عوامل مؤثر بر ناترازی انرژی در شبکه‌های توزیع ایران؛ تحلیل داده‌ها و مدل‌های پیش‌بینی

خبرگزاری آنا؛ ناترازی انرژی، چالشی فراگیر در سیستم‌های انرژی مدرن فراتر از یک مفهوم صرفاً فنی است، این پدیده که در برق به عنوان «Dispatching» و با متغیر «قطع بار» (load interruption) تعریف می‌شود، زمانی رخ می‌دهد که با وجود تولید کافی، تأمین تقاضا امکان‌پذیر نباشد. این مسئله به‌خصوص با یکپارچگی سیستم‌های انرژی (integrated energy systems) و وابستگی متقابل حامل‌های انرژی همچون برق و گاز در ایران، پیچیدگی بیشتری می‌یابد.

به عبارت دیگر، ناترازی انرژی نشانه‌ کاهش قابلیت اطمینان سیستم (reduced system reliability) است، این ناکارآمدی، ریشه در دو عامل اصلی دارد؛ نخست، تغییرات اقلیمی که خود به دو بخش طبیعی و انسانی تقسیم می‌شود، تغییرات طبیعی، مانند خشکسالی و افزایش دما، اثرات قابل پیش‌بینی‌ای بر تولید انرژی دارند، در حالی که تغییرات انسانی، مانند توسعه‌ بی‌رویه‌ صنعتی و کشاورزی، این پیچیدگی را تشدید می‌کند.

میانگین‌گیری به جای مدل‌سازی دقیق؛ خطای استراتژیک در پیش‌بینی تقاضای انرژی

پیش‌بینی اثرات تغییرات اقلیمی، نیازمند داده‌های دقیق و شفاف از سوی مسئولان است که متأسفانه اکنون در کشور ما این اطلاعات به طور کامل در دسترس نیست، دوم، فناوری‌های به‌کار رفته در سیستم انرژی به‌خصوص در حوزه‌های تولید و توزیع در حالی که پیشرفت در تکنولوژی باتری، سلول‌های خورشیدی و توربین‌های بادی نویدبخش است و به سرمایه‌گذاری جدی نیازمند است.

باید به این نکته مهم توجه داشت که شبکه‌ توزیع به‌دلیل انشعابات غیرمجاز (برق‌دزدی) با تلفات غیرسیستماتیک بسیار بالایی مواجه است، این تلفات که به مراتب بالاتر از میانگین جهانی است (بالای ۲۵ درصد در مقابل ۱۰ تا ۱۵ درصد)، شبکه را فلج کرده و هوشمندسازی شبکه‌های توزیع را به یک ضرورت حیاتی تبدیل می‌کند.

برای حل این مشکل، علاوه بر سرمایه‌گذاری در منابع تجدیدپذیر مانند سلول‌های خورشیدی و توربین‌های بادی، بهبود کارایی نیروگاه‌ها (از طریق بهینه‌سازی مصرف و تعمیرات اساسی) و توجه به جنبه‌های زیست‌محیطی، مثل کنترل آلودگی، ضروری است؛ اما سرمایه‌گذاری کلان در شبکه‌های هوشمند توزیع به‌عنوان راه‌حل اساسی برای مقابله با انشعابات غیرمجاز و افزایش قابلیت اطمینان، باید در اولویت قرار گیرد.

بدون این سرمایه‌گذاری تحلیل‌های دقیق و مدل‌های پیشرفته نیز کارایی چندانی نخواهند داشت؛ چراکه داده‌های موجود قابل اعتماد نیستند و تحلیل آنها، به مثابه بررسی پدیده‌های آشکار و بدیهی خواهد بود. در حقیقت تا زمانی که شبکه توزیع اصلاح نشود، تلاش‌های دیگر برای بهبود کارایی سیستم انرژی، بی‌نتیجه خواهند ماند.

خبرنگار آنا در گفت‌وگویی تخصصی با سعید خراطی استادیار گروه برق گرایش مدیریت و برنامه‌ریزی شبکه قدرت دانشگاه آزاد اسلامی واحد کرمانشاه و کارشناس ارشد 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 به تحلیل عمیق‌تری از عواملی که منجر به ناترازی انرژی در کشور می‌شوند، می‌پردازد.

تأمین ماشین‌های برقی و انرژی سلول‌های خورشیدی مقدمه‌ای بر تأمین باتری

آنا: ناترازی انرژی دقیقاً بر چه مبنای علمی تعریف می‌شود و چه پارامترها و شاخص‌هایی در این ناترازی دخالت دارند، به عبارت بهتر تعریف واحد و جهان‌شمولی از ناترازی انرژی در علوم مختلف وجود دارد یا تعاریف متفاوتی بسته به زمینه کاربرد ارائه شده است؟

خراطی: ناترازی انرژی به‌لحاظ علمی تعریف مشخصی دارد، اگر به‌لحاظ ریاضی و برق تعریفی از ناترازی انرژی یا سایر حامل‌های انرژی که تفاوت آنچنانی ندارند، ارائه کنم، می‌توان به یک نتیجه مشخصی رسید، سایر حامل‌های انرژی مانند آب، گاز، سوخت و ...، بنابراین چندان تفاوتی ندارند و درحقیقت به یک مقصد مشخص یعنی انرژی می‌رسند.

در تمامی این موارد با مسئله مدیریتی به نام «توزیع اقتصادی» (Economic distribution) مواجه هستیم که در اصلاح برق به آن (Dispatching) گفته می‌شود، در زمینه «Dispatching» متغیری به نام قطعی بار یا «load interruption» داریم، به عبارت بهتر باری که قطع می‌شود و لودی که «load» تأمین، تغذیه و قطع می‌کنیم؛ بنابراین اگر این عدد برابر با صفر نباشد، به آن ناترازی می‌گوییم، یعنی لود، بار و مصرف مشخص است، اما قابل تأمین نیست، این مربوط به تولید نمی‌شود، یعنی خیلی وقت‌ها تولید را به اندازه مصرف داریم؛ اما نمی‌توانیم تأمین کنیم.

درصورتی که نتوانیم بار مصرف‌کننده را تأمین کنیم، می‌گوییم انرژی، ناتراز شده است که این مربوط به برق می‌شود و امروز سیستم‌های انرژی به صورت یکپارچه و تجمیعی(integrated) مورد بررسی می‌گیرند و در حقیقت سیستم‌های انرژی به‌صورت integration (تجمیعی) مشاهده می‌شوند، نکته جالب اینکه در ایران مهم‌ترین حامل‌های انرژی، برق و گاز است و آب حامل انرژی محسوب نمی‌شود.

وقتی شبکه گاز و برق کنار یکدیگر قرار بگیرند، (load مصرفی مشخص است)؛ بنابراین اگر نتوانم تأمین کنم، ناترازی انرژی رخ داده است، همین که کوچک‌ترین میزان قطعی داشته باشم، به ناترازی برخورده‌ام؛ البته ناترازی» کلمه علمی نیست؛ بنابراین بیشتر می‌توان از ناکارآمدی سیستم و شبکه به‌جای ناترازی استفاده کرد، به اصطلاح علمی با reliability ناترازی را در نظر می‌گیریم، یعنی کاهش قابلیت اطمینان سیستم (Reduced system reliability)، یعنی اصطلاحاً این شبکه «قابلیت اطمینان»(reliability) ندارد و reliability آن پایین آمده است.

آنا: تغییرات اقلیمی در کشورمان چه تاثیر علمی و مستقیم بر تشدید ناترازی انرژی داشته، مکانیزم‌های این تأثیرگذاری چیست و آیا مدل‌های علمی موجود قادر به پیش‌بینی دقیق‌تر تأثیر متقابل ناترازی انرژی و تغییرات اقلیمی هستند؟

خراطی: بله. تغییرات اقلیمی دارای دو بخش هستند، یک سری تغییرات اقلیمی که طبیعی است و در تمامی دنیا اتفاق می‌افتد و تغییراتی به وجود می‌آید، یک سری تغییرات دست انسان‌ها در کار است، به‌عنوان مثال فرض کنید یک سال خشکسالی است و بارش باران کمتری داریم و پارامتر‌های بارش پایین می‌آید و به همان نسبت، آب رودخانه‌ها پایین می‌آید و هوا گرم‌تر می‌شود، یعنی منطقه‌ای که در فصل تابستان دما از ۳۰ درجه بالاتر نمی‌رفت، امسال تا ۳۵ درجه رفته است، این تغییرات طبیعی است.

موضوع مهم‌تر اینکه یک سری تغییرات دست انسان است، یعنی تغییراتی که انسان به‌وجود می‌آورد به‌عنوان مثال کنار رودخانه کارخانه ذوب‌آهن احداث می‌کنم، مصرفی که در واقع کارخانه فولاد دارد سطح آب را پایین می‌آورد و پایین آمدن سطح آب موجب می‌شود دمای منطقه در فصل تابستان بالاتر برود یا موجب می‌شود گرد و خاک کنار رودخانه با باد بلند می‌شود، مثال دیگر اینکه کشاورزی بی‌رویه موجب کاهش سطح آب می‌شود.

بخش طبیعی تأثیر تغییرات اقلیمی بر ناترازی انرژی قابل پیش‌بینی است؛ البته بخش انسانی هم قابل پیش‌بینی است؛ به شرط آنکه اطلاعات داشته باشیم، به‌عنوان مثال مسئولان بگویند در منطقه‌ای، کشاورزی اینگونه انجام می‌شود که متأسفانه در کشور ما اینطور نیست و اطلاعات دقیقی به حوزه‌های مدیریت انرژی داده نمی‌شود، درصورتی که اگر این پیش‌بینی‌ها باشد، می‌توان تغییرات اقلیمی که از قبل متوجه شد.

آنا: چه پیشرفت‌های علمی در زمینه فناوری‌های ذخیره‌سازی انرژی نظیر باتری و هیدروژن حاصل شده و چالش‌های علمی درباره باتری با ظرفیت بالا و عمر طولانی و ایمنی بالا چیست؟

خراطی: بخشی که منجر به پیشرفت مطالعات شبکه قدرت می‌‌شود، باتری است، یعنی در اکثر علوم، تکنولوژی ساکن شده است، طی ۱۰ تا ۱۵ سال اخیر در زمینه ترانس تکنولوژی تکنولوژی جدیدی نداریم، همچنین در زمینه‌های موتور، کابل و ... همینگونه است، اما در زمینه باتری، سلول خورشیدی، توربین‌های بادی و ... تکنولوژی هر روز جدیدتر می‌شود، در این سه زمینه با رشد تکنولوژی مواجه بودیم و هر روز هم جدیدتر می‌شود.

تکنیک‌های ارزیابی دقیق ناترازی انرژی با تحلیل چندمتغیره

معتقدم تکنولوژی باتری به حد قابل قبولی رسیده که بتوان روی آن سرمایه‌گذاری کرد.

آنا: وضعیت ایران در زمینه تکنولوژی باتری چگونه است؟

خراطی: مهم‌ترین نیاز کشورمان برای تأمین باتری و ماشین‌های برقی و به‌طور کلی تأمین انرژی سلول‌های خورشیدی است؛ اما باید در کنار این موضوع باید باتری و ماشین‌های برقی را هم مدنظر قرار داد، درحقیقت ماشین‌های برقی کار باتری را انجام می‌دهند.

ماجرای تلفات در شبکه‌های انتقال و توزیع

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؟

خراطی: درزمینه شبکه‌های انتقال و توزیع با دو تلفات مواجه هستیم (البته انتقال زیاد نیست و شاید گلوگاه اصلی ما توزیع باشد)، نخست تلفات سیستمی که به‌لحاظ سیستماتیک این تلفات جود دارند، مانند تلفات ترانس، تلفات خطوط که گریزی از آن نیست و راه بهبود دارد، اما راه از بین رفتن ندارد، در نتیجه می‌توان آنها را سرویس کرد و کارایی را بهتر کرد.

موضوع مهم‌تر و دیگر تلفات را تلفات غیرسیستماتیک تشکیل می‌دهند یا به اصطلاح عامیانه برق‌دزدی است، یکی از موضوعات مهم در شبکه توزیع است که متأسفانه بعد از داستان ارز دیجیتال، زیاد شده و در یک دوره‌ای در محله‌های زاغه‌نشین که امکاناتی نداشتند از انشعابات غیرمجاز برق می‌گرفتند، اما امروزه خیلی زیاد شده و این مسئله، شبکه توزیع را فلج کرده است.

نرمال تلفات توزیع در دنیا بین ۱۰ تا ۱۵ درصد بوده، شرکت‌های دارای شبکه‌های توزیع مناسب، تلفات توزیع ۷، ۸ و۱۰ درصد دارند و شرکت‌های دارای شبکه‌های توزیع نامناسب ۱۵ تا ۱۶ درصد هستند؛ اما در ایران عدد بالای ۲۵ درصد است؛ تازه با آمار‌هایی که در آن شک و تردید وجود دارد و عدد بزرگی است.

آنا: راهکار شما برای توزیع مناسب شبکه‌های برق در ایران چیست؟

خراطی: موضوع اساسی اینکه نخست باید جلوی انشعابات غیرمجاز گرفته شود و برای اینکه بتوان جلوی انشعابات غیرمجاز را در شبکه توزیع گرفت، نیاز به سرمایه‌گذاری در بخش توزیع داریم و تنها راه‌حل آن شبکه‌های هوشمند است و به‌شدت به شبکه‌های هوشمند نیاز داریم.

بار‌ها در این زمینه با شرکت توزیع جلساتی برگزار کردیم و صحبت‌های لازم را انجام دادیم؛ اما مسئولان شرکت‌های توزیع عنوان می‌کنند بودجه بسیار پایینی در این راستا داریم.

کمترین بودجه در وزارت نیرو به شرکت‌های توزیع می‌رسد، در حالی که ما نیاز به سرمایه‌گذاری‌های بزرگ در شبکه‌های توزیع داریم که راه‌حل Smartening یا هوشمندسازی شبکه‌های توزیع (Smartening of distribution networks) است، بنابراین تغییرات باید شدید و اساسی باشد، یعنی باید شبکه‌های توزیع را مبتنی بر خُرده‌فروشی (retail) انجام دهیم، به‌عبارتی شبکه‌های توزیع نیازمند سرمایه‌گذاری‌های بزرگ هستند و اگر سرمایه‌گذاری‌ها انجام نشود، تبدیل به فاجعه خواهد شد، فاجعه‌ای که در کوتاه‌مدت کمر سیستم قدرت و سیستم‌های انرژی ما را می‌شکند که ناشی از انشعابات غیرمجاز است.

 شبکه توزیع اصلاح نشود، کاری از پیش نخواهیم برد

آنا: عمر برخی نیروگاه‌ها در استان کرمانشاه یا سایر شهرها ۶۰ تا ۷۰ سال است به‌طوری‌که این نیروگاه‌ها از رده خارج شده و فرسوده شده‌اند. این مسئله را در ناترازی انرژی مؤثر می‌دانید؟

خراطی: ببینید، برخی کارآمدی برخی نیروگاه‌ها پایین آمده است، بازدهی (efficiency) نیروگاه‌ها مشخص است و اینگونه نیست که نابود شوند، به‌عنوان مثال انتظار داریم نیروگاه «بیستون» کرمانشاه با بازدهی ۳۸ درصد کار کند، اما ممکن است با بازدهی ۳۴ درصد کار کند و این ممکن است تلفات زیادی ایجاد کند، اما این طور نیست که بگوییم عامل ناترازی انرژی به عمر بالای نیروگاه‌ها برمی‌گردد.

نیروگاه‌ها یک مبحث مهم دیگری دارند، آن، اینکه هر نیروگاه نیازمند بهینه‌سازی مصرف هستند، مانند مراکز صنعتی که آب مصرف می‌کنند که یکی از موضوعات بسیار آنها، بهینه‌سازی مصرف آب است. 

جنگ پنهان ناترازی انرژی با بهداشت جامعه

مثال دیگر می‌زنم، نیروگاه «بیستون» کرمانشاه پروژه‌ای دارد که از ۲۰ سال گذشته مقرر شده بود برج خنک‌کننده این نیروگاه تکمیل شود که هنوز انجام نشده است، یعنی برج خنک‌کننده نیروگاه هنوز تشکیل و آماده نشده، عامل موجب شد که کرمانشاه خشک شود و سفره‌های آب زیرزمینی اطراف نیروگاه از بین رفت و نمی‌دانم چه زمانی قرار است «کولینگ تاور»(cooling tower) به عبارتی برج خنک‌کننده نیروگاه «بیستون» تکمیل شود.

اگر واقعاً عمر نیروگاه تمام شده باشد تا یک جایی با سرویس کردن و Nant de Drance نیروگاه می‌توانیم بازدهی آن را نگه داریم؛ اما اگر واقعاً Nant de Drance کارایی نداشته باشد راهی وجود ندارد و مجبوریم دوباره سرمایه‌گذاری‌های جدید انجام دهیم و نیروگاه نیاز به سرمایه‌گذاری خواهد داشت.

به‌عبارت بهتر، اینگونه نباشد که بخش برق و انرژی را در نظر بگیریم؛ اما آب و بخش آلودگی نیروگاه‌ها را در نظر نگیریم، اکنون روی دودکش‌های نیروگاه‌ها سرمایه‌گذاری‌های کلانی صورت می‌گیرد و مواد و آلاینده نیروگاه‌ها را مدیریت می‌کنند و اگر روی این دو بخش سرمایه‌گذاری نشود در زمینه نیروگاه به مشکلات بزرگ می‌خوریم.

معتقدم بیش از اینکه نیازمند سرمایه‌گذاری در حوزه نیروگاه باشیم، نیازمند سرمایه‌گذاری در سلول‌های خورشیدی و توربین‌های بادی هستیم (شاید بشود گفت همزمان)، بنابراین وقتی تولید تجدیدپذیر(renewable) داشته باشیم، با خیال راحت‌تری می‌توانیم نیروگاه‌ها را بهبود داده و سوق بدهیم، وقتی وابسته به نیروگاه هستم قادر نخواهم بود حتی نیروگاه را سرویس کنم، به عنوان مثال اگر نیروگاه نکا را اگر شبکه خارج کنید، نصف کشور در خاموشی می‌رود، اما اگر به اندازه کافی (دو تا سه ماه) نیروگاه را از شبکه خارجی کنید، می‌توان روی این نیروگاه سرویس کامل انجام داد و معتقدم سرمایه‌گذاری در بخش سلول‌های خورشیدی اهمیت خود را نشان خواهد داد.

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؟

خراطی: در زمینه شبکه گاز صحبت خاصی ندارم؛ چراکه در تخصص من نیست و اینکه باید سرمایه‌گذاری در شبکه گازی به‌صورت خاص صورت بگیرد؛ اما در برق، معتقدم در زمینه برق رشد مصرفی بسیار بالایی خواهیم داشت؛ چراکه روز به روز مصرف‌کنندگان جدید وارد می‌شوند و بخش‌هایی که پیش از این با سوخت انجام می‌‌شد، اکنون با برق انجام و میل به مصرف برق روز به روز بیشتر می‌شود، به‌خصوص اگر ماشین‌های برقی وارد شوند که این عامل بیشتر خودش را نشان می‌دهد.

در نتیجه حتماً به سرمایه‌گذاری در بخش برق نیاز داریم؛ البته امروز هم بسیار دیر است و باید از ۱۰ تا ۱۵ سال پیش به فکر امروز می‌بودیم. اینکه سرمایه‌گذاری باید چگونه باشد، نخستین موضوع سلول‌های خورشیدی و توربین‌های بادی است به نوعی که باید سلول‌های خورشیدی و توربین‌های بادی را وارد خانه‌ها و پشت‌بام‌های مردم یا زمین‌های بایر کنیم؛ چراکه ایران ظرفیت بسیار بالایی دارد.

طراحی جعبه سیاه هوشمند انرژی؛ مدیریت مصرف با تبدیل داده‌ها به بینش‌های عملی

نکته بعدی واحد‌های CHP است (Combined Heat and Power یا حرارت و برق ترکیبی) که باید روی آن سرمایه‌گذاری و CHP کوچک را وارد خانه‌های مردم کنیم.

نکته مهم‌تر موضوع نیروگاه‌هاست که باید روی آنها کار شود و موضوع خیلی مهم‌تر سرمایه‌گذاری روی شبکه‌های توزیع است و صورتی که شبکه‌های توزیع را اصلاح نکنیم تلاش‌ها به ثمر نخواهد نشست، به‌عبارتی اگر شبکه‌های توزیع بهبود داده نشود، سرمایه‌گذاری روی آن صورت نگیرد و هوشمندسازی انجام نشود، تلاش‌ها برای اینکه شبکه انرژی کشور کارآمد باشد، به مر نخواهد نشست و ناقص خواهند ماند، یعنی تلاش زیادی می‌کنیم؛ اما نتیجه‌ای نمی‌بینیم و دلیل اصلی آن را در شبکه توزیع می‌بینم؛ بنابراین نیاز به سرمایه‌گذاری بسیار بزرگ در شبکه توزیع داریم.

آنا: تصور می‌کنید، قیمت‌ حامل‌های انرژی، تحریم و رشد قیمت‌های ارز در ناترازی انرژی تأثیرگذار بوده، به‌عبارتی می‌توان به صورت آمار و داده بررسی کرد که متغیر‌های انرژی چه تأثیری در ناترازی انرژی داشته و چه تکنیک‌هایی را می‌توانیم برای تحلیل سری‌های زمانی ناترازی‌های انرژی مورد بررسی قرار دهیم؟

خراطی: تا زمانی که شبکه توزیع اصلاح نشود، کاری از پیش نخواهیم برد؛ چراکه داده خوب و اطلاعات قابل اعتمادی نداریم که بخواهیم آنها را بررسی کنیم، از سوی دیگر بررسی کردن این پارامتر‌ها به‌نوعی بررسی کردن پدیده‌های اظهر من الشمس است و معلوم است که تأثیر دارد، قیمت حامل‌های انرژی در مصرف انرژی مردم تأثیر دارد یا قیمت پارامتر‌های اقتصادی در نوع مصرف مردم تأثیر دارد؛ حال اگر بخواهیم این تأثیرگذاری را به مدل و داده تبدیل کنیم نیاز به داده‌های مشخص، قابل اعتماد و دقیق داریم که با روش‌های رگرسیونی می‌توان آنها را تحلیل می‌کنیم.

این تحلیل‌ها در شرایط فعلی کمکی به حل مشکل انرژی کشور نمی‌کنند؛ بلکه در شرایط فعلی نیاز به سرمایه‌گذاری‌های کلان و بزرگ در بخش تولید و توزیع داریم، حتی ممکاینگونه تحلیل‌ها بی‌ارزش هم باشند باشد، چراکه هرکس می‌تواند از شبکه توزیع، برق‌دزدی کند، در چنین شرایطی load شبکه بی‌دلیل بالا می‌رود، چراکه داده‌ها قابل اعتماد نیستند و اگر این افراد پول برق را می‌دادند، همانگونه مصرف می‌کردند، اطلاع نداریم این تأثیر افزایش قیمت ارز یا افزایش حامل‌های انرژی است یا مسائل دیگری در میان است؟

آنا: یعنی مدل‌سازی دقیق ناترازی انرژی بر مبنای رگرسیون یا سری‌های زمانی نداریم؟

خراطی: مدل دقیق داریم، اما داده‌ای نداریم، یعنی ورودی خوب نداریم. به‌عنوان مثال یک آبمیوه‌گیری خوب داریم، اما میوه خوب برای گرفتن آب میوه نداریم که از آن آب خوب بگیریم. داده‌ها هم در شرایط فعلی قابل اعتماد نیستند و اگر مصرف شبکه بالا رفته نمی‌توانم بفهمم آیا این به دلیل تغییرات ارز یا حامل‌های انرژی است یا خیر؟ بنابراین به راحتی از شبکه توزیع انشعاب غیرمجاز آب گرفته می‌شود!