غیرمتمرکزسازی تولید برق در آیندهای نزدیک
پیشرفتهای فراوانی در انتظار صنایع مختلف ازجمله بخش تولید و انتقال برق است که هم برای تولیدکننده و هم مصرفکننده جایزه بزرگی به ارمغان میآورد. چیزی که در این صنعت در حال شکلگیری است، از پیشرفتهای فناوری، فشارهای اقتصادی و توسعه اولویتهای عمومی منشأ میگیرد.
به گزارش برق نیوز, برای حدود یک قرن، روش مقرون به صرفه و قابل انجام برای تولید برق استفاده از سوختهای فسیلی در نیروگاههای بزرگ و انتقال و توزیع آن از طریق شبکههای بههم پیوسته بوده است، اما امروز با تحولات صورت گرفته این شیوه ساده در حال پیچیدهتر شدن است.
در بالای این فهرست منابع قابل دسترس، گاز طبیعی کمهزینه و انرژی خورشیدی قرار دارد.
ژنراتورهایی که با این منابع کار میکنند را میتوان خیلی نزدیکتر به مصرفکنندگان بنا کرد.
در حال حاضر، ما در مراحل اولیه گسترش تولیدات قابل توزیع هستیم که نیاز به انتقال انرژی پرهزینه را از نیروگاههای دوردست کاهش میدهد.
هرچند چنین اقدامی میتواند کمککننده باشد، اما کاهش هزینه انرژیهای تجدیدپذیر و برق تولید شده از سوختهای فسیلی تنها چیزی نیست که موجب این تغییر میشود. برای رقابت تمام سیستم توزیع باید بهخوبی کار کند.
برخی پیشرفتهای فناوری نظیر سیستمهای کنترل پیشرفته، نیاز به فضای کمتر بهواسطه کوچکتر شدن تجهیزات، هوشمندتر شدن تجهیزات، اینورترهای الکتریکی کارآمد، کنتورهای هوشمند برق و شکوفایی فناوری اینترنت اشیا و علم نوپای توانایی استخراج اطلاعات کاربردی از بزرگ دادهها در حال کار با یکدیگر هستند تا چنین هدفی به بهترین شکل محقق شود.
طی ۱۰ تا ۲۰ سال آینده تولید برق بیش از گذشته غیرمتمرکز میشود و انرژیهای تجدیدپذیر مثل انرژی خورشیدی و باد گسترش بیشتری پیدا خواهند کرد. اما جنبههای دیگر نیز تغییر مییابد. برای مثال، به نظر میرسد شبکه توزیع (بخشی از این زنجیره که خانه و محل کار شما به آن متصل میشود) بهجز کار انتقال برق از مکانی به مکان دیگر وظایف دیگری هم دارد. رسیدن به یک شبکه پیچیدهتر از این، کار چندان راحتی نخواهد بود، اما این اتفاق رخ خواهد داد.
اولین موضوعی که باید به آن توجه کرد این است که تمرکززدایی نه کار سادهای است و نه بهصورت جهانی قابل انجام است. در برخی مناطق، تمرکززدایی با تولید برق را خود مصرفکنندگان که معمولاً توسط پنلهای انرژی خورشیدی انجام میشود، اجرا خواهند کرد. در برخی موارد نیز ممکن است از توربینهای بادی در مقیاس کوچکتر استفاده شود. در مناطقی هم که نور خورشید و باد بهاندازه کافی وجود ندارد، احتمالاً مصرف گاز طبیعی رایج خواهد شد.
بنا به گزارش اداره اطلاعات انرژی ایالات متحده (EIA)، در ۱۱ ماه نخست سال ۲۰۱۶ بخشی از ۸۲ .۴۸میلیون مگاوات ساعت انرژی خورشیدی در داخل این کشور تولید شده است که افزایش ۴۶ درصدی را نسبت به سال قبل از آن نشان میدهد. اگرچه این آمار هنوز با میزان ایدهال فاصله زیادی دارد، اما طبق اعلام EIA در سال ۲۰۱۶، حدود ۴ .۱درصد از الکتریسیته مورد نیاز ایالات متحده از طریق پنلهای خورشیدی تأمین شده است. تأمین انرژی از طریق خورشید بهدلیل اقتصادی بودن آن نسبت به سایر شیوههای نوین، با رشد قابل ملاحظهای مواجه بوده است.
شکل ۱ - مجموع ظرفیت جهانی نصب و استفاده از تجهیزات خورشیدی و بادی. رشد استفاده از انرژی خورشیدی و باد سریع بوده است. این دو با یکدیگر تقریباً ۱۰ درصد از تجهیزات نصب شده جهانی را تشکیل میدهند، اما تنها ۴ درصد از برق مورد نیاز توسط این منابع تأمین میشود.
پنلهای خورشیدی به یکی از بازیگران غالب صنعت برق تبدیل میشوند.
بسیاری از تحلیلگران پیشبینی میکنند تا پایان این دهه هزینههای تولید انرژی خورشیدی قابل توزیع متصل به شبکه با سایر اشکال تولید برق متعارف قابل رقابت خواهد بود. کمکهای دولتی نیز میتواند به رشد این رویه کمک بالایی کند.
شاید در ابتدا این طور به نظر برسد که هزینه تولید برق توسط انرژی خورشیدی بیشتر از شیوههای مرسوم است، اما سیاستگذاران کم کم به این نتیجه خواهند رسید که سوزاندن سوختهای فسیلی به هزینههای اجتماعی قابل توجهی ازجمله عوارض ناشی از آلودگی محیط زیستی منجر شده است و باید فکری به حال آن کرد. اگرچه بهترین استراتژی برای جابهجایی این هزینهها هنوز در حال بررسی است، مزایای تولید انرژی تجدیدپذیر همین حالا هم کاملاً مسجل است. دادههای جمعآوری شده از پروژه خیابان پیکان که بودجه آن توسط وزارت نیروی ایالات متحده تأمین شده است، نشان میدهد که یک خانه در آستین تگزاس، مجهز شده به پنلهای خورشیدی میتوانست در ساعات میانی یک روز تابستانی در حدود ۴ تا ۵ کیلووات انرژی تولید کند که برای مصرف برق معمول این خانه در طول این مدت زمان کفایت میکند (شکل ۲).
شکل ۲ - یک خانه هوشمند به یک سیستم مدیریت انرژی مجهز خواهد شد که با در نظر گرفتن ساعات مصرف روزانه و چند عامل دیگر هزینه مصرف برق را به حداقل میرساند. در آینده یک ریزشبکه با برقراری ارتباط با سیستمهای مدیریت انرژی خانهها راندمان را به حداکثر، هزینهها را به حداقل و تقاضا را تنظیم خواهد کرد.
اینکه استفاده از سیستم تولید انرژی خورشیدی تا چه اندازه میتواند مورد استقبال مالکان خانهها قرار گیرد، به عواملی ازجمله هزینه اولیه، هزینههای نگهداری، کمک هزینههای دولتی، هزینه شبکه برق و قیمت فروش برق مازاد تولیدی بستگی دارد. طرح ابتکاری که به SunShot معروف است، قصد دارد بدون دریافت کمک هزینههای دولتی هزینه تولید انرژی خورشیدی را تا سال ۲۰۳۰ بهشکل رقابتی درآورد (یک مؤسسه دولتی چینی نیز هدفی مشابه را دنبال میکند). چشمانداز SunShot این است که تا سال ۲۰۳۰ هزینههای توزیع انرژی خورشیدی واحدهای مسکونی را از ۱۸ سنت بهازای هر کیلووات ساعت به ۵ سنت کاهش دهد. در حال حاضر، یک سیستم انرژی خورشیدی ۶ کیلووات قابل نصب در پشتبام یک خانه معمولاً بین ۱۵ تا ۲۰ هزار دلار هزینه دارد. براساس دادههای جمعآوری شده توسط EIA، متوسط قیمت خردهفروشی الکتریسیته قابل توزیع توسط شبکه برقرسانی در ایالات متحده ۵ .۱۲سنت بهازای هر کیلووات ساعت است.
بنابراین، با میانگین قیمت ۱۸ سنت، تولید برق توسط پنلهای خورشیدی هنوز نمیتواند با شبکه عمومی برقرسانی رقابت کند.
اما خیلی از دولتها مثل ایالات متحده برای مقرون به صرفهتر شدن سیستمهای تولید انرژی خورشیدی کمک هزینههایی را برای آن در نظر گرفتهاند.
درضمن، برخی موارد کاربردی موجود در حال جایگزینی با گزینههای مالکیت فردی هستند.
یکی از این موارد «اجتماع انرژی خورشیدی» است که هر مصرفکننده تعداد کمی از پنلهای موجود در سیستم توزیع را خریداری میکند و هر ماه بخشی از منافع حاصل از تولید الکتریسیته را بدون نیاز به نصب این پنلها روی پشتبام خانه خود دریافت میکند (نوعی مشارکت در تولید انرژی). یکی دیگر از این موارد ابتکاری توسط CPS Energy در سن آنتونیو راهاندازی شده است که از پنلهای خورشیدی مستقر در پشتبام خانهها استفاده میکند، با این تفاوت که خود CPS Energy مالک این تجهیزات است و برای استفاده از فضای پشتبام به صاحب خانه اجاره پرداخت میکند.
چالشهایی که مانع فراگیر شدن پنلهای توزیع انرژی خورشیدی میشوند:یکی از چالشهای پیش روی توزیع انرژی خورشیدی ذخیرهسازی آن است.
خیلی از مالکان پنلهای خورشیدی از شبکه توزیع بهعنوان راهکار ذخیره انرژی تولید شده استفاده میکنند. به این شکل که آنها مازاد برق تولید شده خود را به شبکه توزیع میفروشند و در زمان مورد نیاز برای جبران کمبود خود از شبکه توزیع برق میخرند.
این معمولاً سادهترین و ارزانترین روش برای ایجاد توازن بین تولید و مصرف است. از طرف دیگر، پیشبینی میشود در آیندهای نزدیک بتوان با استفاده از باتریهای باکیفیت و ارزانقیمت مشکل ذخیره انرژی را برطرف کرد. شرکت سازنده خودروهای الکتریکی تسلا، برای مصارف خانگی یک باتری با نام Powerwall ۲ ارائه کرده است که ۵۵۰۰ دلار قیمت دارد و میتواند ۱۴ کیلووات ساعت برق ذخیره کند که برای متوسط مصرف شبانه یک خانه کافی است. اما اضافه کردن هزینه ذخیرهسازی با باتری در یک سیستم تولید انرژی خورشیدی برای جدا شدن از شبکه توزیع برق بهنسبت استفاده از این شبکه هزینهها را خیلی بالاتر خواهد برد و فعلاً مقرون به صرفه نیست.
مقایسه گزینههای پیش رو برای گسترش استفاده از انرژی خورشیدی سرراست و مشخص نیست، زیرا به میزان زیادی به نحوه تکامل شبکه توزیع بستگی دارد. برای مثال، در حال حاضر شبکه توزیع نمیتواند خود را صددرصد برای انرژی خورشیدی (حتی در مناطق آفتابخیز مثل جنوب غربی ایالات متحده و بیابانهای افریقای شمالی) تطبیق دهد.
شبکه توزیعی که ما در حال حاضر در اختیار داریم، بیشتر اطراف منابع سوخت بنا شده است و برای گسترش آن به زمان زیادی نیاز است.
تکامل شبکه توزیع از روشهای دیگر نیز قابل انجام است. یکی از مهمترین گرایشاتی که در حال شکلگیری است، گسترش استفاده از microgrid یا ریزشبکهها است.
ریزشبکهها یک معماری از پیش برنده را پیشنهاد میدهند.یک ریزشبکه از مجموعهای از منابع تولید و استفاده انرژی متصل بههم تشکیل شده است. این مجموعه میتواند به کوچکی یک خانه (که اغلب بهنام nanogrid شناخته میشود) یا به بزرگی یک پایگاه نظامی و یا دانشگاه باشد. ریزشبکهها میتوانند بهطور نامحدود و مستقل کار کنند و اگر یک اختلال باعث بیثباتی شبکههای توزیع بزرگتر شود، میتوانند بهسرعت خود را از شبکه جدا کنند.
این یک قابلیت مهم در زمان بروز حوادث طبیعی یا اختلال به وجود آمده توسط بشر است. حوادث طبیعی مثل طوفانهای مهیب را در نظر بگیرید که باعث خاموشیهای گسترده میشود. آمارها نشان میدهند که ۹۵ درصد از نواحی که برق آنها قطع میشود، تنها بهدلیل آسیب دیدن کمتر از ۵ درصد شبکه توزیع بوده است (شکل ۳).
شکل ۳ - یک ریزشبکه مسکونی مجموعهای از خانههایی را که از منابع تأمین و ذخیره انرژی اختصاصی برخوردار هستند، به یکدیگر متصل میکند. این خانهها بهصورت بیسیم با یکدیگر ارتباط برقرار میکنند و توسط یک ترانسفورماتور توزیع به شبکه اصلی وصل میشوند. در صورت بروز اختلال در سیستم برقرسانی، یک ریزشبکه میتواند با قطع ارتباط با شبکه اصلی از طریق این ترانسفورماتور از خود محافظت کند.
توانایی جداسازی ریزشبکهها از شبکه اصلی، امنیت سایبری را نیز افزایش میدهد. زیرا ریزشبکهها میتوانند به کوچک نگه داشتن محدوده نفوذ کمک کنند و باعث میشوند شبکههای برقرسانی هدف خوشایندی برای هکرها نباشند. وقتی حادثهای رخ میدهد، به هر علتی که باشد، ریزشبکهها میتوانند عواقب آن را محدود کنند. اگر آسیبدیدگی فیزیکی نباشد، یک ریزشبکه میتواند تا زمانی که به منبع تأمین انرژی (چه سوخت فسیلی، خورشید یا باد) دسترسی دارد، به کار خود ادامه دهد. در بلندمدت، با در نظر گرفتن مسائل اقتصادی و مقررات فناوری، این امکان وجود دارد تا با استفاده از مجموعهای از ریزشبکههای مجاور هم، شبکه توزیع را گسترش داد. این ریزشبکههای نزدیک بههم انرژی را با یکدیگر و شبکه اصلی به اشتراک میگذارند تا علاوه بر به حداکثر رساندن سطح دسترسی، هزینه تولید برق را هم به حداقل برسانند. در دوره ریزشبکههای مجاور هم که توسط بخش خصوصی راهاندازی و اداره میشوند، نیروگاههای بزرگ نیز میتوانند بهجای تأمین برق هرکدام از مصرفکنندگان، در صورت لزوم برق مورد نیاز یک ریزشبکه یا در موارد اضطراری چند ریزشبکه متصل بههم میتوانند بخشی از برق مورد نیاز شبکه سراسری را فراهم کنند.
شبکههای تولید و توزیع رونقدهنده هستند;گسترش شبکههای تولید و توزیع و حضور ریزشبکهها دو عامل دیگر را نیز رونق خواهد داد: توسعه اینترنت اشیا و رشد تأثیرات بزرگ دادهها. اینترنت اشیا برای شبکههای تولید و توزیع مزیت محسوب میشود، زیرا باعث رونق گرفتن صنایعی خواهد شد که در تولید انبوه حسگرها، میکروکنترلرها، نرمافزار و سایر ادواتی که بهسادگی و با قیمت کم در آینده در شبکههای توزیع و ریزشبکهها هستند، مورد استفاده قرار میگیرند.
اما این تجهیزات چگونه مورد استفاده قرار خواهند گرفت؟ یک سیستم انرژی خورشیدی مسکونی را در آینده نزدیک تصور کنید. این مجموعه از تجهیزات مصرفی ازجمله پنلهای خورشیدی، یک اینورتر هوشمند و یک باتری ذخیرهسازی بههمراه سیستمهایی برای مدیریت بارگذاری بهصورت پویا برخوردار است. هر از گاهی خروجی انرژی تولید شده از این سیستم کمتر از حد معمول خواهد بود. اما با طراحی یک سیستم کنترل مبتنی بر تجهیزات موجود اینترنت اشیا که میتواند با سایر سیستمهای مشابه موجود در خانهها ارتباط برقرار کند، چنین مشکلاتی قابل مدیریت است. چنین سیستمهایی با یکدیگر ارتباط برقرار خواهند کرد و به عنوان مثال میتوان سیستم تهویه مطبوع را براساس زمانبندی روشن و خاموش کرد یا درجه ترموستات را تغییر داد تا کمبود غیرمنتظره در ظرفیت جبران شود.
خیلی از مصرفکنندگان تمایلی به کنترل مداوم جزئیات مصرف انرژی خود ندارند. بنابراین، دستگاهی را تصور کنید که به شما اجازه میدهد محدودهای از دماهای مورد نظر خود را تنظیم کنید و باقی وظایف نظارتی را بهعهده خود این دستگاه بگذارید. هرچه محدوده گستردهتری تعریف کنید، بهای کمتری برای مصرف انرژی پرداخت خواهید کرد. اپراتور شبکه یا ریزشبکه از این محدوده تعیین شده (توسط شما و سایر مشترکان) استفاده خواهد کرد تا بهصورت پویا دقیقه به دقیقه میزان عرضه و تقاضا را مدیریت کند. در یک بعد از ظهر گرم که تقاضا به اوج خود میرسد، دمای خانه شما در بالاترین درجهای که تعیین کرده بودید قرار خواهد گرفت (شکل ۴).
شکل ۴ - یک ایستگاه فرعی توزیع از طریق مجموعهای از ترانسفورماتورها و سوئیچهای قطع، ریزشبکه را به شبکه اصلی متصل میکند.
همچنین، نحوه استفاده از تجهیزات الکتریکی با استفاده از بزرگ دادهها بسیار کارآمدتر و بهینهتر خواهد شد. هرچه اطلاعات مربوط بهمیزان مصرف تعداد بیشتری از کاربران جمعآوری شود، تقاضای کل قابل پیشبینیتر شده و مدیریت آن بهتر انجام خواهد شد. با بهکارگیری ابزار بزرگ دادهها وابستگی به نحوه مصرف مشتریان کم میشود و میتوان میزان تولید و مصرف را بهمنظور بهینهسازی کل سیستم تنظیم کرد. به عنوان مثال، در زمان اوج مصرف، اپراتور سیستم با در اختیار داشتن دادههای آنی از وضعیت سیستم میتواند خطر ایجاد اختلال در آن را تشخیص دهد. در اختیار داشتن اطلاعات آماری و نحوه صحیح تجزیه و تحلیل و استفاده صحیح از آن با کمک ابزار بزرگ دادهها میتواند کمک بزرگی در بهینهسازی عملکرد بخش وسیعی از شبکه توزیع برق و پیشبینی وضعیت عملکرد آن در آینده باشد.
چه موانعی پیش روی سیستم برقرسانی است؟با وجود تمام مزایای استفاده از فناوری در سیستم برقرسانی موانعی ازجمله ملاحظات اقتصادی، قانونگذاری و فنی وجود دارد که در مجموع پیشرفت چنین تحول بزرگی را به تعویق خواهد انداخت. علاوه بر این، یک شبکه توزیع هوشمند که به تجهیزات الکترونیکی مثل کنترهای هوشمند قابل مدیریت توسط نرمافزار وابسته است، عمر مفید کوتاهتری خواهد داشت و باید دائم آن را بهروزرسانی کرد. چالش بزرگتر بعدی این است که فرآیند قانونگذاری با چه سرعتی میتواند خود را با شرایط جدید استفاده از فناوری سازگار کند؟ اگر دولتها سعی کنند با اختصاص یارانه فناوریهای منسوخ را سر پا نگه دارند چه خواهد شد؟ اینها همه موانع بزرگی هستند که میتوانند فرآیند تغییر را به تأخیر بیاندازند. اما درنهایت آنچه مسلم است این است که ما در آینده به شبکههای برقرسانی دسترسی خواهیم داشت که بسیار کمهزینهتر، پایدارتر و کاربر پسندتر از سیستم فعلی عمل خواهد کرد. آکادمی ملی مهندسی ایالات متحده اخیراً صنعت برقرسانی را در صدر دستاوردهای مهندسی قرن بیستم قرار داد. حالا این صنعت باید با مهندسی جدید خود را با نیازها و فرصتهای قرن بیست و یکم وفق دهد.
منبع: پاسیت
از ارسال دیدگاه های نا مرتبط با متن خبر، تکرار نظر دیگران، توهین به سایر کاربران و ارسال متن های طولانی خودداری نمایید.
لطفا نظرات بدون بی احترامی، افترا و توهین به مسئولان، اقلیت ها، قومیت ها و ... باشد و به طور کلی مغایرتی با اصول اخلاقی و قوانین کشور نداشته باشد.
در غیر این صورت، «برق نیوز» مطلب مورد نظر را رد یا بنا به تشخیص خود با ممیزی منتشر خواهد کرد.