تعتمد المرافق على محطات "الذروة" القذرة عندما يرتفع الطلب على الطاقة، ولكن هناك بدائل

الولايات المتحدةيقترب من نهاية أحد أكثر فصول الصيف حرارة على الإطلاق.في جميع أنحاء البلاد، موجات الحرارة وقد أدى ذلك إلى ارتفاع الطلب على الكهرباء في بعض الأيام إلى مستوياته تتجاوز بكثير المتوسطات الموسمية.

ويعتمد مشغلو الشبكات على ما يسمى بمحطات "الذروة" لضمان حصولهم على إمدادات كافية لتلبية هذه الزيادات في الطلب.يمكن أن تبدأ وحدات الذروة بسرعة وبتكلفة منخفضة نسبيًا، ولكنها عادةً ما تحرق كمية أكبر من الوقود لكل وحدة من الكهرباء المنتجة مقارنة بالأنواع الأخرى من وحدات الوقود الأحفوري.

ولأنها أقل كفاءة من النباتات الأخرى، فإن محطات الذروة تعمل عادة فقط خلال فترات الطلب المرتفع.تاريخيا، الذروة تشغيلها لمدة تقل عن 10% من العام, ، في كثير من الأحيان لبضع ساعات فقط متواصلة.

ومع ذلك، فإن ارتفاع انبعاثاتها لكل وحدة من الكهرباء المنتجة يثير مخاوف بيئية وصحية.اعتبارًا من عام 2021، كان هناك 999 مصنعًا للذروة في جميع أنحاء الولايات المتحدة, ، في جميع الولايات الخمسين.حوالي 70% من هذه المحطات تعمل بالغاز الطبيعي، والباقي يعمل بالنفط والفحم.

للحد من تلوث الهواء ومكافحة تغير المناخ، الولايات المتحدةتبتعد عن الوقود الأحفوري وتزيد من استخدامها لمصادر الطاقة المتجددة مثل طاقة الرياح والطاقة الشمسية.ومن المفارقات أن تغير المناخ يولد موجات حرارية أكثر تواترا وشدة, ، تعتمد العديد من أنظمة الكهرباء بشكل متزايد على محطات الذروة لموازنة التقلبات في توليد الطاقة المتجددة.مقترحات ل بناء قمم جديدة أو إطالة عمر كبار السن أثارت الجدل في الولايات بما في ذلك ويسكونسن, ماساتشوستس, تكساس و نيويورك.

يركز بحثي على التكاليف والفوائد الاقتصادية والبيئية لإنتاج الكهرباء.وإليك كيف يغير التحول إلى الطاقة النظيفة دور محطات الذروة وبعض الخيارات الأخرى لإبقاء الأضواء مضاءة خلال فترات ذروة الطلب.

موازنة إمدادات الطاقة

بالنسبة لمشغلي النظام، إحدى الخصائص الرئيسية لمحطة توليد الطاقة هي ما إذا كانت قادرة على إنتاج الطاقة عند الطلب.تُعرف العديد من الموارد المتجددة، بما في ذلك طاقة الرياح والطاقة الشمسية وأنواع معينة من الطاقة الكهرومائية موارد غير قابلة للإرسال لأنها تحكمها الطبيعة، وتنتج الطاقة عندما تسمح الظروف بذلك.تكلفة توليد الكهرباء بها منخفضة، لذلك يتم استخدامها عادةً بأقصى طاقتها.

تُعرف محطات الطاقة التي تعمل بالوقود الأحفوري أو الطاقة النووية باسم الموارد القابلة للتوزيع لأنها تستطيع إنتاج الطاقة كلما دعت الحاجة إليها.ومع ذلك، فإن تكاليف تشغيلها أعلى من مصادر الطاقة المتجددة، ويرجع ذلك أساسًا إلى أن محطات الغاز والفحم والطاقة النووية والنفط يجب أن تشتري الوقود حتى تتمكن من العمل.

بعض هذه المحطات - تاريخياً، تلك التي تعمل بالفحم أو الوقود النووي - تسمى نباتات التحميل الأساسي.إنها تولد الطاقة بتكلفة زهيدة نسبيًا ولكنها تستغرق وقتًا لبدء التشغيل والوصول إلى الطاقة الكاملة. الوحدات المتوسطة تنتج الطاقة بتكلفة أعلى لكل ميجاوات ساعة إضافية يتم إنتاجها، ولكنها يمكن أن تدور صعودًا وهبوطًا بسرعة أكبر من محطات التحميل الأساسي.وتتحمل محطات الذروة أعلى تكلفة لكل ميجاوات/ساعة، ولكنها تستطيع تعديل إنتاجها بسرعة كبيرة.

تاريخيًا، كانت وحدات الحمل الأساسي تعمل على مدار العام، مع قيام الوحدات الوسيطة بتعديل الإنتاج لتلبية تقلبات الطلب قصيرة المدى.تم استخدام نباتات الذروة فقط خلال فترات ذروة الطلب النادرة.

ولكن مع قيام موردي الطاقة بإضافة المزيد من طاقة الرياح والطاقة الشمسية إلى الشبكة، فإنهم يستخدمون وحدات الوقود الأحفوري القابلة للتوزيع بشكل متكرر أكثر لموازنة التغيرات في توليد الطاقة المتجددة - على سبيل المثال، لتشغيل مكيفات الهواء عندما تغرب الشمس ولكن درجات الحرارة لا تزال مرتفعة.وهذا يفضل الوحدات التي يمكنها تغيير مستويات الإنتاج بسرعة، حتى لو كانت أقل كفاءة في استهلاك الوقود.والنتيجة هي دور متزايد للنباتات الذروة.

نقاط مضيئة للعدالة البيئية

إنتاج الكهرباء من الوقود الأحفوري في الولايات المتحدة انخفض باستثمارات واسعة النطاق في توليد طاقة الرياح والطاقة الشمسية.لكن محطات الطاقة التي تعمل بحرق الوقود الأحفوري لا تزال تنتج حوالي 60% من الولايات المتحدةكهرباء - وتنبعث من تلك النباتات ملوثات تساهم في تغير المناخ وتؤدي إلى تدهور نوعية الهواء المحلي.

ويرتبط التعرض لثاني أكسيد الكبريت وثاني أكسيد النيتروجين والجسيمات والأوزون أمراض الجهاز التنفسي والقلب والأوعية الدموية والوفاة المبكرة.في حين انخفض تلوث الهواء بشكل عام في الولايات المتحدة.في العقود الأخيرة، الأحياء ذات الدخل المنخفض والأقليات لا يزالون يعانون بشكل غير متناسب من سوء نوعية الهواء.

ويقدر أحد تقارير عام 2022 أن عدد الأمريكيين يبلغ 32 مليونًا تعيش على بعد 3 أميال من مصنع الذروة.في عام 2024، الولايات المتحدةأفاد مكتب محاسبة الحكومة أن المجتمعات العرقية أو الإثنية المحرومة تاريخياً كانت أكثر احتمالاً من الناحية الإحصائية للتواجد فيها أقرب من المتوسط ​​إلى الذروة.

طرق أخرى لتلبية الطلب الذروة

كيف يمكن تحقيق التوازن بين العرض والطلب على الكهرباء؟أحد الخيارات هو استخدام البطاريات تخزين الكهرباء عندما يكون إنتاج طاقة الرياح أو الطاقة الشمسية مرتفعًا، يتم تفريغه عندما يتجاوز الطلب العرض من الموارد التقليدية.

على الرغم من أن تكاليف الاستثمار في البطاريات مرتفعة حاليًا، إلا أنها كذلك ومن المتوقع أن تنخفض بشكل ملحوظ في العقود القادمة.في عام 2023، الولايات المتحدةكان لديها إجمالي حوالي 15 جيجاوات من سعة تخزين البطاريات – أي ما يعادل 15 محطة كبيرة للطاقة النووية – وهذا الرقم يمكن أن يتضاعف في عام 2024.

البديل الآخر هو توسيع أنظمة النقل، مما يجعل من الممكن الاعتماد على الكهرباء منها وحدات منخفضة التكلفة في المناطق النائية بدلاً من الاعتماد على نباتات الذروة القريبة.ومع ذلك، فإن بناء خطوط نقل جديدة يأتي بأهمية كبيرة التحديات التنظيمية والتراخيص واستخدام الأراضي.

والخيار الثالث هو برامج الاستجابة للطلب, ، حيث يدفع مستهلكو الكهرباء أسعارًا أعلى خلال فترات الطلب المرتفعة.يمكن أن يساعد ذلك في تقليل فترات الذروة والانخفاض في الطلب على مدار اليوم، مما يفيد وحدات التحميل الأساسية الأكثر كفاءة ولكن الأقل مرونة والمصممة للعمل على مدار الساعة.

ومع ذلك، فإن معظم المستهلكين لا يدفعون الأسعار حاليًا تعكس التغيرات قصيرة المدى في تكاليف الكهرباء بالجملة.علاوة على ذلك، من غير المؤكد ما إذا كان العملاء السكنيون سيغيرون استهلاكهم بناءً على تقلبات الأسعار قصيرة المدى.تقنيات مثل منظمات الحرارة الذكية وتطبيقات إدارة الطاقة يمكن أن يساعد ذلك من خلال تخفيف العبء عن المستهلكين لضبط استخدامهم للكهرباء يدويًا استجابة لتقلبات الأسعار.

وأخيرا، يستطيع أصحاب محطات توليد الطاقة الاستثمار في التكنولوجيات اللازمة للحد من الانبعاثات الناجمة عن وحدات الوقود الأحفوري.القمم تفتقر عادة إلى تقنيات مكافحة التلوث لأنها لا تستخدم في كثير من الأحيان.إن إعادة تأهيل المحطات القديمة لجعلها أكثر كفاءة يمكن أن يساعد أيضا، لأنها ستنتج انبعاثات أقل لكل وحدة من الكهرباء.

وهذه الاستثمارات مكلفة، لذا يتعين على صناع السياسات أن يوازنوا بين الفوائد الصحية المترتبة على انخفاض تلوث الهواء وتكاليف الاستثمار التي يتحملها أصحاب محطات الطاقة.

زيادة الاستثمار في طاقة الرياح والطاقة الشمسية الحد من تلوث الهواء المحلي من إنتاج الكهرباء.ولكنها تعمل أيضًا على تحويل الإنتاج بعيدًا عن وحدات الحمل الأساسية ذات الكفاءة الحرارية والتي لا يمكنها الاستجابة بسرعة للتحولات في الطلب أو إنتاج مصادر الطاقة المتجددة.وأعتقد أنه من الأهمية المتزايدة استكشاف السياسات القادرة على خلق الحوافز للاستثمار في البدائل مثل تخزين البطاريات والبنية الأساسية للنقل، فضلا عن تحديث محطات توليد الطاقة للحد من التعرض للتلوث.