1. بررسی زمینههای مختلف نکسوس
نکسوس چیست؟
منشأ عمده چالشهای جهانی و ملی منبع از ناکارآمدی و ناهمگرایی سه حوزه انرژی، آب و محیط زیست است. بنابراین بنیان سیاستگذاری و برنامهریزی توسعه پایدار در تلفیق و یکپارچهسازی این سه حوزه است.
به همین دلیل رشتهای از دانش جهت ارائه راه حلهای یکپارچه برای عمده چالشهای جهانی تحت عنوان نکسوس(همبست) انرژی، آب و محیط زیست پدیدار شده است که دانشمندان به این باور رسیدهاند که سیاستگذاری مستقل در هرکدام از حوزه های انرژی، آب و محیط زیست خطا بوده و تبعات جدی برای زندگی انسان و کشورها بوجود آورده است. تنها زمانی یک سیاست پایدار خواهد بود که بتواند در چارچوب تلفیقی انرژی، آب و اقلیم بنا نهاده شود.
کنش بخش انرژی بر بخش آب و محیط زیست، کنش متقابل بخش آب بر بخش انرژی/محیط زیست و کنش حفاظت زیست محیطی برهرکدام از این بخشها در این دانش کلاننگر بررسی میشود.
در چند سال اخیر این مفهوم جدید رشد و کاربرد بسیار زیادی در کشورهای پیشرفته و در حال توسعه پیدا کرده است. به طوریکه برنامه ریزیهای جداگانه آب، انرژی و کنترل زیست محیطی جای خود را به مفهوم نکسوس داده است که همان به هم پیوستگی سیستم انرژی-آب و محیط زیست است.
بدلیل شرایط جغرافیایی و آسیبهای ناشی از توسعه صنعتی و اقتصادی، ایران در مرکز بروز چالشهای سه گانه آب، انرژی و اقلیم قرار گرفته است. میزان بارشهای جوی از میانگین جهانی کمتر بوده و عمدتاً بین 200 تا 260 میلی متر در سال بارش وجود دارد که البته انحراف میانگین در برخی سال ها قابل توجه است.
علیرغم بارش کم، شدت مصرف آب هم در بخشهای رفاهی (خانگی) و هم بخشهای مولد (کشاورزی، خدمات و صنعت) بالاتر از دیگر کشورها میباشد که دلیل اصلی آن اندک بودن قیمت آب در ایران و بویژه در بخش های کشاورزی و خانگی میباشد.
فشار تقاضا بر منابع آب شدید بوده، و برداشت آبهای زیرزمینی و سطحی خارج از ظرفیت منابع آب کشور بوده و بنابراین وضعیت آبهای تجدیدپذیر کشور بحرانی کرده است.
از طرف دیگر، ایران بالاترین شدت مصرف انرژی را در بین تمامی کشورهای جهان به خود اختصاص داده است. قیمت پایین حاملهای انرژی و عدم تحولات فناوری متناسب با دنیا، باعث شده است که هدر رفت انرژی بویژه در بخش های غیر مولد بیش از 50 درصد برآورد گردد.
به نظر میآید با این مصرف انرژی بتوان حجم اقتصادی بیش از چهار برابر اقتصاد فعلی ایران را تغذیه نمود. بالا بودن شدت مصرف انرژی، انتشارات زیست محیطی را شدت بخشیده است. آلایندههای محلی نظیر ناکس، ساکس و دی اکسید کربن و ذرات معلق باعث آلودگی جوی در شهرهای بزرگ کشور شده و در کنار آن انتشارات گازهای گلخانهای نیز هیچگونه تناسبی با جمعیت و اقتصاد کشور ندارد.
رتبه ایران در انتشار گازهای گلخانهای در سطح کشورهای جهانی بین هفت تا نه، بسته به سالهای مختلف متغیر بوده است. سیاستهایی نظیر گازرسانی در سطح کشور که با توجیههایی همانند سبز بودن این سوخت انجام گرفته است، بدلیل افزایش شدت مصرف انرژی بویژه در بخش خانگی تا 70 درصد بیشتر از فرآورده، عملاً امتیازات زیست محیطی آن را کاهش داده است.
سهم زیادی از معضلات کشور بویژه پیامد اجرای برنامههای توسعه، مربوط به بخشینگری بوده است. رهیافت هایی همانند نکسوس این شکاف برنامهریزی را تا حدودی زیادی حل کرده و با نگاه یکپارچه به سیستمهای انرژی، آب و اقلیم، راه حلهای فراگیر برای چالشها ارائه نموده و پیامدهای توسعه را به حداقل ممکن خواهد رساند.
بنابراین رویکرد نکسوس برای مواجهه با چالشهای سه گانه ایران ضرورت داشته، و توجه بدان می تواند منابع کشور را با حداقل اثرات زیست محیطی و حداکثر منافع اجتماعی-اقتصادی تخصیص نماید.
برای دسترسی به ویدیو وبینار نکسوس انرژی، آب و محیط زیست و کاربردهای آن در ایران که در خرداد 1400 برگزار شده است اینجا کلیک کنید.
2. چارچوب روش شناسی نکسوس
جریان آب و انرژی علیرغم تفاوتهای جزئی، دارای رفتار همسانی بوده و از دیدگاه سیستمی، رویکرد تحلیلی مشابهی را نیاز دارند. دبی آب رودخانههای اصلی متأثر از میزان بارش سالانه بوده و همچنین سطح آب سدهایی که بر روی این رودخانه قرار گرفته است و دارای نیروگاه تولید برق میباشد، بر تولید برق اثر میگذارد.
همچنین سطح بارش سالانه بر میزان جریانهای سطحی تأثیر گذاشته و حجم آب آنها را جابجا خواهد نمود. تراز سالانه آب سدها متأثر از میزان آبریزهای رودخانهها، تبخیر سطحی، جذب سطحی بوده و میزان آب ورودی از طریق رودخانهها نیز تابعی از میزان بارش سالانه، برداشتهای سطحی و زیرزمینی و همچنین تبخیر و جذب سطح میباشد.
بخش عمده آب جمع آوری شده و استحصال شده صرف کشاورزی شده، و بخشی برای مصارف خانگی و تجاری و بخشی دیگر برای مصرف صنعتی استفاده میشود. طبیعی است که برای انتقال و توزیع و تصفیه آب نیز به مصرف برق و گاز طبیعی و یا سایر حاملهای انرژی نیاز میباشد.
از طرف دیگر برای تولید انرژی برق آبی، تولید برق فسیلی (تقاضای آب نیروگاههای حرارتی)، فرآورش و عرضه انرژی و سایر نیاز به مقدار قابل توجهی آب میباشد. اگرچه کسری از برق موردنیاز کشور از سدها تأمین شده، لیکن مابقی از نیروگاههای حرارتی گرفته میشود که تولید برق آن مستلزم مصرف سوخت (گاز طبیعی، نفت گاز و نفت کوره) و انتشار گازهای گلخانهای و آلایندههای زیست محیطی است.
چارچوب روش شناسی توسعه یک مدل نکسوس در شکل(1) آورده شده است، همانطورکه شکل نشان می دهد با رویکرد تحلیلی می توان گفت که هسته اصلی نکسوس، از دو قسمت موازی و یک قسمت مشترک تشکیل شده است.
-
قسمت نخست نکسوس
قسمت نخست نکسوس توسعه مدل یکپارچه عرضه و تقاضای انرژی در کوتاه مدت و بلند مدت است که این قسمت بر اساس سیستم مرجع جریان انرژی، از دو سمت اصلی تشکیل شده است.
سمت تقاضا دربرگیرنده تقاضای انرژی در پنج بخش اصلی شامل خانگی، تجاری، صنعت، حمل و نقل و کشاورزی و بخش فرعی یعنی سیستم آب می باشد. سمت دوم، سمت عرضه – منابع انرژی بوده و شامل زنجیره استخراج، تولید و عرضه انرژی و منابع انرژی می باشد. انتشارات زیست محیطی فعالیت سیستم انرژی اعم از جوی، آبی و خاکی، کیفیت هوا، تولید گازهای گلخانه ای نیز مولفه دیگری از مدل انرژی-محیط زیست خواهد بود که در این قسمت پوشش داده می شود.

شکل(1)- چارچوب مدل ملی نکسوس (همبست) آب، انرژی و محیط زیست
-
قیمت دوم نکسوس
قسمت دوم، توسعه مدل یکپارچه عرضه و تقاضای آب در بلند مدت و کوتاه مدت است که از چهار قسمت اصلی شامل مدل تقاضای آب، مدل هیدرولوژی، مدل عرضه، منابع و کیفیت آب تشکیل شده است. سمت تقاضا، تقاضای آب را در چهار بخش اصلی شامل کشاورزی، صنعت، خانگی، تجاری، صنعت، کشاورزی و سایر را در بازههای زمانی کوتاه مدت(ماهانه)/ بلندمدت محاسبه می کند.
قسمت عرضه و منابع آب، منابع برداشت آب شامل جمع آوری آبهای سطحی و دریاها، جریانات دائمی رودخانهها، سدها و آبهای زیرزمینی را به عنوان منابع اصلی آب میشناسد. در قسمت عرضه آب خطوط انتقال آب به محلهای مصرف و همچنین خطوط انتقال برگشتی آب به رودخانهها در کنار سیستم های تصفیه آب و سیستم فاضلاب مدل سازی خواهند شد.
بررسی کیفیت انواع آبهای مصرفی و سایر بخشهای دیگر این قسمت را تشکیل میدهند. از طرف دیگر نقشه GIS جهت استقرار منابع، رودخانهها، تأسیسات آب در مدل سازی وارد خواهد شد. کیفیت آب، اکوسیستم، نیازهای زیست محیطی، تعامل با آبهای زیزمینی، اثرپذیری و اثرگذاری بر تغییرات اقلیمی، تولید غذا نیز در این قسمت پوشش داده خواهد شد.

شکل(2)- اجزای اصلی یک مدل یکپارچه نکسوس انرژی، آب و محیط زیست
-
قیمت سوم نکسوس
قسمت سوم، در واقع اتصال بین این دو مدل و تصویر کنش بین بخشهای آب و انرژی میباشد که از طریق یک محیط ویژه این اتصال برقرار خواهد شد(همانند شکل(2)). کنش بین بخشهای آب و انرژی کشور بسیار پیچیده بوده و البته شناخت صحیح آن یک مسأله حیاتی است. از جمله موارد اندرکنش این دو بخش عبارتند از:
- تقاضای انرژی در سیستم عرضه آب کشور(پمپاژ، نمک زدایی، فرآورش و تصفیه، تصفیه فاضلاب و …)
- میزان دقیق تولید برق آبی از سدهای موجود کشور متأثر از تغییرات آب و هوایی و میزان بارش در ماه ها و سال های مختلف
- ارزیابی تأثیر تولید برق آبی بر میزان بهره برداری از سایر نیروگاه های کشور
- تقاضای آب در نیروگاه های غیر برق آبی کشور
- حجم ذخایر آبی سدهای کشور بر میزان و امنیت تولید برق
- تقاضای آب خنک کننده در زنجیره تولید و عرضه انرژی بویژه نیروگاه های حرارتی و تأثیر آن بر تراز عرضه و تقاضای آب در مناطق مختلف کشور
- ارزیابی تقاضای انرژی در تأمین آب بخش کشاورزی ایران
- ادغام بخش های آب و انرژی کشور در تأمین پایدار جریان پیوسته آب و انرژی با حداقل اثرات زیست محیطی و حفظ اکوسیستم
- امنیت عرضه آب و انرژی و حفظ محیط زیست
- برنامه ریزی برای تجارت آب و انرژی
- ارزیابی قابلیت اطمینان تولید آب و برق کشور در بلند مدت و کوتاه مدت
- توسعه و ترویج فنآوری نوین صرفه جویی مصرف انرژی و آب از طریق پشتیبانی یک ابزار یکپارچه
3. ابزارهای مدل سازی و تحلیل نکسوس انرژی، آب و اقلیم
ابزارهای مختلفی جهت یکپارچه سازی مفهوم در قالب مدلهای کمی محاسباتی طراحی و عرضه شده است که معتبرترین آنها ابزارهای مدلسازی LEAP و WEAP میباشند.
-
نرم افزار LEAP
نرم افزار LEAP جهت مدلسازی سیستم انرژی و انتشارات جوی/خاکی/آبی حاصل از احتراق و عرضه سوختهای فسیلی و سایر حاملهای انرژی میباشد.
-
نرم افزار WEAP
نرم افزار WEAP نیز امکانات بینظیری را برای مدلسازی و برنامهریزی سیستم آب فراهم نموده است که حتی قادر است وضعیت زیست محیطی و آلایندگی جریانهای آبی و زیرزمینی را مدلسازی نماید.
در ایران نیز اگرچه دانش بومی خوبی در زمینه کاربردهای جداگانه ابزارهای LEAP و WEAP وجود دارد، لیکن نمونههای مقیاس کوچک، آکادمیک و اندکی از کاربردهای تلفیقی آنها برای مدلسازی، برنامهریزی و سیاستگذاری یکپارچه آب، انرژی و محیط زیست به چشم میخورد. مهمترین کار انجام گرفته در حوزه نکسوس، طراحی/توسعه و کاربرد مدل نکسوس استان خوزستان است که با حمایت مالی و همکاری پژوهشگاه نیرو اجرا شده است.
به جای خلق یک ابزار جدید ناآشنا برای مدل سازی و تحلیل تخصصی بخش انرژی و آب، از ابزارهای موجود استفاده می شود که هر دو ابزار مورد تأیید نهادهای علمی بین المللی بوده و از سابقه بیش از سه دهه توسعه و بکارگیری در سطح جهانی برخوردارند و همچنین اعتبارسنجی آنها طی تحقیقات مختلف انجام گرفته است.
در واقع از زیر سیستمهای جدید ارتباطی برای شبیهسازی کنش و واکنش بخش انرژی و آب بهره گرفته میشود لازم به ذکر است که ابعاد زیست محیطی نیز در مدل سازی مورد توجه قرار خواهد گرفت.
در واقع هدف پوشش ویژگی های واقعی در قالب یک ابزار یکپارچه شبیه سازی به مثابه آزمایشگاه مجازی جهت ارزیابی فنی، اقتصادی، زیست محیطی برنامه ها و سیاست های مختلف و برنامه ریزی برای انتخاب مسیر مطلوب توسعه می باشد. LEAP در حوزه انرژی و WEAP در حوزه آب این دو ابزار تخصصی هستند.
سیستم یکپارچه از پیوند دو ابزار LEAP و WEAP تشکیل شده است که بطور همزمان اجرا شده و از طریق یک مرکز کنترل به همدگیر وصل شده و به صورت پویا داده ها را ردو بدل می گردند که اصطلاحاً به مدل نکسوس انرژی، آب و محیط زیست معروف است (شکل (3)).
به این معنا که هرکدام از این ابزارها داده های موردنیاز خود را از دیگری دریافت نموده و در تحلیل ها بکار می گیرند. برای نمونه میزان تولید برق آبی از طریق شبیه سازی منابع سدهای آبی کشور به صورت واقعی از طریق WEAP انجام گرفته و از طریق مرکز کنترل به LEAP منتقل می شود و LEAP نیز با در نظر گرفتن این داده واقعی، امکان برنامه ریزی برای ظرفیت سازی تولید برق از سایر منابع انرژی را در بلند مدت فراهم می کند.
فرضیات سناریوها، داده های مرتبط و اطلاعات فصلی/ساعتی روزها و مرزهای جغرافیایی از اطلاعات کلیدی این مرکز کنترل می باشد که امکان اجرای کل سیستم در شرایط سناریوهای محتمل را میسر می نماید.
این سیستم برنامهریزی یکپارچه، قابلیت مدل سازی و تحلیل مسایل گسترده انرژی و آب را فراهم می کند. سیستم فوق در عین سادگی، بسیار قدرتمند بوده و یک سیستم هوشمند یکپارچه برای مدیریت دو بخش استراتژیک انرژی و آب محسوب میشود.
از جمله ویژگی های پلت فرم LEAP می توان به موارد زیر اشاره نمود:
- برنامهریزی یکپارچه سیستم انرژی و ارزیابی انتشارات زیست محیطی
- قابلیت کاربرد در سطوح استانی، ملی، منطقهای و جهانی
- ابزار سریع، شفاف، مدیریت قدرتمند داده ها، گزارش دهی تفصیلی و امکان ایجاد انواع سناریوهای تحلیل
- امکان انتخاب روش مناسب مدل سازی از میان روشهای شبیه سازی/بهینه سازی و مهندسی/اقتصاد سنجی را فراهم میکند.
- به طور گسترده در سطح جهانی مورد استفاده بوده و هم اکنون در بیش از 195 کشور بهره برداری شود.
همانطورکه گفته شد برای مدل سازی سیستم آب حوزه از مدل WEAP بهره گرفته میشود که این ابزار نیز با پشتیبانی سازمان ملل توسط SEI طراحی و ساخته شده است و از سابقه توسعه و کاربرد 35 ساله برخوردار است.
این نرم افزار کاملاً اعتبارسنجی شده و از نظر علمی و فنی مورد تأیید معتبرترین نهادهای علمی مرتبط میباشد و از جمله پرکاربردترین نرم افزار در حوزه برنامهریزی آب میباشد.
ویژگی های منحصر بفرد این نرم افزار عبارتند از:
- امکان مدل سازی در سطح حوزه آبریز، استانی، ملی و بین المللی سیستم آب
- مدل سازی GIS، اینترفیس گرافیکی برای سوار کردن اجزای سیستم عرضه و تقاضای آب
- شبیه سازی فیزیکی عرضه و تقاضای آب کشور
- مدل سازی و شبیه سازی فوق العاده از طریق متغیرهای کاربر آفرین، معادلات مدل سازی و اتصال به نرم افزارهای داده پرداز نظیر Excel، برنامه نویسی از طریق زبان های VB و Java Script و اتصال به سایر مدل ها
- قابلیت های مدیریت سناریو
- ماژولهای آب زیرزمینی، کیفیت آب، سدهای آبی و تولید برق آبی و انجام تحلیلهای مالی
همچنین لازم به ذکر است اطلاعات بیشتری در مورد ابزارهای LEAP و WEAP در ادامه آورده شده است.
4. کاربردهای اصلی مدل نکسوس ملی
از جمله کاربردهای اصلی نکسوس ملی می توان به موارد زیر اشاره نمود:
- برآورد تقاضا و عرضه-منابع حامل های انرژی، انتشارات زیست محیطی و آب در بیش از صدها بخش و زیربخش
- چشم انداز تقاضا، عرضه، تصفیه، انتقال، استحصال آب از منابع مختلف سطحی و زیرسطحی استانها و حوزهها
- مدیریت استخراج و تولید نفت و گاز
- گاز های فلر تولید نفت (گازهای مشعل در تأسیسات استخراج نفت)، پالایشگاه ها و پتروشیمی ها
- ازدیاد برداشت میدانهای نفتی
- کمک به اجرای برنامه بهینه سازی مصرف انرژی
- برنامه ریزی بلند مدت و نیاز سنجی منابع موردنیاز صنعت نفت و گاز
- چشم انداز نیاز برق و برنامهریزی بهینه احداث نیروگاههای جدید
- استحصال انرژی از منابع پسماندها (شهری، کشاورزی و غذایی) و لجن فاضلاب شهری
- مدیریت کیفیت و آلودگی آب
- ارزیابی اثربخشی تغییرات اقلیمی بر بارش، حوضه آب ریزی، آبدهی رودخانه ها و آبهای سطحی
- ارزیابی اثربخشی تغییرات اقلیمی بر مصرف برق و نیروگاهها
- سازگاری توسعه صنعتی با چشم انداز تأمین آب
- محاسبه موجودی، چشم انداز و تهیه برنامه کنترل انتشار گازهای گلخانهای و هزینههای زیست محیطی
- توسعه نیروگاههای تجدیدپذیر
- کنترل انتشار ریزگردهای ناشی از عوامل خشکسالی و فعالیت صنعتی
- مدیریت آب رودخانهها و کنترل شوری
- مدیریت بهرهبرداری سدهای موجود و احداث سدهای جدید
- مدیریت کلی سیتسم آب و تخصیص بهینه آب به مصارف
- نمک زدایی و شیرینسازی آب دریا
- امکانات مناسبی برای مدیرت آب در زمان خشکسالی، رویکردهایی را برای جلوگیری از خشک شدن تالابها ایجاد کرده که به تبع آن موجب کاهش ریزگردها خواهد شد.
- مدیریت با بارندگی های شدید و سیلابها
- برنامهریزی برای احداث سیستم های جمع آوری و تصفیه فاضلابها
- توسعه صنعت پتروشیمی و صنایع شیمیایی در سطح کشور با در نظر گرفتن محدودیتهای دسترسی به آب و انتشارات زیست محیطی
5. برنامه های آتی برای ایجاد مدل ملی نکسوس آب، انرژی و اقلیم
بدلیل اهمیت حیاتی رویکرد نکسوس در کشور، لازم است زیرساخت ها و ظرفیت های بکارگیری آن در کشور ایجاد شود. به همین دلیل برنامه اصلی ما انجام پژوهش های کاربردی برای ایجاد ظرفیت بهره برداری از این دانش فنی در کشور می باشد. برنامه ها عمدتاً در چهار محور گردآوری و پردازش داده های موردنیاز، بهبود چارچوب روش شناسی و مدل سازی نکسوس، مانیتورینگ و پایش آنلاین انرژی، آب و انتشارات و در نهایت آموزش معطوف می باشد. از جمله برنامه های اصلی ما برای توسعه نکسوس عبارتند از:
- توسعه پایگاه داده های انرژی، آب و اقلیم در سطح ملی و استانی – سامانه انرژی اینفورمیشن (www.EnergyInformation.ir)
- توسعه پایگاه دادههای تولید، فرآورش، عرضه و مصرف غذا در سطح ملی و استانی – سامانه انرژی اینفورمیشن (www.EnergyInformation.ir)
- ایجاد سیستم پایش آنلاین داده های انرژی (گاز، برق) و آب در سطوح خرد برای گردآوری برخط داده ها- سامانه مگاتجهیز به آدرس www.MegaTajhiz.ir
- توسعه مدل های انرژی- محیط زیست در مقیاسهای مختلف
- توسعه مدل های آب-اقلیم در مقیاس های مختلف
- توسعه مدل های نکسوس در سطوح خرد، منطقهای (رودخانهای)، شهری، شهرستانی، استانی و ملی
- اجرای طرحهای مدیریت انرژی، آب و کاهش انتشارات در صنعت و ساختمان
- توسعه آموزشهای تخصصی در حوزههای انرژی، آب و محیط زیست- سامانه انرژی نتورک به آدرس www.EnergyNetwork.ir
6. جمع بندی
در این مقاله تلاش شده است تا مبانی و مفاهیم نکسوس به صورت اجمالی شرح داده شود.
همانطورکه گفته شد، کشور ما به دلیل قرارگرفتن در گلوگاه اثرپذیری از تغییرات اقلیمی، با چالشهای انرژی، آب و محیط زیست مواجهه شده است. عمده این معضلات متأثر از نگاه بخشی به آب، انرژی و حتی در داخل خود سیستم آب و سیستم انرژی میباشد.
رویکرد نکسوس (همبست)، با ایجاد یکپارچگی در رویکردها، پیامدهای تصمیم در هرکدام از سیستمهای انرژی، آب را بر محیط زیست، تولید غذا، امنیت انرژی، امنیت آب و اقلیم و اکوسیستم ارزیابی نموده و بهترین مکانیسم را برای تخصیص منابع ایجاد مینماید.
زیرساختهای اصلی نکسوس شامل چارچوب روش شناسی، مدلهای تحلیلی، مانیتورینگ و پایش انرژی، آب و محیط زیست و آموزشهای تخصصی است که بخشی از فعالیتهای شرکت کنترل انرژی پاسارگاد را تشکیل میدهند.
این مقاله به شما کمک میکند تا نکسوس آب، انرژی و محیط زیست را بهتر درک کنید، اما اگر چالشهای خاصی در این زمینه دارید میتوانید در هر زمان از کارشناسان وبسایت مگا تجهیز راهنمایی و مشاوره بگیرید.
برای شرکت در دوره آموزشی نکسوس آب و انرژی به سامانه انرژی نتورک به آدرس www.EnergyNetwork.ir مراجعه کنید.
لینک مطالب مرتبط
راهکارها و فناوری های کاهش مصرف آب در بخش کشاورزی
لینک دسته بندی محصولات فروشگاه
خرید انواع کنتورهای توربینی الستر
لطفا در قسمت ثبت دیدگاه سوالات و نظرات خود را با ما در میان بگذارید. تیم مگا تجهیز در اولین فرصت به سوالات شما پاسخ خواهند داد.