مقاله ارزیابی اقتصادی زیست محیطی طرح CHP نیروگاه مشهد

بخشی از مقاله

*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***

ارزيابي اقتصادي زيست محيطي طرح CHP نيروگاه مشهد
چکيده
با توجه به اينکه در فرايند توليد برق در نيروگاههاي متعارف کشور در حال حاضر بيش از نيمي از انرژي ورودي هدر مي رود، پتانسيل بالايي در زمينه کاهش مصرف سوخت هاي فسيلي و در نتيجه کاهش انتشار گازهاي گلخانه اي در اين بخش وجود دارد. بعلاوه ايران به عنوان يک کشور درحال توسعه و عضو فعال کنوانسيون تغييرات آب وهوا و پروتکل کيوتو، از اين امکان برخوردار است تا از سازوکارهاي انعطافي موجود در پروتکل کيوتو (به طور خاص مکانيزم توسعه پاک) در جهت منافع ملي خود و حفاظت از محيط زيست به نحو مطلوب بهره گيرد. توليد همزمان برق و حرارت در نيروگاه و سيستم گرمايش منطقه اي يکي از بهترين و با صرفه ترين راهکارهاي افزايش کارايي در زمينه توليد و توزيع انرژي است که در بسياري از کشورهاي پيشرفته دنيا مورد توجه جدي قرار دارد. در اين مقاله امکان سنجي اقتصادي اجراي اين طرح در نيروگاه مشهد با تاکيد بر تعريف آن در چارچوب مکانيزم توسعه پاک مورد بررسي قرار گرفته است . نتايج حاکي از آن است که بدليل افزايش کارايي ، اجراي اين طرح از لحاظ اقتصادي و زيست محيطي داراي توجيه بالايي مي باشد. از طرفي درآمد ناشي از فروش گواهي هاي کاهش انتشار (تعريف طرح در چارچوب مکانيزم توسعه پاک) تاثير قابل توجهي بر توجيه پذيري طرح دارد. در نهايت اجراي طرح با تاکيد بر تعريف آن در چارچوب مکانيزم توسعه پاک و با تامين مالي از طريق بودجه سالانه دولت توصيه شده است .
کلمات کليدي: تحليل هزينه فايده اقتصادي، توليد همزمان برق و حرارت، گرمايش منطقه اي، پروتکل کيوتو، مکانيزم توسعه پاک.

١- مقدمه
ايران به عنوان يک کشور درحال توسعه و عضو فعال کنوانسيون تغييرات آب وهوا و پروتکل کيوتو، از اين امکان برخوردار است تا از سازوکارهاي انعطافي موجود در پروتکل کيوتو (به طور خاص مکانيزم توسعه پاک (CDM٢)) در جهت منافع ملي خود و حفاظت از محيط زيست به نحو مطلوب بهره گيرد. با توجه به اينکه تاکنون تلاش هاي اندکي در جهت بکارگيري اين مکانيزم در ايران صورت گرفته (تنها چهار پروژه در حد سند پيشنهاد پروژه ١ در سازمان محيط زيست تعريف شده است ) و از طرفي پتانسيل موجود براي کاهش انتشار گازهاي گلخانه اي در کشور بسيار بالاست ، لزوم توجه به اين امر بيش از پيش احساس مي شود.
مطالعات فراواني در مورد تاثير اين مکانيزم بر اجراي پروژه هاي افزايش کارايي انرژي در کشورهاي مختلف انجام شده است .
بعنوان مثال ويس و همکاران (٢٠٠٨) تاثير CDM را بر بخش برق تايلند بررسي کردند. آنها با استفاده از مدل RED٢ به بررسي اثر مشوق هاي گوناگون بر توسعه انرژي هاي تجديد پذير پرداختند. آنها در اين مدل CDM را به عنوان يک مشوق اساسي در نظر گرفتند و پس از بررسي سناريوهاي مختلف به اين نتيجه رسيدند که پتانسيل برنامه ريزي شده توسط دولت تايلند قابل دسترسي است ، اما براي دستيابي به اهداف تعيين شده طبق برنامه ريزي، قيمت ها مي بايست بسيار بالا باشد. نتيجه مهم ديگري که آنها گرفتند اين بود که براي رسيدن به يک شبکه برق پايدار، رويکرد CDM بخش به بخش -در صورتي که قيمت هر CER٣، ١٥ يورو باشد- مي تواند ٢٠ درصد مشوق هاي مورد نياز را تامين کند.
کاسوگي و همکاران (٢٠٠٥) به ارزيابي اقتصادي يک پروژه توليد همزمان برق و حرارت در يک منطقه صنعتي در شانگهاي چين پرداختند. آن ها اين پروژه را به عنوان يک پروژه بالقوه مکانيزم توسعه پاک در نظر گرفتند و با استفاده از يک مدل برنامه ريزي رياضي جديد مورد بررسي قرار دادند. آنها با استفاده از مدل جديد خود به دنبال يافتن ظرفيت بهينه نصب سيستم CHP در منطقه بودند. مدل آنها همچنين هزينه انرژي و ميزان آلاينده هاي CO٢ و SOx را محاسبه مي کرد. نتايج پژوهش آن ها نشان داد که در برخي موارد نصب سيستم CHP مي بايست بدون کمک مالي کشور ديگر و در برخي ديگر فقط با کمک مالي کشور ديگر در چارچوب CDM انجام شود. به ديگر سخن ، در برخي موارد ارزش CER طرح، به خوبي هزينه هاي اجراي طرح را تامين مي کرد.
پوروهيت و ميکلوا (٢٠٠٧) به بررسي پتانسيل تئوريکي و واقعي CDM در توليد همزمان در کارخانجات توليد شکر هند پرداختند.
بر اساس نتايج تحقيق ، آنها در يافتند که پتانسيل توليد الکتريسيته از طريق تکنولوژي توليد همزمان در صنايع شکر و نيشکر هند، حدود ٣٧ ترا وات ساعت يعني حدود ٥٥٧٥ مگاوات (از نگاه توليد در نيروگاه) تخمين زده مي شود. بر اين اساس پتانسيل CER سالانه اين صنعت به ٢٨ ميليون تن بالغ مي شود. آنها همچنين به اين نتيجه رسيدند که تحت شرايط فعلي ، اين صنعت حتي تا ٢٠ سال ديگر هم نمي تواند به حداکثر پتانسيل پيش بيني شده اش برسد، ولي CDM مي تواند رسيدن به اين پتانسيل را سرعت بسياري بخشد.
در مطالعه اي مشابه رستوتي و ميکلوا (٢٠٠٧)، پتانسيل CDM در توليد همزمان در کارخانجات توليد شکر اندونزي را مورد بررسي قرار دادند. نتايج پژوهش آنها نشان داد که پتانسيل کاهش گازهاي گلخانه اي صنايع شکر اندونزي ٢٤٠٧٤٤ (پروژه بزرگ مقياس ) يا ١٩٨١٧٧ (پروژه کوچک مقياس) تن درسال است که مي تواند به ترتيب درآمدي معادل ١.٣٦ يا ١.١٢ ميليون دلار در سال ايجاد کند.
در اين مقاله تلاش بر آن است تا ميزان تاثير مشوق CDM را بر امکان سنجي پروژه توليد همزمان نيروگاه مشهد مورد مطالعه قرار دهيم . پروژه توليد همزمان برق و حرارت در نيروگاه مشهد و گرمايش منطقه اي حرم مطهر رضوي و محدوده اطراف آن، يکي از جذاب ترين پروژه ها از نظر کاهش انتشار گازهاي گلخانه اي مي باشد. در نتيجه اين پروژه به خوبي مي تواند در چارچوب مکانيزم توسعه پاک معرفي شده و بخشي از هزينه سرمايه گذاري آن را تامين کند.
٢- معرفي طرح
از يک ديدگاه انرژي مدارانه ، توليد برق در نيروگاههاي حرارتي ، فرايندي کاملاً اتلافگر به شمار مي رود، بدين معنا که در بهترين شرايط توليدي اين واحدها حدود ٥٠ درصد انرژي حرارتي به انرژي الکتريسيته تبديل نشده و به صورت گرما از اگزوز نيروگاه به جو منتقل مي شود. در اين صورت ايده جالبي است که گرماي اتلافي از فرايند توليد را جمع آوري کرده و از آن استفاده مجدد کرد. با ترکيب فرايندهاي توليد برق و توليد گرما امکان ايجاد يک سيستم بسيار کارامد که از انرژي اوليه استفاده بهينه مي کند، وجود دارد. توليد همزمان برق و حرارت يا CHP يک روش صرفه جويي انرژي است ١ که در آن برق و حرارت به طور همزمان توليد مي شوند. فرآيند توليد همزمان مي تواند بر اساس استفاده از توربين هاي گازي، بخار و يا موتورهاي احتراقي بنا شود. در يک تاسيسات متداول CHP مبدلهاي حرارتي براي بازيافت گرماي اتلافي از گازهاي دودکش و ديگر منابع در خلال فرايند توليد برق مورد استفاده قرار مي گيرد. حرارت حاصل از توليد همزمان نيز مي تواند به منظور گرمايش منطقه اي DH و يا در صنايع فرآيندي مورد استفاه قرار گيرد. گرمايش منطقه اي سيستمي است که در آن حرارت به صورت متمرکز توليد شده و از طريق لوله - هاي انتقال به مشترکان رسانده و به آنها فروخته مي شود. اين کار با استفاده از يک شبکه توزيع که از آب داغ يا بخار به عنوان حامل انرژي حرارتي استفاده مي کند، انجام مي پذيرد. در اين صورت ديگر نيازي به وجود تاسيسات حرارتي و موتورخانه در ساختمانهايي که از اين سيستم بهره مي گيرند نخواهد بود.
نيروگاه مشهد بعنوان يکي از قديمي ترين نيروگاههاي بخار کشور شناخته مي شود. بخش عمدهاي از انرژي حرارتي واحدهاي گازي نيروگاه مشهد با دمايي در حدود ٥٠٠ درجه سانتيگراد خارج شده و لذا تلفات حرارتي عمدهاي در اين بخش حاصل مي شود. از اينرو پروژه توليد همزمان برق و حرارت براي تأمين نيازهاي گرمايشي ، سرمايشي و آب گرم منطقة حرم مطهر امام رضا (ع) تعريف شده است . اماکن متبرّکه حرم مطهر که بايستي گرمايش آنها توسط سيستم توليد همزمان تامين گردد، به ٤ قطاع يا ناحيه -که توسط خيابانهاي اصلي منتهي به حرم مطهر از يکديگر تفکيک مي شوند- تقسيم و نيازهاي حرارتي قطاعهاي مذکور توسط تأسيساتي که در طبقات زيرين حرم مطهر قرار گرفته اند، تامين مي شود. تمامي محاسبات مربوط به برآورد بارهاي گرمايشي و سرمايشي مناطق مصرفي ، توسط شرکت مشاور طوس آب انجام شده است .


٣- طرح کلي سيستم
طرح کلي سيستم توليد، انتقال و توزيع بصورت ذيل مي باشد:
در طرح کلي سيستم توليد همزمان، بخار توليدي توسط بويلرهاي بازياب، بويلرهاي واحدهاي الين و اشکودا و بخار حاصل از بويلرهاي کمکي با شرايط ترموديناميکي يکسان (bar٢٠، oc٢١٥) وارد يک هدر١ مشترک شده و از طريق اين هدر، بوسيله ي سه خط لوله ٢٨، ٢٦ و ٢٤ اينچ به ايستگاههاي توزيع منتقل مي شود. کندانس بخار تغذيه شده به ايستگاههاي ١٤ گانه توزيع نيز مجددًا توسط خط لوله ١٠ اينچ به نيروگاه برگردانده مي شود.
بخش توليد: بخش توليد وظيفه تأمين انرژي مورد نياز مصرفي منطقه طرح را به صورت بخار آب بر عهده دارد. تأمين بخار در حالت معمول از طريق بازيافت حرارت دود خروجي واحدهاي گازي BBC و آلستوم در بويلرهاي بازياب حرارت و مصرف بخار توليدي بويلر واحدهاي الين در مبدلهاي حرارتي و نيز توليد بخار در بويلرهاي کمکي و در حالت اضطراري نيز از مصرف بخار برداشتي از خروجي بويلر واحدهاي اشکودا در مبدلهاي حرارتي انجام مي شود.
سيستم انتقال : سيستم انتقال شامل مسير لوله کشي است که بخار توليدي را از نيروگاه به ١٤ ايستگاه توزيع موجود در قطاع هاي مختلف و همچنين حرم مطهر تحويل داده و آب کندانسه مصرف شده در ايستگاهها را گردآوري و به نيروگاه بر مي گرداند.
ايستگاه هاي توزيع : با توجه به ميزان و پراکندگي مصرفکنندگان، در قطاعهاي چهارگانه ، تعداد کل ايستگاههاي توزيع ، ١٤ ايستگاه مي باشد. ساختمان و تأسيسات در نظر گرفته شده براي همه ايستگاهها مشابه مي باشند و تنها اختلاف در تعداد پمپ هاي مورد نظر سيستم مي باشد.
هر ايستگاه در زميني به مساحت تقريبي ١٦٠٠ مترمربع و در دو طبقه احداث مي گردد. فضاي طبقه همکف به تأسيساتي از قبيل مبدلها و پمپ ها اختصاص دارد و در روي آن اتاق کنترل ايستگاه نيز بصورت يک نيم طبقه جانمايي مي شود.
٤- هزينه ها و منافع طرح
هزينه هاي سرمايه گذاري :هزينه هاي سرمايه گذاري شامل هزينه هاي خريد و نصب تجهيزات سيستم توليد همزمان و هزينه هاي احداث خطوط انتقال و همچنين احداث ايستگاههاي توزيع مي باشد.مدت زمان نصب و احداث پروژه معادل ٤ سال مي باشد نحوه تخصيص هزينه هاي سرمايه گذاري در اين طرح در طي دوره ساخت معادل ٢٠ درصد در سال اول، ٤٥ درصد در سال دوم،
١٥ درصد در سال سوم و ٢٠ درصد در سال چهارم خواهد بود.
هزينه هاي جاري : هزينه هاي جاري طرح شامل تامين سوخت مازاد بر نياز نيروگاه براي توليد برق و هزينه هاي بهرهبرداري و تعميرات تجهيزات سيستم توليد همزمان و هزينه استهلاک طرح مي باشد که در ادامه ارائه مي گردد:
هزينه سوخت : پس از احداث سيستم توليد همزمان احتياج به ديگ هاي بخار کمکي مي باشد تا نياز انرژي حداکثر مورد نياز براي سرمايش ، گرمايش و آب گرم را تامين کند (واحد الين و ديگ هاي بخار کمکي فقط به منظور توليد بخار مورد استفاده قرار مي گيرند. در اينجا مصرف سوخت حداکثر مورد نياز سيستم توليد همزمان در طي دوره بهرهبرداري منهاي مقدار سوخت مورد نياز نيروگاه جهت تامين برق در نظر گرفته شده است . بدين ترتيب هزينه سوخت کل سيستم به صورت زير محاسبه مي گردد.
CFt = F1t × Pg (1)
که CFt کل هزينه سوخت درسال t و Ft1 ميزان سوخت مصرفي ديگ هاي بخار الين و کمکي در سال t و Pg قيمت گاز طبيعي تمام شده (اعم از پالايش ، انتقال و توزيع ) معادل ٧٧٣ ريال به ازاي هر متر مکعب در سال ١٣٨٧ مي باشد.
هزينه تعمير و نگهداري دوره اي: هزينه تعمير و نگهداري سيستم توليد گرمايش ، سرمايش و آب گرم نيز به صورت ذيل محاسبه مي شود.
CMit = Eit × ACM (2)
در اينجا CMit هزينه تعمير و نگهداري هريک از سيستم هاي توليد کننده گرمايش ، سرمايش و آب گرم درسال t مي باشد. Eit نيز ميزان حرارت مورد استفاده براي توليد هريک از مولفه هاي گرمايش ، سرمايش و آب گرم درسال t و ACM متوسط هزينه تعمير و نگهداري هر واحد انرژي سيستم توليد کننده گرمايش ، سرمايش و آب گرم بوده که براساس مطالعات انجام گرفته و آمارنامه تفصيلي صنعت برق سال ١٣٨٦معادل ٠.٨ سنت به ازاي هر کيلوواتساعت معادل حرارت مي باشد.
هزينه استهلاک سرمايه : استهلاک سرمايه تخصيصي به هريک از مولفه هاي سيستم در هر سال با استفاده از روش مستقيم و با فرض اينکه سرمايه گذار در طول دوره بهرهبرداري از سيستم کل سرمايه اش را مستهلک نموده و ارزش اسقاط معادل صفر مي باشد، بدست آمده است .
٥- درآمدهاي طرح
فروش انرژي جهت سرمايش ، گرمايش و آب گرم و همچنين صرفه جويي در مصرف گاز طبيعي در اثر بهرهبرداري از سيستم CHP از مهم ترين درآمدهاي طرح مي باشد. از آنجا که در تحليل اقتصادي بايد جنبه هاي زيست محيطي طرح را نيز در نظر گرفت ، منافع زيست محيطي ناشي از اين طرح نيز به عنوان درآمد در تحليل هزينه فايده وارد شده است .
فروش انرژي: براي محاسبه درآمد حاصل از فروش مي بايست قيمت فروش واحد انرژي محاسبه شود. در اينجا براي محاسبه قيمت واحد انرژي، فرض شده است که درآمد طرح از فروش انرژي جهت توليد گرمايش ، سرمايش و آب گرم برابر باشد با همان مقدار ارزش حرارتي گاز طبيعي و يا بعبارت ديگر قيمت واحد انرژي برابر با قيمت گاز طبيعي معادل آن باشد. از طرف ديگر مي - توان چنين برداشت کرد که مصرف کننده جهت تامين گرمايش ، سرمايش و آب گرم مصرفي همان هزينه اي را پرداخت نمايد که از گاز طبيعي استفاده کند.
تعرفه گاز در ايران بر اساس طبقه بندي پنج گانه (سرد ١ تا ٣، معتدل و گرم) مي باشد که در اينجا براي مشهد نرخ ميانگين آن برابر ١٠٠ ريال به ازاي هر کيلووات ساعت در سال ١٣٨٧ مي باشد. البته بايد در نظر داشت که براي قيمت گذاري اين قبيل انرژي، در ساير کشورها مطالعات مفصل و مستقلي صورت گرفته که لزوم توجه دقيق تر به اين بحث را نشان مي دهد؛ و فرض برابري قيمت اين انرژي با قيمت گاز تحويلي به خانوار در پژوهش حاضر، به منظور تسهيل در امر محاسبات و بدست آوردن يک برآورد نسبتاً واقعي مي باشد.
ميزان سوخت صرفه جويي شده درمحدوده حرم مطهر رضوي (ع): از آنجايي که با اجراي سيستم CHP، راندمان کلي نيروگاه مشهد افزايش يافته و همچنين با تامين گرمايش ، سرمايش و آب گرم مورد نياز مراکز مصرف از طريق راه اندازي اين سيستم ، مصرفکنندگان از مصرف سوخت براي توليد گرمايش ، سرمايش و آب گرم به صورت منفرد بي نياز مي گردند، لذا مي توان ميزان سوخت صرفه جويي شده را به عنوان يکي از عمدهترين صرفه هاي اجراي طرح مزبور مورد نظر قرار داد. با در نظر گرفتن اينکه مصرف کنندگان از سوخت گاز طبيعي و با استفاده از ديگ هاي بخار کوچک براي توليد گرمايش و آب گرم و از برق براي توليد سرمايش استفاده مي کنند (که برق مزبور نيز در نيروگاه با استفاده از گاز طبيعي توليد مي شود) لذا با در نظر گرفتن راندمان ديگ هاي بخار کوچک به ميزان ٧٠ درصد و راندمان نيروگاه مشهد معادل متوسط راندمان نيروگاههاي گازي تحت نظارت وزارت نيرو به ميزان ٢٧.٨ درصد، مي توان ميزان گاز طبيعي صرفه جويي شده در اثر تامين گرمايش ، سرمايش و آب گرم با استفاده از سيستم توليد همزمان را به صورت زير بدست آورد.
الف ) سوخت صرفه جويي شده در توليد گرمايش و آب گرم:

ب) سوخت صرفه جويي شده در توليد سرمايش :

که :
HVg ارزش حرارتي گاز طبيعي ،
FSt1 ميزان گاز طبيعي صرفه جويي شده در ديگ هاي بخار کوچک براي توليد گرمايش و آب گرم در مراکز مصرف در سال t،