দক্ষিণ ও মধ্য আমেরিকার জন্য ১০০% নবায়নযোগ্য শক্তি সরবরাহে জলবিদ্যুৎ, বায়ু ও সৌরশক্তি

সূচিপত্র

1. ভূমিকা ও সারসংক্ষেপ

এই গবেষণাটি ২০৩০ সালের মধ্যে দক্ষিণ ও মধ্য আমেরিকা জুড়ে ১০০% নবায়নযোগ্য শক্তি (আরই) সরবরাহ অর্জনের জন্য একটি অগ্রগামী, ঘণ্টাভিত্তিক সমাধানকৃত শক্তি ব্যবস্থা মডেলিং অধ্যয়ন উপস্থাপন করে। এই অঞ্চলটি, যদিও বর্তমানে উচ্চ জলবিদ্যুৎ অনুপ্রবেশের কারণে বিশ্বের সর্বনিম্ন কার্বন-নিবিড় বিদ্যুৎ মিশ্রণের অধিকারী, জল সম্পদের জন্য হুমকিস্বরূপ জলবায়ু পরিবর্তনশীলতা থেকে উল্লেখযোগ্য চ্যালেঞ্জের মুখোমুখি। এই গবেষণাটি উচ্চ-ভোল্টেজ সরাসরি কারেন্ট (এইচভিডিসি) ট্রান্সমিশন এবং পাওয়ার-টু-গ্যাস (পিটিজি) এর মতো সক্ষমকারী প্রযুক্তি দ্বারা সমর্থিত, জলবিদ্যুৎ, বায়ু ও সৌর ফটোভোলটাইক (পিভি) শক্তিপ্রধান একটি ব্যবস্থায় রূপান্তরের প্রযুক্তিগত ও অর্থনৈতিক সম্ভাব্যতা তদন্ত করে।

2. পদ্ধতি ও পরিস্থিতি

2.1. শক্তি মডেল ও আঞ্চলিক বিভাজন

বিশ্লেষণটি মোট বার্ষিকীকৃত ব্যবস্থা ব্যয় কমানোর জন্য একটি রৈখিক অপ্টিমাইজেশন মডেল ব্যবহার করে। ভৌগোলিক এলাকাটি ১৫টি আন্তঃসংযুক্ত উপ-অঞ্চলে বিভক্ত করা হয়েছে, যা শক্তি বিনিময়ের সিমুলেশন সম্ভব করে। মডেলটি এক রেফারেন্স বছরের জন্য ঘণ্টাভিত্তিক রেজোলিউশনে ভিত্তি করে তৈরি, যা নবায়নযোগ্য উৎসগুলির পরিবর্তনশীলতা ধারণ করে।

2.2. সংজ্ঞায়িত পরিস্থিতি

অবকাঠামো ও খাত সংযুক্তির প্রভাব মূল্যায়নের জন্য চারটি প্রাথমিক পরিস্থিতি তৈরি করা হয়েছিল:

• পরিস্থিতি ১ (অঞ্চল): সীমিত এইচভিডিসি গ্রিড, প্রধানত বড় উপ-অঞ্চলের মধ্যে।
• পরিস্থিতি ২ (দেশ): দেশের মধ্যে উন্নত এইচভিডিসি সংযোগ।
• পরিস্থিতি ৩ (এলাকাব্যাপী): সমস্ত ১৫টি উপ-অঞ্চল জুড়ে সম্পূর্ণ এইচভিডিসি গ্রিড একীকরণ।
• পরিস্থিতি ৪ (একীভূত): পরিস্থিতি ৩ এর উপর ভিত্তি করে, সমুদ্রের লবণাক্ত পানির মিষ্টিকরণের (৩.৯ বিলিয়ন m³) জন্য বিদ্যুতের চাহিদা এবং পিটিজির মাধ্যমে সিন্থেটিক প্রাকৃতিক গ্যাস (এসএনজি) উৎপাদন (৬৪০ TWh_LHV) যোগ করা হয়েছে।

2.3. লবণাক্ত পানির মিষ্টিকরণ ও পাওয়ার-টু-গ্যাসের একীকরণ

একীভূত পরিস্থিতিটি একটি মূল উদ্ভাবন, যা খাঁটি বিদ্যুৎ সরবরাহের বাইরে গিয়ে কাজ করে। এটি মিষ্টিকরণের মাধ্যমে পানির স্বল্পতা মোকাবেলা করে এবং বিদ্যুতায়ন করা কঠিন শিল্প প্রক্রিয়ার জন্য একটি কার্বন-নিরপেক্ষ জ্বালানি (এসএনজি) সরবরাহ করে, যা অন্যথায় বাতিল করা হতো এমন অতিরিক্ত নবায়নযোগ্য বিদ্যুৎ ব্যবহার করে।

3. মূল ফলাফল ও অনুসন্ধান

3.1. শক্তির মিশ্রণ ও উৎপাদন ক্ষমতা

সর্বোত্তম মিশ্রণে প্রধানত সৌর পিভি (~৫০-৬০% উৎপাদন), তারপর বায়ু শক্তি (~২০-৩০%), এবং জলবিদ্যুৎ (~১০-২০%) রয়েছে। বিদ্যমান জলবিদ্যুৎ ক্ষমতা শুধুমাত্র উৎপাদনে নয়, আরও গুরুত্বপূর্ণভাবে, নমনীয়তা প্রদানে একটি গুরুত্বপূর্ণ ভূমিকা পালন করে।

3.2. ব্যয় বিশ্লেষণ: এলসিওই, এলসিওজি, এলসিওডব্লিউ

গ্রিড কেন্দ্রীকরণ ব্যয় কমায়। এলসিওই বিকেন্দ্রীভূত (অঞ্চল) পরিস্থিতিতে ৬২ €/MWh থেকে সম্পূর্ণ কেন্দ্রীভূত (এলাকাব্যাপী) পরিস্থিতিতে ৫৬ €/MWh এ নেমে আসে। একীভূত পরিস্থিতিটি উল্লিখিত ব্যয়ে এসএনজি ও মিষ্টিকৃত পানি উৎপাদন করে, যা খাত সংযুক্তির অর্থনৈতিক সম্ভাবনা প্রদর্শন করে।

3.3. ভার্চুয়াল সঞ্চয়স্থান হিসেবে জলবিদ্যুতের ভূমিকা

একটি সমালোচনামূলক অনুসন্ধান হল বিদ্যমান জলবিদ্যুৎ বাঁধগুলিকে "ভার্চুয়াল ব্যাটারি" হিসেবে ব্যবহার করা। সৌর ও বায়ু উৎপাদনের সাথে কৌশলগতভাবে জলবিদ্যুৎ ডিসপ্যাচ করে, অতিরিক্ত ইলেক্ট্রোকেমিক্যাল স্টোরেজের প্রয়োজনীয়তা ব্যাপকভাবে হ্রাস পায়। এটি গ্রিড স্থিতিশীলতার বিশাল সুবিধার জন্য ডুবে যাওয়া অবকাঠামো ব্যয়ের সুবিধা নেয়।

3.4. ব্যবস্থা একীকরণের সুবিধা

মিষ্টিকরণ ও পিটিজি একীভূত করলে প্রয়োজনীয় বিদ্যুৎ উৎপাদনে ৫% হ্রাস এবং মোট ব্যবস্থা ব্যয়ে ৮% হ্রাস ঘটে। এটি অন্যথায় বাতিল করা হতো এমন নবায়নযোগ্য শক্তি ব্যবহার করে অর্জন করা হয়, সামগ্রিক ব্যবস্থার ব্যবহার ও অর্থনীতি উন্নত করে।

4. প্রযুক্তিগত বিবরণ ও গাণিতিক সূত্রায়ন

মডেলের মূল হল একটি ব্যয় ন্যূনতমকরণ সমস্যা। উদ্দেশ্য ফাংশনটি মোট বার্ষিক ব্যয় $C_{total}$ কে ন্যূনতম করে:

$C_{total} = \sum_{t, r} (C_{cap} \cdot Cap_{r, tech} + C_{op} \cdot Gen_{t, r, tech} + C_{trans} \cdot Trans_{t, r1, r2})$

নিম্নলিখিত সীমাবদ্ধতার অধীন:

• শক্তি ভারসাম্য: $\sum_{tech} Gen_{t,r,tech} + \sum_{r2} Trans_{t, r2, r} = Demand_{t,r} + \sum_{r2} Trans_{t, r, r2} + Storage_{out, t, r} - Storage_{in, t, r}$ সমস্ত ঘণ্টা $t$, অঞ্চল $r$ এর জন্য।
• ক্ষমতার সীমা: $Gen_{t,r,tech} \leq CF_{t,r,tech} \cdot Cap_{r, tech}$ যেখানে $CF$ হল ঘণ্টাভিত্তিক ক্ষমতা ফ্যাক্টর।
• সঞ্চয়স্থান গতিবিদ্যা: $E_{t+1, r} = E_{t, r} + \eta_{in} \cdot Storage_{in, t, r} - \frac{1}{\eta_{out}} \cdot Storage_{out, t, r}$
• জলবিদ্যুৎ জলাধার ব্যবস্থাপনা: পানির প্রবাহ, সঞ্চয়স্থানের সীমা এবং ন্যূনতম পরিবেশগত প্রবাহ মডেলিং করার সীমাবদ্ধতা।

পিটিজি প্রক্রিয়াটি একটি দক্ষতা $\eta_{PtG}$ (যেমন, এসএনজির জন্য ~৫৮%) দিয়ে মডেল করা হয়েছে, যা বিদ্যুৎ ইনপুট $E_{in}$ কে গ্যাস আউটপুট $G_{out}$ এর সাথে সংযুক্ত করে: $G_{out} = \eta_{PtG} \cdot E_{in}$।

5. পরীক্ষামূলক ফলাফল ও চার্টের বিবরণ

চার্ট ১: পরিস্থিতি অনুযায়ী স্থাপিত ক্ষমতা
একটি স্তূপযুক্ত বার চার্ট চারটি পরিস্থিতি জুড়ে সৌর পিভি, বায়ু, জলবিদ্যুৎ এবং গ্যাস টারবাইনগুলির (কিছু পরিস্থিতিতে ব্যাকআপের জন্য) GW ক্ষমতা দেখাবে। পিটিজি থেকে অতিরিক্ত চাহিদার কারণে "একীভূত" পরিস্থিতিতে সর্বোচ্চ মোট ক্ষমতা দেখা যায়।

চার্ট ২: একটি প্রতিনিধিত্বমূলক উপ-অঞ্চলের জন্য ঘণ্টাভিত্তিক উৎপাদন প্রোফাইল (যেমন, ব্রাজিল দক্ষিণ-পূর্ব)
এক সপ্তাহের একটি বহু-রেখা চার্টে দেখা যাবে জলবিদ্যুৎ উৎপাদন সৌর পিভি থেকে বড় দৈনিক চূড়া এবং বায়ু থেকে আরও পরিবর্তনশীল আউটপুটকে মসৃণ করছে। "ভার্চুয়াল ব্যাটারি" প্রভাব দৃশ্যত স্পষ্ট যখন জলবিদ্যুৎ উৎপাদন রৌদ্রোজ্জ্বল/বাতাসের সময়ে কমে যায় এবং রাতে বা শান্ত সময়ে বেড়ে যায়।

চার্ট ৩: ব্যবস্থা ব্যয় বিভাজন
একীভূত পরিস্থিতির জন্য একটি পাই চার্ট মোট বার্ষিকীকৃত ব্যয়ের অংশ দেখায় যা বরাদ্দ করা হয়েছে: সৌর পিভি ক্যাপেক্স ও ওপেক্স, বায়ু ক্যাপেক্স ও ওপেক্স, এইচভিডিসি গ্রিড, পাওয়ার-টু-গ্যাস প্ল্যান্ট এবং মিষ্টিকরণ প্ল্যান্ট। এটি রূপান্তরের মূলধন-নিবিড় প্রকৃতিকে তুলে ধরে।

6. বিশ্লেষণাত্মক কাঠামো: পরিস্থিতি মডেলিংয়ের উদাহরণ

কেস: গ্রিড সম্প্রসারণ বনাম স্থানীয় সঞ্চয়স্থান মূল্যায়ন
চিলির একটি ইউটিলিটি (উচ্চ সৌর) বিবেচনা করছে যে আর্জেন্টিনার (পরিপূরক বায়ু/জলবিদ্যুৎ) সাথে একটি নতুন এইচভিডিসি লাইনে বিনিয়োগ করবে নাকি একটি বৃহৎ-পরিসরের ব্যাটারি ফার্ম তৈরি করবে।

কাঠামো প্রয়োগ:
১. নোড সংজ্ঞায়িত করুন: চিলি (নোড এ), আর্জেন্টিনা (নোড বি)।
২. ইনপুট ডেটা: এ এর জন্য ঘণ্টাভিত্তিক সৌর সিএফ, বি এর জন্য ঘণ্টাভিত্তিক বায়ু/জলবিদ্যুৎ সিএফ, চাহিদা প্রোফাইল, এইচভিডিসি লাইনের মূলধন ব্যয় ($/MW-km) এবং ব্যাটারির মূলধন ব্যয় ($/kWh)।
৩. মডেল বৈকল্পিক চালান:
- বৈকল্পিক ১ (বিচ্ছিন্ন): নোড এ কে স্থানীয়ভাবে তার চাহিদা পূরণ করতে হবে, রাতের আচ্ছাদনের জন্য উল্লেখযোগ্য ব্যাটারি ক্ষমতার প্রয়োজন হবে।
- বৈকল্পিক ২ (সংযুক্ত): নোড এ এবং বি একটি নির্দিষ্ট ক্ষমতার এইচভিডিসি লাইন দিয়ে সংযুক্ত। দিনের বেলা এ থেকে অতিরিক্ত সৌরশক্তি বি তে পাঠানো যেতে পারে; রাতে, বি থেকে জলবিদ্যুৎ/বায়ুশক্তি এ কে সরবরাহ করতে পারে।
৪. অপ্টিমাইজ করুন ও তুলনা করুন: মডেলটি উভয় বৈকল্পিকের মোট ব্যয় ন্যূনতম করে। ফলাফল সাধারণত দেখায় যে ট্রান্সমিশন ব্যয় সত্ত্বেও, বৈকল্পিক ২ সস্তা কারণ এ তে ব্যয়বহুল সঞ্চয়স্থানের প্রয়োজনীয়তা হ্রাস পায় এবং বি তে বিদ্যমান নমনীয় জলবিদ্যুতের আরও ভাল ব্যবহার হয়। এটি ট্রান্সমিশনের মূল্য সম্পর্কে গবেষণার মূল অনুসন্ধানকে প্রতিফলিত করে।

7. সমালোচনামূলক বিশ্লেষণ ও বিশেষজ্ঞ ব্যাখ্যা

মূল অন্তর্দৃষ্টি: এই গবেষণাটি শুধু একটি সবুজ কল্পনা নয়; এটি একটি কঠোর প্রকৌশল নীলনকশা যা দক্ষিণ আমেরিকার বিদ্যমান জলবিদ্যুৎ অবকাঠামোতে আটকে থাকা সুপ্ত আর্থিক ও কৌশলগত মূল্য প্রকাশ করে। প্রকৃত অগ্রগতি হল জলবিদ্যুৎ বাঁধগুলিকে কেবলমাত্র জেনারেটর হিসেবে নয়, বরং মহাদেশীয়-পরিসরের, শূন্য প্রান্তিক ব্যয়ের গ্রিড স্থিতিশীলকারী হিসেবে পুনর্বিবেচনা করা—একটি "ভার্চুয়াল ব্যাটারি" যা নতুন সঞ্চয়স্থান বিনিয়োগে শত শত বিলিয়ন ডলার বাঁচাতে পারে। এটি একটি সম্ভাব্য জলবায়ু দুর্বলতা (জলবিদ্যুৎ পরিবর্তন) স্থিতিস্থাপকতার একটি মৌলিক ভিত্তিতে পরিণত করে।

যুক্তিসঙ্গত প্রবাহ: যুক্তিটি আকর্ষণীয়ভাবে রৈখিক: ১) পরিবর্তনশীল নবায়নযোগ্য শক্তি (সৌর/বায়ু) এখন সবচেয়ে সস্তা উৎস। ২) তাদের অসমতা হল প্রধান সমস্যা। ৩) দক্ষিণ আমেরিকার একটি অনন্য, পূর্বপ্রদত্ত সমাধান রয়েছে—তার বিশাল জলবিদ্যুৎ বহর—যাকে সঞ্চয়স্থান-প্রথম অপারেশনের জন্য ডিজিটালি পুনরায় অপ্টিমাইজ করা যেতে পারে। ৪) পরিপূরক অঞ্চলগুলির মধ্যে এইচভিডিসি "স্ট্রিং" যোগ করা (যেমন, বাতাসপাটাগোনিয়া থেকে রৌদ্রোজ্জ্বল উত্তর-পূর্ব ব্রাজিল) একটি ভৌগোলিক ব্যাটারি প্রভাব তৈরি করে, আরও ব্যয় হ্রাস করে। ৫) শেষ পর্যন্ত, উদ্বৃত্ত নবায়নযোগ্য ইলেকট্রন ব্যবহার করে অণু (গ্যাস) ও পানি তৈরি করা সংলগ্ন বহু-বিলিয়ন ডলারের শিল্প ও স্বল্পতার সমস্যা মোকাবেলা করে, একটি সদর্থক অর্থনৈতিক চক্র তৈরি করে।

শক্তি ও ত্রুটি:
শক্তি: ঘণ্টাভিত্তিক মডেলিং সর্বাধুনিক এবং বিশ্বাসযোগ্য আরই গবেষণার জন্য অপরিহার্য। খাত সংযুক্তি (পিটিজি, মিষ্টিকরণ) একাডেমিক অনুশীলন থেকে বাস্তব-বিশ্বের নীতি প্রাসঙ্গিকতায় চলে যায়। বিদ্যমান জলবিদ্যুৎ ব্যবহার করা ব্যবহারিক চিন্তার একটি মাস্টারস্ট্রোক।
ত্রুটি: মডেলের মার্জিততা নিষ্ঠুর রাজনৈতিক ও নিয়ন্ত্রক বাধা উপেক্ষা করে। মহাদেশ-ব্যাপী এইচভিডিসি গ্রিড নির্মাণে সার্বভৌমত্বের দুঃস্বপ্ন জড়িত যা ইইউর সংগ্রামের অনুরূপ। ২০৩০ সালের সময়সীমা এই মাত্রার প্রকল্প অর্থায়ন ও অনুমতির জন্য অত্যন্ত আশাবাদী। এটি নতুন মেগা-অবকাঠামোর জন্য সামাজিক অনুমোদন ধরে নেয়, যা ক্রমবর্ধমানভাবে বিতর্কিত। ব্যয় অনুমান, যদিও ২০১৫ সালের রেফারেন্স দেওয়া হয়েছে, ২০২২-পরবর্তী মুদ্রাস্ফীতি ও সরবরাহ শৃঙ্খল ধাক্কার পরে জরুরিভাবে আপডেট করার প্রয়োজন।

কার্যকরী অন্তর্দৃষ্টি:
১. নিয়ন্ত্রকদের জন্য: বিদ্যুৎ বাজার নকশাগুলি অবিলম্বে সংস্কার করুন যাতে নমনীয়তা ও ক্ষমতা (শুধু শক্তি নয়) আর্থিকভাবে পুরস্কৃত হয়। জলবিদ্যুৎ অপারেটরদের ব্যাটারির মতো "ভারসাম্য পরিষেবার" জন্য অর্থ প্রদান করা উচিত।
২. বিনিয়োগকারীদের জন্য: নিকটতম সময়ের সবচেয়ে বড় সুযোগ নতুন সৌর খামারে নয়—বিদ্যমান জলবিদ্যুতের জন্য ডিজিটালাইজেশন ও নিয়ন্ত্রণ ব্যবস্থায় রয়েছে তাদের গ্রিড-ভারসাম্য আয় সর্বাধিক করার জন্য।
৩. সরকারগুলির জন্য: পাইলট প্রকল্প হিসেবে দ্বিপাক্ষিক "শক্তি সেতু" চুক্তি (যেমন, চিলি-আর্জেন্টিনা) দিয়ে শুরু করুন। পিটিজি ইলেক্ট্রোলাইজার ক্যাপেক্স কমানোর উপর আরঅ্যান্ডডি কেন্দ্রীভূত করুন, কারণ এটি একীভূত পরিস্থিতির মূল চাবিকাঠি।
৪. সমালোচনামূলক পথ: একক সবচেয়ে গুরুত্বপূর্ণ সাফল্যের কারণ হল ট্রান্সমিশন। এটি ছাড়া, ভার্চুয়াল ব্যাটারি খণ্ডিত থাকে। ইউরোপের TEN-E এর আদলে একটি প্যান-আমেরিকান গ্রিড উদ্যোগ শীর্ষ কূটনৈতিক অগ্রাধিকার হতে হবে।

8. ভবিষ্যত প্রয়োগ ও গবেষণার দিকনির্দেশ

• সবুজ হাইড্রোজেন রপ্তানি: মডেলের পিটিজি উপাদানটি ইউরোপ ও এশিয়ায় রপ্তানির জন্য বৃহৎ-পরিসরের সবুজ হাইড্রোজেন উৎপাদন মডেল করার জন্য প্রসারিত করা যেতে পারে, দক্ষিণ আমেরিকাকে একটি নবায়নযোগ্য শক্তি শক্তিশালী কেন্দ্রে রূপান্তরিত করে।
• জলবায়ু স্থিতিস্থাপকতা মডেলিং: ভবিষ্যত কাজে জলবিদ্যুৎ চক্র ও বায়ু ধারার পূর্বাভাসিত পরিবর্তনের বিরুদ্ধে ব্যবস্থাকে স্ট্রেস-টেস্ট করার জন্য আরও সূক্ষ্ম জলবায়ু মডেল একীভূত করতে হবে।
• বিতরণকৃত শক্তি সম্পদ (ডিইআর) একীকরণ: কেন্দ্রীভূত গ্রিড পরিকল্পনায় তাদের প্রভাব বোঝার জন্য মডেলে ছাদ সৌর, মিটার-পিছনের সঞ্চয়স্থান এবং বৈদ্যুতিক যান চার্জিং অন্তর্ভুক্ত করা।
• উন্নত সঞ্চয়স্থান মূল্যায়ন: জলবিদ্যুতের নমনীয়তা দ্বারা প্রদত্ত অর্থনৈতিক মূল্যের বিশদ বিশ্লেষণ, আধুনিকীকরণের জন্য বিনিয়োগ আকর্ষণ করার জন্য মানসম্মত মেট্রিক তৈরি করা।
• নীতি ও বাজার সিমুলেশন: প্রযুক্তি-অর্থনৈতিক মডেলটিকে এজেন্ট-ভিত্তিক মডেলের সাথে যুক্ত করে নিয়ন্ত্রক কাঠামো, বিনিয়োগ আচরণ এবং সীমান্ত-পার বিদ্যুৎ বাণিজ্য চুক্তি সিমুলেট করা।

9. তথ্যসূত্র

1. World Bank. (2016). World Development Indicators. GDP growth (annual %).
2. International Energy Agency (IEA). (2014). World Energy Outlook 2014.
3. International Energy Agency (IEA). (2015). Key World Energy Statistics 2015.
4. U.S. Energy Information Administration (EIA). (2015). International Energy Statistics.
5. de Jong, P., et al. (2015). Hydropower, climate change and uncertainty in Brazil. Renewable and Sustainable Energy Reviews.
6. ONS (Brazilian National Grid Operator). (2015). Weekly Operation Reports.
7. EPE (Brazilian Energy Research Office). (2015). Brazilian Energy Balance 2015.
8. Bogdanov, D., & Breyer, C. (2016). North-East Asian Super Grid for 100% renewable energy supply: Optimal mix of energy technologies for electricity, gas and heat supply options. Energy Conversion and Management. (For methodology context).
9. International Renewable Energy Agency (IRENA). (2020). Global Renewables Outlook: Energy transformation 2050. (For updated cost and potential data).
10. Jacobson, M.Z., et al. (2015). 100% clean and renewable wind, water, and sunlight (WWS) all-sector energy roadmaps for 139 countries of the world. Joule. (For comparative 100% RE study methodology).