انرژی

مقدمه

كشور پهناور ایران دارای منابع و ذخایر بزرگ انرژی است. در حال حاضر تعداد ۸۵ میدان نفتی كشف شده در كشور وجود دارد. از لحاظ ذخایر گازی، ایران دومین مقام را در جهان دارد. ذخایر گازی باقیمانده در ایران در حدود ۲۶۱۶ تریلیون متر مكعب می‌باشد. منابع دیگر انرژی مثل ذغال سنگ و … نیز در كشور وجود دارد. با توجه به افزایش مصرف انرژی، محدود بودن منابع طبیعی، حركت در راستای طرح توسعه پایدار و حفظ محیط زیست بایستی تا حدامكان از هدر رفتن و تلف شدن انرژی جلوگیری شود. برای این منظور بایستی در زمینه استفاده بهینه از منابع انرژی در كشور قدم هایی برداشته شود.

واژه بهینه‌سازی ترجمه كلمه optimization است كه در ریاضیات مفهوم خاص خود را دارد و در كشور ما نیز در زمینه های مختلف از جمله انرژی مورد استفاده قرار گرفته ‌است. بهینه‌سازی مصرف انرژی برای یك فرایند می‌تواند به صورت موضعی (Local) و یا بصورت جامع (Global) برای یك سیستم كه متشكل از چندین فرایند است، انجام شود. بر اساس تئوری بهینه‌سازی، نتیجه بهینه‌سازی برای چندین فرایند به صورت جداگانه الزاما برابر با نتیجه بهینه‌سازی به صورت جامع نیست و

بنابر تعریف، بهینه‌سازی به صورت جامع می‌تواند در برگیرنده تركیبی از دو فرایند و یا چندین فرایند باشد. اعمال بهینه‌سازی بصورت جامع نیاز به درك صحیح دینامیك انرژی ‌بری تجهیزات هر یك از فرایندها دارد و به مراتب پیچیده‌تر از به كارگیری روش بهینه سازی موضعی می‌باشد. روشهای كنترل كه بر اساس دینامیك انرژی بری و نظارت بر تمامی فرایندها كار می‌كنند و یا تكنولوژیPinch كه مبتنی بر اصل كاهش مصرف انرژی از طریق تركیب فرایندها و یا Process integration است، از جمله روشهای بهینه سازی به صورت جامع هستند .

به غیر از تقسیم‌بندی روشهای بهینه‌سازی به موضعی و جامع، تقسیم‌بندی دیگری نیز وجود دارد كه بر اساس هزینه های لازم برای انجام بهینه‌سازی می‌باشد و عبارتند از روشهای با هزینه پایین یا بدون هزینه، روشهای با هزینه متوسط و روشهای با هزینه بالا. از روشهای بدون هزینه می توان به موارد زیر اشاره كرد: انتخاب سوخت و یا حامل انرژی

در این تحقیق كارهایی كه می‌تواند در زمینه كاهش مصرف انرژی مفید واقع شود در چند گروه دسته‌بندی شده و در هر مورد مثالهایی كه از روشهای گفته‌ شده استفاده كرده‌اند و نتیجه مطلوب گرفته‌اند بیان شده ‌است.

پیشنهادات برای كاهش مصرف انرژی

كارهایی كه می‌توان برای كاهش مصرف انرژی پیشنهاد داد به شرح زیر می‌باشند.

۱- استفاده از تكنولوژیهای جدید و مواد اولیه بهتر و سازگار با محیط زیست
یكی از مواردی كه باعث كاهش مصرف انرژی می شود استفاده از تكنولوژیهای جدید و مواد اولیه با كیفیت بالا می‌باشد. اكثر واحدهایی كه در كشور وجود دارند قدیمی بوده و نشتیهای زیادی در قسمتهای مختلف آنها وجود دارد یا راندمان آنها پایین است و بعضی وقتها كیفیت محصولات تولیدی قابل قیاس با مشابه‌های خارجی نیست. لذا بهتر است در مورد صنایع موجود در كشور بررسیهای علمی و دقیق‌تر انجام گیرد تا واحدهایی كه انرژی بالایی مصرف می‌كنند شناسایی شوند و در راه تغییر فرایند و كارهای دیگر اقدام شود. از جمله كارهایی كه در كشورهای مختلف در این زمینه انجام شده‌است می‌توان به موارد زیر اشاره كرد:
۱-۱- استفاده از MDEA (متیل دی اتانل آمین) در صنایع پالایش گاز و شیرین‌سازی آن: در صورت استفاده از این ماده، ظرفیت واحد بالا، انرژی مورد نیاز كم و در نتیجه كاهش سرمایه‌گذاری را باعث می‌شود. این آمینها می‌توانند تا غلظتهای بالای ۵۰% مورد استفاد قرار گیرند ولی آمینهای خیلی خورنده مثل MEA و DEA حداكثر تا غلظتهای به ترتیب ۱۵ و ۳۰% می‌توانند مورد استفاده قرار گیرند. آمینهای بر پایه MDEA در غلظتهای بالا فعالیت بیشتری برای حذف گازهای اسیدی دارند. بنابراین هر گالن از محلول حجم بالایی از گاز را تصفیه خواهد كرد. همچنین اپراتورها می‌توانند جریان برگشتی را كم كنند و در نتیجه توان

كمتری برای كار پمپها لازم است. همچنین در ریبویلر به خاطر اینكه انرژی كمتری برای شكستن پیوند بین آمین و گاز اسیدی لازم است، انرژی كمتر مصرف می شود. انتخاب پذیری بالای MDEA باعث صرفه‌جویی در مصرف انرژی می‌شود و نیز به علت خاصیت خورندگی كم آن، طول عمر تجهیزات افزایش می‌یابد و هزینه‌های نگهداری نیز كمتر می شود. برای مثال واحدی را در نظر بگیرید كه از حلال MDEA برای تصفیه MM scfd 60 گاز طبیعی و حذف سولفید هیدروژن تا كمتر از ppm 4 استفاده می‌كند. در این حالت ۹ میلیون Btu بر ساعت انرژی مصرف می شود. اگر از DEA استفاده شود برای تصفیه MM scfd 45 مقدار انرژی مصرفی ۱۶ میلیون Btu بر ساعت خواهد بود. مشاهده می شود كه در استفاده از MDEA، ۳۳% گاز بیشتر با ۵۶% انرژی كمتر تصفیه می‌شود و در صورت تبدیل واحد از DEA به MDEA، ظرفیت واحد از ۷۵ به ۹۰ افزایش می‌یابد. خوشبختانه در پالایشگاه گاز در عسلویه نیز از این ماده استفاده می‌شود.

۱-۲- استفاده از لامپهای گوگردی: كه در محیطهای شهری و هم صنعتی كاربرد خوبی دارند و از لامپهای فلورسنت روشنایی بیشتر و بازده بیشتری دارند. از جمله ایرادهای این محصولات، سمی بودن تركیبات گوگرد در اثر شكستن و آلوده كردن محیط زیست است. بنابراین آنها در یك محفظه شیشه‌ای محكم تعبیه شده‌اند .

۱-۳- استفاه از شیشه‌های دوجداره، پنجره‌های PVC و عایق كردن درز پنجره‌ها: عامل اتلاف گرما و سرما در منازل در زمستان و تابستان پنجره‌ها هستند كه محل تعبیه، تعداد و نوع آن مهم است. در این زمینه مدل‌سازیهای كامپیوتری و شبیه‌سازیهایی انجام شده‌است. جدیدترین این تحقیقات، تكنولوژی DOE-2.1E است كه مفیدترین شبیه‌سازی بوده است.
در این زمینه همچنین می‌توان به موارد زیر اشاره كرد.

استفاده از میكرو ویو برای گرم كردن مواد شیمیایی كه علاوه بر كاهش مصرف انرژی، سازگار با محیط زیست نیز می‌باشد .
تولید اتیلن گلیكول و پروپیلن گلیكول به روشی كه حداقل انرژی را مصرف می كند. با استفاده از این روش ۳۲ تریلیون بی‌تی‌یو انرژی صرفه‌جویی می‌شود.

۲- بالا نگه داشتن قیمت انرژی

اگر انرژی كه افراد و صنایع مختلف استفاده می‌كنند قیمت بالایی داشته ‌باشد، در مصرف آن دقت خواهد شد. برای این منظور می‌توان بنزین را كه مصرف زیادی در كشور دارد و تقریبا به اندازه كشور چین (كه چندین برابر كشور ما جمعیت دارد) مصرف می‌شود به دو قیمت فروخت (تا حد معقولی با قیمت مناسب و بعد از آن با قیمت گرانتر) یا برای وسایل نقلیه عمومی با قیمت ارزانتر در مقایسه با وسایل نقلیه شخصی، تا مردم تشویق شوند از وسایل نقلیه عمومی استفاده كنند. البته این هم مستلزم این است كه ناوگان حمل و نقل شهری و جاده‌ای منظم كار كنند. در مصرف آب، برق و گاز منازل نیز می‌توان برای مصارف مختلف قیمتهای مختلفی در نظر گرفت و افرادی را كه كم مصرف می‌كنند تشویق و واحدها و افرادی را كه ار حد معقول خیلی بیشتر مصرف می‌كنند جریمه كرد.

۳- استفاده بهینه از مواد و بازیابی آنها در صنایع مختلف
در بیشتر صنایع كشور به خاطر ناقص انجام گرفتن واكنشها، قدیمی بودن دستگاهها، تكنولوژیهای قدیمی و تخصصی نبودن مسئولیتها مواد با ارزش زیادی در پسابهای واحدها وارد شده و دور ریخته می‌شوند. در این زمینه هم می‌توان با انجام تحقیقات لازم اقدام به بازیابی این مواد كرد. از كارهای انجام گرفته در این زمینه می‌توان به موارد زیر اشاره كرد:
۲-۱- بازیابی فلزات با ارزش از كاتالیزورهای مستعمل: سالیانه مقدار زیادی از كاتالیزورهای مورد استفاده در صنایع پالایشگاهی و پتروشیمی‌ها به صورت مستعمل انبار می‌شوند كه دارای فلزات با ارزشی همچون پلاتین، كبالت، مولیبدن و … می‌باشند. این فلزات قابل بازیابی بوده و بازیافت آنها از لحاظ اقتصادی نیز مقرون به صرفه است و با احداث واحدی می‌توان این كار را انجام داد. در كشورهای مختلف شركتهایی وجود دارند كه به این كار مشغول هستند.
۲-۲- بازیابی و استفاده مجدد متانول مصرفی: سالانه حدود ۱۹۸ میلیون كیلوگرم متانول سمی در آمریكا تولید می شود. برای مثال در واحد خالص‌سازی پروكسید هیدروژن FMC توانسته‌اند با استفاده از روش تقطیر بخار تا ۹۰% متانول را از پساب بازیابی كنند. استفاده از این روش باعث كاهش تولید پسابهای حاوی متانول در حدود ۲/۲ میلیون پوند بر سال با كاهش مصرف انرژی در حدود ۲/۱۹ بیلیون Btu بر سال شده‌ است. بعلاوه این سیستم باعث شده است تا شركت FMC در هزینه عملیاتی سالیانه‌اش ۵/۱ میلیون دلار صرفه‌جویی كند. شواهد نشان می دهد كه در جاهای دیگر نیز می خواهند از این تكنولوژی استفاده كنند.
۲-۳- مصرف بهینه مواد اولیه در صنایع كاغذسازی: معمولا برای ساخت یك تن كاغذ حدود ۲ تا ۵/۳ تن درخت یا چوب مرغوب لازم است. صنایع كاغذسازی در جهان پنجمین مصرف كنده صنعتی انرژی هستند. آب نقش مهمی در صنایع كاغذسازی دارد و بطور عمده‌ای آب در این صنعت مصرف می‌شود كه خود باعث آلودگی آب و هوا می شود. به همین دلیل تولید كنندگان كاغذ در فكر راهی برای كاستن از انرژی مورد استفاد و آلودگی كمتر هستند.

۴- بهینه‌سازی و مدل كردن واحدهای صنعتی و افزودن تجهیزات اضافی
در این زمینه می‌توان با انجام تغییراتی در واحد و یا اضافه كردن تجهیزاتی و یا انجام كارهایی مثل شبیه‌سازی، مدل‌سازی و كنترل واحدها در مصرف كمتر انرژی، كیفیت بالای محصولات و حداقل كردن هزینه‌ها قدم برداشت. در اغلب واحدهای شیمیایی كه واكنشهای شیمیایی صورت می‌گیرد برای بهینه كردن انرژی باید سعی شود كه واكنشها تا حد امكان در جهت كامل شدن پیش بروند و از دیگر پارامترها هم مدیریت انرژی است كه با مشاهدات و كنترلهای خود می‌تواند فرایندهای پیچیده صنعتی را در جهت بهینه شدن پیش ببرد (مثل انتخاب سیستم، پارامترهای فرایند كه باید نشان داده شوند، تجهیزات اندازه‌گیری كه باید استفاده شوند و … ). پارامترهای دیگری مثل برنامه كمكهای مالی دولت از دیگر راهكارهای بهینه‌سازی انرژی است. یك اصل كلی برای بهتر شدن كنترل فرایندها این است كه كیفیت باید بهتر شود. در ۳۰ سال گذشته به دلیل تمهیداتی كه در زمینه محیط زیست و همچنین بازدهی انرژی صورت گرفته، تقریبا مصرف انرژی نصف شده است. در زیر به چند مورد از كارهای انجام شده در این زمینه اشاره می‌شود:

۳-۱- بهینه‌سازی مصرف انرژی در برجهای تقطیر: در صنعت نفت، برج تقطیر یا واحد تقطیر یكی از كلیدی‌ترین واحدهای مصرف كننده انرژی است كه به وسیله شبیه‌سازیها و مدلهای كامپیوتری می‌توان مصرف انرژی را در این بخش به حالت بهینه درآورد. امروزه كاهش مصرف انرژی در عملیات تقطیر در كاهش قیمت تمام شده محصولات بیشتر موثر است. با توجه به روشهای مختلف موجود می‌توان كلیه فعالیتها در این رابطه را به سه گروه تقسیم‌بندی كرد.

الف- روشهایی كه سرمایه مورد نیاز آنها كم است: مثل جریان برگشتی به برج، محل ورودی خوراك، بهبود در تعمیرات و روشهای تعمیراتی، فشار داخل برج (فشار عامل مهمی است كه با توجه به دمای آب خنك كننده در دسترس جهت میعان بخارات بالاسری انتخاب می‌گردد. عملیات تقطیر در فشارهای پایین مطلوبتر است. پس در فصل زمستان و فصل بارانی بعلت كاهش دمای محیط و افت دمای برج آب خنك كننده می‌توان فشار برج را كاهش داد).

ب- روشهای با سرمایه‌گذاری متوسط: مثل استفاده از روشهای بازیافت اتلاف حرارتی، عایق كاری، جابجایی سینی‌ها با تجهیزات موثر مشابه ( آكنده های با كارایی بیشتر، با ارتفاع معادل كمتر و افت فشار كمتر).

ج- روشهای با سرمایه‌گذاری بالا: این روشها منجر به بازیافت انرژی زیادتری نسبت به دو مرحله قبل می‌شوند كه از آن جمله می‌توان به موارد زیر اشاره كرد. بهینه‌سازی یا تعویض سیستم كنترل و ابزار دقیق، میعان دو مرحله‌ای در بخش بالا سری ( در این روش مرحله اول جهت حصول به میعان كافی برای جریان برگردان انجام می‌گیرد و مرحله دوم جهت خنك كردن و استصال محصول كافی مورد استفاده واقع می‌شود).

۳-۲- اضافه كردن تجهیزاتی برای برای بازیابی انرژی: در بیشتر صنایع می‌توان با افزودن تجهیزاتی انرژی قابل ملاحظه‌ای را بازیابی كرد كه از جمله‌ آنها می‌توان به موارد زیر اشاره كرد:
۳-۲-۱- استفاده از توربو اسكرابرها در خروجی دودكشهای صنعتی: این دستگاه به طور همزمان ذرات ریز را می‌گیرد، گاز SO2 را جذب می‌كند و حرارت گازهای خروجی را بازیابی می‌كند. این سیستم شامل فیلتری است كه در حین عمل احتراق كه گازها به همراه دود در حال خارج شدن از دودكش هستند SO2 را جذب می‌كند و گرمای آن را هم از طریق سنسورهای گیرنده حساس گرما به قسمتهای دیگر دستگاه كه نیاز به انرژی گرمایی دارند، می‌رساند .
۳-۲-۲- استفاده از تكنولوژی HBT (Hydro Ball Technics) برای مبدلهای لوله-پوسته: در مبدلهای لوله-پوسته، در قسمتهای مختلف خواه ناخواه مقداری انرژی گرمایی به هدر می‌رود. تحقیقات نشان داده است كه هرچه ضخامت لوله‌ها بیشتر و درصد مكش هم بیشتر شود گرمای بیشتری در این واحدها به هدر می‌رود. پس هم باید روی طراحی و هم استحكام و دوام این قسمتها برای بهینه‌سازی انرژی دقت بالایی منظور شود. یكی دیگر از موارد، رسوب ناخالصیها درون لوله‌هاست كه این خود سرعت انتقال گرما را كاهش می‌دهد و ما مجبور هستیم انرژی بیشتری مصرف كرده و بازدهی كمتری داشته باشیم. در این موارد هم اتلاف توان بیشتری داریم و هم زمان برای واكنش شیمیایی و عملیات زیادتر از حد معمول می‌شود. در تكنولوژی HBT توپهای اسفنجی در درون لوله‌های كندانسور نصب می‌شود تا ناخالصیهای سیال در حال گردش را بگیرد و حكم یك فیلتر را دارد و از ته نشین شدن و رسوب این مواد در بدنه داخلی لوله جلوگیری می‌كند و بنابراین ریت حرارتی خوبی داریم و از هدر رفتن انرژی جلوگیری می شود. این مواد براحتی قابل جداسازی هستند و نصب و برداشتن آنها هم كار سختی نیست. از مزایای این تكنولوژی می‌توان به این موارد اشاره كرد: درصد بیشتر تبدیل انرژی، بازده بیشتر تجهیرات عمل كننده، جلوگیری از خوردگی لوله‌های كندانسور، امكان ساختن كندانسورهایی با لوله هایی طویلتر در جریانهای شیمیایی.
ضمناً این سیستم با كنترل PLC-GSM كار می‌كند. در حین عملیات هیچ دستگاهی از كار نمی‌افتد. به هیچ پمپی نیاز نیست و كمبود آب برای فرایند حس نمی شود .
۳-۲-۳- بازیابی حرارت از گازهای حاصل از دودكشها: برای این منظور یك روش استفاده از مبدلهای حرارتی است. این مبدلها مستقیما در داخل دودكش بویلر قرار داده می‌شوند و از انرژی حرارتی گازهای حاصل از احتراق برای گرم كردن آب ورودی بویلر استفاده می‌كنند و دمای آنرا از ۱۸۰ درجه فارنهایت به ۲۹۸ درجه می‌رسانند و دوباره وارد ریبویلر می‌كنند. شكل (۱) انرژی بازیابی شده و صرفه‌جویی در مصرف سالیانه سوخت را نشان می‌دهد. شكل (۲) شمای كلی بویلر دارای قسمت بازیابی حرارت از گازهای دودكش را نشان می دهد. مبدل حرارتی در این حالت economizer گفته می‌شود. برای نصب اینها، لوله‌كشی، شیرها و تجهیزات كنترلی لازم است. economizer یك مبدل حرارتی گاز به مایع است .

شكل ۱- انرژی بازیابی شده و صرفه‌جویی در مصرف سالیانه سوخت بر حسب بخار تولیدی

شكل ۲-كلی بویلر دارای قسمت بازیابی حرارت از گازهای دودكش

۵- استفاده از انرژیهای نو و تجدید‌پذیر
در این زمینه كارهای زیادی می‌توان انجام داد كه نیازمند این است تا مشخصات جغرافیایی مناطق مختلف از لحاظ مقدار تابش خورشید، بادهای منطقه و … به خوبی تعیین شود و بر اساس آنها تصمیمات لازم اتخاذ شود. در این زمینه می‌توان به موارد زیر اشاره كرد:
استفاده از انرژی خورشیدی مثل سلول خورشیدی، انرژی باد مثل توربینهای بادی و مزارع بادی (كه در این مزارع هزاران آسیاب بادی قرار دارد و پره‌های آنها در برابر باد به چرخش در می‌آیند. از چرخش هزاران پره، انرژی زیادی تولید شده و مورد استفاده قرار می‌گیرد.)، انرژی آب مثل نیروگاههای برق آبی، انرژی هسته‌ای، انرژی هیدروژنی، انرژی پتانسیل گیاهی، انرژی گرمایی زمین (اخیرا در منطقه مشكین‌شهر اردبیل از این انرژی استفاده می‌شود)، بیو مس و بیوگاز ( محصولات و ضایعات كشاورزی، فاضلاب كشاورزی، ضایعات جامد، فاضلابها و فضولات دامی) .

۶- یافتن كاربردهای جدید برای موادی كه فعلا كاربرد خاصی ندارند
در كشور ما مواد اولیه زیادی وجود دارند كه فعلا برای آنها كاربرد خاصی وجود ندارد كه می‌توان در این زمینه كارهایی انجام داد یا موادی كه به صورت ناخواسته در كارخانجات مختلف تولید می‌شوند، می‌توان برای آنها كاربردی پیدا كرد. برای مثال، میزان تولید گوگرد در كشور ما در حال حاضر بیش از یك میلیون تن در سال می باشد كه حدود یك میلیون تن در سال مربوط به پالایشگاههای نفت می باشد. هم چنین در پالایشگاههای گاز مثل بیدبلند، خانگیران و كنگان و در مجتمع های پتروشیمی مثل پتروشیمی رازی نیز گوگرد تولید می‌شود. گوگرد كاربردهای زیادی دارد كه بطور خلاصه می‌توان به موارد زیر اشاره كرد:

گوگرد در تهیه اسیدسولفوریك، كاغذسازی، دی سولفید كربن، ولكانیزاسیون لاستیك، شوینده ها، رنگ و مواد شیمیایی، داروها، مواد منفجره، حشره كشها، بهبود كیفیت خاك، قارچ كشها، كودهای شیمیایی، فیلمهای فتوگرافی، درزگیر سیمان، بعنوان اتصال دهنده و بسط دهنده آسفالت در آسفالت كردن جاده‌ها، بتن، كف، اولوم و … كاربرد دارد . با توجه به كاربردهای گوگرد و حجم زیاد تولیدی و ارزان بودن قیمت آن بایستی قدمهایی در جهت استفاده از این ماده برداشته شود.

۷- بهینه‌سازی مصرف انرژی در ساختمانها
در این زمینه می‌توان به موارد زیر اشاره كرد:
پوشش ساختمانها: پوشش ساختمان شامل تمام قسمتهایی است كه درون ساختمان را از محیط بیرون جدا می‌كند و شامل پنجره‌ها، دیوارها، فونداسیون (پی)، مصالح زیرین، سقف، بام و عایق كاری می‌باشد، كه در این زمینه می‌توان به استفاده از شیشه‌های دوجداره، پنجره‌های PVC، استفاده از درزگیرها و … اشاره كرد.

سرمایش و گرمایش فضای ساختمان: سرمایش و گرمایش فضای ساختمان بهره‌ور از نظر انرژی در ساختمانها با استفاده از كنترلهای اتوماتیك، تهویه، سیستمهای لوله‌كشی بهبود یافته و فن‌آوریهای پیشرفته حاصل می‌شود.
گرمایش آب در فضای ساختمان: گرمایش بهره‌ور از نظر انرژی آب به همراه وسایل بهره‌وری (مصرف) آب باعث صرفه‌جویی در مصرف آب، انرژی و پول می‌شود.
روشنایی ساختمان: لامپهای گوگردی، لامپهای روشنایی فلورسنت فشرده و سایر فن‌آوریهای روشنایی كارآمد و بهره‌ور در انرژی و پول صرفه‌جویی می‌نمایند.
لوازم خانگی: گزینه‌های بهره‌ور انرژی برای ماشینهای لباسشویی و خشك‌كنها، یخچالها، فریزرها، ظرفشویی اجاقها و فرهای خوراك‌پزی، بخاریها بسیار سودمند خواهد بود .