تازه ها
1396/4/19 دوشنبه
شبکه هوشمند انرژی

شبکه هوشمند انرژی در واقع همان شبکه متعارف انرژی است که با فناوریهای ارتباطی، اطلاعاتی، مخابراتی و ابزار دقیق پیشرفته ادغام شده است. به عبارت سادهتر، در شبکه هوشمند انرژی، ارتباط دو طرفه اطلاعاتی بین تولیدکنندگان و مصرف‌کنندگان ایجاد میشود. و لذا در این شبکهها، کلیه عناصر تشکیل دهنده شبکه شامل منابع تولید، مصرف کنندهها و سیستمهای انتقال و توزیع با راندمان بالای اقتصادی، کمترین تلفات و بیشترین ضریب امنیت، نقش خود را ایفا مینمایند.

مقدمه

تأمین انرژی با راندمان بالا یکی از اولویتهای بشر در آینده نزدیک است. سیستم فعلی و موجود در شبکه تولید، انتقال، توزیع و مصرف انرژی نمیتواند منجر به راندمان بالا شود. هوشمندسازی شبکه انرژی یکی از راهکارهای اساسی برای رسیدن به این منظور است. شبکه هوشمند انرژی در واقع همان شبکه متعارف انرژی است که با فناوریهای ارتباطی، اطلاعاتی، مخابراتی و ابزار دقیق پیشرفته ادغام شده است. به عبارت سادهتر، در شبکه هوشمند انرژی، ارتباط دو طرفه اطلاعاتی بین تولیدکنندگان و مصرف‌کنندگان ایجاد میشود. و لذا در این شبکهها، کلیه عناصر تشکیل دهنده شبکه شامل منابع تولید، مصرف کنندهها و سیستمهای انتقال و توزیع با راندمان بالای اقتصادی، کمترین تلفات و بیشترین ضریب امنیت، نقش خود را ایفا مینمایند.

در تعریف صورت مسئله شبکه هوشمند انرژی، در ابتدا به چندین سوال به شرح ذیل پاسخ داده شود

شبکه انرژی چیست؟

ضعفها و معایب شبکه انرژی در حال حاضر کدامها هستند؟ به عبارت بهتر چه نیازهایی ما را مجبور به بهرهگیری از راهحلهای دیگر همچون شبکه هوشمند انرژی مینماید؟

شبکه هوشمند انرژی چیست؟ آیا هوشمندسازی شبکه انرژی میتواند ضعفها و معایب شبکه انرژی را پوشش دهد؟ اساساً هوشمندسازی یک شبکه چه تعریفی دارد و دارای کدامین ویژگیها و مشخصات است؟

مزایای شبکه هوشمند انرژی چیست؟ آیا با هوشمند سازی، ضعفها و ایرادات شبکه انرژی مرتفع میگردد؟ آیا به غیر از رفع این ضعفها میتوان مزایای دیگری نیز برای شبکه هوشمند متصور شد؟

امکان پیادهسازی یک شبکه هوشمند انرژی با توجه به تعاریف و استانداردهای جهانی در یک شبکه انرژی متعارف چیست؟ مثلا، آیا با توجه به زیرساختهای فنی و مهندسی، اجرائی، مخابراتی، مالی و سرمایهای، اجتماعی، فرهنگی و ....... میتوان یک شبکه هوشمند انرژی بر اساس معیارها و اصول پذیرفته شده در مراکز تحقیقاتی و صنعتی دنیا، در ایران پیادهسازی کرد؟ چه اقداماتی برای "بومیسازی" این فناوری در شبکه انرژی ایران بایستی انجام شود؟ آیا نیاز به کاستن و یا افزودن متغیرهای تأثیر گذار در زمان بومیسازی است؟

توجیه اقتصادی، نرخ و زمان برگشت سرمایه اولیه برای هر سرمایهگذار امری مهم است. آیا مطالعات اقتصادسنجی که در کشورهای مختلف دنیا در زمینه پیادهسازی شبکههای هوشمند انرژی صورت گرفته است میتواند معیار مناسبی برای کشور ایران باشد؟ مطالعات اقتصاد انرژی صورت گرفته در این خصوص چقدر برای ما اعتبار دارد؟

با توجه به زیرساختهای مذکور در کشور، آیا میتوان پروژه اجرای شبکه هوشمند انرژی در کشور را بهینهسازی کرد؟ تابع هزینه پروژه اجرای شبکه هوشمند انرژی با توجه به هزینههای اولیه و سرمایهای، هزینههایجاری در زمان بهرهبرداری از پروژه چگونه تعریف میگردد؟ فضای چند متغیره و عوامل و شاخصهای تأثیرگذار در بهینهسازی فنی و اقتصادی شبکه هوشمند انرژی در کشور را چگونه میتوان شناسایی کرد؟

مدلهای مفهومی ، نقشه راه  و متدولوژی پیادهسازی شبکه هوشمند انرژی در محافل علمی و مراکز تصمیمسازی صنعتی چگونه تعریف میشوند؟

با توجه به زیرساخت دولتی شبکه انرژی در کشور، چه پیش اقداماتی جهت عملیاتی نمودن شبکه هوشمند انرژی بایستی انجام داد؟

بدیهی است با توجه به سؤالات طرح شده در بالا، موضوع شبکههای هوشمند انرژی، یک بحث Multidisiplinary بوده و از دیدگاه علمی یک بحث میان رشتهای است؛ زیرا رشته‌های مختلف در علوم مهندسی، سیستم، کنترل و ابزاردقیق، مخابرات، کامپیوتر، فناوری اطلاعات، اقتصاد کلان و خرد، اقتصاد انرژی، مهندسی صنایع، مدیریت مالی، سیاستگذاری انرژی در این بحث دارای جایگاه ویژهای هستند و بسیار سادهانگاری است که بتوان پروژه به این عظمت را بدون مطالعات عمیق کارشناسی و تخصصی به سرانجام رساند.

شبکه انرژی  چیست؟

شبکه انرژی یک شبکه به هم پیوستهای است که برای انتقال و تحویل انرژی از مبادی تولید به مقاصد مصرف ایجاد شده است و شامل مراکز تولید، خطوط انتقال حامل انرژی از مبادی دوردست تولید به مراکز مصرف و خطوط توزیع محلی انرژی متصل به مصرف کنندگان انرژی. از تعریف مذکور متوجه میشویم که اولاً شبکه انرژی پیوسته بوده و ثانیاً شامل چهار بخش مبادی تولید، خطوط انتقال، خطوط توزیع و مراکز مصرف است. حاملهای انرژی عموماً در چهار شکل انرژیهای جامد (ذغال سنگ)، مایع (نفت، گازوئیل، بنزین، مازوت و...)، گاز (گاز طبیعی، هیدروژن و زیست گاز، .....) و الکتریکی میباشد. منابع تولید انرژی میتوانند در دو دسته عمده منابع انرژی تجدیدپذیر شامل: انرژی خورشیدی، بادی، زمینگرمایی، زیستی، اقیانوسی و آبی، هیدروژن و پیل سوختی و منابع تجدیدناپذیر شامل: سوختهای فسیلی و سوخت اتمی طبقهبندی شوند.

خطوط انتقال و توزیع انرژی با توجه به نوع حامل انرژی تعریف میگردد. البته با تبدیل صورتهای مختلف انرژی به یکدیگر، میتوان از حاملهای دیگر برای استحصال یک صورت خاص از انرژی استفاده کرد؛ مثلاً در نیروگاهها میتوان با تولید برق از ذغال سنگ، مازوت، نفت گاز و یا گاز طبیعی، انرژی فسیلی مذکور را به صورت الکتریکی حمل کرد. با فناوری جدید به نام "توان به گاز"، میتوان با تبدیل انرژی الکتریکی به گاز طبیعی و انتقال آن با خطوط انتقال گاز، انرژی الکتریکی را منتقل کرد. به هر حال میتوان با استفاده از فناوریهای مختلف، انرژی را از صورتهای مختلف به همدیگر تبدیل کرد و به دست مصرفکننده رساند.

مصارف انرژی شامل خانگی، تجاری، صنعتی، پالایشگاهی، پتروشیمیها، حمل و نقل، کشاورزی میباشند که این مصرفکنندگان با توجه به ساختارشان از انواع مختلف انرژی استفاده میکنند. مثلاً عمده مصرف ذغال سنگ در نیروگاهها و صنایع ذوب آهن و فولاد است و در کشور ما در مصارف خانگی، تجاری و خدماتی کاربردی ندارد. به هر حال با توجه به مطالب مذکور میتوان شکل (1) را برای یک شبکه انرژی، به طور ساده در نظر گرفت.

در کشور ما انتقال و توزیع حاملهای مایع انرژی، اکثراً با خط لوله و یا وسایل نقلیه موتوری و دیزلی صورت میگیرد. برای انتقال گاز طبیعی از خطوط لوله استفاده میشود و انتقال انرژی توسط آب جایگاه چندانی در کشور ما ندارد و با تولید انرژی برق توسط نیروگاههای فسیلی، هستهای و تجدیدپذیر، خطوط انتقال و توزیع برق نیز یکی از مهمترین ابزارهای انتقال انرژی است. توجه شود همانطوریکه پیشتر ذکر شد در فناوریهای جدید میتوان انرژی برق تولیدی در یک نیروگاه بادی و یا هستهای حتی فسیلی را، به جای استفاده از خطوط انتقال برق، از خطوط انتقال گاز طبیعی انتقال داد. زیرا در کل ثابت شده است که تلفات انرژی در خطوط انتقال گاز طبیعی به مراتب از خطوط انتقال برق کمتر بوده و در ضمن امکان ذخیره سازی انرژی در خطوط لوله گاز طبیعی و فقدان این امکان در خطوط انتقال برق یک مزیت دیگر برای انتقال انرژی به صورت گاز طبیعی در خطوط انتقال گاز طبیعی است. می‌توان هر حامل را از مبدأ تولید تا مصرف به صورت یک شبکه فرض کرد و یا همه حاملهای انرژی به همراه منابع تولید، انتقال و توریع، مراکز مصرف را در مجموع یک شبکه گسترده انرژی در نظر گرفت. به نظر میرسد گزینه دوم برای اتخاذ سیاستهای انرژی در سطح کلان مفیدتر باشد؛ زیرا نگاه جزیرهای به هر بخش نمیتواند در اتخاذ تدابیر و سیاستهای مدیریتی، اقتصادی، فنی و مهندسی راهگشا باشد. پس در این کتاب وقتی از اصطلاح شبکه انرژی استفاده میشود؛ منظور کل شبکه با انواع منابع، ابزارهای انتقال و توزیع و مراکز متعدد مصرف است نه یک شبکه خاص مانند شبکه انرژی برق و یا شبکه انرژی گاز.

سوال دوم که در آغاز این بحث طرح گردید این است که شبکه انرژی در حالت فعلی چه ویژگیهای نامطلوبی دارد؟ اگر اجازه بدهید سوال را بدینگونه طرح کنیم که شبکه انرژی در حال حاضر چه معایبی دارد که محققین و مهندسین فعال در بخش انرژی در تلاش برای رفع آن معایب هستند؟

 

 

شکل (1): نمای ساده شده یک شبکه انرژی

طراحی فنی و مهندسی در خصوص هر سیستم و شبکهای میتواند در دو سطح مهندسی پایه و مهندسی بهینه انجام شود. قطعاً شبکه انرژی نیز از این امر مستثنی نیست. با پیشرفتهای حاصل شده در علم مهندسی بهینهسازی، طراحی یک سیستم بدون در نظر گرفتن فنون و علوم مطرح در مهندسی بهینهسازی از نظر فنی و اقتصادی در دنیای امروز قابل توجیه نیست. عدم یکپارچگی شبکه انرژی و نگاه بخشی به زیرشبکههای شبکه انرژی امری منسوخ است، لذا با دیدگاه کلینگر به شبکه انرژی میتوان عملکرد شبکه را بهینه کرد. در حال حاضر در بخش انرژی کشور متأسفانه دیدگاه جزئینگری حاکم است. مثلاً ارتباط معنایی  چندانی بین زیرشبکه انرژی برق و زیرشبکه انرژی گاز طبیعی وجود ندارد و ارتباط این دو شبکه فقط در بخش بالادستی تولید برق بوده که از گاز طبیعی به عنوان سوخت در نیروگاهها استفاده میشود. برای تفهیم بهتر موضوع، به مطلبی که در ادامه ذکر میشود توجه گردد. با افزایش مشترکین برق قطعاً نیازمند نیروگاههای بیشتر و تقویت و گسترش خطوط انتقال و توزیع برق هستیم. توان و ظرفیت زیرشبکه انرژی در بخش برق بایستی قادر باشد تا در زمان‌های اوج مصرف پاسخگوی مشترکین باشد در حالیکه چون انرژی برق قابل ذخیره کردن نیست لذا در زمانهای غیر اوج مصرف عملاً بایستی تولید برق کاهش پیدا کند. برای اوجسابی، شرکت برق اقدام به تشویق مشترکین برای کاهش مصرف در زمانهای اوج مصرف می نماید و از آنها میخواهد تا در زمانهای غیر اوج مصرف، از وسایل پرمصرف استفاده کنند و لذا در عمل از رویکرد اصلاح فرهنگ مصرف برای بهینه سازی تولید و مصرف استفاده می‌کنند.استراتژی دیگر اعمال تعرفه های چند نرخی است که میتواند مشترک را به کاهش مصرف در زمانهای اوج مصرف ترغیب نماید. روشهای مذکور هر چند مؤثر بوده ولی در عمل نتیجه دلخواه را نخواهد داشت. اگر استراتژی کلان بخش انرژی به جای جزیی نگری به کلی‌نگری و استفاده از علوم و دانش روز متکی باشد میتواند مشکل اوجسابی را به نحو دیگری حل کند. در زمانهای غیر اوج میتوان با استفاده از فناوری "توان به گاز"، انرژی الکتریکی تولید شده در زیرشبکه برق را به گاز طبیعی تبدیل کرد و این انرژی را در خطوط لوله انتقال گاز طبیعی و زیرشبکه گاز طبیعی ذخیره کرد بدون آنکه در ساعات غیر اوج، نیروگاهی را از سرویس خارج کرد. در سالهای نه چندان دور که زمستانهای سردی بر کشور حاکم بود موضوع تأمین گاز طبیعی به عنوان سوخت گرمایشی همواره دغدغه وزارت نفت بوده است. با افزایش مصارف خانگی، تجاری و خدماتی گاز طبیعی در زمستان، معمولاً شاهد قطع و یا کاهش گاز طبیعی تحویلی به نیروگاهها، صنایع و حتی صادرات هستیم در حالیکه میتوان با گسترش منابع انرژیهای تجدیدپذیر حتی در اندازههای کوچک، از مشکل تأمین گاز طبیعی در زمستان جلوگیری کرد و این گسترش مستلزم نگاه کلی و یکپارچه به ساختار شبکه انرژی است. لذا در یک کلام می توان گفت که بهینه سازی تولید، انتقال و مصرف انرژی در یک کشور بدون تفکر جامع و کلی نگری مقدور نیست و مدیریت یک شبکه انرژی با حجم عظیمی از منابع تولید، خطوط انتقال و توزیع و مراکز مصرف در سطح کلان فقط با افزایش رویت پذیری و کنترل پذیری شبکه امکان پذیر است. شناخته شده ترین ابزار و روش برای افزایش رویتپذیری و کنترل پذیری شبکه انرژی، بهره گیری از فناوری نوین ICT و اندازه گیریهای صحیح و پیشرفته است و شبکهای که به این فناوریها تجهیز شده باشد را در اصطلاح شبکه هوشمند انرژی می نامند. بیان خلاصه مطالب مذکور در قالب روابط علی و معلولی به ‌صورت جدول (1) خواهد بود.

جدول (1): عوامل انگیزشی در ایجاد شبکه هوشمند انرژی

بهینه سازی و کاهش هزینه ها و تلفات نیازمند ارتقاء کنترل پذیری و رویت پذیری شبکه انرژی شامل تولید، انتقال، توزیع و مصرف است و این امر به نوبه خود مستلزم بهرهگیری از فناوریهای ICT و ابزار دقیق پیشرفته)شبکه انرژی + فناوریهای ICT و ابزار دقیق پیشرفته( است. به غیر از نیاز شبکه انرژی به بهینه سازی و کاهش هزینه ها و تلفات در زیربخشهای مختلف، سایر نیازهای مذکور در جدول (1) نیز میتواند در هوشمندسازی شبکه انرژی به عنوان عوامل انگیزشی مد نظر قرار گیرند.

در پاسخ به سوال پنجم، بدیهی است که زیرساخت‌های فناوری و مهندسی، مدیریتی، منابع انسانی و مالی در کشورهای مختلف دارای تنوع زیادی است. از نظر جغرافیایی و گسترده‌گی توزیع منابع تولید و مراکز مصرف، کشور ایران دارای وضعیت ویژه‌ای است. منابع تولید منابع انرژی فسیلی عمدتاً در جنوب کشور مستقر هستند و منابع تولید انرژیهای الکتریکی و انرژیهای تجدیدپذیر در گستره کشور پهناور ایران توزیع یافتهاند. عمده مصرف انرژی در کشور در نیمه شمالی واقع شده‌اند.

 ارتباطات مخابراتی که بتواند همه کشور را در همه ابعاد تولید، انتقال، توزیع و مصرف تحت پوشش قرار دهد قطعاً نیازمند بهرهگیری از فناوریهای جدید است. در کشور ما ارتباطات مخابراتی سیار مبتنی بر استفاده از زیرساختهای ماهوارهای نیست و عموماً بر دکلهای مخابراتی متکی هستند و لذا پوشش شبکه در مکانهایی که تراکم جمعیتی کم است، ضعیف میباشد. اما در کشورهای پیشرفته، مخابرات سیار ماهوارهای به طور وسیع توسعه یافته است و از لحاظ جغرافیایی در خصوص پوششدهی، مشکل چندانی وجود ندارد.

اینترنت اشیا به عنوان یک ابزار توانمند میتواند در ایجاد شبکه هوشمند انرژی بسیار مفید عمل کند. کنتورخوانی هوشمند یکی از کاربردهای کوچک و محدود اینترنت اشیا در هوشمندسازی شبکههای انرژی است. نکته قابل توجه در همه موارد ذکر شده برای کاربرد اینترنت اشیا توجه به یک سری الزامات عمومی است. بدیهی است در کاربردهای مختلف از اینترنت اشیا، نیازمندیهای مربوط به کاربردها نیز متفاوت است


خانه | بازگشت |


مجری سایت : شرکت سیگما