راهنمای جامع نیروگاه حرارتی؛ تولید پایدار و راندمان بالا در تأمین انرژی
چرا «حرارت» هنوز پشت صحنهی برق است؟
بیشتر برق دنیا همچنان با تبدیل حرارت به انرژی مکانیکی و سپس الکتریکی تولید میشود. منبع حرارت میتواند گاز و زغالسنگ، زیستتوده و زباله، انرژی خورشیدِ متمرکز، گرمای درون زمین یا شکافت هستهای باشد. انتخاب درست فناوری حرارتی میتواند هزینه تأمین برق، امنیت انرژی، ردپای کربن و حتی توسعه صنعتی یک منطقه را تعیین کند.
طبقهبندی و اصول کاری انواع نیروگاههای حرارتی
در همه مدلها یک اصل ثابت است: دورِ حرارتی (Rankine/Brayton) و مشتقات (مبدلها و مدیریت تلفات) انواع رایج عبارتند از:
توربین گاز سیکل ساده (OCGT)
هوای فشرده + احتراق 🡸 توربین گاز 🡸 ژنراتور. راهاندازی سریع و مناسب پیک بار، اما بازدهی پایینتر. بازدهی معمول ۲۰–۳۵٪ است.
سیکل ترکیبی گاز–بخار (CCGT)
گازِ داغِ خروجیِ توربین گاز وارد HRSG شده و بخارِ محرکِ توربین بخار را میسازد؛ عملاً دو چرخهی برایتون و رَنکین سری میشوند. رکوردهای صنعتیِ امروز به بیش از ۶۰٪ و حتی ۶۲–۶۴٪ خالص رسیدهاند.
نیروگاه بخاری سوخت فسیلی (زغالسنگ/مایع)
بویلرِ فشاربالا 🡸 بخار فوقداغ 🡸 توربین بخار. در نسخههای فوقبحرانی/فوقفوقبحرانی USC/A-USC)) بازدهی تا حدود ۴۵٪ میرسد (میانگین جهانی واحدهای قدیمی ~۳۳٪).
تولید همزمان برق و حرارت (CHP/Cogeneration)
هدف، بیشینهکردن «بازدهی کلِ» سایت است: برق + بخار/آبگرم فرایندی. بازدهی کل معمولاً ۶۵–۸۰٪ و در برخی طرحها نزدیک ۹۰٪ است.
زیستتوده و زبالهسوز (WtE)
عبارت است از چرخهی بخاری با سوختِ پسماندهای کشاورزی/جنگلی یا پسماند شهری. بازدهی الکتریکی خالص معمولاً ۲۰–۳۰٪ (در WtE اغلب ۲۰–۲۷٪) است؛ با CHP، استفاده از حرارت خروجی تا ۸۵٪ نیز گزارش میشود.
زمینگرمایی (خشک/فلش/باینری)
گرمای مخزنِ زیرزمینی به بخار/سیالِ کاری منتقل میشود. به دلیل دما/آنتالپی کمتر، بازدهی الکتریکی معمولاً ۱۰–۲۰٪ است اما تولید پایه و پایدار فراهم میکند.
خورشیدیِ حرارتی (CSP: برج/آبراههای)
مایعِ عامل با خورشید گرم و در توربین بخار مصرف میشود؛ ذخیرهسازی حرارتیِ طولانیمدت (مثلاً نمک مذاب ~۱۰ ساعت یا بیشتر) مزیت کلیدی برای تولید عصرگاهی است.
هستهای (PWR/BWR) – بخار با منبع شکافت
بازدهی خالص معمولاً ۳۲–۳۷٪؛ اما عمر بهرهبرداری ۶۰ تا ۸۰ سال (با تمدید مجوز) در حال نهادینه شدن است.
کارایی، طول عمر، کیفیت بهرهبرداری
بازدهی الکتریکی
CCGTدر صدر (۵۰–۶۴٪)، سپس بخاری USC (~۴۵٪)، هستهای (~۳۵٪)، OCGT (۲۰–۳۵٪)، زیستتوده/WtE (۲۰–۳۰٪)، زمینگرمایی (۱۰–۲۰٪)، CSP (۱۵–۲۵٪).
عمر مفید
هستهای (۶۰–۸۰ سال با SLR)، بخاری زغالسنگ (۴۰–۵۰)، CCGT (۲۵–۳۵)، OCGT و CHP و زیستتوده/WtE (۲۰–۳۰)، زمینگرمایی (۳۰–۵۰ با وابستگی مخزن)، CSP (۲۵–۳۰).
کیفیت/قابلیت مانور
OCGTو واحدهای گازسوز جدید، چابکترین (شروع/شیب توان بالا). CCGTهای مدرن نیز انعطافپذیری خوبی دارند، اما در هوای گرم و بار کم، افت بازده میدهند. بخاریهای سنتی و هستهای انعطاف کمتری دارند ولی پایدار و قابل اتکا هستند.
آب و محیطزیست
واحدهای بخاری و CCGT سنتی معمولاً نیاز آبی محسوس دارند (بر حسب سامانه خنککاری). WtE چالش جدی فیلتراسیون دودکش دارد؛ زغالسنگ آلایندههای کلاسیک (SOx/NOx/ذرات/ ₂CO ) را بالا میبرد؛ هستهای ₂CO بسیار کم اما مدیریت سوخت مصرفشده دارد. CSP نیاز سطح زمین زیاد و وابستگی تابش دارد؛ زمینگرمایی نیازمند مدیریت سیالات و تزریق مجدد است.
مقایسه انواع نیروگاه حرارتی
| نوع نیروگاه | بازدهی (%) | عمر مفید (سال) |
| بخاری (زغال/مایع) | 39 | 45 |
| گاز توربین ساده (OCGT) | 30 | 25 |
| سیکل ترکیبی (CCGT) | 58 | 30 |
| CHP (کل سیستم) | 78 | 25 |
| زیستتوده | 27 | 25 |
| زبالهسوز (WtE) | 24 | 30 |
| زمینگرمایی | 15 | 40 |
| خورشیدی حرارتی (CSP) | 20 | 27 |
| هستهای | 34 | 70 |
هزینهها
بهدلیل تغییرات سریع قیمتها و محل پروژه، اعداد دقیق LCOE/CapEx (هزینه سرمایه گذاری اولیه / هزینه تراز شده انرژی) را بهتر است با برآورد محلی تکمیل کرد؛ در ادامه جمعبندی کیفی/نسبی برای تصمیمسازی اولیه ارائه می شود.
OCGT
سرمایهگذاری کم، مناسب تأمین پیک، هزینه سوخت اثرگذارترین عامل.
CCGT
سرمایهگذاری متوسط، هزینه برق رقابتی در صورت گازِ مطمئن؛ بهترین گزینه برای بار میانی/پایه کمکربن در کوتاهمدت.
بخاری زغالسنگ
سرمایهگذاری و هزینه محیطزیست بالا؛ فقط در صورت دسترسی ارزان و سیاست بومی.
CHP
اقتصادیترین گزینه برای سایتهای صنعتی/شهری با نیاز حرارتی پایدار (بهرهوری کل بسیار بالا).
زیستتوده/WtE
هزینه سرمایه و بهرهبرداری بالاتر، اما مزیت حل مسئله پسماند/امنیت سوخت محلی.
زمینگرمایی
CapE حفاری بالاست، ولی O&M پایین و تولید پایه جذاب است (در مناطق مستعد).
CSP
CapEx بالا اما با ذخیره حرارتی ارزش شبکهای بالایی ایجاد میکند (جابجایی تولید به ساعات اوج).
هستهای
CapEx و زمان ساخت زیاد؛ عمر بسیار طولانی و تولید پایهی بدون کربن.
چکلیست سریع مزایا و معایب کلیدی هر فناوری
| نوع نیروگاه | مزایا | معایب |
| OCGT | انعطاف/شروع سریع | بازده پایین |
| CCGT | بازده بالا/آلایندگی کمتر از زغالسنگ | نیاز به آب/حساسیت به دمای محیط |
| بخاری فسیلی | توان نامی بزرگ/پایداری | آلایندگی و ₂CO زیاد |
| CHP | کارایی کل ۶۵–۹۰٪ | وابستگی به تقاضای حرارت |
| زیستتوده/WtE | مدیریت پسماند/کربن خنثی مشروط | تأمین سوخت/کنترل آلودگی |
| CSP | ذخیره حرارتی بلندمدت | زمین/تابش/CapEx بالا |
| هستهای | پایهبار بلندمدت کمکربن | زمان/سرمایه/مجوزدهی و پسماند |
راهنمای انتخاب بر اساس سناریوهای واقعی
شبکه با نوسان تجدیدپذیر زیاد و نیاز به چابکی: OCGT (برای پیک) + CCGT انعطافپذیر.
شهر/صنعت با تقاضای پایدار بخار/آبگرم: CHP بهترین TCO (هزینه کل مالکیت) را میدهد.
استان دارای پسماند شهری و محدودیت دفن: WtE با CHP.
منطقهی با پتانسیل زمینگرمایی: زمینگرمایی بهعنوان پایهبار کمکربن.
تابش قوی و نیاز به تأمین عصرگاهی: CSP با ذخیره حرارتی.
افق بلندمدت کربنصفر و بار پایهی حجیم: هستهای (با توجه به سیاست و زنجیره تأمین).
دسترسی مطمئن به گاز و قیود انتشار: CCGT گزینهی مرجع با کمترین هزینه کربنِ فسیلی.
جمعبندی
اگر هزینه تمامشده و سرعت اجرا اولویت است و گاز در دسترس دارید، CCGT معمولاً بهترین نقطهی شروع است.
برای پیک و رزرو چابک، OCGT بیرقیب است.
برای بهرهوری کل سایت، هرجا که حرارت مفید دارید، CHP را در اولویت بگذارید.
بهدنبال پایهبار کمکربن؟ در مناطق مستعد، زمینگرمایی و در افق بلندمدت، هستهای را بررسی کنید.
اگر مدیریت پسماند و امنیت سوخت محلی مهم است، WtE/زیستتوده مزیت استراتژیک دارد.
در اقلیمهای آفتابی، برای جابجایی تولید به ساعات اوج، CSP با ذخیره حرارتی ارزش شبکهای بالایی ایجاد میکند.
