با افزایش نیروگاه‌های خورشیدی، شبکه برق با چالش‌هایی مانند نوسان تولید، کنترل ولتاژ و کاهش انعطاف‌پذیری مواجه می‌شود. از این‌رو، توسعه خورشیدی بدون تقویت شبکه، ذخیره‌ساز‌ها و مدیریت مصرف، می‌تواند خود به یک چالش برای پایداری شبکه تبدیل شود.
به گزارش خبرنگار انرژی تابناک، خورشیدی شدن شبکه برق در نگاه اول یک خبر خوب است؛ سوخت کمتری مصرف می‌شود، آلایندگی کاهش می‌یابد و بخشی از برق مورد نیاز بدون سوزاندن سوخت فسیلی تولید می‌شود اما ماجرا از جایی پیچیده می‌شود که سهم خورشید در تولید برق بالا می‌رود. در آن نقطه، دیگر فقط مقدار برق تولیدشده اهمیت ندارد؛ زمان، مکان و نحوه ورود این برق به شبکه هم تعیین‌کننده می‌شود.
بیشتر بخوانیم:
نیروگاه خورشیدی تابع آفتاب است. ظهر که تابش در اوج است، تولید بالا می‌رود و همزمان ممکن است مصرف شبکه هنوز در سطح بالایی نباشد. چند ساعت بعد، خورشید در حال غروب است اما مصرف برق، به‌ویژه در روز‌های گرم همچنان ادامه دارد. در نتیجه شبکه باید در فاصله‌ای کوتاه، کاهش تولید خورشیدی را با افزایش تولید نیروگاه‌های دیگر جبران کند.
این همان پدیده معروف «Duck Curve» است؛ منحنی‌ای که نشان می‌دهد با افزایش نفوذ خورشیدی، بار خالص شبکه در میانه روز فرو می‌ریزد و در ساعات غروب با شیب تندی بالا می‌رود. بنابراین، نیروگاه خورشیدی هر چقدر بیشتر وارد شبکه شود، نیاز به نیروگاه‌ها و منابعی که قابلیت مانور سریع دارند نیز بیشتر احساس می‌شود.
اینورتر‌ها به جای ژنراتور‌های سنگین!
تغییر فقط به منحنی مصرف محدود نمی‌شود. با افزایش نیروگاه‌های فتوولتائیک، بخشی از تولید برق شبکه از ژنراتور‌های سنکرون نیروگاه‌های حرارتی به مبدل‌های الکترونیک قدرت منتقل می‌شود؛ تغییری که از منظر پایداری شبکه اهمیت زیادی دارد.
ژنراتور‌های بزرگ حرارتی به واسطه جرم دوار خود اینرسی طبیعی ایجاد می‌کنند. اینرسی در لحظه وقوع یک اختلال، مانند یک ضربه‌گیر عمل کرده و سرعت تغییر فرکانس را کاهش می‌دهد. اما نیروگاه خورشیدی ذاتاً چنین جرم دواری در مقیاس شبکه ندارد و اتصال آن به شبکه عمدتاً از طریق اینورتر انجام می‌شود.
در شبکه‌ای با نفوذ بالای منابع مبتنی بر اینورتر، خروج ناگهانی یک واحد تولیدی یا وقوع یک خطای شدید می‌تواند تغییرات فرکانس را سریع‌تر کند. البته اینجا نباید به یک برداشت ساده رسید که «خورشیدی یعنی شبکه ناپایدار». اینورتر‌های مدرن می‌توانند با قابلیت‌هایی مانند کنترل توان اکتیو و راکتیو، پشتیبانی ولتاژ، Fault Ride Through و پاسخ سریع فرکانسی، بخشی از خدماتی را که پیش‌تر از ژنراتور‌های سنکرون انتظار می‌رفت ارائه کنند؛ بنابراین چالش اصلی این است که آیا مقررات اتصال، تجهیزات کنترلی و معماری شبکه برای این تغییر آماده شده‌اند یا خیر.
شبکه توزیع و یک داستان پیچیده‌تر!
بخش دیگری از ماجرا در جایی رخ می‌دهد که معمولاً کمتر دیده می‌شود: شبکه توزیع. در ساختار سنتی، برق از پست‌های بالادست به سمت مصرف‌کننده حرکت می‌کند. اما وقتی تعداد زیادی پنل خورشیدی روی پشت‌بام خانه‌ها، ساختمان‌های تجاری یا زمین‌های کوچک نصب می‌شود، دیگر این مسیر یک‌طرفه نیست.
در یک روز آفتابی و کم‌بار، ممکن است یک فیدر توزیع بیش از میزان مصرف محلی برق تولید کند. در این شرایط، توان به سمت بالادست برمی‌گردد و همان شبکه‌ای که برای انتقال برق به مصرف‌کننده طراحی شده بود، به مسیر انتقال برق از مصرف‌کننده به شبکه تبدیل می‌شود.
این تغییر می‌تواند مسئله کنترل ولتاژ را جدی‌تر کند. افزایش ولتاژ در انتهای فیدر، تغییرات سریع ناشی از عبور ابر و نوسان تولید، همگی نیازمند کنترل دقیق‌تر هستند. اینجاست که تجهیزاتی مانند اینورتر‌های دارای قابلیت Volt/VAR Control، ترانسفورماتور‌های دارای تپ‌چنجر، تجهیزات جبران‌ساز و سامانه‌های پایش لحظه‌ای اهمیت پیدا می‌کنند. در واقع، توسعه خورشیدی فقط به نصب پنل ختم نمی‌شود؛ هر پنل جدید، بخشی از معماری شبکه را نیز تحت تأثیر قرار می‌دهد.
خورشید و یک مشکل عجیب برای شبکه!
خورشید یک مشکل عجیب برای شبکه ایجاد می‌کند: زمانی که بیشترین توان را تولید می‌کند، لزوماً همان زمانی نیست که شبکه بیشترین نیاز را دارد. راه‌حل روشن است؛ برق تولیدشده در میانه روز را برای ساعاتی که خورشید دیگر در دسترس نیست نگه داریم. اینجاست که ذخیره‌ساز‌ها وارد معادله می‌شوند.
باتری‌ها می‌توانند بخشی از تولید ظهر را ذخیره و در ساعات اوج مصرف یا هنگام افت ناگهانی تولید خورشیدی به شبکه بازگردانند. علاوه بر جابه‌جایی زمانی انرژی، ذخیره‌ساز‌ها می‌توانند در کنترل نرخ تغییرات توان، تنظیم فرکانس و ارائه خدمات جانبی نیز نقش داشته باشند.
باتری نسخه رایگان مشکلات نیست
باتری نسخه‌ای رایگان برای حل مشکلات شبکه نیست. قیمت سرمایه‌گذاری، طول عمر، تعداد چرخه‌های شارژ و دشارژ، راندمان رفت‌وبرگشت و حتی نحوه پرداخت بابت خدماتی که باتری به شبکه ارائه می‌دهد، تعیین می‌کند که این فناوری در چه مقیاسی اقتصادی باشد. به همین دلیل، توسعه ذخیره‌ساز‌ها باید همزمان با طراحی بازار برق و مقررات خدمات جانبی پیش برود. باتری زمانی ارزش واقعی خود را نشان می‌دهد که شبکه بتواند برای «انعطاف‌پذیری» آن نیز مانند انرژی تولیدشده ارزش‌گذاری کند.
مسیر آینده صنعت برق
شبکه برق تا چه اندازه می‌تواند تولید متغیر برق را جذب و مدیریت کند؟ هر چه ظرفیت خورشیدی افزایش یابد، اهمیت پیش‌بینی تولید، توسعه خطوط انتقال و شبکه توزیع، ذخیره‌سازی انرژی، مدیریت بار و نیروگاه‌های انعطاف‌پذیر نیز بیشتر خواهد شد. در چنین شرایطی، نیروگاه‌های حرارتی هم از نقش سنتی خود فاصله می‌گیرند. آنها باید بتوانند سریع‌تر وارد مدار شوند، توان خود را تغییر دهند و در ساعات افت تولید خورشیدی، شکاف ایجادشده را پر کنند.
در طرف دیگر، مصرف‌کننده نیز دیگر فقط دریافت‌کننده برق نخواهد بود؛ کنتور‌های هوشمند و برنامه‌های پاسخگویی بار می‌توانند بخشی از مصرف را به ساعات تولید بالای خورشیدی منتقل کنند. بنابراین، توسعه انرژی خورشیدی بدون توسعه همزمان «انعطاف‌پذیری» می‌تواند بخشی از ظرفیت ایجاد شده را با محدودیت بهره‌برداری مواجه کند.
اگر شبکه، ذخیره‌ساز، تولید متعارف، مدیریت مصرف و زیرساخت‌های کنترلی همزمان توسعه پیدا کنند، افزایش سهم خورشید نه تهدیدی برای شبکه، بلکه فرصتی برای بازطراحی هوشمندانه آن خواهد بود. مسیر آینده صنعت برق ساخت شبکه‌ای است که بتواند با تغییرات بیشتر، سریع‌تر و هوشمندانه‌تر کنار بیاید