دستیابی به دانش فرآوری سیلیکون

 ۹۵ درصد صرفه جویی در مصرف نفت و گاز

محمد محقق، مهدی محقق، نگین بهشت کار

برای تامین نیازهای کشور ایران می بایست ۱۰۰ میلیون مگاوات ساعت به ظرفیت تولید انرژی الکتریکی سالیانه کشور افزوده شود.[1] اگر به روش فعلی تولید برق یعنی استفاده از منابع فسیلی نفت و گاز این نیاز تامین شود، در ۲۰ سال آینده 250 میلیون بشکه نفت خام و 480 میلیارد متر مکعب گاز فقط برای تأمین این افزایش مصرف می شود. اگر کشور ایران به تکنولوژی چرخه کامل سیلیکون دسترسی داشته باشد، میتواند بیش از ۹۵ درصد در مصرف منابع فسیلی برای تولید برق صرفه جویی کند. تولید سیلیکون در دنیا بیش از ۵۰ سال سابقه دارد و ایران علی رغم بهره مندی از معادن کوارتز و مهندسین خبره، هنوز به این تکنولوژی دست نیافته است. از آنجا که این تکنولوژی کاربرد کاملاً صلح آمیزی دارد هیچ محدودیتی برای دستیابی ایران وجود ندارد و برای کشور هزینه های سیاسی نیز به همراه نخواهد داشت. با توجه به روند برقی شدن وسایل نقلیه و تهویه ساختمان ها، افزایش نیاز کشور به برق حتما شتاب بیشتری هم خواهد یافت که اهمیت چاره اندیشی را بیشتر می­کند. نویسندگان این مقاله معتقدند دستیابی به تکنولوژی چرخه کامل سیلیکون برای کشور ایران بسیار استراتژیک است و نداشتن آن به بهای سوزاندن بی ثمر منابع فسیلی تمام می­شود. این نوشتار به بررسی و مقایسه این دو روش – تولید برق از منابع فسیلی در مقابل چرخه سیلیکون – می­پردازد. توجه اینکه، هرچند نیروگاههای تجدیدپذیر از منظر زیست محیطی و کاهش گازهای گلخانه ای بر نیروگاههای حرارتی برتری دارند، در این بررسی صرفاً معیارهای مستقیم اقتصادی مد نظر قرار گرفته اند و هزینه های تحمیلی به جامعه ایران و جهان ناشی از مصرف سوختهای فسیلی در نظر گرفته نشده است.

1.      سوزاندن 69000 میلیارد متر مکعب گاز در سال برای تولید برق در نیروگاههای کشور

با توجه به ترکیب نیروگاههای کشور، برای تولید هر کیلووات ساعت برق تولیدی در ایران 2157 کیلوکالری معادل با 2.5 کیلووات ساعت انرژی سوزانده می­شود. سوخت عمده مصرفی نیروگاه­های حرارتی کشور را گاز طبیعی تشکیل می­دهد (84 درصد) و گازوئیل و نفت کوره درصد کمتری از سهم سوخت مصرفی را شامل می­شوند. در این مقاله، گاز طبیعی به عنوان سوخت اصلی مورد بررسی و مقایسه در سناریوهای مختلف قرار گرفته است.

در سال 1396، میزان تولید خالص برق در نیروگاههای کشور، برابر با 303 میلیارد کیلووات ساعت بوده است. برای تولید این میزان انرژی الکتریکی، در سال 1396، ترکیبی از سوخت های فسیلی در مجموع با ارزش حرارتی 654000 میلیارد کیلوکالری، معادل با 447 میلیون بشکه نفت خام، سوزانده شده است.

شکل 1: میزان سوخت سوزانده شده برای تولید برق

2.      سناریوی خورشیدی در مقابل سوزاندن سوخت در نیروگاههای حرارتی

هرچند ترکیب فعلی نیروگاههای کشور را عمدتاً نیروگاههای حرارتی تشکیل می­دهند، توسعه ظرفیت نیروگاهی فعلی می­تواند به طرق مختلفی محقق شود. در این مقاله سناریوی استفاده از انرژی خورشیدی در مقابل سوزاندن سوخت در نیروگاههای حرارتی مورد مقایسه قرار گرفته است. فرض شده است که به منظور تأمین نیاز روز افزون کشور به انرژی الکتریکی، لازم است 25000 مگاوات به ظرفیت تولید برق کشور اضافه شود. این فرض، با برنامه ­های بالادستی کشور نیز مطابقت دارد.

اگر این میزان برق کاملاً با روش ­های حرارتی و نیروگاههای سوخت فسیلی تأمین شود، سالیانه 106 میلیون مگاوات ساعت انرژی الکتریکی تولید می­شود.[2]

اگر بخواهیم بررسی کنیم که چه سهمی از این نیاز برق، قابل تولید توسط انرژی­های تجدیدپذیر است، نیازمند بررسی دقیق علمی و مدل­سازی دقیق شبکه برق ایران هستیم که پرداختن به آن در این مقاله نمی­گنجد. لذا به منظور بررسی یک سناریوی مشخص، در این نوشتار فرض شده است که حدود ده درصد از برق مورد نیاز کشور توسط نیروگاههای خورشیدی تأمین شود (53 میلیون مگاوات ساعت در سال). در این صورت با توجه به ضریب ظرفیت نیروگاههای خورشیدی و ساعت های تابش آفتاب، به احداث 30 گیگاوات نیروگاه خورشیدی فتوولتاییک در کشور نیاز خواهیم داشت.

شکل 2: محاسبه ظرفیت نیروگاه خورشیدی مورد نیاز برای تأمین نیمی از افزایش ظرفیت مورد نیاز برق

به این ترتیب در مقایسه، دو سناریوی مختلف خواهیم داشت: در سناریوی اول 53 میلیون مگاوات ساعت انرژی الکتریکی مورد نیاز از طریق نیروگاه­های حرارتی (شامل نیروگاه­های گازی، بخاری، دیزلی و سیکل ترکیبی) تأمین می­شود. در سناریوی دوم، همین میزان انرژی الکتریکی از طریق نیروگاههای خورشیدی تأمین می­گردد. با توجه به ضریب ظرفیت متفاوت نیروگاههای خورشیدی در مقایسه با نیروگاههای حرارتی، به منظور تأمین برق مورد نیاز از نیروگاه خورشیدی در سناریوی دوم لازم است ظرفیت نامی نصب شده نیروگاه خورشیدی بیشتر از نیروگاههای حرارتی باشد (30 گیگاوات نیروگاه خورشیدی). لازم به ذکر است حتی در سناریوی دوم ، کل برق خورشیدی حدود 10 درصد از تولید برق کشور را به خود اختصاص خواهد داد. در ادامه، این دو سناریو از منظر اقتصادی مورد مقایسه قرار گرفته­ اند.

شکل 3: معرفی دو سناریوی مختلف

عوامل مورد نیاز برای تولید شامل مواد ، انرژی و نیروی کار است. برای مقایسه فقط نفت و گاز مصرفی برای تامین سوخت مورد بررسی قرار گرفته و سایر مواد، انرژی و نیروی کاری برای ساخت و راهبری زنجیره سیلکون و برق حرارتی، یکسان فرض شده است. با توجه به تفاوت ابعادی مواد و انرژی و سوخت مصرفی و همچنین مشابهت دو زنجیره از لحاظ شدت انرژی، دقت این فرضیه تغییری در نتایج تحلیل نخواهد داشت.

در سناریوی یک جدول (3) فوق، ورودی­های سیستم مورد بررسی شامل موارد 1 (ارز جهت زیرساخت­ تولید گاز)، 2 (ارز جهت زیرساخت تولید برق) و 3 (نفت و گاز جهت تامین سوخت تولید برق) هستند. در سناریوی دو در جدول (3)، ورودی شماره 4 (انرژی خورشیدی) هم به سیستم اضافه می شود و مقادیر آیتم­های 1، 2 و 3 متناسباً تغییر می­کنند. در ادامه، تغییرات این پارامترها مورد بررسی قرار گرفته است.

سناریوی یک، بر مبنای ورود نفت و گاز تقریباً رایگان به نیروگاههای حرارتی و سوختن مداوم این سوخت­ها در نیروگاههاست. در سناریوی پیشنهادی دوم، مقدار بسیار بسیار کمتری نفت و گاز به منظور توسعه زیرساخت نیروگاههای خورشیدی و خط تولید پنل های خورشیدی از کوارتز استفاده می­شود و پس از آن به مدت 20 سال آتی بدون نیاز به سوزاندن سوخت های فسیلی، برق تولید می­شود.

شکل 4: مرزهای سیستم تأمین برق در ایران در دو سناریوی مورد بحث

3.      تطابق تولید نیروگاه خورشیدی با تقاضای شبکه برق ایران

نکته قابل توجه این است که گرچه انرژی خورشیدی در تمامی ساعت­های روز در دسترس نیست، اما خوشبختانه کشور ما از این نظر وضعیت کاملاً مطلوبی دارد و پیک مصرف برق شبکه با ساعت­های تولید برق توسط نیروگاههای خورشیدی مطابقت کامل دارد.

نمودار  1: مقایسه تولید برق نیروگاههای خورشیدی با مصرف برق شبکه ایران در طی یک روز تابستانی

نمودار 2: مقایسه تولید برق نیروگاههای خورشیدی با مصرف برق شبکه ایران در ماههای مختلف سال

همانطور که در نمودارهای فوق قابل ملاحظه است، با توجه به الگوی مصرف برق و همچنین ساعت­های آفتابی در کشور، می­توان دید که اولاً تولید روزانه نیروگاههای خورشیدی به نحوی است که با پیک ظهر شبکه تطابق کامل دارد؛ در ثانی ضریب بار ماهیانه (انرژی الکتریکی قابل تولید در هر ماه نسبت به کل ساعت­های ماه) برای نیروگاههای خورشیدی در ایران در نیمه اول سال که پیک ماهیانه مصرف برق بالاتر است، بیشترین مقدار را داراست. لذا در ایران نیروگاههای خورشیدی به نحو بسیار مناسبی با الگوی مصرف تطبیق دارند.

4.      ایجاد چرخه کامل نیروگاه خورشیدی: پاسخی به چالش انرژی کشور

در سناریوی دوم، فرآیند کامل ایجاد نیروگاههای خورشیدی از کوارتز به عنوان جایگزینی برای توسعه ظرفیت تولید برق کشور پیشنهاد می شود. دست­یابی به تکنولوژی فرآیند کامل نیروگاههای خورشیدی می­تواند کلید توسعه بخش انرژی کشور باشد که متاسفانه با وجود پیشرفت روزافزون این تکنولوژی در دنیا، هنوز در داخل کشور دانش آن ایجاد نشده است.

به منظور افزایش اشتغال و کاهش میزان ارزبری تجهیزات خورشیدی، می بایست  با تحقیق و توسعه به دانش و تکنولوژی مربوط به ساخت پنل­های خورشیدی و کلیه تجهیزات جانبی مورد نیاز آن دست یافت و با سرمایه گذاری برای احداث کارخانه­ ها ، ظرفیت کافی برای احداث سالیانه 2 گیگاوات نیروگاه خورشیدی را فراهم نمود. بررسی کیفیت منابع کوارتز و مواد جانبی مورد نیاز برای تهیه سیلیکون متالورژی و پله­های بعدی این زنجیره، نیاز به مطالعات امکان ­سنجی توسط متخصصین این حوزه خواهد داشت.

شکل 5: مراحل تولید پنل خورشیدی از کوارتز

قابل ذکر است که آنچه در حال حاضر در کشور به عنوان تولید صنعتی پنل های خورشیدی انجام می شود، تنها شامل دو مرحله آخر است، یعنی تولید پنل خورشیدی از سلول­های خورشیدی و سپس احداث نیروگاه­های خورشیدی. به عبارت دیگر، تنها بخش پایین دستی این صنعت در داخل کشور فعال است. در این روش پیشنهادی ، سلول خورشیدی به عنوان کالای اصلی این چرخه در مقابل صادرات نفت وارد کشور می شود.

تخمین زده می شود که برای احداث مجموعه کامل ساخت پنل های خورشیدی از کوارتز تا پنل های خورشیدی به ظرفیت سالیانه 2 گیگاوات، همچنین کارخانجات تولید اینورترهای خورشیدی و سایر ملزومات نیروگاههای خورشیدی، حدود 2.4 میلیارد دلار سرمایه گذاری اولیه مورد نیاز است. اگر قیمت هر بشکه نفت خام را به طور متوسط 60 دلار فرض کنیم، این میزان سرمایه گذاری معادل با 40 میلیون بشکه نفت خام خواهد بود.

جدول 1: هزینه سرمایه گذاری مورد نیاز برای فرآیند کامل تولید نیروگاه خورشیدی

انرژی مصرفی برای تولید پنل­های خورشیدی مورد نیاز برای 30 گیگاوات نیروگاه خورشیدی هم باید در محاسبات لحاظ شود. در چرخه تولید پنل خورشیدی، بخش مربوط به تولید سیلیکون متالورژی و بخصوص پلی سیلیکون (قسمت های اول و دوم از فرآیند تولید پنل)، بیشترین میزان مصرف انرژی را دارند. اگر کل انرژی مصرفی مورد نیاز برای تولید 30 گیگاوات پنل خورشیدی را حساب کنیم، میزان آن برابر با 32 میلیون مگاوات ساعت الکتریسیته است که برای تولید آن 7.4 میلیارد متر مکعب گاز در نیروگاههای کشور سوزانده می­شود.

جدول2: انرژی مصرفی

برای مقایسه توجه کنید که میزان سوخت فسیلی که برای تولید همین میزان برق (یعنی 53 میلیون مگاوات ساعت)  از طریق نیروگاههای حرارتی کشور طی بیست سال باید سوزانده شود، برابر با 242 میلیارد متر مکعب گاز است، یعنی سی و دو برابر بیشتر از آنچه که برای تولید نیروگاههای پاک خورشیدی برای همین میزان تولید برق مورد نیاز است!

طبیعی است که عدد فوق فقط مربوط به سوخت مصرفی نیروگاههای حرارتی است و برای بررسی دقیق­تر با توجه به مرزهای تعریف شده سیستم مورد بررسی، باید میزان ارزبری لازم برای احداث نیروگاههای حرارتی و همچنین ایجاد زیرساخت استخراج گاز را هم در محاسبات ملحوظ نمود.

هزینه سرمایه گذاری لازم برای احداث نیروگاه سیکل ترکیبی به طور متوسط برابر 500 دلار بر کیلووات در نظر گرفته می­شود. با توجه به توسعه دانش احداث و توسعه نیروگاههای حرارتی در داخل کشور، اگر فرض کنیم 80 درصد تجهیزات این نیروگاهها ساخت داخل است، حدود 100 دلار به ازای هر کیلووات ارزبری نیروگاههای حرارتی خواهد بود.

کل مصرف گاز نیروگاههای کشور در سال 69000 میلیون متر مکعب (معادل روزانه حدود 200 میلیون مترمکعب) است. در پارس جنوبی، 91 میلیارد دلار سرمایه گذاری برای اجرا و توسعه زیرساخت استخراج گاز انجام شده است و تولید گاز پارس جنوبی، روزانه حدود 500 میلیون متر مکعب است. لذا با تقریب خوبی می­توان در نظر گرفت که 40 درصد از سرمایه گذاری انجام شده در پارس جنوبی برای استخراج گاز، جهت تولید گازی بوده است که در نیروگاهها سوزانده می شود، یعنی حدود 36 میلیارد دلار برای کل نیروگاههای کشور (65 گیگاوات ظرفیت نامی نیروگاههای حرارتی کشور).

جدول 3: مقایسه ارزبری و مصرف انرژی سناریوی یک و دو

مقایسه بین دو سناریوی فوق الذکر از نظر میزان مصرف منابع کشور، شامل ارز (یا معادل آن بشکه نفت خام) و گاز طبیعی مصرفی، نمایانگر هدررفت بسیار زیاد منابع کشور در روش فعلی تأمین انرژی در کشور است. امید است که با بکارگیری تدبیر و اتخاذ روش­های مناسب، جهت دست­یابی کشور به دانش و تکنولوژی روز این فناوری پاک، برنامه­ریزی شود و از منابع نفت و گاز کشور برای ایجاد زیرساخت تولید برق پایدار و پاک بهره ­برداری شود.

شکل 6: مقایسه میزان نفت و گاز برای تولید برق از طریق سناریوهای 1 و 2

تحقیقات نشان داده است که با توجه به پیشرفت­های تکنولوژیکی انجام شده در سال­های اخیر، انرژی مصرفی در پروسه تولید هر پنل خورشیدی ظرف یک سال و نیم کارکرد پنل جبران می­شود. نتایج مقاله حاضر که در شکل (6) مشاهده می­شود، مبنی بر اینکه انرژی مصرفی سناریوی اول حدود 30 برابر سناریوی دوم است، نیز به نوعی موید همین موضوع است.

لطفاً نظرات و پیشنهادات خود را از طریق آدرس ایمیل iran@kpv-solar.com با نویسندگان مقاله در میان بگذارید.

 توضیحات:

[1] مطابق با برآورد برنامه ششم توسعه

[2] بر اساس نسبت میزان تولید ویژه برق در نیروگاههای حرارتی کشور به قدرت نامی این نیروگاهها در سال 1396

منابع:

1. http://danakhabar.com/fa/news/سرمایه گذاری پارس جنوبی
2. https://www.apricum-group.com/electricity-payback-time-pv-system-facts/
3. آمار صنعت برق، توانیر، راهبردی 1396
4. شرکت مدیریت شبکه برق ایران، گزارش وضعیت شبکه برق کشور، 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.