کاهش باد و خورشید در زمستان؛ چالش پرهزینه اروپا برای تأمین برق پایدار

این پرسش در ماه‌های اخیر اهمیت بیشتری پیدا کرده است. در تابستان امسال، موج‌های گرمای بی‌سابقه در اروپا فشار زیادی بر شبکه‌های برق وارد کردند. افزایش استفاده از تجهیزات سرمایشی، محدودیت ظرفیت ذخیره‌سازی باتری و همچنین اختلال یا کاهش تولید برخی نیروگاه‌های حرارتی و هسته‌ای باعث شد قیمت برق در ساعات عصر افزایش پیدا کند. چنین رخدادهایی نشان می‌دهد که داشتن ظرفیت تولید برق کافی در شرایط عادی به‌تنهایی برای تضمین امنیت انرژی کافی نیست و شبکه باید برای شرایط آب‌وهوایی دشوار نیز آماده باشد.

این مسئله زمانی پیچیده‌تر می‌شود که چند عامل نامساعد آب‌وهوایی به‌طور هم‌زمان رخ دهند. در اواخر سال ۲۰۲۴، دوره‌هایی از کاهش تولید برق بادی و خورشیدی در بخش‌هایی از اروپا به افزایش شدید قیمت برق، بیشتر شدن استفاده از سوخت‌های فسیلی و افزایش وابستگی به واردات انرژی منجر شد.

اکنون مطالعه‌ای جدید که توسط پژوهشگران دانشگاه فنی دانمارک (DTU) و دانشگاه نیوکاسل انجام شده و در مجله Nature Sustainability منتشر شده است، تصویری دقیق‌تر از این چالش ارائه می‌دهد. پژوهشگران با مدل‌سازی یک سیستم برق اروپایی با انتشار خالص صفر و آزمایش آن با استفاده از ۸۰ سال داده تاریخی آب‌وهوا، از سال ۱۹۴۱ تا ۲۰۲۱، بررسی کرده‌اند که یک شبکه برق آینده در برابر دوره‌هایی که تولید باد و خورشید هم‌زمان کاهش می‌یابد و تقاضای برق بالا می‌رود، چگونه عمل خواهد کرد.

نتیجه این بررسی روشن است: یکی از بزرگ‌ترین تهدیدها برای امنیت برق اروپا در زمستان رخ می‌دهد؛ زمانی که هوای سرد، کاهش سرعت باد و کمبود نور خورشید می‌توانند برای چندین روز ادامه داشته باشند. دوره‌هایی که ممکن است بسیار طولانی‌تر از توان باتری‌های موجود باشند و به همین دلیل، وجود ظرفیت‌های پشتیبان قابل اعتماد را ضروری کنند. زمستان؛ سخت‌ترین آزمون برای شبکه برق اروپا

بر اساس یافته‌های این پژوهش، سیستم برق آینده اروپا در بیشتر روزهای سال می‌تواند با تکیه بر ترکیبی از انرژی‌های تجدیدپذیر، ذخیره‌سازی، انتقال برق و سایر منابع کم‌کربن نیاز مصرف‌کنندگان را تأمین کند. مشکل اصلی در دوره‌های کوتاهی ایجاد می‌شود که تولید انرژی‌های تجدیدپذیر به شکل محسوسی کاهش می‌یابد و در همان زمان مصرف برق افزایش پیدا می‌کند.

این دوره‌ها در ادبیات انرژی گاهی «خشکسالی انرژی» نامیده می‌شوند؛ یعنی بازه‌هایی که تولید برق از باد و خورشید به‌طور هم‌زمان پایین می‌آید. چنین وضعیتی به‌خصوص در زمستان اهمیت دارد، زیرا روزها کوتاه‌تر هستند، تابش خورشید کاهش می‌یابد و در صورت کاهش سرعت باد، چندین منبع اصلی تولید برق تجدیدپذیر به‌طور هم‌زمان با افت تولید مواجه می‌شوند.

پژوهشگران برای توصیف یکی از این شرایط از واژه آلمانی dunkelflaute استفاده می‌کنند؛ اصطلاحی که به دوره‌های تاریک و کم‌باد اشاره دارد. در چنین شرایطی، مسئله صرفاً کمبود یک منبع تولید برق نیست، بلکه ممکن است بخش قابل‌توجهی از ظرفیت تولید متغیر در یک زمان مشخص در دسترس نباشد.

این وضعیت زمانی جدی‌تر می‌شود که دمای هوا نیز کاهش پیدا کند. هوای سرد معمولاً با افزایش مصرف انرژی برای گرمایش همراه است و بنابراین درست در زمانی که تولید برق بادی و خورشیدی کاهش پیدا کرده، تقاضا می‌تواند افزایش یابد. به همین دلیل، پژوهشگران معتقدند خطر اصلی لزوماً در گرم‌ترین یا طوفانی‌ترین روزها ظاهر نمی‌شود؛ گاهی یک دوره هوای سرد، آرام و کم‌نور که چند روز ادامه پیدا کند، فشار بسیار بیشتری بر سیستم انرژی وارد می‌کند.

تجربه اروپا از دوره‌های کم‌باد

اروپا پیش از این نیز نمونه‌هایی از چنین شرایطی را تجربه کرده است. یکی از نمونه‌های قابل توجه در سال ۲۰۲۱ رخ داد؛ زمانی که سرعت باد در بخش‌هایی از شمال‌غربی و مرکزی اروپا به شکل غیرمعمولی پایین بود. کاهش سرعت باد باعث شد تولید برق بادی برای ماه‌ها کمتر از سطح مورد انتظار باشد و در نهایت فشار بیشتری بر بازار برق وارد شود.

نمونه دیگر به ژانویه ۲۰۱۷ بازمی‌گردد. در آن دوره، یک موج سرمای شدید با تولید پایین برق بادی همراه شد. افزایش تقاضا برای گرمایش در کنار کاهش تولید برق بادی باعث شد شبکه برق چند کشور اروپایی تحت فشار قرار گیرد.

این تجربه‌ها اهمیت یک نکته را نشان می‌دهند: شبکه برق اروپا نباید تنها بر اساس شرایط متوسط آب‌وهوایی طراحی شود. سال‌های معمول اهمیت دارند، اما رویدادهای نادر و شدید نیز می‌توانند تعیین کنند که یک سیستم انرژی در عمل چقدر قابل اعتماد است. مطالعه ۸۰ ساله برای شناسایی نقاط ضعف

پژوهشگران DTU و دانشگاه نیوکاسل برای بررسی این موضوع از یک مدل متن‌باز سیستم انرژی استفاده کردند و یک سناریوی خلاف‌واقع از سیستم برق اروپایی با انتشار خالص صفر ساختند. سپس این سیستم را با داده‌های آب‌وهوایی تاریخی ۸۰ ساله، از ۱۹۴۱ تا ۲۰۲۱، آزمایش کردند.

مزیت چنین رویکردی این است که پژوهشگران تنها به یک یا چند سال اخیر متکی نیستند. بررسی هشت دهه داده آب‌وهوایی این امکان را فراهم می‌کند که هم شرایط معمول و هم سال‌های شدیدتر در مدل دیده شوند؛ شرایطی که ممکن است برای طراحی زیرساخت‌های انرژی آینده تعیین‌کننده باشند.

در این مطالعه، پژوهشگران به دنبال شناسایی «رویدادهای تعریف‌کننده سیستم» بوده‌اند. منظور از این رویدادها دوره‌هایی است که سیستم برق با بیشترین فشار مواجه می‌شود و تصمیمات مربوط به ظرفیت تولید، ذخیره‌سازی و انتقال می‌تواند بیشترین اهمیت را پیدا کند.

برای شناسایی این دوره‌ها از معیاری مبتنی بر مفهوم قیمت سایه استفاده شده است. این مفهوم در مدل‌سازی سیستم‌های انرژی نشان می‌دهد که تأمین یک واحد اضافی از برق یا رفع محدودیت موجود در سیستم در یک زمان مشخص تا چه اندازه دشوار و ارزشمند است. هرچه این مقدار بیشتر باشد، نشان‌دهنده فشار بالاتر بر سیستم و نیاز بیشتر به ظرفیت تولید، ذخیره‌سازی یا انتقال است. ظرفیت پشتیبان؛ لازم اما کم‌استفاده

یکی از مهم‌ترین نتایج مطالعه این است که اروپا برای عبور امن از دوره‌های بحرانی به ظرفیت پشتیبان نیاز خواهد داشت؛ اما همین ظرفیت‌ها یک مشکل اقتصادی ایجاد می‌کنند.

ظرفیت‌های پشتیبان در بیشتر مواقع مورد استفاده قرار نمی‌گیرند. آنها عمدتاً برای دوره‌هایی مورد نیاز هستند که تولید انرژی‌های تجدیدپذیر پایین است و تقاضا نیز به شکل غیرعادی بالا رفته است. بنابراین، ممکن است یک نیروگاه یا ظرفیت ذخیره‌سازی پشتیبان بخش بزرگی از سال بلااستفاده بماند، اما در چند روز بحرانی نقش حیاتی پیدا کند.

مارتا ویکتوریا، استاد دانشگاه فنی دانمارک در حوزه باد، تأکید می‌کند که انرژی‌های تجدیدپذیر همچنان گزینه اصلی برای آینده سیستم برق اروپا هستند، زیرا در بسیاری از موارد ارزان‌ترین شکل تولید برق محسوب می‌شوند و می‌توانند به کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای و افزایش استقلال انرژی اروپا کمک کنند. با این حال، هنگامی که تولید تجدیدپذیر از تقاضا عقب می‌ماند، وجود ظرفیت پشتیبان ضروری است.

چالش اصلی اینجاست که چنین ظرفیت‌هایی معمولاً هزینه بیشتری نسبت به منابعی مانند انرژی‌های تجدیدپذیر یا برخی فناوری‌های دیگر از جمله برق‌آبی دارند. از سوی دیگر، چون تنها در دوره‌های محدودی مورد استفاده قرار می‌گیرند، سرمایه‌گذاران ممکن است انگیزه اقتصادی کافی برای ساخت آنها نداشته باشند.

در نتیجه، اروپا با یک تناقض روبه‌رو است: برای داشتن یک شبکه برق قابل اعتماد باید ظرفیت‌هایی ایجاد شود که ممکن است بیشتر سال به آنها نیازی نباشد؛ اما بدون این ظرفیت‌ها، احتمال افزایش قیمت برق یا وابستگی به سوخت‌های فسیلی و واردات در دوره‌های بحرانی بیشتر خواهد شد. باتری‌ها به‌تنهایی کافی نیستند

افزایش ظرفیت باتری‌ها یکی از راهکارهای مهم برای انعطاف‌پذیرتر کردن شبکه برق است، اما مطالعه جدید نشان می‌دهد که باتری‌ها نمی‌توانند به‌تنهایی مشکل دوره‌های طولانی کمبود تولید را حل کنند.

باتری‌ها برای مدیریت نوسانات کوتاه‌مدت بسیار مفید هستند. آنها می‌توانند برق اضافی تولیدشده در ساعات کم‌مصرف را ذخیره کنند و در زمان افزایش تقاضا به شبکه بازگردانند. اما اگر یک دوره کم‌باد و کم‌تابش برای چندین روز ادامه داشته باشد، ذخیره‌سازی کوتاه‌مدت ممکن است پاسخ کافی ارائه نکند.

به همین دلیل، سیستم برق آینده به ترکیبی از فناوری‌ها نیاز خواهد داشت. انرژی بادی و خورشیدی می‌توانند بخش اصلی برق مورد نیاز را تولید کنند، در حالی که باتری‌ها، نیروگاه‌های برق‌آبی، سایر منابع کم‌کربن، شبکه انتقال و ظرفیت‌های پشتیبان برای مدیریت دوره‌های بحرانی در کنار آنها قرار می‌گیرند.

در واقع، مسئله اصلی ساخت یک فناوری واحد نیست، بلکه طراحی مجموعه‌ای هماهنگ از منابع مختلف است که بتوانند ضعف‌های یکدیگر را پوشش دهند. تفاوت تاب‌آوری کوتاه‌مدت و بلندمدت

پژوهشگران در این مطالعه میان دو نوع تاب‌آوری نیز تفاوت قائل شده‌اند. تاب‌آوری کوتاه‌مدت به توانایی شبکه برای عبور از رخدادهایی مربوط می‌شود که چند ساعت یا چند روز ادامه دارند؛ برای مثال، کاهش ناگهانی تولید باد و خورشید یا افزایش سریع تقاضای برق.

در مقابل، تاب‌آوری بلندمدت به طراحی کلی سیستم انرژی مربوط است. این موضوع شامل اندازه مناسب ظرفیت تولید، میزان انرژی تجدیدپذیر، ظرفیت ذخیره‌سازی، شبکه انتقال و سایر زیرساخت‌هایی است که باید در طول سال‌ها و دهه‌ها پاسخگوی تغییرات آب‌وهوایی و تقاضای انرژی باشند.

الکساندر گروچوویچ، پژوهشگر پسادکتری در DTU Wind و نویسنده اصلی مطالعه، می‌گوید ظرفیت‌های پشتیبان می‌توانند تاب‌آوری کوتاه‌مدت سیستم را افزایش دهند، در حالی که تاب‌آوری بلندمدت از طریق طراحی یک سیستم به اندازه کافی بزرگ و در اختیار داشتن ظرفیت کافی انرژی‌های تجدیدپذیر به دست می‌آید.

این تفکیک اهمیت زیادی دارد. یک سیستم ممکن است در بیشتر روزهای سال برق فراوان و ارزان داشته باشد، اما اگر برای چند روز بحرانی ظرفیت کافی نداشته باشد، همچنان با مشکل امنیت تأمین برق مواجه خواهد شد. تأثیر یک رویداد در سراسر قاره

یکی دیگر از ویژگی‌های مهم سیستم انرژی اروپا، اتصال گسترده شبکه‌های برق کشورهای مختلف است. این اتصال در شرایط عادی یک مزیت بزرگ محسوب می‌شود، زیرا کشورها می‌توانند برق مورد نیاز خود را از همسایگان دریافت کنند و تولید و مصرف را در سطح گسترده‌تری متعادل سازند.

اما همین وابستگی متقابل در زمان رخدادهای آب‌وهوایی گسترده می‌تواند محدودیت ایجاد کند. اگر یک دوره کم‌باد و کم‌خورشید تنها یک کشور را تحت تأثیر قرار دهد، واردات برق از کشورهای همسایه می‌تواند مشکل را تا حد زیادی کاهش دهد. اما اگر یک سامانه آب‌وهوایی بزرگ بخش‌های وسیعی از اروپا را هم‌زمان تحت تأثیر قرار دهد، کشورهای همسایه نیز ممکن است با همان مشکل روبه‌رو باشند.

به همین دلیل، «خشکسالی انرژی» می‌تواند ماهیتی فرامرزی داشته باشد و بخش‌های بزرگی از قاره را به‌طور هم‌زمان تحت فشار قرار دهد. این مسئله اهمیت سرمایه‌گذاری در تولید، ذخیره‌سازی و انتقال برق را در مقیاس اروپایی افزایش می‌دهد. چرا سرمایه‌گذاری در ظرفیت پشتیبان دشوار است؟

مشکل تنها فنی نیست؛ اقتصاد سیستم نیز اهمیت زیادی دارد. نیروگاه‌ها و سامانه‌های پشتیبان ممکن است تنها در چند دوره بحرانی در سال یا حتی با فاصله‌های طولانی مورد استفاده قرار گیرند. در نتیجه، درآمد حاصل از بهره‌برداری عادی آنها ممکن است برای جبران هزینه ساخت و نگهداری کافی نباشد.

از طرف دیگر، پیش‌بینی دقیق زمان وقوع رویدادهای شدید دشوار است. ممکن است یک دوره بسیار سرد و کم‌باد در یک سال رخ دهد، اما در سال دیگری شرایط مشابه تکرار نشود. بنابراین سرمایه‌گذار باید برای یک نیاز بالقوه بسیار مهم، اما نامنظم و کم‌تکرار، هزینه زیادی پرداخت کند.

این همان جایی است که سیاست‌گذاری انرژی اهمیت پیدا می‌کند. اگر بازار به‌تنهایی نتواند هزینه ایجاد ظرفیت‌های پشتیبان را پوشش دهد، ممکن است دولت‌ها و نهادهای تنظیم‌گر نیاز داشته باشند سازوکارهایی ایجاد کنند که سرمایه‌گذاری در ظرفیت اطمینان‌بخش را اقتصادی‌تر کند. انرژی‌های تجدیدپذیر همچنان بخش اصلی راه‌حل هستند

با وجود تمام این چالش‌ها، نتیجه مطالعه به معنای کنار گذاشتن انرژی‌های تجدیدپذیر نیست. برعکس، پژوهشگران تأکید می‌کنند که توسعه انرژی‌های تجدیدپذیر باید ادامه پیدا کند و سرعت بیشتری بگیرد.

باد و خورشید می‌توانند بخش بزرگی از برق مورد نیاز اروپا را با هزینه نسبتاً پایین و بدون انتشار مستقیم گازهای گلخانه‌ای تولید کنند. همچنین افزایش تولید داخلی از منابع تجدیدپذیر می‌تواند وابستگی اروپا به واردات سوخت را کاهش دهد و امنیت انرژی را افزایش دهد.

اما برای رسیدن به یک سیستم برق واقعاً پایدار، تولید تجدیدپذیر باید با مجموعه‌ای از ابزارهای انعطاف‌پذیری همراه شود. ذخیره‌سازی برق، توسعه شبکه‌های انتقال، اتصال بهتر بازارهای برق، استفاده از منابع کم‌کربن قابل اتکا و ایجاد ظرفیت پشتیبان، همگی بخشی از این پازل هستند.

در چنین سیستمی، انرژی‌های تجدیدپذیر مسئول تأمین بخش عمده برق خواهند بود و ظرفیت‌های پشتیبان در زمان‌هایی وارد عمل می‌شوند که تولید باد و خورشید برای پاسخگویی به تقاضا کافی نیست.

مطالعه جدید پژوهشگران دانشگاه فنی دانمارک و دانشگاه نیوکاسل نشان می‌دهد که گذار اروپا به برق خالص صفر تنها به ساخت نیروگاه‌های بادی و خورشیدی بیشتر محدود نمی‌شود. هرچه سهم انرژی‌های تجدیدپذیر افزایش پیدا کند، اهمیت طراحی شبکه‌ای که بتواند دوره‌های کمبود تولید را نیز مدیریت کند بیشتر خواهد شد.

بررسی ۸۰ سال داده آب‌وهوایی از ۱۹۴۱ تا ۲۰۲۱ نشان می‌دهد که یکی از مهم‌ترین نقاط آسیب‌پذیر سیستم آینده اروپا در زمستان ظاهر می‌شود؛ زمانی که سرما، کاهش سرعت باد و کاهش تابش خورشید می‌توانند برای چند روز ادامه پیدا کنند. رخدادهایی مانند دوره کم‌باد سال ۲۰۲۱ و ترکیب سرمای شدید و تولید پایین باد در ژانویه ۲۰۱۷ نمونه‌هایی از شرایطی هستند که می‌توانند فشار زیادی بر شبکه وارد کنند. تجربه افزایش فشار بر بازار برق در اواخر سال ۲۰۲۴ نیز نشان داد که کاهش هم‌زمان تولید باد و خورشید می‌تواند پیامدهای اقتصادی قابل‌توجهی داشته باشد.

راه‌حل، کنار گذاشتن انرژی‌های تجدیدپذیر نیست؛ بلکه ایجاد یک سیستم متنوع و انعطاف‌پذیر است. اروپا به ترکیبی از باد و خورشید، ذخیره‌سازی، برق‌آبی، سایر منابع کم‌کربن، شبکه انتقال قدرتمند و ظرفیت‌های پشتیبان نیاز خواهد داشت. چالش اصلی این است که ظرفیت پشتیبان ممکن است تنها در دوره‌های نادر و بحرانی مورد استفاده قرار گیرد و همین مسئله تأمین مالی آن را دشوار کند.

در نهایت، امنیت انرژی به معنای ساخت ظرفیت کافی برای روزهای عادی نیست؛ بلکه به معنای آماده بودن برای همان چند روز سختی است که تولید برق کاهش می‌یابد و تقاضا هم‌زمان افزایش پیدا می‌کند. برنامه‌ریزی بر اساس داده‌های بلندمدت آب‌وهوایی و شناسایی دقیق این دوره‌های بحرانی می‌تواند به اروپا کمک کند تا در کنار برق ارزان و پاک، شبکه‌ای قابل اعتماد و مقاوم نیز داشته باشد.