اثرات هوشمندسازی و نقش کنتور هوشمند در حوزه انرژی‌های تجدیدپذیر

نقش کنتورهای هوشمند در زنجیره ارزش حوزه‌های مختلف انرژی، اعم از آب، برق، گاز و انرژی‌های تجدیدپذیر، از تولید و انتقال تا توزیع و مصرف در یک شبکه هوشمند، تا حدود زیادی در دنیا شناخته شده است. در کشور ما نیز، با گذشت بیش از 11 سال از اجرای طرح فهام و نصب و بهره‌برداری بیش از 670 هزار کنتور برق هوشمند AMI، اهمیت و نقش آن‌ها به خوبی نمایان شده و آثار شگرفی در شبکه برق کشور داشته است.

برخلاف شبکه‌های انرژی سنتی، شبکه‌های هوشمند از فناوری‌های مختلفی مانند کنتورهای هوشمند، حسگرها و شبکه‌ها برای افزایش سطح هوشمندی و کارایی شبکه استفاده می‌کنند.

با اندازه‌گیری دقیق انواع مختلف انرژی (آب، برق، گاز، خورشیدی، بادی و …) توسط کنتورهای هوشمند، در هر نقطه‌ای از شبکه (تولید، انتقال و توزیع) و ارسال و دریافت اطلاعات و پارامترهای اندازه‌گیری شده به صورت آنی، بلادرنگ و با حداقل خطا به مرکز کنترل، می‌توان از رفتار شبکه در هر لحظه آگاهی یافت و با تجزیه و تحلیل این اطلاعات بدست آمده، گام‌های بعدی را در اصلاح رفتار شبکه و مصرف‌کنندگان برداشت. همچنین به دلیل داشتن ارتباط دوسویه با کنتورها، دسترسی مستقیم به مصرف‌کنندگان نهایی، از راه‌دور به راحتی امکان‌پذیر می‌باشد.

با گردآوری دیتای کنتورهای هوشمند در پایگاه‌های داده عظیم، تجزیه و تحلیل و کندوکاو آن با کمک ابزارهای پیشرفته هوش‌مصنوعی آغاز می‌گردد که سرفصل سایر مفاهیم دنیای انرژی است.

برای نمونه، در صنعت برق به عنوان یک صنعت استراتژیک، مهم‌ترین این مفاهیم، عبارتند از مدیریت مصرف، پیک‌سایی، مدیریت بار، مدیریت خاموشی، توزیع اقتصادی برق، مدیریت تلفات فنی و غیرفنی، مدیریت کیفیت توان شبکه، مدیریت وقایع شبکه، مدیریت تعرفه.

با یک شبکه هوشمند، شرکت‌های توزیع قادر خواهند بود جریان انرژی را به طور موثرتری در سراسر شبکه متعادل کنند. این به این دلیل است که با کمک سنسورهای شبکه و کنتورهای هوشمند، آنها قادر خواهند بود تا نوسانات تقاضای برق و قطعی برق را در زمان واقعی تشخیص دهند و بر این اساس برای اطمینان از کارایی سازگار شوند. علاوه بر این، شبکه‌های هوشمند می‌توانند ورود منابع انرژی تجدیدپذیر مانند پانل‌های خورشیدی را به شبکه فراهم کنند. با بهبود زیرساخت‌های انرژی، شرکت‌های توزیع  قادر خواهند بود منابع مختلف انرژی تجدیدپذیر را که از نظر جغرافیایی در سراسر شبکه پراکنده هستند، به طور موثر مدیریت کنند. علاوه بر این، شبکه‌های هوشمند به مشترکین این امکان را می‌دهند تا از طریق فروش ذخیره‌ انرژی اضافی خود، نقش موثری در شبکه داشته باشند.

با این حال، برای اینکه این ایده از شبکه هوشمند به واقعیت تبدیل شود، بسیار مهم است که کنتورهای سراسر شبکه توسط سه اصل اساسی “اتصال قابل اعتماد” ، “امنیت سایبری قوی” و “سنکرون‌سازی زمان” مورد توجه قرارگیرند:

اتصال قابل اعتماد: به ویژه هنگامی که در سیستمی کار می‌کنید که اجزای آن دائماً با یکدیگر در ارتباط هستند، ضروری است که کنتورهای هوشمند همیشه به شبکه مخابراتی متصل باشند. هر افت اتصال می‌تواند منجر به تأخیر در انتقال داده‌ها به MDM شود و از اجرای شبکه انرژی در حداکثر راندمان جلوگیری می‌کند. اما، از طریق استفاده از فناوری‌هایی مانند اینترنت اشیا، شرکت‌های توزیع می‌توانند اطمینان حاصل کنند که کنتورهای هوشمند آن‌ها در طول عمر 15 تا 20 ساله خود به صورت 24/7 متصل می‌مانند.

امنیت سایبری قوی: ماهیت اتصال کنتورهای هوشمند را می‌توان به عنوان یک شمشیر دو لبه در نظر گفت. در حالی که این اتصال، انتقال سریع و دقیق داده‌های بلادرنگ را به MDM ها امکان‌پذیر می‌سازد، کنتورهای هوشمند را نیز در معرض خطر هک قرار می‌دهد. چنین حملاتی، تهدیدی بسیار جدی برای همه ذی نفعان، از مصرف‌کننده گرفته تا سازمان‌های دولتی است. با وجود این خطر بالقوه برای تامین‌کنندگان انرژی، بسیار مهم است که اقدامات امنیتی سایبری قوی، مانند ارائه کنتورهای هوشمند مبتنی بر پروتکل‌های امن، برای محافظت از ارائه‌دهندگان و مصرف‌کنندگان به طور یکسان در نظر گرفته شود

سنکرون‌سازی یا همزمانی کنتورها: کنتور هوشمند یک ابزار ضروری برای متعادل کردن موفقیت‌آمیز منحنی عرضه و تقاضای انرژی است و اجازه می‌دهد تا اندازه‌گیری مصرف و تولید را با هم مرتبط کنیم. اما در صورتی که زمان کنتورها یکی و منطبق با زمان واقعی نباشد، این تحلیل‌ها دچار خطا خواهند شد.

از دیگر آثار هوشمندسازی و تحلیل کلان‌داده‌های جمع‌آوری شده در حوزه انرژی، با کمک ابزارهای هوش‌مصنوعی و در نظر گرفتن مسئله امنیت سایبری، می‌توان به افزایش تاب‌آوری و قابلیت اطمینان و کاهش یا حذف خاموشی‌های شبکه، پیش‌بینی تولید و مصرف انرژی (برای بازه‌های کوتاه مدت، میان‌مدت و بلندمدت)، مدیریت تلفات، اصلاح فرهنگ مصرف در جامعه، بالابردن سطح رفاه اجتماعی، گسترش استفاده از انرژی‌های تجدیدپذیر و کاهش آلایندگی‌های زیست محیطی اشاره نمود. تحقق موارد مذکور، توزیع اقتصادی انرژی و رشد و شکوفایی پایدار اقتصادی کشور را در پی‌خواهد داشت.

طی دهه اخیر، منابع انرژی تجدیدپذیر به دلایل متعدد از جمله سازگاری با محیط زیست و هزینه‌های تولید و نصب رقابتی، مورد توجه بسیار قرار گرفته‌اند. از میان این منابع، استحصال انرژی خورشیدی رشد قابل توجهی را تجربه نموده است. ذکر این نکته حایز اهمیت است که هزینه‌های تولید و نگهداری PV عموماً کمتر از سایر انرژی‌های تجدیدپذیر، از جمله باد، است.

با توجه به محبوبیت PV‌ها و افزایش ضریب نفوذ این منابع در شبکه قدرت، مسائل فنی مرتبط با اتصال آنها به شبکه مورد توجه قرار گرفته است. مهمترین مسئله و چالش مربوط به اتصال منابع خورشیدی به شبکه، متغیر بودن توان تولیدی آنها در طول زمان، به دلیل وابستگی به پارامترهای آب و هوایی است. این ویژگی نامطلوب می‌تواند از جنبه پایداری شبکه و نیز برنامه‌ریزی تولید مشکل‌ساز گردد. همچنین، وضعیت بازار برق نیز می‌تواند از متغیر بودن تولید خورشیدی متاثر گردد.

پیش‌بینی توان تولیدی خورشیدی به عنوان راه‌حلی برای مقابله با مشکل متغیر بودن تولید خورشیدی مطرح شده است. در اختیار داشتن پیش‌بینی قابل اتکا از توان خروجی PVها به بهره‌بردار شبکه امکان زمان‌بندی تولید، تخمین رزرو مورد نیاز و اطمینان از پایداری شبکه در حین تغییرات توان خورشیدی را بدست می‌دهد. همچنین، شرکت کنندگان بازار برق نیز می‌توانند پورتفولیوی تولید خود را مبتنی بر پیش‌بینی‌ها مدیریت نمایند. با توجه به توضیحات ارائه شده، ارائه پیش‌بینی دقیق از توان تولیدی PVها حایز اهمیت بسیار است.

علیرغم مزایای قابل توجه انرژی خورشیدی، از جمله ارزان و پاک بودن، متغیر بودن آن در طول زمان می‌تواند استفاده وسیع از آن در شبکه قدرت را با مشکل و محدودیت مواجه سازد. علت اصلی این مشکل، قید برابری لحظه‌ای تولید و مصرف در شبکه قدرت است. نیک می‌دانیم در شبکه قدرت تعادل بین تولید و مصرف همراه و بطور پیوسته می‌باید حفظ گردد تا عملکرد پایدار و مطمئن شبکه تضمین گردد.

با صرف نظر از اثرات مخرب پنل‌های خورشیدی در مقیاس بزرگ بر محیط زیست (مانند تاثیر بر پوشش گیاهی و زندگی جانوران محلی، آلودگی‌های شیمیایی باتری‌ها و پنل‌ها، مصرف آب زیاد هنگام تولید آنها و…)، جایابی آنها به منظور کاهش هزینه‌های سالیانه سیستم توزیع که شامل هزینه‌های مربوط به تلفات انرژی، انرژی تامین نشده مشترکین و نیز هزینه خرید انرژی الکتریکی می‌باشد، مورد توجه است. این مسئله می‌تواند بر پارامترهای الکتریکی شبکه تاثیر بگذارد. کنتور هوشمند به عنوان یک ابزار دقیق سنجش و اندازه‌گیری، کمک شایانی در شناسایی این اثرات خواهد نمود.

به طور کلی در جهان، انرژی‌های تجدیدپذیر پتانسیل زیادی برای کاهش قیمت‌ها و همچنین کاهش وابستگی به سوخت‌های فسیلی در کوتاه‌مدت و بلندمدت دارند. اگرچه هزینه‌های تاسیسات خورشیدی فتوولتائیک و بادی جدید افزایش یافته است، اما در یک دهه اخیر، قیمت‌های گاز طبیعی، نفت و زغال‌سنگ بسیار سریع‌تر افزایش یافته است. بنابراین در واقع رقابت‌پذیری انرژی تجدیدپذیر را بیشتر بهبود می‌بخشد. با این حال، اینکه انرژی‌های تجدیدپذیر چقدر سریع می‌توانند جایگزین سوخت‌های فسیلی شوند، به چندین عدم قطعیت و همچنین به عوامل مختلف بستگی دارد.

در حال حاضر، بحران جهانی انرژی، فوریت جدی را برای تسریع انتقال به انرژی پاک ایجاد کرده است و بار دیگر نقش کلیدی انرژی‌های تجدیدپذیر را برجسته کرده است. از جمله این بحران‌ها در سال‌های اخیر، همه‌گیری ویروس کرونا و جنگ اوکراین می‌باشد.

در حالی که عدم قطعیت‌های بازار، چالش‌ها را افزایش می‌دهد، تمرکز جدید بر امنیت انرژی باعث ایجاد یک حرکت بی‌سابقه به سمت تسریع بهره‌وری انرژی و انرژی‌های تجدیدپذیر می‌شود و در نهایت، پیش‌بینی بازارهای تجدیدپذیر برای سال‌های بعد، به سیاست‌گذاری دولت‌ها بستگی دارد.

چین تا حد زیادی سهم بازار خود را در سال 2021 حفظ کرد و 46 درصد از ظرفیت‌های تجدیدپذیر در سراسر جهان را به خود اختصاص داد. پس از چین، دومین بازار بزرگ مربوط به اتحادیه اروپا و در رتبه سوم آمریکا می‌باشد.

یکی از چالش‌های پیش‌رو، قیمت مواد اولیه است. قیمت بسیاری از مواد اولیه و هزینه‌های حمل و نقل از ابتدای سال 2021 روند افزایشی داشته است. قیمت‌های بالای نفت، گاز طبیعی و زغال‌سنگ نیز به افزایش هزینه‌های تولید مواد اولیه برای فناوری‌های تجدیدپذیر دامن میزند زیرا سوخت‌های فسیلی هم در فرآیندهای صنعتی و هم در تولید برق استفاده می‌شوند.

چالش‌های سیاسی و اقتصادی کلان، عدم قطعیت‌ها را در مورد پیش‌بینی‌های برق تجدیدپذیر پس از سال 2023 افزایش می‌دهد. هزینه‌های سرمایه‌گذاری بادی و خورشیدی PV بالاتر به دلیل افزایش قیمت کالاها در پی جنگ اوکراین، منجر به کاهش تولید انرژی‌های تجدیدپذیر شده است. علاوه بر این، نوسانات در بازارهای برق به دلیل افزایش شدید قیمت جهانی گاز، اوضاع را پیچیده‌تر کرده است.

اما پیش‌بینی‌ها نشان می‌دهد که می‌توان به آینده شبکه هوشمند با اجزای مختلف آن از جمله تجدیدپذیرها و به ویژه نقش کنتورهای هوشمند در آن امیدوار بوده و تغییرات اساسی در شبکه تولید، انتقال و توزیع انرژی مشاهده نمود.

AMI= Advanced metering infrastructure

MDM= Meter data management

PV= Photovoltaic

نویسنده: آقای مهندس جلالی طلب