بخشی از مقاله
چکیده
با پیشرفت تکنولوژی و افزایش جمعیت، آب و انرژی به دو مبحث از هم ناگسستنی تبدیل شده اند. امروزه به این مبحث پیوند آب و انرژی اطلاق میشود. برای تولید انرژی آب زیادی مصرف میشود و از طرفی 8 % درصد از انرزی تولیدی در سطح جهان صرف پمپاژ، تصفیه و انتقال آب میشود. انرژی های تجدیدپذیر علاوه بر کاهش اثرات منفی استفاده از سوخت های فسیلی میتوانند بخش بزرگی از نیاز به آب و انرزی را فراهم کنند.
استفاده از این روش ها در روستا ها و مناطق دور افتاده به دلیل هزینه ی بالای انتقال اب و انرزی از اولویت بیشتری برخوردار است. در بین روش های مختلف استفاده از این انرژی های نو، انرژی فتوولتاییک بیشترین هماهنگی با تامین و کاهش مصرف آب را دارد. آب مصرفی این روش بسیار کمتر از سایر روش های تولید انرژی و حتی روش های حرارتی خورشیدی است. از طرفی کاربردی ترین روش برای شیرین سازی آب در سطح جهانی است.
.1 مقدمه
شاید در گذشته ای نه چندان دور، مسئله آب و انرژی دو مبحث کاملا مجزا از یکدیگر بودند. اما با پیشرفت تکنولوژی و افزایش جمعیت، به دو مبحث از هم ناگسستنی تبدیل شده اند. امروزه به این مبحث پیوند آب و انرژی1 اطلاق میشود. این ارتباط تا حدی است که سیاست گذاری های جداگانه می تواند تاثیرات منفی بسیاری داشته باشد
تولید و انتقال انرژی به خصوص در نیروگاه های برق آبی، حرارتی و هسته ای به آب فراوانی احتیاج دارد. در مقابل، در حدود 8% از تولید جهانی انرژی برای پمپاژ، تصفیه و انتقال آب مصرف می شود. آب عامل مهم و تعیین کننده در تولید و انتقال انرژی به اشکال مختلف است. 75% از آب مصرفی صنایع صرف تولید انرژی می شود. روش های تولید متداول انرژی - نیروگاه های حرارتی و هسته ای - برای خنک کننده به میزان قابل توجهی آب احتیاج دارند. به طوری که عدم دسترسی به آب و یا دمای بالای آب در خنک کننده ها موجب تعطیلی این نیروگاه ها میشود - UN-Water, 2014 - . آب پشت سد ها نیز منبع عمده ای برای تولید برق هیدرولیکی است؛ در نتیجه پایین رفتن آب سدها در کاهش برق تولیدی نقش دارد.
مسئله تغییرات آب و هوایی به وجود آمده بر اثر پدیدهی گلخانه ای بر شدت بحران آب و انرژی افزوده است. وقوع زمستان های بسیار سرد و تابستان های بسیار گرم مصرف آب و انرژی را افزایش می دهد. به عنوان مثال وقوع یک موج گرما در تابستان 2003، فرانسه را وادار به خرید انرژی از انگلستان کرد . زمستان بسیار سرد و تابستان بسیار گرم سال 2007 کشور های آسیای مرکزی را با بحران شدید آب و انرژی رو برو کرد
بنابراین استفاده از انرژی های تجدیدپذیر علاوه بر کاهش شدت بحران با کاهش اثرات زیست محیطی ناشی از سوخت های فسیلی بخش بزرگی از نیاز روزافزون به آب و انرژی را تامین کند. هدف این مقاله تشریح رابطه بین آب و انرژی در زمینههای مختلف و امکان استفاده از انرژیهای تجدیدپذیر در شاخههای مختلف این پیوند است.
.2 مصرف آب برای تولید انرژی
بسیاری از منابع انرژی اولیه نظیر زغال سنگ، اورانیوم، نفت، گاز طبیعی، زیست توده، تابش خورشیدی، باد و آب برای تولید انرژی برق مورد استفاده قرار میگیرند. منابع انرژی - شیمیایی، حرکتی، تابشی - به روش های مختلف به انرژی الکتریکی تبدیل میشوند. طبق اصل ترمودینامیک، انرژی نه به وجود میآید و نه از بین میرود و به الکتریسیته تبدیل میشود. اما در واقعیت این اصل کارایی ندارد و بخش بزرگی از انرژی به شکل حرارت تلف میشود. در روش های حرارتی که متداولترین روشهای تولید برق هستند، گرمای حاصل از سوختها برای به جوش آوردن آب مصرف میشود که بخار حاصل از آن با چرخاندن توربینها برق تولید میکند.
این بخار، متراکم شده و مجددا به آب تبدیل میشود. تراکم بخار به وسیله خنک کننده صورت میگیرد که آب، هوا و یا هردو آن هاست. بازده سیستم تا حد زیادی به بازده سیستم خنک کننده وابسته است. علاوه براین در استخراج و بهره برداری از منابع نفت، گاز و زغالسنگ به آب زیادی احتیاج است - Stillwell, King, .Webber, Duncan, & Hardberger, 2009 - علاوه بر استخراج برای تبدیل و فرآوری سوخت های فسیلی از حالت خام به حالت قابل استفاده در صنایع، به صورتهای مختلف آب استفاده میشود.
فرآیند زغال شویی یکی از فرآیند های فرآوری است که موجب کاهش سولفور موجود در زغالسنگ ، کاهش آلودگی هوا و افزایش کیفیت زغالسنگ میشود . - Yang & Yamazaki, 2013 - برج های خنک کننده از نوع تر، یکی از اصلی ترین مصرف کنندگان آب در پالایشگاه های نفت، گاز و مجتمعهای پتروشیمی جهت تولید سرمایش در فرآیند هستند - گوگل و زاروی, . - 1392 در صورتی که پساب حاصل از این فعالیت ها به خوبی مدیریت نشود، منابع عمدهی آب به خصوص آبهای زیرزمینی را آلوده کرده و به صورت یک چرخه ی معیوب انرژی لازم برای انتقال و تصفیه آب را افزایش میدهد.
.3 مصرف انرژی برای تامین آب
تامین انرژی لازم برای پمپاژ، انتقال و شیرین سازی آب نقشی مهم در کاهش بحران آب دارد. با این حال اغلب مناطقی که دچار بحران آب هستند از پتانسیل بالای انرژی های تجدپذیر، به خصوص انرژی خورشیدی برخوردارند حذف نمک، میکروبها و سایر مواد شیمیایی و آلودگیها از طریق نمک زدایی و روش های تصفیه آب به انرژی نیاز دارد. بنابراین قیمت انرژی در وسعت توانایی استفاده از منابع مختلف آب تاثیرگزار است. مصرف انرژی در حوزهی آب به سه بخش عمده ی انتقال آب، پمپاژ آب های زیرزمینی و شیرین سازی آب تقسیم میشود
انتقال آب: برای توزیع آب در شبکههای آب رسانی انرژی صرف میشود. پراکندگی منابع آبی در موارد بسیاری با محل تقاضا متناسب نیست و انتقال آب از مناطق دور دست به انرژی نیاز دارد. در صورتی که بازده پمپ 100% باشد برای انتقال 100m3 آب به محلی با 100 متر اختلاف ارتفاع به 1/5MW انرژی نیاز است. در پروژه های بزرگ انتقال آب معمولا برای بازیابی بخشی از انرژی مصرفی در قسمت های سرازیری که آب به وسیله انرژی گرانشی منتقل می شود از توربین های هیدرولیکی استفاده میشود
پمپاژ آبهای زیرزمینی: بیش از نیمی از منابع آب ایران را آبهای زیر زمینی تشکیل میدهد. ایران جزء 10 کشور اول استفاده کننده از آب های زیرزمینی است بهره برداری جدی از آب های زیر زمینی از قرن بیستم با بهره برداری از سوخت های فسیلی و تکنولوژی ارزان حفاری و پمپاژ آب صورت گرفت. حدود استفاده از آبخوان ها به حدود زیست محیطی و اقتصادی وابسته است.
سوخت ارزان باعث شده که منابع آب تجدیدناپذیر که طی صدها یا هزارها سال و حتی بیشتر در سفرهها ذخیره شده اند به شکل وسیعی مورد استفاده قرار بگیرند. در صورتی که بهره برداری از سفره های زیر زمینی متناسب با تغذیه سفره به وسیلهی آبهای سطحی نباشد سطح آب به شدت پایین میرود که این امر باعث افزایش انرژی مورد نیاز پمپاژ میشود از طرفی کیفیت آب را نیز کاهش میدهد
با افزایش قیمت سوختهای فسیلی و بارز شدن اثرات زیست محیطی آنها در سالهای اخیر استفاده از انرژیهای تجدید پذیر برای پمپاژ آب مورد توجه قرارگرفته است. سیستم بادی آبکش - پمپ بادی مکانیکی - ساده ترین و قدیمی ترین کاربرد انرژیهای نو برای پمپ آب است. امروزه با رشد تکنولوژی میتوان از توربینهای بادی الکتریکی وسیستم های فتوولتاییک نیز برای پمپاژ آب استفاده کرد که نسبت به روش سنتی انعطاف و بازدهی بالاتری دارند - منفرد, . - 1391 مقایسه هزینههای پمپاژ آب به سه روش برق شبکه، سیستم دیزل و سیستم فتوولتاییک خورشیدی در مناطق دور افتاده برای پمپاژ آب نشان میدهد - شکل - 2 که هزینههای روش فتوولتاییک پایین تر است و با گذشت زمان از ثبات بالایی برخوردار است
شکل :1 مقایسه هزینههای پمپاژ آب - برحسب دلار آمریکا - به سه روش برق شبکه، موتور دیزل و سیستم فتوولتاییک
شیرینسازی آب: نمکزدایی آب یک فرآیند مهم برای پاسخگویی به تقاضای روز افزون برای آب شیرین است، اما به انرژی بسیار زیادی احتیاج دارد. حدود 8/78 میلیون تن نفت در سال برای تولید یک میلیون متر مکعب آب شیرین در روز استفاده میشود، که اهمیت منابع انرژی مناسب و جایگزین برای سیستمهای آب شیرینکن را نشان میدهد در بین روشهای مختلف استفاده از انرژیهای تجدیدپذیر برای شیرینسازی آب، انرژی خورشیدی به صورت فتوولتاییک، بیشترین کاربرد را دارد
