1 . معرفی

قرار گرفتن کشورها در کمربند تابش خورشیدی، موقعیت مناسبی را برای تنوع بخشیدن به سبد انرژی کشورها که جایگزین نیروگاه های سوخت فسیلی می شود، فراهم می کند [ 1 ]. طراحی چرخه های انرژی خورشیدی که علاوه بر کاهش میزان مصرف سوخت فسیلی، با تامین نیاز انرژی در کاهش انتشار دی اکسید کربن موثر باشد. آنها همچنین با صرفه جویی در منابع آب به حفظ تعادل چرخه غذایی کمک خواهند کرد. در نتیجه بررسی مقالات قبلی نشان می‌دهد که برای رفع مشکلات مربوط به تامین انرژی واحدهای نمک‌زدایی باید به دنبال استفاده از منابع تجدیدپذیر یا استفاده از منابع گرمای ضایعاتی صنایع باشند [ 2 ]. بازیابی انرژی و مواد از گازهای دودکش برای استفاده در نمک زدایی آب و تولید سوخت زیستی از جمله راهکارهای واقعی برای رفع نواقص موجود است.

کلمه Nexus برای اولین بار در دهه 1980 در سازمان ملل متحد استفاده شد. این اصل در سال 2011 به منظور ترویج پیوند ناگسستنی بین استفاده از منابع برای تضمین حقوق اساسی و جهانی امنیت آب، غذا و انرژی و حمایت از گذار به اقتصاد سبز تدوین شده است و در سال 2015 این اصل به عنوان مهمترین اصل مورد توجه قرار گرفته است. رویکرد مناسب برای ارزیابی چالش ها و فرصت های توسعه پایدار در سال 2015 [ 3 ]. امروزه نگرش پیوندی یکی از علوم مدیریت کلان و جامع منابع است که به پردازش و ارائه راهکارهای راهبردی برای چالش های توسعه پایدار در جامعه انسانی می پردازد. روش‌های مبتنی بر تحلیل‌های آماری و اقتصادی و مدل‌های مختلفی مانند پویا، تعادل عمومی، مدل عامل بنیادی بر اساس شاخص زندگی و چرخه، برای تجزیه و تحلیل رابطه آب، غذا، انرژی و محیط استفاده شده است [ 4 ]. علاوه بر این، در سطوح کلان ملی، از مدل‌های ترکیبی که جنبه‌های اقتصادی را با انرژی (مانند مدل‌های مارکال و تایمز)، آب و دوو (مانند مدل ضربه) مرتبط می‌کنند، استفاده شده است [ 5 ].

با توجه به اینکه در رویکرد Nexus هر چهار پارامتر آب، محیط زیست و انرژی در نظر گرفته می شود [ 6 ]، در نیروگاه های دنیا شدت مصرف آب و شدت انتشار گازهای گلخانه ای به عنوان محیط زیست در نظر گرفته می شود. معادل سازی این چالش در مدیریت چرخه تولید. تحقیقات زیادی در این زمینه انجام شده است که امنیت پایدار انرژی، محیط زیست و آب را مورد بررسی قرار داده است. در سطح بین المللی، توسعه صنعت تولید برق و افزایش انتشار آلاینده ها باعث شده است که جهان از سال 1997 و در قالب پروتکل کیوتو و معاهده پاریس که هدف آن کاهش انتشار گازهای گلخانه ای است، توجه بیشتری به امور زیست محیطی داشته باشد. 7 ]. طیف گسترده ای از سیاست ها برای تشویق توسعه و استقرار فناوری های تولید انرژی کم کربن در کشورهای مختلف مانند سوئد، کاستاریکا، آلمان و دانمارک تعیین شده است. سوئد با تامین بیش از 45 درصد از منابع انرژی تجدیدپذیر بیشترین سهم را در استفاده از انرژی های تجدیدپذیر دارد. کاستاریکا بیش از 90 درصد برق خود را از طریق منابع انرژی آبی، زمین گرمایی و بادی با واردات تجهیزات تولید انرژی های تجدیدپذیر بدون پرداخت عوارض گمرکی و معافیت از پرداخت مالیات عملیاتی تولید می کند. آلمان سیاست‌هایی را تشویق می‌کند که از ساخت نیروگاه‌های تولید همزمان حمایت می‌کند و تلاش می‌کند تا تعرفه‌های تشویقی برای انرژی‌های بادی، خورشیدی، آب، زمین گرمایی و زیست توده را تصویب کند [ 8 ]. در نهایت، دانمارک با ارائه تعرفه‌های تشویقی بر انرژی‌های بادی، زیست توده، زمین گرمایی، انرژی آبی و خورشیدی و همچنین ممنوعیت فروش سوخت‌های سرب‌دار در بخش حمل‌ونقل، افزایش قابل توجهی در مصرف انرژی از منابع تجدیدپذیر ایجاد می‌کند [ 9 ].

احمد و زیشان [ 10 ] تأثیر زیست محیطی را در بهینه سازی نیروگاه های خورشیدی متمرکز که قبلاً فقط به تحلیل های فنی-اقتصادی محدود می شد، وارد کردند. لی و ما [ 11 ] با تمرکز بر اثرات مصرف مستقیم و غیرمستقیم منابع با رویکرد چرخه عمر، شکاف دانشی را در درک ما از پیوند WEF پر کردند. احمد و همکاران [ 12 ] پارامترهای هواشناسی و کیفیت هوا و هزینه‌های چرخه حیات و انتشارات زیست‌محیطی با پارامترهای جغرافیایی، فنی-اقتصادی در تعیین پتانسیل و مناسب بودن نیروگاه‌های فتوولتائیک یکپارچه شده است.

اگرچه صنعت نیروگاهی ایران از دهه‌های گذشته با راه‌اندازی نیروگاه‌های مختلف توسعه یافته است و امروزه صنعت برق کشور رتبه اول را در خاورمیانه به خود اختصاص داده است [ 13 ]، اما این افزایش ظرفیت در نیروگاه‌های کشور با بسیاری از موارد همراه بوده است. مشکلات زیست محیطی. به گونه ای که در سال 2018 میزان انتشار دی اکسید کربن از نیروگاه های حرارتی ایران به بیش از 182 میلیون تن رسید [ 14 ]. وضعیت انتشار گازهای آلاینده از نیروگاه های حرارتی مختلف در ایران نشان می دهد که گازهای آلاینده کربنی با میانگین انتشار سالانه 67/853 گرم در کیلووات ساعت بیشترین سهم را در بین سایر گازهای آلاینده منتشر شده از نیروگاه های حرارتی دارند [ 15 ]. در فرآیند ارزیابی اثرات زیست محیطی راه اندازی سیستم های تولید برق با سلول های خورشیدی [ 16 ]، و همچنین در فرآیند مقایسه آلودگی زیست محیطی نیروگاه های حرارتی و خورشیدی [ 17 ]، علیرغم اینکه این سیستم ها تقریبا رایگان هستند. از هر نوع انتشار در جو و مواد زائد به آب و خاک، در فرآیند ساخت تجهیزات این نیروگاه های خورشیدی و فرآیند تخریب آنها، مقدار قابل توجهی کربن آزاد می شود.

بنابراین، ممیزی انرژی در نیروگاه ها و ارائه الگوی بهینه برای توسعه انرژی های تجدیدپذیر با هدف حفظ سوخت و کاهش انتشار کربن در جهان مورد توجه بسیاری از کارشناسان قرار گرفته است [ 18 ]. علاوه بر این، تحقیقات زیادی برای تجزیه و تحلیل ظرفیت بهینه نیروگاه در کشورهای آنها انجام شده است [ 19] ، [20] ، [21] ، [22] ، ارزیابی پارامترهای ضروری برای ارتقای بهره وری انرژی الکتریکی و کاهش هزینه های مربوطه در داخل کشور. صنعت [ 23 ]، بهینه سازی و تحلیل عوامل اقتصادی، اگزرژی و آلاینده های نیروگاهی [ 24 ]. برای جایگزینی منابع تجدیدپذیر در صنعت نیروگاهی ایران، تحلیل ترمودینامیکی ترکیب نیروگاه خورشیدی با نیروگاه شهید منتظری نشان داده است که ایجاد ترکیبی بهینه از نیروگاه حرارتی و سیستم فتوولتائیک منجر به کاهش 6698 مترمکعبی سوخت مصرفی می‌شود. دیگ بخار و همچنین کاهش 90.43 تن دی اکسید کربن سالانه [ 25 ]. علاوه بر این، بر اساس ارزیابی قبلی، استفاده از انرژی خورشیدی در اهواز می تواند انتشار دی اکسید کربن را تا 29.5 تن کاهش دهد [ 26 ].

از سوی دیگر، علاوه بر جایگزینی منابع انرژی در این نیروگاه ها، می توان با بهبود فناوری مصرف سوخت های فسیلی، حدود 18 مگاوات انرژی را بازیافت و از انتشار 65756 تن آلاینده دی اکسید کربن جلوگیری کرد [ 27 ]. علاوه بر این، افزایش راندمان نیروگاه بر جنبه های زیست محیطی، اجتماعی و اقتصادی تأثیر می گذارد. نتایج بررسی هزینه‌های اجتماعی آلاینده‌ها و تأثیر آنها بر سلامت انسان و محیط زیست نشان می‌دهد که افزایش راندمان در نیروگاه‌های بخار به طور چشمگیری آلاینده‌های تولیدی و هزینه‌های اجتماعی در این نیروگاه‌ها را کاهش می‌دهد [ 28 ]. همچنین در مطالعات دیگر، تأثیر استفاده از انرژی های تجدیدپذیر بر رشد اقتصادی و انتشار دی اکسید کربن، رابطه علی کوتاه مدت دوجانبه را ثابت می کند [ 29 ]. علاوه بر این، بررسی ردپای کربن در تولید برق آبی نشان دهنده کاهش چشمگیر انتشار کربن است [ 30 ]. به طور کلی راهکارهای مختلفی برای کاهش اثرات مخرب صنعت تولید برق بر محیط زیست ارائه شده است که شامل روش های بهبود راندمان نیروگاه های سوخت فسیلی، تغییر سوخت در تولید برق و جایگزینی آنها با سوخت های کم کربن، انباشت و ذخیره سازی می باشد. دی اکسید کربن و جلوگیری از انتشار آن در جو زمین، تصفیه فاضلاب و استفاده مجدد از منابع آب در چرخه نیروگاه، بازیافت مواد زائد و جلوگیری از انتشار سموم، آلاینده ها و مواد روغنی به منابع آب و خاک [ 31 ].

علیرغم اینکه ارزیابی های انجام شده در خصوص جایگزینی منابع و بهبود راندمان سیستم ها، نه تنها در بخش نیروگاهی، بلکه در بخش غیر نیروگاهی، صرفه جویی در مصرف سوخت و در نهایت افزایش انتشار آلاینده ها را تایید می کند [ 32 ]. . اما نگرش پیوندی برای دستیابی به راه حل موثر و مقرون به صرفه به منظور تضمین امنیت انرژی و محیط زیست همراه با حفظ منابع آب و غذا وجود ندارد. با توجه به بررسی متون، بررسی همه جانبه و پیشنهاد راه حل های اساسی به منظور غلبه بر چالش های پیش روی ما در حوزه تامین انرژی پایدار و حفظ منابع آب و شاخص های زیست محیطی در داخل کشورها ضروری است. تفکر Nexus در مورد آب، انرژی و محیط زیست چارچوبی است که ما را قادر می سازد امنیت پایدار این منابع و نظارت بر پایداری محیطی را تضمین کنیم.

با خلاصه تحلیل فوق، شکاف ادبیات را می توان به این صورت شناسایی کرد.

• •عدم در نظر گرفتن پارامترهای مهم طراحی سیستم در برآورد آلاینده ها و مصرف آب
• •محدودیت در برآورد اثر متقابل نیروگاه خورشیدی متمرکز (هم ST و هم PTC) ادغام شده با نیروگاه های حرارتی.
• •تجزیه و تحلیل انتشار نیروگاه خورشیدی متمرکز محدود به پیکربندی سیستم های خاص بدون مقایسه با سایر جایگزین های مبتنی بر سوخت فسیلی
• •ردپای آب در ارزیابی اقتصادی مطالعات بهینه‌سازی نیروگاه خورشیدی متمرکز لحاظ نشده است، علاوه بر این، سطوح کم‌آبی در برنامه‌ریزی نیروگاه‌های حرارتی در مکان خاص مورد توجه قرار نگرفته است.

در این تحقیق با در نظر گرفتن رویکرد پیوند آب، انرژی و محیط زیست، دستیابی به برق پاک و پایدار، مصرف آب کمتر و انتشار کربن کمتر از طریق بازیابی حرارتی خروجی گازهای دودکش از سیستم توربین گازی، اهداف اصلی هستند. بنابراین، هدف از این تحقیق، ارزیابی جایگزینی بخشی از سوخت فسیلی نیروگاه های حرارتی با نیروگاه های خورشیدی و تحلیل نگرش پیوندی نسبت به آب، انرژی و محیط زیست در طراحی این چرخه هیبریدی است. برای تحقق این هدف، نیروگاه بخار زرند به‌عنوان مطالعه موردی انتخاب شده است تا پیوند را بر اساس ظرفیت تولید، میزان کاهش انتشار دی‌اکسید کربن، میزان ذخیره آب و سوخت‌های فسیلی ارزیابی کند. این تجزیه و تحلیل پیوند سه گانه عددی جدید و جدید برای سیستم یکپارچه پیشنهادی کاملاً مفهوم‌سازی شده است و منابع استفاده شده و مقادیر تولید شده به وضوح شناسایی می‌شوند. همچنین تأثیر پارامترهای اصلی عملیاتی بر عملکرد کل با مدل‌سازی و تحلیل از دیدگاه انرژی و محیطی تعیین می‌شود. از آنجایی که سوخت مورد نیاز برای توربین گاز توسط نیروی تولید شده از PV پشتیبانی می شود، دیگر به منبع انرژی خارجی وابسته نیست و بنابراین رسیدن به مفهوم سیستم های انرژی فسیلی کمتر، تازگی ارزشمند دیگر این مطالعه است. این بازیافت ها باعث بهبود بهره وری انرژی، افزایش قابلیت اجرایی پروژه و از همه مهمتر کاهش انتشار آلاینده ها به هوا و آب محیط زیست شده است.

پژوهش حاضر دو هدف دارد. ابتدا، برای پر کردن شکاف‌های دانش، یک روش تحلیل یکپارچه “3 M” برای شناسایی و کمیت کردن پیوند آب، انرژی و محیط زیست (WEEN) در نیروگاه حرارتی معمولی در سطوح سیستم، عنصر و واحد پیشنهاد کردیم. نام 3 M به یک مدل WEEN نیروگاه حرارتی عمومی (اول M)، تجزیه و تحلیل جریان مواد و انرژی (MEFA؛ دوم M) و یک ماتریس جدید تجزیه و تحلیل WEEN (به نام ماتریس؛ سوم M) اشاره دارد. این سه شاخص بر اساس ماتریس برای تحلیل کمی روابط جفت در سه سطح تعریف شده‌اند. دوم، برای بررسی تأثیر کوپلینگ سه سطحی بر صرفه جویی در مصرف آب، صرفه جویی در مصرف انرژی و کاهش آلاینده، روش پیشنهادی آزمایش و برای یک نیروگاه حرارتی معمولی در ایران اعمال شد. کوپلینگ های سه سطح کمی و مقایسه شدند. زیرسیستم ها، عناصر و واحدهای غالب منجر به مصرف و آلودگی بالا شناسایی شدند و هم افزایی و مبادلات محاسبه و تحلیل شدند. در نهایت، اولویت‌های بهینه‌سازی المان و پتانسیل بهبود واحد شناسایی شدند. سپس استراتژی‌های بهبود برای صرفه‌جویی در مصرف آب، صرفه‌جویی در مصرف انرژی و کاهش آلاینده‌ها بر این اساس تدوین شد. مقایسه با روش های مرسوم مزایای روش “3 M” را بیشتر نشان داد.