انتقل إلى المحتوى

عمليات المزرعة المستقلة

← Aquaponics Food Production Systems

Source material

الفصل 15 سمارثودس: أكوابونيكش المجهرية المتكاملة

فلوريان دي غراف وسيمون غودك

** تجريدي** مع تزايد الضغط للانتقال نحو نظام طاقة متجددة بالكامل، يظهر نوع جديد من بنية نظام الطاقة: الشبكة الصغيرة. وتدمج الشبكة الصغيرة عددًا كبيرًا من تكنولوجيات الطاقة المتجددة اللامركزية باستخدام أنظمة إدارة الطاقة الذكية، من أجل تحقيق التوازن الفعال بين الإنتاج والاستهلاك المحليين للطاقة المتجددة، مما يؤدي إلى درجة عالية من المرونة والمرونة. وعموما، يزيد أداء الشبكة الصغيرة مع عدد التكنولوجيات الموجودة، على الرغم من أنه لا يزال من الصعب إنشاء شبكة صغيرة مستقلة تماما في حدود المعقول الاقتصادي (دي Graaf F، استراتيجيات جديدة لأنظمة الطاقة اللامركزية المتكاملة الذكية، 2018). ومن أجل تحسين الاكتفاء الذاتي والمرونة لهذه الشبكات الصغيرة، يقترح هذا البحث دمج شبكة صغيرة للأحياء مع مرفق زراعي حضري يضم مرفقا متعدد الحلقات. ويسمى هذا المفهوم الجديد Smarthood، حيث ترتبط جميع تدفقات الغذاء والماء والطاقة بشكل دائري. في القيام بذلك، وتحسين أداء ميكروغريد بشكل كبير، وذلك بسبب المرونة العالية الموجودة داخل الكتلة الحرارية والمضخات وأنظمة الإضاءة. ونتيجة لذلك، فمن الممكن لتحقيق 95.38٪ الطاقة و 100٪ الاكتفاء الذاتي الحرارة. وهذه النتيجة واعدة، لأنها يمكن أن تمهد الطريق نحو تحقيق هذه النظم الدائرية واللامركزية للغذاء والمياه والطاقة.

**الكلمات المفتاحية الشبكات الذكية · الزراعة الحضرية · الشبكات الصغيرة · بلوكشينز · الاكتفاء الذاتي · نمذجة نظام الطاقة

المحتويات

  • 15.1 مقدمة
  • 15-2 مفهوم Smarthoods
  • 15.3 الهدف
  • 15.4 الطريقة
  • 15.5 النتائج
  • 15-6 مناقشة
  • 15-7 الاستنتاجات
  • المراجع

—

إف دي غراف

الطيفية، أمستردام، هولندا البريد الإلكتروني:

[س. غودديك](mailto: simon@goddek.nl)

الأساليب الرياضية والإحصائية (القياسات الحيوية)، جامعة فاغنينغن، فاغينينغن، هولندا

© المؤلف (المؤلفون) 2019 379

غوديك وآخرون (المحررون), نظم إنتاج الأغذية Aquaponics, https://doi.org/10.1007/978-3-030-15943-6_15

—

المراجع

CBS (2018) Energieverbruik particuliere woningen; woningtype أون regio ل [وثيقة WW]. عنوان URL http://statline.cbs.nl/Statweb/publication/?VW=T&DM=SLNL&PA=81528NED&D1=a&D2=a&D3=0&D4=a&HD=161202-1617&HDR=T,G3&STB=G2,G1. تم الوصول إليه 19 أكتوبر 2018

دي Graaf F (2018) استراتيجيات جديدة لأنظمة الطاقة اللامركزية المتكاملة الذكية دوس سانتوس MJPL (2016) المدن الذكية والمناطق الحضرية —-أكوابونيكش الزراعة الحضرية المبتكرة. الحضرية للأخضر الحضري 20:402-406. https://doi.org/10.1016/j.ufug.2016.10.004

EFSA (2018) قاعدة البيانات الأوروبية الشاملة للاستهلاك الغذائي | EFSA [وثيقة WW] الأوروبية. عنوان URL https://www.efsa.europa.eu/en/food-consumption/comprehensive-database. تم الوصول إليه 19 أكتوبر 2018

FAO (2015) كتيب الجيب الإحصائي - الأغذية والزراعة في العالم

Goddek S, Körner O (2019) نموذج محاكاة متكامل بالكامل من أكوابونيكش متعددة الحلقات: دراسة حالة لتحجيم النظام في بيئات مختلفة. نظم الزراعة 171:143 -154

Goddek S, Delaide BPL, جويس A, Wuertz S, Jijakli MH, إجمالي A, إيدينغ EH, Bläser I, رويتر M, كيزر LCP, Morgenstern R, Körner O, فيريث J, كيسمان KJ (2018) أداء التمعدن المغذية والحد من المواد العضوية الحمأة القائمة على أساس الحمأة في تسلسل UASB-مفاعلات EGSB. أكواك المهندس 83:10-19. https://doi.org/10.1016/J.AQUAENG.2018.07.003

الوكالة الدولية للطاقة المتجددة (2015) إحصاءات الطاقة المتجددة لعام 2015، مصدر: الوكالة الدولية للطاقة المتجددة

ميمسيس (2017) نظام التقطير الغشائي - MDS 500

Pudjianto D، Ramsay C، Strbac G (2007) دمج محطة توليد الطاقة الافتراضية ونظام موارد الطاقة الموزعة. IET تجديد الطاقة جينر 1:10. https://doi.org/10.1049/iet-rpg:20060023

Strbac G, Hatziargyriou N, لوبيس JP, موريرا C, Dimeas A, Papadaskalopoulos D (2015) ميكروغريدس: تعزيز مرونة ميغاغريد الأوروبي. IEEE الطاقة ماج 13:35 -43. https://doi.org/10.1109/MPE.2015.2397336

Yogev U, بارنز A, إجمالي A (2016) تحليل العناصر الغذائية وتوازن الطاقة لنموذج مفاهيمي لثلاث حلقات خارج الشبكة. المياه المائية 8:589. https://doi.org/10.3390/W8120589

وصول مفتوح هذا الفصل مرخص بموجب شروط الترخيص الدولي للمشاع الإبداعي 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/)، والذي يسمح بالاستخدام والمشاركة والتكيف والتوزيع والاستنساخ بأي وسيلة أو شكل، كما طالما أنك تعطي الائتمان المناسب للمؤلف الأصلي (المؤلفين) الأصلي والمصدر، وتوفير وصلة لترخيص المشاع الإبداعي والإشارة إلى ما إذا كانت قد أجريت تغييرات.

يتم تضمين الصور أو مواد الطرف الثالث الأخرى في هذا الفصل في ترخيص المشاع الإبداعي الخاص بالفصل، ما لم يذكر خلاف ذلك في خط ائتمان للمادة. إذا لم يتم تضمين المواد في ترخيص المشاع الإبداعي الخاص بالفصل ولم يكن الاستخدام المقصود مسموحًا به بموجب اللوائح القانونية أو يتجاوز الاستخدام المسموح به، فستحتاج إلى الحصول على إذن مباشرة من صاحب حقوق الطبع والنشر.

Aquaponics Food Production Systems contributors.

عرض الإصدار الأصلي · Creative Commons Attribution 4.0

أُعيد تنسيق هذه النسخة من المكتبة ودمجها من المصدر الأصلي.

  1. 15-1 مقدمة

    Original publication · نُشر لأول مرة على FarmHub Learn · Aquaponics Food Production Systems

    وسيتطلب التحول إلى نظام طاقة مستدام بالكامل، جزئيا، التحول من نظام مركزي للتوليد والتوزيع، إلى نظام لامركزي، بسبب ظهور تكنولوجيات توليد الطاقة اللامركزية باستخدام الإشعاع الريحي والشمسي على السطح. و بالإضافة إلى ذلك, سيؤدي إدماج قطاعي الحرارة و النقل في شبكة الكهرباء إلى زيادة كبيرة جدا في ذروة الطلب. وتتطلب هذه التطورات تكييفات ضخمة ومكلفة للبنية التحتية للطاقة، في حين يتوقع أن ينخفض استخدام أصول الإنتاج الحالية من 55% إلى 35% بحلول عام 2035 (Strbac et al. 2015). وهذا يشكل تحديا كبيرا، ولكن أيضا فرصة: إذا كان من الممكن موازنة تدفقات الطاقة محليا في microgrids، يمكن تقليل الطلب على ترقية البنية التحتية باهظة الثمن، مع توفير استقرار إضافي للشبكة الرئيسية. ولهذه الأسباب، تم تحديد «الشبكات الدقيقة كعنصر رئيسي في الشبكة الذكية لتحسين موثوقية الطاقة والجودة، وزيادة كفاءة الطاقة في النظام» (Strbac et al. 2015).

    و يمكن لل شبكات الدقيقة أن توفر المرونة و المرونة اللتين تشتد الحاجة إليهما, ومن ثم يرجح أن تؤدي دورا هاما في نظام الطاقة في المستقبل. وتشير التقديرات إلى أن أكثر من نصف الأسر المعيشية في الاتحاد الأوروبي ستولد الكهرباء الخاصة بها بحلول عام 2050 (Pudjianto et al. 2007). ولذلك، يلزم توفير موارد مرنة داخل الشبكات الصغيرة من أجل تحقيق التوازن بين توليد الطاقة المتجددة المتقطعة.

    ويمكن أن توفر نظم الزراعة الحضرية، مثل أكوابونيكش (دوس سانتوس 2016)، هذه المرونة في مجال الطاقة التي تشتد الحاجة إليها (Goddek and Körner 2019؛ Yogev et al. 2016). يمكن للنباتات أن تنمو ضمن مجموعة واسعة من الظروف الخارجية، لأنها تستخدم للقيام بذلك في الطبيعة. وينطبق الشيء نفسه على الأسماك في نظام الاستزراع المائي الذي يمكن أن يزدهر في نطاق واسع من درجات الحرارة. وتسمح ظروف التشغيل المرنة هذه بتأثير التخزين المؤقت على متطلبات مدخلات الطاقة، مما يخلق درجة كبيرة من المرونة داخل النظام. وتسمح الكتلة الحرارية العالية التي يجسدها نظام الاستزراع المائي بتخزين كميات هائلة من الحرارة داخل النظام. ويمكن تشغيل الأضواء وإيقافها حسب وفرة الكهرباء، مما يسمح بتقليص توليد الكهرباء الزائدة بشكل أساسي عن طريق تحويلها إلى كتلة حيوية قيمة. يمكن تشغيل المضخات في تزامن مع أوقات ذروة توليد الطاقة (مثل الظهر) للحد من صافي طاقة الذروة (الحلاقة الذروة). كما أن وحدات التقطير المثلى (الفصل 8) لديها أيضا طلب مرن جدا على الحرارة ويمكن إيقاف تشغيله بمجرد أن يكون هناك فائض في العرض من الحرارة أو الكهرباء (أي أن المضخة الحرارية ستحول الطاقة الكهربائية إلى طاقة حرارية). كل هذه الجوانب تجعل أنظمة أكوابونك مناسبة تماما لتوفير المرونة لميكروغريد.

    بالإضافة إلى توفير المرونة في الاستهلاك، يمكن دمج نظام أكوابونيكش متعدد الحلقات لتوفير المرونة في الإنتاج أيضًا. يتم إنتاج الغاز الحيوي كمنتج ثانوي من UASB في منشأة أكوابونك. ويمكن حرق هذا الغاز الحيوي من أجل إنتاج كل من الحرارة والطاقة، من خلال دمج حزب الشعب الجمهوري الصغير في المجهرية. ومن ثم فإن دمج النظم المائية في الشبكات الدقيقة يمكن أن يعزز مرونة الطاقة سواء على جانبي الطلب أو العرض.

  2. 15.2 مفهوم Smarthoods

    Original publication · نُشر لأول مرة على FarmHub Learn · Aquaponics Food Production Systems

    ولإطلاق الإمكانات الكاملة للعلاقة بين الغذاء والماء والطاقة فيما يتعلق بالشبكات الصغيرة اللامركزية، يركز النهج المتكامل تماما ليس فقط على الطاقة (المجهرية) والغذاء (أكوابونيكش) ولكن أيضا على استخدام دورة المياه المحلية. ويؤدي إدماج مختلف نظم المياه (مثل جمع مياه الأمطار وتخزينها ومعالجة مياه الصرف الصحي) في الشبكات الدقيقة المتكاملة المائية إلى تحقيق أكبر إمكانات للكفاءة والمرونة والدوران. سيشار من الآن فصاعداً إلى مفهوم الشبكة الصغيرة للأغذية والمياه والطاقة المتكاملة واللامركزية بالكامل باسم Smarthood (حي ذكي) وهو موضح في الشكل 15.2.

    الاستفادة من تطبيق أكوابونيكش في مفهوم سمارثودس هو قدرته على المساهمة في تحسين تدفق المغذيات والطاقة والمياه المتكاملة (الشكل 15.1). هذه الإمكانات التكامل تذهب إلى ما هو أبعد من

    الغذاء والماء—الطاقة نيكس

    استخدام أكثر من 30% من الطلب العالمي على الطاقة في الزراعة يستخدم أكثر من 70% من الطلب العالمي على المياه العذبة في الزراعة

    الشكل 15.1 تبين العلاقة بين الغذاء والماء والطاقة التفاعل بين الطاقة والمياه وإنتاج الأغذية (استناداً إلى الوكالة الدولية للطاقة المتجددة لعام 2015)

    img src=« وسائل الإعلام/إيماج-20201002190013698.png» alt = «أنظمة أكوابونيكسد في سمارثود» نمط = «التكبير: 67%;»/

    ** الشكل 15-2** دمج أنظمة أكوابونيكش منفصلة (كما هو موضح في الفصل 8) في بيئة محلية لامركزية على النحو المصمم لمفهوم Smarthoods. تظهر الأسهم الخضراء إلى أي مدى يمكن لنظام أكوابونيكش التفاعل مع النظام العام. الأسهم الحمراء تمثل تدفقات الحرارة، والسهام الزرقاء تدفقات المياه والسهام الصفراء تدفقات الطاقة

    كروس بين أنظمة الطاقة والغذاء. فعلى سبيل المثال، يمكن معالجة مجاري النفايات القابلة للتحلل البيولوجي التي تحدث في المفاعلات اللاهوائية (مثل المفاعلات غير الهوائية) وتوليد كل من الغاز الحيوي والأسمدة الحيوية (Goddek et al. 2018). حتى حمأة النفايات المنزوعة المعادن يمكن استخدامها كسماد سائل على الأراضي الزراعية التقليدية.

    img src =» https://www.fao.org/3/i4626e/i4626e.pdf "نمط = «التكبير: 75٪؛»/

    ** الشكل 15.3** صورة مصورة ل_De Ceuvel_ (المصدر: التمثيل الغذائي — www.reculic.nl)

    مثال 15.1**

    ومن الأمثلة المبكرة على تطوير الشبكة المجهرية المائية المتكاملة في المناطق الحضرية De Ceuvel، وهو حوض بناء السفن المهجور سابقا في أمستردام - الشمال، والذي تم تحويله إلى مساحة مكتفية ذاتيا ومركز ترفيهي. De Ceuvel بمثابة اختبار للتكنولوجيات والسياسات الجديدة التي تهدف إلى خلق اقتصاد دائري. ويتميز ميكروغريد جميع الكهربائية بما في ذلك الكهروضوئية الشمسية، ومضخات الحرارة وتداول الطاقة الند للند على بلوكشين باستخدام رمز الطاقة الخاصة بهم: و Jouliette [^ 1]. ينتج مرفق أكوابونك صغير الأعشاب والخضروات للمطعم الموجود في الموقع. ويستخدم نفس المطعم الغاز الحيوي المستخرج من النفايات العضوية المنتجة محلياً في أنشطة الطهي بالإضافة إلى التدفئة. وبالإضافة إلى ذلك، هناك مختبر الحاضر الذي يستخدم لاختبار نوعية المياه واستخراج الفوسفات والنترات.

    على الرغم من أن De Ceuvel لا تستخدم حاليا منشأة أكوابونيكش لزيادة مرونة الشبكة المجهرية، يجري تركيب أجهزة استشعار لرصد تدفقات الطاقة والمغذيات من أجل تقييم أدائها. و سوف تستخدم هذه البيانات لل مساعدة في تطوير الشبكات المائية المتكاملة الجديدة و الأكثر ذكاءا في المناطق الحضرية, مثل مفهوم Smarthoods المقترح في هذا الفصل. تعتبر حالات الاستخدام المبكر الموجودة في مختبرات الأحياء الحضرية مثل De Ceuvel ضرورية لنجاح تطوير مفهوم Smarthoods (الشكل 15-3).

    وعلى الرغم من أن اتباع نهج شمولي إزاء النظم الحضرية في مجال التعليم العالي، مثل مفاهيم Smarthoods، يؤدي إلى فوائد كثيرة، فإن إدماج النظم المائية في الشبكات الدقيقة لا يزال يعتمد إلى حد كبير على الحالات. تتميز أنظمة إنتاج الأغذية في أكوابونك بارتفاع محصول المياه والمغذيات والطاقة أقل من النظم الزراعية التقليدية؛ ومع ذلك، فهي أيضا أكثر تكلفة للبناء. ولذلك فهي الأنسب في المواقع التي تتطلب عوائد عالية بسبب، على سبيل المثال، محدودية المساحة. وفي المناطق الحضرية الكثيفة، قد لا تكون هناك دائما مساحة كافية لبناء مرفق للأحياء المائية، في حين أن تكلفة الأرض بالنسبة للمناطق الريفية قد تكون منخفضة للغاية بحيث لا تبرر بناء مرفق آخر للأحياء المائية؛ وسيكون مرفق زراعي قياسي ذي تكاليف تمويل أقل وعائد أقل ملاءمة في هذه المناطق الحالات. و أكثر حالات الاستخدام الأمثل لمرفق مائي متكامل هي حالة توفر فيها مساحة كافية, و هناك حاجة إلى غلة عالية لكل مساحة لل تعويض عن تكلفة استخدام الأراضي. ولذلك فمن المرجح أن تشهد أحياء الضواحي وغيرها من المناطق الحضرية (مثل مستودع مهجور) أول عملية تنفيذ للشبكات الصغيرة المدمجة في مرفق مائي (انظر المثال 15-1).

  3. 15-3 الهدف

    Original publication · نُشر لأول مرة على FarmHub Learn · Aquaponics Food Production Systems

    والهدف من هذا البحث هو التحديد الكمي لدرجة الاكتفاء الذاتي والمرونة في شبكة صغيرة متكاملة مع نظام أكوابونيكس متعدد الحلقات منفصلة.

  4. 15.4 الطريقة

    Original publication · نُشر لأول مرة على FarmHub Learn · Aquaponics Food Production Systems

    وافتُرض وجود حي يضم 50 أسرة معيشية «سمارثود»، مع وجود مرفق متعدد الحلقات متعدد الأكوابونيكش قادر على توفير الأسماك والخضراوات لجميع سكان سمارثود البالغ عددهم 100 نسمة.

    وفيما يتعلق بالنمذجة التفصيلية للسمارثوود، استُخدمت حالة مرجعية افتراضية لحي ضواحي أمستردام، تتألف من 50 أسرة معيشية (منازل) يبلغ متوسط شغل الأسرة المعيشية شخصين لكل أسرة معيشية (100 شخص في المجموع). وبالإضافة إلى ذلك، يتكون أحد المرافق المائية الحضرية من الاحتباس الحراري، ونظام تربية الأحياء المائية، وUASB ووحدة التقطير. و يحفز تحديد أبعاد المكونات المختلفة باستخدام بيانات لأسرة معيشية هولندية نموذجية و دفيئة (انظر الجدول 15-1).

    15.4.1 نموذج نظام الطاقة

    تم إنشاء نموذج نظام الطاقة (ESM) يمكنه محاكاة تدفقات الطاقة لمجموعة واسعة من المكونات، والتي ترد مواصفاتها الرئيسية في الجدول 15.2. و الإدارة السليمة بيئيا قادرة على حساب تدفقات الطاقة لكل مكون لكل ساعة من السنة.

    ** الجدول 15-1** الاحتياجات من الأغذية والطاقة لكل شخص/أسرة معيشية في هولندا

    الجدول ثياد tr TD/td المتوسط (لكل رأسمال/سنة) /ث المجموع (100 شخص) /ث مصدر ثمان/ث /tr /thead tbody tr ال كولسبان=4الغذاء/ث /tr tr استهلاك الخضراوات (هولندا) /td TD 33 كغسوبا/سوب (في حين يوصى باستخدام u73 كجم/ش /td TD 7300 كغ /td TD هيئة الأوراق المالية (2018) /td /tr tr class = «غريب» TDمطلوب منطقة الاحتباس الحرارية/TD TD تقريبا. 4 msup2/sup /td TD 400 msup2/sup /td TD يقدر على أساس الحد الأدنى. توصية الاستهلاك /td /tr tr class = «حتى» استهلاك TDFish/TD TD 20 كغ /td TD 2000 كغ /td TD الفاو (2015) /td /tr tr class = «غريب» TDRequired حجم الاستزراع المائى /sup/td TD 0.2 مسوب/سوب /td TD 20 msup3/sup /td TD تقديرات /td /tr tr ال كولسبان = 4 الطاقة/ث /tr tr class = «غريب» TDاستهلاك الحرارة المنزلية (هولندا) /td TD 6500 كيلو واط ساعة/فرعية/منزل/سنة /td TD 325 ميغاواط/ثانوية/السنة /td TD سي بي اس (2018) /td /tr tr class = «حتى» TD Rowspan = 2ras استهلاك الكهرباء/تد الصف td = 2 0.05 - 0.15 كيلوسوبي/سوب/MSUP3/سوب /td TD 1—3 كيلوسوبي/الفرعية /td الصف td = 2 (إسبينال، شخص. الاتصالات) /td /tr tr class = «غريب» TD ٨,٧٦ - ٢٨,٢٦ ميغاواط/سنة/ /td /tr /tbody /الجدول

    Supa/supالشخص الهولندي العادي يأكل 50 كجم من الخضروات في السنة. ومع ذلك، فقط 33 كجم من الخضروات التي يمكن زراعتها في أنظمة الزراعة المائية، والتي هي الخضروات المثمرة 31.87 غ/يوم، الخضروات براسيكا 22.11 غ/يوم، الخضروات الورقية 12.57 غ/يوم، الخضروات البقولية 19.74 غ/يوم، الخضروات الجذعية 4.29 غ/يوم

    دعم/قبول الحد الأقصى لكثافة الأسماك من 80 كجم/msup3/sup

    ** الجدول 15-2** مكونات الإنتاج

    الجدول ثياد tr class = «رأس» ثكومبوننت/ث ال الحجم /ث ال المواصفات /ث /tr /thead tbody tr class = «غريب» TDSolar PV/TD TD 40 كيلوواط سوب، ه الفرعية /td TD إيتا: 0.15 /td /tr tr class = «حتى» TDurban توربينات رياحية/TD TD 20 كيلوسوب، ه الفرعية /td TD إيتا: 0.33 /td /tr tr class = «غريب» TDHeat/TD TD 10 كيلوسوب، ه الفرعية /td TD شرطي: 4.0 /td /tr tr class = «حتى» TDCHP/TD TD 20 كيلوسوب، ه الفرعية /td TD إيتاسوبل/الفرعية: 0.24، إتاسوبته/الفرعية = 0.61 /td /tr tr class = «غريب» TDFuel خلية/TD TD 10 كيلوسوب، ه الفرعية /td TD إيتا: 0.55 /td /tr tr class = «حتى» تدلكتروليسر/تد TD 20 كيلوسوب، ه الفرعية /td TD إيتا: 0.45 /td /tr tr class = «غريب» TDBattery/TD TD 200 كيلوواط ساعة /td TD إيتا: 0.90 /td /tr tr class = «حتى» TDHot خزان الماء/TD TD 930 كيلوواط ساعة /td TD 40—60C /td /tr tr class = «غريب» TDHydrogine/TD TD 1000 كيلو واط ساعة /td TD 30 كجم من وحدة التخزين HSUB2/الفرعية /td /tr /tbody /الجدول

    وقد تم تصميم نظام الطاقة في MATLAB باستخدام بيانات الملف الشخصي للطاقة في أمستردام تم الحصول عليها من خلال DesignBuilder. ويتضمن نموذج السلاسل الزمنية العددية مجموعة واسعة من تكنولوجيات الطاقة، المدرجة في الجدول 15-2 مع مواصفاتها ذات الصلة (الشكل 15-4).

    يستخدم نموذج نظام الطاقة (ESM) عبارات مشروطة بسيطة لعملية صنع القرار، أي أنه نظام تحكم قائم على القواعد. في الإصدار الحالي من هذا النموذج، يتم التحكم مركزية، بهدف الاستهلاك الذاتي

    ** الشكل 15.4** نموذج الشبكة المجهرية المائية (F. de Graaf 2018)، الذي يوضح موازين الطاقة للطاقة (الرسم البياني العلوي) والحرارة (الرسم البياني السفلي) للحالة المرجعية (أمستردام)

    تعظيم النظام ككل (في إصدار مستقبلي، ستكون بنية التحكم لامركزية، انظر Sect.15.5). ويمكن ذكر العبارات الشرطية لتحقيق ذلك على النحو التالي:

    1 - الحفاظ على تخزين الحرارة إلى أدنى حد ممكن.

    2 - توقعات إنتاج واستهلاك الكهرباء غير المرنة المتوقعة.

    3 - (أ) إذا كانت البطارية ممتلئة، فقم بتشغيل الاستهلاك المرن.

    (ب) إذا كانت البطارية فارغة، قم بتشغيل التوليد المرن.

    من خلال الحفاظ على تخزين الحرارة إلى أدنى حد ممكن، يتم تعظيم المخزن المؤقت لموازنة الطاقة المرنة. إذا كان هناك إنتاج مفرط للكهرباء غير المرنة (أي إنتاج الكهرباء الذي لا يمكن جدولته أو التحكم فيه بمرونة، مثل الطاقة الشمسية أو الرياح)، يمكن تشغيل المضخة الحرارية لإنشاء مخزن مؤقت يتم توفيره بواسطة تخزين الماء الساخن والكتلة الحرارية لنظام RAS aquaponic. وعلى العكس من ذلك، إذا كان هناك نقص في إنتاج الكهرباء، يمكن تشغيل التوليد المرن مثل حزب الشعب الجمهوري وخلية الوقود، وبالتالي استخدام سعة التخزين الحراري.

    بالنسبة لكل من الحرارة والطاقة، فإن توازن الطاقة يعادل

    $P_ {الجنرال، المرن} + P_ {الجنرال، inflex} + P_ {الشبكة} = P_ {سلبيات، inflex} + P_ {سلبيات، المرن} + P_ {التخزين} $ (15.1)

    وتشمل الأجيال المرنة المضخة الحرارية ووحدة الحرارة والطاقة المشتركة (CHP) وخلايا الوقود والبطارية والأجهزة الذكية/المرنة (مثل المضخات المائية). تصنف الرياح، والطاقة الشمسية الكهروضوئية (PV) والمجمعات الشمسية على أنها جيل غير مرن. تشكل الأجهزة غير المرنة الجزء الأكبر من استهلاك الكهرباء، خاصة في فصل الشتاء (بسبب الحاجة إلى الإضاءة الفورية) (الشكل 15.5).

    ** الشكل 15.5** مثال لتدفقات الطاقة (رسم تخطيطي سانكي) لتكوين شبكة صغيرة متكاملة محتملة في دي سيوفيل (دي غراف 2018)، بما في ذلك هضم حيوي لإنتاج الغاز الحيوي. ولا يشمل هذا التكوين الخاص وحدة الحرارة والطاقة المشتركة الموجودة ضمن مفهوم Smarthood، كما أنه لا يأخذ في الاعتبار منشأة أكوابونيكش كبيرة

  5. 15.5 النتائج

    Original publication · نُشر لأول مرة على FarmHub Learn · Aquaponics Food Production Systems

    ويرد في الجدول 15-3 إجمالي الاستهلاك الكهربائي والحراري لكل من المنازل ومرفق الدفيئة المائية (على غرار البيانات الواردة في الجدولين 15-1 و15-2). منشأة الدفيئة أكوابونك هي المسؤولة عن 38.3٪ من استهلاك الطاقة و 51.4٪ من استهلاك الحرارة. ولذلك فإن الطلب على الطاقة على مرفق للأحياء المائية مدمج في شبكة صغيرة سكنية يزيد قليلا عن ثلث مجموع الطلب المحلي على الطاقة، بالنظر إلى أن جميع الطاقة السكنية وإنتاج الخضرات/الأسماك يتم محليا. ويشمل الطلب على الحرارة ما يقرب من 50٪ من إجمالي الطلب على الحرارة، والتي يمكن أن تعزى إلى جزء كبير منها إلى وحدة التقطير التي تعمل على المياه ذات درجة الحرارة العالية.

    وكما يتبين من الشكلين 15.4 و 15.6، فإن نظام الطاقة Smarthoods قادر على تحقيق التوازن بين الإنتاج والطلب في معظم الأحيان. وتبلغ الحصة الإجمالية للكهرباء المستوردة من الشبكة 4.62 في المائة للحالة المرجعية. في بعض الأحيان، يمكن ملاحظة اختلال طفيف في السلطة، والتي يمكن أن تعزى إلى السيطرة دون المستوى الأمثل للنسخة الحالية من النموذج بالنسبة للجزء الأكبر. فعلى سبيل المثال، ينتقل حزب الشعب الجمهوري عدة مرات من التشغيل إلى خارج الولاية على مدى عدة ساعات، مما يؤدي إلى الإفراط في إنتاج الكهرباء. ولن يحدث مثل هذا السلوك لنظام تحكم أكثر تحسناً، حيث يمكن رفع ضغط الطاقة الحرارية الحرارية بالتنسيق مع المضخة الحرارية من أجل توفير الكمية الدقيقة من الكهرباء والحرارة اللازمة.

    15.5.1 المرونة

    يتميز هذا النظام بمرونة عالية نتيجة لCHP ومنشأة أكوابونيكش مع الإضاءة المرنة والمضخات، وقدرة التخزين المؤقت الحراري العالية، بالإضافة إلى

    ** الجدول 15-3** الحمل الكهربائي والحراري لمختلف جوانب الشبكة الصغيرة

    الجدول ثياد tr class = «رأس» ث/ث ال سكني /ث ال مرفق أكوابونك /ث /tr /thead tbody tr class = «غريب» تدلكتريكال متوسط الطلب/تد TD 17.2 كيلوواط /td TD 10.2 كيلوواط /td /tr tr class = «حتى» تيلكتريكال الذروة الطلب/تد TD 47.6 كيلوسوب/الفرعية /td TD 15.2 كيلوسوب/الفرعية /td /tr tr class = «غريب» إجمالي الطلب الكهربائي/ث ال 143.2 ميغاوات/ساعة في السنة /ث ال 89.2 ميغاوات/ساعة في السنة /ث /tr tr class = «حتى» TDالحرارية متوسط الطلب/td TD 37.1 كيلو واط /td TD 39.3 كيلوواط /td /tr tr class = «غريب» TDالحرارية الذروة الطلب/تد TD 148.4 كيلوواط /td TD 121.2 كيلو واط /td /tr tr class = «حتى» إجمالي الطلب الحراري/ث ال 325.0 ميغاواط/فرعية/السنة /ث ال 344.2 ميغاواط/ثانوية/السنة /ث /tr /tbody /الجدول

    الشكل 15.6 مخططات رسومية سلسلة زمنية لموازين الطاقة (أعلى اليسار) والحرارة (أسفل اليسار) (في W) لنظام Smarthood. يشار إلى سعة التخزين (بالكيلوواط ساعة) على الجانب الأيمن للطاقة (أعلى اليمين) والحرارة (أسفل اليمين). يمثل المحور السيني عدد الساعات منذ بداية العام. الخط الأسود يمثل اختلال التوازن في الطاقة

    البطارية، ونظام الهيدروجين. نظام أكوابونك، على وجه الخصوص، يزيد كثيرا من المرونة العامة للنظام، لأنه يمكن أن يعمل لمجموعة واسعة من مدخلات الطاقة، كما يمكن أن يستمد من الجدول 15-4. ونتيجة لهذه المرونة، تمكن النظام من تحقيق الاكتفاء الذاتي في الطاقة (95.38%) والاكتفاء الذاتي للحرارة بنسبة 100%.

  6. 15-6 المناقشة

    Original publication · نُشر لأول مرة على FarmHub Learn · Aquaponics Food Production Systems

    الاكتفاء الذاتي إن نظام الطاقة المقترح لمفهوم Smarthood قادر على تحقيق استقلال شبه كامل لل شبكة من خلال استخدام المرونة التي توفرها مختلف مكونات النظام. نظام أكوابونك، وخاصة، لديه إيجابية

    الجدول 15.4 الطلب المرن على نظام أكوابونك

    الجدول ثياد tr class = «رأس» ال المكون /ث ال ترتيب الحجم /ث ال المرونة /ث /tr /thead tbody tr class = «غريب» الصف td = 3 مضخات /td TD 0.05 - 0.15 كيلوسوبي/الفرعية MSUP3/سوب /td الصف td = 3 ليس كل المضخات يجب أن تعمل بشكل مستمر. يجب أن تعمل العمليات الرئيسية (التحكم في الأكسجين، والتحكم في الأمونيا، ومراقبة Cosub2/sub، وتبادل الدبابات، ومراقبة المواد الصلبة المعلقة) بشكل مستمر. العمليات الأصغر مثل الجرعات العازلة للدرجة الحموضة، أو إجراءات الغسيل العكسي، أو تبادل المياه، أو الأوكسجين الاحتياطي لا يجب أن تعمل بشكل مستمر /td /tr tr class = «حتى» TD 1—3 كيلوسوبي/الفرعية /td /tr tr class = «حتى» TD ٨,٧٦ - ٢٨,٢٦ ميغاوات/ساعة في السنة /td /tr tr class = «غريب» الصف td = 2 الإضاءة /td TD 80—150 واط/MSUP2/سوب /td الصف td = 2 تحتاج النباتات ~ 4-6 ح من الظلام، في بقية اليوم أنها يمكن أن تكون مضاءة بشكل مصطنع. وهذا يترك ما يقرب من 0 (الصيف) إلى 12 ساعة (الشتاء) من الإضاءة الإضافية المرنة /td /tr tr class = «حتى» TD مع عامل القدرة من 10 إلى 20٪ هذا يؤدي إلى ٢٨-١٠٥ ميغاواتساب/السنة كيلوسوبي/الفرعية /td /tr tr class = «غريب» الصف td = 2 تدفئة المساحة (تحت البلاط) وتسخين خزانات الاستزراع المائي /td TD 444 كيلوسوبته/سوب/مسوب/سوب/سنة /td الصف td = 2 نظرًا للكتلة الحرارية العالية للأرضية الخرسانية وحجم المياه الكبير في خزان RAS، يكون الحمل الحراري مرنًا للغاية /td /tr tr class = «غريب» TD 177,8 ميغاواط/ثانوية/السنة /td /tr tr class = «حتى» الصف td = 2 وحدة التقطير /td TD 50 كيلوواط سابته/ميغاهسوبي/سوب/السنة /td الصف td = 2 تعمل وحدة التقطير على الماء الساخن (70—90 درجة مئوية) ويمكن تشغيلها مع درجة كبيرة من المرونة (MEMSYs 2017) /td /tr tr class = «غريب» TD 166,4 ميغاواط/ثانوية/السنة /td /tr /tbody /الجدول

    تأثير على المرونة الشاملة للنظام. ومع الاكتفاء الذاتي للطاقة بنسبة 95.38%، يؤدي هذا النظام أداء أفضل من أي نظام آخر مجدي اقتصاديا تم تقييمه في البحوث السابقة (دي Graaf 2018).

    Control Architecture تسهيل اقتصاد الطاقة المحلية اللامركزية، مثل تلك المقترحة في مفهوم Smarthoods، يتطلب منصة التي تتبع جميع المعاملات الند للند التي تحدث داخل الحي. ويمكن تصنيف شبكة نظير إلى نظير المناظرة على أنها نهج نظام متعدد العوامل (MAS)، حيث تعمل العقد المتعددة (مثل المنازل أو مباني المرافق) كوكلاء مستقلين لتحقيق هدفهم الخاص (مثل تقليل التكلفة إلى أدنى حد أو زيادة توفير الطاقة) وعملية صنع القرار المقابلة. وهذا النهج اللامركزي والمتعدد الوكلاء لاتخاذ القرارات ضروري بسبب تعقيد النظام. هناك ببساطة الكثير من المعلومات والكثير من المتغيرات لحساب بنية التحكم الهرمية، من أعلى إلى أسفل ومركزية.

    Blockchain يمكن أن توفر بنية التحكم في نظام متعدد العوامل القائمة على بلوكشين الإطار اللازم لاستيعاب شبكة نظير إلى نظير اللامركزية. وهناك عدد كبير من العقد الموزعة ضمان الاستقرار والأمن للشبكة، ويمكن استخدام بديل للتعدين: السك. مع السك، يتم إنشاء الرمز/العملات المعدنية على أساس البيانات المقدمة من جهاز في العالم الحقيقي مثل متر الطاقة الذكية. شريطة أن يمكن الوثوق بمصادر المعلومات هذه، أي أن هذه الأجهزة يمكن أن تكون مضادة للعبث، يمكن إنشاء دفتر أستاذ آمن ومستقل يمكن فيه لمختلف أصحاب المصلحة تبادل السلع (مثل الكهرباء) والخدمات (مثل إدارة جانب الطلب). باستخدام العقود الذكية، الخدمات المعقدة مثل مرونة التداول يمكن برمجتها في بنية التحكم في النظام.

    _إنترنت الأشياء _ يمكن التحكم في المكونات المكونة لنظام Smarthood، مثل المضخات الحرارية أو الإضاءة المسببة للاحتباس الحراري أو UASB، باستخدام أجهزة الاستشعار والمحركات المتصلة بالإنترنت، والمعروفة باسم إنترنت الأشياء. وتتيح شبكة أجهزة استشعار إنترنت الأشياء الحصول على بيانات واسعة النطاق، تتراوح بين تركيز المغذيات في صهاريج الأسماك، على سبيل المثال، دورات حمولة البطارية، وكل ذلك على أساس كل مرة خطوة. يمكن استخدام هذه البيانات للتحقق من النموذج العددي وتحسين التحكم الديناميكي للنظام.

    الذكاء الاصطناعي _ يمكن تحسين التحكم في نظام Smarthood عن طريق تحليل البيانات باستخدام خوارزميات الذكاء الاصطناعي، مثل البرمجة الوراثية (الخوارزميات التطورية) أو تعلم تعزيز الآلة. مع تعلم تعزيز الآلة، على سبيل المثال، يتم تمرير مجموعة من الإجراءات وتأثيرها على البيئة إلى الخوارزمية كوسيطات الإدخال، جنبا إلى جنب مع الحالة الحالية للنظام ووظيفة الهدف/التكلفة التراكمية. ويمكن تنفيذ عملية صنع القرار في كل أسرة معيشية تتحسن تدريجياً وتتكيف بشكل ديناميكي مع الأوضاع من أجل إيجاد برنامج شبه مثالي لصنع القرار من شأنه أن يدير تدفقات الطاقة داخل المنزل و_Smarthood. يمكن لكل منزل تشغيل مثل هذه الخوارزمية، ونتيجة لذلك، يمكن إنشاء بنية نظام تحكم متعدد العقديات، والمعروفة باسم نظام متعدد العوامل (MAS)، وهو غير مكلف نسبيا حسابيا (مقارنة مع التحكم المركزي) —- وعلى مقربة من الأمثل.

    الحواجز القانونية إن الطبيعة الابتكارية للغاية لمختلف جوانب مفهوم Smarthood، مثل الشبكة المجهرية المتعددة الأجيال، ونظام أكوابوني متعدد الحلقات ومتطلبات التخطيط الحضري غير التقليدي، تجلب مجموعة فريدة من التحديات التي يجب التغلب عليها. وبالنسبة للعديد من هذه التحديات، لا يكفي الإطار التنظيمي الحالي لاستيعاب التطورات المقترحة في مفهوم Smarthoods.

    Microgrids، على سبيل المثال، تعمل بشكل أفضل عندما يكون هناك سوق محلي يمكن فيه لمختلف prosumers (المستهلكين الذين ينتجون الطاقة في وقت واحد) الانخراط في تداول الطاقة من نظير إلى نظير بدون احتكاك في سوق حرة. و ستعمل قوى السوق بعد ذلك على إنشاء سوق محلية لل طاقة ينتج فيها تقلب أسعار الطاقة عن العرض و الطلب المحليين. وسيؤدي هذا التقلب في الأسعار إلى تحفيز حلول الطاقة الذكية مثل تخزين الطاقة أو إدارة جانب الطلب أو توليد الطاقة المرنة. في معظم بلدان الاتحاد الأوروبي، من المستحيل حاليا وجود سوق محلية حرة بسبب اللوائح التنظيمية؛ ويجب دفع الضرائب عن كل كيلوواط ساعة يمر عبر متر الكهرباء، وسعر الكهرباء للمستهلكين ثابت، ولا يسمح للتوصيل بالمشاركة في سوق الطاقة دون تدخل ثلث طرف يسمى aggregator. ومع الزيادة المتوقعة في تطوير مشاريع الشبكات الصغيرة، سيتعين على الجهات التنظيمية إيجاد سبل لتيسير أسواق الطاقة المحلية من أجل إطلاق الإمكانات الكاملة للشبكات الدقيقة الشديدة التكامل (انظر المثال 15-2).

    مثال 15.2**

    من التطورات الأخيرة في الإطار التنظيمي في هولندا إدخال experimentererregeling, وهو قانون تجريبي يسمح لعدد صغير من المشاريع المختارة بعناية (مثل de Ceuvel, Z.1) للسماح لتعاونيات الطاقة بأن تصبح مشغل نظام التوزيع الخاص بها, كما لو كانوا وراء اتصال متر واحد. وهذا القانون يدل على وعي الهيئات التنظيمية الهولندية بالحواجز القانونية التي سبق ذكرها، ومن ثم سيفضي على الأرجح إلى تنقيح قانون الكهرباء الحالي في المستقبل القريب من أجل تحسين استيعاب التطورات المتعلقة بالشبكات الصغيرة.

    وهناك أيضا بعض الحواجز القانونية في معظم بلدان الاتحاد الأوروبي فيما يتعلق بإعادة استخدام المياه السوداء المعالجة لإنتاج الأسماك والنباتات، إذ يتعين ضمان القضاء التام على مسببات الأمراض البشرية. ويمكن الاطلاع على مزيد من المعلومات عن الإطار القانوني للأحياء المائية في الفصل 20.

  7. 15-7 الاستنتاجات

    Original publication · نُشر لأول مرة على FarmHub Learn · Aquaponics Food Production Systems

    و كان الهدف من هذا البحث هو التحديد الكمي لدرجة المرونة و الاكتفاء الذاتي التي يمكن أن توفرها الشبكة المجهرية المتكاملة لل أحياء المائية. من أجل تحقيق هذه الإجابة، تم افتراض وجود حي يضم 50 أسرة معيشية «Smarthood»، مع وجود مرفق أكوابونيكش متعدد الحلقات منفصل قادر على توفير الأسماك والخضروات لجميع سكان سمارثود البالغ عددهم 100 نسمة.

    والنتائج واعدة: بفضل درجة عالية من المرونة الكامنة في نظام أكوابونك نتيجة للكتلة الحرارية العالية والمضخات المرنة والإضاءة التكيفية، فإن الدرجة الإجمالية للاكتفاء الذاتي هي 95.38٪، مما يجعلها مكتفية ذاتيا تماما تقريبا ومستقلة الشبكة. مع أن نظام أكوابونيكش مسؤول عن 38.3٪ من استهلاك الطاقة و 51.4٪ من استهلاك الحرارة، فإن تأثير منشأة أكوابونيكش على توازن الطاقة الكلي للنظام مرتفع جدا.

    وقد أشارت الأبحاث السابقة (de Graaf 2018) إلى أنه من الصعب للغاية تحقيق مستويات الاستهلاك الذاتي أكثر من 60٪ دون الاعتماد على مصدر خارجي للكتلة الحيوية لدفع CHP. وحتى مع إدراج هذا المصدر، فإن الحد الأقصى للاستهلاك الذاتي المجدي من الناحية التقنية والاقتصادية لم يتجاوز 89%. وفي سمارثوود، تستمد مدخلات الكتلة الحيوية من أجل حزب الشعب الجمهوري جزئياً من النظام المائي نفسه، وإعادة تدوير المياه الرمادية والسوداء. ويؤدي ارتفاع الاستهلاك الذاتي المقترن بانخفاض الاعتماد على مدخلات الكتلة الحيوية الخارجية، والاستهلاك الذاتي الناتج عن ذلك بنسبة 95٪، إلى جعل الشبكة المجهرية المتكاملة المائية المقترحة أداء أفضل من وجهة نظر الاكتفاء الذاتي مقارنة بأي شبكة مجهرية متجددة أخرى معروفة لدى المؤلفين.

    وبالتالي، يعتقد مؤلفو هذا الفصل اعتقاداً راسخاً أنه مع إجراء تجارب كافية، فإن دمج نظم الاحتباس الحراري المائي ضمن الشبكات الدقيقة يعطي إمكانات كبيرة لإنشاء أنظمة غذائية - مياه - طاقة عالية الاكتفاء الذاتي على المستوى المحلي.