پایان نامه مدیریت سامانۀ انرژی شهری بر پایۀ فناوری های تولید همزمان برق و گرما

پایان نامۀ

مقطع کارشناسی ارشد

رشته: MBA

چکیده

حدود دو سوم انرژی جهان در شهرها مصرف می‌شود. در کنار راهکارهای متعددی که برای کاهش تقاضای انرژی ارائه شده است، برخی فناوری و پژوهش‌ها نیز در راستای بهینه‌سازی عرضۀ انرژی بوده‌اند. فناوری‌ تولید همزمان برق و حرارت، جزو فناوری‌هایی است که در چند دهۀ گذشته بسیار توسعه یافته است. مدیریت سامانۀ انرژی شهری در بخش عرضه با استفاده از این فناوری، مسائل و پیچیدگی‌های متعددی دارد که مانع عملیاتی شدن در شهر‌های بزرگ شده است.

در این پایان نامه پس از بررسی شهر و منابع مورد نیاز آن، مسائل فنی و نقاط قوت و ضعف فناوری تولید همزمان بررسی گردیده است.

الگوی توسعه داده شده با هدف بیشینه‌کردن استفاده از انرژی سوخت برای برای پنج صحنۀ مختلف شبیه سازی شد.

در صحنۀ اصلی حدود 24% در هزینه‌های سوخت و در مجموع 20% صرفه جویی نسبت به صحنۀ کنونی به وجود آمده است. بر پایۀ نتایج شبیه سازی، متوسط گرمای تولیدی در واحدهای تولید همزمان، حدود 429 مگاوات است. کل انرژی گرمایی تولیدی در این واحد‌ها در طول سال حدود 3.75 میلیون مگاوات ساعت خواهد بود.

با فرض فروش این منبع به قیمت تمام شدۀ آّب گرم برای مصرف‌کنندۀ خانگی، سالانه حدود 163 میلیون دلار درآمد از محل صرفه جویی انرژی حاصل خواهد شد که بازگشت سرمایه گذاری حدود 240 میلیون دلاری برای نصب نیروگاه‌های تولید همزمان است. بازگشت سرمایۀ این طرح، طی کمتر از دو سال (حدود 1.5 سال)  و با فرض افزایش نیافتن قیمت حامل های انرژی، بازگشت این سرمایه گذاری برای دورۀ سه ساله در حدود 46% خواهد بود.

کلمات کلیدی: تولید همزمان برق و حرارت، شبکۀ انرژی شهری، تحلیل اقتصادی، بهینه‌سازی عرضۀ انرژی

فصل اول

1         مقدمه و کلیات تحقیق

1.1       مقدمه

در این فصل، ابتدا شهر و نیاز‌های آن به منابع و در ادامه راهکارهای تأمین این نیاز‌ها بررسی می‌گردد. در بین راهکارها، مطالعۀ فناوری و ابزارهای تولید همزمان برق و گرما (و سرما) به عنوان ساز و کار پایه برای بهینه سازی عرضۀ انرژی، با دقت و جزییات بیشتری صورت می‌گیرد.

1.2      شهر

شهر را می‌توان با بدن جانداران قیاس کرد.[19] چون برای حیات، به منابع اولیه‌ای مانند آب، انرژی، غذا و هوا احتیاج دارد، فعل و انفعالات و فرایندهای متعددی داخل آن انجام می‌شود و نهایتاً موادی که پسماند و فاضلاب این فرایندها است به محیط اطراف دفع می‌شود.

سامانۀ انرژی شهری[1]، معرف مجموعۀ به هم پیوستۀ فرایندهای تأمین و مصرف انرژی برای پاسخگویی به نیاز جمعیت در شهر است.[20]  در گذشته این نیاز بسیار ساده‌تر و عموماً در نیاز به گرمایش عمومی و انرژی مورد نیاز برای پخت و پز خلاصه می‌شد. امروز این نیاز بسیار وسیع‌تر شده است و شامل نیاز به سرمایش و گرمایش ساختمان، تأمین روشنایی محیط‌های داخل و خارج ساختمان، برق برای مصارف عمومی، انرژی مورد نیاز برای حمل و نقل، انرژی مورد نیاز برای ارتباطات و... است.

1.2.1    منابع مورد نیاز شهر

برآوردهای آژانس بین‌المللی انرژی نشان می‌دهد در حال حاضر حدود دو سوم منابع اولیۀ انرژی دنیا برای رفع نیاز شهرها به کار می‌رود و این رقم تا سال 2030 به 73% خواهد رسید و حاصل این مصرف انرژی، انتشار 70% از کل دی‌اکسید کربن تولیدی در شهرها است.[21] این حجم چشمگیر از مصرف انرژی باعث افزایش مطالعات برای بهبود بازده تولید و توزیع انرژی و همچنین مدیریت تقاضا شده است. حرکت به سمت منابع و راهکارهای پایدارتر به جای استفاده از سوخت‌های سنگواره‌ای[2] متدوال امروزی نیز از دغدغه‌های محققان و دولت‌ها است.

سامانۀ انرژی شهری به طور مستقیم به منابع گرمایشی، سرمایشی، سوخت و  برق وابسته است. منابع دیگری مانند هوا، آب و فضای موجود در شهر نیز به طور غیر مستقیم این سامانه را تحت تأثیر قرار می‌دهند ولی اثر آنها معمولاً چشمگیر و تعیین کننده است.

(جداول ،نمودار ها و تصاویر در فایل اصلی موجود است)

1.2.1.1     گرما

مردم در بخش‌های مختلفی به گرما نیاز دارند. بیشترین مصرف انرژی در این بخش برای گرمایش مکان‌های مسکونی، اداری، تجاری، تفریحی و...، تأمین آّب گرم مورد نیاز برای استحمام و مصارف بهداشتی و همچنین گرمای لازم برای پخت و پز است.

سامانه‌های گرمایش در محیط‌های مذکور اگرچه از نظر فنی به هم شباهت دارد ولی از نظر میزان مصرف انرژی در ساعات مختلف شبانه‌روز متفاوت است که می‌تواند در سامانۀ مدیریت یکپارچۀ انرژی شهری، باعث کاهش سرمایه‌گذاری اولیه و هزینه‌های بهره‌برداری شود.

بخش عمدۀ نیاز گرمایشی مستقیماً از طریق سوخت‌های سنگواره‌ای (گاز و گازوییل) تأمین می‌شود و در برخی کشورها که برق تولید شده از منابع تجدیدپذیر (مانند سدهای آب) و نیروگاهی‌های زغال‌سنگ سوز و هسته‌ای در دسترس است، سهم برق در در رفع نیاز مردم بخصوص برای مصارف پخت و پز افزایش یافته است.

استفاده از آبگرمکن‌های خورشیدی نیز راهکار دیگری است که برای تأمین مصارف حرارتی شهرها و روستا استفاده می‌شود و در مناطقی که دسترسی به نور خورشید مناسب است، بازده قابل قبولی دارد. [1]

شهرهایی که در مناطق گرمسیر واقع شده‌اند معمولاً نیازی به سامانه‌های گرمایشی ندارند و مصرف حرارتی آنها صرفاً برای تأمین آب گرم و پخت و پز است.

1.2.1.2     برق

برق، در شهر مصرف‌کنندگان متنوعی دارد که مصارف عمومی برای تجهیزات برقی خانگی و اداری، تأمین روشنایی داخلی محیط‌های مسکونی و غیر مسکونی، تأمین روشنایی محیط‌های شهری (مانند خیابان‌ها)، تأمین انرژی مورد نیاز تجهیزات و زیرساخت‌های شهری (مانند بیمارستان‌ها، فرودگاه‌ها، جایگاه‌های عرضۀ سوخت، آنتن‌های مخابراتی، چراغ‌های راهنمایی و رانندگی، دوربین‌های مدار بسته) از جملۀ آنها است.

مصرف‌کنندگان برق را می‌توان از دو جهت از یکدیگر متمایز کرد:

الگوی مصرف در شبانه‌روز و روزهای سال

حساسیت نسبت به قطع برق

حساسیت برخی مراکز مانند بیمارستان‌ها، فرودگاه‌ها و.. نسبت به قطع برق باعث می‌شود این مراکز به سامانه‌های تأمین برق اضطراری مجهز باشند. قطع برق می‌تواند در اثر بیشتر شدن تقاضا نسبت به عرضه، مشکلات فنی شبکۀ انتقال و توزیع یا حوادث و بلایای طبیعی باشد. تولید پراکندۀ برق و احداث نیروگاه‌های مقیاس کوچک در داخل شهرها، با در نظر گرفتن محدودیت‌های محیط زیستی، می‌تواند در جهت افزایش ضریب اطمینان تأمین برق مراکز حساس نیز باشد.

1.2.1.3     سرما

در شهر، نیاز به سرما به دو بخش اصلی تقسیم می‌شود:

سرمای مورد نیاز برای نگهداری مواد فاسد شدنی در مکان‌هایی مانند سردخانه‌ها یا تجهیزاتی مانند رایانه‌های مرکزی که باید در تمام طول سال در دمای مشخصی کار کنند.

سرمایش مورد نیاز برای ساختمان‌های مسکونی، تجاری، اداری، تفریحی و... در فصل‌های گرم سال

بخش اول از نظر میزان مصرف، سهم بسیار کمی دارد ولی مصرف آن دائمی است. نیاز بخش دوم مقطعی است ولی در روزهای گرم سال (و بخصوص ساعت‌های بسیار گرم) میزان آن بسیار افزایش می‌یابد. نیاز بخش اول معمولاً با استفاده از سامانه‌های تبرید تراکمی بر طرف می‌شود لذا با توجه به سهم ناچیز این مصرف‌کنندگان، مصرف آنها را جزو مصارف برق (سامانۀ تبرید تراکمی) در نظر می‌گیریم.

برای تأمین سرمایش ساختمان‌ها، سه ابزار (یا تلفیقی از آنها) وجود دارد:

سامانۀ تبرید تراکمی (برق مصرف می‌کند)

سامانۀ تبرید جذبی (گرما را به صورت آب گرم، بخار آب  یا شعله مستقیم مصرف می‌کند)

سامانه‌های رطوب زنی (آب و برق مصرف می‌کند)

1.2.1.4     هوا، آب و فضا

هوا و آب دو منبع مورد نیاز و در دسترس ولی محدود در هر شهر اند. فضا (سطح قابل استفاده) نیز وضعیت مشابهی دارد با این تفاوت که فضای شهرها (بخصوص کلان‌شهرها) قابل افزایش نیست و محدودیت فضا و تراکم بافت مسکونی قابلیت اجرای بسیاری از طرح‌های بهینه سازی را محدود می‌کند.

میزان دسترسی به هوا و آب تمیز، به موقعیت جغرافیایی شهر وابسته است. در انتخاب راهکار تولید برق در هر منطقه باید به مقدار آب در دسترس توجه شود. تولید متمرکز برق در مقایسه با سامانه‌های تولید همزمان برق و گرما، حدود 25.6% دی اکسید کربن بیشتری تولید می‌کند ولی سامانه‌های تولید همزمان، سهم بیشتری از آلاینده‌ها در نزدیکی محل مصرف انرژی (شهر) منتشر می‌شود. [22] لذا توسعۀ سامانه‌های تولید همزمان در شهرهای بزرگ که گرفتار مشکل آلایندگی‌اند باید با دقت و مطالعه صورت گیرد.

1.1.1    مدیریت منابع شهری

تا پیش از دورۀ استفاده از سوخت‌های سنگواره‌ای، انرژی شهری از طریق منابع توده‌زیستی که عمدتاً چوب و زغال بود تأمین می‌شد. منابع این مواد باید در محدودۀ مشخصی در اطراف شهر قرار می‌داشت. محدودیت این منابع، در کنار محدودیت آب و مواد غذایی، اندازۀ شهر و قابلیت بالقوۀ گسترش آن را محدود می‌کرد.

زغال سنگ اولین سوخت سنگواره‌ای بود که به صورت گسترده به عنوان منبع انرژی در شهر، صنعت و حمل و نقل (قطار بخار) استفاده شد. پس از آن در قرن بیستم برق، نفت و گاز راه خود را به زندگی اکثر مردم باز کردند. ورود این منابع به سامانۀ انرژی شهری، باعث بزرگتر شدن آنها شد. در جدول ‏1‑1 تغییرات سامانۀ انرژی شهری در انگلستان و اثرات آن در طول زمان مشاهده می‌شود.

جدول ‏1‑1 – تغییرات سامانۀ انرژی شهری در انگلستان و اثرات آن در طول زمان [20]

(جداول ،نمودار ها و تصاویر در فایل اصلی موجود است)

در اکثر مناطق اولین سامانۀ انرژی که به صورت شبکه توسعه پیدا کرد، شبکۀ تأمین روشنایی بود. شبکه‌های اولیه دربسیاری از شهرها مانند لندن، گازی (گاز زغال سنگ) بود که بتدریج با شبکۀ روشنایی برقی جایگزین شد. برق مورد نیاز این سامانه، به صورت منطقه‌ای و پراکنده تولید می‌شد. [20] اولین مولد‌های برق، ماشین‌های بخار بودند ولی به تدریج موتورهای درونسوز جایگزین آنها شدند.

به مرور با توسعۀ شبکه‌های پراکنده، مشکلاتی در آن بروز کرد. برای مثال در سال 1918 میلادی فقط در لندن، 70 شرکت تولید کنندۀ برق، 50 سامانۀ مختلف را با 10 بسامد و 24 ولتاژ مختلف بهره‌برداری می‌کردند. در آن دوره تحقیقات و گزارش‌هایی منتشر شد که معایب این روش را بیان و پیشنهاد می‌کرد شبکۀ سراسری احداث و تمام شبکه‌های محلی به آن متصل شوند. [20]

به مرور با افزایش نیاز به برق در مصارف خانگی و صنعتی، به دلیل هزینه‌های انتقال سوخت و محدودیت سامانۀ خنک‌کاری نیروگاه، احداث آنها در داخل شهرها مقرون به صرفه نبود و نیروگاه‌ها به محل‌هایی که به سوخت و آب (به عنوان سیال خنک‌کن) دسترسی آسانتری داشت منتقل شدند و نیروگاه‌های متمرکز توسعه یافتند.

به این ترتیب بخش اعظمی از نیاز شهر به انرژی، در خارج از آن تولید و از طریق شبکۀ سراسری انتقال و توزیع برق، به مصرف‌کنندۀ نهایی می‌رسید. سوخت‌های مورد استفاده برای حمل و نقل (بنزین و گازوییل) به شیوه‌ای که امروزه نیز استفاده می‌شود، یعنی با استفاده از مخازن حمل می‌شد و در جایگاه‌های عرضۀ سوخت در اختیار مصرف کننده قرار می‌گرفت. شبکۀ گازرسانی نیز برای تأمین گرمایش و انرژی مورد نیاز پخت و پز اختصاص یافت.

(جداول ،نمودار ها و تصاویر در فایل اصلی موجود است)

با توسعۀ شبکۀ گاز و برق سراسری در کشورها، شهرها که قبلاً جزیره‌های مستقلی بودند، تبدیل به شبکۀ انرژی در سطح ملی شدند به گونه‌ای که تغییر در الگوی مصرف هریک از آنها می‌توانست عرضۀ انرژی در شهرهای دیگر را تحت تأثیر قرار دهد. [20]

سهم حامل‌های انرژی در مصرف نهایی انرژی در شکل ‏1‑2 و خلاصه‌ای از تغییر سرانۀ مصرف انرژی در طول تاریخ و اثر توسعۀ شهرها و شبکه‌ها بر آن، در شکل ‏1‑3 دیده می‌شود.

(جداول ،نمودار ها و تصاویر در فایل اصلی موجود است) 

Abstract

Approximately two-thirds of global primary energy is consumed in the cities. Beside the diverse technic for consumption reduction, some research and technologies have focused on increasing energy supply efficiency.

CHP (combined heat and power) systems offer significant primary energy-efficiency gains and emissions reductions, but they can have high upfront investment costs and create nuisance pollution within the urban environment.

In this thesis, after investigating cities and its reqired resources, technical SWOT of CHP has been studied.

Integer linear modeling used for simulating urban energy supply system based on CHP thecnologies. Results show different scenarios could have a significant economical benefit. In this modeling life-cycle cost of plants has been analyzed and city has been assumed as a network of production and consumption cells.

By employing CHP plants in the main scenario, 24% on energy costs and 20% on life-cycle costs could be saved. Based on the results, the annual produced heat in this plants is about 3.75 million MWh that could be sold to the consumers. The annual revenue of a 240 million $ investment for CHP plants is around 163 million $ that clearly shows the investment returns in less than 2 years and for a 4-year period the IRR is at least 46%.

Key words: combined heat and power (CHP), Urban energy network, economical analisys, optimizing energy supply