فناوری PtG؛ قطعه ای گمشده در پازل تولید انرژی ۱۰۰ درصد تجدیدپذیر

استفاده از باتری‌‌ها برای حل مشکل تولید متناوب منابع تجدیدپذیر بسیار پرهزینه خواهد بود؛ درحالی‌که فناوری مطمئن‌‌تر و نام‌‌آشنای دیگری برای این معضل دردسترس است: PtG یا فناوری برق-به-گاز.

تاکنون قوانین و مصوبات بسیاری در کشورهای جهان باهدف تأمین ۱۰۰ درصدی برق عاری از کربن تدوین شده است که آخرین نمونه‌‌ی آن‌‌ها را در ۲۰ انجمن از ایالت‌‌های یوتا و ویرجینیای آمریکا شاهد بوده‌‌ایم. اما پرسش اینجا است که آیا واقعا می‌‌توان انرژی موردنیاز کل اقتصاد مدرن را باکمک انرژی الکتریکی پاک تأمین کرد؟ و اگر چنین چیزی ممکن است، بهترین منابع و فناوری‌‌های انرژی برای رسیدن‌‌به این هدف کدام هستند؟

سال‌‌هاست که فعالان حوزه‌‌ی انرژی با چنین پرسش‌‌هایی دست‌‌وپنجه نرم می‌‌کنند، اما از زمان تصویب برنامه‌‌ی محرک اقتصادی پیشنهادی ایالات متحده با نام Green New Deal، مباحث مربوط‌‌به این حوزه باشدت بیش‌‌تری در محافل سیاسی پیگیری می‌‌شود. حال با تعریف چشم‌‌اندازهای سخت‌‌گیرانه‌‌تر در کنترل انتشار گازهای گلخانه‌‌ای، بسیاری از حوزه‌‌های مختلف اجرایی می‌‌خواهند پاسخ مناسبی برای این پرسش‌‌ها بیابند.

در مرحله‌‌ی نخست، باید نگاهی به مسئله‌‌ی پیش‌‌روی خود بیندازیم: چگونه باید شبکه‌‌ی برق خود را با حداکثر ظرفیت ممکن از منابع تجدیدپذیر بهره‌‌برداری کنیم؟

مسئله‌‌ی اصلی، تغییرپذیری است. میزان تولید انرژی برق درنیروگاه‌‌های مبتنی‌‌بر سوخت‌‌های فسیلی می‌‌تواند بسته‌‌به میزان تقاضا به‌راحتی افزایش یا کاهش یابد؛ درحالی‌که منابع تجدیدپذیری مانند انرژی خورشیدی، بادی و برقابی چنین قابلیتی ندارند. میزان تولید این منابع (به‌‌خاطر ماهیت طبیعی آن‌‌ها) کاملا متغیر است. دسترسی به انرژی خورشیدی تنها طی روز و در ساعات غیرابری مقدور است و از سوی دیگر، میزان وزش باد و بارندگی نیز طی فصول مختلف سال به‌‌شدت نوسان دارد. در کنار همه‌‌ی این موارد، میزان تولید از چنین منابعی طی سال‌‌ها و دهه‌‌های متوالی غیرقابل پیش‌‌بینی است.

کنترل چنین حجمی از تغییرپذیری در منابع تجدیدپذیر از عهده‌‌ی اپراتورهای شبکه‌‌ی برق خارج است؛ بنابراین باید به‌‌فکر ایجاد نوعی سازگاری‌‌پذیری با این معضل باشیم. البته تاحدودی می‌توان نوعی هم‌‌پوشانی میان منابع انرژی خورشیدی، بادی و برقابی ایجاد کرد. زمان‌‌هایی که آسمان آفتابی نیست؛ معمولا وزش باد بیش‌‌تر است. بنابراین با برخورداری از یک سیستم انتقال قدرت مناسب، می‌‌توان انتظار داشت چیزی بین ۶۰ الی ۸۰ درصد از برق کشوری مانند ایالات متحده را باکمک منابع تجدیدپذیر تأمین کرد. اما اگر بخواهیم از این هم فراتر برویم، هزینه‌‌ها به‌‌شکل تصاعدی افزایش خواهند یافت. از این رو، جهان نیازمند به‌کارگیری روشی دیگر برای پرکردن این خلا خواهد بود.

^{نمودار اردکی‌‌شکل تقاضا براثر منابع تجدیدپذیر انرژی}

اما مشکل اینجا است که وارد مدار کردن نیروگاه‌‌های مبتنی‌‌بر گاز و زغال‌‌سنگ با انتشار حجم فراوانی از گازهای گلخانه‌‌ای همراه خواهد بود و از این‌‌رو، چنین ساختارهایی نمی‌‌توانند بخشی از سیاست‌‌های شبکه‌‌ی برق پاک تلقی شوند. نیروگاه‌‌های هسته‌‌ای نیز به‌‌علت عملکرد کند و پرهزینه‌‌ی خود هنگام تغییر توان خروجی، گزینه‌‌ی چندان مناسبی برای پرکردن خلا موجود نخواهند بود (هرچند برخی از هواداران انرژی هسته‌‌ای ممکن است چندان با این موضوع موافق نباشند).

در برخی از ایالت‌‌های آمریکا نظیر کالیفرنیا که از ضریب نفوذ بالایی از انرژی‌‌های تجدیدپذیر برخوردار هستند، خلا یادشده با نیروگاه‌‌های مبتنی‌‌بر گاز طبیعی پر می‌‌شود. این نوع نیروگاه‌‌ها نسبت‌‌به انواع هسته‌‌ای یا زغال‌‌سنگی از ابعاد کوچکتر و انعطاف‌‌پذیری بالاتری برخوردار هستند. اما گاز طبیعی خود نوعی سوخت فسیلی به‌‌شمار می‌‌آید و معمولا کربن حاصل‌‌از سوزاندن آن هرگز جمع‌‌آوری و دفن نمی‌‌شود و نمی‌‌توان آن را منبعی با انتشار کربن صفر تلقی کرد.

آیا روشی عاری از کربن نیز برای جبران این خلا وجود دارد؟

درست در همین نقطه، اختلاف‌‌نظرها آغاز می‌‌شود. برخی از هواداران انرژی‌‌های تجدیدپذیر این‌‌گونه استدلال می‌‌کنند که این شکاف باید با ذخیره‌‌سازی مازاد انرژی تجدیدپذیر تولیدشده جبران شود؛ روشی که باتوجه‌‌به فناوری فعلی، بیش‌‌تر برمبنای استفاده از بانک‌‌های باتری میسر خواهد بود. اما رسیدن‌‌به ضریب نفوذ ۱۰۰ درصدی بدان معنا است که تمامی افت‌‌وخیزهای میزان تقاضای انرژی در طی فصول و دهه‌‌های آینده را تنها با اتکابه منابع تجدیدپذیر پوشش دهیم و این مستلزم به‌‌کارگیری حجم بالایی از باتری‌‌ها است. واضح است که اتخاذ چنین سازوکاری بدون به‌‌کارگیری سایر روش‌‌های ارزان‌‌تر ذخیره‌‌سازی صرفه‌‌ی اقتصادی نخواهد داشت.

مشکلاتی از این دست باعث شده است برخی افراد چنین استدلال کنند که دسترسی‌‌به انرژی الکتریکی ۱۰۰ درصد تجدیدپذیر ممکن نیست. برخی دیگر با همین بهانه، لزوم بهره‌‌برداری از نیروگاه‌‌های هسته‌‌ای کوچک را مطرح می‌‌کنند. عده‌‌ای نیز می‌‌گویند نیروگاه‌‌های گازسوز و زغال‌‌سنگی باید همچنان در شبکه باقی بمانند؛ با این شرط که کربن تولیدشده از آن‌‌ها جمع‌‌اوری و دفن شود. گروهی دیگر نیز لزوم حرکت به‌‌سوی تولید انرژی از زیست‌‌توده سخن می‌‌گویند (گزینه‌‌ای که می‌‌تواند عملا رؤیای دسترسی به منابع انرژی با فناوری انتشار منفی را نیز ممکن کند).

گرچه به‌‌نظر می‌‌رسد بحث‌‌ها در این نقطه به بن‌‌بست رسیده‌‌اند؛ اما فناوری تازه‌‌ای این روزها بر سر زبان‌‌ها افتاده که می‌‌تواند نویدبخش ارائه‌‌ی راهکاری مناسب برای معضل تغییرپذیری منابع تجدیدپذیر باشد؛ فناوری برق-به-گاز یا PtG.

مطالعه‌‌ای تازه نشان می‌‌دهد که فناوری PtG می‌‌تواند مشکل فعلی کالیفرنیا و بسیاری از دیگر مناطق جهان را حل کند. با این فناوری خواهیم توانست به رؤیای تأمین ۱۰۰ درصدی انرژی از منابع تجدیدپذیر دست یابیم، بدون اینکه هزینه‌‌ی گزافی را به شبکه‌‌ی برق تحمیل کنیم. اگر  این موضوع حقیقت داشته باشد، می‌‌تواند سایر قانون‌‌گذران را نیز تشویق به ورود به این صنعت کند تا امیدوارانه‌‌تر به‌‌سوی تحقق جهان ۱۰۰ درصد تجدیدپذیر گام برداریم.

فناوری PtG چیست و چگونه می‌‌تواند به ما کمک کند؟

بیایید نگاهی دوباره به معضلی بیندازیم که در صنعت انرژی‌‌های تجدیدپذیر با آن مواجه هستیم: تغییرپذیری. وقتی در منطقه‌‌ای با ضریب نفوذ بالای انرژی‌های تجدیدپذیر (مانند کالیفرنیا)، نیروگاه‌‌های خورشیدی و بادی بیش‌‌تری را وارد مدار می‌‌کنیم؛ شبکه‌‌ی برق دچار نوسانات کوتاه‌‌مدت و بلندمدت بیش‌‌تری خواهد شد و از این‌‌رو، برای پرکردن این خلا، نیاز بیش‌‌تری به منابع آماده‌‌به‌‌کار و قابل‌‌اطمینان‌تری از انرژی احساس خواهیم کرد.

درواقع، آنچه که یک شبکه با ضریب نفوذ بالا از منابع تجدیدپذیر بدان نیاز دارد، یک منبع (یا حامل) انرژی است که بتواند برای مدت‌‌ها در حالت آماده‌‌به‌‌کار بماند ولی در زمان افت تولید منابع بادی و خورشیدی، به‌‌سرعت وارد شبکه شود. یک شبکه‌‌ی پاک نیاز به منبعی پشتیبان خواهد داشت تا انرژی را برای مدتی طولانی و در مقادیری بالا ذخیره‌‌سازی کند و در عین حال، به‌‌‌‌سرعت بتواند این انرژی را دردسترس قرار دهد.

^{خطوط لوله و تجهیزات ذخیره‌‌سازی گاز طبیعی}

تنها یک فناوری است که می‌‌تواند چنین الزاماتی را برآورده کند و آن گاز طبیعی (متان) است. متان خود یک شکل بسیار پایدار از انرژی ذخیره‌‌سازی شده است. برخلاف انرژی شیمیایی ذخیره‌‌سازی‌‌شده در ماژول‌‌های لیتیوم‌‌یون که یا گذشت زمان خودبه‌‌خود تخلیه می‌‌شود، گاز طبیعی می‌‌تواند به‌‌شکل نامتناهی ذخیره شود. سیستم ذخیره‌‌سازی گاز طبیعی و خطوط لوله‌‌کشی آن می‌‌تواند درحکم یک باتری غول‌‌پیکر و توزیع‌‌شده عمل کند و نیروگاه‌‌های گازسوز به‌‌مانند مبدل‌‌هایی هستند که این انرژی ذخیره‌‌شده را به‌‌شکل انرژی الکتریکی مفید تبدیل می‌‌کنند.

بنابراین در اختیار داشتن یک باتری گسترده و آماده‌‌به‌‌کار با چنین ظرفیت بالایی دقیقا همان چیزی است که برای تکمیل پازل انرژی‌‌های تجدیدپذیر خود بدان نیاز داریم؛ تنها مشکل بزرگ آن است که کارکرد این باتری بزرگ با انتشار کربن همراه است. اگر می‌‌توانستیم یک گاز با اثر کربن خنثی در اختیار داشته باشیم تا بتوانیم از آن به‌‌عنوان یک باتری پشتیبان برای شبکه‌‌ی تجدیدپذیر خود بهره ببریم، همه‌‌چیز عالی پیش می‌‌رفت. اینجا است که فناوری PtG پا به عرصه می‌‌گذارد.

سوخت‌‌های فسیلی انواعی از هیدروکربن‌‌ها به‌‌شمار می‌‌آیند و هیدروکربن‌‌ها تنها از هیدروژن و کربن تشکیل شده‌‌اند. اگر بتوانیم هیدروژن و دی‌‌اکسید کربن را به‌‌صورت جداگانه جمع‌‌آوری کنیم، می‌‌توانیم آن‌‌ها را طی فرایند «متان‌‌سازی» با یکدیگر ترکیب کرده و گاز طبیعی را به‌‌صورت مصنوعی تولید کنیم.

شدت اثر کربنی یک گاز مصنوعی به این بستگی دارد که هیدروژن و دی‌‌اکسید کربن موردنیاز برای تولید آن، چگونه تأمین می‌‌شود. در حال حاضر، بیش‌‌تر هیدروژن موردنیاز جهان ازطریق فرآوری گاز طبیعی استحصال می‌‌شود؛ فرایندی که به‌‌شدت انرژی‌‌بر بوده و با انتشار حجم بالایی از کربن همراه است. اما این هیدروژن می‌‌تواند ازطریق فرایند الکترولیز نیز تولید شود. طی الکترولیز، با مصرف انرژی برق (حاصل از منابع تجدیدپذیر) و به‌‌کارگیری یک کاتالیزور می‌‌توان هیدروژن را از آب جداسازی کرد. بد نیست بدانید امروزه تنها چهار درصد از هیدروژن موردنیاز جهان ازطریق الکترولیز تولید می‌‌شود. نیروگاه‌‌های هسته‌‌ای نیز می‌‌توانند برای تولید هیدروژن مورداستفاده واقع شوند؛ هرچند هنوز این روش عملا در هیچ مقیاسی پیاده‌‌سازی نشده است.

دی‌‌اکسید کربن موردنیاز نیز می‌‌تواند از ذخایر طبیعی استخراج شود. با این حال، استخراج کربن از زمین را نمی‌‌توان روشی پایدار و زیست‌‌محیطی قلمداد کرد. دی‌‌اکسید کربن می‌‌تواند از خروجی دودکش تأسیسات صنعتی و نیروگاه‌‌های برق دیگر جع‌‌آ‌‌وری کرد. همچنین جمع‌‌آوری کربن به‌‌طور مستقیم از هوا (DAC) یکی از روش‌‌های انتشار منفی است که می‌‌تواند دی‌‌اکسید کربن موردنیاز برای فرایند تولید متان را در اختیار صنایع بگذارد.

^{طرحی از یک واحد جمع‌‌آوری مستقیم کربن از هوا (DAC)}

اگر بتوانیم هیدروژن را از طریق فرایند الکترولیز با کمک برق تجدیدپذیر یا انرژی هسته‌‌ای تولید کنیم و دی‌‌اکسیدکربن را نیز از هوا جذب کنیم، در این صورت، متان مصنوعی تولیدشده نیز می‌‌تواند اثر کربنی خنثی داشته باشد. بدین‌‌ترتیب، کربن از هوا جذب می‌شود و پس از سوختن متان دوباره به هوا بازمی‌‌گردد و از میزان خالص آن در طبیعت اضافه یا کم نخواهد شد.

انرژی موردنیاز برای این فرایند ازطریق انرژی‌‌های تجدیدپذیر تأمین خواهد شد. این به‌‌منزله‌‌ی روشی پایدار و پاک برای معرفی یک منبع ذخیره‌‌سازی بلندمدت با سرعت پاسخ‌‌دهی بالا در شبکه است؛ یک منبع پشتیبان از جنس انرژی‌‌های تجدیدپذیر که زمینه را برای افزایش بیش‌‌تر نفوذ فناوری‌‌های پاک فراهم خواهد کرد. با توسعه‌‌ی فناوری PtG در جهان، محصول گازی تولیدشده می‌‌تواند در بسیاری از کاربری‌‌ها (شامل صنایع سنگین، گرمایش و حمل‌‌نقل) مورداستفاده واقع شود؛ اما ما در اینجا تنها روی کاربرد آن در شبکه‌‌ی برق تمرکز خواهیم داشت.

یک شرکت خدمات انرژی جهانی با نام Wärtsilä به‌‌تازگی گزارشی منتشر کرده است که می‌‌گوید کالیفرنیا با کمک فناوری PtG خواهد توانست در بازه‌‌ی زمانی کوتاه‌‌تری به اهداف تأمین ۶۰ و ۱۰۰ درصدی برق تجدیدپذیر خود به‌ترتیب در سال‌‌های ۲۰۳۰ و ۲۰۴۵ دست یابد. این شرکت فنلاندی مدعی است باکمک نرم‌‌افزار شبیه‌‌سازی شبکه‌‌های برق Plexos (که شبکه‌‌ی برق کالیفرنیا نیز خود از آن استفاده می‌‌کند)، توانسته سه سناریوی مختلف از آینده‌‌ی شبکه‌‌ی برق این ایالت را مدل‌‌سازی کند.

اولین سناریو همان برنامه‌‌ی فعلی این ایالت است که شامل برنامه‌‌‌‌ریزی یکپارچه منابع (IRP) تا سال ۲۰۳۰ و سپس برنامه‌‌ی برقی‌‌سازی عظیم تا سال ۲۰۴۵ خواهد شد. این سناریو به‌‌شدت متکی‌‌بر استفاده‌‌از منابع خورشیدی، بادی، آبی درکنار باتری‌‌ها خواهد بود. با این حال، طبق این برنامه احتمالا نخواهیم توانست تا سال ۲۰۴۵ کاملا به انرژی برق عاری‌‌از کربن دست یابیم.

دومین سناریو، «مسیر بهینه» است؛ بنابر این سناریو، منابع خورشیدی، بادی و باتری‌‌ها با سرعتی نسبتا بیش‌‌تر نسبت‌‌به وضع فعلی توسعه می‌‌یابند؛ اما در سال‌‌های پس از ۲۰۳۰، وابستگی‌‌به نیروگاه‌‌های حرارتی بیش‌‌تر از سناریو قبلی خواهد بود. در این چشم‌‌انداز نیروگاه‌‌های گازسوز با سرعت کم‌‌تری از مدار خارج خواهند شد. نیروگاه‌‌های انعطاف‌‌پذیرتر همچنان در مدار باقی می‌‌مانند و هم‌زمان تعداد زیادی نیروگاه‌‌های کوچک‌‌تر و چابک‌‌تر نیز بهره‌‌برداری می‌‌شوند. با آماده‌‌شدن فناوری PtG تا سال ۲۰۳۰، تمامی نیروگاه‌‌های با سوخت طبیعی به انواع متان مصنوعی تبدیل می‌‌شوند. مطابق این برنامه، جهان تا سال ۲۰۴۵ خواهد توانست به برق عاری‌‌از کربن دست یابد.

سناریوی سوم نیز مشتقی از سناریوی اول محسوب می‌‌شود و سیاست‌‌های برنامه‌‌ی فعلی در آن باشدت و حدت بیش‌‌تری دنبال می‌‌شود؛ بدین‌‌ترتیب که جهان به‌‌طور کامل به منابع تجدیدپذیر تکیه خواهد کرد و با تحریم نیروگاه‌‌های حرارتی موجود در شبکه تا سال ۲۰۴۵ به هدف انتشار کربن صفر خواهیم رسید. همان‌‌طور که قابل‌‌حدس است، سناریوی دوم، سناریوی برنده خواهد بود؛ چراکه با کمک واحدهای PtG رسیدن به جهان ۱۰۰ درصد تجدیدپذیر با هزینه‌‌ی پایین‌‌تری مقدور خواهد بود و طی این مسیر، انتشار کربن کم‌‌تری رقم خواهد خورد.

اما برنامه‌‌ی فعلی کالیفرنیا براساس راه‌‌اندازی تعداد بسیار بالایی از واحدهای تجدیدپذیر شکل گرفته است که نیاز به سطح وسیعی از اراضی برای احداث مزارع بادی و خورشیدی خواهد داشت؛ سازوکاری که باتوجه به هزینه‌‌ی بالای این طرح‌‌ها و موانع سیستم اداری امر چندان ساده‌‌ای نخواهد بود. اگر به‌‌جای ساخت تعداد بسیار زیادی واحد تجدیدپذیر، اقدام به راه‌‌اندازی تعداد کمی نیروگاه گازسوز (با سوخت متان مصنوعی) کنیم؛ خواهیم توانست با ظرفیت کم‌‌تری از نیروگاه‌‌های تجدیدپذیر (۲۳۷ گیگاوات در مقابل ۲۶۳ گیگاوات) به اهداف چشم‌‌انداز سال ۲۹۴۵ دست یابیم. با کاهش ظرفیت نیروگاه‌‌های خورشیدی موردنیاز در سناریوی مسیر بهینه، میزان اراضی لازم تا یک‌‌سوم کاهش خواهد یافت (۲۳۰۰ کیلومترمربع درمقابل ۱۵۵۰ کیلومترمربع). این به‌‌معنای بروز مجادلات بسیار کم‌‌تر در مبحث تغییر کاربری اراضی و نیز صدور مجوز اتصال به شبکه خواهد بود.

هزینه‌‌ها نیز در سناریوی بهینه کم‌‌تر از سناریوی اول خواهد بود. بنابر سناریوی اول، قیمت ترازشده‌‌ی انرژی الکتریکی در سال ۲۰۴۵ معادل‌‌با ۵۱ دلار درازای هرمگاوات‌‌ساعت خواهد بود؛ درحالی‌که طبق سناریوی دوم، این قیمت به ۵۰ دلار خواهد رسید. شاید این اختلاف چندان چشمگیر نباشد؛ اما همین تفاوت کوچک طی سال‌‌ها می‌‌تواند اختلاف تجمیعی معادل ۸ میلیارد دلار را ایجاد کند.

فناوری PtG می‌تواند هزینه‌ها و اتلاف انرژی در سیستم برق 100 درصد تجدیدپذیر را کاهش دهد

مزیت دیگر فناوری PtG، کاهش میزان اتلاف انرژی در نیروگاه‌‌های بادی و خورشیدی خواهد بود. در وهله‌‌ی اول، این فناوری نیاز به احداث تعدادی بیش‌‌ازاندازه از واحدهای تجدیدپذیر را از بین خواهد برد. به‌‌علاوه، PtG خود می‌‌تواند درحکم یک بار مصرف‌‌کننده برای تمام انرژی مازاد تولیدی از منابع تجدیدپذیر باشد. این اتفاق زمانی رخ می‌‌دهد که تولید واحدهای خورشیدی و بادی از میزان مصرف در شبکه پیشی بگیرد؛ در چنین شرایطی تمام این انرژی مازاد می‌‌تواند برای تولید متان مصنوعی به‌‌کار گرفته شود.

برآوردها نشان می‌‌دهد که سناریوی بهینه در خلال سال‌‌های ۲۰۲۰ تا ۲۰۴۵، می‌‌تواند بیش‌‌از ۵۰۰ تراوات‌‌ساعت انرژی را به گاز متان تبدیل کند؛ درحالی‌که در سناریوی اول، راهی جز اتلاف این حجم از انرژی وجود نخواهد داشت.

بنابراین سناریوی بهینه می‌‌تواند از هر جهت کاراتر و پاک‌‌تر از سناریوی فعلی باشد. اما هنوز به هیجان‌‌انگیزترین بخش این سناریو نرسیده‌‌ایم. به یاد داشته باشید که سناریوی فعلی نمی‌‌تواند تا سال ۲۰۴۵ به‌‌طور کامل چشم‌‌انداز انرژی عاری از کربن را برایمان محقق کند. کالیفرنیا درنظر دارد تا سال ۲۰۴۵ تمامی برق خریداری شده و فروخته‌‌شده در این ایالت از لحاظ اثر کربنی خنثی باشد. در کنار این مورد، باید تلفات شبکه‌‌ی انتقال را نیز در نظر گرفت که این میزان برای ایالتی مانند کالیفرنیا حدود ۸ درصد است؛ این بدان معنا است که برای تحویل توان خالص ۱۰۰ مگاوات به مصرف‌‌کنندگان برق در این ایالت، شبکه باید ۱۰۸ مگاووات تولید کند.

لزومی وجود ندارد این ۸ درصد مازاد تولید از لحاظ کربنی خنثی باشد. ایالت کالیفرنیا فعلا درنظر دارد این میزان مازاد را از نیروگاه‌‌های گازسوز تأمین کند. این بدان معنا خواهد بود که این ایالت درنهایت چیزی حدود ۴ الی ۵ درصد کربن‌‌مثبت تلقی خواهد شد. با احتساب این انتشار اضافی، سناریوی بهینه می‌‌تواند جلوی انتشار مقداری معادل ۱۲۴ میلیون تن CO2 بیش‌‌تر را نسبت‌‌به سناریوی فعلی بگیرد.

حال با پرسشی مهم مواجه می‌‌شویم: چرا نباید با تشدید سیاست‌‌های سناریوی فعلی، رسیدن‌‌به چشم‌‌انداز انتشار کربن صفر را تنها با اتکا به منابع تجدیدپذیر تحقق بخشیم؟

این همان موضوعی است که سناریوی سوم بدان اشاره دارد. در این سناریو، شبکه‌‌ی برق کل کالیفرنیا بدون هرگونه نیروگاه حرارتی و تنها با اتکا به منابع تجدیدپذیر و باتری‌‌ها مدل‌‌سازی شده است. نتایج بسیار امیدوارکننده به‌‌نظر می‌‌رسند. پیاده‌‌سازی این سناریو ازلحاظ فنی امکان‌‌پذیر است، ولی یک مشکل دارد و آن این‌‌که بسیار گران تمام خواهد شد. اگر بخواهیم بگوییم سناریوی اول روی نصب تعداد زیادی نیروگاه خورشیدی و بادی اصرار دارد؛ در سناریوی سوم، تمرکز روی نصب تعداد بسیار زیادی باتری خواهد بود و این تعداد به‌‌معنای واقعی کلمه، بسیار زیاد است. در نمودار زیر می‌‌توانید ببینید این اختلاف در ظرفیت باتری‌‌های قابل‌‌نصب تا چه حد فاحش است.

منتقدان می‌‌گویند اگر بخواهیم برای جبران شکاف میان کربن‌‌زدایی ۹۵ تا ۱۰۰ درصدی نیروگاه‌‌های برق خود، تنها به منابع تجدیدپذیر و باتری‌‌ها تکیه کنیم، نیاز به نصب میلیون‌‌ها بانک باتری خواهیم داشت. مجموع ظرفیت باتری‌‌های شما باید آن‌‌قدر بالا باشد که حتی نادرترین برهه‌‌های زمانی افت شدید تولید انرژی خورشیدی و بادی را (که شاید هر ۱۰ سال یک‌‌بار رخ دهد) پوشش دهد. این در حالی است که در شرایط عادی، بخش اعظم این ظرفیت بلااستفاده خواهد ماند.

بنابر سناریوی سوم، «فاکتور ظرفیت» باتری (یا دفعات استفاده باتری) تا سال ۲۰۴۵ به ۳ درصد افت پیدا خواهد کرد. چنین ظرفیت بلااستفاده‌‌ای از تجهیزات گران‌‌قیمت الکتریکی می‌‌تواند به‌‌شدت اقتصاد کشورها را تحت فشار قرار دهد.

اگر به‌‌خاطر داشته باشید، پیش‌‌تر گفتیم که بنابر محاسبات سناریوی بهینه، قیمت برق در سال ۲۰۴۵ به عدد ۵۰ دلار در ازای هر مگاووات‌‌ساعت خواهد رسید؛ درحالی‌که این عدد در سناریوی سوم به مقدار قابل‌‌توجه ۱۲۸ دلار در ازای هر مگاووات‌‌ساعت می‌‌رسد؛ یعنی بیش از دو برابر. این نشان می‌‌دهد که نصب باتری‌‌ها تا چه حد پرهزینه تمام خواهد شد.

فناوری PtG از سرعت رشد و جذابیتی بالایی برخوردار است. می‌توان گفت این فناوری برای دهه‌‌ها وجود داشته به‌گونه‌ای که سابقه‌‌ی استفاده‌‌از گاز مصنوعی به ۱۸۰ سال پیش بازمی‌‌گردد. در خلال جنگ جهانی دوم و با افزایش قیمت بنزین، استفاده از این نوع سوخت رواج یافت. با این حال، نسخه‌‌ی عاری از کربن این فناوری که امروزه در صنعت کربن‌‌زدایی موردتوجه قرار گرفته است؛ مبحثی کاملا نو محسوب می‌‌شود. تاکنون مطالعات فراوانی درحوزه‌‌ی فناوری PtG و پروژه‌‌های پایلوت آن به‌‌خصوص در اروپا انجام گرفته است؛ اما این مطالعات هرگز نتوانست به تولید در مقیاس بالا منجر شود.

مدل‌‌سازی Wärtsilä از داده‌‌های ارائه‌‌شده ازسوی گروه سوخت‌‌های تجدیدپذیر دانشگاه فناوری لاپینرانتا در فنلاند استفاده کرده است؛ با این حال، تمامی این اعداد و ارقام تاحدودی فرضی به‌‌شمار می‌آیند. هزینه‌‌ی نهایی فناوری PtG وابسته‌‌به هزینه‌‌ی استخراج دی‌‌اکسید کربن از هوا، هزینه‌‌ی تأمین هیدروژن پاک و هزینه‌‌ی خود انرژی‌‌های تجدیدپذیر خواهد بود. در این میان، باتوجه‌‌به سرعت بالای توسعه‌‌ی فناوری دو مورد اول، پیش‌‌بینی قیمت مربوط‌‌به آن‌‌ها امری دشوار است.

با این همه، برخی معتقد هستند که صرف هزینه برای مرحله‌‌ی دوم از تبدیل هیدروژن به متان منطقی نیست. آن‌‌ها می‌‌‌‌گویند هیدروژن باید ذخیره‌‌سازی شده و به‌‌طور مستقیم و بدون هر مرحله‌‌ی اضافی دیگری در نیروگاه سوزانده شود. تام براون، مدیر گروه‌‌مدل‌‌سازی انرژی در مؤسسه‌‌ی فناوری کارلزرو می‌‌گوید:

به‌‌نظر من، جایگزینی هیدروژن در بلندمدت آسان‌‌تر و اقتصادی‌‌تر است و ما باید تولید متان را تنها به منابع پایدار زیست‌‌توده محدود کنیم.

در حال حاضر شبکه‌‌ای سراسری از لوله‌‌کشی انتقال هیدروژن در ایالات متحده وجود دارد و خطوط انتقال گاز طبیعی نیز می‌‌توانند به‌‌گونه‌‌ای تغییر کاربری یابند که قابلیت انتقال هیدروژن را نیز پیدا کنند. آلمان از جمله کشورهایی به‌شمار می‌آید که از یک شبکه‌‌ی ملی انتقال هیدروژن برخوردار است. شرکت‌‌هایی مانند GE آلمان در حال سرمایه‌‌گذاری روی انواعی از توربین‌‌های گازی هستند که بتوانند با متان و هیدروژن کار کنند. ازآنجاکه برای پایدارسازی انرژی تجدیدپذیر تنها به تعداد محدودی از نیروگاه‌‌های حرارتی نیاز داریم، شاید بهتر باشد در این واحدها هیدروژن پاک به‌‌صورت مستقیم سوزانده شود (هیدروژن به‌‌عنوان یک منبع سوخت مستقیم تلقی نمی‌‌شود؛ چراکه هیچ راهی برای تخمین هزینه‌‌ی احداث زیرساختگاه‌‌های هیدروژنی وجود ندارد).

هنوز بسیار زود است که بگوییم کدام‌‌یک از انواع منابع پایا (همیشه در دسترس) می‌‌تواند بهترین سیستم الکتریکی مکمل منابع تجدیدپذیر باشد: سوخت مصنوعی، هیدروژن، نیروگاه‌‌های هسته‌‌ای کوچک، زمین‌‌گرمایی پیشرفته، زیست‌‌توده با جذب و ذخیره‌‌سازی کربن، نیروگاه‌‌های گاز طبیعی مچهز به سیکل آلام برای جذب کربن یا شاید ترکیبی از همه‌ی این موارد.

همان‌‌طور که از نتایج یک پژوهش دانشگاهی دیگر برمی‌‌آید، شرکت Wärtsilä نیز توانسته به‌‌خوبی نشان دهد که برای دستیابی به یک سیستم الکتریکی کاملا عاری از کربن، وجود یک منبع انرژی پایا، امری ضروری (یا دست‌کم بسیار مفید) خواهد بود. یک شبکه‌‌ی برق با سطح نفوذ بسیار بالای تجدیدپذیر نیازمند تعدادی منابع پشتیبان خواهد بود که همواره در دسترس باشند و نیز هنگام ورود و خروج به مدار و تغییر میزان خروجی نیز سرعت‌‌عمل بالایی از خود نشان دهند. در حال حاضر، باتری‌‌ها نمی‌‌توانند میزان کافی از انرژی را در خود ذخیره کنند و نرخ نشت جریان در آن‌‌ها به‌‌حدی است که نمی‌‌توان روی آن‌‌ها به‌‌عنوان یک منبع پشتیبان مستقل در شبکه‌‌های بزرگ حساب باز کرد.

ما به منابع پایا و انعطاف‌‌پذیر دیگری نیاز داریم که بتوانند مکمل منابع تجدیدپذیر و باتری‌‌ها باشند. البته نیازی نیست این منابع در حجم بالایی تولید و نصب شوند؛ حتی حجم اندکی از این منابع پایا می‌‌تواند مانع از نصب هزاران منبع تجدیدپذیر و باتری اضافی در شبکه شود.

با وجود نیاز مبرمی که به منابع پایا و کم‌‌کربن طی سال‌‌های پیش‌‌رو احساس می‌‌‌‌شود، هنوز نمی‌‌توانیم با قاطعیت تصمیم بگیریم که کدامیک از این انواع منابع از بقیه ارزان‌‌تر تمام خواهند شد. از این رو، هر نوع منبع (حتی با کم‌‌ترین شانس قابل‌‌تصور برای موفقیت در آینده) نیز شاید ارزش مطالعه‌‌ی بیش‌‌تر را داشته باشد. بدیهی است که هر یک از این منابع می‌‌توانند بسته‌‌به شرایط جغرافیایی محل کاربرد مزیت‌‌هایی را نسبت‌‌به انواع دیگر به‌‌نمایش بگذارند. در این میان، شاید هیدروژن و سوخت‌‌های مبتنی‌‌بر هیدروژن (نظیر متان مصنوعی) بیش‌‌ترین شانس را برای توسعه در جهان را داشته باشند.

جهان قرن بیست‌‌ویکم برای تولید انرژی الکتریکی موردنیاز خود دیگر نیازی به حفاری، آلایش محیط و درنهایت آلاینده‌‌زدایی از آن نخواهد داشت. ما دیگر نیازی به سوخت‌‌های فسیلی نداریم. ما نیازی به نیروگاه‌‌های عظیم نداریم. تمام آنچه که ما نیاز داریم، باد، خورشید و آب است. یک سیستم مبتنی‌‌بر منابع تجدیدپذیر نیازمند منابع پایا خواهد بود؛ منابعی نظیر هیدروژن پاک و PtG که خود می‌‌توانند به‌‌کمک انرژی‌‌های تجدیدپذیر راه‌‌اندازی شوند. این فناوری‌‌ها قابلیت کار در یک حلقه‌‌ی بسته و متناسب‌‌با بودجه‌‌ی فعلی بخش انرژی جهان را دارند و هیچ‌‌گونه کربن اضافی را وارد اکوسیستم نخواهند کرد.

پژوهش‌‌های انجام‌‌شده ازسوی Wärtsilä می‌‌تواند اپراتورهایی مانند مدیریت شبکه‌‌ی برق کالیفرنیا را متوجه نقش کلیدی فناوری هیدروژن پاک و PtG در کاهش هزینه‌‌ی گذار به‌‌سوی جهان عاری‌‌از کربن کند. اگر قرار باشد از مزایای به‌‌کارگیری هیدروژن و فراورده‌‌های آن در سیستم فعلی خود بهره ببریم، باید از حالا به‌‌فکر سیاست‌‌گذاری‌‌های لازم در این مسیر باشیم.

در گام اول، Wärtsilä پیشنهاد می‌‌کند که فناوری PtG مبتنی‌‌بر روش‌‌های پایدار به‌‌عنوان سوختی تجدیدپذیر شناخته شده و انرژی تولیدی آن‌‌ها در فهرست انرژی‌‌های تجدیدپذیر جای گیرد. این شرکت همچنین پیشنهاد کرده واحدهای حرارتی جدید تنها در ظرفیت‌‌های کوچک (زیر ۱۰۰ مگاووات) و با سرعت پاسخ‌‌دهی مناسب طراحی شوند تا بتوانند بدون مصرف آب، با سرعتی بالا چندین بار طی شبانه‌‌روز وارد مدار شده و از آن خارج شوند. واحدهای جدیدالاحداث به‌‌همراه واحدهای قدیمی می‌‌توانند به‌‌گونه‌‌ای تغییر کاربری یابند تا درصورت نیاز بتوانند از متان مصنوعی به‌‌عنوان گاز سوخت استفاده کنند. بدین‌‌ترتیب تا سال ۲۰۴۵، تنها واحدهای مبتنی بر متان مصنوعی (و احتمالا بیوگاز) در شبکه‌‌ی گازرسانی باقی خواهند ماند. در عین حال، دولت‌‌ها نیز باید بودجه‌‌ی کافی را به بخش‌‌های نظیر تحقیق‌‌وتوسعه، پروژ‌‌ه‌‌های پایلوت و مشوق‌‌های اقتصادی تزریق کنند.

شکی نیست که در پازل شبکه‌‌ی برق عاری‌‌از کربن دستکم یک قطعه‌‌ی گمشده وجود دارد. شاید این قطعه‌‌ی گمشده، منبع پایایی باشد که بتواند به‌‌شکلی اقتصادی و قابل‌‌اطمینان مقادیر قابل‌توجهی از انرژی تجدیدپذیر را در خود ذخیره و هنگام نیاز آن را به شبکه‌‌ی سراسری تزریق کند. با این توضیحات، فناوری PtG یکی از گزینه‌‌های آشنا و دسترس‌‌پذیر برای ما خواهد بود.