تولید پراکنده

تولید پراکنده، تولید نامتمرکز، انرژی نامتمرکز یا انرژی پراکنده که در زبان انگلیسی به اختصار (DG) نامیده می‌شود که مخفف Distributed Generation است به تولید برق از منابع کوچک انرژی گفته می‌شود.

تولید پراکنده به مواردی اطلاق می‌شود که برق در همان محل مصرف یا در نزدیکی محل مصرف تولید می‌شود. تولید پراکنده نیروگاههای مقیاس کوچکی هستند که ظرفیت حداکثری تولید آنها ۲۵ مگاوات می‌باشد. تولید پراکنده به آن دلیل به وجود آمد که در برخی از نقاط افت جریان و ولتاژ مشاهده می‌شد. این طرح جهت پرکردن این نقایص مطرح شد.

تولید پراکنده به دو دسته تولید همزمان برق و حرارت و نیز برق، سرما و حرارت (CCHP) که مخفف Combined Cold&Heat Power تقسیم می‌شود. منظور از تولید همزمان، تولید برق در کنار صور دیگر انرژی و استفاده از همه موارد به طور همزمان است.

مولد تولید همزمان مولدی است که اتلاف حرارت آن مستقیما مورد استفاده قرار گرفته یا برای تولید آب گرم، بخار یا کاربردهای دیگر بازیافت می‌شود.

از مزایای مهم تولید همزمان این است که بازده الکتریکی موثر آن بیش از ۱٫۵ برابر بازده نیروگاه‌های حرارتی است.^[۱]

در حال حاضر، کشورهای صنعتی بیشتر برق خود را در تاسیسات بزرگ متمرکز مثل سوخت فسیلی (زغال سنگ، گاز)، هسته‌ای یا برق‌آبی تولید می‌کنند. این نیروگاه‌ها هزینه‌ها را به خوبی کاهش می‌دهند، اما برق را معمولاً به مسافت‌های دور منتقل می‌کنند و محیط زیست را تحت تاثیر قرار می‌دهند.

تولید پراکنده روش دیگر است. این روش حجم تلفات انرژی در برق منتقل شده را کم می‌کند زیرا برق بسیار نزدیک جایی که در آن مصرف می‌شود، یا حتی در همان ساختمان، تولید می‌شود. این کار اندازه و تعداد خطوط قدرتی که باید ساخته شوند را کم می‌کند.

تاریخچه

تولید پراکنده اگرچه مفهومی نوین در ادبیات اقتصادی صنعت برق است ولی ماهیت واقعی آن چندان جدید نیست. در روزهای نخستین تولید برق، تولید پراکنده یک اصل فراگیر بود، به این گونه که اولین نیروگاه‌های برق تنها مشترکان نزدیک و همسایه خود را تغذیه می‌کردند. با توجه به این‌که شبکه‌های جریان مستقیم اولین شبکه‌های برق بودند به منظور ایجاد تعادل بین تولید و مصرف از منابع ذخیره موجود در محل مانند باتری‌ها استفاده می‌شد. بعدها و بر اثر پیشرفت فناوری (مانند به وجود آمدن شبکه‌های جریان متناوب) این امکان پیدا شد که برق در مسافت‌های طولانی انتقال پیدا کند.^[۲]

اندک اندک سیستم‌های عظیم الکتریکی شامل نیروگاه هاو شبکه‌های بزرگ انتقال و توزیع به وجود آمد. تعادل بین تولید و مصرف از طریق میانگین اثر تعداد زیادی از بارهای لحظه‌ای انجام شد و امنیت این شبکه‌های بزرگ افزایش پیدا کرد به این صورت که در صورت وقوع خطا و از مدار خارج شدن یکی از منابع، دیگر منابع موجود به شبکه وظیفه جبران تولید را بر عهده می‌گرفتند.^[۳]

در دهه‌های اخیر، پیشرفت‌های فناوری، تغییرات اقتصادی و مقررات زیست‌محیطی سبب شده که نسبت به مفهوم تولید پراکنده علاقه‌مندیهای فراوانی به وجود آید. آژانس بین‌المللی انرژی در سال ۲۰۰۲ اعلام کرد که این ۵ عامل اساسی در فراگیر شدن مفهوم تولید پراکنده نقش داشته است: توسعه فناوریهای تولید پراکنده، محدودیت در ساخت خطوط انتقال، افزایش تقاضای انرژی پایدار از سوی مشترکان، خصوصی سازی بازار برق و نگرانی‌های تغییرات آب‌وهوا^[۴]

تولید هم‌زمان گرما و برق

(به انگلیسی: Combined Heat and Power) یا به اخنصار تولید هم‌زمان معروف به CHP، یکی از مهمترین کاربردهای تولید پراکنده است. که عبارت است از تولید همزمان و توام ترمودینامیکی دو یا چند شکل انرژی از یک منبع ساده اولیه می‌باشد.^[۱]

در مولدهای قدرت امروزی، معمولاً از سوزاندن سوخت‌های فسیلی و گرمای حاصله برای تولید قدرت محوری و سپس تبدیل آن به انرژی الکتریسیته استفاده می‌شود. متداول‌ترین این نوع سیستم‌ها، نیروگاه‌های عظیم برق هستند. در نیروگاه‌های حرارتی که سهم عمده‌ای در تأمین نیاز الکتریسیته جوامع مختلف دارند، به‌طور متوسط تنها یکسوم از انرژی سوخت ورودی، به انرژی مفید الکتریسیته تبدیل می‌شود. در این نوع نیروگاه‌ها، مقدار زیادی انرژی حرارتی از طرق مختلف نظیر کندانسور، دیگ بخار، برج خنککن، پمپ‌ها و سیستم لولهکشی موجود در تأسیسات، به هدر می‌رود. از این گذشته، در شبکه‌های انتقال برق نیز حدود ۱۵ درصد از انرژی الکتریسیته تولیدی، تلف می‌شود. اگر تولید برق در محل مصرف صورت بگیرد، این مقدار اتلاف عملاً وجود نخواهد داشت.

استفاده هرچه بیشتر از گرمای آزاد شده در حین فرایند سوختن سوخت، باعث افزایش بازده انرژی و کاهش مصرف سوخت و در نتیجه کاهش هزینه‌های مربوط به تأمین انرژی اولیه می‌شود.

از گرمای اتلافی بازیافتی از این سیستم‌ها، می‌توان برای مصارف گرمایشی، سرمایشی و بسیاری از فرایندهای صنعتی استفاده کرد. تولید همزمان برق و گرما، می‌تواند علاوه بر افزایش بازده و کاهش مصرف سوخت، باعث کاهش انتشار گازهای آلاینده شود. در CHP، از انرژی گرمایی تولیدی به عنوان منبع انرژی در فرایند تولید قدرت استفاده می‌شود. مصرفکنندگانی که به مقدار انرژی گرمایی زیادی در طول روز نیاز دارند (صنایع تولیدی، بیمارستان‌ها، ساختمان‌ها، دفاتر بزرگ، خشکشویی‌ها و…) می‌توانند برای کاهش هزینه‌های خود به نحوی مطلوب از CHP بهره ببرند.

سابقه تاریخی استفاده از گرمایش مرکزی، به زمان امپراتوری‌های پیشرفته یونان و روم باز می‌گردد. آنها برای اولین بار، آب گرم خروجی از لایه‌های آهکی را با حفر کانال به حمام‌های عمومی، ورزشگاه، قصرها و قلعه‌های نظامی منتقل کردند. در اوایل قرن بیستم، اغلب کارخانه‌های صنعتی، برق مورد نیاز خود را با استفاده از دیگ‌های ذغال‌سوز و ژنراتورهای توربین بخار، تولید می‌کردند. در بسیاری از این کارخانه‌ها، از بخار داغ خروجی در فرایندهای صنعتی استفاده می‌شد به‌طوری که در اوایل ۱۹۰۰ در امریکا، حدود ۸۵درصد از کل توان تولیدی توسط نیروگاه‌های صنعتی در محل مصرف، به صورت تولید همزمان بوده است.

هنگامی که نیروگاه‌های برق مرکزی و شبکه‌های قابل اطمینان برق ساخته شدند، هزینه‌های تولید و تحویل برق، پایین بود و بسیاری از کارخانه‌های صنعتی شروع به خریداری برق از این شبکه‌ها کرده و تولید برق خود را متوقف کردند. دیگر عواملی که در کاهش استفاده تولید همزمان دخیل بودند عبارتند از: قانونمند شدن تولید برق، سهم اندک هزینه‌های خرید برق از شبکه در مجموع هزینه‌های جاری کارخانه‌ها، پیشرفت تکنولوژی‌های دیگ‌های بخار نیروگاهی، فراهم بودن سوخت‌های مایع و گازی در پایین‌ترین قیمت و نبود یا کمبود محدودیت‌های زیست‌محیطی.

در ۱۹۷۳، پس از افزایش هنگفت هزینه‌های سوخت و متعاقب آن بروز بحران انرژی در اغلب کشورهای جهان، روند یاد شده در تولید همزمان، به صورت معکوس آغاز شد. بر اثر کاهش منابع سوخت فسیلی و افزایش قیمت‌ها، این سیستم‌ها که دارای بازده انرژی بالاتری بودند، بسیار مورد توجه قرار گرفتند.

تولید همزمان، علاوه بر کاهش مصرف سوخت، میزان گازهای آلاینده را نیز کاهش می‌دهد. به همین علت، کشورهای اروپایی و امریکا، اقداماتی را در زمینه افزایش استفاده از تولید همزمان، انجام دادند. در سال‌های اخیر نیز تولید همزمان نه‌تنها در صنعت بلکه در دیگر بخش‌های کسب‌وکار توسعه یافته است. انجام پروژه‌های تحقیق و توسعه نیز به پیشرفت‌های مهم تکنولوژی نظیر فناوری پیل سوختی منجر شده است. امروزه پیل‌های سوختی به یکی از سیستم‌های نوظهور در زمینه تولید انرژی تبدیل شده‌اند.

فرایند تولید همزمان برق و گرما

در مدل‌سازی سیستم تولید همزمان برق و حرارت، فرض شده است که می‌توان، تلفات ناشی از گازهای داغ خروجی از توربین‌های گازی را به صورت بازیافت حرارت، وارد شبکه تولید همزمان برق و حرارت کرد. انتخاب‌های مطرح برای استفاده از بازیافت حرارت، استفاده از نیروگاه سیکل ترکیبی معمولی برای تولید برق، استفاده از بویلر بازیافت حرارت برای تولید آبگرم و استفاده از توربین بخار پس‌فشاری برای تولید برق و آبگرم است. بر اساس اطلاعات فی موجود، بازده توربین گازی پس از نصب سیستم بازیافت حرارت، از حدود ۳۴ درصد به بیش از ۷۰ درصد افزایش می‌یابد. لذا تلفات توربین‌های گازی از حدود ۶۶ درصد به کمتر از ۳۰ درصد می‌رسد.

سیستم CHP، دارای یک مولد قدرت، مبدل‌های حرارتی بازیافت گرما، ژنراتور، لوله‌ها و اتصالات و دیگر تجهیزات نظیر پمپ‌ها و عایق‌ها و غیره است. اگر این سیستم مجهز به مصارف سرمایشی شود، به یک چیلر تراکمی یا جذبی نیاز دارد. به این نوع سیستم‌ها CCHP یا Trigeneration می‌گویند که از توانایی تولید همزمان برق، گرما و سرما برخوردارند.

مولد قدرت اولیه در سیستم‌های CHP، معمولاً موتورهای احتراقی، توربین گازی، میکروتوربین و پیل سوختی است. کیفیت گرمای خروجی هر یک از این فناوری‌ها، متفاوت بوده و بسته به کاربردهای مختلف و نیاز گرمایشی، می‌توان یکی از آنها را به کار برد. امروزه از نظر هزینه نصب و راه‌اندازی، موتورهای احتراقی دارای پایین‌ترین قیمت و سیستم‌های پیل سوختی با توجه به اینکه هنوز به مرحله تجاری شدن نرسیده‌اند، بالاترین هزینه را دارند.

مزایای این سیستم

در این سیستم‌ها، بازده انرژی افزایش قابل توجهی می‌یابد. در سیستم‌های معمولی، ۲۰ درصد از انرژی ورودی به انرژی مفید تبدیل می‌شود. این میزان در نیروگاه‌های سیکل ترکیبی به ۴۰ درصد می‌رسد. البته نباید تلفات زیاد انرژی در خطوط انتقال نیرو و مصارف داخلی نیروگاه‌ها را نادیده گرفت. در سیستم CHP حدود ۸۰ درصد از انرژی ورودی به انرژی مفید تبدیل می‌شود. اگر از پیل سوختی استفاده شود، بازده به ۹۰ درصد می‌رسد.

از دیگر مزایای این سیستم، کاهش هزینه‌های انرژی اولیه برای مصرفکنندگان است در سیستم‌های معمولی مصرفکننده مجبور است برق را از شبکه‌های تولید و توزیع برق خریداری کند. برای مصارف گرمایشی نیز باید گاز طبیعی یا فسیلی خریداری شود. در سیستم CHP، مصرفکننده از شبکه برق مستقل شده و چون از گاز و یا سوخت فسیلی در بالاترین حد بهره‌وری استفاده می‌کند، هزینه‌هایش به شدت پایین می‌آیند.

در CHPها، از یک مبدل برای تبدیل برق از DC به AC در خروجی سیستم استفاده می‌شود که باعث یکنواخت شدن و بدون نوسان بودن ولتاژ و فرکانس می‌شود و هیچ آسیبی به دستگاه‌ها و تجهیزات برقی وارد نمی‌آید. در صورتی که برق شبکه‌ها، دارای نوسان ولتاژ و افت فرکانس بوده و مقدار زیادی از انرژی الکتریسیته، از طریق خطوط انتقال نیرو به هدر می‌رود. در CHP از آنجا که برق در محل مصرف، تولید می‌شود، این بخش از تلفات به صفر می‌رسد. تولیدکنندگان برق از این طریق می‌توانند بخشی از برق تولیدی خود را در ساعات اوج مصرف، به شبکه برق بفروشند.^[۲] تولید همزمان گرما و برق، می‌تواند علاوه بر افزایش بازده و کاهش مصرف سوخت باعث کاهش انتشار گازهای آلاینده نیز گردد.

منابع: