سفر برق
فرآیند تولید برق در ایران؛ از آغاز تا توزیع
هسته اصلی
نیروگاه جایی است که وظیفه تبدیل انرژی‌های گوناگون به انرژی الکتریکی را دارد. منبع تامین انرژی و میزان آلایندگی آنها، تفاوت‌های اصلی بین نیروگاه‌های مختلف است. پژوهش‌ها نشان می‌دهد که در سال‌های گذشته سوخت‌های فسیلی مایع بیش از نیمی از نیاز این نیروگاه‌ها را تامین کرده‌اند. اما به مرور این فرآورده‌های نفتی با گاز طبیعی جایگزین شده‌اند. با رشد روزافزون تقاضای برق، تامین سوخت نیروگاهی به یک چالش جدی تبدیل شده است. مضاف بر اینکه هزینه‌های سرمایه‌گذاری در این بخش نیز بسیار قابل توجه است. محدودیت دسترسی به حامل‌های انرژی فسیلی و افزایش احتمالی قیمت آنها، مشکلات را تشدید نیز می‌کند.
اسناد توانیر نشان می‌دهد که در کشور ما نیز همچون دیگر کشورها ملاحظاتی در مورد استفاده از سوخت‌های فسیلی برای تولید برق وجود دارد؛ دو مورد از مهم‌ترین ملاحظات استفاده از سوخت‌های فسیلی عبارتند از: محدودیت منابع و آلاینده‌های زیست‌محیطی. همین دو عامل کافی است تا دست‌اندرکاران صنعت برق به دنبال افزایش سهم انرژی‌های تجدیدپذیر در تولید برق کشور باشند. از این‌رو یکی از خط‌مشی‌های اصلی صنعت برق کشور افزایش ظرفیت تولید برق با استفاده از نیروگاه‌های انرژی نو و تجدیدپذیر مانند برق‌آبی، بادی، خورشیدی، امواج و... است. بررسی‌های کارشناسان صنعت برق نشان می‌دهد که تا ۲۵ سال آینده نیاز جهانی انرژی ۶۰ درصد افزایش می‌یابد و این در حالی است که منابع سوخت‌های فسیلی حداکثر تا پایان قرن ۲۱ میلادی دوام می‌آورند. به طور کلی، نیروگاه‌های اصلی تولید برق کشور عبارتند از: نیروگاه گازی، نیروگاه چرخه ترکیبی، نیروگاه بخاری، نیروگاه برق‌آبی، نیروگاه اتمی و تجدیدپذیر و نیروگاه دیزلی.
نیروگاه بخاری
منبع انرژی اصلی یک نیروگاه بخاری سوخت‌های فسیلی مانند نفت، گاز، گازوئیل، زغال‌سنگ و مازوت است. در این نیروگاه‌ها در اثر اشتعال سوخت‌های فسیلی، حرارت قابل توجهی در محفظه‌ای به نام کوره تولید می‌شود. این حرارت آب موجود در دیگ بخار را به بخار خشک تبدیل می‌کند؛ یعنی آب کاملاً تبخیر شده و بخاری تولید می‌شود که کاملاً به حالت گاز است و اثری از مایع در آن نیست. دمای بخار تا حدود ۵۰۰ درجه سانتی‌گراد برآورد می‌شود. اتفاقی که می‌افتد این است که بخار حاصل پس از خروج از کوره وارد توربین می‌شود و پره‌ها و روتور توربین و به دنبال آن ژنراتور را به چرخش درمی‌آورد که برق تولید می‌شود. اما بخار ایجادشده نیز کاملاً از بین نمی‌رود، بلکه توسط مکانیسمی وارد کندانسور می‌شود. کندانسور وسیله‌ای است که بخار خشک را سرد کرده و به مایع تبدیل می‌کند. مایع حاصل توسط پمپ‌هایی مجدداً به دیگ بخار پمپاژ می‌شوند. به طور خلاصه در نیروگاه‌های بخاری در مرحله اول انرژی شیمیایی موجود در سوخت‌های فسیلی به انرژی حرارتی تبدیل می‌شود و با حرارت تولیدشده آب مایع کاملاً به حالت گازی درمی‌آید. سپس انرژی حرارتی بخار توربین را به حرکت وامی‌دارد و به انرژی مکانیکی مبدل می‌شود. در پایان نیز ژنراتور انرژی مکانیکی را به انرژی الکتریکی تبدیل خواهد کرد. خصلت اصلی نیروگاه‌های بخاری، نیاز به آب است. راندمان این نیروگاه‌ها نیز کمتر از ۴۰ درصد برآورد می‌شود. بر اساس آخرین اطلاعات منتشرشده توسط توانیر، تا پایان سال ۱۳۹۶ مجموع ظرفیت نامی نیروگاه‌های بخاری کشور ۱۵۸۲۹ مگاوات بوده که ۱/ ۲۰ درصد از کل نیروگاه‌های کشور را تشکیل می‌دهد. ظرفیت نامی، توان پیوسته‌ای است که سفارش و طراحی مولد برق بر اساس آن صورت می‌گیرد که بر روی دستگاه توسط سازنده درج می‌شود. اما در عمل توان تولیدی کمی کمتر از توان نامی است. چراکه در قدرت عملی، حداکثر توان تولید مولد در محل نصب با در نظر گرفتن شرایط محیطی همچون ارتفاع از سطح دریا، دمای محیط و رطوبت نسبی محاسبه می‌شود. اما شاخصی که به طور عملی نشان می‌دهد که یک نیروگاه به چه میزان تولید برق داشته است، «تولید ناویژه» نیروگاه است. تولید ناویژه جمع انرژی تولیدی مولدهای برق یک نیروگاه است که طی یک دوره زمانی معین (مثلاً یک سال) روی پایانه خروجی مولدها بر حسب کیلووات ساعت یا مگاوات ساعت اندازه‌گیری می‌شود. این شاخص برای نیروگاه‌های گازی در سال ۹۵ معادل ۸۵۰۹۲ کیلووات ساعت بوده است. همچنین در این سال بیشترین سوخت فسیلی که در این نیروگاه‌ها استفاده شده، گاز طبیعی به حجم نزدیک به ۱۹ هزار میلیون مترمکعب بوده است و به مقدار بسیار کمتر نیز گازوئیل و نفت کوره استفاده شده است.
نیروگاه گازی
تفاوت اصلی نیروگاه گازی با بخاری در این است که در نیروگاه گازی به آب نیاز نیست اما رنج تولید و راندمان کمتری نسبت به نیروگاه‌های بخاری دارند. در این نیروگاه‌ها آنچه موجب چرخش توربین می‌شود، هوای محیط است. هوای فشرده‌شده توسط کمپرسور وارد اتاق احتراق می‌شود و با سوخت‌های فسیلی ترکیب می‌شود. حاصل این احتراق خروج گاز داغی با فشار بالا از اتاق احتراق است که البته ضریب آلایندگی بالایی نیز دارد. گاز پرفشار به‌وسیله نازل با فشار زیاد و حرارت بالا به توربین می‌رسد و چرخش روتور و به دنبال آن ژنراتور را موجب می‌شود. سوخت این نیروگاه‌ها نیز معمولاً مازوت، گاز و گازوئیل است. بر اساس گزارش توانیر، بیشترین ظرفیت نامی بین نیروگاه‌های کشور در اختیار نیروگاه‌های گازی است. ظرفیت نامی این نیروگاه‌ها در پایان سال ۱۳۹۶ معادل ۲۶۲۰۰ مگاوات بوده است که این مقدار برابر ۵/ ۳۳درصد از ظرفیت کل نیروگاه‌های کشور است. در سال‌های اخیر به این نیروگاه‌ها به دلیل قیمت پایین‌تر، امکان افزایش راندمان (تبدیل آنها به چرخه ترکیبی) و امکان ساخت داخل برای بیشتر تجهیزات اصلی جانبی، توجه خاصی شده است.
نیروگاه چرخه ترکیبی
نیروگاه چرخه ترکیبی ترکیبی از دو نیروگاه گازی و بخاری است. در نیروگاه‌های گازی با خروج گازهای پرانرژی از طریق دودکش توربین، مقداری از این گاز از چرخه تولید برق خارج می‌شود و همین امر راندمان را کاهش می‌دهد. اما در چرخه ترکیبی از گاز خارج‌شده استفاده می‌شود، چراکه این گاز با دمای بالا می‌تواند آب مایع را به بخار خشک تبدیل کند که همان مکانیسمی است که در نیروگاه‌های بخاری انجام می‌شود. در این نیروگاه‌ها دو نیروگاه گازی و بخاری را کنار هم قرار می‌دهند. برای فعالیت توربین گازی از سوخت فسیلی استفاده می‌کنند اما برای فعالیت توربین بخار، انرژی حاصل از دودهای خارج‌شده را به کار می‌گیرند. این امر باعث می‌شود که در ازای مقدار معینی سوخت فسیلی، انرژی الکتریکی بیشتری نسبت به دو نیروگاه بخاری و گازی تولید شود که بیان‌کننده راندمان بالای این نوع نیروگاه‌هاست. آن‌طور که شرکت توانیر گزارش داده، ظرفیت تولید این نیروگاه‌ها پس از نیروگاه‌های گازی بیشترین سهم را در بین نیروگاه‌های کشور دارند و سهم آنها معادل ۵/ ۲۵ درصد است. در صنعت برق ایران، این نیروگاه‌ها به دلیل راندمان بالا و آلایندگی کمتر زیست‌محیطی مورد توجه قرار گرفته‌اند. نیروگاه‌های ترکیبی دارای بیشترین ضریب بهره‌برداری در بین انواع نیروگاه‌ها هستند. ضریب بهره‌برداری به نسبت کل انرژی تولیدشده در یک نیروگاه طی یک دوره مشخص (عموماً یک دوره یک‌ساله) به حاصل‌ضرب قدرت عملی نیروگاه است. به زبان ساده‌تر ضریب بهره‌برداری نشان می‌دهد تا چه حد از توان یک نیروگاه برای تولید برق بهره‌برداری شده است. همچنین متوسط راندمان نیروگاه ترکیبی در سال ۹۵ حدود ۴۶ درصد بوده است که حداقل ۱۰ درصد از نیروگاه‌های بخاری و گازی بیشتر است. مجموعاً سه نوع نیروگاه گازی، بخاری و ترکیبی حدود ۸۲ درصد از کل ظرفیت نامی تولید برق ایران را در اختیار دارند. اتفاقی که در طول یک دهه اخیر افتاده این است که سهم نیروگاه‌های برق‌آبی، اتمی و تجدیدپذیر با شیب ملایم افزایش یافته است.
نیروگاه دیزلی
در نیروگاه دیزلی، عامل تحرک ژنراتور یک موتور درون‌سوز دیزلی است. این نیروگاه‌ها ظرفیت تولید چندانی در صنعت برق ایران ندارند و ۶/ ۰ درصد از ظرفیت کل نیروگاه‌های ایران را تشکیل می‌دهند. چراکه این نیروگاه‌ها دارای راندمان پایینی هستند و هزینه تولید برق آنها بالا و دارای عمر کمتری نیز است. قدرت نامی آنها در سال ۹۵ تنها ۴۳۹ مگاوات بوده است. معمولاً از این نیروگاه‌ها در مواقع اضطراری استفاده می‌شود و در ایران در مناطقی که به شبکه سراسری متصل نیستند کاربرد دارد. نیروگاه دیزلی می‌تواند به عنوان برق اضطراری مکان‌هایی مانند بیمارستان‌ها، دانشگاه‌ها و... یا مراکز دورافتاده‌ای که هزینه انتقال برق از هزینه تولید نیروگاه دیزلی بیشتر است، مورد استفاده قرار گیرد.
نیروگاه‌های برق‌آبی
نیروگاه‌های برق‌آبی نیروگاه‌هایی هستند که از سدها برای تولید برق استفاده می‌کنند. آب جمع‌شده در پشت سد به پره‌های توربین برخورد می‌کند و چرخش روتور و ژنراتور و در نهایت تولید برق را سبب می‌شود. این نیروگاه‌ها آلودگی محیط زیستی و هزینه سوخت ندارند و تا ۱۰۰ سال نیز می‌توانند کار کنند. علاوه بر این، هزینه‌های نگهداری چندانی برای آنها خرج نمی‌شود و بازده آنها با گذشت زمان افت نخواهد کرد. استفاده از آب مورد نیاز کشاورزی، شرب و ایجاد فضاهای تفریحی در اطراف سدها از دیگر مزایای نیروگاه‌های برق‌آبی است. ظرفیت نامی این نیروگاه‌ها در سال ۹۵ با رشد ۷/ ۲درصدی به ۱۱۵۷۸ مگاوات رسیده است که ۱/ ۱۵ درصد از مجموع ظرفیت نیروگاه‌های کشور را به خود اختصاص داده‌اند. وزارت نیرو با احداث سد می‌تواند علاوه بر تامین برق پایدار و بهره‌مند شدن از مزیت توقف و راه‌اندازی سریع، مانع وقوع سیل در مناطق پرخطر نیز شود.
نیروگاه‌های اتمی و تجدیدپذیر
صنعت برق کشور در تلاش است تا سهم نیروگاه‌های اتمی و تجدیدپذیر در تولید برق کشور افزایش یابد. بر اساس اطلاعات شرکت توانیر، ظرفیت تولید برق از این دست نیروگاه‌های کشور معادل ۶/ ۱ درصد از ظرفیت کل نیروگاه‌ها را تشکیل می‌دهد.
نیروگاه اتمی: تولید برق در نیروگاه‌های هسته‌ای شباهت زیادی به نیروگاه‌های بخاری دارد. تفاوت اصلی این دو روش این است که انرژی مورد نیاز برای تبدیل آب به بخار خشک، در نیروگاه اتمی از واکنش‌های هسته‌ای تامین می‌شود. واکنش هسته‌ای به این شکل است که هسته اورانیوم ۲۳۵ مورد بمباران نوترونی قرار می‌گیرد و با برهم خوردن نیروهای داخلی در هسته اورانیوم، هسته اولیه به دو هسته سبک‌تر شکافته می‌شود. شکافت هسته، انرژی مورد نیاز نیروگاه را تامین می‌کند. در اینجا نیز مانند نیروگاه‌های بخاری، بخار خشک خارج‌شونده از توربین‌ها وارد کندانسور شده و تبدیل به مایع می‌شود و سپس توسط پمپ به رآکتور پمپاژ خواهد شد. یکی از مهم‌ترین مزیت‌های نیروگاه اتمی این است که آلودگی زیست‌محیطی ندارد و همچنین هزینه انتقال سوخت آن کم است. اما در مقابل در این نیروگاه‌ها، به راحتی نمی‌توان میزان تولید را کم و زیاد کرد. معمولاً از این نیروگاه‌ها تنها برای تامین بار پایه استفاده می‌شود. بار پایه، حداقل میزان انرژی مصرفی هر کشور است که بار پایه آن کشور نامیده می‌شود.
نیروگاه بادی و خورشیدی: انرژی خورشیدی و بادی از جمله انرژی‌های تجدیدپذیر و کاملاً سازگار با محیط زیست به حساب می‌آیند. استفاده از این نیروگاه‌ها برای مصارف محدود و محلی مناسب ارزیابی می‌شود. انرژی خورشیدی به دلیل متمرکز نبودن، تناوبی بودن و ثابت نبودن مقدار انرژی، نیاز به سطح قابل توجهی برای جذب دارد. چون این انرژی متمرکز نیست باید تجهیزاتی برای متمرکز ساختن آنها وجود داشته باشد. اما در کاربردهایی همچون گرمایش و سرمایش ساختمان، پختن غذا، گرم کردن آب، استرلیزه کردن وسایل بهداشتی و کاربردهایی از این دست می‌تواند مثمر ثمر باشد. ایران به دلیل قرارگیری در کمربند خورشیدی، از نظر دریافت انرژی خورشیدی یکی از مناسب‌ترین کشورهای جهان است. به‌خصوص مناطق کویری مرکز ایران و شهرهای اطراف آن، مستعد استفاده از نیروگاه‌های خورشیدی هستند. بر اساس گزارش شرکت توانیر، در سال ۹۵ بیش از ۱۸۰ نیروگاه کوچک با ظرفیت بیش از ۱۷۰۰ کیلووات با هزینه بخش خصوصی احداث شد که برق تولیدی آنها در حال تزریق به شبکه توزیع است. نیروگاه بادی نیز که با استفاده از انرژی بادی تامین می‌شود، به دلیل محدود بودن مقدار این انرژی، ثابت نبودن و تناوبی بودن مقدار آن و نیز محلی بودن باد نمی‌توان از آن به عنوان یک منبع تولید انرژی برای آینده یاد کرد. اما در مناطقی که یک متوسط وزش باد ثابت دارند و سرعت باد در آنجا مناسب است با نصب توربین‌های بادی، انرژی الکتریکی تولید می‌شود. تا پایان سال ۹۵ در کشور ایران، حدود ۱۷۰ مگاوات توربین بادی نصف شده است و میزان انرژی برق بادی تولیدی نیروگاه‌های احداثی در این سال بیش از ۲۵۳ میلیون کیلووات ساعت بوده است.
سیستم توزیع
بخش توزیع نیروی برق وظیفه مهم انتقال برق از نقطه تولید به مصرف‌کننده نهایی را بر عهده دارد. در این سیستم، انرژی الکتریکی در سطوح فشار متوسط و فشار ضعیف توزیع می‌شود و پست‌های توزیع وظیفه تبدیل فشار متوسط به فشار ضعیف را دارد. البته مهندسان توزیع برق علاوه بر ملاحظات فنی، باید به جنبه‌هایی همچون اصول معماری و شهرسازی توجه کنند. از یک طرف در خطوط فشار متوسط باید حریم خطوط رعایت شود و از طرف دیگر، رعایت زیبایی‌های منظره، عدم قطع درختان و راهکارهایی برای حفظ جان پرندگان ملاحظات دیگر را شکل می‌دهند.
شبکه فشار متوسط: شبکه فشار متوسط دارای ولتاژ ۲۰ کیلووات است و در برخی نقاط کشور از شبکه‌های ۳۳ و ۱۱ کیلووات برای توزیع برق استفاده می‌شود. خطوط فشار متوسط، انرژی الکتریکی را پست‌های توزیع انتقال می‌دهد و برق مورد نیاز مشترکین سنگین و پرمصرف نظیر کارخانه‌ها، مراکز کشاورزی، خدماتی و... را تامین می‌کند. طول شبکه‌های فشار متوسط کشور با رشد ۲/ ۲ درصد در سال ۱۳۹۵ نسبت به سال ۱۳۹۴، به بیش از ۴۱۶ هزار کیلومتر رسیده است.
شبکه فشار ضعیف: برق مصرف‌کنندگان عادی با استفاده از خطوط فشار ضعیف تامین می‌شود. بر اساس اعلام توانیر، شبکه فشار ضعیف آخرین قسمت از زنجیره گسترده و پیوسته برق‌رسانی کشور است. خطوط فشار ضعیف دارای ولتاژ ۲۲۰ ولت در تک‌فاز و ۳۸۰ ولت سه فاز است و بیشتر این شبکه دارای خطوط هوایی است. البته در برخی از مناطق شهرهای بزرگ، به دلیل مشکلاتی از قبیل حریم خطوط، تراکم بافت شهری و سایر محدودیت‌ها، کابل‌کشی زمینی شده است. طول خطوط فشار ضعیف نیز در پایان سال ۱۳۹۵ با رشد ۵/ ۲ درصدی به حدود ۳۵۳ هزار کیلومتر رسیده است.
پست‌های توزیع: ولتاژ شبکه فشار متوسط به فشار ضعیف به وسیله پست‌های توزیع انجام می‌شود. در واقع ولتاژ بالای شبکه متوسط باید برای مصرف‌کنندگان نهایی بخش‌های خانگی و مشترکین کم‌مصرف به وسیله این پست‌ها تقلیل یابد. این پست‌ها به دو شکل زمینی و هوایی وجود دارد. پست‌های زمینی در محدوده داخل شهرها و جاهایی که مشترکین با مصارف سنگین وجود دارند، قرار دارند. تفاوت آنها در قیاس با پست‌های هوایی، ظرفیت بالاتر است. یکی از محدودیت‌های پست‌های زمینی قیمت بالای زمین در شهرهای بزرگ است. از این‌رو پیدا کردن محل مناسب برای احداث پست‌های زمینی با طراحی پست‌های کمپکت که فضای مورد نیاز را کاهش می‌دهد یک ضرورت محسوب می‌شود. با افزایش تعداد و متوسط مصرف مشترکین، تعداد پست‌های توزیع زمینی و هوایی نیز افزایش پیدا کرده است. طبق گزارش شرکت توانیر، تعداد ترانسفورماتورهای هوایی در پایان سال ۹۵ بیش از ۶۲۰ هزار دستگاه بوده، در حالی که پست‌های زمینی کمتر از ۳۸ هزار مورد هستند. متوسط ظرفیت هر یک از ترانفسورماتورهای زمینی ۷۲۳ کیلووات آمپر است و هر ترانفسورماتور هوایی تقریباً یک‌پنجم آن و معادل ۱۴۱ کیلووات آمپر است.
منابع:
۱- شرکت توانیر
۲- پایگاه اینترنتی فارغ‌التحصیلان مهندسی برق و الکترونیک
ارسال نظر