بررسی پتانسیل انرژی بادی فراساحلی

ساعت 24 - گذار از سوخت‌های فسیلی به انرژی‌های تجدیدپذیر مستلزم ایجاد تعادل میان مقرون‌به‌صرفه بودن، امنیت و پایداری است. بسیاری از کشورها به واردات انرژی وابسته‌اند که آن‌ها را در برابر نوسانات ژئوپلیتیکی و بازار آسیب‌پذیر می‌کند. برای کشورهایی که منابع انرژی داخلی محدودی دارند، این وابستگی می‌تواند منجر به کاهش امنیت انرژی، نوسانات قیمت، و بی‌ثباتی سیاستی شود.

بنابراین، توسعه منابع انرژی تجدیدپذیر در داخل کشور برای افزایش استقلال انرژی و دستیابی به اهداف انتشار خالص صفر ضروری است. کمبود زمین چالش دیگری در استقرار گسترده انرژی‌های تجدیدپذیر مستقر در خشکی، مانند نیروگاه‌های خورشیدی فتوولتائیک و مزارع بادی، محسوب می‌شود. بسیاری از کشورهایی که با محدودیت زمین مواجه هستند، برای استفاده از زمین‌های موجود با توسعه شهری، کشاورزی و مناطق طبیعی در رقابت هستند، که این امر توسعه تجدیدپذیرهای مقیاس بزرگ را دشوار می‌کند. تراکم بالای جمعیت در بسیاری از کشورهای صنعتی این چالش را تشدید کرده و انرژی بادی فراساحلی را به یکی از معدود گزینه‌های باقی‌مانده برای تولید انرژی تجدیدپذیر در مقیاس بزرگ تبدیل کرده است. انرژی بادی فراساحلی فرصتی منحصربه‌فرد ارائه می‌دهد که از فضای دریایی کم‌استفاده‌شده بهره می‌برد، رقابت بر سر زمین را کاهش می‌دهد، و تولید انرژی پایدار را فراهم می‌کند. انرژی بادی فراساحلی به دلیل برخورداری از سرعت باد قوی‌تر و پایدارتر در دریا نسبت به مناطق خشکی، منبعی قابل‌اطمینان‌تر برای تولید انرژی محسوب می‌شود. علاوه بر این، مزارع بادی فراساحلی می‌توانند در فاصله بیشتری از ساحل مستقر شوند، که این امر به کاهش نگرانی‌های زیبایی‌شناختی و تعارضات کاربری زمین مرتبط با مزارع بادی مستقر در خشکی کمک می‌کند. ژاپن، به‌عنوان پنجمین تولیدکننده بزرگ انتشار گازهای گلخانه‌ای در جهان، به دلیل وابستگی شدید به سوخت‌های وارداتی (۸۹ درصد از تقاضای اولیه انرژی) با خطرات جدی امنیت انرژی مواجه است. محدودیت‌های جغرافیایی این کشور توانایی آن را در توسعه پروژه‌های تجدیدپذیر مقیاس بزرگ در خشکی محدود کرده و نیاز به استراتژی‌های جایگزین برای تنوع‌بخشی به انرژی را ضروری ساخته است. درحالی‌که به صورت تاریخی انرژی هسته‌ای نقشی در امنیت انرژی ژاپن ایفا کرده است، نگرانی‌های عمومی پس از حادثه نیروگاه هسته‌ای فوکوشیما در 2011، باعث افزایش حساسیت نسبت به گسترش این منبع انرژی شده است. درنتیجه، انرژی بادی فراساحلی به‌عنوان یکی از گزینه‌های اصلی برای مقابله با چالش‌های انرژی ژاپن مطرح شده است. مطالعات متعددی عمدتاً به ارزیابی پتانسیل انرژی بادی فراساحلی در ژاپن پرداخته‌اند، اما بسیاری از آن‌ها صرفاً بر جنبه‌های نظری و فنی تمرکز داشته و امکان‌سنجی اقتصادی و چالش‌های یکپارچه‌سازی را در نظر نگرفته‌اند. این گزارش با بهره‌گیری از مدل‌سازی پیشرفته سیستم‌های انرژی، به دنبال ارائه ارزیابی جامع‌تری است که امکان‌سنجی اقتصادی و تاثیر استقرار انرژی بادی فراساحلی را بررسی کند. با تحلیل سناریوهای مختلف سیاست‌گذاری، این مطالعه ارزیابی می‌کند که انرژی بادی فراساحلی چگونه می‌تواند در بهبود امنیت انرژی، کاهش هزینه‌ها و کربن‌زدایی شبکه برق نقش ایفا کند. مروری بر روش شناسی این مطالعه از ارزیابی منابع مبتنی بر سامانه اطلاعات جغرافیایی (GIS)، مدل‌سازی سیستم قدرت، و تحلیل سناریوهای سیاستی برای ارزیابی پتانسیل انرژی بادی فراساحلی بهره می‌برد. روش‌های به‌کار گرفته‌شده شامل موارد زیر است: ارزیابی منابع انرژی بادی فراساحلی این مطالعه از داده‌های جغرافیایی و شبیه‌سازی‌های باد برای شناسایی مکان‌های مناسب انرژی بادی فراساحلی استفاده می‌کند. معیارهای حذف مانند محدودیت‌های زیست‌محیطی، مناطق ماهیگیری و نواحی نظامی در نظر گرفته شده‌اند تا مکان‌های قابل‌قبول برای استقرار انرژی بادی فراساحلی تعیین شوند. مدل‌سازی سیستم قدرت برای یکپارچه‌سازی بهینه انرژی بادی فراساحلی در سیستم برق ژاپن، از مدل SWITCH-Japan استفاده می‌شود. این مدل متن‌باز برای برنامه‌ریزی ظرفیت توسعه به‌کار گرفته شده و هزینه‌های سیستم در عین در نظر گرفتن محدودیت‌های شبکه، کاهش انتشاردی‌اکسید کربن به حداقل می‌رساند. تحلیل سناریوهای سیاستی چهار سناریو مورد بررسی قرار می‌گیرند که هر سناریو از نظر هزینه، نرخ خودکفایی انرژی، و تغییرات کاربری زمین مورد ارزیابی قرار می‌گیرد: - سناریوی روال معمول: استقرار محدود انرژی بادی فراساحلی با وابستگی زیاد به واردات هیدروژن و زیست‌توده. - سناریوی کمترین هزینه: توسعه حداکثری انرژی‌های تجدیدپذیر برای دستیابی به امنیت انرژی با کمترین هزینه. - سناریویRE100 : حذف تدریجی انرژی هسته‌ای و اتکاء کامل به انرژی‌های تجدیدپذیر. - سناریوی منابع محدود در خشکی: کاهش استفاده از زمین برای انرژی خورشیدی و بادی مستقر در خشکی و اولویت دادن به انرژی بادی فراساحلی.

این مطالعه پتانسیل قابل‌توجه انرژی بادی فراساحلی را در تقویت امنیت انرژی ژاپن، کاهش هزینه‌ها و افزایش پایداری زیست‌محیطی برجسته می‌کند. با ظرفیت تولید کل ۲۲۲۰ گیگاوات و ضریب ظرفیت 35/0 یا بیشتر، منابع انرژی بادی فراساحلی ژاپن از کل نیاز مصرف انرژی کشور فراتر می‌روند. بهترین سایت‌های انرژی بادی فراساحلی در شمال و شرق ژاپن، از جمله هوکایدو ، توهوکو و توکیو قرار دارند. با اتخاذ انرژی بادی فراساحلی، نرخ خودکفایی انرژی (SSR) ژاپن در سناریوهای مختلف سیاستی به میزان قابل‌توجهی افزایش می‌یابد: • سناریوی روال معمول منجر به SSR نزدیک به56 درصد می‌شود. • سناریوی کمترین هزینه آن را به ۸۹ درصد افزایش داده و هزینه‌های سیستم را ۴۰ درصد کاهش می‌دهد. • سناریوی RE100، که شامل حذف تدریجی انرژی هسته‌ای است، بالاترین SSR یعنی ۹۸ درصد را به دست می‌آورد، اما هزینه کل را 3/2 درصد افزایش می‌دهد. • سناریوی منابع محدود در خشکی SSR را ۸۹ درصد افزایش داده و در عین حال مصرف زمین را به حداقل می‌رساند. نقش انرژی بادی فراساحلی در تولید هیدروژن این مطالعه همچنین به نقش بالقوه انرژی بادی فراساحلی در تولید هیدروژن داخلی تاکید دارد. ژاپن تنها با استفاده از ۱۰ درصد ظرفیت انرژی بادی فراساحلی خود می‌تواند هیدروژن کافی برای کاهش وابستگی به واردات تولید کند. مقایسه هزینه‌ها نشان می‌دهد که استقرار انرژی بادی فراساحلی در نزدیکی مراکز بارگذاری اصلی مانند توکیو و منطقه چووبو هزینه‌های گذار را کاهش می‌دهد، درحالی‌که فناوری بادی شناور امکان توسعه در آب‌های عمیق‌تر را فراهم می‌کند. چالش‌های زیرساختی و سیاست‌گذاری با این حال، استقرار در مقیاس بزرگ انرژی بادی فراساحلی مستلزم گسترش چشمگیر زیرساخت‌ها، از جمله: • توسعه بنادر برای پشتیبانی از تجهیزات بادی فراساحلی • شبکه‌های انتقال برق برای یکپارچه‌سازی با سیستم قدرت • راه‌حل‌های ذخیره‌سازی انرژی فصلی مانند هیدروژن و باتری‌ها • حل چالش‌های مقرراتی و پذیرش عمومی برای اطمینان از ادغام موفق انرژی بادی فراساحلی در چشم‌انداز انرژی ژاپن.

نکات کلیدی و پیامدهای سیاستی • تسریع در توسعه انرژی بادی فراساحلی هزینه‌های برق را به‌طور قابل‌توجهی کاهش داده و استقلال انرژی را بهبود می‌بخشد. • تولید هیدروژن از انرژی بادی فراساحلی جایگزینی عملی برای واردات هیدروژن در مسافت‌های طولانی است. • گسترش زیرساخت‌ها (شامل بنادر، خطوط انتقال و ذخیره‌سازی انرژی) برای ادغام انرژی بادی فراساحلی ضروری است. • پذیرش عمومی و تنظیمات مقرراتی چالشی اساسی در توسعه انرژی بادی فراساحلی محسوب می‌شود. • تحقیقات آینده باید بر بهینه‌سازی انرژی بادی فراساحلی برای کربن‌زدایی کل اقتصاد، از جمله بخش‌های صنعتی و حمل‌ونقل، تمرکز کند. • انرژی بادی فراساحلی یک فرصت استراتژیک برای کشورهایی است که با چالش‌های امنیت انرژی به دلیل محدودیت زمین و سوخت مواجه هستند. این مطالعه نشان می‌دهد که ادغام انرژی بادی فراساحلی می‌تواند هزینه‌های انرژی را کاهش داده، خودکفایی را افزایش داده و از تولید هیدروژن حمایت کند. با این حال، استقرار در مقیاس بزرگ انرژی بادی فراساحلی نیازمند چارچوب‌های سیاستی قوی، سرمایه‌گذاری در زیرساخت‌ها و پذیرش عمومی است. با حرکت ژاپن و سایر کشورها به سوی آینده‌ای بدون کربن، انرژی بادی فراساحلی به‌عنوان یک فناوری کلیدی در پایداری بلندمدت انرژی نقش‌آفرینی خواهد کرد.

دانشکده مهندسی انرژی دانشگاه شریف