فهرست مطالب
1. مقدمه و مرور کلی
این پژوهش، یک مطالعه پیشگامانه مدلسازی سیستم انرژی با وضوح ساعتی را برای دستیابی به تأمین ۱۰۰٪ انرژی تجدیدپذیر (RE) در سراسر آمریکای جنوبی و مرکزی تا سال ۲۰۳۰ ارائه میدهد. این منطقه، اگرچه در حال حاضر به دلیل نفوذ بالای انرژی برقآبی، کمکربنترین ترکیب تولید برق جهان را دارد، اما با چالشهای قابل توجهی از سوی تغییرات آبوهوایی که منابع آبی را تهدید میکند، مواجه است. این مطالعه امکانسنجی فنی و اقتصادی گذار به سیستمی را بررسی میکند که توسط انرژیهای آبی، بادی و فتوولتائیک خورشیدی (PV) غالب است و توسط فناوریهای توانمندساز مانند انتقال جریان مستقیم با ولتاژ بالا (HVDC) و برق-به-گاز (PtG) پشتیبانی میشود.
2. روششناسی و سناریوها
2.1. مدل انرژی و تقسیمبندی منطقهای
این تحلیل از یک مدل بهینهسازی خطی برای کمینه کردن کل هزینه سالانه سیستم استفاده میکند. منطقه جغرافیایی به ۱۵ زیرمنطقه به هم پیوسته تقسیمبندی شده است که امکان شبیهسازی تبادل انرژی را فراهم میکند. این مدل بر اساس وضوح ساعتی برای یک سال مرجع است و نوسان منابع تجدیدپذیر را ثبت میکند.
2.2. سناریوهای تعریفشده
چهار سناریوی اصلی برای ارزیابی تأثیر زیرساخت و اتصال بخشها توسعه داده شد:
- سناریو ۱ (منطقه): شبکه HVDC محدود، عمدتاً درون زیرمناطق بزرگ.
- سناریو ۲ (کشور): اتصالات HVDC تقویتشده درون کشورها.
- سناریو ۳ (فراگیر منطقه): ادغام کامل شبکه HVDC در تمام ۱۵ زیرمنطقه.
- سناریو ۴ (یکپارچه): بر پایه سناریو ۳ ساخته شده و تقاضای برق برای شیرینسازی آب دریا (۳.۹ میلیارد مترمکعب) و تولید گاز طبیعی مصنوعی (SNG) از طریق PtG (۶۴۰ تراواتساعتLHV) را اضافه میکند.
2.3. ادغام آبشیرینکن و فناوری برق-به-گاز
سناریوی یکپارچه یک نوآوری کلیدی است که فراتر از تأمین صرف برق حرکت میکند. این سناریو از طریق شیرینسازی آب به مسئله کمآبی میپردازد و با استفاده از برق تجدیدپذیر مازادی که در غیر این صورت محدود میشد، یک سوخت خنثی از نظر کربن (SNG) برای فرآیندهای صنعتی سختالکتریکیسازی فراهم میکند.
3. نتایج و یافتههای کلیدی
آمار کلیدی سیستم (۲۰۳۰، سناریوی یکپارچه)
- کل تقاضای برق: ۱۸۱۳ تراواتساعت
- مقدار اضافی برای PtG/شیرینسازی: ~۶۴۰ تراواتساعت برای SNG
- هزینه ترازشده برق (LCOE): ۵۶ یورو/مگاواتساعت (شبکه متمرکز)
- هزینه ترازشده گاز (LCOG): ۹۵ یورو/مگاواتساعتLHV
- هزینه ترازشده آب (LCOW): ۰.۹۱ یورو/مترمکعب
- کاهش هزینه ناشی از یکپارچگی: ۸٪ در کل هزینه سیستم
- کاهش تولید ناشی از یکپارچگی: ۵٪ به دلیل استفاده بهینه از انرژی مازاد
3.1. ترکیب انرژی و ظرفیت
ترکیب بهینه عمدتاً توسط فتوولتائیک خورشیدی (~۵۰-۶۰٪ از تولید)، سپس انرژی بادی (~۲۰-۳۰٪) و انرژی برقآبی (~۱۰-۲۰٪) غالب است. ظرفیت موجود برقآبی نه تنها در تولید، بلکه مهمتر از آن، در تأمین انعطافپذیری نقش حیاتی ایفا میکند.
3.2. تحلیل هزینه: LCOE، LCOG، LCOW
متمرکزسازی شبکه هزینهها را کاهش میدهد. LCOE از ۶۲ یورو/مگاواتساعت در سناریوی غیرمتمرکز (منطقه) به ۵۶ یورو/مگاواتساعت در سناریوی کاملاً متمرکز (فراگیر منطقه) کاهش مییابد. سناریوی یکپارچه، SNG و آب شیرین شده را با هزینههای اعلام شده تولید میکند که پتانسیل اقتصادی اتصال بخشها را نشان میدهد.
3.3. نقش انرژی برقآبی بهعنوان ذخیرهسازی مجازی
یک یافته حیاتی، استفاده از سدهای آبی موجود بهعنوان «باتریهای مجازی» است. با اعزام استراتژیک نیروی برقآبی در کنار خروجی خورشیدی و بادی، نیاز به ذخیرهسازی الکتروشیمیایی اضافی به شدت کاهش مییابد. این امر از هزینههای زیرساخت انجامشده برای منافع عظیم پایداری شبکه بهره میبرد.
3.4. مزایای ادغام سیستم
ادغام شیرینسازی و PtG منجر به کاهش ۵٪ در تولید برق مورد نیاز و کاهش ۸٪ در کل هزینه سیستم میشود. این امر با استفاده از انرژی تجدیدپذیر محدودشده در غیر این صورت، بهبود بهرهوری و اقتصاد کلی سیستم حاصل میشود.
4. جزئیات فنی و فرمولبندی ریاضی
هسته مدل یک مسئله کمینهسازی هزینه است. تابع هدف، کل هزینه سالانه $C_{total}$ را کمینه میکند:
$C_{total} = \sum_{t, r} (C_{cap} \cdot Cap_{r, tech} + C_{op} \cdot Gen_{t, r, tech} + C_{trans} \cdot Trans_{t, r1, r2})$
مشروط به محدودیتهای:
- تراز انرژی: $\sum_{tech} Gen_{t,r,tech} + \sum_{r2} Trans_{t, r2, r} = Demand_{t,r} + \sum_{r2} Trans_{t, r, r2} + Storage_{out, t, r} - Storage_{in, t, r}$ برای تمام ساعات $t$، مناطق $r$.
- محدودیتهای ظرفیت: $Gen_{t,r,tech} \leq CF_{t,r,tech} \cdot Cap_{r, tech}$ که در آن $CF$ ضریب ظرفیت ساعتی است.
- پویایی ذخیرهسازی: $E_{t+1, r} = E_{t, r} + \eta_{in} \cdot Storage_{in, t, r} - \frac{1}{\eta_{out}} \cdot Storage_{out, t, r}$
- مدیریت مخزن برقآبی: محدودیتهای مدلسازی جریان ورودی آب، محدودیتهای ذخیرهسازی و حداقل جریانهای زیستمحیطی.
فرآیند PtG با بازده $\eta_{PtG}$ (مثلاً ~۵۸٪ برای SNG) مدل شده است که ورودی برق $E_{in}$ را به خروجی گاز $G_{out}$ مرتبط میکند: $G_{out} = \eta_{PtG} \cdot E_{in}$.
5. نتایج تجربی و توصیف نمودارها
نمودار ۱: ظرفیت نصبشده بر اساس سناریو
یک نمودار میلهای انباشته، ظرفیت گیگاواتی فتوولتائیک خورشیدی، باد، برقآبی و توربینهای گازی (برای پشتیبان در برخی سناریوها) را در چهار سناریو نشان میدهد. سناریوی «یکپارچه» به دلیل تقاضای اضافی از PtG، بالاترین کل ظرفیت را نشان میدهد.
نمودار ۲: پروفایل تولید ساعتی برای یک زیرمنطقه نماینده (مثلاً جنوب شرقی برزیل)
یک نمودار چندخطی در طول یک هفته، تولید برقآبی را نشان میدهد که قلههای بزرگ روزانه از فتوولتائیک خورشیدی و خروجی متغیرتر باد را هموار میکند. اثر «باتری مجازی» به وضوح قابل مشاهده است زیرا تولید برقآبی در دورههای آفتابی/پر باد کاهش مییابد و در شب یا دورههای آرام افزایش مییابد.
نمودار ۳: تجزیه هزینه سیستم
یک نمودار دایرهای برای سناریوی یکپارچه، سهم کل هزینه سالانه نسبتدادهشده به موارد زیر را نشان میدهد: هزینه سرمایهگذاری و عملیاتی فتوولتائیک خورشیدی، هزینه سرمایهگذاری و عملیاتی باد، شبکه HVDC، نیروگاههای برق-به-گاز و نیروگاههای شیرینسازی. این ماهیت سرمایهبر گذار را برجسته میکند.
6. چارچوب تحلیلی: مثال مدلسازی سناریو
مورد: ارزیابی توسعه شبکه در مقابل ذخیرهسازی محلی
یک شرکت خدمات عمومی در شیلی (با تابش خورشیدی بالا) در نظر میگیرد که آیا در یک خط جدید HVDC به آرژانتین (باد/برقآبی مکمل) سرمایهگذاری کند یا یک مزرعه باتری در مقیاس بزرگ بسازد.
کاربرد چارچوب:
۱. تعریف گرهها: شیلی (گره A)، آرژانتین (گره B).
۲. دادههای ورودی: ضریب ظرفیت ساعتی خورشیدی برای A، ضریب ظرفیت ساعتی باد/برقآبی برای B، پروفایلهای تقاضا، هزینههای سرمایهگذاری برای خط HVDC (یورو/مگاوات-کیلومتر) و باتریها (یورو/کیلوواتساعت).
۳. اجرای گونههای مدل:
- گونه ۱ (منزوی): گره A باید تقاضای خود را به صورت محلی برآورده کند و نیاز به ظرفیت باتری قابل توجهی برای پوشش شبها دارد.
- گونه ۲ (متصل): گرههای A و B با یک خط HVDC با ظرفیت تعریفشده به هم متصل هستند. برق خورشیدی مازاد از A میتواند در طول روز به B ارسال شود؛ در شب، برقآبی/باد از B میتواند A را تأمین کند.
۴. بهینهسازی و مقایسه: مدل کل هزینه هر دو گونه را کمینه میکند. نتیجه معمولاً نشان میدهد که حتی با هزینههای انتقال، گونه ۲ به دلیل کاهش نیاز به ذخیرهسازی گران در A و بهرهوری بهتر از برقآبی انعطافپذیر موجود در B، ارزانتر است. این امر یافته اصلی مطالعه در مورد ارزش انتقال را منعکس میکند.
7. تحلیل انتقادی و تفسیر کارشناسی
بینش اصلی: این مطالعه فقط یک خیال سبز نیست؛ بلکه یک نقشه مهندسی سختکوشانه است که ارزش مالی و استراتژیک نهفته در زیرساخت برقآبی موجود آمریکای جنوبی را آشکار میکند. پیشرفت واقعی، بازتعریف سدهای آبی نه بهعنوان صرفاً مولد، بلکه بهعنوان تثبیتکنندههای شبکه در مقیاس قارهای با هزینه نهایی صفر—یک «باتری مجازی» که میتواند صدها میلیارد در سرمایهگذاریهای جدید ذخیرهسازی صرفهجویی کند—است. این امر یک آسیبپذیری بالقوه آبوهوایی (تغییرات هیدرولوژیکی) را به سنگ بنای تابآوری تبدیل میکند.
جریان منطقی: استدلال به طور قانعکنندهای خطی است: ۱) منابع متغیر تجدیدپذیر (خورشیدی/باد) اکنون ارزانترین منابع هستند. ۲) ناپیوستگی آنها مشکل اصلی است. ۳) آمریکای جنوبی یک راهحل از پیش پرداختشده و منحصربهفرد دارد—نیروی عظیم برقآبی آن—که میتواند به صورت دیجیتالی برای عملیات اولویتدار ذخیرهسازی بهینهسازی مجدد شود. ۴) افزودن «رشتههای» HVDC بین مناطق مکمل (مثلاً پاتاگونیای پر باد به شمال شرقی آفتابی برزیل) یک اثر باتری جغرافیایی ایجاد میکند و هزینهها را بیشتر کاهش میدهد. ۵) در نهایت، استفاده از الکترونهای تجدیدپذیر مازاد برای تولید مولکولها (گاز) و آب، به مشکلات صنعتی و کمبود چند میلیارد دلاری مجاور میپردازد و یک چرخه اقتصادی نیکو ایجاد میکند.
نقاط قوت و ضعف:
نقاط قوت: مدلسازی ساعتی پیشرفته و غیرقابل مذاکره برای مطالعات معتبر RE است. اتصال بخشها (PtG، شیرینسازی) فراتر از تمرین آکادمیک به ارتباط سیاستی دنیای واقعی حرکت میکند. بهرهگیری از برقآبی موجود، یک ضربه استادانه تفکر عملگرایانه است.
نقاط ضعف: ظرافت مدل، موانع سیاسی و نظارتی خشن را نادیده میگیرد. ساخت شبکههای HVDC فراقارهای شامل کابوسهای حاکمیتی مشابه تلاشهای اتحادیه اروپا است. جدول زمانی ۲۰۳۰ برای تأمین مالی پروژه و مجوزدهی در این مقیاس، به شدت خوشبینانه است. همچنین فرض میکند که مجوز اجتماعی برای زیرساختهای کلان جدید وجود دارد که به طور فزایندهای مورد مناقشه است. برآوردهای هزینه، اگرچه به سال ۲۰۱۵ ارجاع داده شده، نیاز به بهروزرسانی فوری پس از تورم ۲۰۲۲ و شوکهای زنجیره تأمین دارند.
بینشهای قابل اجرا:
۱. برای تنظیمکنندگان: بلافاصله طراحی بازار برق را اصلاح کنید تا انعطافپذیری و ظرفیت (نه فقط انرژی) را از نظر مالی پاداش دهد. بهرهبرداران برقآبی باید برای «خدمات تعادل» مشابه باتریها پرداخت شوند.
۲. برای سرمایهگذاران: بزرگترین فرصت کوتاهمدت در مزارع خورشیدی جدید نیست—بلکه در دیجیتالیسازی و سیستمهای کنترل برای برقآبی موجود برای حداکثر کردن درآمد تعادل شبکه است.
۳. برای دولتها: با معاهدات دوجانبه «پل انرژی» (مثلاً شیلی-آرژانتین) به عنوان پروژههای پایلوت شروع کنید. تحقیق و توسعه را بر کاهش هزینه سرمایهگذاری الکترولایزر PtG متمرکز کنید، زیرا این کلید سناریوی یکپارچه است.
۴. مسیر بحرانی: مهمترین عامل موفقیت واحد، انتقال است. بدون آن، باتری مجازی تکهتکه باقی میماند. یک ابتکار شبکه پانآمریکایی، الگوبرداری شده از TEN-E اروپا، باید یک اولویت دیپلماتیک برتر باشد.
8. کاربردهای آینده و جهتگیریهای پژوهشی
- صادرات هیدروژن سبز: مؤلفه PtG مدل را میتوان برای مدلسازی تولید هیدروژن سبز در مقیاس بزرگ برای صادرات به اروپا و آسیا گسترش داد و آمریکای جنوبی را به یک ابرقدرت انرژی تجدیدپذیر تبدیل کرد.
- مدلسازی تابآوری آبوهوایی: کار آینده باید مدلهای آبوهوایی ریزدانهتر را برای آزمون استرس سیستم در برابر تغییرات پیشبینیشده در چرخههای هیدرولوژیکی و الگوهای باد ادغام کند.
- ادغام منابع انرژی توزیعشده (DERs): گنجاندن خورشیدی پشتبامی، ذخیرهسازی پشت کنتور و شارژ خودروهای الکتریکی در مدل برای درک تأثیر آنها بر برنامهریزی شبکه متمرکز.
- ارزشگذاری پیشرفته ذخیرهسازی: تحلیل دقیق ارزش اقتصادی ارائهشده توسط انعطافپذیری برقآبی، ایجاد معیارهای استاندارد برای جذب سرمایهگذاری برای نوسازی.
- شبیهسازی سیاست و بازار: جفتکردن مدل فناوری-اقتصادی با مدلهای مبتنی بر عامل برای شبیهسازی چارچوبهای نظارتی، رفتار سرمایهگذاری و توافقنامههای تجارت برق فرامرزی.
9. منابع
- بانک جهانی. (۲۰۱۶). شاخصهای توسعه جهانی. رشد تولید ناخالص داخلی (درصد سالانه).
- آژانس بینالمللی انرژی (IEA). (۲۰۱۴). چشمانداز انرژی جهانی ۲۰۱۴.
- آژانس بینالمللی انرژی (IEA). (۲۰۱۵). آمار کلیدی انرژی جهانی ۲۰۱۵.
- اداره اطلاعات انرژی ایالات متحده (EIA). (۲۰۱۵). آمار انرژی بینالمللی.
- de Jong, P., et al. (2015). Hydropower, climate change and uncertainty in Brazil. Renewable and Sustainable Energy Reviews.
- ONS (اپراتور ملی شبکه برزیل). (۲۰۱۵). گزارشهای عملیاتی هفتگی.
- EPE (دفتر تحقیقات انرژی برزیل). (۲۰۱۵). تراز انرژی برزیل ۲۰۱۵.
- 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. (برای زمینه روششناسی).
- آژانس بینالمللی انرژی تجدیدپذیر (IRENA). (۲۰۲۰). چشمانداز جهانی تجدیدپذیرها: دگرگونی انرژی ۲۰۵۰. (برای دادههای بهروز هزینه و پتانسیل).
- 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. (برای روششناسی مطالعه مقایسهای ۱۰۰٪ RE).