12 آوریل 2022 – توسط کیم مارتینو، دانشگاه کلمبیا -اعتبار: CC0 دامنه عمومی
قیمت انرژی‌های تجدیدپذیر در دهه گذشته بیش از 70 درصد کاهش یافته است و آمریکایی‌های بیشتری را به سمت ترک سوخت‌های فسیلی به سمت منابع انرژی سبزتر و کم‌آلاینده سوق داده است. اما از آنجایی که نیروی باد و خورشید همچنان در حال نفوذ هستند، اپراتورهای شبکه ممکن است مجبور شوند برای نوسانات بزرگ در دسترس بودن برنامه ریزی کنند.
این هشدار از سوی آپمانو لال، استاد مهندسی دانشکده آب و هوای کلمبیا ارایه شده که اخیراً در تلاش برای انتشار کربن صفر خالص، چشم‌انداز خود را از مصرف آب پایدار به انرژی‌های تجدیدپذیر پایدار تبدیل کرده است.
وی گفت: طراحان سیستم‌های انرژی تجدیدپذیر باید به تغییر الگوهای باد و خورشید در طول هفته‌ها، ماه‌ها و سال‌ها توجه داشته باشند، همانطور که مدیران آب انجام می‌دهند. “شما نمی توانید تغییرپذیری را به این شکل با باتری ها مدیریت کنید. به ظرفیت بیشتری نیاز دارید.”
در یک مطالعه مدل سازی جدید در ژورنال Patterns یاش آمونکارو لال دکترای این دانشکده نشان می‌دهند که پتانسیل خورشیدی و باد در طول روزها و هفته‌ها بسیار متفاوت است، نه از ماه‌ها تا سال‌ها. آنها بر تگزاس تمرکز کردند، که این کشور در تولید برق از نیروی باد پیشرو است و پنجمین تولیدکننده بزرگ خورشیدی است. لال گفت، تگزاس همچنین دارای یک شبکه مستقل است که به بزرگی بسیاری از کشورها است، که آن را به آزمایشگاهی ایده آل برای ترسیم وعده ها و خطرات سیستم های انرژی تجدیدپذیر تبدیل می کند.
محققان کلمبیا یک مدل هوش مصنوعی ساختند تا تخمین بزنند یک خشکسالی انرژی در یک سیستم ترکیبی باد-خورشید چقدر طولانی و شدید خواهد بود.
محققان با تکیه بر داده های تاریخی 70 ساله بادی و انرژی خورشیدی، یک مدل هوش مصنوعی برای پیش بینی احتمال یک “خشکسالی” در مقیاس شبکه ساختند، زمانی که تولید روزانه انرژی های تجدیدپذیر به زیر آستانه هدف کاهش یافت. در آستانه تعیین شده در صدک 30، زمانی که تقریباً یک سوم تمام روزها ، روزهای کم تولید هستند، محققان دریافتند که تگزاس می تواند تا چهار ماه متوالی با خشکسالی انرژی روزانه مواجه شود.
به گفته لال، باتری‌ها قادر به جبران خشکسالی با این طول نیستند و اگر سیستم تنها به انرژی خورشیدی متکی باشد، می‌توان انتظار داشت که خشکسالی دو برابر – برای هشت ماه – ادامه یابد. او گفت: «این یافته‌ها نشان می‌دهد که برنامه‌ریزان انرژی باید راه‌های جایگزین ذخیره یا تولید برق یا افزایش چشمگیر ظرفیت سیستم‌های تجدیدپذیر خود را در نظر بگیرند.»
پیش بینی خشکسالی های «انرژی» آینده در تگزاس و در سراسر قاره ایالات متحده
این تحقیق شش سال پیش آغاز شد، زمانی که لال و یک دانشجوی فارغ التحصیل سابق، دیوید فارنهام، تغییرات باد و خورشید را در هشت فرودگاه ایالات متحده بررسی کردند، جایی که سوابق آب و هوا معمولا طولانی تر و دقیق تر است. آنها می خواستند ببینند که در یک شبکه فرضی 100٪ انرژی تجدیدپذیر چقدر می توان انتظار داشت که تغییر کند.
نتایجی که فارنهام در پایان نامه دکترای خود منتشر کرد تعجب آور نبود. فارنهام و لال دریافتند که پتانسیل خورشیدی و باد، مانند بارندگی، بر اساس زمان سال و مکانی که توربین‌های بادی و پنل‌های خورشیدی در آن قرار گرفته‌اند، بسیار متغیر است. در هشت شهر، آنها دریافتند که پتانسیل انرژی تجدیدپذیر از میانگین بلندمدت تا یک سوم در برخی فصول افزایش و کاهش یافته است.
لال گفت: «ما اصطلاح «انرژی» را برای خشکسالی ابداع کردیم زیرا یک چرخه 10 ساله با این تفاوت از میانگین بلندمدت به عنوان خشکسالی بزرگ تلقی می شود. “این شروع کار خشکسالی انرژی بود.”
در مطالعه فعلی، لال تصمیم گرفت روی تگزاس بزرگنمایی کند، ایالتی که هم آفتاب و هم باد دارد. لال و آمونکار دریافتند که خشکسالی های مداوم انرژی های تجدیدپذیر می تواند تا یک سال ادامه داشته باشد حتی اگر ژنراتورهای خورشیدی و بادی در سراسر ایالت پخش شوند. لال گفت، نتیجه این است که انرژی‌های تجدیدپذیر با مشکل ذخیره‌سازی مواجه هستند که تنها با افزودن ظرفیت یا منابع انرژی اضافی می‌توان آن را به طور واقعی حل کرد.
او گفت: «در یک دنیای کاملاً تجدیدپذیر، اگر می‌خواهیم از سوزاندن سوخت‌های فسیلی جلوگیری کنیم، باید سوخت هسته‌ای یا سوخت هیدروژن یا بازیافت کربن یا ظرفیت بسیار بیشتری برای تولید انرژی‌های تجدیدپذیر اضافه کنیم.»
در مواقع کم بارندگی، مدیران آب با کنترل مخازن شهری یا سفره های زیرزمینی، جریان آب شیرین را از طریق شیار نگه می دارند. سیستم های انرژی خورشیدی و بادی پشتیبان مشابهی ندارند. باتری‌هایی که برای ذخیره انرژی خورشیدی و باد اضافی در روزهای بسیار روشن و طوفانی استفاده می‌شوند، تنها چند ساعت و حداکثر چند روز شارژ نگه می‌دارند. به گفته لال، نیروگاه‌های برق آبی یک بافر بالقوه را فراهم می‌کنند، اما نه برای مدت طولانی که سیستم را از طریق یک دوره خشک طولانی‌مدت از خورشید و باد متناوب حمل کند.
وی گفت: ما با ایجاد شبکه بزرگتر مشکل را حل نمی کنیم. “اپراتورهای شبکه برق هدف 99.99٪ قابلیت اطمینان دارند در حالی که مدیران آب برای اطمینان 90٪ تلاش می کنند. می توانید ببینید که این یک بازی چالش برانگیز برای صنعت انرژی خواهد بود و چقدر پیش بینی های فصلی و طولانی تر می تواند ارزشمند باشد.”
در مرحله بعدی تحقیقات، لال با استادان مهندسی کلمبیا، ویجی مودی و بولون ژو همکاری خواهد کرد تا ببیند آیا آنها می‌توانند هم خشکسالی انرژی و هم «سیل» را پیش‌بینی کنند، زمانی که سیستم مازاد انرژی‌های تجدیدپذیر تولید می‌کند. با مسلح شدن به این پیش بینی ها، آنها امیدوارند که افزایش و کاهش قیمت انرژی را پیش بینی کنند.
