طراحی مدل برای کاهش انتشار گازهای گلخـانه‌ای در بخش انرژی برق با استــفاده از رویـکرد تلفیــقی برنامه‌ریزی خطی و پویایی‌شناسی سیستمی (مطالعۀ موردی: نیروگاه‌های برق ایران)

1- مقدمه

اﻧﺮژی ﯾﮑﯽ از ﻣﻨـﺎﺑﻊ ﻣﺤﺪود و ﺿـــﺮوری ﺑﺮای اﻧﺠﺎم ﻓﻌﺎﻟﯿﺖﻫﺎی ﻣﺨﺘﻠﻒ اﺳـــﺖ و ﻫﻤﻮاره ﻧﻘﺶ ﻣﻬﻤﯽ در ﺗﻮﺳﻌۀ اﻧﺴﺎﻧﯽ، اﻗﺘﺼﺎدی و رﻓﺎه ﺟﻮاﻣﻊ در دﻫﻪﻫﺎی اﺧﯿﺮ داﺷﺘﻪ ‌اﺳﺖ. ﺑﯿﺸﺘﺮ ﻓﻌﺎﻟﯿﺖﻫﺎی روزﻣﺮۀ اﻧﺴــﺎنﻫﺎ و ﺳــﺒﮏ زﻧﺪﮔﯽ ﻧﻮﯾﻦ ﺑﺪون ﻣﻨﺎﺑﻊ اﻧﺮژی ﻣﻤﮑﻦ نخواﻫﺪ‌ ﺑﻮد. ﻧﯿﺎز ﺟﻮاﻣﻊ اﻣﺮوزی ﺑﻪ اﻧﺮژی در ﺑﺨﺶﻫﺎی ﺻﻨﻌﺖ، ﺧﺪﻣﺎت، ﻣﺴﮑﻦ، ﺣﻤﻞ‎‍و‎‍ﻧﻘﻞ روز به روز ﺣﺎل اﻓﺰاﯾﺶ اﺳﺖ و ﺑﺪون ﺣﺮارت و ﺑﺮق ﺣﺎﺻﻞ از اﺣﺘﺮاق ﺳﻮﺧﺖ، ﺗﻤﺎم ﻓﻌﺎﻟﯿﺖﻫﺎی اﻗﺘﺼﺎدی ﻣﺤﺪود ﻣﯽﺷود. همان‌گونه که استانداردهای زندگی مردم در حال پیشرفت و اقتصاد در حال توسعه است، تقاضا برای برق زیاد می‎‍شود. با توجه به افزایش تقاضای به وجود‎‍ آمده، زمانی که ظرفیت نیروگاه‎‍های برق موجود کافی نباشد، لازم است که نیروگاه‎‍های برق توسعه داده ‎‍‌شود. منبع اصلی تولید انرژی الکتریسته در سراسر جهان، انرژی فسیلی است که عامل اصلی انتشار گازهای گلخانه‎‍ای و آلاینده‎‍های زﯾﺴﺖ‎‍ﻣﺤﯿﻄﯽ است. ﺑﻪ‌دﻟﯿﻞ ﻣﺸﮑﻼﺗﯽ ﮐﻪ در ﭼﺮﺧۀ اﻧﺮژی، زﻧﺪﮔﯽ اﻧﺴﺎنﻫﺎ، ﻣﺴﺎﺋﻞ زﯾﺴﺖ‎‍ﻣﺤﯿﻄﯽ و ﻃﺒﯿﻌﺖ ﺑﻪ‎‍ وﺟﻮد ‌آﻣﺪه ‎‍اﺳﺖ، انسان‎‍ها در تلاشند تا منابع غیر‌آلاینده را جایگزین منابع آلاینده کنند ( صفاری، 1391). با توجه به پیش‌بینی‎‍های به عمل ‌آمده، میزان مصرف انرژی تا سال 2025 به مقدار 57درصد افزایش می‎‍یابد. کاهش روزافزون منابع فسیلی و مشکلات زیست‎‍محیطی به وجود ‎‍آمده از سوخت‎‍های فسیلی، توجه بیشتر کشورهای پیشرفتۀ جهان را به استفاده از انرژی‎‍های نو و تجدیدپذیر جلب کرده‎‍ است.

امروزه تأمین انرژی به یکی از مهم‌ترین مسائل تمامی جوامع تبدیل ‌شده‌ است. کاربرد انرژی در بخش‌های مختلف تجارت، صنعت، خانوار و ... آن‌چنان افزایش ‌یافته ‌است که هرگونه چالشی در حوزۀ تأمین انرژی، خسارت جبران ناپذیری را به بخش‌های اقتصادی وارد می‌کند. با توجه به وضعیت آلودگی هوا و لزوم اتخاذ سیاست‎‍های مناسب برای کاهش آن و همچنین انتشار گازهای گلخانه‎‍ای در ایران، جایگزینی انرژی‎‍های تجدیدپذیر به‌جای سوخت‎‍های فسیلی به کاهش آلاینده‎‍های زیست‎‍محیطی منجر می‌شود. ناپایداری منابع انرژی فسیلی و همچنین آثار خطرناک استفاده از این منابع بر محیط‎‍زیست، جایگزینی این منابع را با منابع تجدیدپذیر تقویت کرده‎‍ است. منابع تجدیدپذیر پایدار است و خسارات بسیار کمتری به محیط‎‍زیست وارد می‎‍کند؛ اما هزینۀ تولید انرژی از این منابع بالاتر از منابع فسیلی است. همچنین امکان برنامه‎‍ریزی بلندمدت برای استفاده از این منابع، بدون پیشرفت تکنولوژی در ذخیره‎‍سازی انرژی وجود ندارد. با بررسی موارد مطرح‎‍شده، ارائۀ یک الگوی بهینۀ تولید انرژی برق ضروری به نظر می‎‍رسد که متشکل از همۀ منابع انرژی، فسیلی و تجدیدپذیر به میزان بهینه و هم‌زمان باشد. بنابراین در این مطالعه برای انواع نیروگاه‎‍های موجود، سه شاخص در نظر گرفته شده‌ است که با استفاده از مدل ریاضی حداقل‎‍سازی انتشار گازهای گلخانه‎‍ای، میزان تولید برای هر نیروگاه محاسبه می‎‍شود، سپس به‌وسیلۀ پویایی‌شناسی سیستمی، میزان انرژی برق تولیدی نیروگاه برای بخش مصارف تعیین می‌شود. هدف مدل تلفیقی، ارائۀ رویکردی برای بهینه‌سازی در اولویت‌بندی تولید و مصرف است. به‌طور کلی در این پژوهش با هدف تعیین درصد برداشت از منبع تولید‌کنندۀ برق، مهم‌ترین سوخت مولد برق شناسایی و با برنامه‌ریزی خطی، کاهش آلودگی محیط‌زیست نتیجه می‎‍شود.

در بخش بعدی پژوهش، پیشینۀ پژوهش بررسی و سپس جدول مقایسه‌ای تدوین می‌شود و به شکاف تحقیقاتی پرداخته می‌شود. بخش سوم شامل مبانی نظری و روش پژوهش و شامل چندین زیربخش است، این بخش گام‌های انجام پژوهش و نحوۀ مدل‌سازی و تعیین شاخص‌های اقتصادی، فنی و زیست‌محیطی را با توجه به داده‌های ترازنامۀ انرژی نیرو معرفی می‌کند. در زیربخش دوم، مدل ریاضی ارائه و همچنین تابع هدف و محدودیت‌ها تشریح می‌شود. در بخش چهارم، نتایج مدل ریاضی و نمودارهای علی و معلولی تجزیه‌وتحلیل شده‌ است. در بخش پنجم، بحث مطرح و درنهایت در بخش ششم نتیجه‌گیری و پیشنهادها دربارۀ کاهش انتشار گاز گلخانه‌‌ای در بخش تولید و مصرف بیان ‌شده ‌است.

2- پیشینۀ پژوهش

برنامه‌ریزی توسعۀ تولید برای تأمین تقاضای رو به ‌‎‍رشد مصرف‌کنندگان انرژی الکتریکی، بخش عمدۀ مطالعات برنامه‌ریزی انرژی را در بر می‌گیرد. برنامه‌ریزی توسعۀ تولید به‌سبب رخداد تجدید ساختار در صنعت برق، عمدتاً به معنای بررسی سیاست‌ها و تصمیمات است. در این میان بخش صنعت یکی از بخش‌های مهم تولید‌کنندۀ انرژی بوده و تلاش برای منطقی‌کردن مصرف انرژی و استفادۀ بهینۀ آن با توجه به محدودیت منابع، همواره درخور توجه سیاست‌گذاران بسیاری از کشورهای در حال توسعه و ازجمله ایران بوده ‌است. اولین، اصلی‌ترین و مهم‌ترین بخش صنعت برق، بخش تولید است ( آمار تفصیلی صنعت برق ایران، 1394). از سویی هزینه‌بربودن واحدهای تولیدی و از سوی دیگر، نقشی که این واحدها در تأمین برق به عهده دارند، ایجاب می‌کند که همواره احداث نیروگاه‌های جدید و استفاده از تکنولوژی نو صورت گیرد و برای اختصاص انرژی برق به بخش مصارف نیز حساسیت بیشتر،  برنامه‌ریزی بهتر و روزآمدتری صورت گیرد.

در کشور ایران به‌دلیل هزینۀ پایین سوخت نیروگاه‌های فسیلی ( شکوری و علی‌اکبری‌ثانی، 2016)، هزینۀ سرمایه‌گذاری اولیۀ کمتر نیروگاه‌های فسیلی نسبت‌به هزینۀ اولیۀ سرمایه‌گذاری در نیروگاه‌های تجدیدپذیر (موسویان و همکاران،2020) و پرداخت‌نکردن هزینه‌های آلایندگی، پایین‎‍بودن هزینۀ تمام‌شدۀ نیروگاه‌های فسیلی، ساخت نیروگاه‌های آن صرفۀ اقتصادی دارد. به‌منظور برنامه‎‍ریزی صحیح و دستیابی به ترکیب بهینۀ نیروگاهی، در مطالعات مختلف در سطح بین المللی، توسعه و ارزیابی گزینه‎‍های مختلف نیروگاهی در کشورهای مختلف مد‌نظر قرار گفته ‌است. علاوه بر اینها، مطالعات داخلی نیز برنامۀ توسعۀ بلند‌مدت بخش نیروگاهی کشور را پیشنهاد داده‎‍ است. دفتر برنامه‎‍ریزی انرژی وزارت نیرو، برنامۀ توسعۀ بهینۀ بخش برق و انرژی‎‍های تجدیدپذیر را از سال 1383 تا سال 1408 ارائه کرده‎‍ است. در این مطالعه از مدل جریان بهینۀ انرژی آیفوم (مدل آیفوم، مدل ارزیابی تکنولوژی‌های مختلف بخش انرژی توسط انستیتوی انرژی فرانسه است) استفاده شده و نتایج آن از آثار متقابل بخش‎‍های نفت و فرآورده‎‍های نفتی، گاز طبیعی و زغال‌سنگ به دست آمده ‎‍است. اثر تقاضای نهایی انرژی، بازارهای جهانی و شاخص‎‍های اقتصاد کلان به‌صورت برون‎‍زا در نظر گرفته‎‍ شده‎‍ است. نتایج پژوهش ارائۀ یک برنامۀ توسعۀ ظرفیت 25ساله و تعیین سهم بهینۀ هریک از فناوری‎‍های تولید برق در افق مزبور است. آریانپور و شفیعی(1391) در پژوهشی، سهم بهینۀ انرژی‎‍های تجدیدپذیر و آثار مثبت توسعۀ آ‍نها را بر کاهش مصرف سوخت‎‍های فسیلی و انتشار گازهای گلخانه‎‍ای تعیین کرده‌اند. آنها سرمایه‎‍گذاری در زمینۀ توسعۀ فناوری‎‍های تجدیدپذیر، به‌ویژه توربین‎‍های بادی و سلول‎‍های فتوولتاییک را در میان‌مدت و بلند‌مدت تشویق می‎‍کنند.

میزان هزینه‌های تولید و توانایی رقابت‌پذیری فناوری‌های تجدیدپذیر و تجدیدناپذیر تولید‌کنندۀ برق، به شرایط هر کشور بستگی دارد. کرامر سوزان^[i] (2015)، هزینۀ سوخت‌های فسیلی و انرژی‌های تجدیدپذیر را بررسی می‌کند، در مطالعۀ انجام‌شده، هزینۀ یارانه‌های سوخت فسیلی حدود 10میلیون دلار در دقیقه در سطح جهان است که هزینه‌های بهداشتی و تخریب محیط‌زیست را شامل می‌شود و آثار آب‌وهوایی ثابت در قرن آینده را درخور توجه قرار نمی‌دهد.

کاظمی و همکاران (1399)، با مقایسۀ هزینۀ انرژی خروجی و هزینۀ واحد انرژی تولیدی، قیمت‌های تمام شدۀ برق تولیدی توسط نیروگاه‌های مختلف سیکل ترکیبی، بادی و فتوولتاییک را مقایسع کرده‌اند. پژوهشگران از روش تحلیلی_پوششی داده‌ها برای ارزیابی اقتصادی، اجتماعی و زیست‌محیطی و مقایسۀ فناوری‌های تولید برق استفاده ‌کرده‌اند. نتایج نشان ‌داده ‌است هزینۀ تمام‌شدۀ تولید برق از نیروگاه‌های تجدیدپذیر بیشتر است و تکنولوژی‌های تجدیدپذیر بیشترین انطباق را با معیارهای پایداری دارد. آستگیانو^[ii] و همکارانش (2019) در کشورهای اروپایی، بازارهای انرژی تجدیدپذیر را مدیریت ‎‍کردهاند، آنها آثار یارانه‎‍های انرژی تجدیدپذیر را بررسی کرده‌اند. در نتایج پژوهش، نقش استفاده از انرژی‎‍های تجدیدناپذیر نسبت‌به انرژی تجدیدپذیر بسیار کم و ناچیز مطرح شده‌‌ است.

برنامه‌ریزی توسعۀ تولید برق برای تأمین تقاضای مصرف‌کنندگان انرژی الکتریکی، بخش عمدۀ مطالعات برنامه‌ریزی انرژی را در بر می‌گیرد. رشد مصرف روز‎‍افزون انرژی در جهان و خطر پایان‎‍پذیری در آیندۀ نه چندان دور، کارشناسان انرژی را بر آن داشته ‌است که با استفاده از عناصر طبیعی و ... به‌دنبال انرژیی ‌باشند که ویژگی منحصر‌به‌فرد آن در تجدیدپذیری ‌باشد. اسدی و همکاران (1395)، با استفاده از اقتصاد مهندسی به ارزیابی اقتصادی رقابت‌پذیری برق زمین‎‍گرمایی در مقایسه با روش‌های متداول تولید برق پرداخته‌اند. آ‌نها نیروگاه زمین‎‍گرمایی را با نیروگاه‎‍های بخاری، گازی و سیکل ترکیبی بررسی کرده‎‍اند، همچنین به کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای نیز اشاره کرده و با ارائۀ یک مدل برنامه‌ریزی انرژی، تقاضای بار یک میکرو‌شبکه را در افق زمانی بلند‌مدت و بدون استفاده از تجهیزات ذخیره‌کنندۀ انرژی، برآورده کرده‎‍اند. یکی از نتایج پژوهش این ‌است که یارانه‌های انرژی و توجه‌نکردن به خسارت آلاینده‌های نیروگاهی، مهم‌ترین عوامل توسعه‌نداشتن صنعت برق‌اند.

نظر به اینکه راهکارهای کاهش انتشار گاز گلخانه‌ای تصمیم پیچیده‌ای است و از طرف دیگر تقاضای انرژی در سال‌های اخیر زیاد شده است، بنابراین ارزیابی زیست‌محیطی درخور توجه پژوهشگران قرار‎‍ گرفته و مطالعاتی در راستای محیط‌زیست انجام شده ‌است. چنا‎‍^[iii] و همکاران (2015)، به طراحی یک رویکرد خطی و پارامتری مسائل برنامه‎‍ریزی خطی سه هدفه برای طراحی گسترش نیروگاه‎‍ها در چین پرداخته‎‍اند. آنها سه تابع هدف ( ماکزیمم تولید کل، مینیمم هزینه و مینیمم انتشار (co₂ را در کار خود لحاظ کرده‎‍اند. نتایج پژوهش آنها نشان داد چه میزان نیروگاه‌ها افزایش یابد که کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای را در بر داشته باشد.

کوریاما^[iv] و همکاران (2019) در ژاپن، هدف کاهش انتشار گازهای گلخانه‎‍ای را برای سال 2030 بررسی کرده‎‍اند. آنها رشد تولید ناخالص داخلی را بدون سناریوی هسته‎‍ای بر کاهش انتشار گاز گلخانه‎‍ای نشان می‎‍دهند. در کشور آمریکا کوهی سونگ^[v] و همکاران (2019)، مصرف خانوارهای آمریکایی از سال 1995 تا 2014 را با استفاده از مقیاس، توزیع و تغییرات انتشار گازهای گلخانه‎‍ای جهانی بررسی کردند، سپس به توسعۀ مدل ورودی و خروجی چند منطقۀ‎‍ توسعه‎‍یافته و بررسی دقیق هزینه‎‍های مصرف‎‍کنندۀ ایالات‌ متحده پرداخته‎‍اند. نتایج پژوهش نشان می‎‍دهد اثر کربن سالانۀ خانواده‎‍های ایالات‎‍متحده از 7/17 به 6/20 گسترش یافته‎‍ است و مقیاس، توزیع و تغییرات انتشار Ghg[vi] جهانی ناشی از مصرف خانگی ایالات‌متحده است؛ بنابراین استفاده از انرژی تجدیدپذیر توصیه می‎‍شود.

استیون^[vii] و همکاران (2019) در بخش حمل‎‍و‎‍نقل اندونزی، که در حال حاضر بزرگ‌ترین مصرف‎‍کنندۀ انرژی تجدید‎‍ناپذیر اندونزی است، یک مدل پویایی‌شناسی سیستمی حمل‎‍و‎‍نقل جاده‎‍ای را ارائه کرده‎‍اند. مدل آ‍نها دو هدف اصلی کاهش مصرف انرژی و انتشار CO₂ را در نظر می‎‍گیرد. آ‎‍نها همچنین سناریوهای سیاستی را نیز تدوین ‎‍کرده‎‍اند.

جدول1- مروری بر پیشینۀ گزیده‌ای از پژوهش‌ها دربارۀ انرژی‌های تجدیدپذیر، تجدیدناپذیر، برنامه‌ریزی خطی و پویایی‌شناسی سیستمی

Table 1- An overview of a selection of research on renewable, non-renewable energy, linear programming, and systems dynamics

همان‌گونه که از مرور پژوهش‌ها مشخص می‌شود، می‌توان دریافت که در بیشتر مدل‌هایی که تاکنون در زمینۀ انتشار گازهای گلخانه‌ای انجام شده است، بخش تولید و مصرف به‌صورت جداگانه بررسی‌ شده‎‍‌ است. همچنین بیشتر پژوهش‎‍های پیشین استفاده از یک نوع انرژی تجدیدپذیر و تجدیدناپذیر را مطالعه کرده‌اند. بنابر‎‍تحقیقات و بررسی‎‍های به عمل ‎‍آمده توسط نویسندگان، چنین به نظر می‎‍رسد تاکنون پژوهشی انجام نشده‌ است که شاخص‌های اثرگذار را برای تولید برق از تکنولوژی‌های تجدیدپذیر و تجدیدناپذیر در ایران ارزیابی کرده باشد. در این مطالعه این‌گونه ‎‍است که اولین‌بار بهینه‌یابی در انواع نیروگاه‌ها به‌طور هم‌زمان با توجه به متغیرهای فنی، اقتصادی و زیست‌محیطی انجام می‌‌گیرد. ارائۀ مدل برای کاهش گازهای گلخانه‌ای مشخص می‌‌کند که برداشت (تولید) از هر نوع نیروگاه چه میزان باشد. همچنین انرژی‎های اثر‌گذار در کاهش انتشار گازهای گلخانه‌‌ای بخش تولید و مصرف به‌صورت کمی و کیفی، با توجه به محاسبات و مدل پویایی‌شناسی سیستمی به‌صورت کامل در این پژوهش بررسی شده‎‍ است. نظر به اینکه برنامه‌ریزی توسعۀ تولید برق یک مسئلۀ پیچیده‌ است، استفادۀ مدل ریاضی و پویایی‌شناسی سیستمی به‌صورت هم‌زمان، موجب نزدیکی بیشتر به دنیای واقعی و انعطاف‌پذیری مدل می‌شود.

3-روش پژوهش

در این مقاله از داده‌های آماری و کتابخانه‌ای استفاده‎‍‌ شده ‎‍‌است؛ سپس برای کاهش انتشار گازهای گلخانه‎‍ای به مدل برنامه‎‍ریزی ریاضی و پویایی‌شناسی سیستمی در دو بخش تولید و مصرف برق پرداخته‌ شده ‎‍‌است. همان‌گونه که اشاره شد، مدل ریاضی ارائه‌شده در این پژوهش به‌صورت برنامه‌ریزی خطی است. در ابتدا درصد میزان تولید برق در نیروگاه‎‍های متفاوت کشور با توجه به تعریف ضرایب فنی، اقتصادی و زیست‎‍محیطی برای کاهش انتشار گازهای گلخانه‎‍ای محاسبه و سپس در بخش مصارف، اثر انرژی‎‍های تجدیدپذیر و تجدید‌ناپذیر بر میزان درصد کاهش انتشار گازهای گلخانه‎‍ای بررسی می‎‍شود. شکل (1) مراحل پژوهش را نشان می‎‍دهد. برای مدل‎‍سازی ریاضی، اطلاعات مربوطه از ترازنامۀ انرژی سال 1396 گردآوری شده ‌است. مدل ارائه‌شده با تعیین هدف و محدودیت‎‍ها و با در نظر‎‍ گرفتن شاخص‎‍های فنی، اقتصادی و زیست‎‍محیطی تشکیل شده ‎‍است. مدل تدوین‌شده سه معیار فنی، اقتصادی و زیست‎‍محیطی را برای هریک از منابع انرژی در نظر می‎‍گیرد و بعد محاسبات آ‎‍نها را مقایسه می‌کند؛ سپس خروجی در بخش تولید و متغیرهای اثرگذار در بخش مصرف شناسایی‌ و با طراحی یک مدل حالت- جریان روابط بین متغیرهای حالت، جریان و پارامترها تحلیل می‌شود.

شکل 1- گام‌های انجام پژوهش

Fig. 1- Research steps

3-1- تعریف شاخص‌ها

در این پژوهش ابتدا یک مدل برنامه‎‍ریزی خطی ارائه ‎‍‌شده ‎‍‌است. در این مدل سه شاخص در نظر گرفته می‌شود که در ادامه  هرکدام از این شاخص‎‍ها تشریح می‎‍شود.

3-1-1- تعریف شاخص فنی مدل (TI[xi])

برای تعریف شاخص فنی در ابتدا، حداکثر پتانسیل قابل‌استحصال دربارۀ هریک از منابع انرژی تجدیدپذیر در طول مدت یک‎‍سال در جدول (2) ارائه ‎‍‌شده ‎‍‌است.

جدول 2- حداکثر پتانسیل قابل‌استحصال هریک از منابع انرژی تجدیدپذیر در طول یک‎‍سال

Table 2- Maximum recoverable potential of each renewable energy source during one year

منبع: ترازنامه انرژی 1396

اما شرایط برای منابع فسیلی با انرژی‎‍های تجدیدپذیر متفاوت است. منابع فسیلی محدود ‌است و با مصرف بیشتر از حجم این منابع کاسته می‎‍شود. با وجود این، باید این منابع را نیز تحت شرایطی پایدار در نظر‎‍ گرفت؛ با این فرض که اگر استفاده از منابع فسیلی محدود شود، می­توان مدت‌زمان استفاده از این منابع را افزایش داد. برخی بر این باورند که پایداری مفهومی پانصدساله دارد. این بحث با مفهوم میزان مصرف ارتباط دارد؛ به این معنی که اگر ذخایر یک منبع تجدیدناپذیر به 500 واحد تقسیم شود و عدد حاصل را میزان بیشینۀ مصرف انرژی در یک‎‍سال نامید و در هر سال حداکثر از این میزان استفاده شود، می‎‍توان مطمئن بود که این منبع پایدار خواهد ماند. شاخص فنی (پایداری) به‎‍ دست آمده، میزان بیشینۀ مصرف برای یک دورۀ زمانی معین از رابطۀ (1) به دست می‎‍آید (یارمحمدی ، 1395).

به عنوان مثال برای انرژی زغال‌سنگ خواهیم داشت:

برای فراهم‌کردن امکان مقایسه‎‍ای منابع مختلف، باید به یک شاخص بدون ابعاد دست ‎‍یافت. به‎‍منظور دست‎‍یابی به این شاخص، باید حداکثر انرژی برداشت‌شدنی از یک منبع انرژی به کل انرژی موردنیاز برای یک‎‍سال آن کشور تقسیم شود. شاخص مدنظر برای یک دورۀ زمانی مشخص، از رابطۀ (2) به ‌دست می‎‍آید. حداکثر میزان برداشت‌شدنی انرژی برای منابع تجدیدپذیر، همان حداکثر پتانسیل تکنیکی قابل‌استحصال است (یارمحمدی، 1395).

اما شرایط برای منابع فسیلی متفاوت است. این منابع محدود است و با مصرف بیشتر از حجم این منابع کاسته می‎‍شود. با تعیین شاخص فنی برای هریک از منابع انرژی و مقایسۀ آنها با یکدیگر در یک مدل برنامه‎‍ریزی خطی، امکان دستیابی به الگوی بهینۀ مصرف انرژی فراهم می‎‍شود. دربارۀ هریک از منابع انرژی، میزان شاخص فنی در جدول (3) ارائه شده‎‍ است.

جدول 3-شاخص فنی برای هریک از منابع انرژی

Table 3- Technical indicators for each of the energy sources

منبع: محاسبات براساس ترازنامۀ انرژی 1396

محاسبۀ مقادیر هریک از ستون‌های جدول (3) به‌ترتیب از ستون دوم به شرح زیر ‎‍است:

- پایداری (پتانسیل تکنیکی قابل‌استحصال): نهایت پتانسیل تکنیکی قابل‌استحصال از هریک از منابع انرژی تجدیدپذیر در طول مدت یک‌سال است.

- شاخص کارایی (درصد): ثابت کارآیی، بیانگر توان و کارایی یک مجموعۀ تولید انرژی برای انتقال انرژی پایه به الکتریسته است که بر مبنای گزارش‎‍های مرکز مطالعات انرژی استخراج شده ‎‍است.

- پتانسیل انرژی: منابع قابل‌استحصال.

- پتانسیل انرژی اصلاح‌شده: از ضرب ستون‎‍های 3 (شاخص کارایی) و 4 (پتانسیل انرژی) به دست می‎‍آید.

- شاخص فنی: از تقسیم ستون 5 (پتانسیل انرژی اصلاح‌شده) به کل مصرف انرژی (براساس گزارش‎‍های مرکز مطالعات انرژی در سال 2012) محاسبه شده ‎‍است. یکی دیگر از کاربردهای مهم شاخص فنی، ارائۀ امکان محاسبۀ میزان پایداری انرژی در یک کشور است. شاخص بیان‎‍شده این امکان را می‎‍دهد تا با بررسی و محاسبۀ فنی برای همۀ منابع انرژی، وضعیت فنی را بررسی کرد. اگر شاخص فنی بیشتر یا مساوی یک باشد، ازلحاظ تئوری از دیگر کشورها بی‎‍نیاز است؛ اما ممکن است به دلایل اقتصادی، سیاسی و یا دلایل دیگر اقدام به واردات انرژی کند.

3-1-2- تعریف شاخص اقتصادی مدل ([xii]FI)

واژۀ تولید ناخالص داخلی(^[xiii]GDP) یکی از پرکاربردترین واژه‎‍های عرصۀ اقتصاد عمومی است. معنای این واژه عبارت است از مجموع ارزش پولی کالاها و خدمات نهایی تولیدشده در یک‎‍سال مشخص، با استفاده از عوامل تولیدی که متعلق به شهروندان یک کشور است (سلطانی، 1396). منظور از کالاها و خدمات نهایی نیز آن دسته از کالاها یا خدماتی است که به مصرف‎‍کنندۀ نهایی فروخته می‎‍شود یا به هر طریق دیگر به دست او می‎‍رسد ( سلطانی، 1396). برای تشکیل شاخص اقتصادی، ابتدا باید هزینۀ تولید در میزان انرژی سالیانۀ موردنیاز کشور ضرب شود، عدد به ‎‍دست آمده بیانگر میزان سرمایۀ موردنیاز برای تأمین همۀ نیاز انرژی از یک منبع خاص است. برای به دست ‌آوردن یک شاخص بدون ابعاد، باید عدد بیشینۀ سرمایۀ موردنیاز به GDP سالیانۀ کشور تقسیم شود که درنهایت شاخص اقتصادی به دست می‎‍آید. نتایج محاسبه در جدول (4) نشان داده شده ‎‍است.

جدول 4- شاخص‎‍های اقتصادی برای منابع مختلف انرژی

Table 4- Economic indicators for different energy sources

منبع: محاسبات براساس ترازنامۀ انرژی 1396

شاخص اقتصادی در جدول (4) عددی بدون ابعاد است که از تقسیم عدد بیشینۀ سرمایۀ موردنیاز به تولید ناخالص داخلی به دست می‎‍آید و نشان‎‍دهندۀ هزینۀ نسبی هرکدام از منابع برای تولید انرژی الکتریسته است. بر این اساس شاخص اقتصادی، اطلاعاتی را در این باره در اختیار قرار می‎‍‌دهد که کدام منابع در تولید انرژی الکتریسته، هزینۀ ($/Mw.h) بیشتری خواهد ‌داشت،.

3-1-3-تعریف شاخص زیست‎‍محیطی مدل ([xv]EEI)

تولید الکتریسته از هر منبع انرژی آثار مخربی بر محیط‎‍زیست دارد که مهم‎‍ترین مشکل آن، آثار ناشی از تولید گازهای گلخانه‎‍ای است. در حقیقت هیچ منبع انرژی به‌طور کل بدون اثر نیست. آثار محیط به‌طور گسترده‎‍ای به چگونگی تولید انرژی و عملکرد‎‍های منظم انرژی‎‍های مرتبط و ساختارهای هزینه‎‍ای وابسته است. در این بخش فقط میزان تولید دی‎‍اکسید‎‍کربن در کلیۀ مراحل ساخت تجهیزات، نصب و گسترش، اثر مخرب بر محیط‎‍زیست در نظر گرفته می‎‍شود. فاکتور آلایندگی، میزان تولید گاز گلخانه‎‍ای را برای تولید یک کیلووات ساعت نشان می‎‍دهد. نتایج محاسبات در جدول (5) نشان داده ‎‍‌شده ‎‍‌است.

جدول 5- شاخص‎‍های زیست‎‍محیطی برای منابع مختلف انرژی

Table 5- Environmental indicators for different energy sources

منبع: محاسبات براساس ترازنامۀ انرژی 1396

برای دست‎‍یابی به شاخص مدنظر، ابتدا حجم دی‎‍اکسید‎‍کربن تولیدی ناشی از یک منبع خاص برای تولید انرژی موردنیاز یک‎‍سال محاسبه می‎‍شود. به این منظور، عامل آلایندگی انرژی مدنظر باید در انرژی مصرفی کشور ضرب شود. در گام دوم باید محاسبه شود که این میزان آلایندگی چه میزان بر محیط‎‍زیست جهان تأثیرگذار ‌است. به ‎‍همین منظور اعداد حجم آلایندگی باید بر وزن اتمسفر تقسیم شود. شاخص زیست‎‍محیطی، اثر زیست‎‍محیطی تولید انرژی را از یک منبع بر محیط‎‍زیست نشان می‎‍دهد. هرچه عدد شاخص زیست‎‍محیطی بیشتر باشد، تولید انرژی از آن منبع آلودگی بیشتری برای محیط‎‍زیست به‌دنبال خواهد ‎‍داشت. همچنان‌که از اعداد این جدول بر می‎‍آید، سوخت‎‍های فسیلی بیشترین آلودگی آلایندگی را ایجاد کرده است؛ در حالی که انرژی‎‍های تجدیدپذیر میزان آلایندگی بسیار کمتری به دنبال‎‍ دارد و انرژی بادی نیز با اختصاص عدد 407/0 بهترین وضعیت را از این حیث دارد.

3-2- مدل برنامه‌ریزی ریاضی خطی

برنامه‌ریزی ریاضی، یکی از روش‌های بهینه‌سازی است. بهینه‌سازی، تخصیص منابع محدود به بهترین وضعیت ممکن است و برنامه‌ریزی خطی‌، یکی از زیرمجموعه‌های برنامه‌ریزی ریاضی است. پاسخی که از حل یک مسئلۀ برنامه‌ریزی خطی به دست می‌آید معمولاً عبارت است از یک برنامه یا طرح مشخص که شامل مقادیر بهینۀ فعالیت‌های انتخاب‌شده‌ است. مدل‌هایی که براساس ارتباط خطی بین متغیرها ساخته می‌شوند، محدودیت‌هایی دارند. فرض کنید که یک کشور دارای منابع گوناگون تولید انرژی برق ازقبیل نفت، گاز، باد، خورشید و زیست‎‍توده است، سؤال اینجاست که از هرکدام از این منابع به چه میزان استفاده شود تا با حداقل کاهش انتشار گاز گلخانه‎‍ای به دیدگاه فنی، اقتصادی و زیست‎‍محیطی دست ‎‍یافت. مدل پیش ‎‍رو این امکان را برای تصمیم‎‍گیران حوزۀ انرژی فراهم می‎‍کند.

در حقیقت این مدل با وجود سه شاخص اقتصادی، فنی و آثار زیست‎‍محیطی برای هریک از منابع انرژی و مقایسۀ آنها با یکدیگر در یک مدل برنامه‎‍ریزی خطی، امکان دست‎‍یابی به الگویی برای تولید انرژی برق را فراهم می‎‍کند.

• اندیس‎‍ها

I: نوع نیروگاهی را تعیین می‎‍کند که منبع مدنظر برای تولید انرژی برق است. نیروگاه نوع 1: نفت، نیروگاه نوع 2: گاز، ... است (محدودۀ i براساس جدول (5)، ستون نوع نیروگاه i=1,2,……10 است).

:J نشانگر نوع سوخت یا انرژی استفاده‌شدنی است (محدودۀ  jاز جدول (5)، ستون منبع انرژی j=1,2,……10
است).

• متغیرها و پارامترها

X_j، درصد استفاده از انرژی j ام در هر نیروگاه i ام را نشان می‎‍دهد.

T_i، شاخص فنی منبع انرژیi ‎‍ام است. نهایت پتانسیل تکنیکی قابل‌استحصال از هریک از منابع تجدیدپذیر در طول مدت یک‌سال در جدول (2) نشان داده ‎‍شده و منابع تجدید‎‍ناپذیر در جدول (3) برای یک‌سال محاسبه شده ‌است.

EEI_i، شاخص زیست‌‌محیطی منبع انرژی i‎‍ام است. تولید الکتریسته از همۀ منابع انرژی کم یا زیاد اثر مخربی بر محیط‎‍زیست خواهد ‎‍داشت که مهم‌ترین این مشکلات، اثر ناشی از تولید گازهای گلخانه‎‍ای است؛ به همین دلیل از دیگر مضرات این منابع صرف‌نظر می‌کنیم و تنها میزان تولید دی‎‍اکسید‎‍کربن را به‌عنوان شاخص مقایسۀ تأثیر منابع انرژی بر محیط‎‍زیست بر خواهیم شمرد. در جدول (5)، محاسبات برای انرژی‎‍های تجدیدپذیر و تجدیدناپذیر صورت گرفته ‎‍است.

FI_i، شاخص اقتصادی منبع انرژیi ‎‍ام است. این شاخص نشان‌دهندۀ هزینۀ تأمین کل انرژی کشور از یک منبع خاص انرژی است که در جدول (5) نشان داده‎‍ شده‎‍ است.

در این مقاله دو تابع هدف در نظر گرفته ‎‍شده‎‍ است. تابع هدف اول، حداقل‎‍سازی میزان آلودگی محیط‎‍زیست بر اثر تولید انرژی و تابع هدف دوم، حداقل‎‍سازی میزان هزینۀ تولید انرژی است. تابع هدف اول شاخص زیست‎‍محیطی را در نظر می‎‍گیرد که در جدول (4) برای 10 نوع نیروگاه محاسبه شده ‎‍است. هدف این تابع، به حداقل رساندن تولید گازهای گلخانه‎‍ای با مینیمم‌کردن مجموع تابع انتشار گاز گلخانه‎‍ای است. رابطۀ (4) این هدف را به زبان متنی بیان می‎‍کند.

در تابع هدف دوم، به حداقل ‎‍رساندن هزینۀ تولید الکتریسته در نیروگاه‌های متفاوت مد‎‍نظر است. این تابع هدف به‌صورت رابطۀ (5) است.

در محدودیت اول، رابطۀ (3) جمع میزان برداشت‎‍های منابع در همۀ نیروگاه یک در نظر گرفته ‎‍شده ‎‍است. به‎‍عبارت دیگر در این محدودیت، مجموع درصد انرژی‎‍های مصرفی مد‎‍نظر‎‍ است که کل تقاضای کشور را تأمین کند و درنتیجه برابر 1 (یک) در نظر گرفته ‎‍شده ‎‍است. در اولین محدودیت، Xها درصدی از شاخص فنی برای هریک از منابع انرژی‌اند. در محدودیت دوم، میزان برداشت هر منبع باید از میزان شاخص فنی آن منبع کمتر باشد. محدودیت موجود تضمین‎‍کنندۀ این حقیقت است که میزان منابع تأمین‌شده از منبع انرژی j ، کوچک‌تر یا مساوی میزان منابع در دسترس از منبع i باشد (یارمحمدی، 1395).

3-3- مدل‌سازی پویایی‌شناسی سیستم

بررسی مطالعات پیشین نشان می‌دهد عمدۀ تحقیقات انجام‌شده در حوزۀ مصرف انرژی و هزینه‌های زیست‌محیطی، مخصوصاً در کشور ما مبتنی بر روش‌های اقتصادسنجی بوده ‌است؛ اما روش پویایی‌شناسی سیستمی با توجه به جامعیت و نگرش سیستمی آن، در این رابطه سودمند است. با توجه به موضوع پژوهش و الگوی پویایی‌شناسی سیستم، متغیرهای متعددی در فرایند تولید، مصرف انرژی و هزینۀ زیست‌محیطی مؤثرند. مدل پیشنهادی این پژوهش با استفاده از روابط علی و معلولی در سه بخش تقاضا، تولید و قیمت مدل‌سازی می‌شود که طبعاً روابط علی و معلولی مربوط به انتشار گازهای گلخانه‌ای و آلاینده‌ها توسط نیروگاه‌ها در بخش تولید است (شکل 2).

شکل 2- پویایی‌ها و حلقه‌های تأثیرگذار بر تولید انرژی برق از منابع تجدیدپذیر و تجدیدناپذیر

Fig. 2- Dynamics and loops affecting electricity generation from renewable and non-renewable sources

مدل مفهومی به دست ‌آمده، دارای سه حلقۀ اصلی تعادلی(B1, B2, B3)، اثر متقابل قیمت و تقاضا، اثر متقابل قیمت و عرضه، کمبود منابع اولیه و دو حلقۀ اصلی تقویت‌کنندۀ (R1، R2)، اثر یادگیری و وابستگی به مسیر ناشی از سودآوری نسبت‌به هزینۀ تولید است که توسعۀ برق را تحت تأثیر قرار می‌دهد و میزان قیمت در یک بازار رقابتی را تعیین می‎‍کند. علاوه بر آن پذیرش اجتماعی و برنامه‌های حمایتی نیز در افزایش و یا کاهش آثار حلقه‎‍ها تأثیرگذارند (شکل 3).

شکل 3- پویایی‌ها و حلقه‌های تأثیرگذار بر تولید انرژی برق

Fig. 3- Dynamics and loops affecting electricity generation

3-3-1- وابستگی به مسیر

با وجود فواید انرژی‌های تجدیدپذیر و زیان نیروگاه‎‍های فسیلی، متأسفانه در کشور ما به نیروگاه‎‍های فسیلی افزوده می‌شود. در حلقۀ (R2,R'2) شکل (2) و شکل (3)، از مفهوم سهم هر عامل نسبت‌به سهم باقی عامل‌ها استفاده شده‌ است تا پدیدۀ وابستگی به مسیر مدل‌سازی شود.

3-3-2- عرضه، تقاضا و قیمت

با افزایش تولید برق از یک نوع نیروگاه، قیمت برق خریداری‌شده از آن کاهش می‌یابد و سود حاصل به‌سبب قیمت، کم و به‌واسطۀ مقدار زیاد می‌شود، از طرفی دیگر با کاهش تولید یک نوع نیروگاه، قیمت پیشنهادی خریداری از آن بالا می‌‌رود و سود حاصل از آن به‌واسطۀ قیمت، زیاد و به واسطۀ مقدار، کم می‌شود (حلقۀ (B2, B'2) شکل (2)). تحلیل این بخش، خارج از محدودۀ مدل تشخیص داده‎‍ شد و فرض می‌شود که تغییرات تقاضا به‌صورت روند سالیان گذشته اتفاق می‌افتد. به علاوه تقاضای برق و کشش قیمتی آن به‌صورت درون‎‍زا تأثیر می‌گیرد. کشش قیمتی یک نوع برق بر تقاضای آن برق اثر منفی و کشش قیمتی کالاهای جانشین بر تقاضای صنعت برق اثر مثبت دارد. قیمت‎‍های کمتر، تقاضای صنعت برق را تحریک می‎‍کند و به‌سمت تقاضای بیشتر می‎‍برد و با افزایش تقاضا، قیمت افزایش می‌یابد )حلقۀ (B1, B'1) شکل (2)). رابطۀ کلی بین عرضه، تقاضا و قیمت به‌صورت خلاصه در شکل (4) آورده شده است که در شکل (2) در حلقه‎‍های (B2, B'2) و (B1, B'1) با جزئیات بیشتر ترسیم شده ‌است.

شکل 4-  قیمت و رابطۀ آن با عرضه و تقاضا

Fig. 4- Price and its relationship with supply and demand

4- تجزیه‌وتحلیل نتایج (اعداد)

میزان درصد برداشت از هر نیروگاه به‎‍وسیلۀ مدل معرفی‌شده در بخش تولید انرژی برق و با استفاده از نرم‌افزار گمز بهینه‎‍سازی شده ‌است. برای ترسیم نمودار مقایسه‌ای در شکل‌های (5)، (6) و (7) از نرم‌افزار اکسل استفاده شده ‌است. همچنین در بخش مصارف انرژی برق از پویایی‌شناسی سیستمی میزان تقاضا، تولید و سرمایه‌گذاری نیروگاه‌ها در بازار برق ارائه شده ‎‍است.

4-1- کاربرد شاخص پایداری(فنی) انرژی

کاربرد ابتدایی این شاخص آن است که امکان مقایسه از جدول (3) بین منابع مختلف انرژی را فراهم می‎‍کند. نمودار شکل (5) شاخص فنی را برای منابع مختلف انرژی موجود مقایسه کرده ‎‍است. همان‎‍طور که از نمودار شکل (5) مشخص است، انرژی خورشیدی فتوولتائیک فنی (پایدارترین) منبع انرژی و انرژی نفت، ناپایدارترین منبع انرژی است. به‌طور نمونه می‌توان بیان‌داشت برای کاهش گازهای گلخانه‌ای، میزان برداشت از هر 10 منبع (زغال‌سنگ، گاز، نفت، باد، خورشیدی، فتوولتاییک، زمین‌گرمایی، آبی، زیست توده، سیکل ترکیبی) در شاخص فنی، گاز کمترین اثر و فتوولتاییک بیشترین اثر را دارد.

شکل 5- مقایسۀ شاخص فنی (پایداری) منابع مختلف انرژی\

Fig. 5- Comparison of technical indicators (sustainability) of different energy sources

4-2- کاربرد شاخص زیست‎‍محیطی انرژی

همان‎‍طور که اشاره شد تولید الکتریسته از همۀ منابع انرژی، کم یا زیاد اثر مخربی بر محیط‎‍زیست خواهد ‎‍داشت که مهم‌ترین این مشکلات، آثار ناشی از تولید گازهای گلخانه‎‍ای است. آثار جانبی که به مرور زمان بر محیط‌زیست ایجاد می‌شود، بسیار مهم‎‍تر از  عوامل دیگر است که متأسفانه به‌دلیل شفافیت‌نداشتن این پیامدها و طولانی‌بودن عواقب حاصل، تا به حال به آن توجه جدی نشده ‌است. در نمودار شکل (6) از جدول (5)، فاکتور آلایندگی برای منابع مختلف انرژی مقایسه ‎‍شده ‎‍است. نمودار شکل (6)، فاکتور آلایندگی میزان تولید گاز گلخانه‎‍ای را برای تولید یک کیلو‎‍وات‌ ساعت نشان می‎‍دهد. زغال‎‍سنگ بیشترین اثر را بر محیط‎‍زیست  و انرژی بادی نیز کمترین اثر را بر محیط‎‍زیست دارد.

شکل6- مقایسۀ شاخص زیست‌محیطی منابع مختلف انرژی

Fig. 6- Comparison of environmental indicators of different energy sources

4-3- کاربرد شاخص اقتصادی انرژی

طبق نمودار شکل (7)، داده‌های به دست آمده از جدول (4) انرژی خورشیدی فتوولتائیک، گران‎‍ترین منبع تولید انرژی و انرژی گاز ارزان‎‍ترین منبع تولید انرژی است. با توجه به نتایج محاسباتی در نمودار شکل (7)، با مقایسۀ نمودار‎‍های فوق امکان تصمیم‎‍گیری برای انتخاب نیروگاه‎‍های مدنظر، برای تولید انرژی الکتریکی به‌گونه‎‍ای فراهم می‎‍شود که بتوان الگوی بهینه ایجاد کرد؛ به این معنی که چه میزان از هر نیروگاهی برای تولید انرژی برق استفاده شود تا الگوی بهینۀ تولید انرژی برق ایجاد و کاهش انتشار گازهای گلخانه‎‍ای با صرفۀ اقتصادی در نظر گرفته ‎‍شود؛ بنابراین مدل برنامه‎‍ریزی خطی اجرا می‌شود تا میزان تولید برق و برداشت از هر نیروگاه برای کاهش انتشار گاز گلخانه‎‍ای مشخص شود.

شکل 7- مقایسۀ شاخص اقتصادی منابع مختلف انرژی

Fig. 7- Comparison of economic indicators of different energy sources

در مدل ارائه‌شده، مقدار تابع هدف که نشان‎‍دهندۀ میزان انتشار گازهای گلخانه‎‍ای از نیروگاه‎‍هاست با شاخص اقتصادی و محیط‎‍زیستی ارتباط مستقیم دارد. میزان برداشت برق از هر نیروگاه فرضی باید کمتر از شاخص فنی آن نیروگاه باشد. بنابراین با تغییر الگوی تأمین انرژی، به‌منظور دست‎‍یابی به منابع انرژی ارزان و سازگار با محیط‎‍زیست، میزان آلودگی کاهش ‎‍داده ‎‍شده ‎‍است. نتایج پژوهش دربارۀ 10 منبع مختلف انرژی برای 10 نیروگاه فرضی ارائه شده است که دو شاخص اقتصادی و زیست‎‍محیطی نقش کلیدی را در حداقل‎‍سازی تابع هدف بر عهده دارند. این در حالی است که در نیروگاه‎‍های با سوخت فسیلی، اثر شاخص اقتصادی نسبت‌به شاخص زیست‎‍محیطی بیشتر است و در انرژی‎‍های تجدیدپذیر این برتری به‌صورت معکوس است. بنابراین میزان برداشت در منابع تجدید‎‍ناپذیر نسبت‌به تجدید‎‍پذیر کمتر است که نشان‌دهندۀ اثر غالب شاخص محیط‎‍زیستی بر شاخص اقتصادی است. نگاهی به نتایج به دست آمده از اجرای مدل برنامه‎‍ریزی خطی نشان می‎‍دهد برای کاهش انتشار گازهای گلخانه‎‍ای، می‌توان با ضریب ایجادشده توسط مدل، انرژی برق تولید کرد و انرژی پایدارتر را با تخریب زیست‎‍محیطی کمتر فراهم کرد.

4-4- انباشت جریان در بخش مصارف

در این مرحله باید برای هریک از متغیرها رابطۀ ریاضی طراحی شود. این کار در نرم‌افزار ونسیم انجام شده ‎‍است. معادلات به سه دستۀ اساسی معادلات متغیرهای سطح، معادلات متغیرهای نرخ و معادلات متغیرهای کمکی تقسیم می‎‍شوند. معادلات سطح ابتدا، انباشت‎‍های درون سیستم را به‌صورت انتگرال‎‍گیری از خالص نرخ جریان آنها تعریف می‎‍کند. معادلات متغیرهای کمکی نیز با تابعی از ورودی‎‍ها ساخته می‎‍شوند. با تعریف ثابت‎‍ها و مقادیر اولیۀ متغیرهای سطح، مدل شبیه‎‍سازی آمادۀ اجراست. پس از کالیبراسیون پارامترها، با استفاده از Equation Level نرم‎‍افزار Vensim تمامی روابط در جدول و مدل انباشت جریان ارائه‌شده در پیوست (1) و (2) رویت‌شدنی است. مقادیر اختصاص داده شده از میانگین اطلاعات از سال‎‍های 1389 تا 1395 براساس ترازنامۀ انرژی مطالعه‌شده، محاسبه شده ‎‍است. همان‎‍طور که در جدول (5) مشاهده می‎‍شود در سناریوی پیشنهادی سعی ‌شده است که درصد تولید برق توسط نیروگاه‎‍هایی بیشتر شود که با انرژی تجدید‎‍پذیر کار می‎‍کنند و انرژی‎‍های تجدیدناپذیر را کاهش داد و میزان تغییرات را بر متغیر سطح شاخص اقتصادی و زیست‎‍محیطی مشاهده کرد. با اجرای مدل برنامه‎‍ریزی ریاضی، مقادیر پایه^[xvi]، میزان برداشت یا تولید انرژی برق است. مقادیر شاخص‎‍های فنی و زیست‎‍محیطی برای مدت‌زمان یک‌سال از تراز‎‍نامۀ انرژی در جداول (3) و (4) محاسبه شده ‎‍‌است. در ستون مقادیر سناریو^[xvii] در یک سناریو، مدت‌زمان برای 100 روز در نظر ‌گرفته ‎‍می‌شود و جدول (6) درصد تولید برق را از هر نیروگاه نشان می‌دهد.

جدول 6- درصد تولید برق از نیرگاه‌ها

Table 6- Percentage of electricity generation from power plants

با توجه به تعیین دورۀ زمانی 100 روزه، کاهش انتشار گاز گلخانه‎‍ای به‌وضوح مشاهده می‌شود. در شکل (8) ازلحاظ اقتصادی، تغییرات پایه به‌همراه تغییرات با توجه به جدول (6)، وضعیت استراتژی مشاهده می‌شود.

شکل 8- رفتار شاخص اقتصادی با اختصاص‌دادن بخش مصارف

Fig. 8- Behavior of the economic index by allocating the expenditure sector

شکل 9- رفتار شاخص زیست‎‍محیطی با اختصاص‌دادن بخش مصارف

Fig. 9- Behavior of the environmental index with the allocation of consumption

با توجه به سناریوی جدول (6)، میزان تغییرات در شاخص‎‍های زیست‎‍محیطی و اقتصادی در شکل‎‍های (8) و (9) مشاهده می‌شود. به هر حال افزایش تولید از انرژی‎‍های تجدید‎‍پذیر به میزان کمتر‎‍ی شاخص اقتصادی را افزایش داده ‎‍است، ولی در مبحث زیست‎‍محیطی کاهش بیشتری از انتشار گاز گلخانه‎‍ای را نمایان می‎‍کند. به عبارت دیگر نتایج شبیه‎‍سازی نشان می‎‍دهد استفادۀ بیشتر از نیروگاه‎‍هایی که با انرژی‎‍های تجدید‎‍پذیر کار می‎‍کنند، گر‌چه هزینۀ بیشتری دارد، ولی ازلحاظ شاخص‎‍های زیست‎‍محیطی کاهش انتشار گاز گلخانه‎‍ای بیشتری را در ‎‍بردارد. نتایج حل مدل نشان می‎‍دهد استراتژی استفاده از نیروگاه‎‍های چرخۀ ترکیبی نسبت‌به نفت، گاز و زغال‎‍سنگ باصرفه‎‍تر ازلحاظ اقتصادی و زیست‎‍محیطی است.

4-4-1- اعتبار‌سنجی[xviii]

اعتبارسنجی راهکاری برای اطمینان نسبت‌به درستی و سودمندی یک مدل است. طراحی یک مدل با هدف بررسی مشکلات و رفع آنها در زمینه‎‍های متفاوت است و مدل طراحی‌شده به‌منظور تطابق با واقعیت سنجش می‌شود. یکی از آزمون‎‍ها برای اعتبارسنجی، مقایسۀ نتایج خروجی مدل با رفتار مشاهده‌شدۀ مسئله (آزمون تکرار رفتار^[xix]) و ارزیابی ساختار^[xx] است. آزمون تکرار رفتار، بررسی خروجی‎‍های مدل را ازطریق مقایسۀ داده‎‍های تولیدی از مدل با داده‎‍های تاریخی دارد. در این آزمون روند داده‎‍ای تولیدشدۀ مدل با داده‎‍های تاریخی مطابقت داده می‎‍شود. به دلیل اینکه هریک از ابزارهای آماری در جهت مقایسۀ داده‎‍های مشاهداتی و شبیه‎‍سازی، محاسن و معایبی در بررسی‎‍های آماری دارد، در این آزمون نخست داده‎‍های مشاهداتی و شبیه‎‍سازی ترسیم شده ‎‍است. هدف از این آزمون مقایسۀ نتایج شبیه‌‌سازی با داده‌های واقعی برای اطمینان از صحت عملکرد رفتار الگو است. به عبارت دیگر در این حالت رفتار شبیه‌سازی‌شده برای الگو بازتولید می‌شود تا با داده‌های واقعی مقایسه شود. به این منظور مقدار شبیه‌سازی‌شده با مقدار واقعی در شکل (10) ترسیم شده ‎‍است. نمودار اطلاعات واقعی و نتایج شبیه‎‍سازی در سه قسمت نشان می‌دهد رفتار متغیرهای بررسی‌شده، شبیه‌سازی و اختلاف کمی بین میزان شبیه‌سازی‌شده و واقعی مشاهده می‌شود.

شکل 10- داده‎‍های تاریخی و مقادیر شبیه‎‍سازی

Fig. 10- Historical data and simulation values

همان‎‍طور که در شکل (10) ملاحظه می شود، رفتار متغیرهای بررسی‌شده به‌خوبی شبیه‎‍سازی شده است که نشان‌دهندۀ اعتبار نتایج به دست آمده در این پژوهش است. آزمون ارزیابی ساختار با هدف پاسخگویی به دو سؤال زیر انجام شده است:

• آیا ساختار مدل با دانش موجود دربارۀ ساختار سیستم واقعی در تناقض نیست؟
• آیا مرتبط‌ترین ساختارهای سیستم‎‍های واقعی مدل‎‍سازی شده‎‍اند؟

از آنجایی که روابط ایجادشده در مدل براساس نظرهای خبرگان بوده است، ساختار مدل از این نظر تأیید شده است. علاوه بر آن حلقه‎‍های تعادلی و تقویت‎‍کننده در شکل‌های (2) و (3) همگی براساس نظرخبرگان این صنعت پایه‎‍ریزی شده و  کارشناسان برق تجدیدپذیر نیز آن را تأیید کرده‌اند.

5- بحث، پیشنهادها و محدودیت‌ها

تولید برق به‌عنوان نیروی محرکه، در بیشتر فعالیت‌های تولیدی و خدماتی جایگاه ویژه‌ای دارد. رشد روزافزون جمعیت، وابستگی به انرژی و به تبع آن رشد مصرف انرژی، به‌ویژه انرژی‌های فسیلی موجب افزایش مشکلات زیست‌محیطی شده ‌است. دست‌یابی به مدل بهینۀ تولید انرژی، تعریف نقشۀ جامع تولید انرژی و دسترسی به منابع انرژی پایدار اقتصادی و منطبق با محیط‌زیست، در شرایط امروز کشور به یک ضرورت تبدیل شده ‌است. نتایج حاصل از پژوهش با توجه به اهداف اقتصادی، فنی و زیست‎‍محیطی پژوهش، بیشتر رویکرد زیست‎‍محیطی دارد. با تغییر استراتژی تولید برق از سوخت‎‍های فسیلی به تجدیدپذیر، میزان کاهش گازهای گلخانه‎‍ای در هر دو بخش تولید و مصرف حداقل می‎‍شود. با توجه به وضعیت موجود منابع انرژی، هزینه‎‍های تولید هریک از منابع و همچنین آثار زیست‎‍محیطی آنها برای تولید الکتریسته، لازم است میزان تولید از هر منبع (نیروگاه‎‍ها) را طبقه‎‍بندی کرد. این موضوع به توازن بین تأمین انرژی و مصرف کمک و منابع انرژی و فناوری‎‍ها را در چهارچوب کلی یکپارچه می‌کند و درنتیجه کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای میسر می‎‍شود. صرفه‌جویی انرژی معادل کاهش تولید در نیروگاه‎‍هاست و درنتیجه کاهش co₂ از سوخت‌های نیروگاه‎‍ها حاصل می‎‍شود. از آنجایی که بخش انرژی حدود 60درصد از انتشارات گازهای گلخانه‌ای را در جهان تولید می‌کند، درنتیجه یک تغییر و تحول در تولید و مصرف انرژی امری ضروری به ‎‍نظر می‌رسد. شیوه‌های جاری در عرضه و مصرف انرژی به‌طور وضوح به‌لحاظ اقتصادی، محیطی و فنی مناسب نیست؛ بنابراین باید از تکنولوژی‌هایی استفاده کرد که در آن‌، همراه با عرضه و مصرف انرژی میزان انتشار کربن کاهش یابد. بنابراین چنانچه برای تولید برق از 10 منبع درصد مشخصی با توجه به مدل ریاضی برداشت شود، کاهش انتشار گازگلخانه‌ای رخ می‌دهد و هدف پژوهش محقق می‌شود. در نگاهی گذرا به چندین نمونه از تفاوت‎‍ و شباهت‎‍های نتایج پژوهش با پژوهش‎‍های انجام‌شده در جدول (7) پرداخته شده‎‍ است.

جدول 7- بحث در نتایج پژوهش‌ها

Table 7- Discussion on research results

با توجه به بررسی‎‍های انجام‌شده در نتایج پژوهش‎‍های صورت‌گرفته و ملاحظۀ جدول (7)، می‎‍توان بیان داشت که مدل ریاضی با شاخص‎‍های جامع‎‍تر و مدل پویایی‎‍شناسی سیستمی، نقش علمی در کاهش انتشارگازهای گلخانه‎‍ای و طبقه‎‍بندی میزان تولید انرژی برق دارد. بنابراین با توجه به اجرای دو مدل و شکل‌های (8) و (9) راهبردهای زیر برای کاهش انتشار گازهای گلخانه‎‍ای در سطح کشور به ‎‍کار برده می‌شود:

1. درصد تولید انرژی برق از منابع انرژی تجدیدپذیر باید بیشتر شود و استفاده از منابع فسیلی برای تولید انرژی برق کاهش یابد که این نتیجه از اجرای تابع ریاضی مدل نمایان است.
2. براساس مدل پویایی‌شناسی سیستمی، فرهنگ‎‍سازی و افزایش آگاهی برای استفاده از منابع تجدیدپذیر و کاهش بهره‎‍برداری از سوخت‎‍های فسیلی پیشنهاد می‎‍شود.
3. در مجموع می‌توان گفت با افزایش سهم منابع تجدیدپذیر و کاهش آلاینده‌های ناشی از آن، می‌توان به یک سیستم عرضۀ بهینه رسید، درواقع با همان میزان هزینه در وضع موجود، میزان آلایندگی ناشی از تولید برق را کاهش داد.
4. تولید انرژی برق از نیروگاه‎‍های تولید برق براساس اولویت مشخص‌شده به میزان چشمگیری از میزان انتشار ‏گازهای گلخانه‎‍ای کاسته خواهد شد (شکل(6) و (7)).
5. نیاز بخش خانگی و تجاری ازطریق انرژی‎‍های تجدیدپذیر باید تأمین شود (جدول (6)).
6. با توجه به اینکه کشور ایران ازنظر میزان دریافت انرژی خورشیدی و متوسط ساعات آفتابی سالانه بیش از 2100ساعت است؛ بنابراین ‏توصیه می‎‍شود که تصمیم‎‍گیرندگان، برنامه‎‍ریزی‎‍های لازم را برای اجرای پروژه‎‍ها و سیاست‎‍های حمایتی قیمتی و اجازۀ صدور مجوز ‏به سرمایه‎‍گذاران در این بخش اعمال کنند‏ (مدل ریاضی شاخص اقتصادی). بنابراین علاوه بر توسعۀ نیروگاه‌های برق‎‍‌آبی به توسعۀ نیروگاه خورشیدی هم پرداخت و آن را در مناطق کویری کشور گسترش داد.
7. با توجه به محاسبۀ شاخص زیست‎‍محیطی و نمودار شکل (5)، باید از صدور مجوز ساخت نیروگاه‎‍های زغال‎‍سنگ و گازی جلوگیری کرد.‏
8. ظرفیت انرژی‎‍های خورشیدی، زیست‎‍توده و بادی با توجه به محاسبۀ شاخص‎‍های زیست‎‍محیطی و اقتصادی نمودارهای (6) ‏و (7) باید فزایش یاید.‏

یکی از محدودیت‎‍های مدل ارائه‌شده در این تحقیق، در نظر گرفتن منابع تجدید‎‍پذیر و تجدید‎‍ناپذیر به‌صورت هم‌زمان است؛ بنابراین در ادامه پیشنهاد می‌شود برای تحقیقات آتی، تکنیک ارائه‌شده در این تحقیق برای منابع تجدید‌پذیر و تجدیدناپذیر به‌صورت جداگانه انجام شود، سپس براساس میزان تولید برق از هر منبع به بخش چهارگانۀ مصرف، میزان کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای بررسی شود. به‌علاوه مجموع هزینه‎‍های توسعۀ انرژی تجدیدپذیر با دیگر منابع همراه با تحلیل حساسیت مدل و تحلیل ریسک مقایسه شود تا قوت و ضعف انرژی‌های تجدیدپذیر و تجدیدناپذیر نشان داده‌ شود. شاخص‎‍های در نظر گرفته شده در این تحقیق از دیگر محدودیت‎‍های این تحقیق است که پیشنهاد می‎‍شود شاخص‌های دیگری به بخش ریاضی و پویایی‌شناسی سیستمی اضافه و مدل اجرا شود تا میزان تولید انرژی برق از هر نیروگاه مشخص و سناریوهای مختلف تجزیه‌وتحلیل شود.

با توجه به مطالب ارائه‌شده، توسعۀ فناوری‌های انرژی پاک و تجدیدپذیر یک ضرورت انکارناشدنی از جنبه‌های اقتصادی، فنی و زیست‎‍‌محیطی است. بدون شک دست‌یابی به این ضرورت در گرو زمینه‌سازی و ایجاد ملزومات بسیاری است. دانش فنی، تکنولوژی و فناوری استفاده از انرژی‌های تجدیدپذیر در داخل کشور باید هرچه سریع‌تر توسعه یابد و رفع محدودیت‌ها در این زمینه انجام شود.

6- جمع‌بندی و نتیجه‎‍گیری

با توجه به افزایش روزافزون در قیمت منابع فسیلی، استفاده از این منابع به‌عنوان منابع سوختی جذابیت خود را از دست می‌دهد. همچنین افزایش انتشار آلاینده‌های زیست‌محیطی و پدیدۀ گازهای گلخانه‌ای در کنار امنیت پایین انرژی این منابع، تأمین انرژی با استفاده از این منابع را با محدودیت‌هایی مواجه می‌کند. در این میان استفاده از تکنولوژی‌های جدید و پاک تولید انرژی برق، علاوه بر اینکه جایگزین مناسبی برای نیروگاه‌های فسیلی در بسیاری از موارد به شمار می‌روند، در فعالیت‌های دیگری با ارزش افزودۀ بالاتر استفاده می‌شوند. در این مطالعه جایگاه نیروگاه‌های مختلف با استفاده از معیارهای شناسایی‌شده و سه معیار اصلی اقتصادی، فنی و زیست‌محیطی به‌عنوان معیارهای اصلی تحلیل شدند.

در محاسبات شاخص‌ فنی همان‌طور که از نمودار شکل (5) مشخص است، انرژی خورشیدی فتوولتائیک فنی (پایدارترین) منبع انرژی و انرژی نفت ناپایدارترین منبع انرژی است. برای نمونه می‌توان بیان ‌داشت، برای کاهش گازهای گلخانه‌ای میزان برداشت از هر 10 منبع ( زغال‌سنگ، گاز، نفت، باد، خورشیدی، فتوولتاییک، زمین‌گرمایی، آبی، زیست توده، سیکل ترکیبی) در شاخص فنی نفت، کمترین اثر و فتوولتاییک بیشترین اثر را دارد. این رتبه‌بندی به‌وضوح نشان می‌دهد انرژی‌های تجدیدپذیر در اولویت توسعۀ فناوری‌های تولید برق کشور قرارگرفته‌اند و نیاز کشور را به انرژی مرتفع می‌کنند. به عبارتی دیگر انرژی‌های تجدیدپذیر فراوان و قابل‌اعتمادند و در صورتی که به‌طور صحیح توسعه یابند، به‌عنوان منابع انرژی پایدار نقش مهمی در رسیدن به اهداف کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای دارند. در محاسبات شاخص‌ زیست‎‍محیطی با توجه به نمودار شکل (6) زغال‌سنگ، نفت و گاز به‌ترتیب، آلایندگی بالاتری را ایجاد می‌کنند. دلیل اصلی تأکید بر استفاده از انرژی‌های تجدیدپذیر، علاوه بر کمک به حل معضلات زیست‌محیطی و جلوگیری از هدر‌رفتن سوخت‌های فسیلی، حفاظت از منابع طبیعی برای نسل‌های آینده است که بدون شک انرژی‌های تجدیدپذیر با توجه به سادگی فناوریشان نقش مهمی را دارند. بنابراین انرژی‌های تجدیدپذیر، نقش مهمی در کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای دارند.

^[i]- Kramer, susan

^[ii]- Paola Astegiano

^[iii]- Chena

^[iv]- Kuriyama

^[v]- Kaihui Song

^[vi]- Greenhouse Gases

^[vii]- Setiawan

^[viii]- Lean and Smyth

^[ix]- Hammond

^[x]- Yanez

^[xi]- Technical Index

^[xii]- Financial Index

^[xiii]- Gross Domestic Product

^[xiv]- Combined Cycle

^[xv]- Environment Energy Index

^[xvi] - Base

^[xvii]- Scenario

[xviii]- Calibration

^[xix]- Reproduction

^[xx]- Structure Assessment