امکان سنجی تولید هیدروژن و آمونیاک سبز در ایران

خلاصه‌ای از نکات مهم مقاله‌ی Kakavand et al. (2023) در رابطه با کارخانه‌ی تولید هیدروژن و آمونیاک سبز

• مقاله به طور کلی، در پی ارائه‌ی چند پیشنهاد برای ساخت کارخانه‌ی هیدروژن و آمونیاک با منابع تجدیدپذیر و ارائه‌ی یک تحلیل فنی-اقتصادی از این گزینه‌ها است.
• انرژی‌های تجدیدپذیر در نظر گرفته شده، یکی انرژی خورشیدی و یکی انرژی بادی است.
• این انرژی‌ها در همه جای ایران با شدت یکسان در دسترس نیستند و باید چند مکان مناسب برای استحصال آنها در نظر گرفت.
• هدف نهایی تولید، صادرات است. بنابراین محصول تولیدی نهایی، برای صادرات به نزدیکترین بندرگاه شمالی یا جنوبی منتقل می‌گردد.
• در این پژوهش، چهار مکان بالقوه برای نیروگاه‌های بادی و خورشیدی در نظر گرفته شده است:
  • نیریز (فارس): با انرژی خورشیدی بیشتر
  • سنگان (خراسان رضوی): با انرژی بادی بیشتر
  • اسفندک (سیستان و بلوچستان): غنی هم از نظر انرژی بادی و هم از نظر انرژی خورشیدی
  • چابهار (سیستان و بلوچستان): از نظر منابع انرژی جذابیت ویژه‌ای ندارد؛ اما چون دارای بندرگاه است مورد بررسی قرار گرفته است (تولید و صادرات در یک مکان و بدون نیاز به جابجایی مواد و انرژی)
• عناصر اصلی مجموعه‌ی کارخانه را موارد زیر تشکیل می‌دهند:
  • نیروگاه انرژی تجدیدپذیر: تولید برق در این نیروگاه از طریق توربین‌های بادی و سلول‌های فوتوولتاییک انجام می‌پذیرد.
  • نیروگاه انرژی تجدیدپذیر: تولید برق در این نیروگاه از طریق توربین‌های بادی و سلول‌های فوتوولتاییک انجام می‌پذیرد.
  • الکترولایزر: آب (شیرین) را به عنوان ورودی می‌گیرد و خروجی آن هیدروژن است. به علاوه خود این واحد نیز مجهز به یک دستگاه تصفیه‌ی آب است. به دلایل متعدد فنی از یک الکترولایزر PEM استفاده می‌شود.
  • آب‌شیرین‌کن: همانطور که گفته شد، برای تولید هیدروژن، از الکترولیز آب در یک الکترولایزر استفاده می‌شود. آب مورد نیاز این الکترولایزر، به دلیل کمبود منابع آب در ایران، از آب نزدیک‌ترین دریا تامین می‌گردد. آب شور برای استفاده در الکترولایزر مناسب نیست و باید آن را شیرین کرد. اگر واحد الکترولایزر در نزدیک دریا نباشد (یعنی در نزدیک منبع انرژی باشد)، باید آب به مکان الکترولایزر منتقل شود. اما نمی‌توان آب شور را از طریق لوله منتقل کرد چون به شدت خورنده است و باعث آسیب به لوله‌ها می‌شود. بنابراین واحد آب‌شیرین‌کن حتما باید در نزدیک دریا باشد و سپس (در صورت لزوم) آب شیرین به مکان الکترولایزر منتقل شود. به دلایل فنی، نوع این آب‌شیرین‌کن MVC در نظر گرفته شده است. املاح از فرآورده‌های جانبی این واحد هستند و می‌توان آنها را برای جبران بخشی از هزینه‌های پروژه در بازار به فروش رساند.
  • مخزن ذخیره‌سازی هیدروژن: که هیدروژن حاصل از الکترولیز در آن ذخیره می‌شود. هیدروژن در فاز گازی ذخیره می‌گردد چون کم‌هزینه‌تر است.
  • واحد جداسازی هوا : ورودی این واحد هوا و خروجی آن گاز نیتروژن است. اکسیژن نیز دیگر فرآورده‌ی ارزشمند این واحد است که می‌تواند ذخیره گردیده و در بازار فروخته شود و به این ترتیب بخشی از هزینه‌های پروژه جبران گردد.
  • واحد تولید آمونیاک: در این واحد (که رآکتور نیز نامیده می‌شود) هیدروژن تولیدی الکترولایزر و نیتروژن تولیدی واحد جداسازی هوا با یکدیگر واکنش داده و مقداری آمونیاک تولید می‌کنند.
  • مخزن ذخیره‌سازی آمونیاک: آمونیاک ترکیبی سمی و اشتعال‌پذیر است و می‌تواند باعث خوردگی مخازن ساخته‌شده از فولاد معمولی شود. بنابراین برای ذخیره‌ی آمونیاک باید از فولاد زنگ‌نزن استفاده کرد. آمونیاک در فاز مایع و در دمای 33- درجه و فشار 10 بار ذخیره می‌گردد و می‌تواند 30 روز در مخزن بماند.
  • خط لوله: مسافت‌های در نظر گرفته شده در این پژوهش بیش از آن است که بتوان انتقال مواد را به کمک کامیون انجام داد. بنابراین برای انتقال مواد از خط لوله استفاده شده است.
  • واحدهای پمپاژ و کمپرسور: برای بالا بردن فشار گازها (چه به منظور ذخیره‌سازی و چه به منظور واکنش) از کمپرسورها استفاده می‌شود. همچنین در طول خط لوله از تعدادی پمپ استفاده می‌شود که تعداد بهینه‌ی آنها نیز از طریق محاسباتی در پژوهش به دست آمده است.
• • همانطور که گفته شد، دو مکان مهم در این پروژه وجود دارد. یکی مکان استحصال انرژی و دیگری بندرگاه. همچنین چندین واحد برای این کارخانه داریم. دو مسئله‌ی مهم تصمیم‌گیری (Decision Problem) در این پروژه وجود دارد:
  • در کدام مکان (نیریز، سنگان، اسفندک یا چابهار) نیروگاه احداث کنیم؟
  • کدام واحدها را نزدیک نیروگاه و کدام واحدها را نزدیک بندرگاه احداث کنیم؟
  • برای پاسخ به سوال دوم، سه سناریو (سه گزینه) در نظر گرفته شده است:
• برای پاسخ به سوال دوم، سه سناریو (سه گزینه) در نظر گرفته شده است:
  • سناریوی اول: فقط نیروگاه در محل انرژی تجدیدپذیر احداث شود و سایر واحدها در نزدیکی بندرگاه احداث شوند.
    • مطابق تصویر زیر در این سناریو نیازی به خط لوله برای انتقال مواد نیست و صرفا برق تولیدی باید از طریق شبکه منتقل گردد.
  • سناریوی دوم: نیروگاه، الکترولایز، واحد جداسازی هوا و واحد تولید آمونیاک در مکان انرژی تجدیدپذیر احداث شوند و آب‌شیرین‌کن و واحد ذخیره‌ی آمونیاک در نزدیک بندرگاه احداث شوند.
    • مطابق تصویر زیر، در این سناریو هم نیاز به انتقال برق از طریق شبکه و هم نیاز به خط لوله برای انتقال آب شیرین و انتقال آمونیاک وجود دارد.
  • سناریوی سوم: نیروگاه و الکترولایزر در مکان انرژی تجدیدپذیر احداث شوند و آب‌شیرین‌کن، واحد جداسازی هوا و واحد تولید و ذخیره‌سازی آمونیاک در نزدیک بندرگاه احداث گردند.
    • مطابق تصویر زیر، در این سناریو نیاز به انتقال برق از طریق شبکه، و خط لوله‌ی انتقال آب و هیدروژن وجود دارد.

• انتقال برق در این پروژه به این صورت است: برق تمام اجزا از شبکه‌ی برق سراسری کشور تامین می‌گردد و به میزان مصرف و اتلاف در شبکه، برق سبز به شبکه تزریق می‌‎‌گردد.
• بیشترین CAPEX در این پروژه به ترتیب مربوط به توربین‌های بادی، سیستم فوتوولتاییک و الکترولایزر است.
• با توجه به آنکه انرژی‌های تجدیدپذیر نوسان‌های زیادی دارند و مانند سوخت‌های فسیلی یک برق ثابت و بدون نوسان تولید نمی‌کنند، برای ثابت کردن برق تولیدی، باتری‌های بزرگی برای ذخیره‌ی انرژی نیز احداث می‌گردد. با این وجود، برق تولیدی برای جبران نوسانات، بیش از مقدار لازم در نظر گرفته می‌شود. مدیریت شبکه‌ی برق ایران قول خرید 10 مگاوات برق سبز را می‌دهد. تضمینی برای فروش مابقی برق تولیدی وجود ندارد. در این پژوهش، مطالعه‌ی اقتصادی هم با فرض فروش برق اضافی و هم با فرض عدم امکان فروش آن در نظر گرفته شده است.
• شبیه‌سازی‌ها در پلتفرم HOMER Pro انجام گرفته است.
• هزینه‌ی ترازشده‎ی برق (LCOE)، هیدروژن (LCOH) و آمونیاک (LCOA) برای سناریوهای مختلف در مناطق مختلف در سه شکل زیر آمده است. اگر بتوان برق اضافی را به شبکه‌ی برق سراسری فروخت، هزینه‌ی آبی‌رنگ (کمتر) و اگر نتوان این کار را انجام داد، هزینه‌ی قرمزرنگ (بیشتر) باید لحاظ گردد.

• هزینه‌ها در نیریز، که منبع انرژی خورشیدی در آن قوی‌تر است، از سایر مکان‌ها (حتی چابهار) بیشتر است. دلیل این امر، هزینه‌ی زیاد انتقال است.
• سناریوی سوم در تمام مکان‌ها سناریوی مغلوب است (هزینه‌ی بیشتری دارد).
• هزینه‌های سناریوی اول و دوم خیلی به هم نزدیک است. در سناریوی اول، از آنجا که همه‌ی زیرسیستم‌ها به جز نیروگاه در نزدیک بندرگاه احداث می‌‌شوند، هزینه‌ی احداث خط لوله وجود ندارد. با این وجود، از آنجا که انتقال برق از طریق شبکه انجام می‌شود، اتلاف انرژی برق هزینه‌ی زیادی ایجاد می‌کند. در سناریوی دوم هزینه‌‌های اتلاف انرژی برق بسیار کمتر هستند، چرا که تنها مقداری جزئی از برق تولیدی از طریق شبکه منتقل می‌گردد. با این حال در این سناریو هزینه‌های خط لوله نسبتا بالاست.
• در اسفندک، با توجه به بالانس بودن مجموعه‌ی انرژی بادی و انرژی خورشیدی، میزان برق تولیدی اضافی خیلی کم است و اگر نتوان برق اضافی را به شبکه فروخت، بهترین گزینه به حساب می‌آید.
• در سنگان بیش از 40 درصد برق تولیدشده مورد نیاز نیروگاه نخواهد بود و از این رو این برق یا باید فروخته شود و یا به نوعی دمپ گردد. دلیل این امر آن است که این مکان، انرژی بادی بالقوه‌ی بیشتری دارد و انرژی بادی معمولا نوسانات بیشتری را تجربه می‌کند. اگر بتوان برق اضافی را فروخت، هزینه‌های سناریوی برنده در سنگان، از هزینه‌های سناریوی برنده در سایر نقاط پایین‌تر است.
• سناریوی برنده در اسفندک سناریوی شماره 1 است. در این سناریو تنها تولید برق در اسفندک انجام می‌شود و سایر تاسیسات در نزدیکی بندرگاه هستند. بنابراین بر خلاف سناریوهای برنده در سنگان و نیریز، در پروژه‌ی اسفندک، به خط لوله و ایستگاه‌های فشار نیازی نخواهد بود.
• در مجموع می‌توان گفت که طرح بهینه برای کارخانه، به راحتی قابل انتخاب نیست و نیاز به تحلیل عمیق دارد. با این وجود، سناریوی شامل انتقال هیدروژن، همیشه سناریوی مغلوب است و می‌تواند از ابتدا در نظر گرفته نشود.
• در تمام سناریوها، بیش از 66 درصد هزینه، صرف تولید برق می‌شود. البته با توجه به پیشرفت‌های سریع فناوری‌های حوزه‌ی انرژی‌های پاک، پیش‌بینی می‌شود که این هزینه‌ در آینده کاهش یابد.
• هدف نهایی پروژه‌های سبز، کاهش تولید CO2 است. پروژه‌ه‌ی حاضرمی‌تواند سالانه 0.75 میلیون تن تولید CO2 را کاهش دهد. اما نکته آن است که با توجه به سهم زیاد سوخت‌های فسیلی از تولید برق در ایران، تزریق مستقیم برق تولیدی به شبکه‌ی برق، باعث کاهش بیشتر CO2 خواهد شد (تا 2.8 برابر). اما این کار نیازمند وضع سیاست از سوی دولت استعلاوه بر این ناپایدار و نوسانی بودن این برق نیز مشکل دیگری در این مسیر است و نیاز به باتری‌ها، می‌تواند به گونه‌ی دیگری به طبیعت آسیب برساند. در تولید آمونیاک، می‌توان به جای ذخیره‌ی برق و پایدارسازی آن، آمونیاک را ذخیره کرد و بدین وسیله فاصله‌ی عرضه و تقاضا را کنترل نمود. این کار نیاز به باتری‌ها را کاهش می‌دهد.
• نتیجه‌ی کلیدی این پژوهش آن است که حتی اگر منبع تولید انرژی، کیلومترها با بندرگاه فاصله داشته باشد، این سناریو می‌تواند نسبت به تولید انرژی و احداث کل کارخانه در نزدیکی بندرگاه به‌صرفه‌تر باشد. یعنی منفعت کیفیت منبع انرژی می‌تواند بر هزینه‌های انتقال غلبه کند.