مقاله
آیا گرمایش اقلیمی و تغییر الگوهای جوی به قطعی‌های گسترده‌تر برق و سایر اختلالات انرژی منجر خواهد شد؟ پاسخ به این پرسش نیازمند مطالعه هم‌زمان پیش‌بینی‌های اقلیمی منطقه‌ای و سیستم‌های انرژی محلی است؛ از جمله ظرفیت‌های نوظهور تولید انرژی تجدیدپذیر، سامانه‌های ذخیره‌سازی، خطوط انتقال و پیش‌بینی تقاضا. کمبود چنین مطالعات جامعی یکی از دلایلی است که باعث می‌شود توسعه‌دهندگان انرژی و گردانندگان شبکه هنگام تصمیم‌گیری درباره مکان احداث پروژه‌های بعدی، به‌ندرت تغییر اقلیم را مد نظر قرار دهند.
اکنون پژوهشگران مؤسسه فناوری ماساچوست (MIT) روشی نوین برای مکان‌یابی پروژه‌های انرژی بر پایه اطلاعات اقلیمی ابداع کرده‌اند و نشان داده‌اند که چگونه می‌توان از این رویکرد برای ارتقای تاب‌آوری سیستم‌های انرژی و کاهش موارد قطعی برق بهره برد. چارچوب طراحی‌شده توسط این محققان که در نشریه Nature Energy توصیف شده است، هواشناسی مقیاس‌ریز را با شبیه‌سازی‌های دقیق زیرساخت‌های انرژی پیوند می‌زند. این چارچوب مشخص می‌کند که مکان احداث پروژه‌های جدید انرژی چگونه نقشی حیاتی در برآوردن تقاضای آینده در شرایط اقلیمی متغیر ایفا خواهد کرد.
پژوهشگران این چارچوب را برای سیستم‌های انرژی کربن‌زدایی‌شده در نیوانگلند و تگزاس به کار گرفتند و دریافتند که سامانه‌های انرژی طراحی‌شده بر اساس شرایط اقلیمی گذشته ممکن است تا سال ۲۰۵۰ با افزایش پنج‌برابری کمبود انرژی و در نتیجه خاموشی‌های گسترده مواجه شوند. در مقابل، لحاظ کردن داده‌های تغییر اقلیم در طراحی شبکه، تاب‌آوری سیستم‌های انرژی هر دو منطقه را بدون تحمیل هزینه‌های سنگین یا حتی با هزینه‌ای نزدیک به صفر به‌طور چشمگیری بهبود بخشید.
مایکل هولاند، از پژوهشگران ارشد این مطالعه، توضیح می‌دهد: «همان‌طور که با به‌کارگیری انرژی‌های تجدیدپذیر اثرات تغییر اقلیم را کاهش می‌دهیم، می‌توانیم با استفاده از پیش‌بینی‌های جوی آینده در برنامه‌ریزی شبکه برق، ظرفیت سازگاری خود را نیز افزایش دهیم؛ هزینه‌های اضافی این سازگاری، دست‌کم در این مطالعه، بسیار ناچیز است. این موضوع با پروژه‌های سنتی سازگاری با اقلیم — مانند ساخت دیواره‌های عظیم دریایی که هزینه‌های سرسام‌آوری دارند — تفاوت دارد. در این رویکرد، اگر در تدوین طرح‌های کربن‌زدایی هوشمندانه عمل کنیم، سازگاری هم‌زمان با تغییر اقلیم تقریباً هیچ هزینه اضافه‌ای نخواهد داشت.»
نگاهی نو به مکان‌یابی پروژه‌های انرژی
سامانه‌های انرژی در سراسر جهان در دوران گذار به سر می‌برند. در بخش تقاضا، این تحول تحت تأثیر عواملی چون رشد روزافزون تقاضا برای مراکز داده هوش مصنوعی و برقی‌سازی صنایعی مانند حمل‌ونقل هدایت می‌شود. در بخش عرضه نیز محرک اصلی، سقوط چشمگیر هزینه‌های بهره‌برداری از منابع تجدیدپذیر مانند انرژی خورشیدی و بادی است.
هولاند می‌گوید: «افت شدید هزینه‌ها امکان استقرار گسترده انرژی‌های تجدیدپذیر را فراهم کرده است، چراکه این منابع در بسیاری از مناطق به ارزان‌ترین راهکار تولید برق تبدیل شده‌اند. هم‌زمان، برای نخستین بار در طول بیش از یک دهه گذشته، تقاضای مصرف برق در ایالات متحده روندی صعودی به خود گرفته است.»
با افزایش سهم منابع تجدیدپذیر ارزان‌قیمت اما متغیر، تطبیق دقیق عرضه و تقاضا در طول ساعات شبانه‌روز برای اپراتورهای شبکه به چالشی پیچیده‌تر تبدیل می‌شود. موضوعی که این پیچیدگی را تشدید می‌کند این است که تولید انرژی‌های تجدیدپذیر و میزان تقاضای برق، هر دو در مناطق مختلف به شیوه‌های متفاوتی تحت تأثیر آب‌وهوا و شرایط اقلیمی قرار می‌گیرند.
در گذشته، پژوهشگران عموماً پیامدهای تغییر اقلیم را تنها بر روی تک‌تک فناوری‌ها بررسی می‌کردند؛ برای نمونه، اثر تغییرات اقلیمی بر الگوهای جهانی باد و تابش خورشید ارزیابی می‌شد. سایر مطالعات نیز اثرات اقلیمی را در مقیاس‌های بسیار بزرگ در نظر می‌گرفتند و از ویژگی‌های جزئی سیستم‌های انرژی منطقه‌ای غافل می‌شدند. اخیراً مطالعاتی در سطح منطقه‌ای انجام شده است، اما این تحقیقات نیز عمدتاً بر مدل‌های اقلیمی جهانی با وضوح و تفکیک‌پذیری پایین اتکا داشته‌اند.
هولاند می‌افزاید: «مدل‌های اقلیمی جهانی تصویری کلی و با تفکیک‌پذیری درشت ارائه می‌دهند که برای ارزیابی ریسک و برنامه‌ریزی دقیق سیستم‌های منطقه‌ای ناکافی است و بینش محدودی فراهم می‌کند.»
پژوهشگران MIT مناطق تگزاس و نیوانگلند را برای مطالعه خود انتخاب کردند، زیرا این دو منطقه نماینده دو نوع اقلیم و ساختار شبکه انرژی کاملاً متفاوت هستند. این تیم از مدل‌های هواشناسی مقیاس‌ریز بهره برد و تأثیر تغییر اقلیم را بر آسیب‌های عملکردی شبکه ناشی از مخاطرات آب‌وهوایی ارزیابی کرد.
هولاند توضیح می‌دهد: «این مطالعه اثرات هم‌زمان و مشترک بر بخش‌های چندگانه سیستم انرژی را بررسی می‌کند؛ رویکردی مشابه با تحلیل رویدادهای مرکب در علوم اقلیمی. یک پدیده جوی فرین می‌تواند به‌طور هم‌زمان تولید برق خورشیدی و بادی را مختل کرده و تقاضای مصرف را به اوج برساند. فرضیه ما این است که بیشترین پیامد تغییر اقلیم بر سیستم‌های انرژی از همین برهم‌کنش‌های هم‌زمان ناشی خواهد شد.»
پژوهشگران همچنین کاربرد مدل‌های اقلیمی را در مکان‌یابی پروژه‌ها تا افق سال ۲۰۵۰ مورد بررسی قرار دادند، چراکه این بازه زمانی با طول عمر مفید نیروگاه‌های خورشیدی و بادی در حال احداث هم‌خوانی دارد. یافته‌ها نشان داد نقاطی که در شرایط اقلیمی گذشته برای تأمین انرژی بادی و خورشیدی مناسب بودند، در شرایط اقلیمی آینده بازدهی کاملاً متفاوتی خواهند داشت.
بر اساس این تحقیق، اگر در مکان‌یابی پروژه‌ها شرایط اقلیمی آینده لحاظ نشود، تغییر اقلیم می‌تواند آسیب‌های عملکردی و نارسایی‌های شبکه انرژی را تا سال ۲۰۵۰ تا ۵۰۰ درصد افزایش دهد. این اختلالات عمدتاً ناشی از تلاقی افت چندروزه تولید تجدیدپذیرها با تصمیمات مرتبط با طراحی شبکه — مانند محل احداث مزارع خورشیدی و خطوط انتقال — خواهد بود.
لی‌ینگ چیو، نویسنده نخست این مقاله، تصریح می‌کند: «یافته‌های ما نشان می‌دهد مکانی که برای استقرار نیروگاه‌های بادی و خورشیدی انتخاب می‌شود، نقشی بنیادین در توانایی تأمین انرژی پایدار در زمان اوج مصرف دارد. ما باید بیش از آنکه صرفاً بر افزایش ظرفیت کلی تمرکز کنیم، بر زمان و مکان دقیق افزودن منابع تجدیدپذیر تمرکز داشته باشیم.»
در سیستم برق نیوانگلند، محققان دریافتند که اختلالات تأمین انرژی ناشی از تغییرات جوی، نیازمند سرمایه‌گذاری بر توسعه ظرفیت خورشیدی و احداث خطوط انتقال در نزدیکی مراکز پرمصرف شهری است. در مقابل، در تگزاس ریسک‌های اختلال در تأمین برق عمدتاً از محدودیت‌های ظرفیت خطوط انتقال سرچشمه می‌گرفت.
بررسی‌ها مشخص کرد که طراحی‌های آگاه به اقلیم، توسعه مزارع بادی در غرب تگزاس را در اولویت قرار می‌دهند تا با الگوهای تقاضای آینده سازگاری بهتری داشته باشد. با فرض تداوم توسعه ظرفیت تجدیدپذیر در هر دو منطقه، پژوهشگران نتیجه گرفتند که تگزاس می‌تواند بدون تحمیل هزینه‌های گزاف و با هزینه‌ای نزدیک به صفر، تاب‌آوری شبکه برق خود را به حداکثر برساند.
چیو می‌افزاید: «ما نشان دادیم که افزایش تاب‌آوری انرژی لزوماً مستلزم صرف بودجه‌های کلان نیست، بلکه در درجه اول نیازمند برنامه‌ریزی هوشمندانه‌تر و دقیق‌تر است.»
رویکردی نو در سازگاری با تغییر اقلیم
هولاند معتقد است اتخاذ دیدگاهی همه‌جانبه نسبت به پیامدهای تغییر اقلیم بر سیستم‌های انرژی، به تیم پژوهشی امکان داده است تصویری شفاف‌تر از ریسک خاموشی‌ها و سایر اختلالات بالقوه در شبکه به دست آورند.
او می‌گوید: «در سطح یک نیروگاه منفرد، تغییر اقلیم شاید عامل اصلی عدم قطعیت به نظر نرسد؛ مسئله اساسی چگونگی پیوند و تعامل میان تمام اجزای سیستم انرژی و بار تقاضا است. بزرگ‌ترین اثرات تغییر اقلیم در همین پیوندهای شبکه‌ای بروز می‌کند، نه صرفاً در بازدهی یک مزرعه بادی یا خورشیدی خاص.»
اگرچه به دلیل استفاده از مدل‌های پرهزینه با تفکیک‌پذیری بالا، بهره‌برداری روزمره از این چارچوب برای گردانندگان شبکه در حال حاضر دشوار است، اما پژوهشگران در تلاش‌اند مدل‌های سریع‌تر و کاربردی‌تری توسعه دهند تا اپراتورهای شبکه بتوانند به‌راحتی از آن‌ها استفاده کنند.
هولاند در پایان اشاره می‌کند: «این مطالعه هم نیاز مبرم و هم فرصت‌های پیش‌رو را نمایان می‌سازد. عدم سازگاری زیرساخت‌ها با ریسک‌های قابل‌توجهی همراه است، درحالی‌که سازگار کردن سیستم‌ها می‌تواند فرصت‌هایی بزرگ و کم‌هزینه ایجاد کند. چالش بنیادین کنونی، پر کردن شکاف عظیم داده‌ای میان علم هواشناسی و مدیریت و برنامه‌ریزی سیستم‌های انرژی است. در حال حاضر مرز پررنگی میان مدلسازان اقلیمی و متخصصان اجرایی صنعت برق وجود دارد و هدف ما این است که از طریق تحقیقات بین‌رشته‌ای این موانع را از میان برداریم.»
