نیروگاه های تولید هم‎زمان برق و حرارت در کرمان

با توجه به وجود گلخانه‌ ها، گاز و چاه‌های بدون برق در مناطق شمال استان کرمان، احداث نیروگاه‌ های تولید همزمان برق و حرارت (CHP) می‌ تواند با مزایای بسیاری همراه باشد چرا که خروجی این نیروگاه‌ها شامل برق، حرارت و گاز  CO2 است که تولید هر یک از آنها می‌تواند کاربردهای مفیدی در مناطق شمال استان کرمان داشته باشد. به عنوان مثال، از برق تولیدی این نیروگاه‌ ها می‌توان جهت تامین برق چاه‌ های کشاورزی و از حرارت تولیدی و همچنین CO2 منتشر شده از سوخت این نیروگاه‌ها می‌توان برای گلخانه‌ها بهره برد. بنابراین، یکی از راه‌ های افزایش بهره‌وری انرژی و کاهش هزینه‌ های سیستم قدرت، استفاده مناسب از ضایعات خروجی نیروگاه‌ ها در جهت مصارف دیگر است.

ضرورت و اهداف پژوهش

هدف پروژه حاضر انجام یک مطالعه و تحلیل فنی-اجتماعی-اقتصادی بر روی احداث نیروگاه‌ های تولید همزمان برق و حرارت در مناطق شمال استان کرمان از جمله زرند و کوهبنان است. احداث نیروگاه‌های تولید همزمان برق و حرارت علاوه بر تامین قابل اطمینان برق مناطق شمال استان کرمان و تأمین برق چاه‌های کشاورزی این مناطق، می‌تواند درآمدهای غیرمستقیم دیگری همچون استفاده از حرارت تولیدی آنها جهت مصارف گلخانه‌ها به همراه داشته باشد و از بسیاری از هزینه‌های سیستم بکاهد. البته احداث این نیروگاه‌ها باید در مکان مناسب انجام شود و بهترین مکان‌ها برای احداث چنین نیروگاه‌ هایی مناطق دارای گلخانه‌ ها و چاه‌ های کشاورزی هستند که تولیدات خروجی این نیروگاه‌ها در این مناطق کاربردهای بیشتری خواهد داشت و منافع فنی-اجتماعی-اقتصادی بیشتری در بر خواهد داشت.

نیروگاه‌ های تولید هم‎زمان برق و حرارت(CHP)

خروجی نیروگاه‎ های تولید هم‎زمان برق و حرارت شامل برق، حرارت و گاز CO₂ می‌باشد. از فواید اصلی این نیروگاه‎ها می‌توان به تولید برق با بازده مناسب با استفاده از تلفات گرمایی اشاره کرد. از طرفی، احداث این نیروگاه ‎ها به تامین برق چاه ‎های کشاورزی و تولید حرارت و گاز CO₂ برای گلخانه‎ها کمک می‌کند. با استفاده از گرمای اضافی، سیستم CHP نسبت به مولدهای معمول استفاده بهتری از انرژی می‌کند و راندمان آن در حدود 82% است. در حالی که راندمان نیروگاه‎های قدرت معمول 35% است. همچنین، راندمان بالای این نیروگا‎ه ها باعث می‎شود تولید دی‌اکسید کربن و سایر آلاینده ‎ها نظیر ترکیبات گوگردی و اکسیدهای نیتروژن کاهش یابد. لذا در کشورهایی که قوانین سخت‎گیرانه زیست‎ محیطی در آن‎ها وجود دارد، می‎توانند با کاهش تعداد واحدهای تبدیل سوخت به حرارت مفید، واحدهای تولید آلاینده را راحت‎تر کنترل کنند. با استفاده از این مزیت‎ ها می‌توان از احداث این نیروگاه‎ ها در مناطق شمال استان کرمان بهره جست.

احداث نیروگاه تولید هم‎زمان برق و حرارت دارای مزیت‌های فراوانی در محل مصرف و دیدگاه ملی است. از جمله این مزیت‎ ها می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• بازده بالای انرژی
• امکان فروش برق تولید شده اضافی به شبکه
• امکان حضور طیف گسترده بخش خصوصی به دلیل سهولت تامین مالی
• مزایای اجتماعی از جمله ایجاد اشتغال و کارآفرینی مستقیم و غیرمستقیم
• کاهش انتشار آلاینده های زیست محیطی
• کاهش تراکم انتقال انرژی
• حذف تلفات انتقال و کاهش تلفات توزیع برق در قیاس با نیروگاه های بزرگ و متمرکز
• پایین بودن هزینه‎های متوسط تبدیل یک واحد انرژی در واحدهای CHP نسبت به سایر روش‎ها

تقسیم ‎بندی سیستم ‎های تولید هم‎زمان

یکی از تقسیم‏‎ بندی‌هایی که وجود دارد براساس دیدگاه مصرف انرژی و نوع تکنولوژی محرک تولید‎کننده انرژی الکتریکی می‎باشد.

• دیدگاه مصرف انرژی: در این تقسیم‌ بندی ترتیب مصرف انرژی به دو دسته اصلی چرخه صعودی و نزولی تقسیم می‌شود. در سیستم‌های تولید هم‎زمان با چرخه صعودی، انرژی حاصل از احتراق سوخت ابتدا برای تولید قدرت و حرارت خروجی از واحد، صرف حرارت گرمایشی بکار برده می‌شود. از این سیستم‌ها در صنایع غذایی، کاغذ و مقوا و پالایشگاه نفت استفاده می‎شود. در سیستم های تولید همزمان با چرخ نزولی ابتدا سوخت جهت تامین حرارت مورد نیاز فرآیند محترق شده و سپس از حرارت محصولات احتراق در دیگ ‎های بازیافت گرما، آب تبدیل به بخار شده و از آن برای تولید قدرت استفاده می شود. چرخه ی نزولی اغلب در صنایع سیمان، فولاد، شیشه و صنایع شیمیایی کاربرد دارد.
• تکنولوژی محرک ‎ها: سیستم های CHP یک سیستم واحد، متشکل از اجزاء جداگانه‎ی محرک اولیه، مبدل‎های بازیافت حرارت و اتصالات الکتریکی را شکل می‎دهند. نوع تجهیزاتی که نیروی حرکتی کل سیستم را تامین می کنند نوع سیستم CHP را تعیین می کند. توربین‎ های بخار، توربین‌های گازی، میکروتوربین‌ها، موتورهای پیستونی و پیل سوخی ازجمله این تجهیزات هستند. با توجه به شرایط با توجه به نوع CHP و نوع سیستم مزایا و معایبی وجود دارد. به عنوان مثال در سیستم توربین گازی اطمینان بالا، آلایندگی کم و حرارت با کیفیت بالا وجود دارد. نیاز به گاز بالا و کاهش تولید با افزایش دمای محیط از جمله معایب این سیستم به شمار می‎رود.

یکی دیگر از تقسیم ‎بندی‎ هایی که وجود دارد بر حسب ظرفیت توان الکتریکی تولیدی است. به این صورت که ظرفیت کم (1 الی 100 کیلووات) برای کاربری خانگی-اداری، ظرفیت متوسط (100 الی 10000 کیلووات) برای کاربری اداری-تجاری-صنعتی و ظرفیت بالا (10000 کیلووات به بالا) برای کاربری صنعتی می‎باشد.

بررسی احداث نیروگاه CHP از منظر اقتصادی

در این پژوهش، احداث نیروگاه CHP از نوع موتورهای گازسوز برای تأمین برق چاه‌های کشاورزی و همچنین تأمین حرارت و CO2 برای گلخانه‌ها در شرایط وجود شبکه و در نظر گرفتن طول عمر 20 سال برای پروژه، از منظر اقتصادی بررسی شده است. محاسبات یکبار به صورت دلاری (با تعرفه خرید 0.013 دلاری) و یک بار نیز به صورت ریالی (با تعرفه خرید تضمینی 1100 ریالی) انجام شده است. هزینه‌های اصلی پروژه احداث نیروگاه CHP شامل هزینه سرمایه‌گذاری همچون هزینه‌های خرید CHP ،احداث و راه‌اندازی و…، هزینه‌های ماهیانه پرسنلی و نیروی کار، هزینه یکنواخت سالیانه نگهداری و تعمیرات، هزینه سوخت گاز، هزینه تأسیسات و سایر هزینه‌های متفرقه و پیش‌بینی نشده است.

از طرف دیگر، درآمدهای اصلی حاصل از احداث نیروگاه CHP می‌تواند درآمد حاصل از فروش برق به چاه‌های کشاورزی و در صورت امکان درآمد حاصل از فروش حرارت و CO2 تولیدی به گلخانه‌ها باشد. حرارت مورد نیاز گلخانه مورد ارزیابی، 100-70 کیلووات ساعت است که تا میزان غلظتppm 1200 و حداکثر 4380 ساعت در سال، مناسب خواهد بود.

برق مصرفی چاه کشاورزی در حدود 60-40 کیلووات ساعت و برق مصرفی گلخانه 1 هکتاری در حدود 140-100 کیلووات ساعت است که احداث یک نیروگاه CHP با ظرفیت 100 کیلووات می‌تواند برای تأمین برق مصرفی چاه کشاورزی مناسب باشد. همچنین بخشی از مصرف برق گلخانه (به عنوان مثال، مصرف برق لامپ‌های جیوه‌ای فلوئورسنت با نورهای مورد نیاز گلخانه یعنی نورهای قرمز و آبی) می‌تواند توسط این نیروگاه CHP تأمین شود.

یکی از چالش‌های اساسی پیشرو این پروژه این است که احداث این نیروگاه‌ها در کنار گلخانه‌هایی که از قبل وجود داشتند و سیستم حرارت مرکزی (مثال دیگ بخار) آنها راه‌اندازی شده بوده است، چندان منطقی به نظر نمی‌رسد. ضمن اینکه ممکن است بین گلخانه‌ ها فاصله زیادی وجود داشته باشد و امکان انتقال حرارت از نیروگاه CHP به همه آنها وجود نداشته باشد.  در واقع بهتر این است که نیروگاه CHP در کنار چاه‌های کشاورزی بی‌برق احداث شود و سپس گلخانه‌هایی در اطراف آن ساخته شود که کار انتقال حرارت و همچنین انتقال گاز CO2 به گلخانه‌ها راحت‌تر و بدون استفاده از لوله‌های انتقال طویل انجام شود.

نتایج نشان می‌دهد که هزینه‌های احداث یک نیروگاه CHP با ظرفیت‌های 100 و 500 کیلووات و با کارکرد 8300 ساعت در سال، طول عمر پروژه 20 سال و تعرفه فروش 013/0 دلاری به ترتیب پس از 3 و 2 سال از طریق درآمدها بازگشت داده می‌شود و در هر دو حالت پروژه احداث نیروگاه CHP اقتصادی است.

جمع‌بندی

احداث نیروگاه ‎های تولید همزمان برق و حرارت دارای مزایای بسیاری است. توجه به درآمدها و هزینه‎ های احداث نیروگاه‎، مقیاس و ظرفیت نیروگاه باعث می‌شود که صرفه اقتصادی داشه باشد. در این پژوهش به بررسی اقتصادی احداث نیروگاه‎های تولید همزمان برق و حرارت در مناطق شمال استان کرمان پرداخته شده است. احداث نیروگاه‌های تولید همزمان برق و حرارت علاوه بر تأمین قابل اطمینان برق و تامین برق چاه‌ های کشاورزی، می‌تواند درآمدهای غیرمستقیم دیگری همچون استفاده از حرارت تولیدی آنها جهت مصارف گلخانه‌ها به همراه داشته باشد و از بسیاری از هزینه‌ های سیستم بکاهد. پس از شناخت هزینه‌ها و درآمدهای این نیروگاه‌ها و انجام محاسبات اقتصادی مشخص شد که هزینه‌های احداث یک نیروگاه CHP با ظرفیت‌های 100 و 500 کیلووات و با کارکرد 8300 ساعت در سال، طول عمر پروژه 20 سال و تعرفه فروش 0.013 دلاری به ترتیب پس از 3 و 2 سال از طریق درآمدها بازگشت داده می‌شود و در هر دو حالت پروژه احداث نیروگاه CHP اقتصادی است.

این مطالعه در اندیشکده انرژی کرمان توسط پیمان افضلی در سال 1398 انجام شده است.