پس از بررسی ادبیات مربوطه، ارزیابی عملکرد چند معیاره مبتنی بر انرژی-آب-محیط یک سیستم چند نسلی مستقل از هر گونه ابزار خارجی مورد مطالعه قرار نگرفته است. بنابراین در تحقیق حاضر تأثیر جایگزینی دو درصد ظرفیت نیروگاه حرارتی با نیروگاه فتوولتائیک خورشیدی بر میزان کاهش مصرف سوخت و آب و همچنین انتشار کربن بررسی شده است. به منظور تحقق این هدف، در گام اول، یک نیروگاه خورشیدی متناسب با شرایط آب و هوایی منطقه طراحی شده، سپس پیوند بین انتشار آب و کربن و علاقه این پیوند در منطقه مورد بررسی و بحث قرار گرفته است. . یک نمایش شماتیک از چارچوب پیشنهادی که ابزارهای خارجی را حذف می کند در شکل (1) ارائه شده است .
عکس. 1 . نمایش گرافیکی سیستم یکپارچه پیشنهادی
این مطالعه از یک رویکرد مدل‌سازی پایین به بالا مبتنی بر واحد برای توسعه مدل WEEN نیروگاه حرارتی ( شکل 2 ) برای توصیف جریان‌های WEE در تولید نیروگاه حرارتی معمولی استفاده کرد، که مبنای تحلیل جریان مواد و انرژی است. این مدل فرآیندهای معمول تولید نیروگاه حرارتی و مواد خام، محصول، آب، انرژی و جریان‌های آلاینده محیطی را نشان می‌دهد. فلش ها جریان مواد یا انرژی را نشان می دهند. این بر اساس اصل تعادل جرم است و از چهار ماژول تشکیل شده است: فرآیند، واحد تولید اصلی، واحد کمکی، و ورودی و خروجی. برای هر فرآیند، واحدهایی که آب و انرژی مصرف می‌کنند و آلاینده‌ها تولید می‌کنند، در ماژول واحد تولیدی عمده فهرست شده و جریان‌های WEE شناسایی شدند. ماژول “ورودی و خروجی” از مواد خام، محصولات و زیرسیستم های WEE تشکیل شده است. تجزیه و تحلیل جریان مواد و انرژی می تواند جریان ها و ذخایر مواد و انرژی را در داخل یا بین سیستم ها بر اساس بقای جرم و انرژی کمیت کند. بر اساس مدل WEEN، جریان‌های WEE متعاقباً با استفاده از تجزیه و تحلیل جریان مواد و انرژی کمی و متعادل شدند.
شکل 2 . چارچوب نیروگاه حرارتی مدل WEEN.
جریان های شناسایی شده و کمی سازی شده توسط مدل WEEN و MEFA همه به WEEN مرتبط نیستند. بنابراین، ماتریس تجزیه و تحلیل WEEN ( شکل 3 ) برای شناسایی کوپلینگ های مربوطه ایجاد شد. WEE را از دو بعد (مصرف و خدمات) در نظر می گیرد. «مصرف» به معنای استفاده از آب و انرژی و بازیافت آلاینده هاست که به کاهش مواد یا انرژی اشاره دارد. «خدمات» به معنای فرآیند تأمین آب، تأمین انرژی و تصفیه آلاینده است. 9 بلوک در ماتریس، جفت‌های درون هر زیرسیستم (بلوک‌های 1، 5، و 9) و بین زیر سیستم‌ها (بلوک‌های 2-4، 3-7، و 6-8) را منعکس می‌کنند. 81 تقاطع (9 × 9) منعکس کننده جفت شدن بین عناصر هستند و واحدهای ارتباط جفت نامیده می شوند. هر واحد ارتباط جفت به این معنی است که یک عنصر در هنگام ارائه خدمات مربوط به یک عنصر خاص مصرف می شود.
شکل 3 . ماتریس تجزیه و تحلیل WEEN برای نیروگاه حرارتی.
ماتریس هم امکان تحلیل کمی و هم دو نوع مقایسه را می دهد. اولین مورد مقایسه مصرف یک عنصر خاص توسط خدمات زیرسیستم های مختلف (در امتداد جهت عمودی در شکل 2 ) است. دوم مقایسه میزان مصرف هر عنصر توسط یک سرویس خاص (در امتداد جهت افقی شکل). ترکیب هر دو دیدگاه اتصال بین زیرسیستم های WEE را فراهم می کند. R n به عنوان درصد مصرف آب/انرژی مرتبط با WEEN یا تولید آلاینده به کل مصرف آب/انرژی یا تولید آلاینده تعریف شد:(1)𝑅𝑛=𝐶𝑟𝐶𝑡×100%که در آن Cr مصرف آب مربوط به WEEN (t)، مصرف انرژی (کیلوگرم معادل روغن استاندارد، کیلوگرم؛ 1 کیلوگرم = 41.87 MJ)، یا تولید آلاینده (t)، Ct کل مصرف آب (t) است. مصرف انرژی (kgoe)، یا تولید آلاینده (t). هر چه Rn یک زیرسیستم بزرگتر باشد ، جفت شدن آن با زیرسیستم های دیگر قوی تر است و تأثیر غیرمستقیم دیگر زیرسیستم ها بر آن بیشتر می شود. بنابراین، این زیرسیستم می تواند از منظر هم افزایی و مبادلات کلی بهینه شود. برعکس، تنظیم یک زیرسیستم با Rn پایین‌تر تأثیر کمتری بر کل WEEN خواهد داشت و به احتمال زیاد یک تحول محلی را نشان می‌دهد. بر این اساس می‌توان به سرعت مسیرهای اصلی صرفه‌جویی در مصرف آب، صرفه‌جویی در مصرف انرژی و کاهش آلاینده‌ها را تعیین کرد. با توجه به ماتریس، Rn زیرسیستم های WEE (Rn ,w , Rn ,e و Rn ,p ) را می توان توسط Refs محاسبه کرد. [ 33 ، 34 ]:(2)𝑅𝑛,𝑤=𝑎+𝑏+𝑐+𝑑+𝑒+𝑓+𝑔+ℎ𝑟+𝑠+𝑡+𝑢×100%(2)𝑅𝑛,𝑒=𝐶𝑓.𝑣+𝐶𝑠(𝑛+𝑖)+𝐶𝑒(𝑚+𝑜+𝑗+𝑘+𝑙)𝐶𝑓.𝑣+𝐶𝑠.𝑤+𝐶𝑒.𝑥×100%(3)𝑅𝑛,𝑝=𝑝+𝑞𝑦+𝑧×100%که در آن cf ، cs و c e به ترتیب ضرایب تبدیل انرژی سوخت (kgoe/t)، بخار (kgoe/t) و الکتریسیته (kgoe/kW·h) هستند، a-z واحدهای ارتباطی هستند. (t یا kW·h) در ماتریس ( شکل 2 ). برای بررسی بیشتر درجه جفت بین هر واحد و WEEN، شاخص شدت همبستگی WEEN (WCI) پیشنهاد شد. WCI به عنوان نسبت مصرف مرتبط با WEEN و تولید یک واحد به کل مصرف مرتبط با WEEN و تولید همه واحدها تعریف شد:(4)𝑊𝐶𝐼𝑖=𝑊𝑖𝑊𝑡+𝐸𝑖𝐸𝑡+𝑃𝑖𝑃𝑡جایی که Wi ، Ei ، و Pi به ترتیب مصرف آب (t)، مصرف انرژی (kgoe) و تولید آلاینده (t) مربوط به WEEN واحد i هستند. و Wt ، Et ، و Pt به ترتیب کل مصرف آب مرتبط با WEEN (t)، مصرف انرژی (kgoe) و تولید آلاینده (t) همه واحدها هستند. هرچه WCI یک واحد بیشتر باشد، جفت شدن بین آن و WEEN قوی‌تر می‌شود، به این معنی که بهبود این واحد می‌تواند منجر به صرفه‌جویی در مصرف آب، صرفه‌جویی در مصرف انرژی و مزایای کاهش آلاینده‌ها برای WEEN کلی شود، که در نتیجه پتانسیل بهبود بیشتری را در پی خواهد داشت. واحد. با محاسبه این شاخص های کمی، می توانیم روابط جفت را در سطوح سیستم، عنصر و واحد توصیف کنیم و سپس از یک مطالعه موردی برای نشان دادن جفت شدن سه سطح بر اساس این شاخص ها استفاده کنیم.
میزان صرفه جویی در مصرف انرژی و آب و میزان کاهش انتشار دی اکسید کربن در جایگزینی نیروگاه هیبریدی برای تجزیه و تحلیل رابطه انرژی، آب و محیط محاسبه شده است.
صرفه جویی در منابع انرژی
برای محاسبه میزان صرفه جویی در منابع انرژی، نرخ سوخت مصرفی در ازای تولید ناخالص در یک سال توسط نیروگاه بخار زرند 1/317 لیتر به ازای هر مگاوات ساعت در نظر گرفته شده و بر اساس رابطه (5) میزان صرفه جویی در نظر گرفته شده است. در مصرف سوخت فسیلی طی 20 سال عمر مفید نیروگاه فتوولتائیک محاسبه شده است. همچنین برای تبدیل این میزان مصرف سوخت به انرژی، ارزش حرارتی مازوت معادل 1.032 تن نفت خام در ازای هر متر مکعب و ارزش حرارتی بنزین معادل 0.903 تن نفت خام در مقابل هر متر مکعب است. [ 35 ] و تراز انرژی در قالب تعادل انرژی ذخیره شده به ترتیب بر اساس رابطه (5) محاسبه شده است [ 36 ].(5)EB=E×Y×F×H
که در آن EB، E، Y، F و H به ترتیب مخفف تعادل انرژی هستند، انرژی تزریق شده به شبکه توسط سیستم فتوولتائیک (MWh)، طول عمر مفید سیستم فتوولتائیک (سال)، دوئل مصرفی (لیتر در ازای هر مگاوات ساعت). ) و ارزش حرارتی سوخت (تن برابر با نفت خام در ازای هر لیتر).
کاهش انتشار دی اکسید کربن
ارزیابی کاهش انتشار دی اکسید کربن، ناشی از جایگزینی، با برنامه PVsyst محاسبه شده است. میانگین سالانه دی اکسید کربن منتشر شده از نیروگاه بخار زرند معادل 1095.3 گرم در هر کیلووات ساعت در نظر گرفته شده است. علاوه بر این، آلودگی فرآیند استخراج سیلیکون برای ساخت پانل های فتوولتائیک نیز برابر با 29.6 تن انتشار کربن در محاسبات در نظر گرفته شده است [ 37 ].
علاوه بر این، از روش ارزیابی محیطی با مدل ReCipe برای ارزیابی اثر کاهش انتشار کربن بر اکوسیستم و سلامت انسان استفاده شده است [ 38 ]. در این روش، تأثیر انتشار کربن و تحمل گرمایش جهانی ناشی از گازهای گلخانه‌ای منتشر شده بر سه شاخص نهایی اکوسیستم، سلامت انسان و منابع، در سه سناریوی 25، 50 و 100 ساله بررسی شده است. و یافته های آن در محدوده منطقه مورد مطالعه ارائه شده است.
صرفه جویی در منابع آب
با در نظر گرفتن میانگین مصرف آب سالانه نیروگاه بخار زرند و نیروگاه فتوولتائیک، میزان کاهش مصرف آب در طول عمر مفید نیروگاه هیبریدی به ترتیب برابر با 07/3278 لیتر در ازای هر مگاوات ساعت و 075/0 لیتر در ازای هر مگاوات ساعت بوده است. برای هر کیلووات ساعت [ 39 ].
منطقه مطالعه
در این تحقیق با توجه به توجیه فنی و زیست محیطی و مطالعات اولویت بندی انجام شده در ایران برای بهره برداری از انرژی خورشیدی فتوولتائیک [ 40 ]، استان کرمان با طول جغرافیایی و عرض جغرافیایی به ترتیب 95/56 درجه شرقی و 27/30 درجه شمالی، به عنوان منطقه ای با ظرفیت بالای تولید انرژی خورشیدی این استان با وسعت 183193 کیلومتر مربع در جنوب شرقی ایران واقع شده و 174 متر ارتفاع دارد. نیروگاه حرارتی زرند به عنوان مطالعه موردی برای ارزیابی رابطه انرژی، آب و محیط زیست در نیروگاه هیبریدی حرارتی و خورشیدی کرمان انتخاب شده است. سوخت مورد استفاده در نیروگاه، مازوت و بنزین است. این نیروگاه دارای سیستم خنک کننده از نوع برج است [ 41 ].
مشخصات فنی و مکانی نیروگاه در جدول 1 و شکل (4) خلاصه شده است .
میز 1 . مشخصات نیروگاه بخار زرند کرمان [ 42 ].
| عامل | میزان | واحد |
|---|---|---|
| مساحت نیروگاه | 19.5 | هکتار |
| ظرفیت اسمی | 60 | مگاوات |
| مصرف داخلی | 21386 | مگاوات ساعت |
| تولید ناخالص | 270711 | مگاوات ساعت |
| بهره وری | 27.3 | درصد |
| میزان سوخت مصرفی | مازوت: 91495000 و بنزین: 12000 | لیتر در ساعت |
| میانگین دی اکسید کربن تولید شده | 1095.3 | گرم بر حسب کیلووات ساعت |
| آب مصرفی در سال | 946000 | متر مکعب در سال |
شکل 4 . ج: موقعیت نیروگاه در استان کرمان. ب: ظرفیت فتوولتائیک در استان; ج: نمودار خورشیدی و سایه.
