دستيابي به دانش فرآوري سيليكون

 ۹۵ درصد صرفه جويي در مصرف نفت و گاز

محمد محقق، مهدي محقق، نگين بهشت كار

براي تامين نيازهاي كشور ايران مي بايست ۱۰۰ ميليون مگاوات ساعت به ظرفيت توليد انرژي الكتريكي ساليانه كشور افزوده شود.[1] اگر به روش فعلي توليد برق يعني استفاده از منابع فسيلي نفت و گاز اين نياز تامين شود، در ۲۰ سال آينده 250 ميليون بشكه نفت خام و 480 ميليارد متر مكعب گاز فقط براي تأمين اين افزايش مصرف مي شود. اگر كشور ايران به تكنولوژي چرخه كامل سيليكون دسترسي داشته باشد، ميتواند بيش از ۹۵ درصد در مصرف منابع فسيلي براي توليد برق صرفه جويي كند. توليد سيليكون در دنيا بيش از ۵۰ سال سابقه دارد و ايران علي رغم بهره مندي از معادن كوارتز و مهندسين خبره، هنوز به اين تكنولوژي دست نيافته است. از آنجا كه اين تكنولوژي كاربرد كاملاً صلح آميزي دارد هيچ محدوديتي براي دستيابي ايران وجود ندارد و براي كشور هزينه هاي سياسي نيز به همراه نخواهد داشت. با توجه به روند برقي شدن وسايل نقليه و تهويه ساختمان ها، افزايش نياز كشور به برق حتما شتاب بيشتري هم خواهد يافت كه اهميت چاره انديشي را بيشتر مي­كند. نويسندگان اين مقاله معتقدند دستيابي به تكنولوژي چرخه كامل سيليكون براي كشور ايران بسيار استراتژيك است و نداشتن آن به بهاي سوزاندن بي ثمر منابع فسيلي تمام مي­شود. اين نوشتار به بررسي و مقايسه اين دو روش – توليد برق از منابع فسيلي در مقابل چرخه سيليكون – مي­پردازد. توجه اينكه، هرچند نيروگاههاي تجديدپذير از منظر زيست محيطي و كاهش گازهاي گلخانه اي بر نيروگاههاي حرارتي برتري دارند، در اين بررسي صرفاً معيارهاي مستقيم اقتصادي مد نظر قرار گرفته اند و هزينه هاي تحميلي به جامعه ايران و جهان ناشي از مصرف سوختهاي فسيلي در نظر گرفته نشده است.

1.      سوزاندن 69000 ميليارد متر مكعب گاز در سال براي توليد برق در نيروگاههاي كشور

با توجه به تركيب نيروگاههاي كشور، براي توليد هر كيلووات ساعت برق توليدي در ايران 2157 كيلوكالري معادل با 2.5 كيلووات ساعت انرژي سوزانده مي­شود. سوخت عمده مصرفي نيروگاه­هاي حرارتي كشور را گاز طبيعي تشكيل مي­دهد (84 درصد) و گازوئيل و نفت كوره درصد كمتري از سهم سوخت مصرفي را شامل مي­شوند. در اين مقاله، گاز طبيعي به عنوان سوخت اصلي مورد بررسي و مقايسه در سناريوهاي مختلف قرار گرفته است.

در سال 1396، ميزان توليد خالص برق در نيروگاههاي كشور، برابر با 303 ميليارد كيلووات ساعت بوده است. براي توليد اين ميزان انرژي الكتريكي، در سال 1396، تركيبي از سوخت هاي فسيلي در مجموع با ارزش حرارتي 654000 ميليارد كيلوكالري، معادل با 447 ميليون بشكه نفت خام، سوزانده شده است.

شكل 1: ميزان سوخت سوزانده شده براي توليد برق

2.      سناريوي خورشيدي در مقابل سوزاندن سوخت در نيروگاههاي حرارتي

هرچند تركيب فعلي نيروگاههاي كشور را عمدتاً نيروگاههاي حرارتي تشكيل مي­دهند، توسعه ظرفيت نيروگاهي فعلي مي­تواند به طرق مختلفي محقق شود. در اين مقاله سناريوي استفاده از انرژي خورشيدي در مقابل سوزاندن سوخت در نيروگاههاي حرارتي مورد مقايسه قرار گرفته است. فرض شده است كه به منظور تأمين نياز روز افزون كشور به انرژي الكتريكي، لازم است 25000 مگاوات به ظرفيت توليد برق كشور اضافه شود. اين فرض، با برنامه ­هاي بالادستي كشور نيز مطابقت دارد.

اگر اين ميزان برق كاملاً با روش ­هاي حرارتي و نيروگاههاي سوخت فسيلي تأمين شود، ساليانه 106 ميليون مگاوات ساعت انرژي الكتريكي توليد مي­شود.[2]

اگر بخواهيم بررسي كنيم كه چه سهمي از اين نياز برق، قابل توليد توسط انرژي­هاي تجديدپذير است، نيازمند بررسي دقيق علمي و مدل­سازي دقيق شبكه برق ايران هستيم كه پرداختن به آن در اين مقاله نمي­گنجد. لذا به منظور بررسي يك سناريوي مشخص، در اين نوشتار فرض شده است كه حدود ده درصد از برق مورد نياز كشور توسط نيروگاههاي خورشيدي تأمين شود (53 ميليون مگاوات ساعت در سال). در اين صورت با توجه به ضريب ظرفيت نيروگاههاي خورشيدي و ساعت هاي تابش آفتاب، به احداث 30 گيگاوات نيروگاه خورشيدي فتوولتاييك در كشور نياز خواهيم داشت.

شكل 2: محاسبه ظرفيت نيروگاه خورشيدي مورد نياز براي تأمين نيمي از افزايش ظرفيت مورد نياز برق

به اين ترتيب در مقايسه، دو سناريوي مختلف خواهيم داشت: در سناريوي اول 53 ميليون مگاوات ساعت انرژي الكتريكي مورد نياز از طريق نيروگاه­هاي حرارتي (شامل نيروگاه­هاي گازي، بخاري، ديزلي و سيكل تركيبي) تأمين مي­شود. در سناريوي دوم، همين ميزان انرژي الكتريكي از طريق نيروگاههاي خورشيدي تأمين مي­گردد. با توجه به ضريب ظرفيت متفاوت نيروگاههاي خورشيدي در مقايسه با نيروگاههاي حرارتي، به منظور تأمين برق مورد نياز از نيروگاه خورشيدي در سناريوي دوم لازم است ظرفيت نامي نصب شده نيروگاه خورشيدي بيشتر از نيروگاههاي حرارتي باشد (30 گيگاوات نيروگاه خورشيدي). لازم به ذكر است حتي در سناريوي دوم ، كل برق خورشيدي حدود 10 درصد از توليد برق كشور را به خود اختصاص خواهد داد. در ادامه، اين دو سناريو از منظر اقتصادي مورد مقايسه قرار گرفته­ اند.

شكل 3: معرفي دو سناريوي مختلف

عوامل مورد نياز براي توليد شامل مواد ، انرژي و نيروي كار است. براي مقايسه فقط نفت و گاز مصرفي براي تامين سوخت مورد بررسي قرار گرفته و ساير مواد، انرژي و نيروي كاري براي ساخت و راهبري زنجيره سيلكون و برق حرارتي، يكسان فرض شده است. با توجه به تفاوت ابعادي مواد و انرژي و سوخت مصرفي و همچنين مشابهت دو زنجيره از لحاظ شدت انرژي، دقت اين فرضيه تغييري در نتايج تحليل نخواهد داشت.

در سناريوي يك جدول (3) فوق، ورودي­هاي سيستم مورد بررسي شامل موارد 1 (ارز جهت زيرساخت­ توليد گاز)، 2 (ارز جهت زيرساخت توليد برق) و 3 (نفت و گاز جهت تامين سوخت توليد برق) هستند. در سناريوي دو در جدول (3)، ورودي شماره 4 (انرژي خورشيدي) هم به سيستم اضافه مي شود و مقادير آيتم­هاي 1، 2 و 3 متناسباً تغيير مي­كنند. در ادامه، تغييرات اين پارامترها مورد بررسي قرار گرفته است.

سناريوي يك، بر مبناي ورود نفت و گاز تقريباً رايگان به نيروگاههاي حرارتي و سوختن مداوم اين سوخت­ها در نيروگاههاست. در سناريوي پيشنهادي دوم، مقدار بسيار بسيار كمتري نفت و گاز به منظور توسعه زيرساخت نيروگاههاي خورشيدي و خط توليد پنل هاي خورشيدي از كوارتز استفاده مي­شود و پس از آن به مدت 20 سال آتي بدون نياز به سوزاندن سوخت هاي فسيلي، برق توليد مي­شود.

شكل 4: مرزهاي سيستم تأمين برق در ايران در دو سناريوي مورد بحث

3.      تطابق توليد نيروگاه خورشيدي با تقاضاي شبكه برق ايران

نكته قابل توجه اين است كه گرچه انرژي خورشيدي در تمامي ساعت­هاي روز در دسترس نيست، اما خوشبختانه كشور ما از اين نظر وضعيت كاملاً مطلوبي دارد و پيك مصرف برق شبكه با ساعت­هاي توليد برق توسط نيروگاههاي خورشيدي مطابقت كامل دارد.

نمودار  1: مقايسه توليد برق نيروگاههاي خورشيدي با مصرف برق شبكه ايران در طي يك روز تابستاني

نمودار 2: مقايسه توليد برق نيروگاههاي خورشيدي با مصرف برق شبكه ايران در ماههاي مختلف سال

همانطور كه در نمودارهاي فوق قابل ملاحظه است، با توجه به الگوي مصرف برق و همچنين ساعت­هاي آفتابي در كشور، مي­توان ديد كه اولاً توليد روزانه نيروگاههاي خورشيدي به نحوي است كه با پيك ظهر شبكه تطابق كامل دارد؛ در ثاني ضريب بار ماهيانه (انرژي الكتريكي قابل توليد در هر ماه نسبت به كل ساعت­هاي ماه) براي نيروگاههاي خورشيدي در ايران در نيمه اول سال كه پيك ماهيانه مصرف برق بالاتر است، بيشترين مقدار را داراست. لذا در ايران نيروگاههاي خورشيدي به نحو بسيار مناسبي با الگوي مصرف تطبيق دارند.

4.      ايجاد چرخه كامل نيروگاه خورشيدي: پاسخي به چالش انرژي كشور

در سناريوي دوم، فرآيند كامل ايجاد نيروگاههاي خورشيدي از كوارتز به عنوان جايگزيني براي توسعه ظرفيت توليد برق كشور پيشنهاد مي شود. دست­يابي به تكنولوژي فرآيند كامل نيروگاههاي خورشيدي مي­تواند كليد توسعه بخش انرژي كشور باشد كه متاسفانه با وجود پيشرفت روزافزون اين تكنولوژي در دنيا، هنوز در داخل كشور دانش آن ايجاد نشده است.

به منظور افزايش اشتغال و كاهش ميزان ارزبري تجهيزات خورشيدي، مي بايست  با تحقيق و توسعه به دانش و تكنولوژي مربوط به ساخت پنل­هاي خورشيدي و كليه تجهيزات جانبي مورد نياز آن دست يافت و با سرمايه گذاري براي احداث كارخانه­ ها ، ظرفيت كافي براي احداث ساليانه 2 گيگاوات نيروگاه خورشيدي را فراهم نمود. بررسي كيفيت منابع كوارتز و مواد جانبي مورد نياز براي تهيه سيليكون متالورژي و پله­هاي بعدي اين زنجيره، نياز به مطالعات امكان ­سنجي توسط متخصصين اين حوزه خواهد داشت.

شكل 5: مراحل توليد پنل خورشيدي از كوارتز

قابل ذكر است كه آنچه در حال حاضر در كشور به عنوان توليد صنعتي پنل هاي خورشيدي انجام مي شود، تنها شامل دو مرحله آخر است، يعني توليد پنل خورشيدي از سلول­هاي خورشيدي و سپس احداث نيروگاه­هاي خورشيدي. به عبارت ديگر، تنها بخش پايين دستي اين صنعت در داخل كشور فعال است. در اين روش پيشنهادي ، سلول خورشيدي به عنوان كالاي اصلي اين چرخه در مقابل صادرات نفت وارد كشور مي شود.

تخمين زده مي شود كه براي احداث مجموعه كامل ساخت پنل هاي خورشيدي از كوارتز تا پنل هاي خورشيدي به ظرفيت ساليانه 2 گيگاوات، همچنين كارخانجات توليد اينورترهاي خورشيدي و ساير ملزومات نيروگاههاي خورشيدي، حدود 2.4 ميليارد دلار سرمايه گذاري اوليه مورد نياز است. اگر قيمت هر بشكه نفت خام را به طور متوسط 60 دلار فرض كنيم، اين ميزان سرمايه گذاري معادل با 40 ميليون بشكه نفت خام خواهد بود.

جدول 1: هزينه سرمايه گذاري مورد نياز براي فرآيند كامل توليد نيروگاه خورشيدي

انرژي مصرفي براي توليد پنل­هاي خورشيدي مورد نياز براي 30 گيگاوات نيروگاه خورشيدي هم بايد در محاسبات لحاظ شود. در چرخه توليد پنل خورشيدي، بخش مربوط به توليد سيليكون متالورژي و بخصوص پلي سيليكون (قسمت هاي اول و دوم از فرآيند توليد پنل)، بيشترين ميزان مصرف انرژي را دارند. اگر كل انرژي مصرفي مورد نياز براي توليد 30 گيگاوات پنل خورشيدي را حساب كنيم، ميزان آن برابر با 32 ميليون مگاوات ساعت الكتريسيته است كه براي توليد آن 7.4 ميليارد متر مكعب گاز در نيروگاههاي كشور سوزانده مي­شود.

جدول2: انرژي مصرفي

براي مقايسه توجه كنيد كه ميزان سوخت فسيلي كه براي توليد همين ميزان برق (يعني 53 ميليون مگاوات ساعت)  از طريق نيروگاههاي حرارتي كشور طي بيست سال بايد سوزانده شود، برابر با 242 ميليارد متر مكعب گاز است، يعني سي و دو برابر بيشتر از آنچه كه براي توليد نيروگاههاي پاك خورشيدي براي همين ميزان توليد برق مورد نياز است!

طبيعي است كه عدد فوق فقط مربوط به سوخت مصرفي نيروگاههاي حرارتي است و براي بررسي دقيق­تر با توجه به مرزهاي تعريف شده سيستم مورد بررسي، بايد ميزان ارزبري لازم براي احداث نيروگاههاي حرارتي و همچنين ايجاد زيرساخت استخراج گاز را هم در محاسبات ملحوظ نمود.

هزينه سرمايه گذاري لازم براي احداث نيروگاه سيكل تركيبي به طور متوسط برابر 500 دلار بر كيلووات در نظر گرفته مي­شود. با توجه به توسعه دانش احداث و توسعه نيروگاههاي حرارتي در داخل كشور، اگر فرض كنيم 80 درصد تجهيزات اين نيروگاهها ساخت داخل است، حدود 100 دلار به ازاي هر كيلووات ارزبري نيروگاههاي حرارتي خواهد بود.

كل مصرف گاز نيروگاههاي كشور در سال 69000 ميليون متر مكعب (معادل روزانه حدود 200 ميليون مترمكعب) است. در پارس جنوبي، 91 ميليارد دلار سرمايه گذاري براي اجرا و توسعه زيرساخت استخراج گاز انجام شده است و توليد گاز پارس جنوبي، روزانه حدود 500 ميليون متر مكعب است. لذا با تقريب خوبي مي­توان در نظر گرفت كه 40 درصد از سرمايه گذاري انجام شده در پارس جنوبي براي استخراج گاز، جهت توليد گازي بوده است كه در نيروگاهها سوزانده مي شود، يعني حدود 36 ميليارد دلار براي كل نيروگاههاي كشور (65 گيگاوات ظرفيت نامي نيروگاههاي حرارتي كشور).

جدول 3: مقايسه ارزبري و مصرف انرژي سناريوي يك و دو

مقايسه بين دو سناريوي فوق الذكر از نظر ميزان مصرف منابع كشور، شامل ارز (يا معادل آن بشكه نفت خام) و گاز طبيعي مصرفي، نمايانگر هدررفت بسيار زياد منابع كشور در روش فعلي تأمين انرژي در كشور است. اميد است كه با بكارگيري تدبير و اتخاذ روش­هاي مناسب، جهت دست­يابي كشور به دانش و تكنولوژي روز اين فناوري پاك، برنامه­ريزي شود و از منابع نفت و گاز كشور براي ايجاد زيرساخت توليد برق پايدار و پاك بهره ­برداري شود.

شكل 6: مقايسه ميزان نفت و گاز براي توليد برق از طريق سناريوهاي 1 و 2

تحقيقات نشان داده است كه با توجه به پيشرفت­هاي تكنولوژيكي انجام شده در سال­هاي اخير، انرژي مصرفي در پروسه توليد هر پنل خورشيدي ظرف يك سال و نيم كاركرد پنل جبران مي­شود. نتايج مقاله حاضر كه در شكل (6) مشاهده مي­شود، مبني بر اينكه انرژي مصرفي سناريوي اول حدود 30 برابر سناريوي دوم است، نيز به نوعي مويد همين موضوع است.

لطفاً نظرات و پيشنهادات خود را از طريق آدرس ايميل iran@kpv-solar.com با نويسندگان مقاله در ميان بگذاريد.

 توضيحات:

[1] مطابق با برآورد برنامه ششم توسعه

[2] بر اساس نسبت ميزان توليد ويژه برق در نيروگاههاي حرارتي كشور به قدرت نامي اين نيروگاهها در سال 1396

منابع:

1. http://danakhabar.com/fa/news/سرمايه گذاري پارس جنوبي
2. https://www.apricum-group.com/electricity-payback-time-pv-system-facts/
3. آمار صنعت برق، توانير، راهبردي 1396
4. شركت مديريت شبكه برق ايران، گزارش وضعيت شبكه برق كشور، سال 1397
5. http://re.jrc.ec.europa.eu/pvg_tools/en/tools.html
6. The capital intensity of photovoltaic manufacturing: barriers to scale and opportunity for innovation, Douglas M. Powell, et. al., Massachusetts Institute of Technology, Energy and Environmental Science, 2015.
7. Energy payback time and carbon footprint of commercial photovoltaic systems, J. (Mariska) de Wild-Scholten, 2013.