نیروگاه‌های شخصی، آینده تامین انرژی

این بازار بزرگ و پر تقاضا و صد البته کم رقیب، قیمت برق را در بیشتر کشورهای صنعتی به قدری افزایش داده که خیلی‌ها را به فکر ساخت نیروگاه‌های شخصی انداخته است. در این میان شهروندان کشور ایالات متحده در راس قرار دارند.

در نظر اول، ناحیه جنوبی فورت کالینز در ایالت کلرادو مثل دکور یک فیلم سینمایی عاشقانه می‌ماند. خانه‌های زیبای قرن نوزدهمی که به زیبایی حفظ شده، در خیابان‌های خوش‌ر‌‌نگ و لعابش جا خوش کرده‌اند و یک واگن برقی بازسازی شده در گذرگاه کوهپایه‌ای جولان می‌دهد.

اما دقیق‌تر که شویم، می‌بینیم همین زمین چشمنواز به بستری برای یکی از جاه‌طلبانه‌ترین مقاصد شهرسازی تبدیل شده است. فورت کالینز با جمعیت 15 هزاری نفر در حال انجام طرحی است تا به یک منطقه «انرژی صفر» تبدیل شود. به این معنی که مقدار انرژی مصرفی این بخش در یک سال، حداکثر به اندازه مقدار انرژی تولیدی‌اش خواهد بود. در کنار آن، کل شهر درصدد است مقدار تولید کربن خود را تا 16 سال آینده 80 درصد کاهش داده و تا چهل سال دیگر به صفر برساند. برای رسیدن به این هدف، دانشمندان بی‌وقفه در حال کار گذاشتن تجهیزات پیشرفته، مانند توربین‌های گازی با دور ترکیبی به جای نیروگاه‌های زغال سنگی یا باتری‌های خورشیدی روی سقف‌خانه‌ها، باغ‌های خورشیدی، توربین‌های بادی، مخازن گرمایی و برقی، میکروشبکه‌ها و مدل‌های پر ‌بهره انرژی هستند.

قیمت تولید برق از طریق باد و خورشید چنان کاهش یافته که ‌اکنون بسیاری از افراد در سراسر دنیا خودشان برق تامین می‌کنند.

در سال‌های آینده، بسیاری از کارخانجات، تشکیلات، خوابگاه‌ها و خانه‌ها قادرند برق بیشتر سال را خودشان تولید کنند. هم تجهیزات تولید ارزان خواهد شد و هم دستگاه‌های نیازمند به برق، انرژی کمتری خواهد طلبید. پیشرفت در تولید باتری‌ها و شکل‌های دیگر انرژی نیز بسیاری از مشکلات تولید برق مرکزی را مرتفع خواهد کرد. همچنین شبکه‌های هوشمند، میکروشبکه‌ها و دیگر فناوری‌ها به‌ گونه‌ای این کارگاه‌های کوچک تولید برق را به هم متصل خواهد کرد که خیلی‌ها قادر باشند همزمان با استفاده از مولد مرکزی برق، انرژی تولیدی اضافه خود را با دیگران معامله کنند.

در مجموع، این جهش‌ها به کمرنگ شدن نقش انرژی‌های فسیلی و هسته‌ای و در نتیجه کاهش آلاینده‌هایی مثل گازهای گلخانه‌ای و زباله‌های هسته‌ای می‌انجامد. توسعه چنین امکاناتی اصلا ساده نیست، پس باید از همین امروز برای آینده برنامه ریزی کنیم.

دستیابی به چنان ایده‌آلی، بدون فائق آمدن بر بسیاری چالش‌های فناورانه و همچنین مسائل سیاسی و نظارت میسر نخواهد بود. امروزه هر بار که سرپرست خانواری با نصب صفحات خورشیدی در تولید بخشی از برق خانواده خودکفا شده و مصرف برق ملی را کم می‌کند، هر بار که صاحب یک خودروی الکتریکی، سیم برق را متصل می‌کند تا باتری خودرویش را شارژ کند و هر بار که یک توربین بادی شروع به چرخش می‌کند به شبکه فشار وارد می‌آید. با این‌که هر کدام از این فشارها بسیار ضعیف است، اما ازدیاد و انباشته شدن آنها در نهایت برای کارگاه‌های کوچک برقی که به منظور تحمل چنین فشاری طراحی نشده‌اند، فاجعه‌بار خواهد بود.

کلارک جلینگز، از مسئولان نهاد تحقیقات نیروی برق (EPRI) تحولی که امروزه در حال رخ دادن در عرصه انرژی برق است را با تحول به وجود آمده در ارتباطات دوربرد و پردازش مقایسه می‌کند. زمانی شبکه تلفن متشکل از یک سری خط متصل بود. به مرور زمان انفجاری در این عرصه رخ داد و امروزه شاهد چند ارائه‌دهنده خدمات تلفن باسیم و بیسیم هستیم. در عرصه پردازش و رایانه هم چنین انقلابی رخ داد. ابتدا سیستم‌های پردازشی غول‌هایی فیزیکی بودند؛ اما به مرور با ارزان‌شدن پردازنده‌ها و دیگر قطعات به جایی رسیدیم که هر کس می‌تواند یک سیستم رایانه در منزل داشته باشد و از طریق اینترنت به دریایی از اطلاعات دست پیدا کند.

جلینگز، طرحی برای ساماندهی نیروی برق پیشنهاد داده و سال‌ها پیش هم آن را منتشر کرده که خودش آن را «الکترینت» می‌خواند. الکترینت مجموعه‌ای کاملا مرتبط از شبکه‌های نیروگاه‌های شخصی است که با کمک ارتباط دوربرد، اینترنت و تجارت الکترونیکی در کنار هم قرار گرفته و نگاه بشریت به تولید، توزیع و مصرف برق را دگرگون خواهد کرد. چنین شبکه‌ای فرصتی برای تجهیزات سنتی فراهم می‌آورد که به طور هوشمند با یکایک خانه‌ها، خدمت‌رسان‌ها و دیگر موارد دخیل در صنعت برق مرتبط‌شده، دامنی برای میلیاردها معامله الکتریکی باشد که بین نیروگاه‌های شخصی و مشتریان صورت می‌گیرد. دستگاه‌های هوشمند خانگی قادر خواهند بود به طور خودکار به بالا پایین‌شدن قیمت برق پاسخ داده، مثلا خاموش یا روشن شوند. الکترینت فرصت‌هایی هم برای امنیت منزل، خدمات داده و ارتباطی و... فراهم خواهد کرد.

علاوه بر اینها، سنسورهای پیشرفته در سراسر شبکه به مدیران آن اجازه می‌دهند شبکه را تحت نظارت گرفته و در صورت خطای عملکرد، حملات فیزیکی یا سایبری، نسبت به پیشگیری یا التیام صدمات رخ داده اقدام کنند.

با این که تولید توزیعی در حال حاضر در نقاط زیادی پیاده‌سازی شده، به گفته جلینگز باید شبکه‌ای ادغامی و در هم تنیده بسازیم. وگرنه مولدهای مرکزی همچنان حضور پررنگی دارند و هرچند نمی‌توان توقع داشت به کل از چرخه حذف شوند، اما حداقل باید انتظار داشت نقش‌ محوری و مرکزی آنها کاهش یابد.

به گفته متخصصان، دستیابی به فناوری لازم که قادر باشد حجم عظیمی از داده‌ها را تبادل و پردازش کند، فقط یک هدف خوشایند نیست. نائل‌ آمدن به آن یک شرط است، چون غیر از آن نتیجه اصلا خوشایند نخواهد بود. آلمانی‌ها این را خوب می‌فهمند. سوبسید‌های بیش از حد دولت برای انرژی جایگزین، به اضافه شدن 30 گیگاوات انرژی خورشیدی و 30 گیگاوات انرژی بادی در عرض فقط چند سال شد. در روزهای روشن و آفتابی و هنگام ظهر، انرژی بازیافتی آلمان با نیمی از کل انرژی کشور برابری می‌کند.

بنجامین کروپوسکی، مدیر ادغام سیستم‌های نیرو در لابراتوار ملی انرژی گلدن کولو این امر را به ظاهر خوشایند، اما بشدت منفی می‌داند. به گفته او با تولید حجم عظیم انرژی بازیافتی، خروجی انرژی عادی محدود می‌شود تا تعادل سیستم حفظ شود. اگر بر فرض برق در محلی برود، مدارهای حافظ در جا وارونگرهای فتوولتائیک‌ها را غیرفعال می‌کند. (وارونگرها سیستم‌های نیمه‌هادی است که جریان مستقیم را از سلول‌های خورشیدی به جریان متناوب تبدیل می‌کند) در نتیجه ناپایداری‌های وحشتناکی رخ خواهد داد.

در جواب از دست دادن 30 گیگاوات در کسری از ثانیه نمی‌توان در جا عملکرد ژنراتور عادی را بالا برد. در نتیجه آلمانی‌ها مجبور شدند میلیون‌ها دلار دیگر هزینه کنند تا وارونگرهای هوشمندی بسازند که در صورت ناپایداری یا قطع در شبکه، بی‌اعتنا به کار خود ادامه بدهند.

بهای این اوضاع را مشتریان آلمانی می‌دهند که با دو برابر شدن هزینه‌ها از ده سال پیش به این سو مجبورند بابت هر کیلووات در ساعت حدود 120 هزار تومان بپردازند. کشورهای دیگر از این اشتباه عبرت گرفته و به دنبال ادغام شبکه با مولدهای بادی و خورشیدی هستند تا پایداری سیستم تضمین شود.

یک سازنده ملک در ژاپن در حال ساخت شهرکی با این رویکرد ادغامی است. وی با تبدیل یک زمین گلف به شهرکی هوشمند موسوم به کاشیوانوها، فضای لازم برای سکونت 26 هزار نفر با مدیریت اصولی آب، انرژی و دیگر خدمات را فراهم می‌آورد.

طرح شهرک هوشمند مدت مدیدی است پیشنهاد شده، اما پس از زلزله فاجعه‌بار فوکوشیما در سال 89 این مساله در ژاپن رنگ جدی‌تری به خود گرفت. بر اثر آن زلزله آب و برق شهرهای زیادی قطع شد که گیرکردن افراد در آسانسورها یکی از کوچک‌ترین پیامدهای آن بود.

از این رو سیستم برق کاشیوانوها به‌گونه‌‌ای طراحی شده که در صورت وقوع بلایای طبیعی، بدون وقفه به سرویس‌های حیاتی مثل آسانسورها، پمپ‌های آب و بیمارستان‌ها نیرو برساند. برای نیل به این هدف، سیستم به چند ایستگاه ذخیره باتری و یک میکروشبکه متکی است. میکروشبکه‌ای که بر اشتراک برق نظارت داشته و می‌تواند بدون اتصال به شبکه اصلی نیز فعالیت کند. نظارت بر مصرف برق در طبقه بالایی یکی از هتل‌ها صورت می‌گیرد. خود کاربران نیز می‌توانند از طریق یک صفحه لمسی مصرف برق شخصی خود را نظارت کنند. به کاربرانی که در این راه موفق باشند، امتیازاتی موسوم به «اعتبار زیست‌‌محیطی» (Eco Points) اهدا می‌شود که با آن می‌توانند از فروشگاهی مشخص جنس بخرند.

به گفته آکی‌هیکو توبی، مدیرعامل بخش شهر هوشمند هیتاچی، به مرور امکانات هوشمندی مانند چراغ‌های سنسورداری که با کشیدن پرده‌ها، خاموش می‌شوند یا سیستم‌های نظارت بر سلامت و مقدار ورزش و کالری مصرفی به منازل افزوده خواهد شد.

موفقیت در توسعه شهرهای هوشمند به پیشرفت در تمام زمینه‌ها، حتی فناوری استخراج ذغال‌سنگ و گازهای طبیعی بستگی دارد. عقب ماندنِ حتی یکی از فناوری‌های روز، مانند چوبی لای چرخ آینده انرژی خواهد بود. از سوی دیگر به ثمر نشستن تمام پیش‌بینی‌ها و آمال دانشمندان در گرو اختصاص هزینه‌های لازم از سوی مسئولان دولتی است.

البته حتی اگر تمام این تصورات به حقیقت بپیوندند، باز هم شاهد توقف آنی در استفاده از انرژی‌های فسیلی نخواهیم بود. در حالی که طبق دستور‌العمل دورنمای انرژی جهانی بسیاری از کشورها در حال تعطیل کردن معادن زغال سنگ خود هستند، کشورهای دیگر به کشف آنها مشغولند. کشور چین که پیشرو دراستفاده از زغال سنگ است، قصد دارد تا حدود پنج سال دیگر 530 گیگاوات بر حجم برق تولیدی خود از زغال سنگ اضافه کند.

اگر شهرهایی مانند فورت کالینز و کاشیوانوها کارشان را به درستی انجام دهند، طی 50 سال آینده مولدهای مرکزی متداول رسما برکنار شده و با اعمال سیاست‌های تسهیلات دولتی و ایجاد امکان بازفروش انرژی اضافه حاصل از نصب صفحات خورشیدی و نیروگاه‌های بادی، شاهد دنیایی بهتر خواهیم بود.

spectrum.ieee.org / مترجم: سیاوش شهبازی