طراحی،شبیه‌سازی و مقایسه دو سیستم تجدیدپذیر به کمک انرژی‌های خورشیدی، سوخت زیستی و زباله سوز جهت تولید توان و آب شیرین در جزیره ابوموسی

مقاله پژوهشی

علوم و تکنولوژی محیط زیست، دوره بیست و سوم، شماره ده، دی ماه 1400(46-31)

طراحی،شبیه­سازی و مقایسه دو سیستم تجدیدپذیر به کمک انرژی­های خورشیدی، سوخت زیستی و زباله سوز جهت تولید توان و آب شیرین در جزیره ابوموسی

محسن رستمی[1]

مسعود بهزادی‌نیا[2]

امیر حمزه فرج‌الهی[3]^*

a.farajollahi@sharif.edu

چکیده

زمینه و هدف: با رشد جمعیتو تغییر الگوی جوامع به سمت مصرف انرژی و منابع بیشتر، کمبود ذخایر سوخت­های فسیلی، کاهش دسترسی به منابع آب تازه، و افزایش آلاینده­های زیست محیطی، بشر نیاز استفاده از روش­های نوین تولید انرژی و پاک جهت رفع نیاز خود را بیشتر احساس کند که سیستم­های انرژی تجدیدپذیر یکی از مهمترین راه حل­های موجود برای این مشکلات می­باشد.

روش بررسی: پژوهش پیش رو به روش توصیفی-تحلیلی و با رویکرد کاربردی بوده که برای بهره­گیری از انرژی­های تجدیدپذیر در دو طراحی شامل انرژی­های خورشیدی، سوخت زیستی و زباله سوز جهت رفع بخشی از نیاز برق و آب شیرین جزیره ابوموسی در استان هرمزگان می­باشد. شبیه­سازی طراحی­ها بوسیله نرم افزارهای مهندسی MATLAB, TRNSYS, AspenTech  انجام و بررسی فنی-اقتصادی توان و آب شیرین تولیدی به همراه اثرات زیست محیطی ناشی از هر دو طراحی نیز گزارش و تحلیل شد.

یافته­ها: با توجه به نتایج شبیه سازی دو طراحی که در سال 1399 انجام شد، مشخص شد که طراحی دو شامل نیروگاه زباله سوز-سوخت زیستی، توان، آب شیرین بیشتری نسبت به طراحی اول تولید می­کند و می­تواند مدیریت زباله در منطقه را نیز تسهیل بخشد، در حالی که طراحی اول شامل کلکتور خورشیدی-سوخت زیستی با وجود توان تولیدی کمتر، انرژی پاک­تر و با نتایج اقتصادی بهنری را تولید می­کند.

بحث و نتیجه گیری: بر اساس نتایج به­دست آمده هر دو طراحی پتانسیل رفع بخش عمده­ای از نیازهای منطقه را دارا می­باشند و بر اساس سیاست­های راهبردی و توسعه پایدار می­توان هر یک از طراحی­های پیشنهادی را طبق اولویت­های حال حاضر منطقه انتخاب نمود.

واژه های کلیدی: انرژی تجدیدپذیر، نیروگاه زباله سوز، شبیه سازی، سوخت زیستی.

Design, simulation and comparison of two novel renewable energy systems consisting of solar, biofuel and incineration plant to generate power and freshwater in Abu Musa Island

Mohsen Rostami[4]

Masoud Behzadinia[5]

Amirhamzeh Farajollahi[6]^*

a.farajollahi@sharif.edu

Abstract

Background and Objective: With population growth and the pattern changes of the societies towards consuming more energy and resources, the reduction of fossil fuel reserves, lack of access to freshwater resources, and increasing environmental pollutants caused people to feel the need of using new and cleaner methods of energy production. Therefore, the use of renewable energy systems is one way to solve some of these problems.

Material and Methodology: The present research is descriptive-analytical with an applied approach that its purpose is to use renewable energy in two design scenarios including solar collector, biofuels, and incineration plant in order to meet the partial need for the power and freshwater of the island. The simulation of the two proposed scenarios was performed by MATLAB, TRNSYS, and AspenTech engineering software. Techno-economical evaluations of the power and freshwater produced along with environmental impacts were also analyzed and reported.

Findings: According to the results, it was found that the second scenario consisting of incineration plant - biofuel produced more power and freshwater than the first scenario and can also facilitate the management of waste in the region, while the first design including a solar collector - biofuel despite its lower power production, supplied cleaner energy with much better financial results.

Discussion and Conclusion: To summarize, both proposed scenarios have high potential to meet a major portion of the region's needs, and, based on strategic policies and sustainable development, each design can be selected according to the current priorities of the region.

Keywords: Renewable energies, incineration plant, engineering simulation, biofuel.

مقدمه

استفاده بیش از حد از سوخت­های فسیلی در قسمت­های مختلف زندگی و صنعت باعث تغییرات گسترده آب و هوایی و گرمایش کره زمین شده است، بنابراین ضرورت استفاده از سوخت­ها و انرژی­های پاک و به صرفه اهمیت زیادی پیدا کرده است(1). در میان انواع گوناگون انرژی­های تجدید پذیر نظیر انرژی باد، زمین گرمایی، جزر و مد و ... با توجه به در دسترس بودن انرژی خورشید در تمامی نقاط دنیا استفاده از این انرژی موردتوجه بسیاری از کشورها قرار گرفته است.کشور ایران دارای پتانسیل مناسبی در زمینه استفاده از انرژی­های نو و به­ویژه انرژی خورشیدی و بادی می­باشد و غنی بودن این کشور از نظر میزان تشعشع خورشیدی، دلیلی بر این ادعا است. بر اساس پژوهش­های صورت گرفته، متوسط تابش حرارتی در ایران، روزانه  حدود 23/19 % مگاژول بر مترمربع می­باشد و این درحالی است که متوسط تابش حرارتی در نواحی مرکزی ایران بعضاً از مقدار ذکر شده نیز پیشی می­گیرد. همچنین متوسط مدت وجود خورشید در این نواحی، روزانه بیش از 7/7 ساعت –یعنی در حدود 2800 ساعت در سال می­باشد. لذا با عنایت به موارد مطرح شده، میزان کل انرژی تابشی سالانه در ایران حدود 10⁶×3 تراوات ساعت می­باشد(2، 3). در میان  انواع سیستم‌های خورشیدی مانند کلکتور خورشیدی صفحه تخت،کلکتورهای فرنل و ... سیستم کلکتور سهموی خطی در فرآیندهای تولید حرارت و بخار در مقایسه با سایر کلکتور های خورشیدی دارای قابلیت بالاتری است. همچنین کلکتورهای خورشیدی سهموی خطی راندمان تولید برق بیشتری در مقایسه با سایر سیستم‌های خورشیدی دارند. با توجه به مقطعی و نوسانی بودن منبع خورشید امکان تولید برق در تمامی ساعات شبانه‌روز از این منبع امکان‌پذیرنیست و این امر باعث افزایش هزینه و کاهش بهره‏وری سیستم می‏شود (4). یکی از روش‌های ایجاد پایداری در شبکه، افزایش راندمان سیستم با استفاده از سیستم‌های انرژی به‌صورت هیبریدی مثلا همراه با تولید بیودیزل است.در میان سوخت‌های زیست‌توده، بیو‌دیزل یک سوخت گازوئیلی پاک است که از منابع طبیعی و قابل‌تجدید مانند روغن‌های گیاهی ساخته می‌شود و می‌تواند به عنوان جایگزین سوخت دیزل و یا به صورت مخلوط و در درصدهای ترکیب مختلف با این سوخت به کار رود. بیودیزل به خاطر تجدیدپذیر بودن و سازگاری با محیط زیست و غیر سمی بودن اخیرا به عنوان یکی از بهترین منابع جایگزین سوخت­های فسیلی شناخته شد است(5). به منظور تولید بیودیزل از روغن­های گیاهی روش‌های متفاوتی نظیر تبادل استری، تبادل استری  الکل فوق بحرانی، میکرو امولسیون، امولسیون، الکترولیز و پیرولیز تاکنون گزارش شده است که در این میان روش تبادل استری بیشترین کاربرد را داشته است. تبادل استری روغن­های گیاهی با الکل بر پایه کاتالیزور قلیایی اغلب برای روغن ریزجلبک استفاده می‌شود و شامل حضور یک کاتالیزور برای جلوانداختن واکنش می‌باشد. در واکنش، تری‌گلیسریدها به آسانی به صورت دسته‌ای در حضور یک کاتالیزور و متانول اضافی در فشار اتمسفری و دمای 70-60 درجه سانتی‌گراد تبادل استری می‌شوند(6، 7).سیرین­ و همکاران با بررسی تئوری حاکم بر آلاینده های زیست محیطی ناشی از احتراق سوخت های فسیلی، امکان استفاده از بیودیزل به عنوان جایگزینی برای سوخت های فسیلی و مزیت این جایگزینی را کاهش اثرات آلایندگی عنوان نموده­اند (8).همچنین با گسترش شهر نشینی و تغییر الگوهای مصرف جوامع به سمت مصرف گرایی بیشتر، کشورها با افزایش فزاینده حجم زباله­های تولیدی خود مواجه شده­اند. با ادامه این روند موضوع زباله­های انباشته شده به یک معضل اجتماعی و برای بعضی کشورها تبدیل به تهدید اجتماعی شده است (9).از آنجایی که زباله سوختی تجدید پذیر، همواره در دسترس، پایان ناپذیر و جایگزین سوخت­های فسیلی می­باشد و با توجه به میزان پایداری انرژی آن، زباله قابلیت آن را دارد تا به عنوان یک انرژی تجدید پذیر شناخته شود. این موضوع باعث آن می­شود تا تمامی سیاست گذاران و فعالان حوزه انرژی توجهی دوچندان به این منبع با ارزش، البته نه به­عنوان یک تهدید بلکه به­عنوان یک فرصت داشته باشند. روش­های مختلفی جهت استحصال انرژی از زباله موجود است که شامل گریت مکانیکی، کوره بستر سیال،کوره دوار استوانه­ای و زباله سوزی پزشکی با هوای کنترل شده وجود دارد (10). هر یک از روش­های اشاره شده شرایط کاری و هدف عملیاتی خاص به خود را دارند و بنا به شرایط مورد نیاز قابل استفاده و بهره برداری می­باشند. گریت مکانیکی یکی از متدوال­ترین روش زباله سوزی می­باشد که به­خاطر انطباق با تغییرات زیاد در ترکیب زباله و ارزش حرارتی آن، امنیت و قابلیت اطمینان بالا در محیط­های شهری استفاده می­شود(11).در این پژوهش با توجه­های سیستم های انرژی تجدید پذیر بالقوه موجود در ایران، سیستم دوگانه تولید برق و آب شیرین توسط دو طراحی که طراحی اول شامل سیستم کلکتور خورشیدی و زیست توده و طراحی دوم شامل نیروگاه زباله سوز و زیست توده می­باشد، برای منطقه ابوموسی در استان هرمزگان طراحی شد و نتایج حاصل از آن از جنبه­های مختلف بررسی و مقایسه شد.

روش بررسی

هدف از این پژوهش تامین برق و آب شیرین بخشی از منطقه ابوموسی که در سال 1399 انجام شد به وسیله انرژی­های تجدیدپذیر می­باشد که این امر با طراحی و شبیه سازی دو طراحی مختلف به وسیله نرم‌افزارهای مهندسی MATLAB و TRNSYSو AspenTech انجام شد.

موقعیت مکانی

در این پژوهش جزیره ابوموسی با جمعیت ۴۲۱۳ نفری ( طبق سرشماری عمومی نفوس و مسکن در سال ۱۳۹۵) استان هرمزگان با توجه به مباحث راهبردی پدافند غیر عامل و پتانسل بالا جهت اجرای سیستم­های چندگانه انرژی جزیره­ای با قابلیت اطمینان بالا، نزدیکی به آب دریا، بهره مندی از تابش مناسب خورشیدی و محدودیت فضا جهت عدم دفن زباله به عنوان منطقه مورد پژوهش انتخاب شد. موقعیت مکانی این جزیره در شکل 1 آورده شده است.

شکل 1- موقعیت مکانی جزیره ابوموسی، استان هرمزگان، ایران

Figure 1. Location of Abu Musa island, Hormozgan Province, Iran

طراحی اول

در این طراحی از نیروگاه کلکتور خورشیدی و سیستم تولید بیودیزل به عنوان منابع تجدید پذیر تولید توان و حرارت استفاده شده است. مکانیزم عملکرد این سیستم‌ها به اینصورت است که از گرمای اتلافی کلکتور خورشیدی سهموی-خطی جهت تبدیل روغن زیستی به بیودیزل استفاده می­گردد (12). بیودیزل تولید شده همچنین می‌تواند در ساعات شب که کلکتور خورشیدی از مدار خارج است، به کمک ژنراتورها برق تولید نماید، لذا مجموعه کلکتور-بیودیزل به عنوان یک سیستم دارای پایداری قابل تعریف است (Error! Unknown switch argument.).

شکل 2-سیستم طراحی شده برای طراحی اول شامل کلکتور خورشیدی/سوخت زیستی/ژنراتور تولید برق

Figure 2. Schematic of scenario 1 consisting of PTC, biofuel and power generator

با توجه به شماتیک نشان داده شده در شکل 2 روغن موجود در سیستم کلکتور خورشیدی پس از دریافت انرژی تابشی خورشید و افزایش دمایش به مبدل حرارتی 1 فرستاده می­شود تا با تبادل حرارت باعث تولید بخار مافوق گرم در سیستم تولید توان رانکین شود. این بخار مافوق گرم (با دمای 260 درجه سانتی گراد برای یک روز تابستانی) پس از عبور از ماشین بخار توان الکتریکی تولید می­کند. بخار کم فشار خروجی از ماشین بخار پس از عبور از سیستم آب شیرین کن به شرایط مادون سرد می­رسد. سیستم آب شیرین کن به روش چند مرحله­ای به گونه­ای طراحی شده است تا علاوه بر تقطیر بخار خروجی از ماشین بخار،آب شور دریا را پس از تقطیر به آب شیرین تبدیل شود. شبیه سازی سیستم تولید بیودیزل و آب شیرین در این پژوهش با استفاده از مجموعه نرم افزاری 11VAspenTechانجام شد. همچنین طراحی نیروگاه خورشیدی که وظیفه آن تامین حرارت سیستم رانکین و راکتور می­باشد در نرم افزار 4VTRNSYS صورت گرفته است.سیستم کلکتور استفاده شده در این پژوهش از 48 عدد با طول 25 متر، ضریب انعکاس آیینه (ρ)873/0 و ضریب جذب لوله گیرنده 94/0 می­باشد.

در شکل 3 نحوه ارتباط نرم افزار ها در هر قسمت طراحی سیستم با توجه به ورودی و خروجی آنها در یک نمودار بلوکی مشاهده می‌شود.

شکل 3- نمودار بلوکی ارتباط نرم افزار ها در طراحی هر بخش از سیستم در طراحی اول

Figure 3.block diagram of communication softwares in design each part of the system in firest design

طراحی دوم

در این طراحی اجزای سیستم همگی همانند طراحی 1 می باشد با این فرق که به­جای سیستم کلکتور خورشیدی، از نیروگاه زباله سوز با تکنولوژی گریت مکانیکی به علت سازگاری آن با زباله­های شهری و راندمان بالا استفاده شده است. این جایگزینی جنبه­های مختلفی دارد که می­توان از پایداری در تولید حرارت و ترفیع معضل دفن زباله به عنوان نکات مثبت و اثرات زیست محیطی ناشی از سوزاندن زباله­ها را به عنوان بزرگترین نکته منفی آن دانست. در این پژوهش ارزش حرارتی زباله ورودی به سیستم به­طور میانگین  kJ/kg6000 درنظر گرفته شده است (شکل 4).

شکل 4- سیستم طراحی شده برای طراحی دوم شامل نیروگاه زباله سوز/سوخت زیستی/ژنراتور تولید برق

Figure 4. Schematic of scenario 2 consisting of incineration plant, biofuel and power generator

همان­طور که در شکل 4 مشاهده می­شود گاز داغ ناشی از سوزانده شدن زباله از نیروگاه زباله بوسیله مبدل حرارتی 1 باعث تبدیل آب مادون سرد به بخار مافوق گرم شده (با دمای 260 درجه سانتی گراد برای یک روز تابستانی) و سپس در ماشین بخار باعث تولید توان می­شود. گاز سرد خروجی از مبدل حرارتی 1 جهت کاهش آلودگی­اش با استفاده از تکنیک­های کاهش اثرات زیست محیطی به سمت سیستم­های مدیریت آلودگی فرستاده می­شود. به منظور تامین حرارت مورد نیاز راکتور تولید بیودیزل، قسمتی از این بخار مافوق گرم به وسیله شیر جریان به مبدل حرارتی 2 فرستاده می­شود و سپس به سیکل اصلی خود بازگردانده می­شود. شرایط سیستم تولید سوخت زیستی بیودیزل و آب شیرین در این طراحی نیز همانند طراحی 1 می­باشد.

در شکل 5 نحوه ارتباط نرم افزارها در هر قسمت طراحی سیستم با توجه به ورودی و خروجی آنها در یک نمودار بلوکی مشاهده می‌شود.

شکل 5- نمودار بلوکی ارتباط نرم افزار ها در طراحی هر بخش از سیستم در طراحی دوم

Figure 5.block diagram of communication softwares in design each part of the system in second design

سیستم تولید سوخت زیستی

نحوه عملکرد سیستم تولید سوخت زیستی بیودیزل براساس تحقیقات زاهدی و همکاران (13) به این صورت است که روغن ریز جلبک کلرلا در شرایط بهینه با نسبت مولی ثابت متانول روغن 1:6 و با حضور 3/0 % کاتالیست سدیم هیدروکسید (NaOH) در دمای C°60 و به مدت تقریبی 60 دقیقه در راکتور همزده می­شود و واکنش ترنس استریفیکشن صورت می­گیرد، که در این شرایط درصد تبدیل روغن به بیودیزل بطور آزمایشگاهی برابر 6/78 % می باشد. بیودیزل تولیدی با توجه به ارزش حرارتی مناسب MJ/kg 40 جهت استفاده در ژنراتورهای تولید توان توجیه مناسبی دارد. شبیه سازی سیستم تولید بیودیزل از روغن زیستی توسط نرم افزار11VAspen Plus  انجام شد و شرایط شبیه سازی برای هر دو طراحی یکسان می­باشد.پیکربندی این سیستم در شکل 6 آورده شده است.

شکل 6- پیکربندی سیستم تولید سوخت زیستی بیودیزل از روغن ریز جلبک

Figure 6. Configuration of Biodiesel production system from Algae oil

شرایط کارکردی و فرضیات در نظر گرفته شده برای وارد کردن مقادیر ورودی به نرم افزار به منظور شبیه سازی سیستم تولید سوخت زیستی بیودیزل، در جدول 1 نشان داده شده است. لازم به ذکر است پیکربندی و شرایط عملکردی سیستم تولید سوخت زیستی بیودیزل طراحی شده برای دو طراحی یکسان می‌باشد.

جدول1- شرایط کارکردی سیستم تولید سوخت زیستی بیودیزل

Table 1. Operational terms of the Biodiesel production system

سیستم تولید آب شیرین

به منظور استفاده بهینه و حداکثری از گرما و حرارت بخار خروجی از ماشین بخار، یک سیستم تولید آب شیرین کن به روش تقطیر چند مرحله­ای توسط 11HYSYS از مجموعه نرم افزاری 11VAspenTech طراحی شد به گونه­ای که علاوه بر ایفای نقش کندانسور در سیستم، آب ورودی شور دریا را به آب شیرین و قابل شرب تبدیل کند. شکل 7 شماتیک این طراحی را نشان می­دهد.

شکل 7- پیکربندی سیستم آب شیرین کن به روش تقطیر ناگهانی چند مرحله ای

Figure 7. Configuration of the water desalination system through Multi-stage flash distillation (MSF)

جدول 2 شرایط کارکردی و فرضیات در نظر گرفته شده برای وارد کردن مقادیر ورودی به نرم افزار به منظور شبیه سازی سیستم آب شیرین کن را نشان می‌دهد. لازم به ذکر است پیکربندی و شرایط عملکردی سیستم آب شیرین کن طراحی شده برای دو طراحی یکسان می‌باشد.

جدول2- شرایط کارکردی سیستم آب شیرین کن

Table 2. Operational terms of the desalination system

نتایج و بحث

نتایج به­دست آمده از شبیه سازی سیستم­های انرژی طراحی شده از دو طراحی در ادامه آورده شده است.

نتایج حاصل از طراحی 1

شبیه سازی سیستم کلکتور خورشیدی طراحی شده در این پژوهش با استفاده از نرم افزار TRNSYS برای یک روز تابستانی در شکل 8آورده شده است که نشان می­دهد دمای روغن خروجی از کلکتور به منظور تولید توان و حرارت مقدار مطلوبی (حداکثر دمای 284 درجه سانتی گراد) دارد.

شکل 8-  شبیه سازی کلکتور سهموی خطی برایa) یک روز تابستانی b) تمامی روز های سال

Figure 8.simulation ofparabolic trough collector (PTC) for a) a summer day b) every day in the year

همچنین به منظور بررسی عملکرد سیستم کلکتور خورشیدی در تمامی روز های سال، دمای خروجی از کلکتور برای مدت یکسال درشکل 8 آورده شده است. با توجه به شکل 8 عملکرد این سیستم در فصول بهار و تابستان با توجه به دمای خروجی آن ایده آل برای طراحی مدنظر می­باشد درحالی که دمای پایین­تر روغن در زمستان نشان از افت راندمان سیستم تولید توان رانکین می­باشد. پس از مشخص شدن دمای روغن خروجی از کلکتور خورشیدی، توان تولیدی سیستم رانکین در محیط MATLAB شبیه سازی و در شکل 9 نشان داده شده است.

شکل 9- میانگین توان تولیدی توسط سیستم کلکتور خورشیدی در ماه­های سال

Figure 9. The average power generated by the solar collector system in the months of the year

با توجه به شکل 9 همان­طور که انتظار می­رفت در فصول بهار و تابستان توان بیشتری (حداکثر 91/73 کیلووات) توسط کلکتور خورشیدی تولید می­شود در حالی که در فصول سردتر سال این مقدار به کمترین میزان (حداقل 93/12 کیلووات) خود می­رسد. لازم به ذکر است این مقدار بطور میانگین برای تمامی ساعات شبانه روز در یک ماه محاسبه شده است. طبق نتایج بدست آمده از طراحی اجزای سیستم تولید توان رانکین، دبی ورودی و خروجی، حرارت لازم و ظرفیت سیستم آب شیرین کن میزان آب نمک زدایی شده به­دست آمد که در حالت ماکزیمم (یک روز تابستانی) هر ساعت میزان آب دریای شیرین شده برابر با 1500 لیتر بر ساعت می­باشد. این در حالی است که میزان آب تولیدی وابسته به توان تولیدی که خود تاثیر گرفته از تابش خورشیدی می­باشد و در فصول سرد این میزان تا 20% راندمان فعلی می­تواند کاهش پیدا کند. در سیستم تولید سوخت زیستی بیودیزل، در یک روز تابستانی روغن ریز جلبک با مقدار ورودی 188 کیلوگرم بر ساعت و متانول با مقدار 30 کیلوگرم بر ساعت در حضور کاتالیست NaOH مقدار 2/189 کیلوگرم بر ساعت بیودیزل حاصل می­شود بطوری که در یک ماه مقدار 28380 کیلوگرم بیودیزل تولید می­شود. باید دقت شود که این مقدار برای یک ماه تابستانی محاسبه شده است و در ماه­های سردتر با توجه به کاهش تعداد ساعات آفتابی این مقدار به 17000 افت پیدا می­کند. دیزل ژنراتور انتخابی بر اساس مقدار بیودیزل تولیدی، با 75% ظرفیت نامی،  kW 120 با مصرف 30 لیتر بر ساعت به نحوی انتخاب شده است تا به­طور شبانه روز و پایدار توان تولید کند و کمبود سوخت مصرفی در زمستان از ذخیره سوخت اضافی تولید شده در تابستان جبران شود.

نتایج حاصل از طراحی 2

در این طراحی به منظور تامین حرارت لازم جهت تولید توان در سیستم رانکین و تامین حرارت راکتور تولید سوخت زیستی نیروگاه با ظرفیت سوزاندن 1200 کیلوگرم بر ساعت طراحی شد به گونه­ای که به­وسیله بهره گیری از حرارت ایجاد شده آن توان  kW124 به­طور پایدار در تمامی ساعات شبانه روز تولید شود. با توجه شرایط پایدار تولید توان و حرارت سیستم، سیستم آب شیرین کن با حداکثر مقدار ظرفیت خود (1500 لیتر بر ساعت) در تمامی ساعات شبانه روز آب شیرین تولید می­کند. در سیستم تولید سوخت زیستی با توجه به وجود حرارت دایمی در تمامی ساعات شبانه روز، مقدار تولید بیودیزل در تمامی ماه­های سال برابر با 68112 کیلوگرم می­باشد. دیزل ژنراتور انتخابی بر اساس مقدار بیودیزل تولیدی، با 75% ظرفیت نامی، kW 480 با مصرف 129 لیتر بر ساعت به­طور شبانه روز و پایدار توان تولید می­کند.

ارزیابی فنی-اقتصادی دو طراحی

به منظور ارزیابی فنی-اقتصادی دو طراحی پیشنهاد شده، لازم است تا توان تولیدی هر طراحی بررسی و سپس هزینه احداث هر طرح محاسبه شود تا بتوان نسبت به تحلیل عملکرد پرداخت. از این رو، میزان توان تولیدی هر طراحی برای یک سال درشکل 10 نشان داده شده است. بر اساسنتایج نشان داده شده در شکل 10 توان تولیدی در طراحی دو در بخش سیستم رانکین با GW1 نسبت به طراحی اول 5/2 برابر بیشتر می­باشد، این در حالی است که این اختلاف توان تولیدی در بخش ژنراتور بیودیزل بسیار بیشتر می­باشد، به­طوری که با GW1/4 توان تولیدی افزایش 4 برابری را نسبت به طراحی اول در سال نشان می­دهد.

شکل 10- مقایسه توان تولیدی دو طراحی در سال

Figure 10. The power generated by the two scenarios in one year

جدول 3 بررسی بازدهی انرژی هر بخش که از انرژی ورودی به هر سیستم نسبت به انرژی خروجی از آن (در این­جا توان تولیدی می­باشد که به واحد انرژی تبدیل می­شود) را برای هر طراحی نشان می­دهد.

جدول3- بازدهی انرژی سیستم­های استفاده شده در دو طراحی

Table 3- The energy efficiency calculated for the subsystems of the two scenarios

به منظور ارزیابی اقتصادی دو طراحی، هزینه سرمایه گذاری هر بخش در جدول 4 آورده شده است. لازم به ذکر است سیستم­های مشترک در دو طراحی جهت مقایسه بهتر صرف نظر شده است.

جدول 4- هزینه سرمایه گذاری برای دو طراحی

Table 4.The capital costs of the two scenarios

جهت بررسی میزان درآمد زایی هر سیستم طراحی شده، لازم است تا میزان فروش برق تولیدی هر طراحی برای یک سال محاسبه و بررسی شود (جدول 5). لازم به ذکر است تعرفه استفاده شده برای خرید تضمینی برق نیروگاه­های تجدید پذیر توسط وزارت نیرو می­باشد.

جدول 5- میزان فروش برق تولیدی هر طراحی

Table 5. Electricity sold by each Scenarios

باتوجه به نتایج به­دست آمده از جدول 5 نرخ بازگشت سرمایه برای طراحی اول برابر با 5 ماه و برای طراحی دوم برابر با 36 ماه می­باشد.

ارزیابی زیست محیطی

به منظور بررسی ارزیابی اثرات زیست محیطی هر طراحی، آلاینده­های ناشی از احتراق بیودیزل و زباله در جدول 6 آورده شد(14، 15) .لازم به ذکر است سوخت زیستی بیودیزل به علت نبود گوگرد در ترکیب خود، احتراق آن گوگرد دی اکسید منتشر نمی­کند.

جدول4- آلاینده­های ناشی از احتراق بیودیزل و زباله­های شهری

Table 6. Pollutants from combustion of biodiesel and urban solid waste

با توجه به جدول 6 آلاینده­های زیست محیطی تولید شده در سال برای هر دو طراحی محاسبه شد (شکل 11).

شکل 11-  آلاینده های زیست محیطی تولید شده توسط هر دو طراحی در سال

Figure 11. The environmental pollutants produced by both scenarios in the year

با توجه به نتایج حاصل از شکل 11 آلاینده­های زیست محیطی در طراحی 2 نسبت به طراحی 1 بیشتر تولید می­شود که یکی از دلایل آن احتراق ناقص در نیروگاه زباله سوز می­باشد که باعث تولید هیدروکربن­های نسوخته شده و همچنین دمای بالای گازهای خروجی که باعث تولید اکسیدهای نیتروژن می­شود. همچنین میزان کربن دی اکسید (CO₂از گازهای گلخانه­ای محاسبه شده برای 2 طراحی نشان می­دهد که طراحی 2 نسبت به طراحی 1 میزان بیشتری تولید کربن دی اکسید داشته که علت آن می­تواند تولید توان بیشتر طراحی 2 نسبت به طراحی 1 باشد (شکل 12).

شکل 12-  میزان انتشار گاز کربن دی اکسید دو طراحی در سال

Figure 12.Carbon dioxide emissions in two scenarios per year

نتیجه گیری

به صورت کلی طراحی این دو سیستم یعنی کوپل شدن نیروگاه­های زباله سوز و خورشیدی هرکدام به صورت مجزا با سیستم تولید زیست توده به منظور تامین دمای راکتور این سیستم و همچنین استفاده از مازاد این انرژی حرارتی در تامین حرارت موردنیاز سیستم آب شیرین کن، نو آوری این مقاله می‌باشد.

به منظور ایجاد سیستم چندگانه تولید برق، آب شیرین و سوخت زیستی و بهره مندی منطقه ابوموسی از این امکانات، دو طراحی بر اساس فناوری های نو و تجدید پذیر بر اساس ظرفیت ها و ویژگی­های منطقه طراحی شد. براساس شبیه سازی تمامی اجزای سیستم در نرم افزارهای مهندسی مشخص شد که طراحی 2 با بهره گیری از نیروگاه زباله سوز سالانه قابلیت تولید توان GWh 2/5، آب شیرین 13 میلیون لیتر دارد. طراحی اول با بهره گیری از کلکتور خورشیدی سالانه GWh 4/1 توان و آب شیرین 5/1 میلیون لیتر تولید می کند. البته لازم به ذکر است باوجود عملکرد بهتر طراحی دو اما اثرات زیست محیطی آن بسیار بیشتر از طراحی 1 که از کلکتور خورشیدی بهره گرفته است می­باشد همچنین از لحاظ اقتصادی با توجه نرخ بازگشت سرمایه بسیار کمتر طراحی اول (5 ماه) سود آوری بیشتر این طراحی از خود نشان می­دهد. با این حال، وجود نیروگاه زباله سوز خود راه حل راهبردی در راستای مدیریت زباله می­باشد و می­تواند باعث جلوگیری از روش­هایی مانند دفن در جزیره ابوموسی که خود با محدودیت فضا روبرو است شود. از این رو با توجه به سیاست­های راهبردی، منطقه­ای و پدافند غیر عامل انتخاب هر دو طراحی می­تواند مزایا و معایب متعددی داشته باشد و اولویت بندی در بخش نیرو، آب و زیست محیطی چالشی است که دست اندرکاران حوزه انرژی باید با آن روبرو و تصمیمات لازم را جهت گام گذاشتن در توسعه پایدار بگیرند.

References

1. Sansaniwal SK, Sharma V, Mathur J. Energy and exergy analyses of various typical solar energy applications: A comprehensive review. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2018;82:1576-601.
2. Alirahmi SM, Rostami M and Farajollahi AH, Multi-criteria design optimization and thermodynamic analysis of a novel multi-gener-ation energy system for hydrogen, cooling, heating, power, and freshwater, International Journal of Hydrogen Energy, https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2020.03.235
3. Hadadian A. Design and construction of steam producing byparabolic trough collector Materials and Energy Research Center; 1391.
4. Minea AA, El-Maghlany WM. Influence of hybrid nanofluids on the performance of parabolic trough collectors in solar thermal systems: recent findings and numerical comparison. Renewable Energy. 2018;120:350-64.
5. Kalogirou SA. Solar thermal collectors and applications. Progress in energy and combustion science. 2004;30(3):231-95.
6. Chong K, Wong C. General formula for on-axis sun-tracking system and its application in improving tracking accuracy of solar collector. Solar Energy. 2009;83(3):298-305.
7. Szabados G, Bereczky Á. Experimental investigation of physicochemical properties of diesel, biodiesel and TBK-biodiesel fuels and combustion and emission analysis in CI internal combustion engine. Renewable energy. 2018;121:568-78.
8. Srinivasnaik M, Sudhakar T, Naik BB. Bio Diesel as an Alternative Green Fuel to Internal Combustion Diesel Engine. Bonfring International Journal of Industrial Engineering and Management Science. 2015;5(2):63.
9. Li Y, Homburg V, De Jong M, Koppenjan J. Government responses to environmental conflicts in urban China: the case of the Panyu waste incineration power plant in Guangzhou. Journal of Cleaner Production. 2016;134:354-61.
10. Hulgaard TaJuV. Incineration: Process and Technology. . Solid Waste Technology & Management. 2011.
11. Xin-gang Z, Gui-wu J, Ang L, Yun L. Technology, cost, a performance of waste-to-energy incineration industry in China. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2016;55:115
12. Zahedi A, Timasi H, Kasaeian A, Mirnezami SA. Design and construction of a new dual CHP-type renewable energy power plant based on an improved parabolic trough solar collector and a biofuel generator. Renewable energy. 2019;135:485-95.
13. Nejad AS, Zahedi AR. Optimization of biodiesel production as a clean fuel for thermal power plants using renewable energy source. Renewable energy. 2018;119:365-74.
14. Lou Z, Bilitewski B, Zhu N, Chai X, Li B, Zhao Y. Environmental impacts of a large-scale incinerator with mixed MSW of high water content from a LCA perspective. Journal of Environmental Sciences. 2015;30:173-9.
15. Palash S, Kalam M, Masjuki H, Masum B, Fattah IR, Mofijur M. Impacts of biodiesel combustion on NOx emissions and their reduction approaches. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2013;23:473-90.

[1]-استادیار، مهندسی هوافضا، دانشکده مهندسی، دانشگاه امام علی (ع).

[2]-دانشجوی کارشناسی ارشد، مهندسی سیستم­های انرژی، دانشکده محیط زیست و منابع طبیعی، دانشگاه آزاد واحد علم تحقیقات.

[3]-استادیار، مهندسی هوافضا، دانشکده مهندسی، دانشگاه امام علی (ع).^*( مسوول مکاتبات)

[4]-Assistant Professor, Aerospace Engineering, Imam Ali University, Tehran, Iran.

[5]-Msc Student, Energy Systems Engineering, Science and Research Branch of Azad University, Tehran, Iran.

[6]-Assistant Professor, Aerospace Engineering, Imam Ali University, Tehran, Iran. *(Corresponding Author)