مقاله مروری بر روش های نوین آب شیرین کن با استفاده از تکنولوژی های تجدید پذیر و انرژی های نو

بخشی از مقاله

مروری بر روش های نوین آب شیرین کن با استفاده از تکنولوژی های تجدید پذیر و انرژی های نو

خلاصه

مسئله بحران آب و کاهش باراندگی در حال حاضر در اکثر نقاط دنیا یکی از مسائل مهمی است که توجه دولت و مسئولان امر را به خود جلب نموده، است. این مساله درکشور ایران هم یک چالش اساسی محسوب می شود و به همین دلیل ضرورت توجه علمی به روش های نوین برای تولید آب شیرین مطرح می شود. درنمک زدایی از آب با استفاده از انرژی های پاک با توجه به نوع انرژی، روش های مختلف جهت تصفیه آب مورد استفاده قرار می گیرد که از جمله آنها استفاده از روش تقطیر با بهره گیری از انرژی خورشیدی و زمین گرمایی و همچنین استفاده از روش هایی نظیر اسمزمعکوس با استفاده از انرژی های تجدید شونده همچون انرژی امواج دریا، انرژی زمین گرمایی، انرژی باد و . . . می باشد. در این مقاله سعی بر آن است که پس از معرفی برخی از انرژی های پاک و تجدیدپذیر، استفاده از آن ها که می توانند راه گشایی در حل بحران آبخصوصاً در طراحی آب شیرین کن ها باشد بیش از بیش مورد استفاده قرار گیرد. این انرژی ها علاوه بر اینکه اثرات مضر زیست محیطی استفاده از سوخت های فسیلی را کاهش می دهد، به آسانی در دسترس خواهد بود.

کلمات کلیدی: آب شیرین کن، انرژی های تجدیدپذیر، سیستم های متمرکز کننده خورشیدی، تولید همزمان آب و برق

.1 مقدمه

تامین آب شیرین نیازمند انرژی است. اما متاسفانه در بسیاری از کشورها که منابع آب شیرین با کمبود مواجه است، منابع انرژی نیز دارای کمبود است. ایران کشوری با اقلیم خشک و بیابانی در وضعیت نگرانکنندهای است و درحالی که فقط 2/5 درصد آب موجود در جهان شیرین محسوب میشود سهم کمتری از همین مقدار اندک را دارد، تنها با اصلاح الگوی مصرف آب می توان بخشی از این معضل را جبران نمود. وضعیت کلی در ایران نسبت به جهان نگرانکنندهتر و سهم سرانه آب در ایران نسبت به کل جمعیت ایران نیز از شرایط نامساعدی برخوردار است. وضعیت بارندگی و تبخیر سالیانه در نواحی مختلف جهان بر حسب میلیمتر و نیز بحران آب در ایران بر اساس شاخص سازمان ملل نمایانگر کمآبی در نواحی مختلف کشور است. این در حالی است که متوسط رشد سالانه مصرف برق در ایران دو برابر متوسط جهان است. بنابراین لازم است ظرفیتهای تولید برق و آب افزایش یابد. و اگر روشهای مرسوم جهان در این زمینه مرور شود، نشان داده می شود که طبق تجربیات جهانی،

پرکاربردترین و اصلیترین روشهای نمکزدایی آب دریا در حجم متوسط و بالا عبارتند از سیستم RO (اسمز معکوس)، MED ( تقطیر چند مرحلهای) و MSF (تبخیر ناگهانی)، البته اگرچه روش RO سهم بیشتری در جهان دارد، ولی اگر منشا برق مورد استفاده حرارتی باشد، نیروگاه به آب دریا دسترسی داشته باشد، حجم آب مورد نیاز زیاد و درجه حرارت بالا باشد و غلظت نمک آب دریا و کل مواد جامد محلول (TDS) بالا باشد، در آن صورت واحدهای MSF و MED مقرون به صرفهتر است. تکنولوژی ساخت مواد مصرفی RO در کشور هنوز بومی نشده است ولی با توجه به اینکه در مواقعی از سال برق مازاد در شبکه وجود دارد، میتوان برای استفاده بهینه از ظرفیتهای منصوبه که بار پایه را تامین میکنند از روش RO استفاده کرد؛ بنابراین پیشنهاد متخصصان در یک بسته کلی سیستم هیبرید (سیکل ترکیبی((MED+ RO است. اگر چه تکنولوژی MSF سهم بیشتری در شیرین سازی آب (دریا) به خود اختصاص داده، اما با توجه به پیشرفتهای حاصل در تکنولوژی MED و مزایای این روش نسبت به روش MSF، بازار این تکنولوژی به سرعت در حال گسترش است، به گونهای که در بسیاری از طرح های جدید و عظیم تولید همزمان برق و آب در حاشیه جنوبی خلیج فارس، از روش MED به جای MSF در ترکیب با نیروگاههای حرارتی استفاده شده است.[1 ]

.2 نمک زدایی* یا شیرین سازی آب

نمک زدایی یا آب شیرین کردن فرآیندی است که مقداری نمک و سایر مواد معدنی را از آب شور جدا میکند. آب شور جهت تولید آب شیرینی که برای مصرف انسان و یا آبیاری مناسب است، نمک زدایی میشود. یک محصول جانبی بالقوه از نمک زدایی، نمک است. بیشتر سرمایه گزاریهای اخیر در نمک زدایی، بر توسعه راههای مقرون به صرفه تأمین آب شیرین برای استفاده انسان، متمرکز شدهاست، در عین حال بازیافت آب از فاضلاب یکی از چندین منابع تامین آب مستقل از بارش است. نمک زدایی به طور معمول با استفاده از مقدار زیادی انرژی و زیرساخت های اختصاصی و گران قیمت است که آن را از آب تازه بدست آمده از منابع معمول مانند رودخانه ها یا آب های زیرزمینی گران تر می گرداند. نمایی از فرآیند شیرین سازی آب درشکل1نمایش داده شده است. ورودی های واحد جداساز آب تغذیه و شکلی از انرژی گرمایی یا مکانیکی است که منجر به تولید آب شیرین و پساب های شور می کند .[2]

شکل .1 یک واحد شیرین سازی آب .[2]

.3 تکنولوژی های نمک زدایی

تکنولوژی های نمک زدایی موجود به دو صورت زیر دسته بندی می شوند:

.1فرآیندهای تغییر فاز که شامل حرارت دادن آب (آب دریا، آب شور و یا هر منبع دیگری) تا رسیدن به نقطه جوشش در فشار کاری برای تولید بخار و کندانس کردن بخار در واحدهای کندانسور برای تولید آب شیرین است.

مواردی که از این دسته بندی برای تولید آب شیرین استفاده می کنند عبارتند از:

نمک زدایی توسط خورشید*

تقطیر چنداثره†

تقطیر چند طبقه ناگهانی‡

تقطیر تراکم بخار مکانیکی§

تقطیر تراکم بخار حرارتی**

.2فرآیندهای بدون تغییر فاز (فرآیندهای غشایی) که شامل جداسازی نمک های حل شده از آب های تغذیه توسط روش های مکانیکی، شیمیایی و الکتریکی با قرار دادن غشایی بین آب تغذیه (آب شور) و آب تولیدی (آشامیدنی) است. کاربردهای این دسته بندی در روش هایی نظیر الکترودیالیز††و اسمز معکوس‡‡ مشهود است.

فرآیندهای نمک زدایی احتیاج به مقدار زیادی انرژی دارند. متاسفانه اغلب نیروگاه های شرین سازی در دنیا از سوخت های فسیلی برای تامین انرژی استفاده می کنند. وابستگی فرآیندهای نمک زدایی به منابع تجدیدناپذیر انرژی هم از حیث کمبود منابع و هم از حیث تولید گازهای گلخانه ای مغایر با اهداف توسعه پایدار است، لذا ابداع روش های استفاده از منابع تجدیدپذیر و پایدار برای تولید آب شیرین ضروری می باشد. بنابراین ضروری است که منابع انرژی تجدیدپذیر جایگزین دیگری برای سوخت فرآیندهای شیرین سازی شود. در حالت کلی، کوپل انرژی های تجدیدپذیر با تکنولوژی های استفاده مجدد و بازیابی انرژی و آب از راهکارهای توسعه پایدار و دوستدار محیط زیست به شمار می آید که باتوجه به وجود منابع عظیم نفت و گاز در کشور و همچنین افزایش تعداد نیروگاه های حرارتی در مناطق خشک و کم آب و در عین حال پایین بودن بازده نیروگاه ها گازی، افزایش راندمان CHP نیروگاه از طریق کوپلینگ آن ها با آب شیرین کن های حرارتی جهت تامین همزمان توان و آب شیرین منطقی به نظر می رسد. در این مقاله، فناوری های تولید آب شیرین و همچنین کوپل این فناوری ها با انرژی های تجدیدپذیر بررسی شده است.[3 ]

روشهای شیرین سازی آب به همراه انرژی های تجدید پذیر در 2Error! Reference source not found. نشان داده شده است .

شکل .2 دسته بندی تکنولوژی های شیرین سازی (حرارتی و غشایی) [2]

.4 انرژی های تجدیدپذیر

بی شک در آینده ای نه چندان دور انرژی های تجدید پذیر جایگاه مهمی در تأمین انرژی بشر خواهند داشت، بحران های ناشی از مصرف بی رویه سوخت های فسیلی توجه به این مقوله را روز به روز با اهمیت تر می کند. از طرفی با توجه به اجباری

که بشر در حرکت به سمت انرژی های نو دارد می توان از این اجبار یک فرصت ساخت، زیرا انرژی های تجدیدپذیر بسترهای مناسب شغلی و سرمایه گذاری ایجاد می کنند. طبق آمار گزارش شده منابع نفتی با این نرخ استفاده در 50 سال آینده رو به اتمام خواهد بود. بنابراین برای داشتن آینده ای پایدار کاربردهای انرژی تجدیدپذیر باید به صورت جدیتری جایگزین شوند. شکل 3 راه های ممکن استفاده از انرژی های تجدیدپذیر برای راه اندازی تکنولوژی نمک زدایی را نشان میدهد. هر کدام از راه ها شامل تکنولوژی های مختلف می شوند که بازده ی به خصوص خود را دارند. امروزه استفاده از انرژی های تجدیدپذیر مانند باد، آب و انرژی خورشید به دلیل سازگاری با محیط زیست از اهمیت زیادی برخوردار می باشد .[3]

شکل .3 ترکیب های ممکن استفاده از انرژی تجدیدپذیر با واحدهای شیرین سازی آب [3]

.5 آب شیرین کن های خورشیدی

آب شیرین کن های خورشیدی* با استفاده از فرآیند تبخیر/تقطیر، آب های شور و آلوده را تصفیه می کنند. این سیستم ها می توانند به عنوان شیرین کننده آب در مناطق دوردست و کم جمعیت که در آن ها آب شور تنها منبع آب موجود بوده، دسترسی اقتصادی یا کافی به انرژی غیرخورشیدی وجود نداشته و هم چنین تقاضای آب کم تر از 200 متر مکعب در روز باشد، مورد استفاده قرار گیرد. از مزایای آب شیرین کن های خورشیدی نسبت به سایر سیستم های تقطیری می توان، به تولید آب خالص، عدم نیاز به تجهیزات جانبی برای راه اندازی، عدم نیاز به منابع انرژی متداول، عدم نیاز به اپراتور متخصص برای راه اندازی و نگهداری، امکان پذیر بودن ساخت و تعمیر محلی، هزینه پایین، امکان تهیه آب شرب حتی از آب مقطر و امکان بهره برداری بلافاصله پس از نصب، اشاره نمود. انرژی خورشیدی به مقدار زیاد در زمین وجود دارد، حال آنکه مصرف انرژی جهان 1/16000 انرژی خورشیدی تابیده شده به کره زمین است. کلکتورهای خورشیدی توانایی استفاده از انرژی خورشیدی به شکل حرارتی برای راه اندازی واحدهای MSF، MED و MD را دارند .[1] انرژی خورشیدی می تواند واحدهای

آب شیرین کن با انرژی گرمایی و الکتریسیته تولید شده با سیستم های گرمایی خورشیدی یا بوسیله سیستم های فتوولتاییک را راه اندازی کند. توزیع قیمت تقطیر خورشیدی به طور چشمگیری با واحدهای RO و MSF متفاوت است. قیمت اصلی در سرمایه گذاری اولیه می باشد. سیستم های آب شیرین کن خورشیدی به دو بخش عمده سیستم های گرمایی خورشیدی و سیستم های فتوولتاییک خورشیدی طبقه بندی می شوند. در شکل 4 دسته بندی کلی آب شیرین کن های خورشیدی نشان داده شده است .[4]

شکل .4 آب شیرین کن های خورشیدی [4]

.1-5 سیستم های گرمایی خورشیدی

انرژی گرمایی خورشیدی به دو صورت مستقیم و غیر مستقیم قابل استفاده است.

.1-1-5 آب شیرین کن های گرمایی خورشیدی مستقیم

در سیستم های مستقیم، مجموعه گرما و فرآیندهای تقطیر در یک دستگاه اتفاق می افتد. انرژی خورشید برای مهیا کردن آب خالص به طور مستقیم در دستگاه های تقطیر خورشیدی مورد استفاده قرار می گیرد. روش آب شیرین کن خورشیدی مستقیم، عمدتا برای سیستم های تولید کوچک همانند حوضچه های خورشیدی، به کار برده می شود. این تجهیزات به علت دسترسی متناوب انرژی تشعشع خورشید، دارای بازدهی کم و تولید آب اندک می باشند .[5]

این آب شیرین کن ها به سه دسته -1 حوضچه ای، -2 فیتیله مورب، -3 پلکانی تقسیم بندی می شوند.

.2-1-5 آب شیرین کن های گرمایی خورشیدی غیر مستقیم

آب شیرین کن های گرمایی خورشیدی غیرمستقیم شامل دو سیستم مجزای دریافت انرژی خورشیدی با یک جمع کننده خورشیدی و کوپل شده با یک واحد آب شیرین کن مرسوم می باشند. فرآیندهایی شامل رطوبت زنی و رطوبت گیری((HD، تقطیر غشایی((MD، آب شیرین کن های حوضچه ای خورشیدی و سیستم های گرمایی خورشیدی همانند کلکتورهای خورشیدی، کلکتورهای لوله تخلیه و کلکتورهای متمرکز (CSP)، سیستم هایی می باشند که واحدهای آب شیرین کن مرسوم همانند MSF و MED را راه اندازی می کنند .[5]

.2-5 آب شیرین کن های فتوولتاییک خورشیدی

به پدیدهای که در اثر تابش نور بدون استفاه از مکانیزمهای محرک، الکتریسیته تولید کند ،پدیده فتوولتائیک و به هر سیستمی که از این پدیدهها استفاده کند، سیستم فتوولتائیک گفته می شود. سیستمهای فتوولتائیک یکی از پر مصرفترین کاربرد انرژیهای نو میباشند و تاکنون سیستمهای گوناگونی با ظرفیتهای مختلف 0/5) وات تا چند مگاوات) در سراسر جهان نصب و راه اندازی شدهاست و با توجه به قابلیت اطمینان و عملکرد بالای این سیستمها هر روزه بر تعداد متقاضیان آنها افزوده میشود. به یک مجموعه از سلول های سری و موازی شده، پنل فتوولتائیک گفته می شود که از سری و موازی کردن آن ها میتوان به جریان و ولتاژ قابل قبولی دست یافت. امروزه اینگونه سلول ها عموما از ماده سیلیسیم تهیه میشود که می توان آن را از شن و ماسه که در مناطق کویری کشور، به فراوانی یافت میگردد، تهیه نمود. بنابراین از نظر تأمین ماده اولیه این سلول ها هیچگونه کمبودی در ایران وجود ندارد .[6]

.6 شیرین سازی آب به کمک انرژی باد*

توربین های باد می توانند برای تامین الکتریسیته و یا توان مکانیکی برای واحدهای آب شیرین کن استفاده شوند. توربین های باد یک انتخاب مناسب برای شیرین سازی آب می باشد، مخصوصا برای مناطقی که منبع انرژی باد به مقدار زیادی قابل دسترس است. از انرژی باد برای راه اندازی واحدهای آب شیرین کن RO، ED و VC استفاده می شود. یک سیستم ترکیبی باد/فتوولتائیک معمولا برای مناطق دور افتاده استفاده خواهد شد. کاربردهای اندکی از انرژی باد برای راه اندازی واحدهای آب شیرین کن MVC گزارش شده است در شکل 5 نمایی از توربین بادی در حالت افقی و قائم نشان داده شده است .[7]

.7 شیرین سازی آب به کمک انرژی زمین گرمایی†

منشا گرما در پوسته و جبه ی زمین، به طور عمده تجزیه ی مواد رادیواکتیو است. در طول عمر زمین، این گرمای درونی به طور آرام تولید شده و در درون زمین محفوظ و محبوس مانده است. انرژی زمین گرمایی از حرارت طبیعی مواد مذاب درون

زمین سرچشمه می گیرد بنابراین عمدا در اطراف کوه های آتشفشانی و نواحی فعال و در روی کمربندی زمین لرزه جهانی متمرکز شده است . از نشانه های بارز انرژی زمین گرمایی در روی زمین می توان به چشمه های آبگرم، اشاره کرد . درجه حرارت زمین به طور گسترده وسیع بوده و انرژی زمینگرمایی درجه حرارتی بیش از 140 درجه سانتیگراد را دارا میباشد. حوضچههای انرژی زمین گرمایی به دو دسته با درجه حرارت پایین (کمتر از 150 درجه سانتیگراد) یا با درجه حرارت بالا (بیشتر از 150 درجه سانتیگراد) تقسیم میشوند. حوضچههای با درجه حرارت بالا، مناسب برای تولید تجاری برق میباشد. این انرژی، یک انرژی خانگی مقرون به صرفه، با قابلیت تجدیدپذیری و مزایای محیط زیست میباشد. با توجه به تجدیدپذیر بودن انرژی زمینگرمایی، هزینه کم نداشتن آلودگی محیط زیست در مقایسه با سوختهای فسیلی، در کشور ما کار تحقیقاتی بیشتری روی این انرژی لازم میباشد .[8]