الگوی سنتی تولید برق بر پایه ی بهره برداری از تعداد محدودی نیروگاه مرکزی در مقیاس بزرگ و سپس انتقال و توزیع انرژی به مصرف کنندگانی است که ممکن است تا هزاران کیلومتر دورتر از محل تولید باشند. این روش ضمن بازده پایین در بخش تولید، باعث اتلاف بخش قابل توجهی از انرژی نیز، در گذر از شبکه های انتقال و توزیع خواهد شد. همچنین نیروگاه های بزرگ با افزایش انتشار گازهای گلخانه ای باعث تخریب محیط زیست گردیده و به علت نیاز به شبکه ای وسیع و پیچیده جهت انتقال و توزیع، همواره در معرض آسیب های ناشی از بلایای طبیعی و یا تهدیدهای امنیتی هستند.

در حال حاضر راندمان نيروگاههاي كشور در حدود 36 % و تلفات شبكه تا مصرف كننده در حدود 20 % است. به عبارتي راندمان تبديل انرژي از سوخت نیروگاه تا مصرف كننده نهايي انرژي الكتريكي 29 % است. این بازده پایین يعني تلف شدن سالانه 35 ميليارد متر مكعب گاز طبيعي يا 10 ميليارد دلار عدم نفع صادراتي آن، گذشته از زيان هاي ناشي از اتلاف سرمايه گذاري در بخشهاي مختلف توليد و استحصال گاز، توليد، انتقال و توزيع نيروي برق، آلودگي محيط زيست، كاهش منابع نفت و گاز كشور، عدم نفع صادرات از محل صدور برق و … .

ایده ی تولید برق در محل مصرف فواید زیادی را در بر دارد که از جمله آن ها می توان به موارد زیر اشاره کرد:

1-  کاهش تلفات انرژی در بخش انتقال و توزیع و در نتیجه کاهش مصرف سوخت و افزایش بازدهی

2-  افزایش بازده تولید برق به دلیل استفاده از تجهیزات خاص با راندمان بالاتر از متوسط نیروگاه های بزرگ

3-  قابلیت استفاده از فن آوری تولید همزمان برق، حرارت و برودت. (CHP & CCHP)

4-  ایجاد فرصت سرمایه گذاری برای بنگاه های کوچک و بزرگ با توجه به اینکه سرمایه گذاری اولیه برای احداث یک نیروگاه مقیاس کوچک بسیار کمتر از نیروگاه های       بزرگ است.

5-  کاهش چشمگیر ریسک قطع برق به دلیل در اختیار داشتن مولد

6-  افزایش کلی امنیت شبکه برق سراسری

7-  وجود بازار تضمین شده برای بنگاه های فروشنده ی برق به دلیل اهمیت استراتژیک این کالا و این واقعیت که نیاز به انرژی هیچگاه مرتفع نمی شود.

8-  کاهش آلاینده های زیست محیطی با توجه به اینکه عموما مولدهای مقیاس کوچک به کار رفته در نیروگاه های تولید پراکنده، از فن آوری های پاک برای تولید انرژی       استفاده می کنند.

9-  فراهم نمودن امکان استفاده از گاز طبیعی برای تولید انرژی که بهره گیری از این سرمایه ی ملی به همت وزارت نفت در اقصی نقاط کشور ممکن شده است.

فن آوری های مورد استفاده در نیروگاه های تولید پراکنده

امروزه طیف وسیعی از مولدها با ویژگی های متفاوت به عنوان مولد مقیاس کوچک در نیروگاه های تولید پراکنده به کار برده می شوند که مهمترین آن ها عبارتند از:

صرف نظر از فن آوری به کار رفته در هر مولد، مزیت های مشترک آن ها در مقایسه با نیروگاه های سنتی شامل تولید برق ارزانتر، قابلیت اتکای بیشتر، امنیت بالاتر و آلودگی های زیست محیطی کمتر است.

کاربردها

کاربرد نیروگاه های تولید پراکنده را می توان در بخش های زیر خلاصه کرد:

–  صنایع مصرف کننده ی عمده ی برق شامل: صنايع توليدي فولاد، صنايع توليدي سيمان، صنايع ذوب آهن، صنايع پتروشيمي، صنايع هوافضا، پالايشگاه ها، صنايع ريخته گري و …

–  صنايع نيازمند تامين برق پايدار و حساس به قطع برق شامل: صنايع نساجي، بيمارستان ها و مراكزدرماني، صنايع پرورش دام (از جمله پرورش ماهي و جوجه كشي‌ها)، كارخانجات سازنده مواد غذایی و فاسد شدني، صنايع لاستيك سازي، صنايع خودروسازي، صنايع ذوب فلزات و كوره هاي ريخته گري، صنايع چاپ، صنايع دارو سازي و استريل، صنايع توليدي رنگ و رزين و …

–  مراکز علمی و مخابراتی شامل: دانشگاه ها، زیرساخت های مخابراتی، مراکز اطلاعاتی (Data Centers)

–  مراکز تجاری شامل: فرودگاه ها، مراکز بزرگ خرید، هتل ها، مجموعه های بزرگ ورزشی و تفریحی و …

–  شهرک های صنعتی

–  مجتمع های کشاورزی و گلخانه ها

–  مجتمع های مسکونی

با توجه به ویژگی های تولید پراکنده و با تصویب قوانین و دستورالعمل های جامع توسط دولت و نیز ارائه تسهیلات و حمایت های گسترده از طرف سازمان های مرتبط، امروزه بستر مناسبی جهت گسترش سرمایه گذاری در زمینه ی تولید انرژی الکتریکی از طریق مولدهای مقیاس کوچک فراهم شده است. و البته همانند هر فن آوری پیشرفته ی امروزی، بهره مندی از فن آوری تولید پراکنده ی انرژی به وسیله ی مولدهای مقیاس کوچک، در قدم اول مستلزم مشاوره ی تخصصی و سپس طراحی دقیق و بی نقص مهندسی به منظور راه اندازی، نصب و بهره برداری صحیح، ایمن و پربازده از نیروگاه احداث شده است.

فن آوری های مقیاس کوچک

سیستم های مجتمع تولید پراکنده که عموما از فن آوری های مقیاس کوچک، به منظور تولید برق (و حرارت) در محل مصرف بهره می برند، به طور کلی از 3 بخش اصلی تشکیل شده اند که عبارتند از:

       –  محرک اولیه   Prime Mover

       –  مولد برق   Electricity Generator

       –  سیستم های کنترلی   Control Systems

محرک های اولیه از انرژی های مختلفی از قبیل انرژی حاصل از احتراق سوخت، انرژی باد، آب، نور خورشید و… به منظور تولید انرژی مکانیکی استفاده کرده و پس از کوپلاژ شدن با ژنراتور، قادر به تولید برق در ظرفیت های گوناگون از چند کیلووات تا ده ها مگاوات می باشند.

غالبا مجموعه ی محرک اولیه و مولد تولید برق را در اختصار، مولد مقیاس کوچک یا مولد تولید پراکنده می نامند. امروزه فن آوری های قابل قبول و مورد استفاده به عنوان مولد نیروگاه های تولید پراکنده شامل موارد زیر است:  

_{توضیح ¹: سیستم های فتوولتائیک خورشیدی، نیازی به محرک اولیه ندارند.}

موتورهای رفت و برگشتي Reciprocating Engines

امروزه استفاده از فن آوری شناخته شده ی موتورهای رفت و برگشتی بسیار گسترده است. از این موتورها در اتومبیل های سبک و سنگین، ماشین آلات ساختمانی و معدنی و نیروی محرکه ی ناوگان های عظیم دریایی گرفته تا نیروگاه های تولید انرژی برق (و حرارت) استفاده می شود.

موتورهای رفت و برگشتی به دو دسته ی کلی تقسیم می شوند:

  –  موتورهای گازسوز با مکانیزم احتراق جرقه ای Spark Ignition – SI که با سیکل اوتو (Otto Cycle) کار می کنند.

  –  موتورهای دیزل با مکانیزم احتراق تراکمی Compression Ignition – CI که با سیکل دیزل (Diesel Cycle) کار می کنند.

ساختار اصلی مکانیکی هر دو نوع مشابه بوده و از چندین سیلندر همراه با پیستون هایی درون آن ها که به صورت رفت و برگشتی حرکت می کنند، تشکیل شده است. پیستون ها به وسیله ی یاتاقان (bearing) به یک میل لنگ (Crank Shaft) متصل هستند که وظیفه ی آن تبدیل حرکت خطی پیستون به حرکت دورانی است.

تقریباً تمام موتورهایی که به منظور تولید برق بکار میروند، چهار زمانه (4 Stroke) بوده و در چهار مرحله (مکش، تراکم، احتراق و تخلیه) کار می کنند.

      –  مرحله ی مکش (intake): در ابتدا سوخت و هوا با نسبت معین (به صورت مخلوط یا جداگانه) به محفظه احتراق هدایت می شوند. در برخی از موتورها برای افزایش قدرت خروجی از توربوشارژر یا سوپرشارژر استفاده می شود.

      –  مرحله ی تراکم (compression): هوا و یا مخلوط سوخت و هوا (mixture) در محفظه احتراق با بالا آمدن پیستون متراکم می‌شود.

       –  مرحله ی احتراق (combustion): احتراق سوخت بر اساس مکانیزم موتورهای SI یا CI انجام شده و قدرت تولید شده در نتیجه ی آزاد شدن انرژی شیمیایی سوخت باعث به عقب راندن پیستون می شود. حرکت پیستون به سمت پایین باعث چرخش میل لنگ و تولید قدرت دورانی می گردد. بدین ترتیب می‌توان از قدرت تولید شده توسط موتور با استفاده از یک ژنراتور برق، الکتریسیته تولید نمود.

      –  مرحله ی تخلیه (exhaust): گازهای داغ حاصل از احتراق با بالا آمدن مجدد پیستون از طریق دریچه خروجی به بیرون هدایت می شوند و بدین ترتیب سیکل کامل می شود.

استفاده ی بهینه از منابع گازی کشور به ویژه در فصول گرم سال

      –  ايران به عنوان دومين كشور دارنده ذخايرگازي در دنيا، بايستي از اين فرصت استفاده كرده و هرچه بيشتر در جايگزيني گاز طبيعي به جاي ساير حاملهاي انرژي به ويژه جهت توليد برق اقدام نمايد. در اين راستا و همچنين با توجه به رشد حدود 10 درصدي تقاضاي برق در هر سال و استفاده از اين منبع انرژي به خصوص در فصول گرم سال، توسعه سيستم هاي گازسوز مي تواند يكي از بهترين راهكارها جهت برطرف نمودن مشکلات تولید برق، به ویژه در ساعات اوج مصرف تلقی گردد.

+  قابلیت اطمینان بالا و تولید توان با کیفیت (در صورت نگهداری صحیح)

+  راندمان بسیار بالا در مقایسه با سایر نیروگاه های مرسوم (آبی، بخاری، گازی، سیکل ترکیبی، دیزلی)

      –  راندمان مولدهای گازسوز به 47% و در صورت استفاده از سیستم CHP/CCHP، به85 تا 92 درصد نیز می رسد.

+  قابلیت بازیافت موثر انرژی حرارتی که آن را به مولدی ایده آل برای استفاده در سیستم های تولید همزمان CHP/CCHP بدل نموده است.

+  سرمایه گذاری اولیه جهت ساخت نیروگاه های مقیاس کوچک بر پایه ی مولدهای گازسوز، بسیار کمتر از سایر نیروگاه هاست به طوری که امکان مشارکت بخش خصوصی به خوبی فراهم می گردد.

+  میزان مصرف آب اینگونه موتورها بسیار ناچیز بوده و این مسئله با توجه به خشک و بیابانی بودن بیشتر مناطق کشور، امری حیاتی تلقی می شود.

+  کاهش چشمگیر آلایندگی محیط زیست.

+  قابليت استفاده از انواع سوخت ها شامل گاز طبيعي، بيوگاز، گازوئيل، مازوت، نفت خام و گازهاي ضايعاتي پالايشگاه ها.

+  قابلیت نصب در قالب واحدهای کانتینری و انتقال آن در صورت نیاز.

+  حساسیت کمتر توان خروجی نسبت به شرایط محیطی (دما، رطوبت، ارتفاع) در مقایسه با سایر نیروگاه ها.

+  کاهش چشمگیر هزینه های سوخت، تعمیرات و نگهداری در مقایسه با سایر نیروگاه ها.

+  افت راندمان ناچیز زیر بارهای کمتر از بار کامل (efficient in partial load)

+  سرعت راه اندازی بسیارکوتاه (10 ثانیه)

+  گستره ی وسیع تولید توان از چند کیلووات تا چندین مگاوات

+  موتورهای گازسوز به توان الکتریکی بسیار کمی برای راه اندازی نیاز دارند که می توان آن را به راحتی از باتری های قابل شارژ تامین نمود. (Black-Start Capability)

با توجه به سياست وزارت نيرو در خصوص احداث نيروگاههاي جديد، افزایش كسري برق در سالهاي آتي و نيز پائين بودن راندمان نيروگاه هاي معمول، و همچنین با در نظر گرفتن سهولت دسترسی به منابع عظیم گازی در ایران، بهره گیری از نیروگاه های تولید پراکنده با قابلیت CHP و CCHP برپایه ی فن آوری پیشرفته ی مولدهای گازسوز امروزی، راهکاری مطمئن و موثر در راستای برطرف کردن بخشی از مشکلات صنعت برق کشور است.

تولیدهمزمان –CHP/CCHP

مدیریت انرژی

انرژی نقش ویژه ای در رشد اقتصادی، رفاه اجتماعی، بهبود کیفیت زندگی و امنیت یک جامعه ایفا می کند. پژوهش های جهانی نشان می دهند میان توسعه ی یک کشور و میزان انرژی مصرفی آن، رابطه ی مستقیمی برقرار است و از این رو دسترسی کشورهای در حال توسعه به انواع منابع جدید انرژی، به منظور پیشرفت و بهبود وضع اقتصادی آن ها اهمیت ویژه ای دارد.

در این میان انرژی الکتریکی از عوامل اصلی و زیربنایی رشد و شکوفایی بخش های صنعتی، اقتصادی و اجتماعی است به طوری که می توان گفت یکی از شاخص های ارزیابی و پیشرفت کشورها، شاخص افزایش ظرفیت تولید و توزیع انرژی الکتریکی است.

در سال ها ی اخیر نوعی آگاهی و توجه به افزایش بی رویه ی مصرف انرژی و نیز واقعیت فناپذیر بودن سوخت های فسیلی سبب شده است که مطالعات همه جانبه ای در سطح جهانی با هدف کاهش میزان مصرف انرژی و نیز کاهش هزینه های تولید انرژی، بدون ایجاد لطمه به روند توسعه ی کشورها، انجام پذیرد. این مطالعات باعث به وجود آمدن برنامه ها و استراتژی هایی موسوم به “مدیریت انرژی” گردیده است.

تعریف کلی مدیریت انرژی را می توان استفاده ی صحیح و موثر از انرژی برای دستیابی به بیشترین سود با کمترین هزینه جهت افزایش موقعیت رقابتی در بازار دانست که این امر نیازمند تنظیم و بهینه نمودن استراتژی مصرف انرژی، استفاده از سیستم ها و دستورالعمل ها در جهت کاهش میزان مصرف انرژی بر واحد محصول و کاهش یا ثابت نگه داشتن هزینه های کل تولید است. در همین راستا کارکردهای مدیریت انرژی در یک سازمان اقتصادی را می توان در موارد زیر خلاصه نمود:

      1-  تهیه ی طرح بهینه سازی مصرف انرژی در واحدها و فرآیندهای مختلف سازمان

      2-  کاهش هزینه های انرژی و کاهش تلفات انرژی بدون اثرگذاری بر میزان و کیفیت تولید

      3-  کنترل اثرات زیست محیطی تولید و مصرف انرژی  

تولید همزمان

یکی از راه کارهایی که امروزه سیاست گذاران انرژی در دنیا از آن به عنوان ابزاری موثر و کارآمد در مدیریت انرژی بهره می برند، تولید انرژی بر مبنای روش تولید همزمان برق، حرارت و برودت (یا به اختصار تولید همزمان) است.

 تولید همزمان که نوعی خاص از روش تولید پراکنده است، عبارتست از تولید توام دو یا چند شکل از انرژی (مانند انرژی الکتریکی، حرارتی و برودتی) از یک منبع ساده ی اولیه (مانند انرژی شیمیایی سوخت های مختلف).

از آنجایی که در الگوی تولید همزمان، انرژی های اولیه مصرفی یعنی برق، حرارت و برودت از طریق یک سیستم با سوخت ورودی معین تامین می گردند، در نتیجه هزینه های تامین انرژی به طرز قابل ملاحظه ای کاهش می یابد. در روش های رایج، مصرف کننده مجبور است برق مورد نیاز خود را از شبکه ی سراسری خریداری نموده و از سوی دیگر برای مصارف گرمایشی و سرمایشی خود نیز هزینه های جداگانه ای را متحمل شود. در حالی که در شیوه ی تولید همزمان که در قالب تولید پراکنده از آن استفاده می شود، مصرف کننده از شبکه ی سراسری برق مستقل شده و از سوی دیگر چون از محتوای انرژی سوخت ورودی نهایت بهره را می برد (تا 90%)، میزان و هزینه ی انرژی های مصرفی به شدت کاهش می یابد.

عناصر اصلی تشکیل دهنده ی سیستم های تولید همزمان

نیروگاه های CHP/CCHP از چهار بخش اصلی تشکیل شده اند: محرک اولیه، مولد(ژنراتور)، مبدل حرارتی و سیستم کنترل. در تولید همزمان ابتدا یک محرک اولیه (موتور یا توربین) انرژی شیمیایی سوخت را آزاد نموده و به توان مکانیکی در محور خروجی تبدیل می کند. سپس، محور محرک با یک ژنراتور کوپل شده و توان الکتریکی تولید می شود. منابع اتلاف انرژی گرمایی شامل حرارت ناشی از گازهای خروجی از محرک اولیه، سیکل آبی خنک کننده ی محرک اولیه و روغن استفاده شده به منظور روانکاری، شناسایی شده و با قرار دادن مبدل های حرارتی مناسب، گرمای اتلافی به شکل حرارت با دمای بالا (حرارت قابل استفاده) بازیافت می شود. با فراهم شدن امکان استحصال حرارت اتلافی در فرآیند تولید برق، خصوصیات منحصر بفرد سیستم های تولید همزمان برق و حرارت (CHP)، بدست می آید. همچنین این حرارت بازیافتی می تواند به عنوان انرژی مورد نیاز چیلرهای جذبی به منظور تامین نیازهای سرمایشی، مورد استفاده قرار گیرد. (CCHP)

تولید همزمان از گذشته تا امروز

توليد همزمان در اواخر 1880 در اروپا و امريكا پديد آمد. در اوايل قرن بيستم اغلب كارخانجات صنعتي، برق مورد نياز خود را با استفاده از ديگ هاي ذغال سوز و ژنراتورهاي توربين بخار توليد مي كردند. از طرفي در بسياري از اين كارخانجات، بخار داغ خروجي در فرآيندهاي صنعتي بكار گرفته مي شد، بطوري كه در اوايل سال 1900 در آمريكا، حدود 58% از كل توان توليد شده در نيروگاهها در محل، به شكل توليد همزمان بوده است.

هنگامي كه نيروگاه هاي برق مركزي و شبكه هاي قابل اطمينان برق ساخته شدند، هزينه هاي توليد و تحويل كاهش يافت و بدين سبب بسياري از مصرف کنندکان مانند كارخانجات صنعتي ترجیح می دادند از اين شبكه ها برق خريداري کرده و توليد برق خود را متوقف کنند.

در نتيجه استفاده از توليد همزمان كه 15% از مجموع ظرفيت الكتريسيته توليدي امريكا در سال 1950 را به خود اختصاص داده بود، در سال 1974 به 5% كاهش يافت. ساير عوامل كاهش استفاده از توليد همزمان عبارت بودند از: قانونمند شدن توليد برق، سهم اندك هزينه هاي خريد برق از شبكه در مجموع هزينه هاي جاري كارخانه ها، پيشرفت فناوري هايي نظير ديگ هاي بخار نيروگاهي، در دسترس بودن سوخت هاي مايع و گازي با پايين ترين قيمت و نبود يا كمبود محدوديت هاي زیست محیطی.