بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
ارزيابي فني - اقتصادي اجراي پروژه هاي برق آبي در مقياس ميکرو بهمراه مطالعه موردي در حوزه آبريز رودخانه کردان
چکيده
در اين مقاله مطالعه اي جامع در زمينه نيروگاههاي برق آبي ميکرو و ارزيابي فني - اقتصادي اجراي پروژه هاي مزبور در کشور صورت گرفت . همچنين با توجه به سابقه پروژه هاي انجام شده در کشور در اين زمينه ، مقايسه هزينه اي بين پروژه هاي برق آبي ميکرو در ايران با موارد مشابه در کشورهاي مختلف انجام شد. سپس مطالعه موردي امکان سنجي اجراي سيستم ميکرو هيدرو در مسير رودخانه سيرود براساس اطلاعات محلي ثبت شده انجام و در نهايت هزينه برق توليدي بر اساس مطالعات اقتصادي بدست آمد و با قيمت جهاني آن مقايسه شد. در ادامه ، نتايج تحليل با سيستم ديزلي جايگزين به تفضيل مقايسه گرديد و مشخص شد که جمع هزينه حقيقي سوخت مصرفي و هزينه اجتماعي آلاينده هاي منتشرة نيروگاه ديزلي ، بنوبة خود معادل ٥٩٩ ريال بر کيلووات ساعت مي باشد که بالاتر از بهاي تمام شده برق آبي در مطالعة موردي يادشده است . در بخش ديگري از اين تحقيق ، راهکارها و پيشنهادهايي در راستاي اقتصادي نمودن اجراي پروژه هاي ميکرو هيدرو و کاهش بهاي تمام شدة برق ارائه شد.
١- مقدمه
تامين انرژي از منابع تجديد پذير و با قيمت مناسب نقش بسيار مهم و مثبتي در توسعه مناطق روستايي دارد. اين امر موجب شده برخي از کشورهاي در حال توسعه بقصد برق رساني به مناطق روستايي و بهبود سطح زندگي اهالي روستا نگاهي دوباره به منابع آبي خود بيفکنند[١].
در اين ميان ، انرژي بدست آمده از توربينهاي آبي مي تواند براي صنايع کوچک روستايي ، مانند آسياب گندم ، چوب بري ها يا پمپاژ آب مصرف شود، اما مهمترين و گسترده ترين کاربرد توربين آبي ، توليد برق از نيروي آب است [٢] و درست به همين خاطر است که نيروگاه آبي در برنامه عرضه انرژي وارد شده است . نيروگاههاي آبي کوچک براي نقاط دور افتاده و در هنگام پايين بودن تقاضاي انرژي راه حل مناسبي هستند.
براي تأمين برق مناطق روستايي دورافتاده ، گزينه هاي متعددي وجود دارند که مهمترين آنها عبارتند از: گسترش شبکه و احداث خط انتقال برق ، تهيه و نصب ديزل -ژنراتور، تهيه و نصب توربين آبي . مزاياي توربين آبي نسبت به ديگر گزينه ها را ميتوان بشرح زير برشمرد:
هزينه بالاي ساخت خط انتقال و افت انرژي در طول آن ، دشواري سوخت رساني به ديزل -ژنراتور در مناطق دورافتاده بويژه در زمستان ، نياز ديزل -ژنراتور به راهبري و نگهداري پيوسته و بالاتر بودن هزينه تعمير ونگهداري در مقايسه با توربين آبي ، پاکيزه بودن انرژي برق آبي و عدم انتشار گازهاي زيانبار براي محيط زيست ، امکان بروز خاموشيهاي مکرر در برق شبکه بدلايل مختلف و خارج از قدرت تصميم و چاره انديشي بهره برداران .
توربينهاي آبي براي بيشتر روستاها در مقياس ميکرو(توان الکتريکي کمتر از ١٠٠ کيلووات ) پاسخگو هستند و گاهي ميتوان ظرفيت هاي بالاتر براي تأمين انرژي چند روستاي همجوار يا اتصال برق توليد شده به شبکه محلي يا سراسري نصب نمود که در اصطلاح ، ظرفيت ١٠٠ کيلووات تا ١ مگاوات بنام نيروگاه آبي «ميني » و ظرفيت ١ تا ١٠ مگاوات بنام نيروگاه آبي کوچک شناخته مي شوند[٣]. ساخت چنين نيروگاههايي بويژه از ديدگاه افزايش پايداري شبکه و کاهش بار اوج (پيک سايي ) حائز اهميت است [٤].
موضوع توربينهاي آبي ميکرو و قابليتها و فعاليتهاي ايران در اين زمينه ، در پژوهشهاي گوناگون از جمله در مقالات ارائه شده در دوره هاي پيشين کنفرانس بين المللي برق مورد بحث قرار گرفته است [٦،٥]. در کشورمان تلاش هايي در زمينه اجراي پروژه هاي برق آبي ميکرو صورت پذيرفته است . در آذرماه ١٣٦٦ اولين نيروگاه برق آبي کوچک کشور، توسط وزير وقت جهاد سازندگي افتتاح گرديد. اين نيروگاه در منطقه کلات نادر در استان خراسان و با ظرفيت ٦٥ کيلووات نصب و راه اندازي گرديد. پس از آن با گسترش طرح نيروگاههاي کوچک بر اساس سياستهاي کلان کشور در بخشهاي توليد انرژي و کشاورزي در سال ١٣٨١، به پيشنهاد مجلس شوراي اسلامي و تائيد هيات محترم وزيران ، وظيفه ساخت نيروگاههاي آبي کوچک از وزارت جهاد سازندگي به وزارت نيرو منتقل گرديد. اين طرح از ابتداي سال ١٣٨٢ به طرح نيروگاههاي آبي متوسط شرکت توسعه منابع آب و نيروي ايران ملحق گرديد. در حال حاضر شرکت توسعه منابع آب و نيروي ايران از دو پروژه برق آبي ميکرو «گرني » و «کرنق » بهره برداري نموده و چند پروژه در حال ساخت يا آماده بهره برداري را در دستور کار خود دارد[٧].
نتايج طرحهاي اجراشده و در دست اجراي برق آبي ميکرو کشور در ارزيابي فني -اقتصادي در اين مقاله مورد استفاده قرار گرفته و خلاصۀ اين اطلاعات در ادامه مقاله ارائه شده اند.
اين مقاله در راستاي تحقيقات صورت گرفته در گروه انرژي هاي نو پژوهشگاه نيرو با هدف مطالعات امکان سنجي طراحي و ساخت ميکروتوربين هاي آبي در کشور (با تکيه بر پتانسيل سنجي هاي انجام شده ) مي باشد[٨]. در اين مقاله پس از تشريح کليات و نتايج بررسي هاي فني -اقتصادي ، بررسي هاي انجام شده در زمينه امکان سنجي فني -اقتصادي جهت احداث نيروگاه آبي ميکرو بر روي برخي از سرشاخه هاي رودخانه کردان در استان تهران ارائه مي گردد.
٢- مواد و روشها
در اين مقاله براي ارزيابي فني و اقتصادي ميکروتوربينهاي آبي از اطلاعات و تجارب جهاني بعلاؤە نتايج طرحهاي اجرا شده و دردست اجراي کشور بهره گيري شده است .
٢ – ١ - مباني انرژي بالقوه و توان قابل نصب
پتانسيل شدت انرژي ناخالص از حاصلضرب شدت جريان (دبي ) آب در ارتفاع متناظر فشار (هد) آب در شتاب جاذبه بدست مي آيد[٢]:
Q = شدت جريان آب
= جرم حجمي آب
Hw = هد آب برحسب متر
توان ناخالص آبي از رابطۀ زير قابل برآورد مي باشد [٢]:
(برحسب وات )
Q = شدت جريان (دبي ) آب (Litr.s)
g شتاب جاذبه مي باشد.
توان الکتريکي مفيد قابل نصب با توجه به بازدهي کلي الکتريکي (در مورد توربينهاي آبي ميکرو بين ٤٠% تا ٥٠%) از توان ناخالص آبي قابل محاسبه است . معمولا بازدهي در توربينهاي آبي ميکرو را ميتوان ٤٥% درنظر گرفت [٢].
در پروژه هاي جريان رودخانه اي که در آنها تقريبا ذخيره آب وجود ندارد، ظرفيت ثابت فقط به کمترين شدت جريان آب محدود خواهد شد. احداث يک مخزن ذخيره ، تنها به منظور استفاده در يک نيروگاه آبي ميکرو از نظر اقتصادي توجيه پذير نمي باشد. در اين مقاله براي تعيين شدت جريان حداقل رودخانه از گزارشهاي دبي سنجي وزارت نيرو مربوط به سرشاخه هاي رودخانه کردان استفاده شده است [٩]. تعيين اختلاف ارتفاع (هد) آب با استفاده از نقشه هاي توپوگرافي بزرگ مقياس منطقه بهمراه بررسيهاي ميداني و ترسيم نيمرخ طولي رودخانه انجام شده است .
٢ – ٢ - مباني محاسبات اقتصادي
براي ارزيابي اقتصادي انرژي حاصل از توربينهاي آبي ميکرو، بهاي تمام شدٔە انرژي در اين فناوري برآورد شده و با بهاي واقعي انرژي فسيلي و همچنين هزينه هاي زيست محيطي و هزينه انتقال انرژي به نقاط دورافتاده مقايسه مي گردد.
هزينه هاي مربوط به نيروگاه برق آبي کوچک به صورت زير بيان شده است : هزينه هاي ساختماني (سد، کانال ، اتاقک الکتريکي يا مکانيکي )، هزينه هاي مربوط به توليد الکتريسته (توربين ، ژنراتور، خطوط برق )، ساير هزينه ها (هزينه زمين ، هزينه مربوط به بهره برداري پاره وقت ، هزينه مربوط به سازه هاي مهندسي ). نرخ هزينه تجهيزات و اجزاي ساختمان هاي مهندسي ٥٠-٤٠ درصد کل هزينه نصب نيروگاه برق آبي مي باشد که به توپوگرافي و ژئولوژي منطقه ، روشهاي سازه هاي کاربردي و مواد مورد استفاده بستگي دارد[٢].
در اين مقاله قيمت تمام شده انرژي از رابطه زير محاسبه شده است [١١، ١٠]:
= قيمت تمام شده واحد انرژي (ريال بر کيلووات ساعت )
هزينه تبديل يافته سرمايه سالانه = A (ريال در سال )
هزينه سالانه راهبري = (O&M) (ريال در سال )
هزينه مصرف سوخت سالانه = F (ريال در سال )
مجموع انرژي توليد شده = E (کيلووات ساعت در سال )
هزينه سرمايه سالانه از رابطه زير بدست مي آيد[١٠و١١]:
{5}
که در آن :
سرمايه گذاري اوليه =P
ارزش اسقاطي در پايان عمر مفيد =R
نرخ بهره پول = i
عمر مفيد واحد = n
هزينه سالانه راهبري به نوبۀ خود شامل هزينه نيروي انساني و هزينه تعميرونگهداري مي گردد.
مجموع انرژي توليد شده در يک سال از رابطه زير پيروي مي کند[١٠و١١]:
{6}
ظرفيت واحد = C (کيلووات )، تعداد ساعات کارکرد واحد در تمام ظرفيت = te
هزينه مصرف سوخت در نيروگاههاي آبي معادل صفر درنظر گرفته مي شود.
٢ – ٣ - اطلاعات هزينه و سرمايه گذاري
٢ – ٣ – ١ ارائه ديدگاه هاي مختلف مربوط به هزينه نيروگاههاي برق آبي ميکرو
١) طبق آمار منتشره از بانک جهاني ، براي هدهاي (m)
١٣.٥-٢.٣، سرمايه گذاري ويژه بميزان ٨٨٠٠-١٨٠٠ دلار براي هر کيلووات و براي هدهاي (m) ٣٥٠-٢٧ ميزان سرمايه ٣٠٠٠-١٠٠٠ دلار مورد نياز مي باشد که افزايش هد باعث کاهش هزينه در نيروگاههاي برق آبي کوچک مي گردد[٦].
٢) کل سرمايه گذاري شامل سرمايه گذاريهاي پژوهش و توسعه و نيروگاهي بوده و وابسته به محل نيروگاههاي آبي کوچک و تغييرات قيمت واحد در مناطق مختلف ، منجر به طيفي از هزينه هاي سرمايه اي واحد مي گردد. اين طيف تقريبا ٤٠٠٠-١٥٠٠ دلار آمريکا براي هر کيلووات نصب شده مي باشد. به نظر مي رسد که فرض ٢٠٠٠ دلار آمريکا بر کيلووات به عنوان ميانگيني براي کل سرمايه گذاريها رقم مناسبي باشد [١٢].
٣) به عنوان يک تخمين اوليه و بر اساس مرجع [٢]، ميتوان از عدد ٣٠٠٠ دلار بر کيلووات براي توربين هاي آبي ميکرو تا ٥ کيلووات استفاده کرد. اين عدد يک برآورد محتاطانه براي سرمايه گذاري کلي يک طرح ميکرو تا ٥ کيلووات به غير از سيم کشي خانه ، کارهاي ساختماني و سيستم توزيع برق مي باشد. همچنين هزينه هاي نگهداري حدود ٤ تا ٦ درصد در سال مي باشد.
٤) براي سيستم هاي با هد پائين که نيازي به کارهاي عمراني ندارند (به طوريکه فرض مي شود استخر يا سد موجود باشد) هزينه در حدود ٤٠٠٠ پوند انگليس (٧٢٠٠ دلار) بر کيلووات براي ظرفيت هاي توليد تا ١٠ کيلووات مي باشد که البته براي ظرفيت هاي بالاتر عدد هزينه بر کيلووات کاهش مي يابد[١٣]. اما بايد خطر نشان نمود که ظرفيت هاي بالاتر به خاطر نياز به توربين هاي بزرگتر و کارهاي ساختماني بيشتر، گرانتر هستند. براي هدهاي متوسط ، يک هزينه ثابت در حدود ١٠٠٠٠ پوند (١٨٠٠٠ دلار) در نظر گرفته شده و سپس هزينه اي در حدود ٢٥٠٠ پوند (٤٥٠٠ دلار) بر کيلووات تا ظرفيت توليد حدودا ١٠ کيلووات به هزينه ثابت اضافه مي گردد.
بنابراين هزينه يک سيستم ميکرو هيدرو محلي با ظرفيت ٥ کيلووات ، حدودا بين ٢٠ تا ٢٥ هزار پوند(٤٥-٣٦ هزار دلار) مي باشد که البته اين هزينه ، در اندازه هاي بزرگتر، کاهش مي يابد[١٣].
٥) هزينه خريد توربين آبي ميکرو ٦٠٠-٤٥٠ دلار بر کيلووات ، هزينه پروژه ٥٠٠٠-١٠٠٠ دلار بر کيلووات . زمان ساخت ٣-٢ سال پيش بيني ميگردد[١٤].
٢ – ٣ –٢-هزينه اجراي پروژه هاي ميکروهيدرودر ايران
هدف از ارائه اين بخش ، ارائه متوسط هزينه هاي لازم براي اجراي پروژه ميکرو هيدرو در ايران مي باشد. خلاصۀ اطلاعات در جدول (١) اين مقاله ارائه شده است . بررسي هاي صورت گرفته حاکي از آن است که شاخص متوسط هزينه جهت اجراي پروژه ميکرو هيدرو در کشور توسط شرکت توسعه منابع آب و نيرو که از توربين کراس فلو ساخت شرکت اسبرگر آلمان استفاده شده ، حدود ٢٥٠٠ دلار بر کيلووات مي باشد (اين عدد، متوسط گيري از ٤ پروژه ميکرو هيدرو اجرا شده در سطح کشور است ). در حاليکه عدد بالا براي اجراي پروژه با استفاده از پمپ معکوس به عنوان توربين ساخت شرکت پمپ و توربين ايران ، حدود ١٩٠٠ دلار بر کيلووات مي باشد [١٥،٧] (اين عدد، ميانگين هزينه از ٢ مورد پروژه ميکرو هيدرو اجرا شده در سطح کشور مي باشد).
مقايسه اين اعداد با موارد مطرح شده در بخش هاي قبلي نشان مي دهد هزينه اجراي پروژه هاي ميکرو هيدرو در ايران در مقايسه با قيمت جهاني آن منطقي و اقتصادي بوده و با توليد قسمت هاي مختلف سيستم در داخل کشور، قيمت تمام شدٔە پروژه کاهش خواهد يافت . شايان ذکر است که اجراي يک پروژه موفق از همه جهات نيازمند بستر سازي علمي مناسب ، پتانسيل سنجي دقيق ، انتخاب و طراحي صحيح اجزاء با در نظر گرفتن شرايط مختلف مسئله ، ساخت قطعات با کيفيت مناسب و نصب و راه اندازي صحيح مي باشد و اساسا نمي توان هزينه اي کاملا دقيق را براي يک پروژه جديد پيش بيني نمود.
در اين بخش سعي شد تا هزينه اي واقعي بر اساس متوسط مخارج مربوط به چند مورد پروژه اجرا شده در کشور براي سيستم ميکرو هيدرو ارائه گردد تا بتوان مقدار هزينه نزديک به واقعيت را براي اجراي پروژه نيروگاه آبي ميکرو تصور نمود.
٣ - مطالعه موردي و يافته ها
بمنظور انطباق تجربيات ملي و جهاني در زمينه نيروگاههاي آبي ميکرو و اطلاعات مندرج در اين مقاله با يک مطالعه موردي ١، رودخانه کردان و سرشاخه هاي آن ، واقع در شمال غربي استان تهران مورد بررسي قرار گرفته است .پس از بررسيهاي دفتري و مشاهدات ميداني ، روستاهاي سيرود و دروان بدلايل زير برگزيده شدند: دورافتادگي ، قرارگرفتن در بالادست رودها و ناحيه کوهستاني ، وجود هد مناسب در جريان آب ، دشواري حمل و نقل و نياز به منبع انرژي محلي و مطمئن . برخي اطلاعات مربوط به اين دو روستا در جدول (٢) درج شده است .
اطلاعات آبدهي (دبي ) رودخانه ها در اين نواحي ، در جدول (٣) آمده اند. با نگاه به اين جدول ، مشاهده مي شود که حداقل دبي آب در روستاهاي دروان و سيرود، به ترتيب ٢٠٠ و ١٠٠ ليتر درثانيه مي باشد.
نيمرخ (پروفيل ) طولي رودخانه هاي اين دو روستا در شکلهاي (١) و (٢) نمايش داده شده است . مطالعه اين اشکال نشان مي دهد که هد آب در محدوده روستاي سيرود مناسب تر است و با توجه به اينکه اين روستا از برق شبکه استفاده نميکند، امکان سنجي ميکروتوربين آبي براي اين روستا در اولويت قرار گرفت . در مسير رودخانه سيرود با ساخت يک حوضچه آبگير در ٥٥٠ متري بالادست روستا و انتقال آب از طريق لوله (پنستاک )، ميتوان در طول ٦٥٠ متر به يک هد ٧٠ متري دست يافت . براساس دبي حداقل 100L.s و هد ٧٠ متري ، با فرض بازدهي الکتريکي ٤٥% و با استفاده از رابطۀ {٣} چنين نتيجه مي شود که حداقل توان ٣٠ کيلووات براي اين روستا قابل نصب مي باشد. با توجه به توصيه هاي مراجع ، توربين جريان ضربه اي کراس فلو٢ براي اين منظور مناسب مي باشد[٨]. مزاياي توربين جريان ضربه اي کراس فلو:
سادگي ساختار، امکان ساخت در داخل و بهاي ارزان آن مي باشد.
براساس هزينه هاي مربوط به طرحهاي دردست اجراي کشور(مندرج در جدول (١)) ميانگين هزينه ويژٔە پروژه برابر است با Rials.kWe ١٠٦×١٨.٨. براين اساس ، هزينه پروژه در روستاي سيرود، ٥٦٤ ميليون ريال برآورد مي گردد.
براساس مراجع مختلف ، هزينه سرمايه گذاري ويژه نيروگاههاي آبي ميکرو kWe.$٥٠٠٠-١٠٠٠ عنوان شده و چنانچه عدد kWe.$٣٠٠٠ براي کل پروژه درنظر گرفته شود، هزينه طرح ٧٨٣ ميليون ريال بدست مي آيد (بهاي دلار
٨٧٠٠ ريال فرض شده ). در اين محاسبات ، هزينه سرمايه گذاري اوليه پروژه ميانگين دو عدد فوق درنظر گرفته مي شود که برابر است با ٦٧٤ ميليون ريال . هزينه تجهيزات (مکانيکي -الکتريکي ) درحدود ٤٥% هزينه کل فرض مي شود[١٤].
P = سرمايه گذاري اوليه = ٦٧٤ ميليون ريال (با فرض خريد توربين -ژنراتور خارجي )
n = عمر مفيد طرح = ٣٠ سال
i = نرخ بهره = ١٦%
R = ارزش اسقاطي = ٢٠% قيمت تجهيزات = ٦٠.٦٦ ميليون ريال
A = هزينه ثابت سالانه (رابطه {٥}) =١٠٩ ميليون ريال
O&M = هزينه سالانه راهبري و نگهداري [٥] = ٥%
هزينه تجهيزات =١٥.١٦٥ ميليون ريال
هزينه نيروي انساني [٢] = ٥٠ دلار= ٤٥٠٠٠٠ ريال در ماه
(در نيروگاه آبي ميکرو بدليل نياز اندک به راهبري ، دستمزد مسئول واحد بصورت پاره وقت محاسبه مي شود)
محاسبه هزينه انرژي برق (با استفاده از رابطه {٤}):
مجموع هزينه سالانه = (١٠٩+١٥.١٦٥+٥.٤)ميليون ريال = ١٢٩.٥٦٥ ميليون ريال
مجموع انرژي برق توليدي = ٨٠٠٠ × ٣٠ =٢٤٠٠٠٠ کيلووات -ساعت (ساعات بهره برداري نيروگاه آبي بالا مي باشد)
بهاي تمام شدە برق :
بهاي جهاني برق آبي ميکرو بين ١٠ تا ٢٠ سنت بر kW.h عنوان شده است [٨]. با تبديل بهاي دلار به ريال ، عدد يادشده در دامنۀ ٨٧٠ تا ١٧٤٠ ريال بر kW.h نوسان مي کند.
با مقايسه بهاي تمام شده در طرح روستاي سيرود (٥٤٠ ريال بر kW.h) با بهاي جهاني ، مشخص مي شود که هزينه فوق به ميزان قابل توجهي ارزان تر از بهاي جهاني است .
در جدول (٤) مقايسه کمي و کيفي بين نيروگاه آبي ميکرو و ديزل ژنراتور صورت پذيرفته است . نتايج تحليل انجام شده در اين مقاله نشان مي دهد جمع هزينه حقيقي سوخت مصرفي و هزينه اجتماعي آلاينده هاي منتشرٔە نيروگاه ديزلي ، بنوبۀ خود معادل ٥٩٩ ريال بر کيلووات ساعت مي باشد که بالاتر از بهاي تمام شده برق آبي در مطالعۀ موردي يادشده است .
