بهینه سازی تصادفی زنجیره تامین برق ترکیبی با توجه به طرح های انتشار کربن (مقاله چهارم)

چکیده:

این مقاله بر طراحی یک زنجیره تامین برق ترکیبی بهینه (HESC) متمرکز است که طرح های انتشار کربن و عدم قطعیت را در نظر می گیرد. از زغال سنگ و از زیست توده به عنوان سوخت تولید برق استفاده می شود. چندین طرح انتشار کربن، مانند کلاه کربن و تجارت، کلاه کربن و مالیات کربن در نظر گرفته شده است. علاوه بر این، عدم قطعیت مانند نرخ استخراج ذغال سنگ، میزان عملکرد زیست توده و نرخ تبدیل برق در هنگام طراحی HESC در نظر گرفته شده است. یک مدل برنامه نویسی خطی عدد صحیح مختلط تصادفی (SMILP) ایجاد شده است که هدف آن تعیین طراحی یک زنجیره تامین برق ترکیبی بهینه تحت طرح های انتشار کربن و عدم قطعیت است. یک مطالعه موردی از داکوتای شمالی در ایالات متحده برای نشان دادن اثربخشی مدل پیشنهادی استفاده می شود. نتایج نشان می دهد که طرح های انتشار کربن به طور قابل توجهی بر طراحی HESC تأثیر می گذارد.

  مقدمه:

در طی چند دهه گذشته، از زغال سنگ به عنوان منبع اصلی انرژی برای تولید برق استفاده شده است اما زغال سنگ قابل تجدید نیست و باعث افزایش قابل توجهی در انتشار گازهای گلخانه ای شده است. بنابراین لازم است که برای زغال سنگ جایگزینی انتخاب شود که تجدید پذیر و سازگار با محیط زیست باشد. یکی از این جایگزین ها زیست توده های خوراکی و غیر خوراکی میباشند که زیست توده لیگنوسلولزیک - مانند گیاهان سوئیچ ، میسانتوس ، باقی مانده های کشاورزی و مواد چوبی - برای تولید برق ترجیح داده می شوند زیرا غیرقابل خوردن هستند. از آنجا که تولید برق از زغال سنگ به طور گسترده ای مورد استفاده قرار می گیرد و تولید برق مبتنی بر زیست توده هم امنیت انرژی و هم مزایای زیست محیطی را فراهم می کند، طراحی یک زنجیره تامین برق ترکیبی (HESC) که در آن تولید برق مبتنی بر زغال سنگ و زیست توده به طور همزمان در نظر گرفته می شود، اهداف پایداری آینده را به تدریج تحقق بخشید. در سالهای اخیر، افزایش نگرانیهای زیست محیطی، سازمانهای دولتی را مجبور به توسعه و اتخاذ طرحهای مختلف انتشار کربن مانند کلاه کربن و تجارت، کلاه کربن و مالیات کربن کرده است. طرح بازپرداخت کربن و طرح تجارت (CCTS) سیاستی است که در آن دولت سهمیه کربن را برای شرکتها تعیین می کند و به شرکتها اجازه می دهد تا انتشار کربن را در آژانسهای مختلف انجام دهند. طرح کلاه کربن (CCS) سیاستی غیر قابل انعطاف برای سهمیه کربن است که در آن دولت سهمیه کربن سخت (کلاه) را روی شرکت ها قرار می دهد. طرح مالیات کربن (CTS) سیاستی است که در آن دولت بدون توجه به میزان کربن ساطع شده، از شرکتها برای انتشار کربن مالیات می گیرد. در حالی که این طرح های انتشار کربن از مکانیزم های مختلفی برای کاهش انتشار کربن استفاده می کند، لازم است که اثربخشی هر یک از طرح ها در کاهش انتشار کربن هنگامی که به HESC اعمال می شود، ارزیابی شود. در این مقاله برای طراحی HESC پایدار طرحهای مختلف کربن در نظر گرفته شده است. همچنین چند عدم قطعیت مانند نرخ استخراج زغال سنگ، میزان عملکرد زیست توده و نرخ تبدیل برق نیز در نظر گرفته شده است.

مرور ادبیات:

مرور مطالعات قبلی در سه زمینه انجام شده است: تولید برق بر پایه زغال سنگ، تولید برق مبتنی بر انرژی های تجدید پذیر و طرح های انتشار کربن

تجزیه و تحلیل ادبیات چند زمینه را نشان می دهد که در گذشته به طور کامل بررسی نشده است.

شکاف مطالعاتی:

 (1) ضمن طراحی HESC، نیروگاههای برق مبتنی بر زغال سنگ و زیست توده را در نظر می گیرد.

 (2) این مطالعه چندین طرح انتشار کربن را در نظر گرفته است .

 (3) عدم قطعیت مانند نرخ استخراج زغال سنگ، نرخ عملکرد زیست توده و نرخ تبدیل برق در نظر گرفته شده است.

توضیحات و فرمول مسئله:

این مقاله بر طراحی یک زنجیره تامین برق ترکیبی مطلوب تمرکز دارد که در آن زغال سنگ و زیست توده برای تولید برق تحت برنامه های انتشار کربن و عدم قطعیت در نظر گرفته می شود. شکل زیر ساختار مسئله را نشان می دهد. زیست توده کشت شده یا جمع آوری شده در در مرکز جمع آوری ذخیره می شود که در همان منطقه عرضه قرار دارد. لازم به ذکر است که توده های زیستی مانند گیاه سوئیچ و گیاه گور از طریق روش های کشاورزی کشت می شوند، در حالی که زیست توده ها مانند بقایای محصول ، مواد چوبی و بقایای جنگل جمع آوری می شوند. زغال سنگ حفر شده در معادن ذغال سنگ و زیست توده کشت شده یا جمع آوری شده در مناطق تأمین زیست توده برای تولید برق به نیروگاه برق حمل می شود. دو نوع نیروگاه برق در نظر گرفته شده است که آنها عبارتند از: (1) نیروگاه برق مبتنی بر زغال سنگ (CEP) که از زغال سنگ برای تولید برق استفاده می کند و (2) نیروگاه برق مبتنی بر زیست توده (BEP) که از زیست توده برای تولید برق استفاده می کند. لازم به ذکر است که در هر مکان فقط یک نوع نیروگاه با یک سطح ظرفیت خاص قابل افتتاح است. سپس برق تولید شده در نیروگاه برق به مناطق تقاضا منتقل می شود. با توجه به چنین ساختاری ، یک SMILP پیشنهاد شده است که هدف آن تعیین طراحی یک زنجیره تامین برق ترکیبی بهینه تحت طرح های مختلف انتشار کربن است. مدل پیشنهادی با هدف تعیین موارد زیر است: (1) معادن زغال سنگ بهینه برای استخراج زغال سنگ. (2) مناطق بهینه تأمین زیست توده برای کشت یا جمع آوری زیست توده ؛ (3) مکانهای مناسب نیروگاه برق ؛ و (4) نوع و ظرفیت بهینه نیروگاه برق.

معادله (1) تابع هزینه زنجیره تامین برق ترکیبی را ارائه می دهد. این شامل هزینه ثابت سالانه و هزینه متغیر است. هزینه ثابت سالانه شامل موارد زیر است: (1) هزینه افتتاح نیروگاه های برق. (2) هزینه افتتاح مراکز جمع آوری زیست توده؛ (3) هزینه اجاره معدن زغال سنگ؛ و (4) هزینه اجاره سایت کشت زیست توده. هزینه متغیر شامل موارد زیر است: (1) هزینه انتقال برق. (2) هزینه تولید برق ؛ (3) هزینه ذخیره زغال سنگ و زیست توده در نیروگاه برق؛ (4) هزینه حمل زغال سنگ و زیست توده؛ (5) هزینه استخراج زغال سنگ؛ و (6) هزینه کشت یا جمع آوری زیست توده.

معادله (2) عملکرد انتشار کربن زنجیره تامین برق ترکیبی را برای یک دوره زمانی مشخص ارائه می دهد که شامل موارد زیر است: (1) کربن ساطع شده در طول تولید برق. (2) کربن ساطع شده در حین حمل و نقل زغال سنگ و زیست توده (3) کربن ساطع شده در طول استخراج ذغال سنگ (4) کربن ساطع شده در هنگام کشت یا جمع آوری زیست توده (5) کربن جذب شده در طی رشد زیست توده. همچنین لازم به ذکر است که انتشار کربن ثابت مرتبط با افتتاح نیروگاه های برق و مراکز جمع آوری نیز در نظر گرفته می شود که از مرتبه ده به توان منفی سه است. این اجازه می دهد تا مدل از باز شدن غیرضروری نیروگاه های برق و مراکز جمع آوری جلوگیری کند.

معادله (3) تابع هدف تحت حداقل هزینه طرح را ارائه می دهد که به حداقل رساندن کل هزینه زنجیره تامین برق ترکیبی است. طرح حداقل هزینه امکان تخمین هزینه را در صورت عدم توجه به طرح های انتشار کربن فراهم می کند.

معادله (4) تابع هدف را ارائه می دهد که کل هزینه زنجیره تامین برق ترکیبی تحت کلاه کربن و طرح تجارت است که این شامل موارد زیر است: (1) هزینه کل زنجیره تامین برق ترکیبی. (2) هزینه خرید گازهای گلخانه ای (اگر کربن بیشتری نسبت به سهمیه کربن ساطع شود). و (3) درآمد حاصل از فروش انتشار کربن (اگر کربن کمتری در مقایسه با سهمیه کربن ساطع شود).

معادلات (5) - (6) محدودیت های انتشار کربن را تحت کلاه کربن و طرح تجارت ارائه می دهد. معادله (5) نشان می دهد که کربن منتشر شده توسط زنجیره تامین برق ترکیبی و سطح تجارت کربن باید برابر با سهمیه کربن باشد. معادله (6) نشان می دهد که سطح تجارت کربن برابر است با میزان انتشار کربن خریداری شده و انتشار کربن فروخته شده.

معادله (7) تابع هدفی را ارائه می دهد که کل هزینه زنجیره تامین برق ترکیبی تحت طرح کربن است. معادله (8) محدودیت انتشار کربن غیر قابل انعطاف است که انتشار کربن را محدود می کند تا دقیقاً زیر سهمیه کربن باشد.

معادله (9) تابع هدفی را ارائه می دهد که کل هزینه زنجیره تامین برق ترکیبی تحت طرح مالیات کربن است. این هزینه از کل هزینه زنجیره تامین برق ترکیبی و مالیات کربن برای هر واحد کربن ساطع شده تشکیل شده است.

معادله (10) تضمین می کند که مقدار برق به دست آمده از دولت و خارج از کشور برابر با تقاضای برق است.

معادلات (11) - (12) اطمینان حاصل می کند که مقدار برق منتقل شده از نیروگاه برق باید برابر با مقدار به دست آمده در مناطق تقاضا و برق از دست رفته در انتقال باشد.

معادله (13) نشان می دهد که فقط یک نوع نیروگاه برق با یک سطح ظرفیت می تواند در یک محل کارخانه برق مشخص باز شود. معادله (14) اطمینان حاصل می کند که میزان برق منتقل شده باید برابر با مقدار تولید شده باشد. معادله (15) تولید برق را کمتر از حداکثر ظرفیت مجاز می داند. 

معادله (16) نشان می دهد که میزان برق تولید شده در کارخانه برق مبتنی بر زغال سنگ به مقدار انرژی موجود در زغال سنگ، نرخ تبدیل انرژی به برق و کارایی نیروگاه برق مبتنی بر زغال سنگ بستگی دارد.

معادله (17) نشان می دهد که مقدار برق تولید شده در نیروگاه برق مبتنی بر زیست توده به مقدار انرژی موجود در زیست توده، افت کیفیت ناشی از مخلوط زیست توده، تبدیل انرژی به برق و کارایی نیروگاه برق مبتنی بر زیست توده بستگی دارد.

معادلات (18) - (20) تعادل مواد، سطح موجودی و ظرفیت نگهداری موجودی برای زغال سنگ در یک کارخانه برق را ارائه می دهد. معادله (18) نشان می دهد که میزان زغال سنگ خریداری شده از معادن زغال سنگ در طول مدت زمان فعلی و سطح موجودی زغال سنگ از دوره زمانی قبلی باید برابر با مقدار زغال سنگ استفاده شده در دوره زمانی فعلی و سطح موجودی زغال سنگ در پایان دوره زمانی فعلی باشد. معادله (19) نشان می دهد که مقدار موجودی زغال سنگ با مقدار موجودی زغال سنگ نگهداری شده و مقدار زغال سنگ سفارش داده شده برابر است. معادله (20) نشان می دهد که مقدار موجودی زغال سنگ حمل شده در هر دوره زمانی باید کمتر از حداکثر موجودی مجاز باشد.

معادلات (21) - (23) تعادل مواد، سطح موجودی و ظرفیت نگهداری موجودی برای زیست توده در یک نیروگاه برق را ارائه می دهد. معادله (21) نشان می دهد که میزان زیست توده خریداری شده از مراکز جمع آوری در طول دوره زمانی فعلی و سطح موجودی زیست توده از دوره زمانی قبلی باید برابر با مقدار زیست توده استفاده شده در دوره زمانی فعلی و سطح موجودی زیست توده در پایان دوره زمانی فعلی باشد. معادله (22) نشان می دهد که میزان موجودی زیست توده برابر است با مقدار موجودی زیست توده نگهداری شده و مقدار زیست توده سفارش داده شده است. معادله (23) نشان می دهد که مقدار موجودی زیست توده حمل شده در هر دوره زمانی باید کمتر از حداکثر موجودی مجاز باشد.

معادلات (24) - (26) تراز مواد، سطح موجودی و ظرفیت نگهداری موجودی برای زیست توده را در مرکز جمع آوری واقع در یک منطقه تأمین شده زیست توده ارائه می دهد. معادله (24) نشان می دهد که میزان زیست توده خریداری شده از مناطق تأمین کننده زیست توده طی دوره زمانی فعلی و سطح موجودی زیست توده از دوره زمانی قبلی باید برابر با مقدار زیست توده استفاده شده در دوره زمانی فعلی و سطح موجودی زیست توده در پایان دوره زمانی فعلی معادله (25) نشان می دهد که میزان موجودی زیست توده برابر است با مقدار موجودی زیست توده نگهداری شده و مقدار زیست توده پس سفارش داده شده است. معادله (26) نشان می دهد که مقدار موجودی زیست توده حمل شده در هر دوره زمانی باید کمتر از حداکثر موجودی مجاز باشد.

معادلات (27) - (29) محدودیت های معدن زغال سنگ است. معادله (27) نشان می دهد که زغال سنگ حمل شده از یک معدن زغال سنگ خاص باید برابر با مقدار زغال سنگ استخراج شده باشد. معادله (28) اطمینان حاصل می کند که مقدار زغال سنگ استخراج شده برابر با میزان استخراج و زمین مورد استفاده است. معادله (29) محدود کردن زمین مورد استفاده برای استخراج زغال سنگ کمتر از حد مجاز است.

معادلات (30) - (31) محدودیت های کشت / جمع آوری زیست توده را ارائه می دهد. معادله (30) نشان می دهد که میزان زیست توده جمع آوری شده توسط مرکز جمع آوری در یک منطقه تأمین زیست توده خاص به میزان عملکرد و مقدار زمین استفاده شده بستگی دارد. معادله (31) مقادیر زمین مورد استفاده را کمتر از حداکثر زمین مجاز می داند.

معادلات (32) - (33) شخص را قادر می سازد تا یک زنجیره تامین برق مبتنی بر زغال سنگ یا زنجیره تامین برق مبتنی بر زیست توده را طراحی کند. این دو معادله مشخص میکند که یکی از دو نیروگاه مبتنی بر زیست توده با زغال سنگ انتخاب شود.

نتیجه گیری:

در مطالعه اولیه، عملکرد اقتصادی و زیست محیطی CESC و BESC مقایسه شده است. CESC زنجیره تأمین است که در آن برق از زغال سنگ تولید می شود و BESC زنجیره تأمین است که در آن برق از زیست توده تولید می شود. لازم به ذکر است که هدف کل هزینه (معادله (3)) مدل SMILP بهینه شده است. هزینه CESC در مقایسه با BESC به طور قابل توجهی کمتر است. بنابراین، می توان نتیجه گرفت که استفاده از زغال سنگ برای تولید برق می تواند به طور قابل توجهی هزینه را در مقایسه با زیست توده کاهش دهد. BESC می تواند میزان انتشار کربن را در مقایسه با CESC به طور قابل توجهی کاهش دهد. بنابراین، می توان نتیجه گرفت که استفاده از زیست توده برای تولید برق می تواند میزان انتشار کربن را به میزان قابل توجهی کاهش دهد. سرمایه، هزینه تولید و انتقال به طور قابل توجهی به هزینه زنجیره تأمین در CESC و BESC کمک می کند. بعلاوه، هزینه BESC به دلیل تولید برق بیشتر و هزینه های کشت زیست توده بیشتر است. تولید برق به میزان قابل توجهی در انتشار کربن در CESC و BESC نقش دارد. همچنین، که میزان انتشار کربن در تولید برق برای BESC در مقایسه با CESC بیشتر است. با این حال، بیشتر کربن ساطع شده در طی فرآیند رشد توسط زیست توده جذب می شود و منجر به کاهش انتشار کربن برای BESC می شود.

با مقایسه طرح های انتشار کربن این نتیج حاصل شدند. آنها نشان می دهند که MCS در مقایسه با CCTS و CTS طرح بهتری است زیرا هزینه MCS کمتر است و انتشار کربن همان CCTS و CTS است. CCS بهتر از CTS است زیرا هزینه تقریباً یکسان است. با این حال، میزان انتشار کربن CCS در مقایسه با CTS به طور قابل توجهی کمتر است. بنابراین، می توان نتیجه گرفت که MCS در مقایسه با CCTS و CTS یک طرح بهتر است و در مقایسه با CCS و CTS طرح خوبی است. در نتیجه، اگر هدف کاهش انتشار کربن است، CCS بهترین طرح است.