سند تامین پایدار آب و انرژی استان خراسان رضوی

بخش کشاورزی عمده ترین مصرف کننده آب در کشور ایران است و یکی از مصرف کنندگان عمده انرژی نیز سیستم های پمپاژ چاه های کشاورزی هستند. بیش از 80 درصد آب مصرفی در استان خراسان رضوی مربوط به بخش کشاورزی است و در زمان اوج بار مصرف برق در تابستان، مصرف برق چاه های کشاورزی این استان به 50 درصد کل مصارف (به غیر از مشهد و صنایع سنگین) نیز می رسد. از طرفی مسئله مدیریت مصرف برق در چاه های کشاورزی با مدیریت مصرف آب پیوند خورده است؛ به این معنی که مدیریت مصرف در هرکدام از این دو حوزه منجر به مدیریت مصرف در حوزه دیگر خواهد شد. بنابراین شناسایی و ارزیابی روش های مدیریت مصرف آب و انرژی در چاه های کشاورزی از اهمیت بالایی برخوردار است.

ضرورت و اهداف پژوهش

طبق آخرین آمار ارائه شده توسط شرکت آب منطقه خراسان رضوی در سال آبی 1400-1399 تعداد 8965 حلقه چاه مجاز برقی کشاورزی وجود دارد. در سال 1397 صرفا چاه های کشاورزی استان حدودا 3.21 هزار گیگاوات ساعت انرژی الکتریکی مصرف کرده اند. ازدیاد برداشت روزافزون از منابع آبی زیرزمینی طی سال های اخیر باعث شده است تا سطح آب های زیرزمینی کاهش یافته و انرژی لازم برای پمپاژ آب به سطح زمین افزایش یابد. از طرفی این افزایش در انرژی پمپاژ باعث افزایش در تقاضای مصرف برق شده و تولید این مقدار برق مازاد نیز بسته به نوع تکنولوژی تولید برق نیاز به آب داشته و در نتیجه منجر به مصرف مضاعف آب خواهد شد. با توجه به رشد روزافزون مصرف برق در کشور و ناترازی بیش از 10 هزار مگاواتی نیاز مصرف و تولید برق و سهم قابل توجه مصرف برق چاه های کشاورزی استان (طبق اعلام مسئولین شرکت توزیع برق استان خراسان رضوی حدود 50 در صد از پیک مصرف برق تابستان این شرکت متعلق به چاه های کشاورزی استان است) ضرورت دارد که مطالعات لازم در جهت بهینه سازی مصرف برق این چاه ها صورت بگیرد. عدم برنامه ریزی صحیح در این حوزه می تواند باعث قطعی برق این چاه ها و متعاقبا کاهش تولید و تبعات اجتماعی اقتصادی زیان بار بشود. از همین رو پژوهش حاضر با بررسی داده های موجود به دنبال ارائه سناریوهایی برای حل این مشکل است.

شناخت مشخصات اقلیمی منطقه و آگاهی از ساختار آب رسانی انواع زمین های کشاورزی آن

استان خراسان رضوی سرزمین خشک و کم باران و میانگین بارش درازمدت آن 220 میلی متر در سال است. این مقدار کمتر از یک سوم میانگین بارش سالانه خشکی های کره زمین و اندکی کمتر از میانگین بارش سالانه ایران است. بررسی منابع زیرزمینی استان نشان می دهد که 82 درصد از آب های زیرزمینی استان از چاه ها استحصال می شوند. همچنین حدود 83 درصد مصرف آب استان را بخش کشاورزی تشکیل می دهد. بررسی چاه های استان نشان دهنده این است که بیشترین تعداد چاه ها مربوط به بخش کشاورزی و چاه های عمیق هستند که بخش اعظم این چاه ها با نیروی محرک تولیدشده توسط برق کار می کنند. روند تغییر تعداد و آبدهی چاه ها از سال 1382 تا 1396 نشان دهنده این است که تعداد چاه های عمیق و عمق آن ها افزایش یافته ولی حجم آب برداشت شده کاهش یافته است؛ یعنی در آبخوان های زیرزمینی دیگر آبی نیست که با افزایش تعداد و عمق چاه ها برداشت شود. همچنین عمر مفید چاه ها، از 25 سال به 5 سال کاهش یافته است. در این فاصله زمانی برای رسیدن به حجم آب حتی کمتر از سال 1392 چاه های استان 196 کیلومتر کف شکنی و 1664 کیلومتر تغییر محل داده شده است.

بررسی سناریوهای موجود جهت مدیریت مصرف برق چاه های کشاورزی

در این بخش راهکارها و سناریوهای موجود جهت مدیریت مصرف برق چاه های کشاورزی ارائه خواهد شد. از 7467 چاه مورد بررسی اطلاعات نوع سیستم پمپاژ تعداد 4404 چاه در دسترس است. پمپ ها در بانک اطلاعاتی آب منطقه به 3 نوع «شناور»، «شافت و غلافی عمودی» و «شافت و غلافی افقی» تقسیم بندی شده اند. با توجه به تعداد اندک سیستم شافت و غلافی افقی (129 عدد در کل استان) این سیستم نیز همراه با شافت و غلافی عمودی در نظر گرفته می شود. با این فرض 59 درصد سیستم پمپاژ در کل استان به صورت شافت و غلافی و 41 درصد به صورت شناور است. بررسی ها نشان می دهند که شدت مصرف انرژی سیستم های شافت و غلافی 11 درصد و توان مصرفی آن ها 28 درصد و شدت مصرف انرژی بر واحد عمق نصب پمپ آن ها 24 درصد از سیستم های شافت و غلافی بیشتر است.

بررسی سناریو تعویض الکتروپمپ های شافت و غلاف با شناور و میزان صرفه جویی حاصل شده از آن

همان طور که بیان شد، تفاوت قابل ملاحظه مصرف انرژی سیستم های شناور و شافت و غلاف مبرهن است. در این سناریو تفاوت توان و مصرف انرژی این سیستم ها 20 درصد در نظر گرفته خواهد شد.

• میزان کاهش توان در اثر اجرای سناریو: مطابق بررسی های صورت گرفته جمع کل کاهش توان پمپ های مورد مطالعه حاصل از این سناریو در سطح استان 32104 کیلووات است، اگر با یک تقریب الگوی پمپ های مورد مطالعه به کل استان تعمیم داده شود، 65352 کیلووات کاهش توان پمپ ها در سطح استان اتفاق خواهد افتاد؛ یعنی طبق این سناریو تعویض و جایگزینی پمپ های شافت و غلاف با شناور معادل احداث نیروگاهی 65 مگاواتی است؛
• میزان کاهش مصرف انرژی و انتشار گازهای گلخانه ای طی یک سال: جمع کل کاهش مصرف انرژی پمپ های مورد مطالعه حاصل از این سناریو در سطح استان 193.64 گیگاوات ساعت و 116.18 کیلوتن کاهش انتشار کربن دی اکسید معادل است. اگر با یک تقریب الگوی پمپ های مورد مطالعه به کل استان تعمیم داده شود 395.03 گیگاوات ساعت کاهش مصرف انرژی پمپ ها و 237 کیلوتن کاهش انتشار کربن دی اکسید معادل در سطح استان اتفاق خواهد افتاد.

تحلیل اقتصادی این سناریو نیز نشان دهنده این است که قیمت نصب و راه اندازی سیستم های پمپاژ شناور می تواند از 1500 الی 4500 میلیون ریال متغیر باشد.

ارزیابی استفاده از سیستم کنترل دور (اینورتر) در پمپاژ چاه های کشاورزی

کنترل کننده دور موتور دستگاهی است که برای تغییر سرعت موتورهای الکتریکی، کنترل دور موتور و راه اندازی نرم و توقف نرم پمپ و… به کار می رود. استفاده از این تجهیز علاوه بر مزیت صرفه جویی در مصرف انرژی، مزیت صرفه جویی و کاهش مصرف آب را نیز در پی دارد و بنابراین می تواند به عنوان بالقوه ترین راهکار بهینه سازی هم زمان مصرف آب و برق در چاه های کشاورزی مطرح شود.

• میزان کاهش توان در اثر اجرای سناریو: طبق بررسی های صورت گرفته در این مطالعه، در یک سناریو با اعمال کاهش دور 10 درصدی بر روی پمپ های شناور استان کاهش توان 90 مگاواتی در سطح استان اتفاق خواهد افتاد این به معنای احداث نیروگاهی معادل 90 مگاوات خواهد بود.
• میزان کاهش مصرف انرژی و انتشار گازهای گلخانه ای: طی یک سال جمع کل کاهش مصرف انرژی پمپ های مورد مطالعه حاصل از این سناریو در سطح استان، 510 گیگاوات ساعت و معادل 306 کیلوتن کاهش انتشار کربن دی اکسید خواهد بود.

 مطابق بررسی های انجام شده با استفاده از اینورتر پتانسیل مدیریت اضافه برداشت 335 میلیون متر مکعب آب وجود دارد (11 درصد استحصال چاه های کشاورزی).

سایر راهکارها برای مسئله مدیریت مصرف آب و برق چاه های کشاورزی

سایر راهکارهای احصا شده در این مطالعه برای مسئله مدیریت مصرف آب و برق چاه های کشاورزی به شرح ذیل می باشند.

• یکی از راهکارهای موجود برای تامین برق چاه های کشاورزی استفاده از منابع انرژی جایگزین مانند خورشید و باد و… بوده و استان خراسان رضوی از جمله استان های با پتانسیل بالا برای استفاده از این منابع است. از جمله دلایلی که از این راهکار استقبال کمی صورت گرفته است، می توان به جذاب نبودن هزینه سرمایه گذاری اولیه برای بهره بردار از یک سو و همچنین از بین رفتن مزیت کنترلی چاه ها با استفاده از برق شبکه توسط نهادهای ناظر اشاره کرد. در عین حال هرچه توان برق لازم برای استحصال آب از چاه پایین تر باشد هزینه اولیه تامین تجهیزات انرژی های جایگزین نیز پایین تر است؛ بنابراین این راهکار برای چاه های با دبی و هد کمتر هزینه احداث کمتری دارد؛
• بررسی ها نشان دهنده این هستند که راندمان چاه های کشاورزی استان فاصله زیادی تا مقادیر قابل قبول دارند. از جمله دلایلی که باعث این موضوع شده اند اولا انتخاب اشتباه و غیراصولی سیستم هنگام بهره برداری و نصب اولیه و ثانیا تغییرات خود ساختار چاه در طول زمان مانند آبدهی و سطح استاتیک و دینامیک بوده است. لذا پیشنهاد می شود که پردازش دوره ای و یا برخط سنجش راندمان مصرف انرژی چاه های کشاورزی استان توسط دستگاه های مرتبط (مانند آب منطقه و یا شرکت توزیع برق) انجام پذیرد. برای این منظور می توان به چک لیست داده برداری گروه های گشت و بازرسی آب منطقه که بازدیدهای دوره ای انجام می دهند، پارامترهایی به منظور سنجش دقیق تر میزان راندمان چاه ها را نیز اضافه کرد و یا به صورت پایلوت نصب سنسورهای مربوط به اندازه گیری برخط راندمان مصرف انرژی چاه ها را انجام داد و اقدامات اصلاحی بر روی تجهیزات چاه به منظور افزایش راندمان را انجام داد.

جمع بندی

با توجه به رشد روزافزون مصرف برق در کشور و ناترازی بیش از 10 هزار مگاواتی نیاز مصرف و تولید برق و سهم قابل توجه مصرف برق چاه های کشاورزی خراسان رضوی ضرورت دارد که مطالعات لازم در جهت بهینه سازی مصرف برق این چاه ها صورت بگیرد. از همین رو پژوهش حاضر با بررسی داده های موجود به دنبال ارائه سناریوهایی برای حل این مشکل بود. از جمله این سناریوها می توان به جایگزینی پمپ های شناور با شافت و غلافی و استفاده از درایو کنترل دور اشاره کرد. نتایج نشان می دهند در صورت جایگزینی پمپ های شافت و غلافی با شناور در سطح استان، پتانسیل کاهش توان به میزان 65 مگاوات وجود دارد، همچنین نتایج سناریو استفاده از اینورتر نشان می دهد که با استفاده از این تجهیز می توان از اضافه برداشت حدود 335 میلیون مترمکعب در سطح استان جلوگیری کرد. بر اساس سناریوهای موجود یکی از راهکارهای موجود برای تامین برق چاه های کشاورزی استفاده از منابع انرژی جایگزین مانند خورشید است که برای چاه های با دبی و هد کمتر هزینه احداث کمتری خواهد داشت.

این مطالعه در خانه هم افزایی انرژی و آب خراسان رضوی توسط احمد فائزی و به سفارش شرکت آب منطقه ای خراسان رضوی در سال 1402 انجام شده است.