بخشی از مقاله
چکیده
ترمواکونومیک شاخهای از علوم حرارتی میباشد که از طریق ترکیب تحلیل ترمودینامیکی - اگزرژی - با اصول اقتصاد، اطلاعاتی را در اختیار طراح و یا اپراتور یک سیستم انرژی میگذارد که این اطلاعات از طریق روشهای متداول تحلیل ترمودینامیکی و ارزیابی اقتصادی قابل دستیابی نمیباشند ولی در عین حال برای طراحی و عملکرد یک سیستم به صرفهی اقتصادیکاملاً ضروری هستند.
ترمواکونومیک برپایه این مفهوم است که اگزرژی - انرژی قابل استفاده سودمند - تنها مبنای منطقی برای تخصیص هزینهی برهمکنشهای یک سیستم تبدیل انرژی با محیط اطرافش و همچنین منابع ناکارآمدی داخل آن سیستم میباشد. از آنجایی که ملاحظات ترمودینامیکی در ترمواکونومیک برمبنای مفهوم اگزرژی میباشد واژههای ترمواکونومیک و اگزرژواکونومیک میتوانند بصورت جایگزین استفاده شوند. هرچند که در حالت واقعی اختلافاتی بین این دو مقوله وجود دارد،ولی معمولاً در اکثر مراجع این دو واژه بصورت هم ارز در نظر گرفته میشوند.
مقدمه:
ترمواکونومیک از نتایج حاصل از شبیهسازی سیستمهای انرژی و تحلیل های ترمودینامیکی - اگزرژتیکی - و اقتصادی استفاده نموده و اطلاعات مفیدی را برای ارزیابی این سیستمها و همچنین بهینهسازی طراحی و عملکرد آنها با بکارگیری تکنیکهای مختلف بهینهسازی نظیر تکنیکهای ریاضی و هوش مصنوعی فراهم میکند.یک تحلیل اگزرژی مکان، اندازه و همچنین منابع ناکارآمدی ترمودینامیکی در یک سیستم را مشخص مینماید.
این اطلاعات که از طریق دیگری - مثلاً تحلیل انرژی یا قانون اول - قابل دستیابی نمیباشند برای بهبود دادن راندمان کل و همچنین کارآیی اقتصادی یک سیستم و یا برای مقایسهی عملکرد سیستمهای مختلف بسیار سودمند میباشند. همچنین یک تحلیل اگزرژی، اگزرژی هر یک از جریانها، مقدار واقعی اتلاف انرژی و یا بعبارتی ناکارآمدیهای ترمودینامیکی - تخریب اگزرژی و اتلاف اگزرژی - و همچنین راندمان اگزرژتیک را برای هر یک از اجزای سیستم تعیین مینماید. در اینجا بعنوان قرارداد، کاری که بر روی یک سیستم انجام میگیرد و همچنین حرارت منتقل شده از سیستم منفی و کاری که توسط سیستم انجام میگیرد و حرارت داده شده به سیستم مثبت در نظر گرفته میشوند.
اگزرژی عبارت است از حداکثر کار مفید تئوری - کار محوری یا الکتریکی - که می-توان از یک سیستم حرارتی بدست آورد وقتی به حالت تعادل ترمودینامیکی با محیط برده میشود و تنها با محیط اطراف خود برهمکنش داشته باشد. یا بطور معادل میتوان گفت اگزرژی عبارت است از حداقل کار تئوری - محوری یا الکتریکی - مورد نیاز برای اینکه یک مقدار از ماده را از حالتی که در تعادل با محیط میباشد به یک حالت مشخص ببرد. بنابراین می-توان چنین تعبیر کرد که اگزرژی نشان دهنده میزان انحراف حالت یک سیستم نسبت به حالت محیط میباشد.
محیط یک سیستم بزرگ در حالت تعادل میباشد که متغیرهای حالت - T0,P0 - و پتانسیل شیمیایی اجزای شیمیایی موجود در آن هنگامی که در فرآیندهای ترمودینامیکی به تبادل جرم و حرارت با سیستمهای دیگر میپردازد، ثابت میماند. این نکته مهمی است که هیچ واکنش شیمیایی نمیتواند بین اجزای شیمیایی محیط صورت گیرد. محیط عاری از هر گونه بازگشت ناپذیری است و اگزرژی محیط برابر صفر میباشد. محیط درواقع قسمتی از فضای اطراف هر سیستم میباشد.
در غیاب اثرات هسته ای، مغناطیسی، الکتریکی و کشش سطحی، اگزرژی کل یک سیستم Esys میتواند به چهار جز تقسیم گردد:
زیروند sys اگزرژی کلی و اگزرژی فیزیکی را از سایر مقادیر اگزرژی بواسطه شامل بودن انتقالهایی که مرتبط با جریان-های مواد میباشد، متمایز میسازد.
که در این روابط V و z به ترتیب نشان دهنده سرعت و ارتفاع نسبت به یک مختصات مرجع در محیط - V0=0 , z0=0 - میباشند. روابط - 5 - و - 6 - میتوانند هم برای سیستمها و هم برای جریانهای مواد بکار روند. اگزرژی شیمیایی عبارت است از حداکثر کار مفید قابل دستیابی وقتی که یک سیستم که در دمای 0 و فشار 0 قرار داد به حالت تعادل شیمیایی با محیط برسد. بنابراین برای محاسبهی اگزرژی شیمیایی نه تنها باید دما و فشار مشخص باشد بلکه ترکیب شیمیایی محیط نیز باید مشخص گردد.
از آنجایی که محیط طبیعی ما در حالت تعادل نمیباشد لازم است که یک محیط مرجع اگزرژی مدل گردد. استفاده از جدول مقادیر اگزرژی شیمیایی استاندارد برای موادی که در محیط و در شرایط استاندارد - pref = 1.013 bar ، - Tref = 298.15 K قراردارند، محاسبهی مقادیر اگزرژی را تسهیل مینماید.مقادیر اگزرژی شیمیایی استاندارد در جداول برای محیطهای متفاوت وجود دارد. تاثیر تغییرات جزئی در مقادیر 0 و 0 بر روی مقادیر اگزرژی شیمیایی مواد مرجع در کاربردهای عملی میتواند صرفنظر گردد.
تحلیل اقتصادی
برای ارزیابی و بهینه سازی اقتصادی سیستمهای انرژی به مقایسه مقادیر سالانه هزینههای مرتبط با سرمایه گذاری ، هزینههای سوخت و هزینههای عملکرد و نگهداری نیاز میباشد. این اجزای هزینه ممکن است که در طول عمر اقتصادی یک نیروگاه - یا هر سیستم انرژی دیگر - بطور قابل توجهی تغییر کنند. بنابراین در ارزیابی و بهینهسازی این سیستمها باید از مقادیر سالیانه همسطح شده برای همه اجزای هزینه استفاده نمود.
بخشهایی که در ادامه میآیند بیانگر روش نیازمندیهای درآمدی کل موسوم به TRR میباشند که برمبنای روشی است که توسط EPRI در سال 1993 توسعه داده شده است. این روش تمامی هزینههایی را که مرتبط با یک پروژه میباشد محاسبه مینماید و یک حداقل بازگشت سرمایه مورد نیاز را نیز شامل میشود. براساس هزینه سرمایه گذاری کلی تخمینی و فرضیاتی برای پارامترهای ورودی اقتصادی، مالی، عملکردی و تجارتی، نیاز درآمدی کلی بصورت سالیانه محاسبه میشود.
