مصرف آب نیروگاه سیکل ترکیبی

توجه به مسئله آب و انرژی ضروری است زیرا مسائلی از جمله رشد جمعیت، تغییرات آب و هوایی و خشک‌سالی‌های ناشی از آن، مدیریت سیستم‌های انرژی و آب را پیچیده‌تر می‌کند. یونیسف تخمین می‌زند که تا سال ۲۰۵۰، افزایش جمعیت شهری برای اکثر کشورهای در حال توسعه، بیش از ۵۰ درصد رشد خواهد داشت. رشد سریع جمعیت و شهرها همراه با توسعه اقتصادی جهانی، فشار زیادی را بر منابع محدود در این سیاره وارد می‌کند، از جمله: آب، انرژی، غذا، زمین و اکوسیستم‌ها. بحران آب یک ریسک در حال حاضر و آینده است، با افزایش تقاضا برای منابع محلی، افزایش مقیاس و نوع منابع آلودگی و تغییرات اقلیمی موجب تغییر الگوهای آب و هوایی و درنتیجه موجب افزایش احتمال وقوع خشک‌سالی، سیل و بلایای طبیعی می‌شود. تا سال ۲۰۳۵، تقاضای انرژی اولیه جهان در مقایسه با سال ۲۰۱۰، ۴۰ درصد افزایش خواهد یافت. صرفه‌جویی در مصرف آب و انرژی یکی از مهم‌ترین زمینه‌های توسعه پایدار در سراسر جهان خواهد شد. صرفه‌جویی در انرژی می‌تواند فشار را بر منابع آب کاهش دهد، زیرا آب مورد نیاز برای تولید انرژی می‌تواند ذخیره شود یا دوباره مورد استفاده قرار گیرد و افزایش بهره‌وری آب همچنین می‌تواند مقدار انرژی مصرف‌شده برای حمل‌ونقل، تولید حرارت و تصفیه آب را کاهش دهد. با توجه به نگرانی روزافزون در مورد امنیت آب و انرژی در سطح جهان، مطالعه دقیق بین منابع انرژی و آب، به نام “پیوند آب و انرژی” (WEN (Water Energy Nexus)) در سال‌های اخیر توجه زیادی را به خود جلب کرده است. اعتقاد بر این است که تجزیه‌وتحلیل WEN می‌تواند برنامه‌ریزی بهتر آب و انرژی و درک گزینه‌های بالقوه برای هر دو سیاست و فن‌آوری را پشتیبانی کند. انتظار می‌رود که این امر به سیاست‌گذاران در زمینه حفاظت و پایداری آب و انرژی کمک کند.

بر اساس آخرین بررسی‌های انجام‌شده از انتشار گازهای گلخانه‌ای ایران، ۳۵٪ انتشار گازهای گلخانه‌ای متعلق به بخش نیروگاه‌های کشور می‌باشد که در واقع بیشترین سهم در بین بخش‌های منتشرکننده گازهای گلخانه‌ای را دارد. آب در تولید برق نقش مهمی دارد به نحوی که بیش از ۸۰ درصد از آب بخش صنعت در نیروگاه‌های کشور مصرف می‌شود. شاید بتوان گفت آب برای این نیروگاه‌ها به اندازه سوخت دارای اهمیت است. با توجه به شرایط موجود بحران آب در کشور و واقع شدن کشور ما در ناحیه گرم و خشک توجه به پیوند آب و انرژی در نیروگاه‌ها دارای اهمیت زیادی است.

از طرف دیگر، با توجه به اینکه ایران در انتشار گازهای گلخانه‌ای رتبه ۷ را در بین کشورهای دنیا دارد، ضمن آنکه ایران یک کشور صنعتی محسوب نمی‌شود و با عنایت به این موضوع که نیروگاه‌های حرارتی در کشور ما سهم بالایی در انتشار گازهای گلخانه‌ای دارند، ارتباط و درهم تنیدگی نیروگاه‌ها و انتشار کربن بسیار مهم است. لذا با توجه به اینکه سیاست وزارت نیرو، احداث نیروگاه‌های سیکل ترکیبی می‌باشد، در این تحقیق سعی می‌شود اهمیت پیوند آب، انرژی و کربن در نیروگاه‌های چرخه ترکیبی کشور مورد بررسی قرار گیرد.

٢. اهمیت مصرف آب نیروگاه سیکل ترکیبی در صنعت

آب در صنعت تولید انرژی در بخش‌های زیر استفاده می‌شود:

بسیاری از فرآیندهای تبدیل برای خنک‌کاری نیاز به آب دارند. آب لازم برای خنک‌کاری در چگالنده نیروگاه‌هایی که سامانه خنک‌کاری آن‌ها از نوع چرخه باز است، نمونه‌ای از این نوع کاربرد محسوب می‌شود.
بسیاری از فرآیندهای تبدیل از آب به عنوان ماده اولیه استفاده می‌کنند. از این نوع کاربرد می‌توان به آب موجود در چرخه اصلی نیروگاه بخار و آب مورد نیاز واکنش‌های شیمیایی و محلول‌ها اشاره نمود.
تولید و استخراج انرژی نیاز به آب دارند. در برخی موارد در فرآیند استخراج نفت، آب‌های همراه تولید می‌شود.

تمام این کاربردها به صورت مستقیم در شاخص آب مجازی در صنعت تولید مواد و انرژی تأثیر می‌گذارند. علاوه بر این عوامل مستقیم، این شاخص به عوامل غیرمستقیم متعددی ارتباط دارد. مقدار آبی که برای تولید انرژی مورد نیاز صنایع در بخش‌های بالادستی صرف می‌شود و یا مقدار آبی که برای ساخت تجهیزات و دستگاه‌های مورد نیاز صنعت به کار می‌رود، نمونه‌ای از این ارتباط‌های غیرمستقیم است. عوامل غیرمستقیم مرزهای وسیع‌تر از فرآیند تولید در واحد صنعتی دارند. بنابراین ارتباط آب و انرژی در صنعت هم در داخل و هم در خارج از جعبه آب (سامانه آب درون واحد صنعتی) است. شدت مصرف آب بیانگر حجم آب مصرفی به ازای یک واحد ارزش افزوده ناخالص تولیدی است که فشار اقتصاد بر منابع آبی را اندازه می‌گیرد و نشانگر سیاست‌های بهره‌وری منابع است.

٣. پیوند انرژی و کربن و مصرف آب نیروگاه سیکل ترکیبی

رشد روزافزون جمعیت و توسعه صنعتی سبب افزایش تقاضای الکتریسیته و افزایش انتشار گازهای گلخانه‌ای و افزایش مصرف آب شده است. از طرفی، تغییرات آب و هوایی می‌تواند بر روی مقدار آب تجدیدپذیر در دسترس مؤثر باشند. تولید الکتریسیته، آب و کربن به شدت به یکدیگر وابسته هستند. آب در دیگ بخار چرخه رانکلین در نیروگاه‌های بخار، به بخار با دمای تقریبی ۵۰۰ درجه سانتی‌گراد و فشار ۱۷۰ بار تبدیل می‌شود. این بخار با به گردش درآوردن توربین، برق تولید می‌کند. سپس این بخار در چگالنده به آب تبدیل می‌شود تا مجدداً وارد چرخه تولید برق شود. بخار به عنوان سیال عامل در چرخه بسته درون نیروگاه حرکت می‌نماید. بخار درون چگالنده نیروگاه‌های بخار، توسط سامانه خنک‌کاری باز یا بسته خنک می‌شوند. تشكيل لجن‌ها، در چرخه بخار سبب می‌شود تا بخشی از آب به صورت جریان دورریز از چرخه خارج گردد. علاوه بر این، معمولاً مقداری بخار به صورت نشتی تلف می‌شود. کلیه اتلاف‌ها با آب جبرانی جایگزین می‌شود. این مقدار آب در مقایسه با آب نیروگاه‌های متداول در آمریکا برابر (m³/MWh)0.2 است. مقدار عمده برداشت و مصرف آب در صنعت برق در سامانه خنک‌کاری نیروگاه‌ها است. هر قدر بازده حرارتی نیروگاه بیشتر باشد، مقدار نیاز خنک‌کاری آن کاهش می‌یابد. لذا برداشت و مصرف آب کاهش خواهد یافت. انواع سامانه‌های خنک‌کاری شامل یک بار گذر، تر، خشک و استخری است. مقدار برداشت آب در سامانه خنک‌کاری ‌تر به مراتب از سامانه خنککاری یک بار گذر کمتر است. در حالی که مقدار مصرف آب در سامانه خنک کاری ‌تر بیشتر است. در سامانه خنک‌کاری استخری برداشت آب کم است. اما مصرف آب به دلیل تبخیر سطحی حتی از سامانه خنک‌کاری ‌تر بیشتر است. در سامانه‌های خنک‌کاری نظیر برج‌های خنک‌کننده ‌تر و استخری، حجم زیادی از آب به صورت بخار تلف می‌شود.

جدول ۱- شدت برداشت و مصرف آب نیروگاه سیکل ترکیبی (m³/TJ_e).

برای پاسخ به افزایش تقاضای برق و جایگزینی نیروگاه‌های فرسوده فعلی، نیروگاه چرخه ترکیبی به دلیل بازده بالاتر در برنامه‌های سیاستی وزارت نیرو لحاظ شده است. با افزایش بازده نیروگاه‌ها، مقدار تقاضا برای خنک‌کاری نیز کاهش می‌یابد. با نفوذ نیروگاه‌های چرخه ترکیبی در صنعت تولید برق ایران، مقدار آب مورد نیاز برای خنک‌کاری کاهش می‌یابد. برای توسعه ظرفیت نیروگاهی با استفاده از سوخت فسیلی، نیروگاه‌های چرخه ترکیبی با بازده بالا، هزینه کمتر و مصرف آب کمتر پیشنهاد شده است. لازم است کلیه نیروگاه‌های قدیمی که معمولاً بازده پایینی دارند و مصرف آب و انتشار کربن آن‌ها بالاست، به تدریج از مدار تولید خارج شوند.