نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 استادیار دانشکده مهندسی مکانیک و انرژی، دانشگاه شهید بهشتی، تهران، ایران

2 دانشجو، دانشکده مهندسی مکانیک و انرژی، دانشگاه شهید بهشتی، تهران، ایران

چکیده

افزایش جمعیت و تقاضا برای آب و انرژی، توأم با افزایش پیامدهای ناشی از آلودگی محیط زیست بر منابع طبیعی و انسانی، نیاز حیاتی به حرکتی منسجم به سوی همبست آب، انرژی و محیط زیست را محرز می‌‌کند. از آنجا که صنعت تولید برق سهم قابل توجهی در مصرف آب و سوخت و انتشار دی‌اکسیدکربن در کشور دارد، در این مطالعه کاربرد سیستم ترکیبی تجدیدپذیر در نیروگاه بخاری زرند کرمان بر اساس رویکرد تحلیل پیوند انرژی، آب و محیط زیست مورد ارزیابی قرار گرفت. طراحی سامانه خورشیدی و ارزیابی تعادل کربن در طول عمر نیروگاه در نرم‌افزار PVsyst در سال 1400 انجام شد. همچنین به منظور ارزیابی اثر کاهش انتشار کربن بر زیست بوم، از مدل محیط‌زیستی ReCipe استفاده شده است. نتایج حاصل از ارزیابی نشان داد جایگزینی حداقل 1 درصد از ظرفیت اسمی نیروگاه فسیلی با منابع تجدیدپذیر، از انتشار 46/1249 تن دی‌اکسیدکربن در سال جلوگیری خواهد کرد. این میزان معادل 16/362 مترمکعب ذخیره در مصرف سوخت فسیلی و 73/373 تن معادل نفت خام صرفه‌جویی در منابع انرژی می‌باشد. همچنین نتایج نشان داد علاوه بر حفاظت از ذخایر طبیعی، طراحی سیکل ترکیبی، منجر به کاهش قابل توجه در تقاضای آب معادل 3660 مترمکعب با ظرفیت تأمین منابع آب زیرزمینی خواهد شد. با توجه به منافع ناشی از ذخیره منابع آب و انرژی و کاهش انتشار کربن در صنعت نیروگاهی، در نگرش همبست علاوه بر مدیریت عرضه انرژی از طریق جایگزینی منابع و کاربست فناوری‌های بازیابی آب و حرارت، اعمال سیاست‌های مدیریت تقاضای انرژی براساس بهره‌وری انرژی و آثار محیط‌زیستی پیشنهاد می‌گردد

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Water, Energy, and Environment NEXUS Assessment in Combined Thermal-Solar Power Plant (Case Study: Zarand Power Plant)

نویسندگان [English]

  • Sepideh Abedi 1
  • Matin Kazemi Namin 2
  • Ali Akbar Yaghobi 2
  • Shaghayegh Asadi Shizari 2
  • Maedeh Morsalpour 2

1 Assistant Professor, Faculty of Mechanical and Energy Engineering, Shahid Beheshti University, Tehran, Iran

2 Faculty of Mechanical and Energy Engineering, Shahid Beheshti University, Tehran, Iran

چکیده [English]

The increasing population and rising demand for water and energy supply, along with the exacerbation of environmental pollution effects on natural and human resources, demonstrate the vital need for a cohesive movement toward the water, energy, and environment Nexus (WEEN). Since the electricity generation industry has a significant share in water and fuel consumption and CO2 emissions in Iran, in this study, the application of a combined renewable system in the Zarand Steam Power Plant was evaluated based on the Nexus approach. Solar system designing and carbon balance evaluation during plant lifetime was conducted via PVSyst software in 2021. Also, an environmental model of ReCipe was applied to evaluate the effect of carbon reduction on the ecosystem. The results have shown that replacement of at least 1% of the nominal capacity of the fossil power plant with renewable sources, will significantly prevent 1249/46 t CO2 emission annually in this power plant which is equivalent to 362/160 m3 fossil resources storage and 373/73 TOE.year-1 energy savings. Also, the results showed that in addition to protecting valuable natural resources, the combined cycle will lead to a significant reduction in water demand equivalent to 3660 m3 having the capacity of supplying underground water resources. Considering the benefits of saving water and energy resources and reducing carbon emissions, from the NEXUS approach, in addition to managing energy supply through replacing resources and using water and heat recovery technologies, applying energy demand management policies based on energy efficiency and its environmental effects is suggested.
.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Water
  • Energy and Environment Nexus (WEEN)
  • Renewable Energy
  • Thermal-Solar Power Plant
احمدی، غلامرضا و حق‌جو، حسین. (1397). تحلیل انرژی، اگزرژی و زیست‌محیطی توربین انبساطی ایستگاه تقلیل فشار گاز طبیعی نیروگاه شهید منتظری. کنفرانس سراسری دانش و فناوری مهندسی مکانیک و برق ایران، (4). ایران.
احمدی، غلامرضا. (1395). تحلیل ترمودینامیکی ادغام مزرعه خورشیدی با نیروگاه شهید منتظری. کنفرانس بین‌المللی برق، (31). ایران.
بنده‌ای، محمد؛ نجف‌زاده، کیان و بیانی، غلامرضا. (1393). بررسی و تحلیل مصرف سالانه سوخت مازوت و اثرات آن بر پارامترهای نیروگاه‌های بخاری کشور (انتشار آلاینده‌ها، راندمان، ضریب بهره‌برداری و ظرفیت تولید برق). کنفرانس نیروگاه‌های برق،، بندرعباس، (7)، ایران.
بیاتی، غلام‌رضا؛ نجف‌زاده، امین حسنی‌کاخکی، کیان و شیبانی‌فر، حامد. (1391). ممیزی انرژی نیروگاه بخار نمونه، مدلسازی و ارائه راهکارهای بهینه‌سازی مصرف انرژی. کنفرانس نیروگاه‌های برق، (5)، ایران.
وزارت نیرو. (1399). ترازنامه انرژی 1397. نشر دفتر برنامه‌ریزی و اقتصاد کلان برق و انرژی، ایران.
وزارت نیرو. (1398). آمار تفصیلی صنعت برق ایران ویژه مدیریت راهبردی. نشر شرکت مادر تخصصی توانیر، ایران.
وزارت نفت. (1396). ترازنامه هیدروکربوری کشور. مؤسسه مطالعات بین‌المللی انرژی، نشر گروه ترازنامه هیدروکربوری معاونت برنامه‌ریزی، ایران.
رئوفی‌راد، مجید. (1386). طراحی سیستم‌های خورشیدی ساختمان در ایران، انتشارات فدک ایساتیس، چاپ اول.
غفاری، هادی، مولایی محمد و علیمحمد، سوسن. (1395). تأثیر مصرف انرژی بادی بر رشد اقتصادی و انتشار دی‌اکسید‌کربن. پژوهش‌های سیاست‌گذاری و برنامه‌ریزی، (3)2، صفحات 253-229.
سعیدی، محسن؛ کرباسی، عبدالرضا؛ سهراب، تیکا و صمدی، رضا. (1384). مدیریت زیست‌محیطی نیروگاه‌ها. نشر سازمان بهره‌وری انرژی ایران، وزارت نیرو، چاپ اول.
سروش‌نیا، شیوا. (1395). به‌کارگیری انرژی‌های تجدیدپذیر لازمه گسترش اقتصاد سبز: مطالعه موردی وضعیت کنونی انرژی بادی ایران با استفاده از سیستم اطلاعات مکانی. کنفرانس بین‌المللی اقتصاد سبز، (3)، ایران.
شعبانی اقطاء، رسول؛ رجبی‌زاده، احمد؛ جعفری منصوریان، حسین؛ رجبی‌زاده، بهار و احمدی نمچ، آرش. (1395). ساماندهی فاضلاب نیروگاه حرارتی زرند: ارزیابی روش‌های تصفیه فاضلاب، برآورد اقتصادی و پیشنهاد گزینه برتر، بهداشت و توسعه، (4)5، 312-297.
صادقی، حسین، آذر، عادل و خاکسار آستانه، سمانه. (1394). بهینه‌یابی تأمین منابع انرژی با هدف تولید برق، چشم‌انداز ایران در افق 1404. فصلنامه پژوهش‌های اقتصادی رشد و توسعه پایدار، (3)15، صفحات 118-91.
منشی‌پور، سمیرا و خلفی، فرید. (1388). مقایسه آلودگی‌های زیست‌محیطی نیروگاه‌های حرارتی سوخت فسیلی در کشور با سیستم‌های برق خورشیدی (فتولتائیک) P.V، همایش ملی انرژی (پایداری انرژی، امنیت عرضه، مدیریت تقاضا و اصلاح الگوی مصرف)، (7)، ایران.
محمدی، تیمور؛ تکلیف، عاطفه و بختیار، محسن. (1394). تحلیل ظرفیت بهینه نیروگاهی در ایران و بررسی اثرات صرفه‌جویی مصرف انرژی برآن. پژوهش‌های سیاستگذاری و برنامه‌ریزی انرژی، (1)1، صفحات 15-1.
آذرشب، امیرنظام. (1396). پارامترهای لازم جهت بالا بردن بهره‌وری انرژی الکتریکی و کاهش هزینه‌های مربوطه در صنعت. کنفرانس کیفیت و بهره‌وری، (12)، ایران.
موسوی رینه، س. مهسا و یوسفی، حسین. (1399). بررسی رد پای آب در تولید برق با تأکید بر انرژی‌های تجدیدپذیر، مجله اکوهیدرولوژی. (4)7، صفحات 1019-1007.
قاسمی اصل، رامین؛ جوادی، محمدامین و خلجی، مهدی. (1397). بهینه‌سازی و تحلیل اقتصادی، اگزرژی و آلایندگی یک نیروگاه سیکل ترکیبی. انرژی ایران، (1)22، صفحات 121-99.
سالنامه آماری آب کشور. (1394). دفتر برنامه‌ریزی کلان آب و آبفا، وزارت نیرو، ایران.
صادقی، مهدی؛ گل‌آور، لیلا و عابدی، زهرا. (1386). بررسی پیامدهای اقتصادی ـ زیست‌محیطی افزایش بازده نیروگاه‌های برق فسیلی. علوم و تکنولوژی محیط زیست، (4)9، صفحات 30-15.
ساکی‌پور، مریم؛ کعبی‌نژادیان، عبدالرزاق؛ سخاوتجو، محمدصادق و جعفری موسوی، سیدعلی. (1390). امکان استفاده از انرژی خورشیدی و کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای در اهواز. فصلنامه علمی ـ پژوهشی علوم بهداشتی، (4)3، صفحات 10-1.
نوری، فرید حسین؛ غرویان، احمد؛ اشتیاقی، محسن؛ نمازی، اسماعیل؛ نیکبخت، محسن؛ مقیمی، غلامحسین؛ صفوی، سید شنتیا. (1397). نیروگاه زرند، نشریه صنعت برق حرارتی (صبح)، (8)1، صفحات 28-22.
یوسفی، پریسا و حصاری، بهزاد. (1399). مروری بر رویکرد همبست آب ـ غذا ـ انرژی: روش‌ها و چالش‌ها. کنفرانس ملی مدیریت منابع آب، (8)، ایران.
Ahmadi, Gholamreza and Haqjo, Hossein. (2017). Energy, exergy and environmental analysis of expansion turbine of natural gas pressure reduction station of Shahid Montazeri power plant. The 4th National conference of knowledge and technology of Iran mechanical and electrical engineering, Iran. [In Persian]
Ahmadi, Gholamreza. (2015). Thermodynamic analysis of solar farm integration with Shahid Montazeri power plant. The 31th International Electricity Conference, Iran. [In Persian]
Aman, M.M, Solangi, K.H., Hossain, M.S, Badarudin, A. Jasmon, G.B. Mokhlis H., Bakar A.H.A. and Kazi, S.N. (2014). A review of safety,Health and environmental (SHE) issues of solar energy system. Renew Sustain Energy Rev, Vol.41, pp.1190-1204.
Aryanfar, A., Gholami, A., Pourgholi, M., Shahroozi., S., Zandi, M. and Khosravi, A. (2020). Multi-criteria photovoltaic potential assessment using fuzzy logic in decision-making: A case study of Iran. Sustainable Energy Technologies and Assessments, Vol.42, 100877.
Azarshab, Amir Nizam. (2016). Necessary parameters to increase the electrical energy efficiency and reduce related costs in the industry. The 12th Quality and Productivity Conference, Iran. [In Persian]
Bandahei, Mohammad, Najafzadeh, Kian and Bayani, Gholamreza. (2013). Investigating and analyzing the annual consumption of fuel oil and its effects on the parameters of the country's heating power plants (emission of pollutants, efficiency, utilization factor and power generation capacity). The 7th Power plants conference, Bandar Abbas, Iran. [In Persian]
Bayati, Gholam-Reza, Najaf-Zadeh, Amin Hosni-Kakhki, Kian and Shibani Far, Hamed. (2011). Energy audit of steam power plant, modeling and energy consumption optimization solutions. The 5th Power plants conference, Iran. [In Persian]
Bello, M.O., Solarin, S.A. and Yen, Y.Y. (2018). The impact of electricity consumption on CO2 esmission, carbon footprint, water footprint and ecological footprint;The role of hydropower in an emerging economy. Journal of Environmental Management, Vol.219, pp. 218-230.
Bizikova, L., Roy, D., Venema, H.D., McCandless, M., Swanson, D., Khachtryan, A., Borden, C. and Zubrycki, K. (2014). Water-Energy-Food Nexus and Agricultural Investment: A Sustainable Development Guidebook, Published by International Institute for Sustainable Development (IISD), Canada.
Denholm, P.M.H., Jackson, M. and Ong, S. (2009). Technical Report: Land Use Requirements of Modern Wind Power Plants in the United States. Published by National Renewable Energy Laboratory, United States.
Dudley, B. (2018). Statistical review of world energy. BP Statistical Review, London, UK, Vol.6, 00116.
Flammini, A., Puri, M., Pluschke, L. and Dubois, O. (2014). Walking the Nexus Talk. Assessing the Water-Energy-Food Nexus, Environment and Natural Resources, Published by FAO, Working Paper No. 58.
Ghafari, Hadi, Moulay, Mohammad and Ali Mohammad, Sosan.(2015). The impact of wind energy consumption on economic growth and CO2 emissions. Policy research and energy planning, course2, No.3, pp.229-253. [In Persian]
Ghasemi Assal, Ramin, Javadi, Mohammad Amin and Khalji, Mehdi. (2017). Economic optimization and analysis, exergy and emissions of a combined cycle power plant. The journal of Iran Energy, Course1, No.22, pp. 99-121. [In Persian]
Hong, S., Cosbey, A. and Savage, M. (2009). China's Electrical Power Sector, Environmental Protection and Sustainable Trade. Published by International Institute for Sustainable Development, Canada.
IRENA (2021), Report of Renewable Power Generation Costs in 2020, Published by International Renewable Energy Agency, Abu Dhabi.
Karnib, A. (2017). Water-energy-food nexus: A coupled simulation and optimization framework. Journal of Geoscience and Environment Protection, Course5, No. 4.
Kentemich, T.G. (1991). Haverkamp, and H. Bothe, The expression of a third nitrogenase in the cyanobacterium Anabaena variabilis. Zeitschrift für Naturforschung C, 46(3-4), pp.217-222.
Macknick, J., Newmark,Robin, Heath, G. and Hallett., KC. (2011). Review of operational water consumption and withdrawal factors for electricity generating technologies. Published by National Renewable Energy Lab. (NREL), United States.
Manshipour, Samira and Khalafi, Farid. (2010). Comparison of environmental pollution of fossil fuel thermal power plants in Iran with PV solar power systems, The 4th National Conference of Energy (Energy Sustainability, Supply Security, Demand Management and Consumption Pattern Modification), Iran. [In Persian]
McCarl, B. A., Yang, Y., Schwabe, K., Engel, B. A., Mondal, A. H., Ringler, C., and Pistikopoulos, E. N. (2017). Model Use in WEF Nexus Analysis: A Review of Issues. Sustainable Renewable Energy Rep, No.4, pp. 144-152.
 Ministry of Petroleum (2016). The country Hydrocarbon balance Report, Institute of International Energy Studies, Publication of the Hydrocarbon Balance Report Group of the Planning Vice-Chancellor, Iran. [In Persian]
Ministry of Power. (2018). Detailed statistics of Iran's electricity industry, especially for strategic management. Published by Tavanir specialist Company, Iran. [In Persian]
Ministry of Power. (2019). Energy Balance Report of 2017. Publication of Electricity and Energy Planning and Macroeconomics Office, Iran. [In Persian]
 Mohammadi, Taimur, Takalif, Atefe and Bakhtiyar, Mohsen. (2014). Analyzing the optimal capacity of a power plant in Iran and investigating the effects of energy consumption saving on it. The journal of Energy Planning and Policy Studies, Course1, No. 1, pp. 1-15. [In Persian]
Mousavi Reine, S. Mehsa and Yousefi, Hossein. (2019). Investigating the water footprint in electricity production with an emphasis on renewable energies, Ecohydrology Journal. Course4, No.7, pp. 1007-1019. [In Persian]
Nijhawan, P., Singla, M. K. and Gupta, J. (2020). Site Selection of Solar PV Power Plant at Bathinda. Int. J. Recent Technol. Eng, 8, 5032-5038.
Nouri, Farid Hossein, Ghoruyan, Ahmed, Ishtiaghi, Mohsen, Namazi, Ismail, Nikbakht, Mohsen, Moghimi, Gholamhossein, Safavi, Seyed Shantia. (2017). Zarand Power Plant, Thermal Power Industry Journal (Sobh), Course8, No.1, pp. 22-28. [In Persian]
Reofirad, Majid. (2008). Design of building solar systems in Iran, Fadak Isatis Publications, First edition. [In Persian]
Sadeghi, Hossein, Azar, Adel and Khaksar Astana, Samaneh. (2014). Optimizing the energy resources supply with the aim of electricity production, Iran's perspective in the horizon of 1404. Quarterly Journal of Economic Researches on Growth and Sustainable Development, course3, No.15. pp. 91-118. [In Persian]
Sadeghi, Mehdi, Gol Avar, Leila and Abedi, Zahra. (2008). Investigating the economic-environmental consequences of increasing the efficiency of fossil power plants. Environmental Science and Technology Journal, Course4, No.9, pp. 15-30. [In Persian]
Saidi, Mohsen, Karbasi, Abdolreza, Sohrab, Tika and Samadi, Reza. (2006). Environmental management of power plants. Publication of Iran Energy Efficiency Organization, Ministry of Energy, First edition. [In Persian]
Sakipour, Maryam, Kaabinejadian, Abdul Razzaq, Sakhawatjo, Mohammad Sadeq and Jafari Mousavi, Seyed Ali. (1390). The possibility of using solar energy and reducing greenhouse gas emissions in Ahvaz. Quarterly Journal of Health Sciences, Course4, No.3, pp. 1-10. [In Persian]
Shabani, Aqta, Rasool, Rajabizadeh, Ahmed, Jafari Mansourian, Hossein, Rajabizadeh, Bahar and Ahmadi Namach, Arash. (2015). Wastewater management of Zarand thermal power plant: evaluation of wastewater treatment methods, economic estimation and propose the best option, Health and Development Journal, Course4, No.5, pp. 297-312. [In Persian]
Solargis (2022), Photovoltaic power potential of Islamic Republic of Iran, Global Solar Atlas, World Bank group (https://globalsolaratlas.info/ download/iran.)
Sorush Nia, Shiva. (2015). The use of renewable energy for the green economy development: a case study of the current status of wind energy in Iran using GIS. The 3rd International Conference of Green Economy, Iran. [In Persian]
The country's annual water statistical report. (2014). Water Resources Planning Office, Ministry of Energy, Iran. [In Persian]
Xie, J.b., Fua, J.x., Liu, S.Y., and Hwang, W.S. (2020). Assessments of carbon footprint and energy analysis of three wind farms. J. Clean. Prod, 254, 120159.
Yousefi, Parisa and Hessari, Behzad. (2019). A review of the water-food-energy nexus approach: methods and challenges. The 8th National Conference on Water Resources Management, Iran. [In Persian][1]