معمای برق خورشیدی در ایران و تجربه آلمان

بشر در اواخر قرن 19 كشف كرد كه تابش نور خورشید به عنصر سلنیوم به تولید جریان الكتریسیته منجر می‌شود. چند سال بعد یعنی در سال 1883 اولین ایده‌های ساخت پنل خورشیدی با استفاده از همین عنصر شكل گرفت و نهایتا سال 1954 اولین سلول فتوولتاییك سیلیكونی به عنوان نخستین سلول خورشیدی كه می‌توانست برق كافی برای یك وسیله برقی تولید كند، ساخته شد. از آن سال به بعد، سلول‌های خورشیدی جای خود را در بخش‌های مختلف باز كرده و حتی به فضا هم راه پیدا كردند و امروز استفاده از انرژی خورشیدی به عنوان یك گزینه پاك برای جایگزینی شیوه‌های آلاینده تولید برق مطرح است. آلمان یكی از كشورهای پیشرو در استفاده از انرژی خورشیدی است و بررسی تجربه این كشور در استفاده از پنل‌های خورشیدی می‌تواند برای ما بسیار آموزنده باشد. این كشور در اوایل دهه 2000 میلادی یكی از كشورهای پیشرفته در تولید برق خورشیدی بود. شركت‌های q-cells و solarworld از جمله شركت‌هایی بودند كه در این كشور پنل خورشیدی تولید می‌كردند. البته این شركت‌ها در طول زمان تولید خود را به خارج از آلمان انتقال داده و پس از مدتی به دلیل مشكلات مالی توسط شركت كره‌ای hanwha خریداری شدند.

توقف تولید پنل‌های خورشیدی در آلمان

ورود چین به عرصه تولید پنل‌های خورشیدی و ناتوانی آلمان در رقابت با این كشور به دلیل هزینه انرژی و دستمزد بالا، باعث شد این كشور تولید پنل خورشیدی را به خارج منتقل كند. چین پس از مدتی بازار جهانی را با پنل‌های ارزان‌تر اشباع و توان رقابت را برای شركت‌های آلمانی بسیار سخت كرد. این وضعیت در كنار تغییر در سیاست‌های حمایتی آلمان و كاهش سودآوری تولید پنل، تقریبا باعث توقف تولید در آلمان شد. انرژی‌بر بودن تولید پنل یكی از دلایل از دست رفتن توان رقابتی شركت‌های آلمانی بود. به بیان دقیق‌تر تولید پنل‌های خورشیدی، به‌ویژه سلول‌های سیلیكونی كریستالی، فرآیندی انرژی‌بر است كه شامل مرحله استخراج سیلیكون خام، خالص‌سازی برای استفاده در پنل، برش نازك سیلیكون خالص و تولید ویفر، پردازش و پوشش ویفرها با اتصالات الكتریكی و قرار دادن سلول‌های خورشیدی در پوشش شیشه‌ای و مواد محافظ می‌شود. طی شدن تمام این مراحل به انرژی بسیار زیادی نیاز دارد. البته امروز با پیشرفت فناوری، مصرف انرژی در این فرآیند كاهش یافته و زمان بازگشت انرژی، بسته به محل و مقیاس تولید به یك تا چهار سال رسیده است.

12 درصد برق آلمان خورشیدی است

جدا از بحث تولید پنل‌های خورشیدی، امروز آلمان خود یكی از مصرف‌كنندگان بزرگ انرژی خورشیدی است. این كشور در سال 2022 حدود 12 درصد از برق مصرفی سالانه خود را با انرژی خورشیدی تأمین كرد. با وجود این میزان تولید برق خورشیدی، اما این كشور همچنان با چالش‌هایی مانند ادغام برق تولیدی در شبكه و ذخیره‌سازی مازاد انرژی مواجه است.

همانطور كه اشاره شد آلمان در بخش انرژی تجدیدپذیر با چالش ذخیره‌سازی مواجه است. این كشور از روش‌های مختلفی برای ذخیره‌سازی برق و متعادل‌سازی نوسانات تولید انرژی‌های تجدیدپذیر استفاده می‌كند. یكی از این روش‌ها، نیروگاه‌های تلمبه‌ای ذخیره‌ای است كه در آن آب به مخازن مرتفع پمپ شده و در زمان نیاز برای تولید برق استفاده می‌شود. این روش یكی از موثرترین روش‌های ذخیره‌سازی محسوب می‌شود. باتری‌های ذخیره‌سازی یكی دیگر از روش‌های مورد استفاده در آلمان است. در این شیوه، سیستم‌های باتری بزرگ كه توسط شركت‌هایی مانند تسلا و برخی شركت‌های آلمانی توسعه یافته‌اند؛ برای متعادل‌سازی نوسانات كوتاه‌مدت شبكه استفاده می‌شوند. تبدیل برق اضافی به هیدروژن یا متان كه بعدا می‌توان از آن برای تولید انرژی استفاده كرد هم یكی دیگر از شیوه‌های ذخیره‌سازی در آلمان است. به این روش تبدیل برق به گاز (power-to-gas) گفته می‌شود. ذخیره‌سازی گرمایی هم یكی از شیوه‌هاست كه در آن برق اضافی به گرما تبدیل و بعدا از آن برای تولید برق یا در سیستم‌های گرمایش شهری استفاده می‌كنند.

بدون توسعه ذخیره‌سازها، تكیه بر انرژی‌های تجدیدپذیر ممكن نیست

موضوع مهم درباره توسعه ذخیره‌سازها در آلمان این است كه اگر این روش‌های پیشرفته وجود نداشت؛ تكیه این كشور به انرژی‌های تجدیدپذیر بسیار دشوار می‌شد. چون همه اشكال انرژی‌های تجدیدپذیر با مساله زمان مصرف مواجه هستند. مثلا انرژی خورشیدی در شب كه زمان اوج مصرف است، متوقف می‌شود. انرژی باد هم نوسان بسیار بالایی دارد و ناپایدار است. بنابراین پایداری در شبكه‌ برق مبتنی بر انرژی‌های تجدیدپذیر بدون ذخیره‌سازی مناسب یا ظرفیت‌های پشتیبان، غیرممكن و توسعه فناوری‌های ذخیره‌سازی و شبكه‌های هوشمند برای موفقیت انرژی‌های تجدیدپذیر ضروری است. به‌رغم همه این چالش‌ها و مسائل، دولت آلمان در توسعه انرژی‌های تجدیدپذیر جدی است. در همین راستا حامیان استفاده از انرژی‌های تجدیدپذیر در آلمان، این موضوع را یك ضرورت برای مقابله با تغییرات آب و هوایی می‌دانند. حزب سبزها (bündnis 90/die grünen) و حزب سوسیال دموكرات (spd) از طرفداران انرژی‌های تجدیدپذیر در این كشور هستند.

انرژی‌های تجدیدپذیر در آلمان منتقدانی هم دارد. این گروه هم نگران هزینه‌های بالا، چالش پایداری شبكه و وابستگی به واردات فناوری‌های انرژی تجدیدپذیر هستند. احزاب cdu/csu و fdp از انتقال تدریجی‌تر به انرژی‌های تجدیدپذیر حمایت می‌كنند و به نقش مهم گاز و هیدروژن در این روند اشاره دارند. حزب afd هم به عنوان مخالف جدی سیاست‌های انرژی تجدیدپذیر مطرح است و خواستار بازگشت به انرژی‌های فسیلی و هسته‌ای است.

دغدغه جامعه علمی آلمان نسبت به برق تجدیدپذیر

بخش علمی و دانشگاهی آلمان هم درباره توسعه انرژی‌های تجدیدپذیر در آلمان دغدغه‌هایی دارد. منتقدان علمی و دانشگاهی معتقدند باتری‌ها و فناوری‌های ذخیره‌سازی گاز (power-to-gas) هنوز به مرحله‌ای نرسیده‌ كه امكان جایگزینی كامل انرژی‌های تجدیدپذیر را فراهم كنند. این كارشناسان همچنین می‌گویند سرمایه‌گذاری در شبكه‌های برق و سیستم‌های ذخیره‌سازی، برای مصرف‌كنندگان و صنایع، هزینه‌های اضافی به دنبال دارد. آنها همچنین نسبت به وابستگی آلمان به واردات هم ابراز نگرانی كرده و معتقدند آلمان در بسیاری از حوزه‌های فناوری‌های تجدیدپذیر، وابسته به واردات از چین و سایر كشورها شده است.

نگرانی‌های بخش صنعت

بخش صنعت هم نسبت به توسعه انرژی‌های تجدیدپذیر هنوز مطمئن نیست. بسیاری از شركت‌های صنعتی نگران افزایش هزینه‌های انرژی و تأثیر آن بر رقابت‌پذیری جهانی خود هستند. به عنوان نمونه صنعت فولاد و مواد شیمیایی آلمان نیازمند برق زیاد و پایدار هستند و به همین دلیل نمی‌توانند به انرژی‌های تجدیدپذیر خوشبین باشند. در بخش خودروسازی هم اگر چه شركت‌هایی مانند فولكس‌واگن و بی‌ام‌و در حال سرمایه‌گذاری در انرژی‌های تجدیدپذیر هستند، اما خواستار برنامه‌ریزی برای شبكه‌های برق قوی‌تر و پایدار هستند. در نهایت آلمان در توسعه انرژی‌های تجدیدپذیر به خصوص برق خورشیدی همچنان با چالش‌های مانند فناوری‌های ذخیره‌سازی مواجه است چون هنوز راهكارهای اقتصادی و كارآمدی برای ذخیره‌سازی بلندمدت انرژی توسعه نیافته است. همچنین بسیاری از باتری‌ها، پنل‌های خورشیدی و تجهیزات مرتبط با انرژی‌های تجدیدپذیر از چین وارد می‌شوند. به همین دلیل چالش وابستگی به چین به‌ طور جدی مطرح است. مساله مالی هم یكی از چالش‌های مهم و اصلی انرژی‌های تجدیدپذیر است چون تولید برق خورشیدی یا بادی منابع مالی بسیار زیادی می‌طلبد. در نهایت اینكه ساخت مزارع بادی و خورشیدی و خطوط انتقال آن ممكن است با مخالفت‌های عمومی هم مواجه شود.

چشم‌انداز 20 ساله برای تبدیل آلمان به كشور «كربن خنثی»

با وجود همه این مسائل، آلمان یك چشم‌انداز 20 ساله برای آینده انرژی‌های تجدیدپذیر ترسیم كرده است. این كشور قصد دارد در مرحله اول تا سال 2030 حدود 80 درصد برق خود را از منابع تجدیدپذیر تأمین كند و همزمان با آن، زغال‌سنگ را از سبد انرژی خود خارج كند. پله بعدی در این چشم‌انداز برق تقریبا بدون كربن است كه قرار است در سال 2035 محقق شود. در نهایت این كشور درصدد است تا در سال 2045 به كشور «كربن خنثی» یا net zero تبدیل شود. میزان موفقیت این اهداف به پیشرفت‌های فناوری، سیاست‌های آینده و شرایط اقتصادی بستگی دارد.

درس‌هایی برای كشور ما

دولت با توجه به ناترازی كه در كشور به مرور زمان ایجاد شده است؛ تصمیم گرفته تا با یك سرمایه‌گذاری 15 میلیارد دلاری در انرژی‌های تجدیدپذیر به خصوص برق خورشیدی، بخشی از این ناترازی را جبران كند. با توجه به اهمیت موضوع و حجم منابعی كه قرار است برای این بخش صرف شود؛ توجه به تجربه كشوری چون آلمان و چالش‌های این كشور می‌تواند برای ما نیز سازنده باشد.

تولید یا واردات پنل؟

یكی از موضوعاتی كه در تجربه آلمان به آن اشاره شد بحث زمان بازگشت انرژی معادل برای ساخت پنل‌های خورشیدی بود. تولید پنل خورشیدی به انرژی بالایی نیاز دارد. اگر این انرژی به صورت گاز در نظر گرفته شود و معادل برق تولیدی آن در توربین‌های گازی را لحاظ كنیم؛ هر پنل به چهار سال زمان برای جبران این معادله نیاز دارد. بنابراین ما باید به صرفه بودن یا نبودن مصرف این انرژی برای بازگشت چهار ساله را در نظر بگیریم. اینجاست كه موضوع واردات پنل‌های خورشیدی مطرح می‌شود. در آلمان این جایگزینی به دلیل وابستگی به چین نگران‌كننده است اما ایران ممكن است با سطح كمتری از این نگرانی مواجه باشد. به خصوص اینكه می‌توان از روش‌های تهاتر نفت و واردات پنل استفاده كرد.

به ذخیره‌سازی فكر كرده‌ایم؟

بحث ذخیره‌سازی هم یك چالش بسیار مهم است كه باید به آن توجه شود. دیدیم كه آلمان با این سطح پیشرفت در ذخیره‌سازی برق حاصل از انرژی‌های تجدیدپذیر باز هم با چالش‌های جدی مواجه است. كشور ما در این بخش توسعه خاصی نداشته و طرح تولید برق خورشیدی بدون لحاظ كردن اهمیت ذخیره‌سازها، نوعی تقلیل دادن و دست كم گرفتن مساله و نگران‌كننده است.

بدبینی صنایع بزرگ به برق خورشیدی

صنایع بزرگ مانند صنایع فولادی به دلیل استفاده از كوره‌های القایی ذوب، به برق با شدت جریان بسیار بالا نیاز دارند. تولید چنین برقی با تكیه بر انرژی باد و خورشید با فناوری‌های كنونی تقریبا بعید به نظر می‌رسد. بنابراین صنایع بزرگ به این موضوع رغبتی نشان نمی‌دهند.

نیاز به احداث زیرساخت‌های جدید جمع‌آوری و انتقال

بحث مهم دیگر، زیرساخت‌های جمع‌آوری در محل تولید و انتقال برق حاصل از انرژی‌های تجدیدپذیر به محل مصرف است. زیرساخت‌های تولید برق خورشیدی و بادی به دلیل ماهیت آن مطمئنا در مناطقی دور از جاهایی كه به آن نیاز است، مستقر می‌شود. بنابراین انتقال برق تجدیدپذیر به ایجاد زیرساخت‌های جدید نیاز دارد. علاوه بر زیرساخت‌های انتقال به محل مصرف برق تولیدی، به احداث پست تبدیل و شبكه جمع‌آوری محلی هم نیاز دارد. همه این تجهیزات باید به صورت مجزا در توسعه انرژی تجدیدپذیر لحاظ شود. همچنین شبكه جمع‌آوری و انتقال برق برای مقاومت كمتر باید از جنس مس باشد. سیم‌كشی مسی و نگهداری از آن هم بسیار پرهزینه است. حال سوال اینجاست كه آیا ما به این موضوعات فكر كرده‌ایم و برای آن آمادگی لازم را داریم یا خیر؟