به دنبال نوشتارهای قبل در این نوشتار به چگونگی زیرساخت‌های مربوط به انرژی و بخصوص شبکه‌ی زیرساخت انرژی برق در دوره‌ی گذار به شهر هوشمند می‌پردازیم. ابتدا با مفاهیم مرتبط با این بخش آشنا می‌شویم و پس‌ازآن به‌تفصیل راجع به این مبحث توضیح خواهیم داد.

• ژنراتورهای (مولدهای) برق[1]: امکانات موردنیاز برای تولید برق که بین مصرف‌کنندگان توزیع خواهد شد. بسته به نوع کشور، آن‌ها می‌توانند به‌صورت خصوصی یا عمومی اداره شوند. این امکانات شامل طیف گسترده‌ای از فن‌آوری‌هایی مانند باد، خورشید، هسته‌ای، گاز طبیعی، زغال‌سنگ و انرژی آبی است. آن‌ها همچنین می‌توانند با تولید گرما نیز ترکیب شوند.
• اپراتورهای (گردانندگان) سیستم‌های انتقال[2]: واحدهای مسئول انتقال انرژی در سرار یک کشور یا منطقه از طریق زیرساخت‌های انتقال مانند یک شبکه یا خطوط لوله انجام می‌شود. انرژی می‌تواند به شکل برق یا سوخت باشد. در مورد برق، سیستم‌های انتقال، اپراتورهای سیستم انتقال، ژنراتورها را با استفاده از شبکه برق به توزیع‌کنندگان محلی متصل می‌کنند.
• اپراتورهای (گردانندگان) سیستم‌های توزیع[3]:‌واحدهای مسئول توسعه، مدیریت و حفظ توزیع برق در منطقه را گویند. آن‌ها سیستم‌های انتقال را به مصرف‌کنندگان نهایی برق متصل می‌کنند.
• خدمات عمومی (رفاهی)[4]: مجموعه‌ای از خدمات اساس ارائه‌شده به مصرف‌کنندگان مانند آب، فاضلاب و یا برق است. این خدمات توسط اشخاص مسئول حفظ و نگهداری زیرساخت‌های موردنیاز برای تأمین آن‌ها و همچنین اطمینان از کیفیت و ارائه آن‌ها اداره می‌شوند.
• تولید غیرمتمرکز یا توزیع‌شده[5]: به‌عنوان تولید برق از طریق یک سری ژنراتورهای کوچک و فضایی توزیع‌شده، تعریف می‌شود که به شبکه متصل شده تا برق آن را تأمین نماید. تضاد (تقابل) اصلی تولید غیرمتمرکز یا توزیع‌شده و تولید متعارف (قراردادی) این است که به لطف توزیع فضایی خود، برق باید فاصله‌های بسیار کوتاهی را برای رسیدن به مشتری نهایی بگذارند، بنابراین کمترین هزینه انتقال را موجب می‌شود. این دستگاه‌ها اغلب از ژنراتورهای باانرژی تجدید پذیر استفاده می‌کنند که می‌توانند در مقیاس‌های کوچک مانند انرژی خورشیدی، باد یا زیست‌توده استفاده شوند و همچنین سایر سوخت‌های معمولی که مقیاس آن می‌تواند کاهش یابد مانند ذره‌ی آب.
• شبکه برق[6]: شبکه‌ای است که ژنراتورهای (مولدهای) برق، مصرف‌کنندگان، خطوط انتقال، توزیع‌کنندگان و ذخیره‌سازی برق را به یکدیگر متصل می‌کند. شبکه باید به‌دقت مدیریت شود تا این اطمینان حاصل شود که در همه‌ی زمان‌ها متعادل باشد. این بدان معنی است که برق ارائه‌شده باید در هرزمانی معادل با تقاضای فعلی باشد.
• خریدار غیرحرفه‌ای تجهیزات حرفه‌ای یا یک مصرف‌کننده‌ی آینده‌نگر که در طراحی، ساخت و توسعه یک محصول (خدمات) دخیل باشد[7]: یک نوع جدید از مصرف‌کننده‌ی برق است که هم‌زمان مولد برق (تولیدکننده‌ی برق) نیز هست. این کار یا استفاده از DG انجام می‌گیرد که مصرف‌کنندگان می‌توانند ژنراتورهای الکتریکی کوچک در منازل خود مثل جاذب انرژی خورشید را نصب نمایند، بنابراین برق را به شبکه می‌فرستند.
• سیگنال (علامت، نشان) قیمت[8]: به‌عنوان اطلاعات داده‌شده به مصرف‌کنندگان از طریق قیمت برق تعریف‌شده است که نشان‌دهنده‌ی افزایش یا کاهش عرضه یا تقاضا می‌باشد. در عمل به این معناست که قیمت‌ها با تغییر عرضه یا تقاضا تغییر خواهند کرد. (به‌عنوان‌مثال، قیمت‌ها هنگامی‌که عرضه و تقاضای زیاد وجود داشته باشد، افزایش می‌یابند.) آن‌ها به مشتریان اجازه می‌دهند که رفتار مصرفی خود را مدیریت کنند تا هزینه‌های خود را بهینه نمایند.
• تعدیل هوشمند[9]: استفاده از فناوری اطلاعات و ارتباطات برای بهینه‌سازی تعادل عرضه و تقاضا است. به‌عنوان‌مثال، این قابلیت می‌تواند به‌طور خودکار دستگاه‌ها را خاموش کند تا بارهای پیک را به تعادل رساند و یا نوسانات تقاضا را هموار کند.
• مدیریت طرف تقاضا[10]: به‌عنوان اصلاح رفتار تقاضا توسط مصرف‌کنندگان تعریف می‌شود. این مورد را می‌توان از طریق یکسری روش‌ها انجام داد. یکی از سنتی‌ترین روش‌ها، ایجاد انگیزه‌های اقتصادی برای مصرف‌کنندگان به‌منظور استفاده از انرژی کمتر در ساعات اوج مصرف می‌باشد. مثال دیگر استفاده از انرژی ذخیره‌شده برای تعدیل و برطرف نمودن وقفه از مولد باانرژی تجدید پذیر هست که اغلب با مشخصات تقاضا مطابقت ندارد. استفاده از فناوری اطلاعات و ارتباطات (ICTs) می‌تواند این فرآیند را به میزان قابل‌توجهی بهبود بخشد. با فراهم کردن داده‌های لحظه‌ای مصرفی مصرف‌کنندگان و همچنین خودکار سازی فرآیندهای مختلف در ساختمان‌ها و خانواده‌ها و صنایع با توجه به تقاضا و عرضه‌ی فوری صورت می‌گیرد.
• خدمات هوشمند سازی و یکپارچه‌سازی انرژی[11]: ادغام خدمات انرژی به زیرساخت‌های دیگر به جهت تسهیل استفاده از فناوری اطلاعات و ارتباطات را گویند. ازآنجاکه بیشتر زیرساخت‌ها و شبکه‌ها به انرژی وابسته هستند (به‌عنوان‌مثال، رفتار فاضلاب یک‌روند فزاینده‌ی انرژی است و بخش متحرک نیاز به انرژی برای روشن کردن ماشین‌ها و کنترل زیرساخت‌ها را دارد، این امکان وجود دارد که این شبکه‌ها را به شبکه‌ی انرژی متصل کنند و عملیات کارآمد از طریق استفاده از لایه‌ی داده انجام شود.

محرک‌های دوره گذار[12]:

می‌توانیم سه محرک اصلی در تحول به سمت سیستم‌های انرژی هوشمند شهری را شناسایی نماییم. محرک اول، تکامل زیرساخت‌های فنی (فنّاورانه) شهری در بخش انرژی است؛ مانند مولدهای غیرمتمرکز[13]، مولدهای تجدید پذیر[14]، تحرک الکتریکی[15]، فنّاوری مسکن[16] و سیستم‌های گرمایشی مناطق[17] است.محرک دوم، تغییرات آب و هوایی[18] و نیاز به استفاده مؤثر از منابع طبیعی است. در جهت مسئولیت شهرها در تولید تقریباً ۷۵٪ از گازهای گلخانه‌ای منتشرشده و زوال انرژی‌های اولیه، یک فشار قابل‌توجه در جهت ساختن شهرهای کارآمدتر و کمتر آلاینده به وجود آمده است. محرک سوم، دیجیتالی سازی است که به‌عنوان محرک کلیدی و وسیله‌ای در جهت تحول و تغییر به‌سوی سیستم‌های انرژی هوشمند شهری[19] عمل می‌کند.

سیر تکاملی دوره گذار[1]:

به‌طور سنتی، انرژی توسط نیروگاه‌های بزرگ تولید می‌شود، به شهرها منتقل می‌شود و سپس در بین مصرف‌کنندگانی مانند خانوارها[2]، شرکت‌ها و یا ارائه‌دهندگان خدمات[3] توزیع می‌شود. این موضوع مشابه به یک توالی خطی از تولید متمرکز به یک توزیع غیرمتمرکز است. به‌هرحال، این دیدگاه در همه مراحل زنجیره‌ی یادشده به‌سرعت در حال تغییر می‌باشد.در فرآیند تولید، ما شاهد یک تغییر از تولید متمرکز به تولید غیرمتمرکز هستیم. درحالی‌که تولید متمرکز هنوز هم وجود دارد، تولید غیرمتمرکز بر خانوارها، کارخانه‌ها و مناطقی که قادر هستند تا برق موردنیاز خود را تولید کنند سایه افکنده است و حتی آن‌ها از برق تولیدشده به شبکه‌ی توزیع نیز انتقال می‌دهند. نهایتاً به‌واسطه انرژی‌های تجدید پذیر، ما از تولید برنامه‌ریزی‌شده به تولید متناوب در حال تغییر هستیم که می‌تواند هم در موارد متمرکز و هم غیرمتمرکز دیده شود.

علاوه بر این، با توجه به این تغییر ضعیت در زنجیره‌ی تأمین انرژی، قیمت برق نیز تغییر کرده است. به‌جای قیمت ثابت، اکنون مصرف‌کنندگان سیگنال‌های قیمت پیدا می‌کنند که با توجه به عرضه و تقاضا تغییر می‌کنند. برای مثال، تولیدکنندگان برق فردی[4] می‌توانند درزمانی که قیمت‌های شبکه بالاست مورداستفاده قرار گیرند و زمانی که قیمت کاهش یافت از شبکه استفاده کنند. این امر موجب تولید نسل جدیدی از فن‌آوری‌ها شده است که می‌توانند به‌طور خودکار به موارد ذکرشده واکنش نشان دهند (مانند یخچال و فریزرها یا ماشین‌های لباسشویی هوشمند) این‌ها ویژگی‌های اصلی سیستم‌های انرژی هوشمند هستند.

لایه‌های دوره گذار[5]:

سیستم برق یکپارچه (با همه‌ی قطعات اصلی وصل شده) مانند خانوارها، شرکت‌ها، شبکه‌های توزیع و مولدها است. به‌هرحال، سیستم برق یکپارچه در یک محیط بزرگ، سیستم اجتماعی شهری (به‌عنوان‌مثال، خانوارها زباله تولید می‌کنند که می‌تواند تبدیل به انرژی شود و سپس انرژی تولیدشده به‌عنوان سوخت وسایل نقلیه استفاده می‌شود) تعریف‌شده است. تمام دیگر زیرساخت‌های شهری نیز دارای ارتباط مستقیم یا غیرمستقیم به شبکه برق هستند؛ بنابراین، گذار به‌سوی سیستم‌های انرژی هوشمند شهری بر پایه سه لایه شهر هوشمند اتفاق می‌افتد: لایه زیرساخت‌ها، لایه خدمات و لایه داده‌ها. لایه زیرساخت به معنای گذار به سمت یک شبکه هوشمند[6] است که قادر است جریان‌های متناوب و دوطرفه را هدایت و اداره نماید. لایه خدمات به معنای ایجاد خدمات مربوط به انرژی هوشمند شهری است که مصرف‌کنندگان را به مصرف‌کنندگان آینده‌نگر[7] تبدیل می‌کند. لایه خدمات پیچیدگی‌های بیشتری دارد: مصرف‌کنندگان نه‌تنها برق را خریداری می‌کنند بلکه همچنین قادر به ذخیره، مدیریت، تولید و تعادل بار مصرفی شبکه برق نیز می‌باشند و درنهایت، لایه داده همان ساختاری است که تمامی این هماهنگی‌ها را ممکن می‌سازد.

زمینه و متولیان (بازیگران) دوره گذار[8]:

برای درک چالش‌ها، ما ابتدا باید زیرساخت‌های انرژی را به زمینه و چارچوب خط‌مشی‌هایی برای افرادی که متولی (بازیگر) اصلی اداره آن‌ها هستند شکل دهیم. همان‌طور که قبلاً نیز اشاره کردیم، یکی از محرک‌های کلیدی به‌سوی زیرساخت‌های انرژی هوشمند شهری، تغییر در دیدگاه انرژی، به سمت تولید غیرمتمرکز و متناوب و تغییر قیمت به‌سوی سیگنال‌های قیمت هستیم. به‌هرحال، این محرک می‌تواند به ۴ عنصر کلیدی شکسته شود. اولین عنصر کلیدی منابع انرژی شهری جایگزین مانند تولید انرژی خورشیدی یا بادی به‌صورت محلی، حرارت زمین و انرژی‌های اتلافی (پسماند) است. دومین عنصر کلیدی مصرف انرژی‌های کارآمد است: خانه‌ها، ساختمان‌ها، کارخانه‌ها، حمل‌ونقل و میریت پسماند. موارد ذکرشده از دیگر موارد کاراتر می‌باشند. عنصر مهم سوم، شبکه نیمه فعال[9] (نیمه خاموش) و شبکه کاملاً خاموش هستند. اغلب اوقات برق تولیدشده و مصرف‌شده به‌صورت محلی، بدون مشارکت در شبکه انجام می‌گیرد. درنهایت، راه‌حل‌های جدید ذخیره‌سازی برق برای وسایل نقلیه، خانوارها و کارخانه‌ها، عنصر چهارم این محرک فناوری را تشکیل می‌دهند. همه‌ی این عناصر منجر به چالش در مدیریت زیرساخت‌های هوشمند انرژی شهری یا شبکه هوشمند می‌شوند.

اکنون‌که ما شرایط را درک می‌کنیم که این تحول در حال وقوع است، ما می‌توانیم متولیان (بازیگران) مسئول و متعهد را برای مدیریت این سیستم جدید شناسایی کنیم.اولین متولی (بازیگر) که برای ما پنهان است، مصرف‌کننده آینده‌نگر است. آن‌ها نه‌تنها برق را مصرف می‌کنند بلکه برق را تولید هم می‌کنند و قادر هستند تا هم در بخش خانوار و هم در بخش صنعت فعال باشند. در کنار آن‌ها، ما همچنین تولیدکنندگان برق متمرکز را می‌بینیم که می‌توانند به‌صورت خودجوش توسط مصرف‌کنندگان آینده‌نگر و هم توسط تولیدکنندگان به‌سادگی و به شکلی درست تولید شوند. همچنین در کنار آن‌ها، ما اپراتورهای ذخیره کننده را می‌یابیم (که اغلب می‌توانند اپراتورهای مربوط به حمل‌ونقل باشند) و حرکت پلکانی و رو به بالای توزیع‌کنندگان را می‌یابیم. مهم است در اینجا اشاره‌کنیم که توزیع‌کنندگان برق شهری در این مرحله ممکن است با شبکه خاموش و نیمه خاموش به‌طوری بازی کنند که به‌درستی با شبکه، یکپارچه و هماهنگ شوند.

در تصویر شماره ۲ شاهد حرکت پلکانی اپراتورهای سیستم انتقال هستیم. آن‌ها برق را به شهر عرضه می‌کنند و گاهی اوقات آن را درجایی خارج از شهر در مکان‌هایی مانند سد، برق را ذخیره می‌نمایند. یک پله بالاتر از انتقال، ما با تولیدکنندگان برق متمرکز مواجه هستیم. درنهایت ما با تجار (معامله گران) روبه‌رو هستیم که بین مصرف و مصرف آینده نگرانِ برق توسط لینک شدن همه‌ی متولیان (بازیگران) با یکدیگر سیال هستند. باید گفت چالش واقعی، مدیریت و هماهنگ کردن همه متولیان (بازیگران) در جای خود می‌باشد، اما اکنون با توجه به دیجیتالی سازی می‌توان آن را انجام داد. درواقع بسیاری از ای متولیان (بازیگران) می‌توانند نقش مهمی را ایفا کنند زیرا به‌عنوان کاتالیزور در دیجیتالی سازی مطرح هستند. این موضوع باعث می‌شود سیستم هوشمند انرژی شهری کار کند. ادامه‌ی این مبحث را در نوشتار آینده دنبال نمایید.

منابع

• cities and buildings, Tech. rep. UNEP.URLhttp://www.unep.org/SBC/pdfs/Cities_and_Buildingspdf
• Citizen solar power plants, Wien Energy. URL https://www.wienenergie.at/eportal3/ep/channelView.do?channelld=-517498 programld=72664#72664
•  Citizens’ solar power plants, Smart City Wien.
• Energy ahead!, Tech. rep., Stadt Wien (2015). URLhttps://www.wien.gv.at/stadtentwicklung/energieplanung/pdf/energiebericht2013-en,pdf
• Energy, UN Habitat (2012). URL http://unhabitat.org/urban-themes/energy!
• Exploratory investigation of ict integration for buildings and the electricity grid in vienna’s aspern district, Smart City Wien. URLhttps://smartcity.wien.gv.at/site/en/projekte/politik-verwaltung-ikti
• Patterer, Boutiquehotel stadthalle wien.jpg, Wikicommons (2010). URL https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=10458527
• Regional economy, OECD Stat (2015). URL http://stats.oecd.org/
• Hartmann, Vienna 2050: Ensuring quality of life through innovation – adopting the smart city wien framewok, Urban Transport (2014).
• Sondierung-ikt-integration-fuer-gebaeude-und-stromnetz-wien-aspern/ Smart city wien: Framework strategy, Tech. rep., City of Vienna (2014).
• URL https://smartcity.wien.gv.at/site/en/projekte/menschen-gesellschaft/ burgerinnen-solarkraftwerk/URLhttps://www.wien.gv.at/english/history/commemoration/science.html
• Solitander, Aspern smart city research gmbh and co kg, B2Match. URL https://www.b2match.eu/energycall2016/participants/385
• Vienna – city of science and research: Present and past.
• Vienna in figures 2015, Tech. rep., City of Vienna (2015).

پینوشت

[1] Transition Evolution

[2] Households

[3] Service Provider

[4] Individual Electricity Generators

[5] Transition Layers

[6] Smart Grid

[7] Prosumers

[8] Context and Actors of the Transition

[9] Semi-off

[1] Electricity Generators

[2] Transmission Systems Operators (TSO)

[3] Distribution Systems Operators

[4] Utilities

[5] Decentralized or Distributed Generation (DG)

[6] Electrical Grid

[7] Prosumer

[8] Price Signal

[9] Smart Balancing

[10] Demand Side Management

[11] Smart and Integrated Energy

[12] Transition Drivers

[13] Decentralized Generation

[14] Renewable Generation

[15] Electric Mobility

[16] Housing Technology

[17] District Heating

[18] Climate Change

[19] Smart Urban Energy Systems