در حالیکه خورشید هر روز با شدت بیشتری به سیاره زمین می‌تابد و نیمکره شمالی را در گرمایی داغ فرو برده است، همچنین تاثیر تغییر اقلیم در گرمایش زمین هر روز محسوس‌تر می‌شود؛ تقاضا برای انرژی برق در همه کشورها افزایش یافته است و هر روز حد نصاب جدیدی برای مصرف برق در کشور ما هم رقم می‌خورد.
بر اساس آخرین آمار تراز انرژی، ظرفیت منصوبه در کشور حدود ۹۰ هزار مگاوات و ظرفیت عملیاتی محقق شده حدود ۶۰ هزار مگاوات است. اخبار هم نشان می‌دهد اوج تقاضا در روزهای اخیر به حدود ۷۷ مگاوات رسیده است. البته در مورد آمار تولید انرژی باید دقت کرد که تلفات خطوط انتقال و توزیع حدود ۱۵ درصد و مصرف داخلی نیروگاه هم حدود ۵ درصد است.
شاید این سوال پیش آید که با وجود ظرفیت تولید ۹۰ هزار مگاواتی چرا با ۷۶ هزار مگاوات تقاضا شبکه باید با اختلال روبرو شده و مثلا قطعی برق داشته باشیم یا برای جلوگیری از قطعی برق برخی بخش‌ها و ادارات را تعطیل کرده و به این شکل تقاضا را در ادارات کاهش دهیم، اما باید توجه کرد رقم ۹۰ هزار مگاوات ظرفیت منصوبه مجموعه نیروگاه‌های کشور است؛ یعنی مجموع کل ظرفیت در زمان نصب، بدون در نظر گرفتن پیری و فرسودگی و خرابی و سرویس و تلفات و مصرف داخلی.
سوال مهم‌تر در اذهان مردم عادی، محققان و پژوهشگران و فعالان اقتصادی و صاحب کارخانه‌ها و تولیدکنندگان این است که چطور می‌توان مانع از قطع برق شد و از تابستان به سلامت عبور کرد؟ آیا باید ظرفیت‌های نیروگاهی را افزایش داد که قطعا هزینه‌های زیادی دارد و راهکار بلندمدتی هم هست، یا راه‌های دیگری برای تامین تقاضا با همین میزان تولید برق وجود دارد؟
برای پاسخ به برخی از این سوالات با علیرضا فریدونیان عضو هیات‌علمی دانشگاه صنعتی خواجه‌نصیرالدین طوسی، دانش آموخته کارشناسی، کارشناسی ارشد و دکتری به ترتیب از دانشگاه‌های علم و صنعت ایران و تهران در سال‌های ۱۳۷۳، ۱۳۷۶ و ۱۳۸۷ در رشته مهندسی برق گفت‌وگو کردیم.
وی غیر از فعالیت‌های دانشگاهی با انجمن علمی‌های مرتبط رشته خود نیز همکاری دارد و نایب‌رئیس انجمن علمی شبکه‌های هوشمند انرژی ایران، بازرس انجمن علمی مهندسی برق و الکترونیک جهان IEEE، شاخه ایران، عضو هیات رئیسه و رئیس کمیته تحقیق و توسعه انجمن علمی مهندسین برق و الکترونیک ایران IAEEE، شاخه تهران و عضو کمیته علمی و اتاق فکر صنعت توزیع، معاونت توزیع، توانیر است و در زمینه‌های محیط‌های (شبکه، خانه و شهر) هوشمند، کاربرد داده کاوی با هوش مصنوعی و یادگیری آماری در سیستم‌های انرژی، مهندسی توزیع انرژی الکتریکی (برنامه‌ریزی، طراحی، بهره‌برداری و اتوماسیون)، مدیریت دارایی‌های فیزیکی (نگهداری و تعمیرات) در توزیع انرژی الکتریکی، فناوری‌های نوپدید در بازار توزیع انرژی الکتریکی و کاربرد تئوری سیستم‌های پیچیده و آشوبناک در سیستم‌های انرژی به پژوهش مشغول است.
روح حاکم بر فناوری قرن بیست‌ویکم
فریدونیان در گفت‌وگو با خبرنگار گروه علم و آموزش ایرنا در پاسخ به راه‌حل ناترازی انرژی به تاریخچه‌ای از وضعیت توسعه فناوری در قرن جاری پرداخت و اظهار داشت: یکپارچه‌سازی و تمرکززدایی دو ابرروند در فناوری قرن بیست ویکم است. فناوری‌ها و کاربردهایی که در گوشی هوشمند امروزه داریم محصول یکپارچه‌سازی و علت آن کوچک‌سازی و امکان همکاری‌پذیری بین آن دستگاه‌ها (توابع) است. وقتی چند دستگاه را با هم زیر یک چتر گرد هم می‌آوریم، می‌توانیم از خروجی هر کدام برای بهبود کیفیت دیگری استفاده کنیم. گوشی هوشمند، شبکه هوشمند انرژی، شهر هوشمند و خانه هوشمند؛ مثال‌هایی از چترهای گردآورنده‌ی فناوری‌های موجود پیشین هستند. در این‌جا منظور از واژه هوشمند و معادل انگلیسی آن اسمارت/ smart است، نه هوشمند با معنای اینتلیجنت/ intelligent که در هوش مصنوعی وجود دارد. بلکه منظور از هوشمند به معنای داشتن توانایی پردازش، تصمیم و واکنش نشان دادن بموقع است.
وی افزود: اما این یکپارچه‌سازی در فناوری قرن جاری در کنترل و مدیریت به سمت سیستم کنترل متمرکز نرفت؛ یعنی یک شکل تناقض‌گونه (پارادوکسیکال) دارد: در عین این که سیستم‌ها را به سمت یکپارچه شدن پیش می‌بریم، در تصمیم‌گیری، مدیریت، کنترل و حتی عاملیت در انجام کارها میل به سمت تمرکززدایی (Decentralization) داریم که دومین ابرروند فناوری قرن بیست ویکم است. در سیستم انرژی، ایده‌های ریزشبکه و نانوشبکه (در حد یک ساختمان)، بازار انرژی محلی و تبادل انرژی همتا به همتا مثال‌هایی از تمایل فناوری قرن بیست‌ویکم به تمرکززدایی هستند. ماهیت تناقض‌گونه یعنی در عین اینکه داریم سیستم‌ها را بهم متصل کرده و بزرگ‌تر می‌کنیم، به سمت تصمیم‌گیری متمرکز و عاملیت متمرکز نمی‌رویم. این روح حاکم بر فناوری قرن بیست و یکم است.
استاد دانشگاه خواجه نصیر گفت: شبکه هوشمند شامل شبکه برق، گاز و زیرساخت انرژی و حاصل بلوغ سه فناوری است؛ فناوری اطلاعات و ارتباطات، خصوصی‌سازی در صنعت برق و توسعه منابع پراکنده. به این معنا که این منابع پراکنده دیگر به صورت نیروگاه‌های بزرگ نیستند؛ بلکه به‌صورت گسترده یا پراکنده در شهرها هستند.
گذار انرژی و سه دی/۳D
این‌روزها مفهوم گذار انرژی (energy transition) پیش از مفهوم شبکه هوشمند مطرح و با سه واژه معرفی می‌شود که هر سه با حرف دی در زبان انگلیسی آغاز می‌شوند. کربن‌زدایی (Decarbonization) که عزم بشر را دستکم در حرف برای کاهش تولید دی‌اکسیدکربن نشان می‌دهد؛ تمرکززدایی (Decentralization) که یکی از ابرروندهای فناوری در قرن ۲۱ است و دیجیتالی شدن (Digitalization) که همان فناوری مخابرات و ارتباطات و پردازش داده‌های دیجیتال بود و یکی از سه عامل باعث به وجود آمدن شبکه هوشمند شد.
به گفته وی مجمع جهانی اقتصاد در سال ۲۰۲۲ رسمی اعلام کرد آینده انرژی، سیستمیک، باز (به معنای امکان حضور مختلف برای ایفای نقش در بازار انرژی)، تعاملی و به صورت شبکه هوشمند انرژی است.
ساخت نیروگاه فقط برای استفاده ۱۰ درصدی؟
وی در ادامه به وضعیت ناترازی انرژی در کشور پرداخت و گفت: در کشور ما با توجه به کاهش مقدار ظرفیت تولید از مقدار تقاضا، در ساعت‌هایی از روزهای بعضی فصل‌ها، با مشکل تامین انرژی روبرو هستیم که این‌روزها با نام ناترازی انرژی از آن یاد می‌شود. عده‌ای از کارشناسان این امر را نتیجه توسعه نیافتن کافی نیروگاه‌ها می‌دانند. البته واقعا و باید نیروگاه‌ها به شکلی توسعه داده می‌شد که این ناترازی انرژی اتفاق نمی‌افتاد.
اما اگر مسأله را اینطور ببینیم که در صورت وجود منابع مالی کافی برای ساخت فوری نیروگاه، باید نیروگاهی می‌ساختیم که فقط به مدت ۵ یا ۶ ساعت در روز و به مدت ۲ تا ۳ ماه از سال مورد نیاز است؛ یعنی حدود ۶۰۰ ساعت از ۸ هزار و ۷۶۰ ساعت سال که معادل زیر ۱۰ درصد کل ساعات سال است، به انرژی الکتریکی تولیدی این نیروگاه‌ها نیاز داریم. متوجه می شدیم این وضعیت بهره‌وری کامل نیست.
فریدونیان با تاکید بر اینکه ساخت نیروگاهی برای استفاده از ۱۰ درصد ظرفیت آن با بهره‌وری مغایر است، گفت: این وضعیت یعنی هزینه عظیمی برای ساخت نیروگاهی می‌کنیم که خروجی آن زیر ۱۰ درصد کل زمان استفاده می‌شود. این منجر شده به جابه‌جایی پارادایم یا الگوی بنیادین و تغییر رویکرد در جهان و نه‌تنها در ایران شده است؛ به این معنا که به جای تمرکز روی افزایش ظرفیت تولید، معطوف به اصلاح و پیک‌سایی منحنی تقاضای بار الکتریکی باشیم.
دو راه‌حل برای تامین تقاضا در اوج مصرف
فریدونیان تاکید کرد: با توجه به اینکه باید توسعه نیروگاه‌ها انجام می‌شد، مساله مهم این است که در تمام دنیا تغییر تمرکز از تولید مصرف‌گرا به سمت کنترل و مدیریت مصرف در حال انجام است. ابزار این تغییر چیست؟ همان سه عاملی که به عنوان تحولات فناوری پدیدآورنده شبکه هوشمند معرفی شد. وجود فناوری اطلاعات و ارتباطات و پردازش داده‌ها، خصوصی‌سازی در بازار انرژی الکتریکی و امکان قراردادهای منعطف با مصرف‌کننده‌ها و نقش‌آفرینی سرمایه‌گذاران بخش خصوصی و وجود منابعی که می‌تواند دیگر در نیروگاه‌ها نباشند، بلکه در شهر باشد و محیط زیست را آلوده نکند، دستکم از لحاظ تولید دی اکسید کربن.
وی در ادامه به چشم‌انداز تامین کسری تولید در زمان اوج تقاضا در تجربه جهانی پرداخت و دو راه‌حل کلی برای این امر ارائه داد؛ الف) تامین کسری تولید در زمان اوج تقاضا با توسعه ظرفیت تولید و ب) تامین کسری تولید در زمان اوج تقاضا از راه کاهش تقاضا و تغییر الگوی توسعه از راه‌های تجربه شده جهانی است.
فریدونیان در توضیح روش‌های تحقق اولین روش گفت: توسعه تولید انبوه و متمرکز یکی از راه‌های کمبود کسری انرژی است. این روش همان الگوی سنتی یا کلاسیک فناوری نیروگاه‌های حرارتی (فسیلی و هسته‌ای) است. اگر چشم‌انداز منابع برای تأمین انرژی به طور خاص با تأکید روی تأمین اوج تقاضا بررسی کنیم، متوجه می‌شویم تولید متمرکز، انبوه و سنتی نیروگاه‌های حرارتی شاید در حالت آرمانی واقع‌بینانه‌ترین روش باشد؛ ولی اگر بخواهیم این کار را داخل کشور انجام دهیم نیازمند سرمایه‌گذاری کلان است و دیگر اینکه احداث نیروگاه بزرگ زمان زیادی می‌برد. در نتیجه، توسعه نیروگاه‌ها، با برون‌سپاری سرمایه‌گذاری و عاملیت به بخش خصوصی یا سرمایه‌گذار خارجی و بهره‌گیری از فناوری‌های سریع‌الاحداث و زودبازده راه حل میان‌بر است.
به گفته وی تولید متمرکز، انبوه و تجدیدپذیر دور از مصرف راه دیگری است؛ مانند احداث سدها برای تولید برق آبی، احداث مزارع بادی فراساحل در سواحل دریای خزر، خلیج فارس یا دریای عمان، احداث مزارع بادی داخلی در مناطق بادخیز، احداث مزارع یا پارک‌های خورشیدی در مناطق آفتابی و دمای مناسب. مزیت این نوع نیروگاه‌ها نسبت به نوع پیشین، امکان بهره‌گیری از تامین مالی (فاینانس) خارجی با استفاده از تبادل اعتبار کربن در بازارهای کربن داوطلبانه، مطابق سازوکار توسعه پاک معاهده پاریس است.
عضو انجمن علمی شبکه‌های هوشمند ایران ادامه داد: تولید پراکنده، خُرد و کم‌کربن شهری برای مصرف محلی مصرف‌کننده فعال یا ساختمان‌های انرژی‌خودکفا از راه‌های دیگر در این زمینه است. تولید خانگی و محلی با استفاده سلول‌های خورشیدی، مولدهای برق اضطراری، مولدهای تولید همزمان برق و سرمایش و گرمایش، توربین‌های بادی عمودمحور شهری، پیل سوختی همراه ذخیره‌ساز محلی نیز در این زمینه مفید است. مزیت این توسعه تولید، امکان تامین مالی توسط سرمایه‌گذاران خُرد و توزیع بار مالی آن است.
وی گفت: استفاده از ظرفیت ذخیره‌سازی یا رومینگ انرژی ریلی یا خودرویی هم برای برخی مناطق مفید است. شارژ باتری خودرو برقی قابل اتصال به شبکه یا باتری‌های بزرگ نصب‌شده روی واگن‌های قطار، در زمان یا مکان غیر اوج بار و شارژ نکردن یا تحویل انرژی ذخیره شده در زمان یا مکان اوج بار آخرین روش برای تحقق این راه است.
فریدونیان در ادامه به توضیح راه‌های تحقق روش دوم یعنی تامین کسری تولید در زمان اوج تقاضا از راه کاهش تقاضا در زمان اوج و تغییر الگوی توسعه پرداخت و گفت: از آنجا که ناترازی انرژی (در حقیقت توان) با کاهش یا میزان بالاتر بودن ظرفیت تولید نسبت به تقاضای اوج، یا حتی پیشی گرفتن اندازه تقاضا نسبت به تولید به وجود می‌آید، مدیریت تقاضای زمان اوج می‌تواند منجر به کاهش تقاضای اوج و ایجاد شرایط تراز موقت و مصنوعی شود. به عبارت دیگر، می‌توان کسری تولید را با کاستن از میزان تقاضا در زمان اوج تقاضا جبران کرد. این کار با بارزدایی یا به تعبیر ساده‌تر، قطع برق برنامه‌ریزی‌شده یا حتی برنامه ریزی نشده انجام می‌شود که نتایج چندان مطلوبی ندارد.
اما مدیریت سمت تقاضا با پاسخگویی بار از راه جابه‌جایی اوج تقاضا به غیر زمان اوج و گردآوری میزان کاهش تقاضا از مصرف‌کنندگان محلی، با توجه به طبیعت داوطلبانه آن می‌تواند رضایت مصرف کنندگان برق را به میزان بیشتری جلب کند.
وی خاطرنشان کرد: می‌توان هدف کاهش تقاضای زمان اوج بار با ابداع و پیاده‌سازی روش‌های داوطلبانه مبتنی بر کاهش یا جابه‌جایی تقاضا و مبتنی بر سازوکارهای کنترل تقاضای با تغییر قیمت یا پرداخت‌های جبرانی تشویقی (انرژی تراکنشی) را تامین کرد که موضوع پژوهش‌ها و نوآوری‌های ده‌ساله دنیای دانش و فناوری شبکه‌های هوشمند انرژی است.