ترفند‌های جهانی برای رفع ناترازی با فناوری؛ کاهش خاموشی با هوش مصنوعی

افزایش مصرف انرژی به یک چالش جهانی تبدیل شده است و کشور‌ها با بهره‌گیری از نوآوری‌های مختلف تلاش می‌کنند این مشکل را حل کنند.

کد خبر: ۱۲۷۰۱۱۸

چهارشنبه - ۱۴ خرداد ۱۴۰۴ / June 04, 2025

به گزارش گروه دانشگاه خبرگزاری دانشجو، بحران ادامه‌دار انرژی جهانی با افزایش قیمت حامل‌های انرژی و کاهش ذخایر خود را نشان می‌دهد و نیاز روزافزون به استفاده کارآمد از آن را بیش‌از پیش می‌کند. برای برطرف‌کردن این چالش‌ها به سرمایه‌گذاری‌های قابل‌توجه در فناوری‌های صرفه‌جویی در مصرف انرژی نیاز است که مصرف برق و تأثیر زیست‌محیطی را در کنار هزینه‌ها کاهش می‌دهد.

فناوری‌های صرفه‌جویی در انرژی شامل طیف وسیعی از فرایند‌ها و نوآوری‌هاست که برای کاهش مصرف انرژی و منابع ابداع شده‌اند. این فناوری‌ها را می‌توان جایگزین منابع انرژی جدید یا بهبود کارآمدی سیستم‌های فعلی به کاربرد.

نوآوری‌های صرفه‌جویانه برای ساختمان‌ها

ساختمان‌ها ۳۰ درصد مصرف انرژی جهان و ۲۶ درصد انتشار گاز‌های گلخانه‌ای را به خود اختصاص داده‌اند. به همین دلیل روش‌های بهینه‌سازی مصرف انرژی در ساختمان‌ها هدف تحقیقات متعددی بوده است. چند نوآوری برای ارتقای صرفه‌جویی در این اواخر ارائه شده‌اند که عبارت‌اند از مواد پیشرفته عایق‌بندی سیستم‌های کم‌مصرف HVAC و فناوری ساختمان‌های هوشمند که مدیریت انرژی را بهینه و هدررفت آن را کاهش می‌دهند.

در کنار اینها اخیراً محققان دانشگاه علم‌وفناوری هنگ‌کنگ یک دستگاه خنک‌کننده تابشی ابداع کرده‌اند که می‌تواند مصرف انرژی را در مقایسه با دستگاه‌های تهویه هوای معمول ۵۰.۴ درصد کاهش دهد.

این سیستم خنک‌کننده هوا برخلاف نمونه‌های معمول به جریان هوا متکی است. دستگاه مذکور از یک ماژول خنک‌کننده ترموالکتریک که به سینک حرارتی و یک پنل آلومینیومی متصل است، تشکیل شده تا یک سطح بسیار سرد بسازد که بدون جریان هوا محیط را به طور مستقیم خنک می‌کند. هرچند این نمونه اولیه روی خنک‌کردن متمرکز است، اما می‌توان با معکوس کردن جریان آن را برای گرمایش نیز سازگار کرد. محققان معتقدند که ترکیب این ابزار با دستگاه‌های رطوبت‌گیر در محیط‌های مرطوب، به همراه پیشرفت‌های فناوری ترموالکتریک و استفاده از موادی مانند آئروژل، کارآمدی آن را به‌طور قابل‌توجهی افزایش می‌دهد.

ترموستات‌های مجهز به هوش مصنوعی

ترموستات‌های هوشمند از حدود یک دهه قبل در بازار وجود دارند و نسل جدید آنها اکنون با استفاده از هوش مصنوعی صرفه‌جویی را گسترده‌تر می‌کند. گوگل نسل چهارم ترموستات «نست» خود را سال گذشته میلادی عرضه کرد که از یادگیری ماشینی پیشرفته برای ایجاد سازگاری‌های میکرو در دمای محیط و بهینه‌سازی مصرف انرژی استفاده می‌کند. این سیستم دمای متناسب برای خانه را می‌آموزد و بر اساس الگو‌های مختلف شرایط آب‌وهوا و مشکلات احتمالی، HVAC آن را تنظیم می‌کند.

به گفته گوگل مدل‌های پیشین نست به طور متوسط ۱۰تا ۱۲ درصد از هزینه‌های گرمایش و ۱۵ درصد هزینه‌های سرمایش را کاهش می‌دادند. نسخه جدید مجهز به هوش مصنوعی شاخص صرفه‌جویی در انرژی را بیشتر می‌کند.

بازسازی هوشمند سامانه‌های گرمایش، تهویه و سرمایش در ساختمان‌های قدیمی

کلوین یک شرکت HVAC آمریکایی، ابزار Cozy را ابداع کرده که یک محفظه عایق حرارتی است که کارآمدی رادیاتور‌های قدیمی را بهبود می‌دهد. این سیستم روی رادیاتور‌های فعلی نصب می‌شود تا آزادشدن گرما را بهینه و کنترل کند، یک جریان مداوم هوا را حفظ و دمای محیط را از پیش تعیین شده نگه دارد. این شرکت از زمان احداث خود در ۲۰۲۱ میلادی در بازسازی بیش از ۱۵ هزار ساختمان در نیویورک و در اماکنی مانند مدارس و ایستگاه‌های پلیس به‌کاررفته است. دستگاه مذکور را می‌توان برای انواع مختلف رادیاتور شخصی‌سازی کرد تا هزینه‌های گرمایش تا ۴۵ درصد کاهش یابد که به صرفه‌جویی در انرژی و بهبود راحتی ساختمان‌ها کمک می‌کند.

فناوری‌های نوآورانه گرمایش

پمپ‌های حرارتی یک جایگزین صرفه‌جویانه نسبت به دستگاه‌های تهویه هوای سنتی و مشعل‌ها هستند؛ زیرا به‌جای تولید گرما آن را منتقل می‌کنند. پمپ‌های حرارتی مانند یخچال، از برق برای انتقال گرما از یک فضای خنک به یک فضای گرم استفاده می‌کنند. آنها در زمستان گرمای فضای خارج را به داخل خانه هدایت می‌کنند و در تابستان گرما را از خانه به بیرون می‌رانند. محققان معتقدند استفاده از چند دستاورد مانند استفاده از مواد خنک‌کننده بهبودیافته و قابلیت‌های کنترل پیشرفته، کارآمدی و عملکرد پمپ‌های گرمایشی را ارتقا می‌دهد.

پمپ‌های گرمایشی با منبع آب

محققان دانشگاه ادینبرا سیستم‌های گرمایش جمع‌وجور Sea Wram و River Warm را ابداع کرده‌اند که انرژی را از منابعی مانند دریا، رودخانه و دریاچه‌ها با استفاده از فناوری مشابه پمپ‌های گرمایشی با منبع هوا استخراج می‌کنند. این سیستم‌ها گرمایش مناسب را با استفاده از گلایکول (یک ترکیب شیمیایی آلی) از آب جذب می‌کنند و در مرحله بعد فشرده و به یک پمپ گرمایشی که گرما برای رادیاتور و حمام‌ها فراهم می‌کند، انتقال می‌دهند. این پمپ‌ها ۳۵۰ تا ۴۰۰ درصد گرمای بیشتری نسبت به پمپ‌های برقی تولید می‌کنند. آنها طوری طراحی شده‌اند تا جمع‌وجور و قابل‌حمل باشند، به همین دلیل برای مناطق دورافتاده و ساحلی مناسب هستند. همچنین آنها عملکرد مداومی دارند؛ زیرا دمای آب کمتر از هوا نوسان می‌کند. این پمپ‌های گرمایشی یک جایگزین کارآمد برای گرمایش با گاز و نفت هستند و پیش‌بینی می‌شود به بخشی یکپارچه از طرح انگلیس برای گذار به سمت انرژی کربن - صفر باشند.

پمپ حرارتی CHP مقیاس بزرگ

در لگمو آلمان در تاسیسات شهری دو پمپ گرمایشی مبتنی بر آمونیاک نصب شده تا گرمایش منطقه را تأمین کند. این پمپ‌های گرمایشی بزرگ ۱۸ گیگاوات ساعت گرما در سال از واحد تصفیه آب این شهر فراهم می‌کنند. واحد تصفیه فاضلاب دو سوم نیاز گرمایشی این شهر قدیمی را تأمین می‌کند و هم‌زمان هزینه‌ها را تا ۴۰درصد و انتشار دی‌اکسیدکربن را سالانه ۳۲۰۰ متریک تن کاهش می‌دهد.

بهبود صرفه‌جویی انرژی خورشیدی با یادگیری ماشینی و ردیابی پرتو قابل‌جداسازی

نیروگاه‌های خورشیدی متمرکز (CSP) یک منبع انرژی پاک امیدوارکننده هستند که می‌توانند حتی در شب‌ها به طور رقابتی برق تولید و سوخت‌های کربن خنثی تولید کنند. آنها با استفاده از آینه‌ها که به نام هلیواستات شناخته می‌شوند، نور خورشید را بر روی یک گیرنده متمرکز کرده و به دما‌های بالا دست می‌یابند که ممکن است از هزار درجه سانتی‌گراد فراتر برود. نیروگاه‌های خورشیدی متمرکز باوجود پتانسیل بالایشان با چالش‌های متعددی در زمینه دستیابی به این دمای بالا و حفظ آن رو‌به‌رو هستند که دلیل چالش‌های عملیاتی مانند نا هم‌راستایی ردیابی خورشید و تغییرات سطحی است.

این عوامل ممکن است به افزایش ناگهانی و خطرناک دما منجر شوند و به همین دلیل نیازمند حاشیه ایمنی زیاد هستند که روی بهره‌وری تأثیر می‌گذارد. تحقیقی که در نشریه نیچر کامونیکیشنز منتشر شده برای برطرف‌کردن این چالش یک روش مبتنی بر یادگیری ماشینی ارائه کرده که از فناوری ردیابی پرتوی قابل‌جداسازی جهت تحلیل کالیبراسیون عکس‌ها و بهینه‌سازی تنظیمات هلیواستات استفاده می‌کند. این روش بهینه‌سازی مبتنی بر شیب را با مدل یادگیری ترکیب می‌کند تا نقص‌های کمتر از میلی‌متر را ردیابی و پروفایل‌های تابش دقیق را پیش‌بینی کند که به طور قابل‌توجهی از تکنیک‌های موجود در دقت و خودکار بودن بهتر است.

این دستاورد می‌تواند عملکرد واحد‌های CSP و همچنین ایمنی آنها را بهبود دهد و احتمالاً درآمد سالانه برای واحد‌های کوچک‌تر تا ۳۹ درصد افزایش می‌یابد. همچنین سابقه‌ای برای یکپارچه‌سازی مدل‌های مبتنی بر داده و فیزیکی در زمینه انرژی فراهم می‌شود.

هوش مصنوعی شبکه توزیع برق را بهینه می‌کند

یک روش دیگر در این زمینه گسترش شبکه‌های توزیع هوشمند است که طی سال‌ها تکامل یافتند؛ اما در سال جاری میلادی به سطح بالاتری دست‌یافته‌اند. این شبکه‌های توزیع برق، هوش مصنوعی و مدل‌های زبانی را برای پیش‌بینی افزایش تقاضا، بهینه‌سازی توزیع انرژی و جلوگیری از خاموشی به کار می‌برند. شبکه‌های توزیع هوشمند با فعال‌سازی ارتباط دوجانبه بین تاسیسات شهری و مصرف‌کنندگان به مشتریان چشم‌اندازی واقعی از انرژی استفاده می‌کنند. این تکامل از یکپارچه‌سازی انرژی‌های پاک پشتیبانی می‌کند.

روش‌های نگهداری پیش‌بینانه مبتنی بر هوش مصنوعی

هوش مصنوعی و تحلیل‌های پیش‌بینی‌کننده، شیوه نگهداری از زیرساخت‌ها در تاسیسات را دگرگون می‌کنند. در سال ۲۰۲۵ میلادی سیستم‌های نگهداری پیش‌بینی‌کننده انبوهی از مخازن داده را از حسگر‌های اینترنت اشیا تحلیل می‌کنند تا اختلال در تجهیزات را قبل از وقوع آنها پیش‌بینی کند.

چنین فرایندی مدت‌زمان نبود انرژی و سرویس را کاهش می‌دهد، از هزینه‌ها کم می‌کند و ارائه مداوم سرویس را تضمین می‌کند. تحقیقات مؤسسه گارتنر حاکی از آن است که تاسیسات شهری با اجرای سیستم‌های نگهداری پیش‌بینی‌کننده مبتنی بر هوش مصنوعی، قادر به ۲۵ درصد کاهش در هزینه‌های عملیاتی هستند. این سیستم‌ها با اتکا به شبکه‌های عصبی پیشرفته داده‌های تاریخی و واقعی را پردازش می‌کنند و در نتیجه تاسیسات می‌توانند اختلالات احتمالی را با دقت بی‌سابقه‌ای پیش‌بینی و حل کنند.

سیستم‌های انرژی غیرمتمرکز

میکرو شبکه‌ها و سیستم‌های انرژی غیرمتمرکز هر روز بیشتر از روز قبل محبوب می‌شوند. این سیستم‌ها که با منابع انرژی تجدیدپذیر فعال می‌شوند، به طور مستقل یا همراه شبکه‌های توزیع سنتی کار می‌کنند. مدل‌های غیرمتمرکز در ۲۰۲۵ میلادی راه‌حلی شخصی‌سازی‌شده برای مناطق دورافتاده هستند. طبق گزارش‌های مؤسسه Allied Market Research پیش‌بینی می‌شود بازار میکروشبکه‌ها تا سال جاری میلادی رشد کند و ارزش آن به ۶۳ میلیارد دلار برسد. این تغییر به مناطق دورافتاده و محروم کمک می‌کند تا ذخیره انرژی خود را تولید و کنترل کنند و از اتکا به زیرساخت‌های متمرکز بکاهند.

سیستم‌های خنک‌کننده مبتنی بر هوا

انستیتوی تحقیقات انرژی کره جنوبی برای نخستین‌بار در این کشور موفق به توسعه فناوری انجمادی شده است که به‌جای استفاده از گاز‌های فریون، HFC‌ها و سایر مواد خنک‌کننده مضر، از هوای معمولی به‌عنوان عامل سرمایش بهره می‌برد. این نوآوری می‌تواند نقش مهمی در کاهش گرمایش جهانی داشته باشد، چرا که مواد خنک‌کننده رایج از عوامل اصلی تخریب لایه اوزون و افزایش دمای زمین هستند. در این تحقیق به طور موفقیت‌آمیز یک ماده خنک‌کننده با قابلیت فشرده و نافشرده کردن بالا و یکپارچه ابداع شده که در انجماد با کمک هوا به کار می‌رود و برای نخستین‌بار در کره جنوبی یک سیستم خنک‌کننده مبتنی بر هوا ابداع شده است. با استفاده از این سیستم می‌توان به دمای ۶۰- درجه سلسیوس با استفاده از هوا به‌عنوان ماده خنک‌کننده دست‌یافت.

سیستم‌های انجماد و خنک‌کننده فعلی به طور معمولی از چرخه کمپرس بخار استفاده می‌کنند. در این روش خنک‌سازی با استفاده از تبخیرکردن مایع خنک‌کننده و جذب گرما رخ می‌دهد. اما یک مشکل اساسی آن اتکا به گاز‌های گلخانه‌ای فلوئوردار به‌عنوان خنک‌کننده است که به گرمایش جهانی منجر می‌شود. در همین راستا محققان روی یک سیستم خنک‌سازی تکیه کردند که هوا را به‌عنوان خنک‌کننده به کار می‌گیرد. این روش برخلاف شیوه‌های معمول شامل تبخیر یک مایع است. این سیستم گاز را فشرده می‌کند و در مرحله بعد وارد فرایند انتقال گرما و انبساط می‌شود تا یک گاز با دمای پایین تولید کند که بدن نیاز به خنک‌کننده‌های مایع، هوا را سرد می‌کند.

سیستم‌های زمین گرمایشی برای تأمین سرما و گرما در شیکاگو

یکی از نمونه‌های صرفه‌جویی در مصرف برق اتکا به منابع پاک انرژی است. در همین راستا شرکت ناسودآور Blacks in Green با استفاده از سیستم‌های زمین گرمایشی چند ساختمانی به گرمای حدود ۵۵ درجه در تمام سال دست می‌یابد. در مرحله نخست این پروژه کارگران ۴۵۰ فوت لوله پلاستیکی به زیر کوچه‌های شیکاگو می‌فرستند. در این لوله‌ها ماده سیالی جریان دارد که گرما را جذب و آزاد می‌کند و می‌تواند این چرخه را در ۶۹ ساختمان در یک منطقه اجرا کند و به‌این‌ترتیب گرمایش و تهویه‌مطبوع را تأمین کند. این پروژه ۱۰.۸ میلیارددلاری یکی از ۵ طرح منطقه زمین گرمایشی در آمریکا است که وزارت انرژی بودجه آن را تأمین می‌کند. البته سیستم گرمایش و سرمایش زمین گرمایی چند ساختمانی به مدت چند دهه و بیشتر اوقات در پردیس کالج‌ها و مجتمع‌های نظامی برای کاهش هزینه‌های انرژی به کار می‌رود. اما اکنون توجهات به سیستم‌ها در مناطق مسکونی در حال افزایش است که از دلایل آن می‌توان به استفاده از انرژی پاک، افزایش تقاضا برای برق و کاهش سرعت افزوده‌شدن منابع جدید نیرو به شبکه توزیع الکتریسیته اشاره کرد.

البته آینده این پروژه تحت دولت دونالد ترامپ نامشخص است.

باز مصرف سوخت هسته‌ای برای تأمین نیاز برق

استارت‌آپ فرانسوی هلندی Thorizon راه‌حلی نوین برای چالش فزاینده دورریز زباله هسته‌ای و تولید برق برای تأمین نیاز شهروندان ارائه کرده است. این شرکت قصد دارد زباله‌های هسته‌ای قدیمی را به یک منبع پایدار، ارزان و انعطاف‌پذیر انرژی تبدیل کند و در همین راستا از طرح‌های خود برای ساخت یک رآکتور ماژولی نمک مذاب که از موجودی‌های موجود سوخت هسته‌ای مصرف شده که با توریوم ترکیب شده است، برای تولید ۱۰۰ مگاوات برق استفاده می‌کند. این میزان برق ۲۵۰ هزار خانه را به مدت بیش از ۴۰ سال تأمین می‌کند. جالب آنکه سوخت هسته‌ای مصرف شده، حدود ۹۰ درصد انرژی اولیه خود را داراست؛ بنابراین شرکت مذکور راهی برای استخراج انرژی باقیمانده ارائه کرده است. هرچند نخستین رآکتور برنامه‌ریزی‌شده این شرکت قرار است ۲۵۰ مگاوات گرمای صنعتی برای فرایند‌هایی مانند تولید مواد شیمیایی و هیدروژن فراهم کند. این رآکتور را می‌توان طوری برنامه‌ریزی کرد تا ۱۰۰ مگاوات برق تولید کند. علاوه‌برآن سیستم می‌تواند ۱۰۰ مگاوات را به ظرفیت انعطاف‌پذیری ۵۰-۳۰۰ مگاوات تبدیل کند، انرژی را در زمان‌هایی که تقاضا اندک است ذخیره و در ساعات اوج مصرف آزاد کند. این شرکت تصمیم دارد ساخت نخستین رآکتور خود را طی ۵ سال آینده آغاز کند.