گام بسوی نظام انرژی اقلیم‌پذیر در ایران: مکمل‌بودن الگوهای فضایی تقاضای گرمایش- سرمایش بر مبنای پتانسیل منابع هیبریدی باد- فتوولتائیک

مقالات آماده انتشار

نوع مقاله : مقاله برگرفته از طرح پژوهشی

نویسندگان
غلامرضا روشن
عبدالعظیم سامان
گروه جغرافیا، دانشگاه گلستان، گرگان، ایران.
10.22034/he.2026.580651.1204
چکیده
این مطالعه با هدف توسعه یک چارچوب جامع اقلیم‌محور برای برنامه‌ریزی انرژی تجدیدپذیر در ایران، به ارزیابی تحلیل فضایی-زمانی هم‌زمان بین تقاضای انرژی گرمایشی–سرمایشی ( HDDو CDD) و پتانسیل تولید انرژی هیبریدی باد- فتوولتائیک می‌پردازد. با توجه به محدودیت مطالعات پیشین که عمدتاً منابع بادی و خورشیدی را به‌صورت جداگانه بررسی کرده‌اند، این پژوهش تلاش می‌کند تعامل پیچیده بین عرضه و تقاضای انرژی را در قالب یک مدل فازی یکپارچه و داده‌محور بازنمایی کند. داده‌های بلندمدت دما، تابش خورشیدی و سرعت باد استخراج‌شده از پایگاه داده ECMWF (محصول ERA5) برای دوره زمانی ۱۹۹۵ تا ۲۰۲۵ و در مقیاس کل کشور، پس از انجام مراحل پیش‌پردازش و نرمال‌سازی، به‌عنوان مبنای محاسبه شاخص‌های تقاضای انرژی (HDD و CDD) و نیز برآورد پتانسیل انرژی خورشیدی و بادی مورد استفاده قرار گرفتند. سپس با استفاده از تحلیل مؤلفه‌های اصلی (PCA) به‌صورت پیکسل محور، وزن‌دهی محلی متغیرها انجام شد تا ناهمگنی اقلیمی ایران به‌طور دقیق لحاظ شود. در ادامه، یک چارچوب تصمیم‌گیری چندمعیاره فازی برای ترکیب تولید و تقاضای انرژی در 4 سناریوی اقلیمی و دو سناریوی راهبردی (خودکفایی و صادرات مازاد) توسعه یافت. نتایج این تحقیق نشان دادند که الگوهای هم‌راستایی بین پتانسیل تجدیدپذیر و تقاضای انرژی در ایران کاملاً ناهمگن و وابسته به شرایط اقلیمی–جغرافیایی است. جنوب و جنوب‌شرق کشور به دلیل هم‌زمانی تابش بالا و نیاز شدید سرمایشی، مناسب‌ترین نواحی برای توسعه انرژی خورشیدی و خودکفایی محلی هستند. در مقابل، شرق و بخش‌هایی از مرکز کشور با وجود برخورداری از هر دو منبع باد و خورشید، بیشترین پتانسیل برای سیستم‌های هیبریدی واقعی را نشان می‌دهند. نواحی شمال‌غرب و غرب با وجود نیاز گرمایشی بالا، به دلیل پتانسیل محدود خورشیدی و هم‌راستایی ضعیف با باد، کمترین مطلوبیت را دارند. همچنین سناریوهای تقاضای بالا بیشترین انطباق فضایی را ایجاد کرده و سناریوهای تقاضای پایین مناطق مناسب برای تولید و صادرات انرژی مازاد را آشکار می‌سازند. در مجموع، نتایج بیانگر آن است که برنامه‌ریزی بهینه انرژی در ایران باید مبتنی بر «منطقه‌بندی عملکردی» و در نظر گرفتن هم‌زمان تولید و تقاضا باشد. این رویکرد می‌تواند به افزایش بهره‌وری، کاهش اتلاف انرژی، بهبود امنیت انرژی و تسهیل گذار به سیستم کم‌کربن کمک کند.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله English

Complementarity of spatial patterns of heating–cooling demand based on the potential of hybrid wind‑photovoltaic resources

نویسندگان English

Gholamreza Roshan
AbdolAzim Saman
Department Of Geography, Golestan University, Shahid Beheshti, Gorgan, 49138-157.
چکیده English

This study aims to develop a comprehensive climate-oriented framework for renewable energy planning in Iran by evaluating the simultaneous spatio-temporal analysis between heating–cooling energy demand (HDD and CDD) and the potential for hybrid wind-PV energy generation. Given the limitation of previous studies, which have primarily examined wind and solar resources separately, this research attempts to represent the complex interaction between energy supply and demand within an integrated, data-driven fuzzy model. Long-term temperature, solar radiation, and wind speed data extracted from the ECMWF database (ERA5 product) for the period 1995–2025 across the entire country, after preprocessing and normalization, were used as the basis for calculating energy demand indices (HDD and CDD) as well as estimating solar and wind energy potential. Subsequently, using pixel-wise Principal Component Analysis (PCA), local weighting of variables was performed to accurately account for Iran's climatic heterogeneity. Next, a fuzzy multi-criteria decision-making framework was developed to combine energy generation and demand under four climatic scenarios and two strategic scenarios (self-sufficiency and surplus export). The results of this study indicate that the alignment patterns between renewable potential and energy demand in Iran are highly heterogeneous and dependent on climatic–geographical conditions. The south and southeast of the country, due to the coincidence of high solar radiation and intense cooling demand, are the most suitable areas for solar energy development and local self-sufficiency. In contrast, the east and parts of the central region, despite possessing both wind and solar resources, show the highest potential for genuine hybrid systems. The northwest and west, despite high heating demand, have the lowest suitability due to limited solar potential and weak alignment with wind. Furthermore, high-demand scenarios create the greatest spatial correspondence, while low-demand scenarios reveal suitable areas for surplus energy generation and export. Overall, the results indicate that optimal energy planning in Iran must be based on "functional zoning" and the simultaneous consideration of generation and demand. This approach can help increase efficiency, reduce energy waste, improve energy security, and facilitate the transition to a low-carbon system.

کلیدواژه‌ها English

Decarbonization
Fuzzy scenario analysis
Heating demand
Hybrid wind–PV systems
Spatio‑temporal complementarity
1.      Ahmadi, P., Dincer, I., & Rosen, M. A. (2023). Energy and exergy analysis of heat pump systems. Energy Conversion and Management, 279, 116731.
2.      Al Shabaan, G. N., & Altarawneh, I. S. (2026). Decoding Climatic Drivers of Solar Photovoltaic Output in Arid Climates: Integrating Sensitivity, Lag Dynamics, and Principal Component Analysis for Forecasting Accuracy. Sustainable Energy Technologies and Assessments, 86, 104851.
3.      Atabi, F. (2004). Renewable energy in Iran: Challenges and opportunities for sustainable development. International Journal of Environmental Science & Technology, 1(1), 69-80.
4.      Babiarz, B., Krawczyk, D. A., Siuta-Olcha, A., Manuel, C. D., Jaworski, A., Barnat, E., Cholewa, T., Sadowska, B., Bocian, M., Gnieciak, M., Werner-Juszczuk, A., Kłopotowski, M., Gawryluk, D., Stachniewicz, R., Święcicki, A., & Rynkowski, P. (2024). Energy efficiency in buildings: Toward climate neutrality. Energies, 17(18), 4680.
5.      Bahrami, M., & Abbaszadeh, P. (2013). An overview of renewable energies in Iran. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 24, 198-208.
6.      Brown, T., Schlachtberger, D., Kies, A., Schramm, S., & Greiner, M. (2018). Synergies of sector coupling and transmission reinforcement in a cost-optimised, highly renewable European energy system. Energy, 160, 720-739.
7.      Carvalho, D., Faria, L., Silva, R., & Rocha, A. (2026). Climate change impacts on photovoltaic solar energy production in Portugal. Energy and Climate Change, 100235.
8.      Center for Sustainable Systems, University of Michigan. (2025). Solar PV Energy Factsheet. Retrieved February 21, 2026, from https://css.umich.edu/publications/factsheets/energy/solar-pv-energy-factsheet
9.      Fernandes, J., Remédios, S., Gérard, F., Bačan, A., Stroleny, M., Drosou, V., & Christodoulaki, R. (2025). The decarbonisation of heating and cooling following EU directives. Energies, 18(13), 3432.
10.   Ghanghermeh, A. A., Roshan, G. R., Martinez, A., & Iglesias, G. (2025). Offshore wind resources in the Caspian Sea under climate change. Energy, 328, 136355.
11.   Ghobadian, B., Najafi, G., Rahimi, H., & Yusaf, T. F. (2009). Future of renewable energies in Iran. Renewable and sustainable energy reviews, 13(3), 689-695.
12.   Gielen, D., Gorini, R., Wagner, N., Leme, R., Gutierrez, L., Prakash, G., ... & Renner, M. (2019). Global energy transformation: a roadmap to 2050.
13.   Heide, D., Greiner, M., Von Bremen, L., & Hoffmann, C. (2011). Reduced storage and balancing needs in a fully renewable European power system with excess wind and solar power generation. Renewable Energy, 36(9), 2515-2523.
14.   Hosseini, S. E., Andwari, A. M., Wahid, M. A., & Bagheri, G. (2013). A review on green energy potentials in Iran. Renewable and sustainable energy reviews, 27, 533-545.
15.   International Energy Agency (IEA). (2023). Energy profile: Iran. Paris: IEA.
16.   Jacobson, M. Z., Sambor, D. J., Fan, Y. F., Mühlbauer, A., & DiBari, G. C. (2026). The impact of enhanced geothermal systems on transitioning all energy sectors in 150 countries to 100% clean, renewable energy. Cell Reports Sustainability.
17.   Jonasson, E., & Temiz, I. (2026). Evaluating complementarity: A review of metrics and their implications for hybrid renewable energy systems. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 226, 116422.
18.   Kalogirou, S. A. (2014). Solar energy engineering: Processes and systems. Academic Press.
19.   Khan, A., Ali, Y., & Pamucar, D. (2023). Solar PV power plant site selection using a GIS-based non-linear multi-criteria optimization technique. Environmental Science and Pollution Research, 30(20), 57378-57397.
20.   Kulovesi, K., Oberthür, S., Van Asselt, H., & Savaresi, A. (2024). The European Climate Law: Strengthening EU procedural climate governance? Journal of Environmental Law, 36(1), 23–42.
21.   Li, C. (2018). Comparative Performance Analysis of Grid‐Connected PV Power Systems with Different PV Technologies in the Hot Summer and Cold Winter Zone. International Journal of Photoenergy, 2018(1), 8307563.
22.   Maduta, C., D’Agostino, D., Tsemekidi-Tzeiranaki, S., Castellazzi, L., Melica, G., & Bertoldi, P. (2023). Towards climate neutrality within the European Union: Assessment of the Energy Performance of Buildings Directive implementation. Energy and Buildings, 301, 113716.
23.   Maleki, A., & Khajeh, M. G. (2017). Wind energy assessment in Iran. Renewable Energy, 101, 1015–1025.
24.   Ministry of Energy of Iran. (2022). National energy balance report. Tehran.
25.   Mohamadi, H., Saeedi, A., Firoozi, Z., Zangabadi, S. S., & Veisi, S. (2021). Assessment of wind energy potential and economic evaluation of four wind turbine models for the east of Iran. Heliyon, 7(6).
26.   Mostafaeipour, A., et al. (2016). Wind energy feasibility in Iran. Energy Exploration & Exploitation, 34(3), 367–389.
27.   Munćan, V., Mujan, I., Macura, D., & Anđelković, A. S. (2024). The state of district heating and cooling in Europe. Energy, 304, 132191.
28.   Nasseri, M., et al. (2022). Climate change impacts on heating and cooling degree days in Iran. Climate Dynamics, 58, 1231–1248.
29.   Razmjoo, A., & Sumper, A. (2021). Renewable energy potential in Iran. Energy Reports, 7, 291–305.
30.   Rezaei, M., et al. (2021). Spatial analysis of renewable energy resources in Iran. Journal of Cleaner Production, 279, 123456.
31.   Roshan, G. R., Saman, A. A., Sarli, R., Martinez, A., & Iglesias, G. (2025). Projected shifts in wind energy availability in response to climate change in southwestern Iran. Sustainable Energy Technologies and Assessments, 83, 104655.
32.   Roshan, G., Farrokhzad, M., & Attia, S. (2017). Defining thermal comfort boundaries for heating and cooling demand estimation in Iran’s urban settlements. Building and Environment, 121, 168–189.
33.   Russo, M. A., Carvalho, D., Martins, N., & Monteiro, A. (2023). Future perspectives for wind and solar electricity production under high-resolution climate change scenarios. Journal of Cleaner Production, 404, 136997.
34.   Shakouri, H., & Yazdani, M. (2023). Climate variability and electricity demand in Iran. Energy Policy, 173, 113345.
35.   Tlili, I. (2015). Renewable energy in Saudi Arabia: current status and future potentials. Environment, development and sustainability, 17(4), 859-886.
36.   Uddin, R., Shaikh, A. J., Khan, H. R., Shirazi, M. A., Rashid, A., & Qazi, S. A. (2021). Renewable energy perspectives of Pakistan and Turkey: Current analysis and policy recommendations. Sustainability, 13(6), 3349.
37.   UNDP. (2022). Iran energy transition report. United Nations Development Programme.
38.   Wang, Y., Ma, M., Zhou, N., & Ma, Z. (2025). Evaluating the decarbonization of residential building electrification worldwide. Sustainable Cities and Society, 130, 106549.
39.   Zakari, Y., Vuille, F., & Lehning, M. (2022). Climate change impact assessment for future wind and solar energy installations in India. Frontiers in Energy Research, 10, 859321.
40.   Zambrano-Asanza, S., Quiros-Tortos, J., & Franco, J. F. (2021). Optimal site selection for photovoltaic power plants using a GIS-based multi-criteria decision making and spatial overlay with electric load. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 143, 110853.
41.   Żelazna, A., & Pawłowski, A. (2025). Role of heat pumps in decarbonization of the building sector. Energies, 18(13), 3255.
اکولوژی انسانی

مقالات آماده انتشار، پذیرفته شده
انتشار آنلاین از 19 اردیبهشت 1405