پروژه بررسی کارآیی نیروگاه های انرژی های تجدید پذیر در جهان

هدف پروژه : گردآوری اطلاعات و دسته بندی نیروگاه های انرژی های تجدیدپذیر در کشورهای عضو شورای جهان انرژی.

نیروگاه های انرژی های تجدیدپذیر به عنوان نیروگاههای پیشرفته و نوین در حال توسعه بوده و بسرعت با افزایش میزان قدرت منصوبه و کاهش قیمت روبرو می باشد. بهره برداری از تجربیات کشورهای توسعه یافته منجر به استفاده از انرژیهای نوین در کشورهای در حال توسعه خواهد شد.

پیشگفتار :

محدودیت انرژی های فسیلی و رشد روز افزون تقاضای انرژی، افزایش استانداردهای زندگی، گرم شدن کره زمین و در نهایت مشکلات زیست محیطی سبب گردیده تا هر روز شاهد پیشرفتهایی در فن آوری و استفاده از انرژیهای نو باشیم.

رشد و  توسعه جوامع انسانی همواره موازی با تولید و مصرف انرژی بوده است. طبق آمارهای به ثبت رسیده، طی 30 سال گذشته احتیاجات انرژی جهان به مقدار قابل توجهی افزایش یافته است. در سال 1960 مصرف انرژی جهان GTOe 3/3 بود، در سال 1990 این رقم به GTOe 8/8 بالغ گردید که دارای رشد متوسط سالیانه 3/3 درصد می باشد و در مجموع 166 درصد افزایش نشان می دهد. در حال حاضر مصرف انرژی جهان GTOe10 بوده و پیش بینی می شود که این رقم در سالهای 2010 و 2020 به GTOe 12 الی 14 افزایش یابد، این ارقام نشان می دهند که میزان مصرف انرژی جهان در قرن حاضر بالا باشد و بالطبع این سوال مهم مطرح است که آیا منابع انرژیهای فسیلی در قرنهای آینده، جوابگوی نیاز انرژی جهان برای بقاء تکامل و توسعه خواهند بود، یا نه؟

حداقل به دو دلیل عمده جواب این سوال منفی است و باید منابع جدید انرژی را جایگزین منابع قدیم نمود. این دلایل عبارتند از :

1- محدودیت  و در عین حال مرغوبیت انرژیهای فسیلی، چراکه این سوختها از نوع انرژی شیمیایی متمرکز بوده و مسلماً کاربردهایی بهتر از احتراق دارند.

2- مسایل و مشکلات زیست محیطی، به طوری که امروزه حفظ سلامت اتمسفر از مهمترین پیش شرطهای توسعه اقتصادی پایدار جهانی به شمار می آید. از این رو است که دهه های آینده به عنوان سالهای تلاش مشترک جامعه انسانی برای کنترل انتشار کربن، کنترل محیط زیست و در واقع تلاش برای تداوم حضور انسان در کره زمین خواهد بود.

بنابراین، استفاده از منابع جدید انرژی به جای منابع فسیلی امری الزامی است. سیستمهای جدید انرژی در آینده باید متکی به تغییرات ساختاری و بنیادی باشد که در آن منابع انرژی بدون کربن، نظیر انرژی خورشیدی، بادی، زمین گرمایی و کربن خنثی مانند انرژی بیوماس مورد استفاده قرار می گیرند. بدون تردید، انرژیهای تجدیدپذیر با توجه به سادگی فن آوریشان، در مقابل فن آوری انرژی هسته ای از یک طرف و نیز به دلیل عدم ایجاد مشکلاتی نظیر زباله های اتمی از طرف دیگر ، نقش مهمی در سیستمهای جدید انرژی در جهان ایفا می نمایند. در هر حال باید اذعان داشت که در عمل عوامل متعددی ، بویژه، هزینه اولیه و قیمت تمام شده بالا، عدم سرمایه گذاری کافی برای بومی نمودن و بهبود کارآیی تکنولوژیهای مربوطه، به حساب نیامدن هزینه های خارجی در معادلات اقتصادی، نبود سیاستهای حمایتی در سطح جهانی، منطقه ای و محلی، نفوذ و توسعه انرژیهای نو را بسیار کند و محدود ساخته است، ولی پژوهشگران و صنعتگران همواره تلاش خود را جهت رفع این مشکلات مبذول می دارند.

فناپذیری و آلایندگی انرژیهای فسیلی موجب توجه اکثر کشورهای جهان به انرژیهای نو شده است. در کشور ما نیز، بدلیل مسایل فوق و برخوردار بودن از پتانسیلهای بسیار غنی، منابع مختلف انرژی از جمله : خورشیدی، باد، زمین گرمایی و ... و موضوع تنوع بخشی در   انرژی کشور، بعنوان یک سیاست کلی مورد تأکید است.

« شورای جهانی انرژی (WORLD ENERGY COUNCIL)  WEC»

ماموریت شورای جهانی انرژی ترویج منابع قابل تحمل و به کار بردن انرژِی به منظور بزرگترین فایده آن می باشد. این موضوع شامل :

- حفاظت و نگهداری از منابع انرژی

- حفاظت  از محیط زیست

- برنامه ریزی برای آینده

- رسیدگی به برنامه ریزی توسعه کشورها در تلاشهای آن به منظور یافتن احتیاجات انرژی خودشان

در بخش الکتریسیته، این موضوع می تواند به منظور مدیریت مطالبه انرژی و پیشرفت انرژی تجدیدنظر انجام شود.

کمیته شورای جهانی انرژی برای عملکرد نیروگاه ها (PGP)، با این چارچوب، 30 سال قبل بنا نهاده شده بود و در طول این سالها، کارهای زیادی برای نیروگاههای سوخت فسیلی و هسته ای در سرتاسر جهان انجام داده است. به ویژه، شاخصهای عملکرد بطور دقیق تری توسعه یافته اند، اطلاعات عملکرد جمع آوری شده و تجزیه و تحلیل شده است، و پایگاههای داده بزرگی نصب شده است.

این کمیته عملکرد نیروگاهها، کشورها و تولیدکنندگان برق را قادر ساخته بود تا خودشان را در دوره های عملکرد قرار دهند تا نقصهای احتمالی شان را پیدا کنند، و از تلاشهای موفقیت آمیز بهسازی عملکرد تولیدکنندگان دیگر تجربه کسب کنند.

اکنون انرژِی تجدیدپذیر به سرعت توسعه می یابد، و از این موضوع گذشته است که زمان آن رسیده بود که همین کار را روی تجدیدپذیرها آغاز کنند. اولین کوشش فقط روی انرژی باد متمرکز شده بود، که در هفدهمین کنگره WEC در هوستون در سال 1998 ارایه شده بود. این موضوع با ایجاد گروه کاری 2 در سال 1999 ادامه یافت.

هدف گروه  کاری ، فراهم کردن اطلاعات و ارزیابی انرژی تجدید پذیر بود، که این کار میتواند موجب بهبود کارآیی و طراحی پروژه های جدید شود و آنها را قادر بسازد تا استقرار یافته و خودشان را در شرایط عملکرد فنی مقایسه کنند. هدف اصلی بالا بردن پیشرفت مؤثر انرژی های تجدیدپذیر در سرتاسر جهان، و اصلاح عملکردشان می باشد، همچنین عملکردهای اقتصادی و زیست محیطی در آینده می تواند آزمایش شود.

اصلاحات در عملکرد نیروگاهها فواید مستقیم بسیاری در پی دارد، مانند :

- قابلیت تولید افزایش یافته

- زمانهای قطع برق کمتر و کوتاهتر

- اقتصاد بهتر نیروگاه

این فواید مستقیم، فواید ثانویه دیگری با همان اندازه اهمیت تولید می کند : اعتماد بهتر به فن آوریهای جدید RES (منابع انرژی تجدیدپذیر)، استفاده مؤثرتر از ظرفیت تولیدی موجود، ساختار معوق یا کاهش یافته ظرفیت تولیدی جدید، و هزینه های کلی تولید کمتر، فواید ارزیابی شده دیگری می تواند در طی فرآیند مدیریت اصلاح شده بدست بیاید که اغلب پاسخ این سوال است که چرا تاسیسات فن آوری، پتانسیل عملکرد ممتاز ذاتی‌شان را نمی توانند تحقق ببخشند.

سه مرحله اصلی برای کار مشخص شده است تا کامل شود :

الف- تعریف شاخصهای مناسب، که می تواند به شکل کامل و کافی عملکرد انرژیهای تجدیدپذیر را توصیف کند. اولین مرحله در حقیقت یک مرحله بحرانی برای پیگیری تحقیقات و همچنین یکی از مراحل سخت می باشد، از آنجا که :

• در یک سو، عملکرد منابع انرژیهای تجدیدپذیر، مخصوصاً برای انرژیهای باد و خورشید به شدت به شرایط طبیعی ( و تصادفی) و آب و هوایی بستگی دارد، و انرژی تولید شده، بسته به زمان در دسترس بودن آن می تواند مفید باشد یا نباشد؛ این پارامترها باید تا اندازه ای که امکان دارد در تعریف شاخصها به حساب آورده شوند.

• از سوی دیگر، شاخصهای متناظر باید تا اندازه ای که امکان دارد توسط جامعه بین‌المللی پذیرفته شود، که این موضوع می تواند سخت تر از « فناوریهای جدید انرژی» که به شکل مداوم رشد می کنند، انجام شود. عقاید پدید آمده جدید اغلب با برخی مشکلات در گردآوری اجماع در شروع کار روبر می شوند.

برای باد، کارهای مقدماتی انجام شده توسطWEC) ( (1999 Legerto AL یک نقطه شروع تا تحقیقات امروزی را بوجود آورده است، اگرچه با توجه به پیشرفتهای جدید زیاد در گزارش برای زیست توده، این اطلاعات برای شاخصهای تعیین شده بوسیله WEC-PGP برای نیروگاههای سوخت فسیلی مفید بوده اند. همانطور که مسایل بسیار مشابهی می تواند مطرح شود.

ب- آزمایش شاخصهای جدید روی تعداد محدودی از موارد موجود واقعی، به منظور بازبینی کفایت آنها و اعتبار بخشیدن به اصول کار.

پ- تجزیه و تحلیل بررسیهای موردی، بررسیهای محک زنی و پروژه های هم سنجی به منظور تشخیص مسایلی که به عملکرد زیر استاندارد متنهی می شود و پیشنهاد راه‌حلهایی برای این مسایل. سرانجام ، پایگاههای داده می تواند توسط سازمانها و کشورهای شرکت کننده نصب شده و باقی بمانند، همانطور که برای نیروگاههای سوخت فسیلی و هسته ای انجام شده است .

پرسشنامه ای در پایان سال 1999 برای تعداد زیادی از متخصصان RES درسرتاسر جهان به منظور تعریف دقیق تر مفاد و منظور گروه کاری ، فرستاده شده بود و متخصصان مایل به همکاری شدند. تماس های بسیار دیگری برقرار شده است، که نهایتاً منجر به ثبت تقریبا 60 متخصص از 20 کشور مختلف شد، کسانی که قبول کرده اند و مقداری از زمان خود را روی این پروژه گذاشتند توجه ویژه ای برای پیدا کردن متخصصانی از سرتاسر جهان شده است که در انجمن RES به خوبی شناخته شده باشند و در سازمانهای بین‌المللی درگیر کار باشند، تا این اطمینان حاصل شود که نتایج بدست آمده توسط گروه کاری 2 تا اندازه ای که ممکن است مورد قبول واقع شود.

با توجه به نتایج پرسشنامه، با تصمیمات زیر در همایش WEC PGP در شهر ریودرآوریل سال 2000 موافقت به عمل آمد 

الف- محدود کردن تحقیقات به نیروگاههای متصل به شبکه، تا جاییکه امکان دارد؛

ب- متمرکز شدن فقط روی انرژی باد، PV خورشیدی(فتوولتاییک)، زیست توده و زمین گرمایی؛

پ- ایجاد یک گروه کاری جدید در مورد نیروی آبی (بزرگ و کوچک، دربرگیرنده ایستگاههای تلمبه ای)، این گروه کاری (WG 4) توسط ESKOM / آفریقای جنوبی اداره خواهد شد؛

ت- تقسیم تحقیقات به « زیرگروهها» که هر کدام روی یکی از انواع RES ( باد، PV خورشیدی، زیست توده و زمین گرمایی) کار خواهند کرد؛

ث-  هر زیر گروه توسط یک متخصص برجسته اداره شود، تا اطمینان حاصل شود که نتایج به عنوان « استانداردهای» سازگار توسط جامعه بین‌المللی پذیرفته شوند( بخصوص IEA ، IGA ، Euroelectric و ...) به خاطر احتراز از تکراری شدن پروژه ها .

وظیفه هر کدام از « رهبران RES» پیشنهاد کردن شاخصهای ویژه برایب RES مخصوص خودشان می باشد که آنها را در جامعه RES خودشان معتبر می سازد و پیدا کردن تعدادی از نیروگاههایی که اجازه آزمایش کردن و فراهم کردن مقادیر واقعی و اولیه را برای این شاخصها بدهند.

بخش اول :

دسته بندی انرژی های نوین بهره برداری شده در جهان

مقدمه :

به منظور درک موقعیت انرژیهای تجدیدپذیر، لازم است تا نگاهی به تقاضای برق موجود بیاندازیم. امروزه یک سوم جهان (بیش از دو میلیارد نفر) هیچگونه دسترسی به برق ندارند ( و یک میلیارد نفر دیگر کمتر از 5 ساعت در روز برق دارند) و شکاف بین کشورهای صنعتی و کشورهای در حال توسعه به شکل باور نکردنی در حال افزایش است. نگرانی های زیست محیطی، تغییرات جدی را در رفتارها برای یک تحول واقعی بسوی « پیشرفت قابل تحمل» و بنابراین، بسوی پیشرفت انرژیهای تجدیدپذیر طلب می کند.

آمار ، نیاز به توسعه انرژیهای تجدیدپذیر و تمیز را به دلایل زیر مشخص می نماید :

- فراهم کردن برق برای کشورهای در حال توسعه، مخصوصاً در مناطق دوردست و در جاهاییکه باد، خورشید ، زیست توده و انرژی زمین گرمایی به وسعت در دسترس می‌باشد؛

- محافظت از محیط زیست، مخصوصاً در دوره های دفع کم آلوده کننده ها، گازهای گلخانه ای، بویژه در زمینه تغییرات آب و هوایی ؛

- حفظ منابع انرژی فسیلی؛

در این رابطه ، کشورهای به اصطلاح « توسعه یافته»، که همزمان بزرگترین مصرف کننده برق و بزرگترین آلوده کننده می باشند، این مسئولیت را دارند که طلایه دار پیشرفت انرژیهای ارزان و تمیز باشند.

اگرچه منابع انرژی تجدیدپذیر (RES) در تولید جهانی نسبتاً حاشیه ای هستند ( بجز زیست توده و برق آبی، که اینجا مورد بررسی نیستند) ، توسعه آنها برای انرژی باد و PV خورشیدی مهم است، بخاطر اینکه میانگین نرخ رشد سالیانه آنها تقریباً 25 تا 30 درصد است. ایالت متحده آمریکا، ژاپن و اروپا ( بویژه آلمان، ایتالیا و دانمارک) کشورهای پیشرو هستند، اما کشورهای در حال توسعه نظیر هند، مکزیک و برزیل تلاش مهمی در توسعه منابع انرژیهای نو (RES) انجام می دهند.

تذکر مهم : اسامی و تعاریف تعدادی از شاخصها می تواند معانی مختلفی داشته باشد، تعاریفی نظیر : « فاکتور ظرفیت» ، « فاکتور قابلیت» ، « فاکتور بار» و ...

قسمت 1-1- انرژی باد

تابش نامساوی خورشید در عرضهای مختلف جغرافیایی به سطح ناهموار زمین باعث تغییر دما و فشار شده و در نتیجه باد تولید می گردد. بعلاوه، اتمسفر کره زمین به دلیل چرخش، گرما را از مناطق گرمسیری به مناطق قطبی انتقال می دهد که این امر نیز باعث بوجود آمدن باد می شود. انرژی باد طبیعتی نوسانی و متناوب داشته و وزش دایمی ندارد. باد یکی از صورتهای مختلف انرژی خورشیدی می باشد که دارای یک الگوی جهانی نیمه پیوسته است.

تغییرات سرعت باد ساعتی، روزانه و فصلی بوده و متاثر از هوا و توپوگرافی سطح زمین می‌باشد. بیشتر منابع انرژی بادی در نواحی ساحلی و کوهستانی واقع شده است. با توجه به اقلیم متنوع مناطق بادخیز در سراسر کشور، بستر مناسبی برای بهره برداری از توربینهای مولد برق و پمپ توربینهای بادی بویژه در مناطق دور از شبکه برق سراسری فراهم می باشد. با توجه به رایگان بودن انرژی باد و توسعه نگرشهای زیست محیطی و راهبردهای صرفه جویانه در بهره برداری از منابع تجدیدناپذیر، انرژی باد در مقایسه با سایر منابع انرژی مورد استفاده در بسیاری از کشورهای جهان رو به فزونی گذاشته است. توربینهای بادی مولد برق جایگزین مناسبی برای نیروگاههای گازی و بخاری رایج به شمار می رود.

کشورهای باستانی نظیر مصر و عربستان در استفاده از انرژی بادی پیشقدم بوده اند، مصریها جزو اولین کشورهایی بوده اند که از انرژی باد استفاده کرده اند و روی رودخانه نیل با قایقهای بادبانی رفت و آمد کرده اند؛ در ضمن دانمارکیها اولین ملتی بوده اند که در زمینه تولید الکتریسیته از انرژی باد اقدام نموده اند. البته طراحی و ساخت توربینهای بادی امروزی بر اساس اندیشه های جدید صورت می گیرد.

با محاسبات دقیق طراحی و تکنولوژی پیشرفته و استفاده از اطلاعات صنعت هواپیمایی، آیرودینامیک و الکترونیک بدست آمده در سالهای اخیر، ساخت توربینهای بادی توسعه یافته است. در توربینهای بادی، انرژی جنبشی باد به انرژی مکانیکی و سپس به انرژی الکتریکی تبدیل می گردد. استفاده فنی از انرژی باد وقتی ممکن است که متوسط سرعت باد در محدوده 5/0 الی 25/0 باشد.

• انواع توربینها از نظر اندازه

الف- توربینهای بادی کوچک : از این توربینها جهت تأمین برق جزیره های مصرف و یا مناطقی که تأمین برق از طریق شبکه سراسری برق بسیار مشکل می باشد استفاده می‌‌شود، این توربینها تا قدرت 10 کیلووات توان تولید برق را دارا می باشند.

ب- توربین های بادی متوسط : توان این توربینها، عموماً 250-10 کیلووات است. از این توربینها جهت تأمین مصارف مسکونی، تجاری، صنعتی و یا کشاورزی استفاده می شود.

پ- توربین های بادی بزرگ (مزارع بادی) : این نوع توربینها معمولاً شامل چند توربین بادی متمرکز با توان تولیدی از 250 کیلووات به بالا می باشند که به صورت متصل به شبکه و یا جدا از شبکه طراحی می گردند.