افزایش انرژی برق تولید شده در توربین های بادی تا سال 2050 می تواند راهی برای کاهش انتشار کربن در سراسر کانادا و آمریکا باشد. برای کسب اطلاعات بیشتر تا پایان مطلب با های فن تک همراه باشید.
نیاز فوری به کاهش انتشار کربن، باعث شده ایالت های آمریکا متعهد شوند تا سال 2040 یا 2050 به برق 100 درصدی تولید شده بدون کربن دست پیدا کنند. تأسیسات بادی و خورشیدی مانند ستون فقرات یک سیستم برق بدون کربن هستند، اما چه فناوری‌هایی می‌توانند نیاز ما را به برق تامین کنند، وقتی منابع تجدیدپذیر موجود کافی نیستند؟!
به طور کلی، گزینه‌های های موجود برای تامین برق شامل انرژی هسته‌ای، گاز طبیعی با جذب و ذخیره کربن (CCS) و فناوری‌های ذخیره‌سازی انرژی مانند باتری‌های جدید و بهبود یافته و ذخیره‌سازی شیمیایی به شکل هیدروژن است. اما در شمال شرقی ایالات متحده، یک احتمال دیگر هم وجود دارد: برق وارداتی از نیروگاه های برق آبی در کشورهمسایه کانادا.
این یک راه حل منطقی به نظر می رسد. این نیروگاه ها می توانند به اندازه 40 نیروگاه هسته ای بزرگ برق تولید کنند. در حال حاضر نیز مقداری از انرژی تولید شده مازاد در نیروگاه کبک به شمال شرق ایالات متحده ارسال می شود. بنابراین، زمانی که مقادیرانرژی‌های تولید شده تجدیدپذیر نیوانگلند کم می‌شوند، منابع انرژی مورد نیاز برای جبران این کمبود وجود دارد. با این حال، سرمایه گذاران بادی و خورشیدی ایالات متحده، نیروگاه آبی کانادا را به عنوان یک رقیب در نظر می گیرند، زیرا فکر می کنند که اتکا به عرضه خارجی، مانع سرمایه گذاری بیشتر ایالات متحده در این زمینه خواهد شد.
دو سال پیش، سه محقق وابسته به مرکز تحقیقات انرژی و سیاست زیست محیطی MIT ، این سوال را طرح کردند که آیا استفاده از نیروگاه های آبی کانادا به عنوان منبع تامین برق ممکن است محدود باشد. دیمانچف می‌گوید: «نیروی آبی یک فناوری بیش از صد ساله است و نیروگاه‌های شمال کانادا به این روش ساخته شده‌اند. شاید نیازی به ساختن چیز جدیدی نداشته باشیم. ما فقط ممکن است نیاز داشته باشیم که از آن ها به طور متفاوت یا به میزان بیشتری استفاده کنیم.»
بنابراین محققان تصمیم گرفتند نقش بالقوه و ارزش اقتصادی منبع انرژی آبی کبک را در یک سیستم کم کربن آینده در نیوانگلند بررسی کنند. هدف آنها کمک به سیاستگذاران، تصمیم‌گیرندگان خدمات شهری و دیگران است تا به آنها در انتخاب بهترین روش برای گنجاندن انرژی آبی کانادا در برنامه‌هایشان، تعیین مقدار زمان و هزینه‌ای که نیروگاه نیوانگلند برای ادغام بیشتر نیروگاه آبی در سیستم خود باید صرف کند، کمک کنند.
مکانیزم نیروگاه های آبی کبک
اکثر نیروگاه های هیدرو کبک، سیستم های «مخزن برق آبی» هستند. زمانی که به برق نیاز ندارند، جریان رودخانه توسط سدی در پایین دست یک مخزن منحرف شده تا مخازن پر شود. هنگامی که نیاز به برق دارند، سد را باز می کنند تا آب در مخزن لوله های پایین دست عبور کند و توربین ها را می چرخاند و برق تولید می کند. مدیریت صحیح چنین سیستمی مستلزم رعایت محدودیت های عملیاتی خاصی است. به عنوان مثال، برای جلوگیری از سیل، مخازن نباید بیش از حد پر شوند مخصوصا قبل از ذوب برف ها در فصل بهار. تولید را نمی توان خیلی سریع افزایش داد زیرا سیل ناگهانی آب می تواند لبه های رودخانه را فرسایش دهد یا درماهیگیری یا کیفیت آب اختلال ایجاد کند.
بر اساس پیش‌بینی‌های آزمایشگاه ملی انرژی‌های تجدیدپذیر و جاهای دیگر، محققان میزان برق مورد نیاز را برای هر ساعت از سال 2050 مشخص کردند. بر اساس آن توانستند به میزان برق مورد نیاز نواحی بین نیوانگلند، نیویورک و کبک دست پیدا کنند.
اثرات کاهش انتشار کربن بر ترکیب فناوری و تجارت برق
برای بررسی تأثیر دستورات کاهش انتشار در ایالت های نیوانگلند، محققان این مدل را با فرض کاهش انتشار کربن بین 80 تا 100 درصد نسبت به سال 1990 مقایسه کردند. نتایج این آزمایش‌ها نشان می‌دهد که با سخت‌تر شدن محدودیت‌های انتشار، نیوانگلند از باد و خورشید بیشتری استفاده کرده تا طول عمر نیروگاه‌های هسته‌ای خود را افزایش دهد. برای متعادل کردن انرژی‌های تجدیدپذیر، این منطقه می توان از نیروگاه‌های گاز طبیعی، مدیریت تقاضا، ذخیره باتری (مدل‌سازی شده با باتری‌های لیتیوم یون) و تجارت با سیستم مبتنی بر نیروی آبی کبک استفاده کرد.
نتایج بدست آمده حاصل از این تحقیقات، بسیار عجیب بود زیرا محققان مشاهده کردند با تغییر جهت جریان در خطوط انتقال آب از کبک به نیوانگلند، نیروگاه مبتنی بر برق آبی کبک نه تنها صادرکننده بلکه واردکننده برق نیز می باشد.
از نظر تاریخی، انرژی همیشه از کبک به نیوانگلند جریان داشته است. نتایج بررسی های سال 2018 جریان الکتریسیته از شمال به جنوب را نشان می‌دهد که مقدار آن با محدودیت ظرفیت انتقال فعلی تا میزان 2225 مگاوات (MW) تعیین شده است.
سال 2050، با فرض اینکه نیروگاه نیوانگلند 90 درصد انتشار کربن خود را کاهش داده و با فرض ثابت ماندن ظرفیت خطوط انتقال ، جریان برق را به هر دو طرف می فرستد. جهت جریان از شمال به جنوب هنوز غالب است. اما برای تقریباً 3500 ساعت از 8760 ساعت سال، برق در جهت مخالف جریان یعنی از نیوانگلند به سمت کبک قرار دارد و برای بیش از 2200 ساعت از آن زمان، جهت جریان به سمت شمال حداکثری است که خطوط انتقال می توانند حمل کنند.
جهت جریان با اقتصاد ارتباط مستقیم دارد. زمانی که تولید انرژی های تجدیدپذیر در نیوانگلند زیاد باشد، قیمت ها پایین است و واردات برق از کبک ارزان تر است.
باورهای نادرست
این نتایج بدست آمده باورهای نادرست سیاستگذاران، حامیان انرژی های تجدیدپذیر و دیگران را پاسخ می دهد.
اولین تصور غلط این است که انرژی های تجدیدپذیر نیوانگلند و نیروگاه های آبی کانادا رقیب یکدیگر هستند. نتایج مدل‌سازی نشان می‌دهد که مکمل یکدیگر هستند. هنگامی که سیستم های قدرت در نیوانگلند و کبک با هم به عنوان یک سیستم یکپارچه کار می کنند، مخازن کانادا بخشی از زمان برای ذخیره برق تجدید پذیر استفاده می شود و با دسترسی بیشتر به ذخیره‌سازی انرژی آبی در کبک، به طور کلی سرمایه‌گذاری‌های تجدیدپذیر بیشتری در نیوانگلند انجام خواهد شد.
دومین تصور غلط زمانی به وجود می آید که سیاست گذاران از آب در کانادا به عنوان «منبع بار پایه» یاد می کنند که به منبع برق قابل اعتمادی اشاره می کند به ویژه منبعی که همیشه برق را تامین می کند. دیمانچف می‌گوید: «مطالعه ما نشان می‌دهد که با مشاهده نیروگاه‌های آبی کانادا به‌عنوان منبع بار پایه برق یا به طور کلی منبع برق، شما از آنچه این منبع می‌تواند فراهم کند، بهره کامل نمی‌برید.» آنچه ما نشان می دهیم این است که آب مخزن کبک می تواند ذخیره سازی را به ویژه برای انرژی های باد و خورشید فراهم کند. این یک راه حل برای مشکل متناوب است که ما در سیستم های برق بدون کربن برای سال 2050 پیش بینی می کنیم.
در حالی که تجزیه و تحلیل MIT بر نیوانگلند و کبک متمرکز است، محققان معتقدند که نتایج آنها ممکن است پیامدهای گسترده تری داشته باشد. همانطور که سیستم های قدرت در بسیاری از مناطق، تولید انرژی های تجدیدپذیر را گسترش می دهند، ارزش ذخیره سازی نیز افزایش می یابد. برخی از سیستم های برق آبی دارای ظرفیت ذخیره سازی بالایی هستند که هنوز به طور کامل مورد استفاده قرار نگرفته است و می تواند مکمل خوبی برای تولید انرژی های تجدیدپذیر باشد. بهره گیری از این ظرفیت می تواند هزینه کربن زدایی را کاهش دهد و به حرکت برخی مناطق به سمت تامین برق بدون کربن کمک کند.