طراحی جعبه سیاه هوشمند انرژی؛ مدیریت مصرف با تبدیل داده‌ها به بینش‌های عملی
خبرگزاری آنا ـ حسین بوذری؛ در دنیای امروز، مدیریت بهینه انرژی به‌عنوان یکی از چالش‌های اساسی و حیاتی برای کشورها مطرح است. با توجه به افزایش روزافزون تقاضای انرژی و محدودیت‌های منابع، ضرورت تدوین سیاست‌های انرژی جامع و علمی بیش از پیش احساس می‌شود.
در این راستا، بررسی و تحلیل ساختار شبکه‌های تولید، انتقال و توزیع انرژی، به‌خصوص در کشورهایی نظیر ایران که با ناترازی‌های جدی در تأمین انرژی مواجه هستند، از اهمیت بالایی برخوردار است.
تحقیقات نشان می‌دهد که تلفات انرژی در بخش توزیع به‌مراتب بیشتر از بخش‌های تولید و انتقال است. این تلفات ناشی از عواملی نظیر گستردگی شبکه توزیع، قدیمی بودن تجهیزات و استفاده نکردن از فناوری‌های نوین است، به همین دلیل، ضرورت نزدیک کردن محل تولید به محل مصرف و بهره‌گیری از روش‌های نوین مدیریت شبکه، به‌خصوص درراستای استفاده از تولید پراکنده (Distributed Generation) و شبکه‌های هوشمند، به‌عنوان راهکارهای مؤثر برای کاهش تلفات و بهینه‌سازی مصرف انرژی مطرح می‌شود.
علاوه بر این، در شرایطی که جهان در میانه گذار انرژی قرار دارد و به سمت استفاده از منابع تجدیدپذیر حرکت می‌کند، ایران نیز باید با تدوین یک سیاست انرژی مدون و علمی به سمت تأمین نیازهای انرژی خود به شیوه‌ای پایدار و کارآمد گام بردارد، این سیاست باید بر مبنای داده‌های دقیق و مدل‌های اقتصادی بهینه، نیازهای آینده کشور را پیش‌بینی و تأمین کند.
در این راستا، استفاده از فناوری‌های نوین ازجمله هوش مصنوعی و داده‌کاوی می‌تواند به‌عنوان ابزاری مؤثر در پیش‌بینی و مدیریت تقاضای انرژی به کار گرفته شود.
در این متن، به بررسی چالش‌های موجود در بخش‌های مختلف شبکه انرژی، دلایل تلفات بالا در بخش توزیع و ضرورت تدوین سیاست‌های انرژی مبتنی بر داده و علم خواهیم پرداخت.
خبرنگار آنا در گفتگویی تخصصی با سیدهاشم اورعی استاد تمام دانشکده برق و عضو هیئت علمی دانشگاه صنعتی شریف، رئیس هیئت‌مدیره اتحادیه انجمن‌های انرژی ایران، رئیس هیئت‌مدیره انجمن علمی انرژی بادی ایران و عضو باشگاه اقتصاد انرژی در قالب پرونده «ناترازی انرژی از دریچه علم» به بررسی مفهوم ناترازی انرژی از منظر علمی و تأثیر آن بر جامعه و اقتصاد کشور پرداخته است.
با توجه به اهمیت روزافزون انرژی در زندگی مدرن و چالش‌های ناشی از عدم تعادل میان عرضه و تقاضا، این گفت‌و‌گو در سه بخش به تحلیل عمیق‌تری از عواملی که منجر به ناترازی انرژی در کشور می‌شوند، می‌پردازد.
اورعی در این سه بخش به بررسی ارتباط بین تغییرات اقلیمی، تقاضای انرژی و چالش‌های ساختاری موجود در سیستم‌های انرژی کشور می‌پردازد و راهکار‌هایی را برای بهبود وضعیت کنونی ارائه می‌کند. این گفت‌و‌گو‌ها نه‌تنها به تبیین ابعاد علمی ناترازی انرژی می‌پردازد، بلکه به اهمیت اتخاذ تدابیر علمی و فناوری‌های نوین درراستای حل این معضل نیز اشاره دارد.
بخش سوم گفت‌و‌گو با اورعی به شرح زیر تقدیم مخاطبان خبرگزاری آنا می‌شود.(بخش نخست و دوم گفت‌و‌گو را به ترتیب اینجا و اینجا بخوانید)
چالش‌های تلفات انرژی در شبکه توزیع؛ علل و راهکارها
آنا: راهکارهای علمی شما برای کاهش تلفات انرژی در شبکه‌های انتقال و توزیع برق چیست و فناوری‌های نوین مانند شبکه‌های هوشمند چه نقشی در بهبود پایداری شبکه و کاهش ناترازی انرژی دارند؟
اورعی: میزان تلفات در بخش انتقال نسبت به سه بخش کلی «تولید»، «انتقال» و «توزیع» کمتر است، اینکه میزان انتقال چه مقدار باشد به دو پارامتر بستگی دارد، نخست فاصله‌ای که توان را انتقال می‌دهیم، دوم مسافت انتقال این توان است، یعنی میزان و مسافت توان، به‌عبارت دیگر هرچقدر توان منتقل شده و مسافتی که این توان را منتقل می‌کنیم کمتر باشد تلفات کمتری خواهیم داشت.
اصولاً میزان تلفات انتقال چیزی حدود ۲-۳ است و باید باشد، به همین دلیل اگر بتوانیم محل تولید انرژی الکتریکی را به محل مصرف نزدیک کنیم، عملاً انتقال حذف یا محدود می‌شود و در نتیجه سرمایه‌گذاری مورد نیاز در کل شبکه کاهش پیدا می‌کند و تلفات کمتر می‌شود که آن را «Distributed Generation یا DG» می‌نامیم، یعنی تولید پراکنده که در کشورمان به دلایل عدیده سهم برقی که به صورت پراکنده تولید می‌کنیم یعنی محل مصرف در مجاورت محل تولید باشد به دلایل مختلف بسیار کم است؛ بنابراین در بخش انتقال مشکل فناوری نداریم، چراکه کاملاً استاندارد است و دو پارامتر مهم دارد، «میزان توان انتقالی» و «مسافت انتقال.»
اما بزرگ‌ترین بخشی که در شبکه برق تلفات داریم شبکه توزیع است، چراکه شبکه توزیع بسیار پراکنده است و به صورت مویرگی توان در ابعاد زیاد در حوالی مراکز استانها می‌آید و چندین بار در پست‌های برق (substation) می‌رود. ولتاژ از ۲۳۰ به ۱۳۲ و ۶۲ و ۲۰ کیلوولت می‌رود و در نهایت در مناطق مسکونی، ترانس‌ها از ۲۰ کیلوولت به ۴۰۰ ولت می‌برند و توزیع میکنند. یعنی یک شبکه گسترده‌ای پخش شده داریم.
بنابراین دلایلی که بیشترین سهم را در تلفات در بخش توزیع داریم، نخست گستردگی کار بوده و دوم اینکه شبکه ما شبکه قدیمی است، واقعاً نمی‌توانیم ادعا کنیم شبکه توزیع کشورمان از کیفیت و سطح فناوری بالا برخوردار است، به‌عنوان مثال ترانس‌ها، کابل‌ها و کنتور‌های شبکه‌های توزیع قدیمی هستند و متوسط عمر ترانس‌های توزیع بالای ۲۰ سال است؛ اما در همان کنتور(کنتور‌های هوشمند به امکان مدیریت می‌دهد). در تهران که سطح کنتورها، ترانس‌ها و کابل‌های آن از تمامی استانها بالاتر است، بعید می‌دانم حتی ۱۰ درصد کنتور‌های این استان هوشمند باشند.
در نتیجه شبکه توزیع کشورمان به این دو دلیل که عرض کردم تلفات زیادی دارد، در کل کشور عدد‌های مختلفی گفته می‌شود، در استان‌های مختلف متفاوت است، به‌عنوان مثال در خوزستان یا سیستان و بلوچستان بیشترین تلفات را دارد و حدود ۱۳-۱۴ درصد را در بخش تلفات شبکه توزیع داریم، البته این قابل کاهش است و به خوبی می‌تواند در یک دوره پنج ساله (نه یکشبه) به نیم یعنی ۷ درصد برسانیم، البته نیاز به سرمایه‌گذاری دارد و بعد از سرمایه‌گذاری می‌توانیم از شبکه‌های هوشمند استفاده کنیم.
جهان در میانه گذار انرژی قرار داشته و این گذار انرژی چهار ویژگی دارد که یکی از این ویژگی‌ها استفاده از فناوری روز در بالا بردن بازدهی مصرف انرژی است، این یعنی استفاده از تجهیزات جدید، اداره کردن شبکه به صورت هوشمند و استفاده از فناوری.
مشکل ایران مشکل پایداری نیست؛ چراکه نوع تولید و سهم انرژی تجدیدپذیر کمتر از یک درصد است، اما اگر روزی برسد که باید برسد که ۵۰ درصد از کل تولید شبکه را تجدیدپذیر کنیم، ویژگی‌های خاص خودشان را دارند (به‌عنوان مثال خورشید در ظهر و باد در بعد از ظهر بیشترین تولید را دارند یا باتری و خودروهای برقی سهم قابل توجهی از حمل و نقل شهری را داشته باشند که باید باتری‌ها را شارژ کنند) که چنین شبکه هوشمندی بسیار جذاب خواهد بود.
در چنین شرایطی باتری خودروهای برقی ظرفیت قابل‌توجهی برای ذخیره‌سازی (energy storage) می‌شوند، منتها تبادل انرژی بین مصرف‌کننده و تولید‌کننده ایده جدیدی است، تا به حال فرض بر این بوده که یک نفر در یک جا متمرکز شده و تولید می‌کند و عده زیادی در یک جایی دور مصرف میکنند، اما به‌کلی این روش به‌هم ریخته و شبکه هوشمند پا به میدان می‌گذارد و به کمک می‌آید، یعنی یک نفر تولید نمی‌کند، بلکه همه تولید میکنند و یک نفر مصرف نمی‌کند، بلکه همه مصرف میکنند. به صورت همزمان همه تولید کرده و همه مصرف میکنند و این ایده جدیدی در شبکه توزیع ماست، حال چگونه مصرف میکنند؟ شبکه هوشمند تعیین می‌کند که ماشین لباسشویی چه زمانی در خانه کار کند، اتو و .... اینها نقش شبکه هوشمند است که سیستم پیچیده که همه تولید، مصرف و بهینه کنند را مدیریت می‌کند. فعلاً امکان چنین کاری را در شبکه توزیع نداریم و این کار چند ساله با سرمایه‌گذاری قابل توجه است.
تلفات انرژی در شبکه توزیع: ۱۳-۱۴ درصد در برخی استانها
آنا: در مدل‌های اقتصادی ناترازی انرژی چه مؤلفه‌ها و معیار‌هایی مدنظر قرار می‌گیرد و این مدل‌ها چه تأثیری در تولید و سیاست انرژی ایفا می‌کند؟
اورعی: تمامی کشورها مؤلفه‌ای به نام سیاست انرژی (Energy policy) دارند که این سیاست انرژی ضمناً بلندمدت است و هیچ کشوری برای یک تا دو سال برای صحنه انرژی برنامه‌ریزی نمی‌کند و صحنه را تا ۲۰۵۰ تدوین میکنند، اما مسلماً با توجه به شرایط، تغییرات و اصلاحات لازم را در مدل اقتصادی اعمال میکنند، حال سیاست انرژی چه کاری انجام می‌دهد؟ درحقیقت سیاست انرژی یک مدل اقتصادی بهینه شده است، یعنی از یک سو به امکانات کشور، ظرفیت‌های تولید انرژی الکتریکی از خورشید، وضعیت باد، نفت، گاز و ... می‌نگرد، ازسوی دیگر موقعیت جغرافیایی، مراکز تولید و مراکز مصرف را در یک مدل اقتصادی (میزان سرمایه‌گذاری) وارد می‌کند یا بسته هسته‌ای(به امور سیاسی کار نداریم) روش‌هایی هستند که می‌توانند در بخش تولید به صحنه بیایند و دولت آن را بهینه کند که این موضوع وظیفه دولت است، کاری که باید وزارت نیرو انجام دهد که انجام نمی‌دهد این است.
بنابراین بخش معاونت برنامه‌ریزی وزارت نیرو باید سیاست انرژی الکتریکی را تدوین کند، قابلیت‌ها و ظرفیت‌ها را ببیند و یک سبد انرژی بهینه تعریف کند که این سبد انرژی بخشی از سیاست انرژی می‌شود، در این سبد انرژی تنها به بخش تولید انرژی توجه شده، در نتیجه باید مصرف را هم ببیند، حال مصرف را چه کند؟ شرایط فناوری و بهینه‌سازی مصرف را بنگرد که چقدر باید هزینه کنیم تا تجهیزاتی که برق مصرف میکنند را به‌لحاظ فناوری ارتقاء دهیم و در نتیجه مصرف برق را بهینه کنیم، سپس نرخ رشد اقتصادی را مدنظر قرار می‌دهد؛ چراکه نرخ رشد اقتصادی در بخش صنعت مهم است و صنعت بیشترین مصرف انرژی را دارد یا در بخش‌های کشاورزی و خدمات ضرایب متفاوت هستند.
در بخش گاز حدود ۸۵۰ میلیون مترمکعب تولید داریم که در شرایط فعلی همه مصرف می‌شود و کم هم می‌آید، ازسوی دیگر در بخش بنزین ۱۲۴ میلیون لیتر در روز تولید بنزین داریم که مصرف به طور متوسط به ۱۲۲ میلیون لیتر رسیده است، برخی زمان‌ها بالاتر می‌رود و در میانگین کاهش تقاضایی داریم که حتماً باید به آن برسیم، بنابراین به واردات روی آورده‌ایم
بنابراین اگر یک‌درصد قصد داشته باشیم در بخش صنعت رشد اقتصادی داشته باشیم به میزانی از انرژی اضافه نیاز داریم و اگر همان را در بخش کشاورزی، خدمات و ... ایجاد کنیم مقدار متفاوتی نیاز دارد، بنابراین مدل اقتصاد همه این موارد را به‌طور مجزا بررسی می‌کند و جمعیت و سن جمعیت را مورد کنکاش قرار می‌دهد، براین اساس مثلاً تا ۲۰ سال آینده تعداد خانوار و مشترکین در بخش خانگی، اداری، تجاری، صنعتی، خدمات، کشاورزی، میزان، شاخه مصرف و تعداد مشترکین را پیش‌بینی می‌کند، این عوامل را کنار هم می‌گذارد و در بخش تولید، مصرف یا تقاضا یک مدل اقتصادی بهینه خارج می‌کند که این می‌شود سیاست انرژی که کاملاً شدنی است و تمام دنیا این کار را کرده و میکنند.
البته این مدل اقتصادی بدون عیب هم نیست و یک حلقه بسته‌ای است که این اطلاعات روز به روز به‌خصوص با توجه با ورود هوش مصنوعی قابل ارزیابی و پیش‌بینی است، چراکه آمار داریم که به ما کمک می‌کند. این موارد اقداماتی است که باید بخش دولتی انجام دهد، درحالی که بخش دولتی این کار را انجام نمی‌دهد و به جای آن بنگاه‌داری می‌کند و به سمت تولید و ... می‌رود؛ بنابراین حتماً باید در بخش برق، گاز و سوخت مایع که اجزای مختلف یک سیاست کلی انرژی می‌شوند اقدام کنیم که سیاست انرژی حداقل ده‌ساله تدوین کنیم که بهینه باشد تا به بهترین وجه ممکن بتوانیم تقاضاها را تأمین کنیم و مملکت را از این معضل فعلی نجات دهیم.
تدوین سیاست انرژی پایدار؛ نیاز به مدل‌های علمی و اقتصادی
آنا: براساس روند‌های علمی موجود، چه سناریو‌های احتمالی برای آینده ناترازی انرژی ایران وجود دارد و با استفاده از رویکرد‌های آینده‌پژوهی چگونه می‌توان برای چالش‌های احتمالی آماده شد و از ناترازی انرژی جلوگیری کرد؟
اورعی: در رابطه با مسئله ناترازی انرژی و آینده در ایران ماجرا به سیاست انرژی بازمی‌گردد، کاری که باید انجام دهیم اینکه بررسی جامعی درباره نیاز انرژی داشته باشیم، چراکه نیاز انرژی اجزای سیاست مات هستند و باید با دقت کامل بدانیم که نیازمان چیست و به این سمت برویم که این نیاز را به روش بهینه تأمین کنیم.
متأسفانه به هیچ عنوان از روش‌های علمی برای عبور از ناترازی انرژی استفاده نکرده‌ایم و برمبنای روش‌ها و مدل‌های اقتصادی و علمی سیاست انرژی را پایه‌گذاری نمی‌کنیم و این می‌شود که کشور را تا ۹۰ درصد به گاز وابسته کردیم، در نتیجه حال متوجه شده‌ایم که احتمال تأمین گاز و ... نداریم، یعنی اصولاً علمی در کار نبوده و نه‌تنها علم بلکه عقلی هم در کار نبوده است؛ بنابراین سیاست انرژی با روش‌های علمی و مدل‌های اقتصادی شدنی است، البته روش علمی ممکن است یک مدل اقتصادی برای عرضه و تقاضای انرژی باشد، یعنی بازار انرژی باید یک مدل شود و این یک مدل چندمتغیره و قابل حل است و می‌توانیم نیازهای کشور را در سال‌های آینده با انواع حامل‌های انرژی بررسی، تعیین و برآورد کنیم و همینطور روش بهینه تأمین این تقاضا را هم داشته باشیم و سیاستگذار باید بر مبنای خروجی مدل اقتصادی، برنامه انرژی را چینش و بر مبنای آن سیاستگذاری کند، نه اینکه یک نفر در برنامه چهارم، پنجم، ششم و ... یک نفر می‌گوید ۵ درصد انرژی تجدیدپذیر، یک نفر می‌گوید ۱۰ هزار مگاوات، وزیر در جلسه رأی اعتماد عنوان می‌کند ۱۰ تا ۱۲ هزار مگاوات انرژی تجدیدپذیر و شورای عالی انرژی در دولت سیزدهم گفت ۳۰ هزار مگاوات انرژی تجدیدپذیر باید داشته باشیم و دولت چهاردهم هم عنوان کرده ۳۰ هزار مگاوات انرژی تجدیدپذیر. کسی نمی‌داند اینها از کجا آمده و این عدد‌ها از جایی نیامده و عدد‌های فرضی است. در گاز و بنزین هم همین است.
حقیقت این است که در خلأ حرکت می‌کنیم و مشخص است که در چنین شرایطی با ناترازی فزآینده انرژی مواجه خواهیم شد و این ناترازی اکنون تبدیل به بحران شده و در مسیر ابربحران قرار دارد، ابربحران زمانی است که ناترازی در تمام حامل‌های انرژی به صورت همزمان داشته باشیم که نمی‌توان کاری کرد و مقصودم این است که انرژی قطعاً روش‌های ریاضی دارد و کاملاً قابل بررسی است و زمان آن است که به این مهم پرداخته شود.
شدت مصرف انرژی در ایران؛ ۴.۴ برابر میانگین جهانی
آنا: چه تکنیک‌هایی را می‌توان برای تحلیل سری‌های زمانی ناترازی انرژی استفاده و دقت پیش‌بینی‌ها را ارزیابی کرد، به عبارت دیگر تأثیر متغیرهای اقتصادی بر ناترازی انرژی با تحلیل رگرسیون امکانپذیر است؟
اورعی: برای اینکه بتوانیم وضعیت انرژی را به‌صورت دقیق پیش‌بینی کنیم، روش‌هایی مانند رگرسیون، میزان دقت و ... مثال‌هایی از این دست هستند، ابزارهای ریاضی که امروز در دسترس داریم خیلی پیشرفته‌تر از سایر روش‌هاست و اگر اطلاعات و آمار داشته باشیم، قطعاً می‌توانیم آموزش‌های لازم را ارائه کنیم، به‌عنوان مثال قادریم ماشین لرنینگ را آموزش دهیم.
هوش مصنوعی می‌تواند به صورت کاملاً دقیق رفتار را پیش‌بینی کند، علم از این حرف‌ها جلوتر رفته و به‌خوبی می‌توانیم سیستم هوشمندی به‌صورت نرم‌افزار طراحی کنیم. داده‌های گذشته مانند دمای هوا در زمستان و تابستان و وضعیت شبکه، تعداد خانوار‌ها، وضعیت مصرف و وضعیت مصرف صنعتی در فصول و روزهای مختلف را در قالب «داده» ارائه کنیم که تمامی این موارد به داده برمی‌گردد.
مشکل اصلی ما روش ریاضی نیست، بلکه مشکل «داده» است. اگر بانک اطلاعاتی را جمع‌آوری و کامل کنیم به یک باکس یا جعبه هوشمند می‌دهیم که می‌تواند با دقت بسیار بالا پیش‌بینی کند که در روز‌ها، هفته‌ها، ماه‌ها و سال‌های آینده اولاً میزان تقاضا در هر حامل انرژی چقدر خواهد بود و در ثانی چگونه می‌توان به صورت بهینه اینها را تأمین کرد؛ بنابراین از این نظر مشکلی نیست.
در اینجا به آمار می‌پردازم، به‌عنوان مثال در بخش گاز حدود ۸۵۰ میلیون مترمکعب تولید داریم که در شرایط فعلی همه مصرف می‌شود و کم هم می‌آید، ازسوی دیگر در بخش بنزین ۱۲۴ میلیون لیتر در روز تولید بنزین داریم که مصرف به طور متوسط به ۱۲۲ میلیون لیتر رسیده است، برخی زمان‌ها بالاتر می‌رود و در میانگین کاهش تقاضایی داریم که حتماً باید به آن برسیم؛ بنابراین به واردات روی آورده‌ایم.
پیش‌بینی می‌شود امسال بین ۴ تا ۶ میلیارد دلار، بودجه برای واردات بنزین کنارگذاشته شده است در گازوئیل تقریبا همسطح هستیم و روزانه ۱۱۰ میلیون لیتر متوسط مصرف گازوئیل داریم و با کمی بیشتر تولید داریم و در مجموع مشاهده می‌کنیم که روزانه بین ۸.۵ تا ۹ میلیون بشکه نفت خام معادل (اگر به بشکه نفت خام معادل تبدیل کنیم) تولید انرژی هیدروکربنی داریم که این ما را در دنیا در رتبه چهارم قرار می‌دهد.
آمریکا با ۳۰.۵ میلیون و روسیه با ۲۰.۵ میلیون و عربستان سعودی با ۱۱.۶ میلیون بالاتر از ما قرار دارند؛ بنابراین سطح تولید ایران در جهان بالاست و مشکل ما در تولید نیست؛ بلکه مشکل در مصرف است.
عجیب این است که با وجود اینکه مشکل ما در بخش مصرف است، کماکان تمام تمرکز خود را بر تولید گذاشته‌ایم و این اشتباه استراتژیک است، شاید هم عمدی نباشد.
در بخش تولید برق روزانه متوسط بین ۱.۱ تا ۱.۲ میلیارد کیلووات برق مصرف می‌کنیم و اگر محاسبه کنیم ارزش گاز، گازوئیل، بنزین ۱۸۰ میلیارد دلار در سال می‌شود. (در بخش گاز ایران چهارمین مصرف‌کننده گاز جهان است)، البته اگر کنار GDP بگذاریم ۴۵۰ میلیارد دلار می‌شود که حدود ۴۰ درصد از GDP ارزش انرژی مصرف ماست، اینجاست که می‌بینیم این شدت مصرف انرژی در کشور بالاست.
تقریباً میزان مصرف انرژی ما دو برابر متوسط جهان است و تقریباً هر نفر خارج از ایران ۲.۲ برابر ایرانی‌ها تولید می‌کند و در GDP سهم دارد که اگر اینها را در هم ضرب کنیم می‌بینیم شدت مصرف ایرانی‌ها ۴.۴ برابر جهانیان است، یعنی اگر برای تولید یک محصول خاص یا ارائه یک کالای خاص در دنیا ۱۰ واحد انرژی مصرف میکنند، برای تولید دقیق همان محصول یا ارائه همان کالا ۴۴ واحد انرژی مصرف می‌کنیم و این ما را به این نتیجه می‌رساند که در مصرف انرژی بسیار بسیار بد عمل کردیم و جمله آخر اینکه وقت آن رسیده که به علم روی بیاوریم و با استفاده از روش‌های علمی موجود، سیاست انرژی منطقی و واقعی را برای حداقل دهه آینده تدوین و اجرایی کنیم و اجازه دهیم سیاست‌ها بر مبنای آن گذاشته شود.
انتهای پیام/
