چالش تولید برق از انرژی‌های تجدیدپذیر

تغییرات آب و هوایی و لزوم استفاده از انرژی‌های تجدید‌پذیر به موضوعی مطرح در جهان امروز بدل شده است. به عنوان نمونه، در سال ۲۰۲۰ دوسوم جریان برق ‌آلمان باید از انرژی‌های تجدید‌پذیر مانند انرژی باد تولید شود. همین گرایش، مشکلات استفاده از این نوع انرژی‌ها را نیز به موضوع روز تبدیل کرده است. شدت وزش باد در همه اوقات یکسان نیست، در حالی‌که شبکه برق نیاز به منبعی باثبات دارد تا بتوان برق را در مقیاس وسیع ذخیره کرد. صدای یک توربین مدرن سه‌پره‌ای بادی، بی‌شک برای هواداران انرژی بادی به موزیکی گوشنواز می‌ماند. اما این صدا برای مدیران شبکه برق استرس و نگرانی می‌آورد، چراکه باد قابل برنامه‌ریزی نیست. موقعی که وزش باد شدید است بنا بر ملاحظات ایمنی باید توربین‌ها را خاموش کرد. اگر شدت باد بسیار کم باشد، نمی‌توان برق مورد نیاز را تولید کرد. وزش باد، شب‌هنگام شدیدتر است، یعنی درست هنگامی که مصرف برق در پایین‌ترین حد ممکن قرار دارد. همین مسئله مشکلی جدی برای شرکت‌های برق به وجود آورده است. برند بوخ‌هولتس، یکی از نویسندگان بررسی «شبکه‌های هوشمند برق و توزیع هشیارانه ۲۰۲۰»، با اشاره به همین مشکل متذکر می‌شود که باید مشوق‌هایی برای خریداران انرژی بادی در نظر گرفت: «وقتی به دلیل برخورداری از انرژی‌های تجدید‌پذیر مانند انرژی بادی، مازاد انرژی داشته باشیم، بهای انرژی در بازارهای بورس پایین خواهد آمد. در حقیقت، خریداران انرژی بادی، باید سودی نصیب‌شان شود تا حاضر به این کار شوند».
● تولید برق از انرژی بادی
تولید برق از انرژی بادی، ما را با موقعیتی متناقض روبه‌رو می‌کند. برق باید درست زمانی مصرف شود که در شبکه ‌تولید شده است. ولفگانگ نلدنر، مدیر فنی یکی از چهار شرکت برق بزرگ آلمان این مشکل را تشریح می‌کند: «یک ترازوی قدیمی آشپزخانه را در نظر بگیرید که در کفه سمت چپ یک تکه گوشت گذاشته‌اید و در کفه سمت راست وزنه‌ها را قرار داده‌اید. این کفه باید دقیقا از تعادل خارج شود. یعنی شما باید درست موقعی که بیشترین نیاز به انرژی را دارید، بیشترین میزان برق را تولید کنید. چرا؟ چون این امکان را ندارید که الکتریسیته را در ابعادی وسیع ذخیره‌سازید». حفظ تعادل یکی از بزرگ‌ترین مشکلات شرکت‌های برق است. در کشورهایی مثل آلمان توانسته‌اند با تعیین ساعات پربار و کم‌بار مصرف، به خوبی با این مشکل کنار بیایند. به هنگام صرف صبحانه و پیش از ظهر، مصرف برق به شدت بالا می‌رود، در حالی‌که عصرها و شب‌ها میزان مصرف سقوط می‌کند. حتی برخی برنامه‌های تلویزیونی مثل بازی‌های فوتبال می‌تواند بر مصرف برق بسیار تاثیر بگذارد. بعد از ۴۵ دقیقه اول، مصرف به طور جهشی بالا می‌رود. به علاوه گاهی ممکن است‌، بنا بر دلایلی، نیاز به برق کمتر یا بیشتر از حد برنامه‌ریزی شده باشد. اینجاست که نیروگاه‌های کمکی که اغلب با ذغال‌سنگ یا گاز تامین می‌شوند، به کمک آمده و جلوی قطع جریان برق را می‌گیرند. اهمیت نیروگاه‌های کمکی در آلمان بسیار زیاد است، چراکه در ‌آلمان تنها ۵ درصد نیاز به انرژی را می‌توان به طور درازمدت ذخیره کرد. این ذخیره را نیروگاه‌های تلمبه‌ـ ذخیره‌ای انجام می‌دهند. این نیروگاه‌ها، یکی از مناسبت‌ترین انتخاب‌ها برای تنظیم بار شبکه برق هستند.
● ذخیره برق و مشکلات آن
میزان مصرف انرژی در ساعت‌های مختلف شبانه‌روز متفاوت است. بنابراین، باید راهکاری یافت که مولد‌های انرژی، توان پاسخگویی به میزان مصرف در اوقات پربار و کم‌بار را داشته باشند. تنها پاسخ، انتقال مقادیری از انرژی اضافه تولید شده در زمان مصرف کم به زمان‌های اوج مصرف است. این کار از طریق پمپاژ آب ذخیره‌شده از سد پایین‌دست که در تراز پایین‌تر واقع شده به سد بالادست که در تراز بالاتر واقع شده میسر است. در این روش، انرژی برق اضافی و غیرقابل مصرف در شبکه، جهت پمپاژ آب استفاده می‌شود و به صورت انرژی پتانسیل در مخزن سد بالادست ذخیره می‌گردد. در طول ساعات روز، زمانی که مصرف بسیار بیشتر از توان تولیدی نیروگاه‌های شبکه است، توربین‌های نیروگاه تلمبه‌ـ ذخیره‌ای به کار گرفته می‌شوند و با رهاسازی آب ذخیره در مخزن واقع در تراز بالاتر، انرژی پتانسیل ذخیره‌شده را تبدیل به انرژی الکتریکی می‌کنند. ولفگانگ نلدنر با ذکر یک مثال کارکرد نیروگاه تلمبه‌‌ـ ذخیره‌ای را توضیح می‌دهد: «برای اینکه بتوانیم کارکرد یک نیروگاه‌تلمبه‌ـ ذخیره‌ای را راحت‌تر درک کنیم مثالی می‌زنم. فرض کنید، یک حوضچه‌ بزرگ آب در بالای کوه و یک حوضچه‌‌ بزرگ آب در پایین کوه، در دره، دارید. وقتی باد شدید است، اما هیچکس به الکتریسیته نیاز ندارد، راه حل کوتاه‌مدت این است که من کار نیروگاه بادی را متوقف کنم. راه حل من این است: در چنین مواقعی توربین‌های بادی باید همچنان کار کنند، اما ما از جریان برق برای پمپاژ آب پایین کوه به بالای کوه استفاده می‌کنیم.
موقعی که برق مورد نیاز است و باد هم نمی‌وزد، آب به جریان می‌افتد و دوباره برق تولید می‌کند و به این ترتیب تعادل ایجاد می‌شود». اما استفاده از نیروگاه‌های تلمبه‌ـ ذخیره‌ای با دو مشکل اساسی مواجه است. نخست اینکه موقعیت‌های مناسب برای تاسیس این نیروگاه‌ها از نظر جغرافیایی محدود است. دیگر اینکه‌، نیروگاه بادی درست در همان جایی که شدیدا به برق نیاز است، دایر نمی‌شوند. برای اینکه بتوانیم برق حاصل از نیروگاه تلمبه‌ـ ذخیره‌ای را به مکانی منتقل کنیم که بسیار دورتر واقع شده، باید خطوط شبکه را به شدت وسعت بخشیم و این پروژه میلیاردها یورو هزینه برمی‌دارد. ولف‌رام یورث، مدیر پروژه موسسه «بررسی‌های آینده و ارزشگذاری فنی» برلین می‌گوید، برای اجرای چنین طرحی توان فنی تمامی اروپا باید به‌شدت افزایش یابد: «گسترش انرژی بادی به مناطق ساحلی در دریای شمال و کارائیب به این معناست که من در اینجا خطوط قوی‌تر و بهتری در اختیار دارم که می‌توانم از طریق آن مازاد انرژی‌ای را که در دریای شمال تولید می‌کنم در نیروگاه‌های تلمبه‌ـ ذخیره‌ای اسکاندیناوی یا فرانسه ذخیره کنم.
● راه‌های دیگر ذخیره برق
برای ذخیره انرژی راهکارهای دیگری نیز مطرح شده است. یکی از این راهکارها، استفاده از باتری‌های «رداکس‌فلاو» است. رداکس یک پیل سوختی احیاشونده است. کریستین دوتش، مدیر بخش سیستم‌های انرژی در موسسه فراون‌‌هوفر اوبرهاوزن آلمان، در توضیح باتری‌های رداکس‌فلاو خاطرنشان می‌سازد: «برای فهم راحت‌تر باتری‌های رداکس‌فلاو می‌توان آنها را به باتری‌های عادی تشبیه کرد. یعنی یک واکنش شیمیایی که می‌تواند هم انرژی را ذخیره و هم تخلیه کند. باطری‌های رداکس‌فلاو تا حدودی به خازن‌های معمولی شبیه هستند.» از دیگر راهکا‌رهای ذخیر‌ه انرژی می‌توان نیروگاه‌های ذخیره فشاری را نام برد. کریستین دوتش در مورد این نوع نیروگاه‌ها می‌گوید: «نیروگاه‌های ذخیره فشاری در درجه اول بسیار شبیه ذخیره‌کننده‌های آب هستند. منتهی من در اینجا آب را به حوضچه بالاتر پمپاژ نمی‌کنم، بلکه من هوای اطراف را به‌شدت فشرده می‌کنم و در مواقعی که شبکه ضعیف است، یعنی در مواقع اوج مصرف و تولید اندک، از این هوای فشرده برای تولید برق استفاده می‌کنم.»
اما حتی با مدیریت هوشمندانه انرژی نیز، یک مشکل همچنان پا بر جا خواهد ماند، اینکه در آینده نیز اغلب مواردی پیش خواهد آمد که باید نیروگاه بادی را خاموش کرد، در مواقعی که در شبکه مقدار زیادی برق موجود است یا در مواقعی که بار مصرف برق بسیار پایین آمده است.

منبع : روزنامه کارگزاران