نيروگاه‌های هوشمند بادی و خورشیدی

این مطلب یکی از مقالات پرونده ویژه «چشم‌انداز فناوری در سال 2015» است. برای دریافت کل این پرونده ویژه اینجا را کلیک کنید.

استفاده از برق بادی در زمين‌های باز کلرادو شمالی به‌شدت رو به افزايش است. اگر در بزرگراه 71، هفت کيلومتر از شمال شهر ليمون را بپيماييد و سپس به‌ سوی شرق جاده کانتی 3p پيش برويد، باريکه‌ای از سنگ‌ريزه را خواهيد ديد که در راستای خطوط جديد برق پيش می‌رود. چند دقيقه بعد خود را در محاصره برج ‌‌توربين‌های بادی خواهيد يافت که تا چند مايل امتداد پيدا کرده‌اند. از سال 2011 به ‌اين سو، در اين ناحيه سه سايت بزرگ بادی ساخته شده ‌است. قرار بود يک سايت جديد نيز امسال به بهره‌برداری برسد.
تقريباً هر کدام از اين صدها توربين‌ بادی هرچند ثانيه يک ‌بار سرعت باد و برق توليدی خود را ثبت می‌کند. آن‌ها هر پنج دقيقه يک ‌بار داده‌ها را به کامپيوترهای قدرت‌مندی می‌فرستند که 100 مايل دورتر از آن‌ها در مرکز ملی پژوهش‌های جوی (NCAR) در بلودر قرار دارند. نرم‌افزارهای موجود روی آن کامپيوترها که بر اساس هوش مصنوعی طراحی شده‌اند، اين داده‌ها و همچنين داده‌های دريافت‌ شده از ماهواره‌های هواشناسی، ايستگاه‌های هواشناسی و ديگر سايت‌های بادی اين ايالت را تحليل می‌کنند. نتيجه اين تحليل‌ها پيش‌بينی‌های وضعيت برق بادی است که با دقت بی‌نظيری انجام می‌شود و اجازه می‌دهد ايالت کلرادو بسيار بيش‌تر از آن‌چه تصور می‌شد، از انرژی‌های تجديدپذير و با هزينه‌ای کم‌تر از نيروگاه‌های مرسوم بهره ببرد. اين پيش‌بينی‌ها به شرکت‌های برق کمک می‌کند تا با يکی از بزرگ‌ترين چالش‌های مرتبط با برق بادی روبه‌رو شوند: باز ايستادن توربين‌ها. 

 شکل 1: توربين‌ها در سايت بادی ليمون در کلرادو مقادير انبوهی داده را گردآوری و ارسال می‌کنند.

برای شرکت‌های برق ايرادی ندارد که بخش کوچکی از برق شبکه خود را با برق بادی تأمين کنند. آن‌ها به ‌استفاده از منابع گوناگون عادت دارند؛ به‌ويژه که ميزان تقاضا برای برق فصل به فصل و حتی دقيقه به دقيقه در تغيير است. اما شرکتی که می‌خواهد مقدار زيادی انرژی بادی را وارد شبکه‌ خود کند، بايد تأسيسات و سازوکارهایی داشته باشد که بتواند در صورت توقف ناگهانی وزش باد کمبود برق بادی را به‌سرعت جبران ‌کند. اين تأسيسات پشتيبان که به‌طور معمول سوخت فسيلی می‌سوزانند پرهزينه و آلاينده هستند. اگر شرايط جوی با دقت بيش‌تری پيش‌بينی‌ ‌شود، اين شرکت‌ها می‌توانند مقدار برق ذخيره ‌شده در سايت‌های پشتيبان و همچنين ميزان نقش‌آفرينی آن‌ها را کاهش دهند. 
پيش از توسعه سيستم‌های پيش‌بينی دقيق، شرکت اکسل انرژی (Xcel Energy) که بيش‌تر برق کلرادو را تأمين می‌کند، با طرحی که آن ‌را ملزم می‌کرد 10 درصد برق خود را از منابع تجديدپذير تأمين کند، از در مخالفت وارد شد و آگهی‌هایی را بين مشتريان خود پخش کرد که در آن‌ها ادعا کرده‌ بود چنين دستوری هزينه‌های برق را طی 20 سال آينده 1.5 ميليارد دلار افزايش خواهد داد. اما تا اندازه زيادی به لطف پيش‌بينی‌های بهبود‌يافته سيستم‌های پيش‌بينی‌ جوی، اکسل که يکی از بزرگ‌ترين شرکت‌های برق ايالات متحده است، نه تنها دست از مخالفت کشيد، بلکه هم‌اکنون بيش از هر شرکت برق ديگری در ايالا‌ت متحده توربين‌های بادی نصب کرده ‌است و از دستورالعملی پیروی می‌کند که می‌گويد 30 درصد برق شرکت‌ها بايد از منابع تجديدپذير تهيه‌ شود و اظهار می‌دارد می‌تواند به‌راحتی حتی بيش از اين مقدار را نيز تأمين کند. 

نخستين نسخه سامانه پيش‌بينی مرکز ملی پژوهش‌های جوی در سال 2009 عرضه ‌شد. سال 2013 نیز سال مهمی بود؛ زيرا در آن زمان دقت پيش‌بينی‌ها به‌طرز چشم‌گيری افزايش يافت و باعث شد اکسل تنها در آن يک‌ سال بيش از کل سه سال گذشته‌ در هزينه‌ها صرفه‌جویی کند. مرکز ملی پژوهش‌های جوی در سال 2014 برای نيروگاه‌های خورشیدی نيز سامانه پيش‌بينی‌کننده مشابهی را آزمايش کرد. به‌ گفته بريان هنگان، مدير مجموعه‌ای‌ 135 ميليون دلاری در آزمايشگاه ملی انرژی‌های تجديدپذير (NREL) در گلدن کلرادو که برای توسعه شيوه‌های گسترش انرژی‌های تجديدپذير از شبيه‌سازی‌های ابرکامپيوترها بهره می‌برد، با کنکاش در اين پيش‌بينی‌های دقيق می‌توان سامانه‌های نرمش‌پذيرتر و کارآمدتری را برای تأمين برق توسعه‌ داد. در اين صورت، اهداف مد نظر نهادهای بين‌المللی که مصرانه می‌کوشند ميزان توليد کربن را کاهش دهند، برآورده خواهد شد. هنگان و همکارانش هم‌اکنون به چشم‌اندازی دست ‌يافته‌اند که نشان می‌دهد با توجه به اهداف موجود درباره انرژی و محيط ‌زيست قرار است در درازمدت به ‌کجا بروند؛ چيزی که پيش از اين نمی‌شد گفت. 

رام کردن باد
هيچ‌ کس به ‌اندازه ديتون جونز، مدیر توزیع (دیسپاچر) شرکت Xcel Energy، از چالش‌های ترکيب برق بادی در شبکه‌های برق آگاه نيست. او مسئوليت دارد از محل کار خود در طبقه دهم ساختمان اکسل در مرکز شهر دنور، چراغ‌های ايالت کلرادو را روشن نگه دارد. برای اين‌ کار بايد برق توليدی را با ميزان تقاضا هماهنگ و نيروگاه‌ها را روشن و خاموش و ميزان توليد آن‌ها را کنترل کرد. اگر برق بسيار بيش‌تر‌ يا کم‌تر از اندازه توليد شود، می‌تواند به تأسيسات برق آسيب بزند يا حتی شبکه را در خاموشی فرو ببرد. برق بادی به‌علت تغييرهای شديدی که ممکن است در وضعيت آن پديد بيايد، کار او را سخت‌تر می‌کند. 
تا چند سال پيش، مدیران توزیعی مانند جونز نمی‌توانستند به پيش‌بينی‌های مرتبط با مقدار توليد برق بادی برای شبکه در يک زمان مشخص اعتماد کنند. آن پيش‌بينی‌ها به‌طور معمول تا 20 درصد نادرست از آب در می‌آمدند و گاهی برق بادی کاملاً از تأمين آن‌چه پيش‌بينی‌ شده‌ بود، باز می‌ماند. راه ‌حل اين بود که نيروگاه‌های سوخت فسيلی بی‌استفاده‌ای در دسترس باشد تا در چنين مواقعی بتوان طی چند دقيقه همه آن ‌را با برق بادی جايگزين کرد. اين راه‌کار پرهزينه است و هرچه سيستم بيش‌تر به برق بادی وابسته باشد، هزينه‌‌ها بيش‌تر می‌شوند. علاوه بر اين، همان‌ گونه که ويليام ماهونی، جانشين مدير آزمايشگاه‌ برنامه‌های پژوهشی در مرکز ملی پژوهش‌های جوی می‌گويد، به‌کارگيری نيروگاه‌های سوخت فسيلی به معنی «رها کردن کربن در آسمان است.» چيزی که به گفته‌ او: «هزينه‌بر و برای محيط‌ زيست مضر است.»

اکسل که يکی از بزرگ‌ترين شرکت‌های برق ايالات متحده است، هم‌اکنون بيش از هر شرکت برق ديگری در ايالا‌ت متحده توربين‌های بادی نصب کرده ‌است و از دستورالعملی پیروی می‌کند که می‌گويد 30 درصد برق شرکت‌ها بايد از منابع تجديدپذير تهيه‌ شود.

پيش‌بينی‌های مرکز ملی پژوهش‌های جوی باعث می‌شود تا جونز با اعتماد کافی به برق بادی بسياری از نيروگاه‌های ذخيره‌ بیکار را خاموش کند. شمار آن‌ها بسته به اطمينان‌پذيری اين پيش‌بينی‌ها متغير است. اگر هوا سرد و مرطوب و اين احتمال وجود داشته ‌باشد که روی توربين‌های بادی يخ بنشيند و چرخش آن‌ها را کاهش دهد يا متوقف کند، او بايد آن‌قدر برق سوخت فسيلی ذخيره‌ داشته‌ باشد تا به‌طور کامل آن‌ها را با برق بادی جايگزين کند. 
روزهایی که هوا خوب است و باد پيوسته و زياد می‌وزد، او بايد همه نيروگاه‌های ذخيره واکنش ‌سريع را خاموش کند، حتی آن‌ها که در شرايط عادی برای پاسخ‌گویی به تغييرات تقاضا ذخيره شده‌اند. جونز در چنين شرايطی می‌تواند (مستقيم) از خود نيروگاه‌های برق بادی استفاده ‌کند تا تضمين شود برق موجود با ميزان تقاضا هماهنگ است. تغيير زاويه تيغه‌های پروانه توربين مقدار باد دريافتی از سوی آن‌ها را کم و زياد و بر همين اساس، خروجی توربين‌ها تقريباً بلافاصله تغيير می‌کند. کامپيوترهای موجود در ساختمان اکسل در شهر دنور به سايت‌های بادی می‌گويند که چه مقدار برق توليد کنند. همچنين، کنترل‌های خودکار صدها توربين را هماهنگ می‌کنند و درصورت نياز خروجی آن‌ها را دقيقه به دقيقه تغيير می‌دهند. 
اکسل در نخستين پيش‌بينی‌های خود، به‌ازای هر سايت بادی فقط از داده‌های يک يا دو ايستگاه هواشناسی استفاده می‌کرد. اينک مرکز ملی پژوهش‌های جوی تقريباً از تک‌تک‌ توربين‌ها اطلاعات گردآوری می‌کند. اين داده‌ها در يک مدل جوی پروضوح مورد استفاده قرار می‌گيرند و با خروجی حاصل از پنج سامانه‌ پيش‌بينی‌ بادی ديگر ترکيب می‌شوند. نرم‌افزار مرکز ملی پژوهش‌های جوی با استفاده از داده‌های تاريخی، ياد می‌گيرد که کدام پيش‌بينی‌ها برای هر سايت بادی بهترين پيش‌بينی‌ هستند و بسته به همين موضوع به هر کدام آن‌ها امتياز می‌دهد. اين پيش‌بينی‌های ترکيبی عالی از هر پيش‌بينی منفرد ديگری دقيق‌تر هستند. سپس، مرکز ملی پژوهش‌های جوی با استفاده از داده‌های مربوط به مقدار برقی که هر توربين در واکنش به سرعت‌های متفاوت باد در آن ناحيه توليد خواهد کرد، ظرف 15 دقیقه به اکسل اطلاع می‌دهد که در هفت روز آينده انتظار چه مقدار برق را داشته‌ باشد.

به‌کارگيری نيروگاه‌های سوخت فسيلی به معنی «رها کردن کربن در آسمان است. 

پيش‌بينی برق خورشیدی گام بعدی مرکز ملی پژوهش‌های جوی و شرکت اکسل است، اما پيش‌بينی برق خورشيدی می‌تواند پيچيده‌تر از برق بادی باشد. يکی از علت‌های آن اين است که اکسل درباره ميزان برقی که به‌وسيله صفحه‌های خورشيدی شخصی بر پشت‌بام‌ها توليد می‌شود، اطلاعاتی دريافت نمی‌کند. در نتيجه، نمی‌داند وقتی هوا ابری می‌شود چه مقدار از آن برق می‌تواند از دسترس خارج شود. پيش‌بينی‌های جديد مرکز ملی پژوهش‌های جوی برای برق خورشیدی از داده‌های ارسالی از ماهواره‌ها، تصويربردار‌های جوی، پايش‌گرهای آلودگی و صفحه‌های خورشيدی عمومی (و نه خصوصی) استفاده می‌کند تا بداند چه ‌اندازه برق خورشيدی توليد خواهد شد و سپس پيش‌بينی‌ می‌کند تغييرهای آن چگونه خواهد بود. 

انرژی مجازی
پيش‌بينی‌های بسيار دقيق درباره برق بادی و خورشیدی چگونه می‌تواند کمک کند به ‌اندازه کافی از انرژی‌های تجديدپذير استفاده ‌کنيم تا اهداف کاهش مؤثر انتشار دی ‌اکسيد کربن به واقعيت بدل شود؟ پژوهش‌گران آزمايشگاه ملی انرژی‌های تجديدپذير (NREL) در مرکز جديد Energy Systems Integration Facility کار خود را با اين موضوع آغاز کرده‌اند که بده‌بستان برق بادی و خورشيدی با چه ميزان تأثيرگذاری می‌تواند انجام شود. برای مثال، وزش باد شبانگاهی تا چه ‌اندازه می‌تواند جای آفتاب را در روزهای ابری پر کند؟ اما آن‌ها به دنبال اين نيز هستند که چگونه می‌توان با پيش‌بينی‌های ظرف‌شوی‌ها، آب‌گرم‌کن‌ها، و صفحه‌های خورشيدی هوشمند و نیز تصفيه‌خانه‌های آب و شارژرهای هوشمند خودروهای برقی را با هم ترکيب کنند تا در نتيجه بدون نياز به استفاده از سوخت‌های فسيلی، نه تنها با تغييرات باد هماهنگ شوند، بلکه بتوانند در دوره‌های بدون باد و هفته‌های ابری نيز برق کافی توليد کنند.

کامپيوترهای موجود در ساختمان اکسل در شهر دنور به سايت‌های بادی می‌گويند که چه مقدار برق توليد کنند.

مثال خودروهای برقی را در نظر بگيريد. يک خودرو بسته به اندازه باتری آن‌قدر برق ذخيره می‌کند که بتوان با آن به ‌‌اندازه نيم‌‌روز تا چند روز برق يک خانه را در هر جایی تأمين کرد. اين خودروها سامانه‌های الکترونيک کارآمدی دارند که می‌تواند زمان‌بندی‌ها را کنترل کند و نرخ شارژ را تغيير دهد. با چنين امکاناتی می‌توان مقدار برق بادی متغير را با ميزان تقاضا هماهنگ کرد. با ايجاد تغييرهای کوچک در باتری‌های خودرو می‌توان آن‌ها را واداشت تا برقی را که ذخيره کرده‌اند، به خانه و شبکه برق شهری منتقل کنند. هنوز شمار خودروهای برقی زياد نيست، اما اين وضعيت می‌تواند به‌سادگی در چند دهه آتی؛ يعنی، پيش از آن‌که انرژی‌های تجديدپذير بيش از 30 تا 40 درصد برق مورد نياز را تأمين کنند، تغيير يابد (برق بادی ‌اينک چهار درصد و برق خورشيدی کم‌تر از یک درصد کل برق مورد نياز را تأمين می‌کنند). 

در آزمايشگاه ملی انرژی‌های تجديدپذير، پژوهش‌گران می‌توانند 30 خودرو برقی را به داک‌هایی متصل کنند که به آن‌ها اجازه می‌دهد از شبيه‌سازی‌هایی از شبکه برق در يک ابرکامپيوتر استفاده‌ کنند تا مشخص شود که اگر هزاران خودرو به شبکه برق متصل می‌شد، چه اتفاقی می‌افتاد. ايده آن‌ها اين است که خودروهای برقی می‌توانند برق را از صفحه‌های خورشيدی دريافت و ذخيره کنند و عصرها که تقاضا برای برق افزايش می‌يابد، برای تأمين برق محيط مجاور خود از آن بهره ببرند، و صبح زود باتری‌های خود را با استفاده از برق بادی از نو شارژ کنند. 

سال گذشته، در يک آخر هفته پرباد وقتی تقاضا برای برق کم بود، اکسل رکورد جديدی را به ثبت رساند و به ‌مدت يک ساعت 60 درصد برق کلرادو را با توربين‌های بادی تأمين کرد.

بری ماتياس هوج، از مهندسان ارشد پژوهش در مرکز ملی پژوهش‌های جوی، می‌گويد: «پيش‌بينی‌هایی مانند آن‌چه در اين مرکز گسترش يافته ‌است، به‌طور مسلم مهم است.» آن‌ها کمک خواهند کرد تا مشخص شود چه زمانی باتری‌های خودروها بايد شارژ شوند تا برقی که به شبکه شهری منتقل می‌کنند به حداکثر برسد، بی‌آن‌که رانندگان در تأمين برق مورد نياز خود با کمبود مواجه شوند. 
حتی پيش از آن‌که چنين ايده‌ای به واقعيت بدل شود، پيش‌بينی‌های کنونی مرکز ملی پژوهش‌های جوی نيز تأثير زيادی دارد. سال گذشته، در يک آخر هفته پرباد وقتی تقاضا برای برق کم بود، اکسل رکورد جديدی را به ثبت رساند و به ‌مدت يک ساعت 60 درصد برق کلرادو را با توربين‌های بادی تأمين کرد. دريک بارتلت که ساز و کارهای يک‌پارچه‌سازی انرژی‌های تجديدپذير را برای اکسل مديريت می‌کند، می‌گويد: «اگر چند سال پيش گفته می‌شد که برق بادی تا اين اندازه می‌تواند در تأمين برق شبکه نقش ايفا کند، مدیران توزیع دچار حمله قلبی می‌شدند.» به ‌گفته او: «آن‌ها اکنون در حال برداشتن گام‌های بلندی هستند و اين رکورد می‌رود تا شکسته شود.»

دستاورد
پيش‌بينی‌های فوق‌دقيق درباره نيروی بادی و آفتابی

چرا مهم است
حل و فصل موضوع توقف (هرازگاه در توليد و تأمين) انرژی تجديد‌پذير برای گسترش آن ضروری است.

بازيگران اصلی
اکسل انرژی
جنرال الکتريک پاور
مرکز ملی پژوهش‌های جوی ايالات متحده