ت25 اکتبر 2024 -وسط نانسی دبلیو استافر، موسسه فناوری ماساچوست-اعتبار: دامنه عمومی Pixabay/CC0
برای چندین دهه، همجوشی به عنوان منبع نهایی برق فراوان و تمیز مطرح شده است. اکنون، از آنجایی که جهان با نیاز به کاهش انتشار کربن برای جلوگیری از تغییرات فاجعه‌بار آب و هوا مواجه است، تحقق انرژی همجوشی تجاری اهمیت جدیدی پیدا می‌کند.
در یک سیستم قدرت تحت سلطه منابع انرژی تجدیدپذیر متغیر کم کربن (VREs) مانند خورشید و باد، منابع الکتریسیته “پایدار ” برای راه اندازی هر زمان که تقاضا از عرضه فراتر رفت – برای مثال، زمانی که خورشید نمی تابد یا باد نمی آید، مورد نیاز است. دمیدن نیست و سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی در حد وظیفه نیستند. نقش و ارزش بالقوه نیروگاه های همجوشی (FPPs) در چنین سیستم برق آینده چیست – سیستمی که نه تنها عاری از انتشار کربن است، بلکه قادر است تقاضای جهانی برق به طور چشمگیری افزایش یافته مورد انتظار در دهه های آینده را برآورده کند؟
پژوهشگران MIT Energy Initiative (MITEI) و MIT Plasma Science and Fusion Center (PSFC) با همکاری یکدیگر به مدت یک سال و نیم، برای پاسخ به این سوال همکاری می کنند. آنها دریافتند که بسته به هزینه و عملکرد آینده، همجوشی این پتانسیل را دارد که برای کربن زدایی بسیار مهم باشد. تحت برخی شرایط، در دسترس بودن FPP ها می تواند هزینه جهانی کربن زدایی را تریلیون ها دلار کاهش دهد.
بیش از 25 کارشناس با هم عواملی را که بر استقرار FPPها تأثیر می گذارد، از جمله هزینه ها، سیاست آب و هوا، ویژگی های عملیاتی و سایر عوامل، بررسی کردند. آنها یافته های خود را در گزارش جدیدی با عنوان “نقش انرژی همجوشی در یک سیستم برق کربن زدایی شده” ارائه می کنند.
رابرت سی آرمسترانگ، مدیر سابق MITEI و پروفسور مهندسی شیمی شورون، محقق اصلی این مطالعه (PI) می‌گوید: «در حال حاضر، علاقه زیادی به انرژی همجوشی در بسیاری از بخش‌ها وجود دارد – از بخش خصوصی گرفته تا دولت و تا عموم مردم. در انجام این مطالعه، هدف ما ارائه یک راهنمای متوازن، مبتنی بر واقعیت و تحلیل محور بود تا به همه ما در درک چشم اندازهای همجوشی در آینده کمک کند.”
بر این اساس، این مطالعه یک رویکرد چند رشته‌ای را اتخاذ می‌کند که مدل‌سازی اقتصادی، مدل‌سازی شبکه الکتریکی، تحلیل فنی-اقتصادی و موارد دیگر را برای بررسی عوامل مهمی که احتمالاً استقرار و استفاده آینده از انرژی همجوشی را شکل می‌دهند، ترکیب می‌کند. محققان MITEI قابلیت مدل‌سازی سیستم‌های انرژی را ارائه کردند، در حالی که شرکت‌کنندگان PSFC تخصص همجوشی را ارائه کردند.
فن آوری های فیوژن ممکن است یک دهه با استقرار تجاری فاصله داشته باشد، بنابراین فناوری دقیق و هزینه های FPP های تجاری آینده در حال حاضر مشخص نیست. در نتیجه، تیم تحقیقاتی MIT بر تعیین سطوح هزینه ای که نیروگاه های همجوشی باید تا سال 2050 برسند تا به نفوذ قوی در بازار دست یابند و سهم قابل توجهی در کربن زدایی عرضه برق جهانی در نیمه دوم قرن داشته باشند، متمرکز کردند.
ارزش وجود FPP های موجود در شبکه برق به گزینه های دیگری بستگی دارد، بنابراین برای انجام تحلیل های خود، محققان به تخمین هایی از هزینه و عملکرد آینده این گزینه ها، از جمله ژنراتورهای سوخت فسیلی معمولی، نیروگاه های شکافت هسته ای، نیاز داشتند. ژنراتورهای VRE و فناوری‌های ذخیره‌سازی انرژی و همچنین تقاضای برق برای مناطق خاصی از جهان. برای یافتن قابل اعتمادترین داده ها، آنها ادبیات منتشر شده و همچنین نتایج تحلیل های قبلی MITEI و PSFC را جستجو کردند.
به طور کلی، تجزیه و تحلیل ها نشان داد که در حالی که نیازهای تکنولوژیکی برای بهره برداری از انرژی همجوشی بسیار زیاد است، بازده اقتصادی و زیست محیطی بالقوه افزودن این فناوری قوی و کم کربن به مجموعه گزینه های انرژی جهان نیز بسیار زیاد است.
شايد قابل توجه ترين يافته، “ارزش اجتماعي” وجود FPP هاي تجاري در دسترس باشد.
راندال فیلد، مدیر اجرایی مطالعه همجوشی و مدیر تحقیقات MITEI توضیح می‌دهد: «محدود کردن گرمایش تا 1.5 درجه سانتی‌گراد مستلزم سرمایه‌گذاری جهان در زمینه‌های بادی، خورشیدی، ذخیره‌سازی، زیرساخت‌های شبکه و هر چیز دیگری است که برای کربن‌زدایی سیستم برق لازم است. وقتی FPP ها به عنوان منبع برق تمیز و محکم در دسترس باشند، هزینه این کار می تواند بسیار کمتر باشد.
علاوه بر این، سود بسته به هزینه FPP ها متفاوت است. به عنوان مثال، با فرض اینکه هزینه ساخت یک FPP 8000 دلار به ازای هر کیلووات (کیلووات) در سال 2050 باشد و به 4300 دلار در هر کیلووات در سال 2100 کاهش یابد، هزینه جهانی کربن زدایی انرژی الکتریکی 3.6 تریلیون دلار کاهش می یابد. اگر هزینه FPP در سال 2050 5600 دلار به ازای هر کیلووات باشد و در سال 2100 به 3000 دلار در کیلووات کاهش یابد، پس انداز حاصل از در دسترس بودن نیروگاه های همجوشی 8.7 تریلیون دلار خواهد بود. (این محاسبات بر اساس تفاوت در تولید ناخالص داخلی جهانی است و نرخ تنزیل را 6 درصد در نظر می گیرد. ارزش تنزیل نشده حدود 20 برابر بزرگتر است.
هدف دیگر تحلیل‌ها تعیین مقیاس استقرار در سراسر جهان بود.
هزینه های FPP انتخاب شده باز هم نتایج قابل توجه است. برای یک سناریوی کربن زدایی عمیق، کل سهم جهانی تولید برق از همجوشی در سال 2100 از کمتر از 10٪ در صورتی که هزینه همجوشی بالا باشد تا بیش از 50٪ اگر هزینه همجوشی کم باشد، متغیر است.
تحلیل های دیگر نشان داد که مقیاس و زمان استقرار همجوشی در نقاط مختلف جهان متفاوت است. استقرار زودهنگام همجوشی را می توان در کشورهای ثروتمندی مانند کشورهای اروپایی و ایالات متحده که تهاجمی ترین سیاست های کربن زدایی را دارند، انتظار داشت. اما برخی مکان‌های دیگر – برای مثال هند و قاره آفریقا – به دلیل افزایش تقاضا برای برق در آن زمان، رشد زیادی در استقرار همجوشی در نیمه دوم قرن خواهند داشت.
سرگئی پالتسف، معاون مرکز علوم و استراتژی پایداری MIT توضیح می‌دهد: «در ایالات متحده و اروپا، میزان رشد تقاضا کم خواهد بود، بنابراین باید از سوخت‌های کثیف به همجوشی روی آورد. اما برای مثال در هند و آفریقا، رشد فوق‌العاده تقاضای کلی برق با مقادیر قابل توجهی همجوشی همراه با سایر منابع تولید کربن کم در اواخر قرن مواجه خواهد شد.
مجموعه ای از تجزیه و تحلیل های متمرکز بر 9 منطقه فرعی ایالات متحده نشان داد که در دسترس بودن و هزینه سایر فناوری های کم کربن، و همچنین محدودیت شدید انتشار کربن، تأثیر عمده ای بر نحوه استقرار و استفاده از FPP ها دارد. در دنیای کربن زدایی شده، FPP ها بیشترین نفوذ را در مکان هایی با تنوع، ظرفیت و کیفیت منابع تجدیدپذیر ضعیف خواهند داشت و محدودیت در انتشار کربن تأثیر زیادی خواهد داشت.
به عنوان مثال، مناطق فرعی اقیانوس اطلس و جنوب شرقی دارای منابع تجدیدپذیر کم هستند. در آن مناطق فرعی، باد می تواند تنها بخش کوچکی از برق مورد نیاز را تولید کند، حتی با حداکثر باد خشکی. بنابراین، همجوشی در آن مناطق فرعی مورد نیاز است، حتی زمانی که محدودیت‌های کربن نسبتاً ملایم هستند و هر FPP موجود در بیشتر زمان‌ها کار می‌کند.
در مقابل، منطقه مرکزی ایالات متحده دارای منابع تجدیدپذیر عالی، به ویژه باد است. بنابراین، همجوشی در زیرمنطقه مرکزی تنها زمانی رقابت می‌کند که محدودیت‌های انتشار کربن بسیار سخت‌گیرانه باشد، و FPPها معمولاً تنها زمانی کار می‌کنند که انرژی‌های تجدیدپذیر نتوانند تقاضا را برآورده کنند.
تجزیه و تحلیل سیستم قدرتی که در خدمت ایالت های نیوانگلند است، نتایج بسیار دقیقی ارائه کرد. با استفاده از یک ابزار مدل‌سازی توسعه‌یافته در MITEI، تیم فیوژن تأثیر استفاده از مفروضات مختلف نه تنها در مورد محدودیت‌های هزینه و انتشار، بلکه حتی جزئیاتی مانند محدودیت‌های بالقوه کاربری زمین را که بر استفاده از VREهای خاص تأثیر می‌گذارد، بررسی کردند. این رویکرد آنها را قادر می سازد تا هزینه FPP را که در آن واحدهای فیوژن شروع به نصب می کنند محاسبه کنند.
آنها همچنین توانستند بررسی کنند که چگونه این هزینه “آستانه” با تغییرات در سقف انتشار کربن تغییر کرده است. این روش حتی می تواند نشان دهد که FPP ها با چه قیمتی شروع به جایگزینی سایر منابع تولید کننده خاص می کنند. در یک مجموعه از اجراها، آنها هزینه ای را تعیین کردند که در آن FPPها شروع به جابجایی سکوهای شناور بادی فراساحلی و خورشیدی روی پشت بام می کنند.
Dennis G. Whyte، یکی از همکاران مطالعه فیوژن، مدیر سابق PSFC و هیتاچی آمریکا، خاطرنشان می کند: «این مطالعه کمک مهمی به تجاری سازی فیوژن است زیرا اهداف اقتصادی را برای استفاده از همجوشی در بازارهای برق ارائه می کند. استاد مهندسی در گروه علوم و مهندسی هسته ای. این روش چالش‌های طراحی فنی را برای توسعه‌دهندگان فیوژن با توجه به قیمت‌گذاری، در دسترس بودن و انعطاف‌پذیری برای پاسخگویی به تقاضای در حال تغییر در آینده، کمی‌تر می‌کند.
محققان تاکید می‌کنند که در حالی که نیروگاه‌های شکافت در آنالیزها گنجانده شده‌اند، آنها مقایسه «سر به سر» بین شکافت و همجوشی انجام نداده‌اند، زیرا مجهولات زیادی وجود دارد. همجوشی و شکافت هسته‌ای هر دو فن‌آوری‌های قوی و کم کربن تولید برق هستند. اما بر خلاف شکافت، همجوشی از مواد شکافت پذیر به عنوان سوخت استفاده نمی کند و ضایعات سوخت هسته ای با عمر طولانی تولید نمی کند که باید مدیریت شوند.
در نتیجه، الزامات نظارتی برای FPPها با مقررات نیروگاه های شکافت امروزی بسیار متفاوت خواهد بود – اما دقیقاً چگونگی تفاوت آنها نامشخص است. به همین ترتیب، درک عمومی آینده و پذیرش اجتماعی هر یک از این فناوری‌ها قابل پیش‌بینی نیست، اما می‌تواند تأثیر عمده‌ای بر روی اینکه کدام نسل از فناوری‌ها برای پاسخگویی به تقاضای آینده استفاده می‌شود، داشته باشد.
نتایج این مطالعه پیام های متعددی را در مورد آینده همجوشی منتقل می کند. به عنوان مثال، واضح است که مقررات می تواند محرک هزینه های بالقوه زیادی باشد. این باید انگیزه شرکت های همجوشی را ایجاد کند تا ردپای نظارتی و محیطی خود را در رابطه با سوخت و مواد فعال به حداقل برسانند. همچنین باید دولت ها را تشویق کند تا سیاست های نظارتی مناسب و مؤثری را برای به حداکثر رساندن توانایی خود در استفاده از انرژی همجوشی در دستیابی به اهداف کربن زدایی خود اتخاذ کنند.
برای شرکت های توسعه دهنده پیام این مطالعه به وضوح در این گزارش بیان شده است: «اگر بتوان به اهداف هزینه و عملکرد مشخص شده در این گزارش دست یافت، تحلیل ما نشان می‌دهد که انرژی همجوشی می‌تواند نقش عمده‌ای در تامین نیازهای برق آینده و دستیابی به خالص صفر جهانی داشته باشد.
