نگاهي به انرژي نوين در ايران

طبق آمار‌هاي به ثبت رسيده در 30 سال گذشته احتياجات انرژي جهان به مقدار قابل ملاحظه‌اي افزايش يافته است. در سال 1960 مصرف انرژي جهان معادل3/3 Gtoeبوده است. در سال 1990 اين رقم به8/8 Gtoeبالغ شد كه داراي رشد متوسط سالانه 3/3 درصد است و در مجموع 166 درصد افزايش نشان مي‌دهد.

در حال حاضر مصرف انرژي جهان 10 Gtoe/Year بوده و پيش‌بيني مي‌شود اين رقم در سال‌هاي 2010و2020و12 و 14 Gtoe/year افزايش يابد. اين ارقام نشان مي‌دهند كه ميزان مصرف انرژي جهان در قرن آينده بالاست و بالطبع اين سؤال مهم مطرح است كه آيا منابع انرژي‌هاي فسيلي در قرن‌هاي آينده، جوابگوي نياز انرژي جهان براي بقا، تكامل و توسعه خواهند بود يا خير؟

حداقل به دو دليل عمده پاسخ اين سؤال منفي است و بايد منابع جديد انرژي را جايگزين اين منابع كرد. اين دلايل عبارتند از:

ـ محدوديت و در عين حال مرغوبيت انرژي‌هاي فسيلي، زيرا اين سوخت‌ها از نوع انرژي شيميايي متمركز بوده و مسلماً كاربردهايي بهتر از احتراق دارند.

ـ مسائل و مشكلات زيست محيطي به طوري كه امروزه حفظ سلامت لايه‌هاي جو به خصوص اتمسفر از مهمترين پيش‌شرط‌هاي توسعه اقتصادي پايدار جهاني به شمار مي‌آيد. از اين رو دهه‌هاي آينده به عنوان سال‌‌هاي تلاش مشترك جامعه انساني براي كنترل انتشار اكسيدكربن، كنترل محيط زيست و در واقع تلاش براي تداوم انسان بر روي كره زمين خواهد بود.

بنا بر اين استفاده از منابع جديد انرژي به جاي منابع فسيلي امري الزامي است. سيستم‌هاي جديد انرژي در آينده بايد متكي به تغييرات ساختاري و بنيادي باشد كه در آن منابع انرژي بدون اكسيد كربن نظير انرژي خورشيدي و بادي و زمين‌گرمايي و مواد آلي خنثي مانند انرژي بيوماس مورد استفاده قرار مي‌گيرند.

بدون ترديد انرژي‌هاي تجديدپذير با توجه به سادگي فناوريشان در مقابل فناوري انرژي هسته‌اي از يك طرف و به دليل نبود ايجاد مشكلاتي نظير زباله‌هاي اتمي از طرف ديگر نقش مهمي در سيستم‌هاي جديد انرژي در جهان ايفا مي‌كنند. در هر حال بايد اذعان داشت كه در عمل عوامل متعددي به ويژه هزينه اوليه و قيمت تمام شده بالا، سرمايه‌گذاري‌ نكردن كافي براي بومي كردن و بهبود كارآيي تكنولوژي‌هاي مربوطه،‌ به حساب نيامدن هزينه‌هاي خارجي در معادلات اقتصادي، نبود سياست‌هاي حمايتي در سطح جهاني، منطقه‌اي و محلي، نفوذ و توسعه انرژي‌هاي نو را بسيار كند و محدود ساخته است.. ولي پژوهشگران و صنعتگران همواره تلاش خود را جهت رفع اين مشكلات مبذول مي‌دارند.

به طور كلي عمده فعاليت‌هاي مربوط به احداث پايلوت‌هاي سازگار با محيط زيست در ايران با به كار بردن منابع انرژي‌هاي تجديدناپذير و اجراي پروژه‌هاي مهندسي و انجام خدمات مشاوره‌اي و مديريت بر طرح‌ها، در چند بخش ذيل متمركز شده است.

انرژي برق بادي

به منظور شناخت دقيق محدوديت‌ها، موانع و امكانات موجود در جهت استفاده از منابع انرژي در كشور، ضروري است ميزان بهره‌برداري از پتانسيل‌هاي موجود انرژي و روند تحولات حامل‌هاي انرژي‌هاي تجديدپذير در كشور به روش علمي و دقيق محاسبه و ارزيابي شود.

كشور ايران از لحاظ منابع مختلف انرژي يكي از غني‌ترين كشور‌هاي جهان محسوب مي‌شود، زيرا از يك سو داراي منابع گسترده سوخت‌هاي فسيلي نظير نفت و گاز است از سوي ديگر داراي پتانسيل فراوان انرژي‌هاي تجديدپذير از جمله باد است.با توسعه نگرش‌هاي زيست‌محيطي و راهبردي صرفه‌جويانه در بهره‌برداري از منابع انرژي‌هاي تجديدناپذير، استفاده از انرژي باد در مقايسه با ساير منابع انرژي مطرح در بسياري از كشور‌هاي جهان روبه فزوني گذاشته است. استفاده از تكنولوژي توربين‌هاي بادي به دلايل زير مي‌تواند يك انتخاب مناسب در مقايسه با ساير منابع انرژي تجديدپذير باشد:

قيمت پايين توربين‌هاي برق ‌بادي

در كشورهاي پيشرفته نظير آلمان، دانمارك، آمريكا، اسپانيا، انگلستان و بسياري كشورهاي ديگر، توربين‌هاي بادي بزرگ و كوچك ساخته شده است و برنامه‌هايي هم براي ادامه پژوهش‌ها و استفاده بيشتر از انرژي باد جهت توليد برق در واحدهايي با توان چند مگاواتي مورد مطالعه است.

در ايران هم با توجه به وجود مناطق بادخيز، طراحي و ساخت آسياب‌هاي بادي از 2000 سال پيش از ميلاد مسيح رايج بوده و هم‌اكنون بستر مناسبي براي گسترش بهره‌برداري از توربين‌هاي بادي فراهم است. مولدهاي برق بادي مي‌تواند جايگزين مناسبي براي نيروگاه‌هاي گازي و بخاري باشند.

مطالعات و محاسبات انجام شده در زمينه تخمين پتانسيل انرژي باد در ايران نشان داده‌اند كه تنها در 26 منطقه از كشور (شامل بيش از 45 سايت مناسب) ميزان ظرفيت اسمي سايت‌ها، با در نظر گرفتن يك راندمان كلي 33 درصد،‌در حدود 6500 مگاوات است و اين در شرايطي است كه ظرفيت اسمي كل نيروگاه‌هاي برق كشور، (در حال حاضر) 000/60 مگاوات است. در توربين‌هاي بادي، انرژي به انرژي مكانيكي و سپس به انرژي الكتريكي تبديل شود.

از مزاياي استفاده از اين انرژي نبود نياز توربين بادي به سوخت، تأمين بخشي از تقاضاهاي انرژي برق، تنوع بخشيدن به منابع انرژي و ايجاد سيستم پايدار انرژي، قدرت مانور زياد در بهره‌برداري (از چند وات تا چندين مگاوات)، نياز نداشتن به آب و نداشتن آلودگي محيط‌زيست است.

ظرفيت توربين‌هاي نصب شده در كل كشور از 163 توربين بادي، 92470 كيلووات است. بيشترين تعداد و ظرفيت نصب شده توربين‌هاي بادي در استان گيلان، شهرستان منجيل به ميزان 61180 كيلووات است. ميزان توليد برق از نيروگاه‌هاي بادي از 471/511/46 كيلووات با 56 توربين به 000/955/162 كيلووات با 160 توربين رسيده است.

انرژي خورشيدي

انرژي خورشيدي عظيم‌ترين منبع انرژي در جهان است. اين انرژي پاك، ارزان و بي‌پايان بوده و در بيشتر مناطق كره زمين قابل استحصال است. محدوديت منابع فسيلي و پيامدهاي حاصل از تغييرات زيست‌محيطي و آب و هواي جهاني، فرصت‌هاي مناسبي را براي رقابت انرژي خورشيدي با انرژي‌هاي فسيلي خصوصاً در كشورهايي با پتانسيل بالاي تابش ايجاد كرده است.

سيستم‌هاي انرژي خورشيدي، فناوري‌هاي جديدي هستند كه براي تأمين گرما، آب گرم، الكتريسيته و حتي سرمايش منازل مسكوني، مراكز تجاري و صنعتي به كار مي‌روند.

فناوري‌هاي حرارتي خورشيدي به دو بخش نيروگاه‌هاي حرارتي خورشيدي و كاربردهاي غيرنيروگاهي سيستم‌هاي خورشيدي تقسيم‌بندي مي‌شوند.

نيروگاه‌هاي حرارتي خورشيدي از تابش مستقيم خورشيد (DNI) استفاده مي‌كنند. اين بخش از تابش خورشيد توسط ابرها،‌دود يا گرد و غبار منحرف نمي‌شود. بنابراين، نيروگاه‌هاي حرارتي ـ خورشيدي بايد در مناطقي كه از تابش مناسب خورشيد برخوردار هستند، ساخته شوند. سايت‌هاي مناسب براي ساخت نيروگاه‌هاي خورشيدي از تابش خورشيد 2000 كيلووات ساعت بر هر مترمربع (kWh/m2y) در سال برخوردار هستند، مناطق مناسب‌تر جهت احداث اين نوع نيروگاه‌ها از تابشي بيش از 2800 كيلووات ساعت بر هر متربع (kWh/m2y) در سال برخوردار هستند. به طور معمول نقاطي براي اين سايت‌ها مناسب هستند كه آب و هوا و گياهان منطقه رطوبت و گرد و غبار زيادي را در اتمسفر ايجاد نمي‌كنند مانند استپ‌ها، بوته‌زار، صحراهاي نيمه خشك و صحراها كه به طور معمول در عرض جغرافيايي شمال يا جنوب كمتر از 40 درجه قرار دارند.

از مناطق مستعد مي‌توان به جنوب غربي ايالات متحده آمريكا، كشورهاي مديترانه‌اي اروپا، خاورميانه و خاور نزديك، ايران و صحراهاي هند،‌ پاكستان، چين و استراليا اشاره كرد.

در بسياري از مناطق جهان مي‌توان با استفاده از تكنولوژي‌هاي حرارتي ـ خورشيدي در مساحت يك كيلومترمربع از زمين، 100 تا 300 گيگاوات ساعت الكتريسيته خورشيدي توليد كرد. اين مقدار معادل توليد سالانه نيروگاه‌هاي متداول فسيلي، زغال سنگ يا گازي با ظرفيت 50 مگاوات در بار متوسط است.

يك نيروگاه خورشيدي شامل تأسيساتي است كه انرژي تابشي خورشيد را جمع كرده و با متمركز كردن آن، درجه حرارت‌هاي بالا ايجاد مي‌كند. انرژي جمع‌آوري شده از طريق مبدل‌هاي حرارتي، توربين ژنراتورها يا موتورهاي بخار به انرژي الكتريكي تبديل خواهد شد. نيروگاه‌هاي خورشيدي براساس نوع متمركزكننده‌ها به سه دسته تقسيم مي‌شوند:

نيروگاه سهموي خطي: نيروگاه‌هاي حرارتي خورشيدي از نوع سيستم كلكتور سهموي خطي شامل رديف‌هاي موازي و طولاني از متمركزكننده‌هاست. بخش متمركز‌كننده شامل سطوح انعكاسي سهموي است كه از جنس آينه‌هاي شيشه‌اي هستند و روي يك سازه نگهدارنده قرار مي‌گيرند. دريافت‌كننده انرژي شامل لوله‌هاي جاذب استوانه‌اي شكل با پوشش انتخابي هستند كه به وسيله شيشه پيركس پوشانده مي‌شوند و در طول خط كانوني قرار مي‌گيرند. بخش دريافت‌كننده در قسمت‌هاي انتهايي روي دو تكيه‌گاه قرار گرفته‌اند كه اين مجموعه روي تيرك‌هاي اصلي سازه سوار است.

سيستم رديابي در اين دستگاه‌ها تك محوره بوده و رديابي خورشيد از شرق به غرب بر روي تك‌محور دوراني انجام مي‌گيرد به گونه‌اي كه پرتوهاي خورشيدي در تمام مدت رديابي برروي لوله‌هاي جذب‌كننده كانوني مي‌شوند. يك سيال انتقال حرارت، به‌طور مشخص روغن، در دماي بيش از 400 درجه سانتيگراد از ميان لوله‌هاي جاذب در جريان است و روغن داغ در مبدل‌هاي حرارتي، آب را به بخار تبديل مي‌كند و بخار فوق داغ در سيكل از توربين و ژنراتور انرژي الكتريكي توليد مي‌كند.

نيروگاه دريافت‌كننده مركزي: نيروگاه حرارتي خورشيدي از نوع برج دريافت‌كننده مركزي با متمركز كردن پرتوهاي تابش خورشيد روي برج دريافت‌كننده انرژي الكتريكي توليد مي‌كند. اين سيستم از مجموعه‌اي از آينه‌ها كه هريك به‌طور جداگانه خورشيد را رديابي مي‌كنند، تشكيل شده است، تعداد اين آينه‌ها در يك نيروگاه به صدها و هزاران عدد مي‌رسد كه هليوستات ناميده مي‌شود. سطوح متمركزكننده طوري تنظيم مي‌شود كه همواره پرتوها را روي دريافت‌كننده ثابتي منعكس كند كه همان برج مركزي است.

نيروگاه ديش استرلينگ: موتور استرلينگ موتورهاي گرما ـ كاري هستند كه حرارت را تبديل به جنبش مي‌كنند و نسبت به موتور بنزيني و ديزلي كارآيي بيشتري دارند. امروزه چنين موتورهايي براي موردهاي خاص استفاده مي‌شوند. موتورهاي استرلينگ از چرخه استرلينگ استفاده مي‌كنند كه با چرخه‌هاي استفاده شده در موتورهاي احتراق داخلي متفاوت است. چرخه استرلينگ از يك منبع حرارتي خارجي مانند بنزين، انرژي خورشيدي يا گازهاي بيومس استفاده مي‌كند و هيچ احتراقي داخل سيلندرهاي موتور رخ نمي‌دهد. براي تأمين انرژي مورد نياز اين موتور از يك ديش منعكس‌كننده استفاده مي‌شود. اين ديش انرژي حرارتي خورشيد را مستقيماً به روي موتور منعكس مي‌كند و موتور، توليد برق را شروع مي‌كند.

از انرژي حرارتي خورشيد علاوه بر استفاده نيروگاهي، مي‌توان در زمينه‌هاي زير به صورت صنعتي، تجاري و خانگي استفاده كرد:

گرمايش آب مصرفي آبگرمكن‌هاي خورشيدي به طوري كه از نام آنها پيداست از طريق جذب انرژي تابش خورشيد توسط صفحات جاذب(كلكتور) عمل مي‌كنند و راندمان گرمايشي آنها در فصول مختلف سال و بر حسب موقعيت‌هاي جغرافيايي متفاوت است. مخزن آبگرم به گونه‌اي طراحي شده كه آبگرم را به طور ذخيره در شبانه‌روز مهيا كند و تلفات حرارتي آن تا صبح روز بعد و طلوع مجدد بسيار ناچيز باشد.

با استفاده از اين سيستم مي‌توان هزينه‌هاي مصرف گاز- گازوئيل وبرق را به طور چشمگيري كاهش داد كه اين امر در پروژه‌هاي بزرگ ملموس‌تر خواهد بود، به طوري كه بعد از گذشت حدود4 تا 5 سال مي‌توان با صرفه‌جويي در مصرف سوخت‌هاي فسيلي سرمايه‌گذاري اوليه را مستهلك كرد. هزينه‌هاي نگهداري و تعميرات اين سيستم‌ها بسيار پايين است و طول عمر كاركرد سيستم‌هاي استاندارد و با كيفيت فني بالا تا 15 سال هم مي‌رسد.

گرمايش فضاي د اخلي ساختمان‌ها

گرمايش ساختمان توسط خورشيد، اولين و اصلي‌ترين كاربرد انرژي خورشيدي در بخش ساختمان است. سيستم‌هاي گرمايش خورشيدي بر مبناي نوع سيال‌هوا يا مايع كه در كلكتورهاي خورشيدي گرم مي‌شود، به دو نوع عمده تقسيم‌بندي مي‌شوند. هر دو نوع از اين سيستم‌ها تابش خورشيد را جمع‌آوري و جذب كرده و حرارت به دست آمده از خورشيد را جهت تأمين بار گرمايش مستقيماً به فضاهاي داخلي ساختمان‌ها انتقال مي‌دهد. استفاده اين سيستم‌ها از منبع انرژي بي‌پايان و ارزان خورشيدي يكي از مزاياي سيستم‌هاي خورشيدي است و از همه مهمتر اين سيستم ها بر خلاف سوخت‌هاي فسيلي تهديدي براي محيط زيست به شماره نمي‌روند.

در كل كشور 11 پروژه در حال بهره‌برداري يا درحال اجراي مربوط به انرژي خورشيدي از طرف وزارت نيرو وجود دارد. جمع توليد برق خورشيدي كشور در سال 1383، معادل140200 كيلو وات ساعت بوده كه اين ميزان تا پايان سال 1389 به 67000كيلو وات ساعت رسيده است.

انرژي زمين‌گرمايي

انرژي زمين‌گرمايي انرژي حرارتي موجود در مركز زمين است. اين انرژي در امتداد مرزهاي صفحات تكنونيكي، در نواحي شناخته شده آتشفشاني و زلزله‌خيز كه داراي شكستگي‌ها و گسل‌هاي فراواني هستند، از تمركز بيشتري برخوردار است. به طور كلي هرچه از سطح زمين به سمت عمق پيش برويم، درجه حرارت افزايش مي‌يابد و به طور متوسط به ازاي هر 100 متر عمق، 3درجه سانتيگراد دما بالا مي‌رود. به عبارت ديگر در عمق 2 كيلومتري سطح زمين، درجه حرارت حدود 70 درجه سانتيگراد است. اما در بعضي نقاط، فعاليت‌هاي تكنونيكي باعث جاري شدن گدازه‌هاي داغ يا مذاب به سمت سطح زمين و در نهايت تشكيل منابعي با درجه حرارت بالا در سطح قابل دسترس از زمين مي‌شود.

انرژي زمين گرمايي در واقع انرژي تجديدپذيري است كه از گرماي ماگماي داغ و تخريب مواد موجود در راديو اكتيو موجود در اعماق زمين به دست مي‌آيد. با قرار گرفتن لايه‌هاي حاوي منابع آب‌هاي زيرزميني در جوار لايه‌هاي حاوي گدازه‌هاي داغ، حرارت به منبع آب زيرزميني منتقل شده و سپس اين منابع آب داغ يا از طريق گسل‌ها و شكستگي‌هاي فراوان و مرتبط به هم مستقيماً به صورت چشمه‌هاي طبيعي آب يا بخار داغ و بعضاً در فشارهاي بالاي مخازن به صورت آبفشان يا فومرول (دودخان) در سطح زمين ظاهر مي‌شوند يا اينكه از طريق حفاري چاه‌هاي اكتشافي، مي‌توان به آب يا بخار داغ محصور در اعماق دسترسي پيدا كرد و از آن در توليد برق بهره‌برداري كرد. البته پس از استحصال حرارت از آب داغ، آب سرد باقي مانده از طريق چاه تزريقي وارد زمين شده و اين چرخه مجدداً تكرار مي‌شود.

شايان ذكر است كه نبايد از انرژي گرمايي بيش از مقدار بازيابي آن بهره‌برداري كرد تا عواقب زيست محيطي منفي در پي نداشته باشد. بهره‌برداري از انرژي گرمايي انديشه جديدي نيست و از ابتداي قرن حاضر تلاش‌هاي زيادي به منظور تبديل اين انرژي به برق صورت گرفته است، اما انگيزه واقعي بهره‌برداري از اين نوع انرژي به بعد از سال‌هاي 1973-1974 برمي‌گردد.

در سيستم زمين گرمايي هيدروترمال اساس كار مشابه صنعت نفت است. بدين معني كه در مناطقي از زمين مخازن آب داغي وجود دارد كه بايد اكتشاف و استخراج شود. آب داغ استخراج شده بسته به كيفيت منبع و دماي آب و فشار مخزن مي‌تواند جهت توليد برق يا كاربردهاي گرمايشي استفاده شود. در حال حاضر مخازن زمين گرمايي به سه گروه تقسيم‌بندي مي‌شوند:

1-3 . دسته اول: مخازن دما بالا با دماي بالاتر از 150 درجه سانتيگراد كه مناسب براي توليد برق با تكنيك‌هاي معمولي است.

2-3 . دسته دوم: مخازن با دماي بين 100 الي 150 درجه سانتيگراد كه مناسب براي توليد برق با تكنيك‌هاي پيشرفته‌تر است.

3-3 . دسته سوم: مخازن دماي پايين با دماي كمتر از 100 درجه سانتيگراد كه براي كاربردهاي مستقيم مناسب هستند.در ايران با مطالعات انجام شده از طريق چاه‌پيمايي، 14 منطقه مستعد تعيين شده كه تنها در يك منطقه اكتشاف با حفر سه حلقه چاه ظرفيت 250MW به دست آمده است.در حال حاضر دو پروژه زمين گرمايي در استان اردبيل در حال ساخت است كه پروژه نيروگاه زمين گرمايي مشكين‌شهر تا پايان سال 1389 حدود 51 درصد و پروژه احداث در اردبيل 32 درصد پيشرفت داشته است. ساخت اين دو پروژه از سال 1384 آغاز شده كه به علت كمبود اعتبارات مورد نياز در برنامه چهارم اين پروژه تا پايان برنامه پنجم تمديد شد.