نانو‌شبکه، ریز شبکه و بزرگ‌داده‌ها؛ آینده شبکه‌های برق‌رسانی

برای حدود یک قرن، روش مقرون به صرفه و قابل انجام برای تولید برق استفاده از سوخت‎های فسیلی در نیروگاه‎های بزرگ و انتقال و توزیع آن از طریق شبکه‎های به‌هم پیوسته بوده است، اما امروز با تحولات صورت گرفته این شیوه ساده در حال پیچیده‎تر شدن است. در بالای این فهرست منابع قابل دسترس، گاز طبیعی کم‌هزینه و انرژی خورشیدی قرار دارد. ژنراتورهایی که با این منابع کار می‎کنند را می‎توان خیلی نزدیک‎تر به مصرف‌کنندگان بنا کرد. در حال حاضر، ما در مراحل اولیه گسترش تولیدات قابل توزیع هستیم که نیاز به انتقال انرژی پرهزینه را از نیروگاه‎های دوردست کاهش می‎دهد. هرچند چنین اقدامی‎ می‎تواند کمک‌کننده باشد، اما کاهش هزینه انرژی‎های تجدیدپذیر و برق تولید شده از سوخت‎های فسیلی تنها چیزی نیست که موجب این تغییر می‎شود. برای رقابت تمام سیستم توزیع باید به‌خوبی کار کند. برخی پیشرفت‎های فناوری نظیر سیستم‎های کنترل پیشرفته، نیاز به فضای کمتر به‌واسطه کوچک‎تر شدن تجهيزات، هوشمندتر شدن تجهيزات، اینورتر‎های الکتریکی کارآمد، کنتورهای هوشمند برق و شکوفایی فناوری اینترنت اشیا و علم نوپای توانایی استخراج اطلاعات کاربردی از بزرگ داده‎ها در حال کار با یکدیگر هستند تا چنین هدفی به بهترین شکل محقق شود. 
طی 10 تا 20 سال آینده تولید برق بیش از گذشته غیرمتمرکز می‎شود و انرژی‎های تجدیدپذیر مثل انرژی خورشیدی و باد گسترش بیشتری پیدا خواهند کرد. اما جنبه‎های دیگر نیز تغییر می‎یابد. برای مثال، به نظر می‎رسد شبکه توزیع (بخشی از این زنجيره که خانه و محل کار شما به آن متصل می‎شود) به‌جز کار انتقال برق از مکانی به مکان دیگر وظایف دیگری هم دارد. رسیدن به یک شبکه پیچیده‎تر از این، کار چندان راحتی نخواهد بود، اما این اتفاق رخ خواهد داد. 
اولین موضوعی که باید به آن توجه کرد این است که تمرکززدایی نه کار ساده‎ای است و نه به‌صورت جهانی قابل انجام است. در برخی مناطق، تمرکززدایی با تولید برق را خود مصرف‌کنندگان که معمولاً توسط پنل‎های انرژی خورشیدی انجام می‎شود، اجرا خواهند کرد. در برخی موارد نیز ممکن است از توربین‎های بادی در مقیاس کوچک‎تر استفاده شود. در مناطقی هم که نور خورشید و باد به‌اندازه کافی وجود ندارد، احتمالاً مصرف گاز طبیعی رایج خواهد شد. 
بنا به گزارش اداره اطلاعات انرژی ایالات متحده (EIA)، در 11 ماه نخست سال 2016 بخشی از 48.82 میلیون مگاوات ساعت انرژی خورشیدی در داخل این کشور تولید شده است که افزایش 46 درصدی را نسبت به سال قبل از آن نشان می‎دهد. اگرچه اين آمار هنوز با میزان ایده‎ال فاصله زیادی دارد، اما طبق اعلام EIA در سال 2016، حدود 1.4 درصد از الکتریسیته مورد نیاز ایالات متحده از طریق پنل‎های خورشیدی تأمین شده است. تأمین انرژی از طریق خورشید به‌دلیل اقتصادی بودن آن نسبت به سایر شیوه‎های نوین، با رشد قابل ملاحظه‎ای مواجه بوده است.

شکل 1 - مجموع ظرفیت جهانی نصب و استفاده از تجهيزات خورشیدی و بادی. رشد استفاده از انرژی خورشیدی و باد سریع بوده است. این دو با یکدیگر تقريباً 10 درصد از تجهیزات نصب شده جهانی را تشکیل می‎دهند، اما تنها 4 درصد از برق مورد نیاز توسط این منابع تأمین می‌شود.

پنل‎های خورشیدی به یکی از بازیگران غالب صنعت برق تبدیل می‎شوند
بسیاری از تحلیل‎گران پیش‎بینی می‎کنند تا پایان این دهه هزینه‎های تولید انرژی خورشیدی قابل توزیع متصل به شبکه با سایر اشکال تولید برق متعارف قابل رقابت خواهد بود. کمک‎های دولتی نیز می‎تواند به رشد این رویه کمک بالایی کند. شاید در ابتدا این طور به نظر برسد که هزینه تولید برق توسط انرژی خورشیدی بیشتر از شیوه‎های مرسوم است، اما سیاست‌گذاران کم کم به این نتیجه خواهند رسید که سوزاندن سوخت‎های فسیلی به هزینه‎های اجتماعی قابل توجهی ازجمله عوارض ناشی از آلودگی محیط زیستی منجر شده است و باید فکری به حال آن کرد. اگرچه بهترین استراتژی برای جابه‌جایی این هزینه‎ها هنوز در حال بررسی است، مزایای تولید انرژی تجدیدپذیر همین حالا هم کاملاً مسجل است. داده‎های جمع‌آوری شده از پروژه خیابان پی‎کان که بودجه آن توسط وزارت نیروی ایالات متحده تأمین شده است، نشان می‎دهد که یک خانه در آستین تگزاس، مجهز شده به پنل‎های خورشیدی می‎توانست در ساعات میانی یک روز تابستانی در حدود 4 تا 5 کیلووات انرژی تولید کند که برای مصرف برق معمول این خانه در طول این مدت زمان کفایت می‎کند (شکل 2).

شکل 2 - یک خانه هوشمند به یک سیستم مدیریت انرژی مجهز خواهد شد که با در نظر گرفتن ساعات مصرف روزانه و چند عامل دیگر هزینه مصرف برق را به حداقل می‎رساند.  در آینده یک ریزشبکه با برقراری ارتباط با سیستم‎های مدیریت انرژی خانه‎ها راندمان را به حداکثر، هزینه‎ها را به حداقل و تقاضا را تنظیم خواهد کرد.

اینکه استفاده از سیستم تولید انرژی خورشیدی تا چه اندازه می‎تواند مورد استقبال مالکان خانه‎ها قرار گیرد، به عواملی ازجمله هزینه اولیه، هزینه‎های نگهداری، کمک هزینه‎های دولتی، هزینه شبکه برق و قیمت فروش برق مازاد تولیدی بستگی دارد. طرح ابتکاری که به SunShot معروف است، قصد دارد بدون دریافت کمک هزینه‎های دولتی هزینه تولید انرژی خورشیدی را تا سال 2030 به‌شکل رقابتی درآورد (یک مؤسسه دولتی چینی نیز هدفی مشابه را دنبال می‎کند). چشم‌انداز SunShot این است که تا سال 2030 هزینه‎های توزیع انرژی خورشیدی واحدهای مسکونی را از 18 سنت به‌ازای هر کیلووات ساعت به 5 سنت کاهش دهد. در حال حاضر، یک سیستم انرژی خورشیدی 6 کیلووات قابل نصب در پشت‌بام یک خانه معمولاً بین 15 تا 20 هزار دلار هزینه دارد. براساس داده‎های جمع‌آوری شده توسط EIA، متوسط ​​قیمت خرده‌فروشی الکتریسیته قابل توزیع توسط شبکه برق‌رسانی در ایالات متحده 12.5 سنت به‌ازای هر کیلووات ساعت است. بنابراین، با میانگین قیمت 18 سنت، تولید برق توسط پنل‎های خورشیدی هنوز نمی‎تواند با شبکه عمومی‎ برق‌رسانی رقابت کند. اما خیلی از دولت‎ها مثل ایالات متحده برای مقرون به صرفه‎تر شدن سیستم‎های تولید انرژی خورشیدی کمک هزینه‎هایی را برای آن در نظر گرفته‎اند.
درضمن، برخی موارد کاربردی موجود در حال جایگزینی با گزینه‎های مالکیت فردی هستند. یکی از این موارد «اجتماع انرژی خورشیدی» است که هر مصرف‌كننده تعداد کمی‎ از پنل‎های موجود در سیستم توزیع را خریداری می‎کند و هر ماه بخشی از منافع حاصل از تولید الکتریسیته را بدون نیاز به نصب این پنل‎ها روی پشت‌بام خانه خود دریافت می‎کند (نوعی مشارکت در تولید انرژی). یکی دیگر از این موارد ابتکاری توسط CPS Energy در سن آنتونیو راه‎اندازی شده است که از پنل‎های خورشیدی مستقر در پشت‌بام خانه‎ها استفاده می‎کند، با این تفاوت که خود CPS Energy مالک این تجهيزات است و برای استفاده از فضای پشت‌بام به صاحب خانه اجاره پرداخت می‎کند.

چالش‎هایی که مانع فراگیر شدن پنل‎های توزیع انرژی خورشیدی می‎شوند
یکی از چالش‎های پیش روی توزیع انرژی خورشیدی ذخیره‌سازی آن است. خیلی از مالکان پنل‎های خورشیدی از شبکه توزیع به‌عنوان راهکار ذخیره انرژی تولید شده استفاده می‎کنند. به این شكل که آن‌ها مازاد برق تولید شده خود را به شبکه توزیع می‎فروشند و در زمان مورد نیاز برای جبران کمبود خود از شبکه توزیع برق می‎خرند. این معمولاً ساده‎ترين و ارزان‎ترین روش برای ایجاد توازن بین تولید و مصرف است. از طرف دیگر، پیش‌بینی می‎شود در آینده‎ای نزدیک بتوان با استفاده از باتری‎های باکیفیت و ارزان‌قیمت مشکل ذخیره انرژی را برطرف کرد. شرکت سازنده خودروهای الکتریکی تسلا، برای مصارف خانگی یک باتری با نام Powerwall 2 ارائه کرده است که 5500 دلار قیمت دارد و می‎تواند 14 کیلووات ساعت برق ذخیره کند که برای متوسط مصرف شبانه یک خانه کافی است. اما اضافه کردن هزینه ذخیره‌سازی با باتری در یک سیستم تولید انرژی خورشیدی برای جدا شدن از شبکه توزیع برق به‌نسبت استفاده از این شبکه هزینه‎ها را خیلی بالاتر خواهد برد و فعلاً مقرون به صرفه نیست. مقايسه گزینه‎های پیش رو برای گسترش استفاده از انرژی خورشیدی سرراست و مشخص نیست، زیرا به میزان زیادی به نحوه تکامل شبکه توزیع بستگی دارد. برای مثال، در حال حاضر شبکه توزیع نمی‎تواند خود را صددرصد برای انرژی خورشیدی (حتی در مناطق آفتاب‌خیز مثل جنوب غربی ایالات متحده و بیابان‎های افریقای شمالی) تطبیق دهد. 
شبکه توزیعی که ما در حال حاضر در اختیار داریم، بیشتر اطراف منابع سوخت بنا شده است و برای گسترش آن به زمان زیادی نیاز است. تکامل شبکه توزیع از روش‎های دیگر نیز قابل انجام است. یکی از مهم‌ترین گرایشاتی که در حال شکل‌گیری است، گسترش استفاده از microgrid یا ریزشبکه‎ها است. 

ریزشبکه‎ها یک معماری از پیش برنده را پیشنهاد می‎دهند
یک ریزشبکه از مجموعه‎ای از منابع تولید و استفاده انرژی متصل به‌هم تشکیل شده است. این مجموعه می‎تواند به کوچکی یک خانه (که اغلب به‌نام nanogrid شناخته می‎شود) یا به بزرگی یک پایگاه نظامی‎ و یا دانشگاه باشد. ریزشبکه‎ها می‎توانند به‌طور نامحدود و مستقل کار کنند و اگر یک اختلال باعث بی‎ثباتی شبکه‎های توزیع بزرگ‌تر شود، می‎توانند به‌سرعت خود را از شبکه جدا کنند. این یک قابلیت مهم در زمان بروز حوادث طبیعی یا اختلال به وجود آمده توسط بشر است. حوادث طبیعی مثل طوفان‎های مهیب را در نظر بگیرید که باعث خاموشی‎های گسترده می‎شود. آمارها نشان می‎دهند که 95 درصد از نواحی که برق آن‌ها قطع می‎شود، تنها به‌دلیل آسیب دیدن کمتر از 5 درصد شبکه توزیع بوده است(شکل 3). 

شکل 3 - یک ریزشبکه مسکونی مجموعه‎ای از خانه‎هایی را که از منابع تأمین و ذخیره انرژی اختصاصی برخوردار هستند، به یکدیگر متصل می‎کند. این خانه‎ها به‌صورت بی‎سیم با یکدیگر ارتباط برقرار می‌کنند و توسط یک ترانسفورماتور توزیع به شبکه اصلی وصل می‎شوند. در صورت بروز اختلال در سیستم برق‌رسانی، یک ریزشبکه می‎تواند با قطع ارتباط با شبکه اصلی از طریق این ترانسفورماتور از خود محافظت کند.

توانایی جداسازی ریزشبکه‎ها از شبکه اصلی، امنیت سایبری را نیز افزایش می‎دهد. زیرا ریزشبکه‎ها می‎توانند به کوچک نگه داشتن محدوده نفوذ کمک کنند و باعث می‎شوند شبکه‎های برق‌رسانی هدف خوشایندی برای هکرها نباشند. وقتی حادثه‎ای رخ می‎دهد، به هر علتی که باشد، ریزشبکه‎ها می‎توانند عواقب آن را محدود کنند. اگر آسیب‌دیدگی فیزیکی نباشد، یک ریزشبکه می‎تواند تا زمانی که به منبع تأمین انرژی (چه سوخت فسیلی، خورشید یا باد) دسترسی دارد، به کار خود ادامه دهد. در بلندمدت، با در نظر گرفتن مسائل اقتصادی و مقررات فناوری، این امکان وجود دارد تا با استفاده از مجموعه‎ای از ریزشبکه‎های مجاور هم، شبکه توزیع را گسترش داد. این ریزشبکه‎های نزدیک به‌هم انرژی را با یکدیگر و شبکه اصلی به اشتراک می‎گذارند تا علاوه بر به حداکثر رساندن سطح دسترسی، هزینه تولید برق را هم به حداقل برسانند. در دوره ریزشبکه‎های مجاور هم که توسط بخش خصوصی راه‌اندازی و اداره می‎شوند، نیروگاه‎های بزرگ نیز می‎توانند به‌جای تأمین برق هرکدام از مصرف‌کنندگان، در صورت لزوم برق مورد نیاز یک ریزشبکه یا در موارد اضطراری چند ریزشبکه متصل به‌هم می‎توانند بخشی از برق مورد نیاز شبکه سراسری را فراهم کنند.

شبکه‎های تولید و توزیع رونق‌دهنده هستند
گسترش شبکه‎های تولید و توزیع و حضور ریزشبکه‎ها دو عامل دیگر را نیز رونق خواهد داد: توسعه اینترنت اشیا و رشد تأثیرات بزرگ داده‌ها. اینترنت اشیا برای شبکه‎های تولید و توزیع مزیت محسوب می‎شود، زیرا باعث رونق گرفتن صنایعی خواهد شد که در تولید انبوه حسگرها، میکروکنترلرها، نرم‌افزار و سایر ادواتی که به‌سادگی و با قیمت کم در آینده در شبکه‎های توزیع و ریزشبکه‎ها هستند، مورد استفاده قرار می‎گیرند. اما این تجهيزات چگونه مورد استفاده قرار خواهند گرفت؟ یک سیستم انرژی خورشیدی مسکونی را در آینده نزدیک تصور کنید. این مجموعه از تجهيزات مصرفی ازجمله پنل‎های خورشیدی، یک اینورتر هوشمند و یک باتری ذخیره‌سازی به‌همراه سیستم‎هایی برای مدیریت بارگذاری به‌صورت پویا برخوردار است. هر از گاهی خروجی انرژی تولید شده از این سیستم کمتر از حد معمول خواهد بود. اما با طراحی یک سیستم کنترل مبتنی بر تجهيزات موجود اینترنت اشیا که می‎تواند با سایر سیستم‎های مشابه موجود در خانه‎ها ارتباط برقرار کند، چنین مشکلاتی قابل مدیریت است. چنین سیستم‎هایی با یکدیگر ارتباط برقرار خواهند کرد و به‌ عنوان مثال می‎توان سیستم تهویه مطبوع را براساس زمان‎بندی روشن و خاموش کرد یا درجه ترموستات را تغییر داد تا کمبود غیرمنتظره در ظرفیت جبران شود. 
خیلی از مصرف‌کنندگان تمایلی به کنترل مداوم جزئیات مصرف انرژی خود ندارند. بنابراین، دستگاهی را تصور کنید كه به شما اجازه می‎دهد محدوده‎ای از دماهای مورد نظر خود را تنظیم کنید و باقی وظایف نظارتی را به‌عهده خود این دستگاه بگذارید. هرچه محدوده گسترده‎تری تعریف کنید، بهای کمتری برای مصرف انرژی پرداخت خواهید کرد. اپراتور شبکه یا ریزشبکه از این محدوده تعیین شده (توسط شما و سایر مشترکان) استفاده خواهد کرد تا به‌صورت پویا دقیقه به دقیقه میزان عرضه و تقاضا را مدیریت کند. در یک بعد از ظهر گرم که تقاضا به اوج خود می‎رسد، دمای خانه شما در بالاترین درجه‎ای که تعیین کرده بودید قرار خواهد گرفت(شکل 4).

شکل 4- یک ایستگاه فرعی توزیع از طریق مجموعه‎ای از ترانسفورماتورها و سوئیچ‎های قطع، ریزشبکه را به شبکه اصلی متصل می‎کند.

همچنین، نحوه استفاده از تجهيزات الکتریکی با استفاده از بزرگ داده‌ها بسیار کارآمدتر و بهینه‎تر خواهد شد. هرچه اطلاعات مربوط به‌میزان مصرف تعداد بیشتری از کاربران جمع‌آوری شود، تقاضای کل قابل پیش‌بینی‎تر شده و مدیریت آن بهتر انجام خواهد شد. با به‌کارگیری ابزار بزرگ داده‌ها وابستگی به ‌نحوه مصرف مشتريان کم می‌شود و می‎توان میزان توليد و مصرف را به‌منظور بهینه‌سازی کل سیستم تنظیم کرد. به عنوان مثال، در زمان اوج مصرف، اپراتور سیستم با در اختیار داشتن داده‎های آنی از وضعیت سیستم می‎تواند خطر ایجاد اختلال در آن را تشخیص دهد. در اختیار داشتن اطلاعات آماری و نحوه صحیح تجزیه و تحلیل و استفاده صحیح از آن با کمک ابزار بزرگ داده‌ها می‎تواند کمک بزرگی در بهینه‌سازی عملکرد بخش وسیعی از شبکه توزیع برق و پیش‌بینی وضعیت عملکرد آن در آینده باشد. 

چه موانعی پیش روی سیستم برق‎رسانی است؟
با وجود تمام مزایای استفاده از فناوری در سیستم برق‌رسانی موانعی ازجمله ملاحظات اقتصادی، قانون‌گذاری و فنی وجود دارد که در مجموع پیشرفت چنین تحول بزرگی را به تعویق خواهد انداخت. علاوه بر این، یک شبکه توزیع هوشمند که به تجهيزات الکترونیکی مثل کنترهای هوشمند قابل مدیریت توسط نرم‌افزار وابسته است، عمر مفید کوتاه‎تری خواهد داشت و باید دائم آن را به‎روزرسانی کرد. چالش بزرگ‌تر بعدی این است که فرآیند قانون‌گذاری با چه سرعتی می‎تواند خود را با شرایط جدید استفاده از فناوری سازگار کند؟ اگر دولت‎ها سعی کنند با اختصاص یارانه فناوری‎های منسوخ را سر پا نگه دارند چه خواهد شد؟ این‌ها همه موانع بزرگی هستند که می‎توانند فرآیند تغییر را به تأخیر بیاندازند. اما درنهایت آنچه مسلم است این است که ما در آینده به شبکه‎های برق‌رسانی دسترسی خواهیم داشت که بسیار کم‌هزینه‎تر، پایدارتر و کاربر پسندتر از سیستم فعلی عمل خواهد کرد. آکادمی‎ ملی مهندسی ایالات متحده اخیراً صنعت برق‌رسانی را در صدر دستاوردهای مهندسی قرن بیستم قرار داد. حالا این صنعت باید با مهندسی جدید خود را با نیازها و فرصت‎های قرن بیست و یکم وفق دهد.