صفر کردن کربن در سبد انرژی
گروه انرژی| مهدی نیکوئی|
استفاده تمام و کمال از انرژی‌های تجدیدپذیر در سال‌های گذشته مانند یک رویا بوده است؛ رویایی که به‌دلیل هزینه بالای باتری‌های ذخیره‌سازی و قیمت ارزان نفت و گاز رنگ حقیقت به خود نمی‌گرفتند. با این حال، اکنون باید امیدوار بود که با پژوهش‌های جدید راهی کامل برای پاکسازی کامل سبد انرژی کشورها از کربن پیدا شود. اکنون این امکان روی کاغذ وجود دارد که نفت را فراموش کرد و با تکیه بر «ابر و باد و مه و خورشید»، تقریبا تمام انرژی موردنیاز بشر امروز را تامین کرد. جدیدترین پژوهشی که امکان پاکسازی کامل کربن از سبد انرژی را مورد بررسی قرار داده، چند مزیت عمده دارد که یکی از آنها توجه به میزان تبخیر آب در بخش‌های مختلف شبکه انرژی (مساله بسیار مهمی که برای نخستین‌بار مورد توجه قرار می‌گیرد) و دیگری جایگزین‌هایی برای باتری‌های ذخیره‌سازی گران‌قیمت است.
پژوهشگران 3 طرح متفاوت ارائه کرده‌اند که براساس آنها موفق شده‌اند انرژی موردنیاز 139 کشور را به‌طور کامل از انرژی‌های تجدیدپذیر تامین کنند. این طرح‌ها در حالی ارائه می‌شود که به‌دلیل نوسان‌های بیش از حد در میزان برق تولیدی به‌وسیله باد، آب و نور خورشید (که با تغییرات میزان تقاضا در زمان‌های مختلف تشدید می‌شود)، معمولا انرژی‌های تجدیدپذیر به‌عنوان منابع انرژی
قابل اتکایی به‌شمار نمی‌رود. در مقاله جدیدی که در مجله «رینوبل انرژی» به چاپ رسید، پژوهشگران به جست‌وجوی راه‌هایی پرداختند تا انرژی‌های تجدیدپذیر را تبدیل به منابعی قابل اتکا برای جوامع کنند. پژوهش آنها در 20 منطقه مختلف جهان انجام شد و در مناطق مورد بررسی نیز طی دوره مطالعه، سبد انرژی مورد استفاده 100درصد پاک شد و از منابع تجدیدپذیر استفاده شد. این پژوهشگران پیش از این، نقشه راهی تدوین کرده بودند که براساس آن، 139 کشور می‌توانستند تا سال 2050، تمام انرژی موردنیاز خود را از منابع پاک تامین کنند. براساس این نقشه راه، 80درصد تغییر و تحول سبد انرژی باید تا سال 2030 انجام شود. در پژوهش جدید، تلاش شده تا شبکه‌های تامین انرژی ایجاد شده به وسیله نقشه راه‌ها، باثبات و قابل اتکا بمانند.
راه‌حل‌های چندگانه
نویسنده اصلی مقاله مورد بحث، مارک زی جاکوبسون استاد مهندسی شهری و محیط‌زیست در دانشگاه استنفورد است. او که علاوه بر حرفه تدریس در چند موسسه زیست محیطی دیگر هم به فعالیت مشغول است، درباره پژوهش انجام گرفته، می‌گوید: «براساس نتایجی که به دست آورده‌ایم، اکنون با اطمینان بیشتری می‌گویم که هیچ مانع فنی یا اقتصادی برای 100درصد پاک کردن سبد انرژی وجود ندارد. در حقیقت سبد انرژی تمام جهان را می‌توان پاک کرد و با هزینه‌یی اندک به شبکه برق پایدار و قابل اتکایی دست یافت که از انرژی‌های تجدیدپذیر نشأت گرفته است.»
نویسنده این مقاله ادامه می‌دهد: «این راه‌حل، نقش بسیاری در حذف گرمایش جهانی و 4 تا 7 میلیون مرگ سالانه جهانی ناشی از آلودگی‌های هوا، ایفا خواهد کرد. در کنار این مزیت‌ها، امنیت و پایداری انرژی هم تامین می‌شود.»
به گفته وی «بزرگ‌ترین مانع در پیاده‌سازی انرژی‌های تجدیدپذیر در مقیاس وسیع، ادراک مردم است که هنوز هم تصور می‌کنند، حفظ روشنایی و جلوگیری از قطعی برق را نمی‌توان به سادگی انجام داد.» پیش از این و در سال 2015، جاکوبسون و همکارانش امکان ایجاد یک شبکه برق پاک پایدار در امریکا را برای 48 ساعت پیاپی بررسی کردند. آن پژوهش تنها یک سناریو برای نحوه رسیدن به اهداف درنظر گرفته بود که اضافه کردن توربین‌های برقابی به سدهای کنونی امریکا بود. برخی از آن مقاله انتقاد کرده بودند که برای برنامه‌ریزی‌های انجام شده‌اش، بیش از حد به افزودن توربین‌های جدید به سدهای برقابی متکی بود. در آن مقاله، برای آنکه به افزایش مصرف برق در ساعات اوج مصرف و بدون تغییر تعداد یا اندازه سدها پاسخ داده شود، تعداد توربین‌های عملیاتی هر سد افزایش یافته بود.
آن مقاله همچنین مورد این نقد قرار داشت که بیش از حد بر ذخیره انرژی مازاد در آب، یخ و سنگ‌های زیرزمینی متکی بوده است. اما در مقاله اخیر جاکوبسون تلاش شده تا این ضعف‌ها را کاهش داده و تامین انرژی را از منابع کاملا پاک و جایگزین سوخت‌های فسیلی انجام دهد.
جاکوبسون می‌گوید: «نتیجه اصلی که ما از پژوهش خود گرفته‌ایم، این است که به چند شیوه مختلف می‌توان تمام سبد انرژی را تجدیدپذیر کرد و انجام آن به هیچ‌وجه غیرممکن نیست. وی درباره باور داشتن به امکان پاک کردن سبد انرژی توضیح می‌دهد: «درک این موضوع بسیار مهم است؛ چراکه بزرگ‌ترین مانع در پیاده‌سازی انرژی‌های تجدیدپذیر در مقیاس وسیع، ادراک مردم است که هنوز هم تصور می‌کنند، حفظ روشنایی و جلوگیری از قطعی برق را نمی‌توان به سادگی انجام داد.»
البته در کشورهای کوچک مانند ایسلند، جاماییکا، کوبا و هاییتی هزینه تعمیم دادن منابع انرژی تجدیدپذیر به کل سبد انرژی کشورها، هزینه‌یی بالاتر از انجام آن در کشورهای وسیع‌تر دارد که البته در هر صورت این هزینه نسبت به هزینه واقعی استفاده از سوخت‌های فسیلی بسیار کمتر است. در این مقاله، همچنین بیان شده که در چند کشور انگشت‌شمار که تراکم جمعیت آنها بسیار بالاست (مانند هنگ‌کنگ و مالزی) این امکان وجود ندارد که تمام انرژی موردنیاز کشور را از منابع تجدیدپذیر تامین کرد. با این حال به گزارش «تعادل»، فناوری‌های جدیدی که پس از این مقاله رواج یافته‌اند (مانند مزرعه خورشیدی ساختن هلند در وسط دریا)، این مشکل را هم حل کرده و احتمالا می‌توان یک نسخه انرژی کاملا پاک برای تمام کشورها ترویج کرد.
تامین میزان تقاضا
در بطن این پژوهش، این نیاز احساس شده تا بتوان به وسیله منابع انرژی طبیعی، تقاضای سال 2050 را تامین کرد. برای انجام این کار، پژوهشگران 139 کشور را (کشورهایی که در پژوهش قبلی برای‌شان نقشه راه پاکسازی انرژی تدوین کرده بودند) براساس نزدیکی جغرافیایی و برخی نگرانی‌های ژئوپلیتیک به 20 منطقه مختلف تقسیم کردند.
برخلاف پژوهش قبلی که میزان تولید و عرضه انرژی براساس میانگین افزایش سالانه تقاضا تعیین می‌شد، در پژوهش جدید این‌گونه برنامه‌ریزی شد که
30 ثانیه پس از افزایش تقاضا، انرژی موردنیاز برای آن، تامین شود. این فرض دشوار در دوره 2045 تا 2050 درنظر گرفته شده و به‌دنبال آن است که بتواند واکنش مناسبی نسبت به تغییرات انرژی تولیدی از باد و خورشید و همچنین نوسانات میزان تقاضا در ساعت‌ها و فصل‌های از خود نشان دهد.
در این پژوهش برای برنامه‌ریزی‌های احتمالی و انطباق تولید و عرضه انرژی با شرایط فرضی، از
2 برنامه مدل‌سازی کامپیوتری و محاسباتی استفاده شده است. برنامه مدل‌سازی نخست، الگوهای آب و هوایی جهان را از سال 2045 تا 2050 پیش‌بینی می‌کند. براساس نتایج پیش‌بینی این برنامه، ظرفیت تولید انرژی مرتبط با وضع هوا مانند انرژی تولیدی توربین‌های بادی ساحلی و فراساحلی، پنل‌های خورشیدی پشت بام‌ها، پنل‌های خورشیدی در نیروگاه‌ها و نیروگاههای متمرکز خورشیدی (نیروگاههای حرارتی خورشیدی) و درنهایت مراکز انرژی گرمایی خورشیدی در دوره مورد بررسی، برآورد شد. این نوع منابع انرژی، بسیار متغیر هستند و لزوما تولید انرژی در زمانی صورت نمی‌گیرد که اوج تقاضاست و به انرژی نیاز است.
در مرحله بعد، این داده‌های خروجی از مدل‌سازی اول با مدل دوم ترکیب می‌شود که انرژی قابل تولید از منابع باثبات‌تر است. انرژی باثبات‌تر قابل تولیدی که براساس مدل محاسباتی دوم برآورد می‌شوند، شامل منابعی مانند نیروگاههای زمین گرمایی، ابزارهای تولید برق از جزر و مد و امواج و نیروگاههای برقابی می‌شود. ضمن آنکه برای تامین حرارت نیز از ظرفیت‌های زمین گرمایی بهره گرفته می‌شود. در مدل دوم همچنین این موضوع بررسی می‌شود که چگونه می‌توان در زمان تولیدِ مازاد انرژی‌هایی مانند برق، گرما، سرما و هیدروژن، آنها را ذخیره‌سازی کرد. علاوه بر این، مدل یاد شده، شامل پیش‌بینی تقاضای انرژی در گذر زمان هم می‌شود.
با استفاده از دو مدل، این گروه توانست پیش‌بینی کند که چه مقدار انرژی می‌تواند از طریق منابع متغیر انرژی تولید شده و به چه شکلی باید از منابع باثبات‌تر انرژی بهره برد تا نوسان‌های تولید و تقاضای انرژی را مدیریت کرد.
فرار از خاموشی
هر سه سناریویی که در این پژوهش تعریف شدند، توانستند با هزینه اندکی در تمام طول 5 سال مورد بررسی، از وقوع خاموشی جلوگیری کنند. تفاوت این سناریوها، نحوه ذخیره‌سازی انرژی بود. یک سناریو شامل پمپ‌های حرارتی است که برای جایگزینی بخاری و کولرهای مبتنی بر احتراق استفاده می‌شود. در این سناریو نه انرژی گرمایش و سرمایش ذخیره می‌شود، نه توربینی به سدهای برقابی اضافه می‌شود و نه از باتری برای ذخیره‌سازی برق استفاده می‌شود. البته این سناریو در 14 منطقه از 20 منطقه مورد بررسی قرار گرفت و به عبارتی 89.7درصد از
139 کشور براساس امکان استفاده از این سناریو مورد بررسی قرار گرفتند.
به گزارش «تعادل»، در یک سناریوی دیگر از باتری‌های ذخیره‌ساز برق استفاده می‌شود و در کنار آن از نیروگاههای عظیم حرارتی از نوع متمرکزساز انرژی خورشیدی (concentrated solar power) بهره گرفته شد و میزانی سرما و گرما برای شرایط غیرمنتظره ذخیره شد. در این سناریو نیز هیچ توربینی به سدهای برقابی کنونی اضافه نمی‌شود و پمپ‌های حرارتی هم مورد استفاده قرار نمی‌گیرند. سناریوی سوم البته اندکی شباهت به پیشنهادات قبلی نویسندگان این مقاله پیدا می‌کند. در این سناریو از ذخیره باتری و پمپ‌های حرارتی استفاده نمی‌شود و در عوض تلاش می‌شود تا بخش قابل‌توجهی از نیاز به انرژی در ساعات اوج مصرف از طریق نیروگاههای متمرکزساز انرژی خورشیدی و ذخیره سرما و گرما تامین شود. در کنار این راهکارها، برای 12 منطقه از 20 منطقه مورد بررسی، نیاز شد تا حداکثر ظرفیت تولید برق از منابع آبی افزایش یابد (از طریق افزایش تعداد توربین‌های آبی)؛ هر چند که این ظرفیت افزوده شده تنها در ساعات اوج تقاضا مورد استفاده قرار می‌گیرند و «میانگین» انرژی برقابی تولید شده این 12 منطقه، تغییری نمی‌کند.
واقعیت این است که امکان اجتناب از خاموشی با
سه سناریوی مختلف، حکایت از آن دارد که با راه‌حل‌های بسیاری می‌توان ثبات و پایداری را به شبکه‌های انرژی 100درصد پاک، افزود؛ آن هم در حالی که بسیاری از شکاک‌ها و منتقدان انرژی‌های پاک اعتقاد دارند که در صورت افزایش بیش از حد ضریب نفوذ انرژی‌های تجدیدپذیر در سبد انرژی، نمی‌توان پایداری و ثبات آن را حفظ کرد.
با این حال، پژوهشگران نشان داده‌اند هزینه واقعی هر واحد انرژی (هزینه‌های سلامت، تغییر اقلیم و تامین انرژی) در هر کدام از سناریوها تنها حدود یک‌چهارم هزینه‌های انرژی به روش‌های معمول تامین انرژی جهان است. این امر عمدتا به‌دلیل حذف هزینه‌های بهداشتی و زیست‌محیطی سوخت‌های فسیلی است؛ هزینه‌هایی که به جوامع استفاده‌کننده از انرژی‌های فسیلی تحمیل می‌شوند. در این میان، توربین‌های بادی نقش بسیار پررنگی در پاکسازی سبد انرژی دارند و علاوه بر آنکه آلایندگی هوا، آب و خاک ندارند، با کاهش میزان تبخیر آب نیز حدود 3درصد از گرمایش جهان را کاهش می‌دهند.
اگرچه هزینه تولید هر واحد انرژی در سناریوهای نقشه راه و روش مرسوم کنونی، تفاوتی با هم ندارند، پژوهشگران پی برده‌اند که نقشه راه ارائه شده، میزان انرژی موردنیاز در شبکه را تا نصف میزان کنونی، کاهش می‌دهد. بنابراین، مصرف‌کنندگان در حقیقت هزینه کمتری خواهند پرداخت. به عنوان مثال، در سناریوی یک که برای سرمایش و گرمایش محیط از پمپ‌های حرارتی استفاده می‌شود اما هیچ ذخیره‌سازی گرمایی یا سرمایی انجام نمی‌گیرد، نزدیک به 58درصد انرژی کمتری نسبت به حالت کنونی مصرف انرژی کشورها نیاز است که طبیعتا این موضوع نیاز به هزینه‌های ثابت و متغیر هر واحد انرژی را کاهش می‌دهد. مقدار زیادی از این صرفه‌جویی در انرژی از این موضوع حاصل می‌شود که دیگر نیازی به آن نخواهد بود تا برای استخراج، حمل و نقل و پالایش سوخت‌های فسیلی، انرژی مصرف شود. در این صورت به جای سوزاندن سوخت، می‌توان به‌طور مستقیم برق تولید کرد و به جای استفاده از سیستم‌های سرمایش و گرمایش مرسوم از پمپ‌های حرارتی بهره برد.
مارک دلوچی یکی از نویسندگان این مقاله و از پژوهشگران دانشگاه برکلی کالیفرنیا، در این باره می‌گوید: «یکی از بزرگ‌ترین چالش‌های پیش روی سیستم‌های انرژی کاملا مبتنی بر منابع پاک مانند باد و خورشید، آن است که عرضه را با تقاضا متناسب ساخته و با هزینه‌یی معقول، پایداری و قابلیت اتکای کامل را فراهم کند. نتیجه کار ما نشان می‌دهد که با فناوری‌های کنونی و تقریبا در تمام کشورها می‌توان به چنین هدفی دست پیدا کرد.»
برنامه‌ریزی پیش‌نگرانه، همکاری جمعی
جاکوبسون و همکارانش می‌گویند که یکی از چالش‌های باقی‌مانده نقشه راه آنها، همکاری موردنیاز بین بخش‌های سیاسی است. جاکوبسون توضیح می‌دهد: «بهترین حالت آن است که بین تمام بخش‌های سیاسی همکاری کامل صورت گرفته و همه با هم تصمیم بگیرند که مزارع بادی در کجا قرار گرفته، پنل‌های خورشیدی در کجا استقرار یابند و باتری‌های ذخیره‌سازی در چه مکانی نگه داشته شوند.» وی ادامه می‌دهد: «از طرفی، زمانی می‌توان به بهترین کارایی در کل سیستم تامین انرژی دست پیدا کرد که برنامه‌ریزی‌ها، پیش‌نگرانه باشد و به انجام اقدامات موردنیاز و روزمره اکتفا نشود.»
جاکوبسون و همکارانش باتوجه به این پیچیدگی‌های ژئوپلیتیک، در حال کار کردن روی نقشه راه‌های کوچک‌تری هستند تا به شهرها هم کمک کنند به‌عنوان واحدهای کوچک مصرف انرژی، سبدهای انرژی خود را به‌طور کامل با انرژی‌های تجدیدپذیر
پر کنند. پژوهشگران دیگری که در این مقاله همکاری داشتند، یکی از دانشگاه آلبورگ دانمارک و دیگری از دانشگاه برکلی کالیفرنیا بودند.
کاربردهایی برای ایران
در پژوهشی که جاکوبسون برای تامین 100درصدی انرژی موردنیاز کشورها از منابع طبیعی و تجدیدپذیر انجام داد، نام ایران هم در بین یکی از 139 کشور مورد بررسی به چشم می‌خورد. البته ایران به‌عنوان یکی از کشورها در منطقه خاورمیانه دیده می‌شود و به‌طور جداگانه به آن پرداخته نشده است.
به گزارش «تعادل»، در این مقاله، علاوه بر آنکه در هر سناریو، راه‌حلی برای تامین انرژی موردنیاز در پیک تقاضا اندیشیده شده است، به‌طور کلی فناوری‌هایی برای تعدیل و پاکسازی سبد انرژی هم درنظر گرفته شده است. پمپ‌های حرارتی (که برای همگام‌سازی دمای ساختمان‌ها با دمای چندمتری عمق زمین در فصول مختلف سال استفاده می‌شود) به همراه باتری‌های ذخیره‌سازی برق یا نیروگاههای متمرکزساز انرژی گرمایی خورشیدی از گزینه‌های این سناریوهاست. با این حال، علاوه بر این فناوری‌ها، نیاز است که به ترتیب، 41درصد از سوخت موردنیاز خودروها از شارژ برقی پیش از حرکت و 44درصد آن از طریق ذخیره‌سازی انرژی به شکل هیدروژن، تامین شود.
از موارد دیگری که می‌توان به آن اشاره کرد، این است که خاورمیانه یکی از معدود مناطقی است که برای پاکسازی کامل کربن از سبد انرژی آن نیازی به آن ندارد که توربین‌های بیشتری روی سدهای خود استفاده کند و تنها کافی است که نیروگاههای متمرکزساز انرژی خورشیدی و ذخیره‌سازهای گرما و سرما را به کار بگیرد. این موضوع را می‌توان خبری امیدوارکننده برای خاورمیانه‌یی دانست که با خشکسالی دست‌وپنجه نرم می‌کند.
درنهایت نیز باید به سناریوهای مختلف پاکسازی کامل سبد انرژی خاورمیانه اشاره کرد. در حالی که می‌توان راهکارهای مختلفی برای عبور از وابستگی به سوخت‌های فسیلی استفاده کرد (مانند خودروهای هیدروژنی و الکتریکی یا پمپ‌های حرارتی و باتری‌های ذخیره‌سازی و نیروگاههای متمرکزساز حرارت خورشیدی)، هزینه و بهای تمام شده هر واحد انرژی تامین شده با سناریوهای مختلف، با یکدیگر تفاوت دارند. بررسی‌های «تعادل»، حاکی از آن است که استفاده از پمپ‌های حرارتی به جای سوخت‌های فسیلی یا حتی باتری‌های ذخیره‌سازی برق و انبارهای گرما و سرما، منطقی‌ترین راه برای پاکسازی کامل کربن از سبد انرژی است. دلیل این موضوع، صرفه‌جویی تقریبا 57درصدی در مصرف انرژی نسبت به سبد کنونی است. به این صورت، با آنکه دست‌کم در این سناریو نیاز به سرمایه‌گذاری‌های اولیه بالاتری نسبت به نیروگاههای متمرکز حرارت خورشیدی و انبارهای ذخیره سرما و گرما است، اما کاهش شدید مصرف انرژی، هزینه‌های اولیه را جبران می‌کند و هم دولت‌ها و هم مصرف‌کنندگان از هزینه‌های کمتر آن بهره‌مند خواهند شد.
