چالش جایگزینی انرژی فسیلی با انرژی هسته ای و باد و خورشید

تصویر: مدت هاست که انرژی زغال سنگ یکی از پایه های اصلی سیستم برق است اما با کاهش قیمت گاز طبیعی، زغال سنگ سهم خود را در این رابطه از دست داده است. جان فاولر ، CC BY-SA
 
شبکه برق ایالات متحده، شبکه گسترده ای که برق را به خانه ها و مشاغل می رساند، به سرعت در حال تغییر است - نکته ای که متخصصین در آن بحث می کنند. اما این که سیاست ها چگونه باید آینده شبکه را هدایت کنند - و به طور خاص از چه منابع سوختی باید استفاده شود - یک سؤال بسیار بحث برانگیز است.
برای تأمین تقاضای برق به طور مداوم، به ترکیبی از ذخیره انرژی، کاهش مصرف برق در زمان های خاص (معروف به پاسخ تقاضا) و تولید برق سنتی "محکم" نیاز خواهیم داشت. دبیر وزارت انرژی، ریک پری، در ماه آوریل از کارمندان DOE خواست که مطالعه ای را برای ارزیابی بازارهای برق و قابلیت اطمینان آن آماده کنند، که این مطالعه در 24 اوت منتشر شد. اخبار مربوط به این بررسی باعث ایجاد رعب و وحشت در میان طرفداران انرژی خورشید و باد شد زیرا پری اهمیت انرژی هسته ای و زغال سنگ - مورد علاقه رئیس جمهور - را در حفظ قابلیت اطمینان شبکه متمایز کرده بود.
 
در پایان، این مطالعه گفت: کاهش شدید قیمت گاز طبیعی در دهه گذشته دلیل اصلی کمتر اقتصادی شدن زغال سنگ در مقایسه با گسترش انرژی باد و خورشید است. این گزارش همچنین نشان داد که باد و خورشید، که به طور متناوب نیرو را تأمین می کنند، هنوز مشکلی غیرقابل حل در عملکرد شبکه ایجاد نکرده اند.
 

درس هایی از تگزاس

واکنش ها به انتشار گزارش متفاوت بوده است و مشخص نیست که چه سیاست هایی می تواند از آن ناشی شود. اما دانشگاهیان در باره تغییرات شگرفی که در پشت صحنه شبکه رخ می دهد، مطالب زیادی نوشتند. به طور برجسته، چهار کارشناس انرژی از دانشگاه تگزاس بررسی کردند چه اتفاقی افتاد که انرژی باد در شبکه تگزاس افزایش یافت، که به ERCOT معروف شد-  و بیشتر آن در زمان فرمانداری پری بود.
 باد یک منبع متناوب است، به این معنی که نمی تواند مانند سوخت های فسیلی به صورت شبانه روزی انرژی مورد نیاز را تأمین کند.آنها گفتند که انرژی باد شبکه تگزاس را خراب نکرد زیرا این ایالت این اصلاحات را صورت داد که چگونه بازارهای عمده فروشی انرژی خود را اداره کند. بله، اپراتورهای شبکه برای جبران انرژی متغیر باد و خورشید باید به نیروگاه های گاز طبیعی بیشتر اتکا می کردند ، اما قیمت عمده فروشی انرژی کاهش یافته بود. آنها نوشتند:
 
"تحقیقات در UT آستین نشان می دهد که در حالی که نصب مقادیر قابل توجهی از انرژی خورشیدی باعث افزایش هزینه های سالانه مدیریت شبکه تا 10 میلیون دلار در ERCOT می شود، هزینه های عمده فروشی برق سالانه را 900 میلیون دلار کاهش می دهد. نتیجه همه این ها این است که انرژی های تجدید پذیر با منابع متداول نیرو رقابت می کنند، اما تقریباً به اندازه ای که گاز طبیعی ارزان جایگزین زغال سنگ می شود جایگزین آن نمی شوند. در حقیقت، گاز ارزان به طور متوسط ​​بیش از دو برابر انرژی های تجدید پذیر، جایگزین زغال سنگ می شود. "
کاهش شدید قیمت گاز طبیعی در دهه گذشته دلیل اصلی کمتر اقتصادی شدن زغال سنگ در مقایسه با گسترش انرژی باد و خورشید است.  
تصویر: تگزاس مجبور بود یاد بگیرد که چگونه با افزایش انرژی باد دست و پنجه نرم کند، اما این قیمت ها را کاهش می دهد و انرژی کم کربن بیشتری را به شبکه برق ایالت وارد می کند. Daxis، CC BY-ND
پذیرش باد در یک کشور به توسعه و رشد صنعت کمک می کند به گونه ای که باد در سایر کشورها ارزان می شود. اپراتورهای نیروگاه هسته ای گزارش DOE را تشویق کردند زیرا به نقش اساسی انرژی هسته ای در شبکه فعلی اشاره کرده و بررسی سریع تر برای ساخت نیروگاه جدید را توصیه می کند. اما آیا دولت فدرال برای ادامه کارکرد نیروگاه های هسته ای، همان طور که نیویورک در یک مورد انجام داده، یارانه می دهد؟
 
آرتور موتا، استاد مهندسی هسته ای استدلال کرد که سیاست ها باید این واقعیت را تشخیص دهند که انرژی هسته ای قابل اعتماد است و در هنگام بهره برداری هیچ انتشار سوزانی ندارد.
 
"یارانه دادن به منابع عاری از کربن برای تأمین منافع بیشتر کشور در آینده قابل توجیه است زیرا آنها موجب تغییرات خوب آب و هوایی و منافع هوای پاک می شوند. به گونه ای وارونه، آژانس حفاظت از محیط زیست ایالات متحده و اکثر ایالت ها از در نظر گرفتن پاداش مزایای مشابه از نیروگاه های هسته ای موجود خودداری می کنند. "
 
از طرف دیگر، پیتر بردفورد از دانشکده حقوق ورمونت و یکی از اعضای سابق کمیسیون تنظیم مقررات هسته ای گفت که انرزی هسته ای همیشه برای اقتصادی بودن تلاش کرده و سیاست های حمایت از انرژی هسته ای برای مصرف کنندگان هزینه دارد. او نوشت:
 بسیاری از پیشرفت های فناوری باد در سال های اخیر مربوط به تولید انرژی بیشتر در هنگام ضعف باد بوده است."تولید کنندگان انرژی هسته ای خواهان قرارداد های دولتی بلند مدت یا سایر سازوکارهایی هستند که مشتریان را ملزم می کند برق را از واحدهای مشکل دار آنها با قیمت های بسیار بالاتر از آن چه در غیر این صورت پرداخت می کنند خریداری کنند. ارائه چنین پشتیبانی بی پایانی باعث نفی چندین روند عمده انرژی که در حال حاضر به نفع مشتریان و محیط زیست است خواهد شد. "
 

برنامه ریزی دقیق

منطق گفته شده در پشت این مطالعه این بود که شبکه ایالات متحده باید اطمینان حاصل کند که از منابع برق "بار پایه" برخوردار است که می توانند به صورت شبانه روزی کار کنند، همان طور که نیروگاه های هسته ای، زغال سنگ و گاز طبیعی می توانند کار کنند. و مطالعه DOE یادآور می شود که مطالعه آن چه بر اثر نفوذ عمیقتر خورشید و باد اتفاق می افتد ارزش دارد زیرا در آینده می توانند باعث ایجاد قابلیت اطمینان شوند.
 
کالیفرنیا پیشتاز این تغییر است. اریک دانیل فورنیر و الکس ریکلفز، محققانUCLA ، هنگام خاموش کردن آخرین نیروگاه هسته ای خود، توضیح دادند که این کشور برای دستیابی به اهداف تجدید پذیر تهاجمی خود به تعدادی تکنیک از جمله ذخیره انرژی نیاز دارد. آنها نوشتند:
 هزینه های باد از آن چه اقتصاد دانان منحنی یادگیری می نامند پیروی می کند."برای اطمینان از نصب سیستم های ذخیره انرژی برای به عهده گرفتن وظایف پایه ای که در حال حاضر توسط گاز طبیعی و انرژی هسته ای انجام می شود، برنامه ریزی دقیق لازم است، زیرا ممکن است انرژی های تجدید پذیر و بهره وری انرژی نتوانند بار را تحمل کنند. "
 
لوکاس دیویس از دانشگاه کالیفرنیا برکلی نوشت در همین حال، آینده زغال سنگ هنوز به خصوص درخشان به نظر نمی رسد - حداقل در ایالات متحده. او می نویسد:
 
"این تغییر چشمگیر به معنای ده ها هزار شغل از دست رفته در زغال سنگ است، که بسیاری از مشکلات دشوار اجتماعی و سیاسی را برای جوامع زغال سنگ ایجاد می کند. اما این یک مزیت صریح برای محیط محلی و جهانی است. اکنون سؤال این است که آیا این روند در ایالات متحده و مهم تر از همه در اقتصادهای با رشد سریع در سراسر جهان ادامه خواهد یافت؟ "
انرژی های تجدید پذیر با منابع متداول نیرو رقابت می کنند، اما تقریباً به اندازه ای که گاز طبیعی ارزان جایگزین زغال سنگ می شود جایگزین آن نمی شوند.  
تصویر: همزمان با نصب بیشتر توربین های بادی، هزینه انرژی باد کاهش یافته است. Dad of T&S CC BY-NC-SA
 
امید زیادی به انرژی های تجدید پذیر وجود دارد که می توانند با تأمین آب و هوای پایدارتر، امنیت بهتر انرژی، و آلودگی کمتر به جامعه کمک کنند. اقدامات دولت این امیدها را از طریق سیاست های ارتقاء انرژی تجدید پذیر منعکس می کند. در ایالات متحده از سال 1992 یارانه ای فدرال برای ارتقاء انرژی باد در نظر گرفته شده است و بسیاری از ایالت ها برای استفاده از برخی از انرژی های تجدید پذیر هم اکنون به صنایع همگانی برق نیازمند شده اند.
 گروه های مختلف از نتایج مشابه نتایج متناقضی می گیرند، اما هیچ کس در درک دلیل به وجود آمدن این اختلافات کار نمی کند.اما چه موقع زمان مناسب برای متوقف کردن حمایت دولت از یک فناوری انرژی است؟
 
این یک سؤال به موقع است: وزارت انرژی Rick Perry در حال حاضر در حال کار بر روی یک گزارش در مورد قابلیت اطمینان شبکه است که بسیاری انتظار دارند در آن بحث روی این باشد که باد و خورشید باعث ایجاد مشکلات قابلیت اطمینان می شوند زیرا به طور مداوم برق را تأمین نمی کنند. از نتیجه گیری ای شبیه این می توان برای توجیه حذف یارانه های دولتی یا مقررات مورد علاقه سایر منابع انرژی استفاده کرد.
 
یارانه ها برای همیشه دوام ندارند - می تواند زمانی برسد که هدف آن محقق شده باشد یا تجربه نشان دهد که یارانه دیگر آن طور که در نظر گرفته شده کار نمی کند.
 
آیا زمان پایان دادن به یارانه های باد فرا رسیده است؟ بخش عمده ای از پاسخ به این سؤال در این است که آیا یارانه ها واقعاً باد را ارزان می کنند؟
یارانه دادن به یک فناوری در حال ظهور که در کاهش هزینه ها مشکل دارد ممکن است ناکارآمد باشد.

چرا به فناوری انرژی یارانه می دهیم

توجیه یارانه دادن به یک فناوری معین این است که مزایای عمومی آن بیشتر از هزینه یارانه است. اگر یک فناوری، نوید بخشِ این باشد که به اندازه کافی ارزان می شود، می توان یارانه را محرکی موقت دانست تا به نقطه ای برسد که بتواند روی پای خود بایستد.
 
به عنوان مثال، در اوایل صنعت نیمه هادی، مدارهای مجتمع برای بازارهای مصرف بسیار گران بودند. تقاضای دولت برای کاربردهای نظامی پلی اساسی برای کاهش هزینه ها و فعال سازی بازارهای گسترده تر بود.
 
از طرف دیگر، یارانه دادن به یک فناوری در حال ظهور که در کاهش هزینه ها مشکل دارد ممکن است ناکارآمد باشد. برای دهه هاست که دولت ایالات متحده یارانه تولید اتانول ذرت را صادر کرده یا آن را مجاز دانسته است. با این حال، اتانول هنوز هم در بازار نمی تواند رقابت کند، حداقل با قیمت های اخیر نفت خام.
توجیه یارانه دادن به یک فناوری معین این است که مزایای عمومی آن بیشتر از هزینه یارانه است.

'منحنی یاد گیری' انرژی باد

قیمت انرژی باد طی سال های گذشته کاهش یافته است، اما نهایتاً چقدر می تواند ارزان شود؟ مجموعه پاسخ های متنوع و شگفت آور مختلفی برای این سؤال وجود دارد. بیش از 100 مطالعه موجود در مورد روند هزینه های باد وجود دارد، با نتایج مختلفی از گران تر شدن انرژی باد به مرور زمان تا به سرعت ارزان تر شدن آن به گونه ای که به زودی ارزان تر از سوخت های فسیلی می شود. به اندازه کافی عجیب است که در حالی که محققان اخیراً شروع به یادآوری تفاوت بین مطالعات کرده اند، هنوز کسی در توضیح و کاهش چنین تنوعی اقدامی عملی نکرده است. متأسفانه، این یک وضعیت مشترک در بسیاری از حوزه های تحقیقاتی است: گروه های مختلف از نتایج مشابه نتایج متناقضی می گیرند، اما هیچ کس در درک دلیل به وجود آمدن این اختلافات کار نمی کند.
 
در مقاله ای اخیر، ما تلاش کردیم تا با یافتن الگوهایی در روندهای تاریخی، کاهش هزینه های انرژی باد را بهتر درک کنیم.
 
هزینه های باد از آن چه اقتصاد دانان منحنی یادگیری می نامند پیروی می کند: به ازای هر دو برابر شدن تولید باد، هزینه به اندازه ثابت یک درصد کاهش می یابد. به عنوان مثال، اگر قیمت برق حاصل از باد با تعداد معینی از مزارع بادی 10 سنت در هر کیلو وات ساعت باشد، یک "نرخ یادگیری" 10 درصد به این معنی است که اگر کسی تعداد مزارع بادی را دو برابر کند برق حاصل از باد 10 درصد کمتر می ارزد یا 9 سنت برای هر کیلو وات ساعت.
 امید زیادی به انرژی های تجدید پذیر وجود دارد که می توانند با تأمین آب و هوای پایدارتر، امنیت بهتر انرژی، و آلودگی کمتر به جامعه کمک کنند.یافته اصلی ما این بود که نرخ یادگیری برای انرژی باد در محدوده 7.7 تا 11 درصد است. این بدان معناست که اگر نیروی باد بیشتری نصب شود و هزینه انرژی همچنان مانند سال های اخیر کاهش یابد، هزینه تولید برق از باد از 5.5 سنت / کیلووات ساعت امروز به 4.1-4.5 سنت / کیلووات ساعت در سال 2030 کاهش خواهد یافت.
 
مطالعات قبلی میزان یادگیری را از منفی سه درصد تا مثبت سی و سه درصد به دست آورده بودند که علامت منفی نشان می دهد باد به مرور گران، و نه ارزان، می شود. چرا نتایج بسیار متفاوت است؟ ما نشان دادیم که بسته به روش و دامنه داده استفاده شده می توان نتایج بسیار متفاوتی را به دست آورد.
 
اول، ما معتقدیم که مهم است که هزینه های باد را از نظر هزینه کل تولید برق محاسبه کرد. بسیاری از مطالعات قبلی هزینه باد را به عنوان قیمت ایجاد ظرفیت تولید برق در زمان اوج باد اندازه گیری می کردند. اما این اقدام ضعیفی است زیرا بسیاری از پیشرفت های فناوری باد در سال های اخیر مربوط به تولید انرژی بیشتر در هنگام ضعف باد بوده است.
 
ثانیاً، مهم است که از انرژی باد به عنوان یک صنعت جهانی استفاده کنیم. پذیرش باد در یک کشور به توسعه و رشد صنعت کمک می کند به گونه ای که باد در سایر کشورها ارزان می شود. مدل سازی پذیرش باد، تنها در یک کشور، می تواند نتایج را منحرف کند.
 همزمان با نصب بیشتر توربین های بادی، هزینه انرژی باد کاهش یافته است.سرانجام، نتایج به شدت به دامنه تاریخ داده های استفاده شده بستگی دارد. حتی با یک روش یکسان، میزان یادگیری تخمینی بسته به این که شما از چه سالی از داده استفاده می کنید، می تواند تا 10 درصد تغییر کند.
 

یارانه دادن یا یارانه ندادن؟

بنابراین اگر هزینه های باد، همان طور که دریافتیم، در سال 2030 به 4.1-4.5 سنت / کیلو وات ساعت کاهش یابد این برای یارانه های باد چه معنایی دارد؟ آژانس اطلاعات انرژی ایالات متحده پیش بینی می کند هزینه گاز طبیعی و انرژی زغال سنگ در سال 2030 به ترتیب 4.5 و 5 سنت در هر کیلو وات ساعت باشد. با در نظر گرفتن این اعداد به ارزش اسمی، باد در مسیر ارزان تر شدن از سوخت های فسیلی به عنوان یک منبع برق است.
 مطالعه آن چه بر اثر نفوذ عمیقتر خورشید و باد اتفاق می افتد ارزش دارد زیرا در آینده می توانند باعث ایجاد قابلیت اطمینان شوند.با این حال، در اطمینان کردن بیش از حد به پیش بینی ها باید محتاط بود. فناوری ها و قیمت سوخت می توانند جهت های غیر قابل پیش بینی داشته باشند. همچنین، باد یک منبع متناوب است، به این معنی که نمی تواند مانند سوخت های فسیلی به صورت شبانه روزی انرژی مورد نیاز را تأمین کند. این متناوب بودن هزینه ای اضافی را تحمیل می کند که پیش بینی آن بسیار دشوار است.
 
همچنین ارزان بودن به معنای این نیست که به زودی قادر خواهیم بود به سمت 100 درصد تأمین انرژی توسط باد برویم. برای تأمین تقاضای برق به طور مداوم، به ترکیبی از ذخیره انرژی، کاهش مصرف برق در زمان های خاص (معروف به پاسخ تقاضا) و تولید برق سنتی "محکم" نیاز خواهیم داشت.
 
به این ترتیب، گذشته مسیری را نشان می دهد که در آن باد از نظر اقتصادی با سوخت های فسیلی رقابت می کند. مطالعه ما نشان می دهد که سیاست های پشتیبانی مانند اعتبار مالیاتی تولید در حال حاضر به کاهش هزینه های باد کمک می کند. بدین ترتیب، انتظار می رود که یارانه های مداوم، انتقال نرم تر و ارزان تر به سیستم انرژی پایدار را امکان پذیر سازد.
 انرژی هسته ای قابل اعتماد است و در هنگام بهره برداری هیچ انتشار سوزانی ندارد.
منبع: مارتین لا مونیکا، The Conversation (US edition)، اریک ویلیامز، اریک هیتینگر، Rochester Institute of Technology