي، يتيح مركز الكفاءات أيضاً للعلماء الزائرين من مختلف أنحاء العالم فرصة المشاركة. ويوضح كريستوف شولز، المدير العلمي لمركز K-ES، قائلاً: "بفضل البنية التحتية التدريبية المتخصصة، والأجهزة والبرامج المناسبة، ومستودع البيانات والنماذج الشامل، نستطيع إجراء أبحاث فعّالة ومتعددة المواقع في مجال الذكاء الاصطناعي لأنظمة الطاقة".

على الصعيد العالمي، تُبذل جهود مكثفة لتطوير الذكاء الاصطناعي. وقد أنفقت ألمانيا حتى الآن مبالغ أقل بكثير على هذا البحث مقارنةً بمنافسيها، الولايات المتحدة الأمريكية والصين. وكجزء من حزمة التحفيز الاقتصادي التي أطلقتها الحكومة الألمانية لمواجهة تداعيات جائحة كورونا، سيتم استثمار 5 مليارات يورو في الذكاء الاصطناعي بحلول عام 2025. وصرح هوفمان قائلاً: "فيما يتعلق بالذكاء الاصطناعي في قطاع الطاقة، تتمتع ألمانيا، بصفتها مركزًا للأعمال والبحث العلمي، بموقع متميز يؤهلها لتحقيق الريادة العالمية في مجال الابتكار. ولتحقيق هذه الغاية، من الضروري أن تتعاون جميع الجهات المعنية للنهوض بهذا المجال".

 

الأنظمة المعرفية

النظام المعرفي هو نظام رقمي ذو واجهات بين العالم الرقمي والبيئة المحيطة، قادر على إدراك الأشياء وفهمها، واستخلاص النتائج، والتعلم. تستطيع الأنظمة المعرفية تطوير حلول مستقلة للمشاكل البشرية، كما يمكنها التفاعل والتعاون مع أنظمة رقمية أخرى، وتفسير السياقات، والتكيف.

تُستخدم الأنظمة المعرفية في عدد متزايد من المجالات، وهي، على سبيل المثال، تمثل التقنية الأساسية للمركبات ذاتية القيادة، والمساعدين الشخصيين الأذكياء، والثورة الصناعية الرابعة، وإنترنت الأشياء. ومن السمات المميزة لهذه الأنظمة قدرتها على معالجة كميات هائلة من البيانات في وقت قصير، ودمجها في نظام متكامل (نظام الأنظمة). وبحلول عام 2020، استُثمرت عشرات المليارات من اليورو في هذه التقنية على مستوى العالم.

يستطيع النظام المعرفي تحديد حالته وحالة أصوله بشكل مستقل بناءً على المعلومات المتاحة، ومن خلال قدرته على التكيف، يتعلم تحقيق أهداف محددة مسبقًا بشكل مستقل. تُعد أنظمة الطاقة المعرفية تقنية أساسية في التحول الطاقي. ويمكن إيجاد تطبيقات لها في قطاع الكهرباء في إدارة الشبكة وإدارة الإنتاج والاستهلاك.

في إطار منظومة أنظمة الطاقة المعرفية، يجري تيسير الوصول إلى الذكاء الاصطناعي لمختلف الأدوار السوقية. وتجري أتمتة مهام مشغلي المحطات، ومشغلي نقاط القياس، ومديري مجموعات الموازنة، والمسوقين المباشرين إلى حدٍّ يسمح بتنفيذها بشكل مستقل. ويوضح نموذج "الشخصية الافتراضية للطاقة" (انظر أعلاه) مدى سهولة مشاركة صاحب منزل يمتلك نظام طاقة شمسية في سوق الطاقة عند أتمتة جميع العمليات. ويجري حاليًا تطوير "الشخصية الافتراضية للطاقة" بالتعاون بين معهد فراونهوفر IEE ومعهد IOSB-AST.

يُعدّ الارتباط الوثيق بقطاع الطاقة جزءًا لا يتجزأ من المفهوم: إذ تتراوح خدمات شركة K-ES لشركات الطاقة بين الاستشارات ودراسات المفاهيم وصولًا إلى النماذج الأولية والأنظمة المتكاملة. ويزدهر هذا النظام البيئي بفضل التفاعل بين النظرية والتطبيق.

الأتمتة والتشغيل الذاتي. اقرأ المزيد عنها هنا: "الحياد الكربوني - دروس مستفادة من أمازون"