نکاتی در مورد انرژی آبی

انرژی آبی (به انگلیسی: Hydropower) نیرویی است که از حرکت آبی به دست می‌آید که ممکن است برای اهداف مفید مهار شود و با توجه به اینکه بخش زیادی از انرژی حاصل از نیروی آب جهت تولید برق آبی به مصرف می‌رسد، در نتیجه به انرژی برق‌آبی نیز معروف است.

انرژی آبی مانند انرژی خورشیدی از منابع طبیعی انرژی است.

این انرژی به دلیل حرکت و سرعت آن است که با ایجاد سد در مقابل رودخانه‌ها می‌توان انرژی جنبشی را به انرژی پتانسیل ذخیره کرد حتی آبشارها نیز به خاطر ارتفاع زیادی که از سطح زمین دارند و به خاطر وزش باد دارای منبع عظیمی از انرژی آب می‌باشند.

نیروگاه های برق آبی از انرژی نهفته شده در جزر و مد استفاده می‌کنند این انرژی عبارت است از: انرژی پتانسیل (انرژی نهان یا ساکن) حاصل از جابجایی عمودی توده آب ساکن یا انرژی جنبشی وابسته به شدت جریان (انرژی جریان جزر و مدی) که به هر دلیل پدیده جزر و مد که خود ناشی از نیروهای گرانشی (جاذبه) ماه و خورشید می‌باشند، به وجود می‌آید.

در بعضی از انواع این نیروگاه‌ها از جریان آب هم در جزر و هم در مد استفاده می‌نمایند.

در این نیرگاه‌ها آب از بالا وارد شده و باعث جدایی دو صفحه گشته و نیروی حاصل از آن فنر پیچشی را تحت فشار قرار می‌دهد و با فروکش کردن آب و خالی شدن محفظه و برگشتن فنر به حالت اولیه باعث چرخش توربین می‌شود.

نیروگاه‌های موجی می‌توانند در دو حالت تک منظوره و دو منظوره طراحی و ساخته شوند. دو منظوره بدان معناست که توربین در هر دو حالتی که آب جریان دارد کار کند. زمانی که آب بالا می‌آید و همچنین طی زمانی که آب فروکش کرده و به اقیانوس بازمی‌گردد؛ ولی در سیستم تک منظوره توربین فقط در زمان سیکل فروکش کار می‌کند.

این نوع دریچه‌های آب در زمان موج بازمی‌مانند و اجازه می‌دهند که آب فضای آبگیر را پر نماید. سپس دریچه‌ها بسته می‌شوند. ارتفاع و هد آب افزایش می‌یابد و توربین‌ها روشن می‌شوند و آب در دوره فروکش از آبگیر به درون اقیانوس بازمی‌گردد.

مزایای روش توربین دومنظوره این است که به‌طور دقیق مدلی از پدیده طبیعی موج است و کمترین میزان تأثیر در محیط را دارد و از قضا در بعضی از انواع خود بازده بسیار بالایی هم دارد، اما این روش به لوازم پیچیده و توربین‌های دوجهته بازگردنده گران‌قیمت و تجهیزات الکتریکی نیاز دارد.

از سوی دیگر روش تک منظوره بسیار ساده‌تر است و به توربین‌های چندان گران‌قیمتی نیاز ندارد. از جمله جنبه‌های منفی روش تک منظوره می‌توان به زیان بیشتر آن برای محیط اشاره نمود. از آنجایی که ارتفاع هد بیشتری برای آب ایجاد می‌نماید که سبب انباشته شدن رسوبات و ته‌نشینی‌ها در آبگیر می‌شود. سوای این‌ها هر دو روش در عمل به کار گرفته می‌شود.

برای مثال نیروگاه‌های موجی لارانس و کیسلایا گوبا از نوع توربین‌های دو منظوره هستند درحالی که نیروگاه موجی آناپولیس از نوع تک منظوره است. یکی از پارامترهای اصولی و مرسوم نیروگاه‌های آبی توان خروجی آن می‌باشد.

مکانیزم تولید برق از امواج دریا انرژی موجی یک انرژی پاک پایان ناپذیر است و این ویژگی‌های برجسته انرژی موجی را در آینده‌ای نزدیک به منبعی مهم و در عین حال جهانی جهت تولید انرژی تبدیل خواهد نمود.

برای دستیابی به این هدف صنعت تولید انرژی موجی جزر و مدی باید در جهت بازدهی بالاتر و هزینه‌های کمتر و اجماع جهانی برای گسترش آن گام بردارد. بلندترین امواج در جهان به ندرت بتواند با ارتفاع و هد آب که در نیروگاه‌های رایج بر رودخانه‌ها که بالغ بر ده‌ها و صدها متر می‌شود مقایسه شود.

ارتفاع و هد کم نیروگاه‌های موجی مشکلات فنی نسبی را برای طراحان ایجاد می‌نماید. اساسی‌ترین مشکل پیشروی طراحان، کارایی پایین اغلب ژنراتور هیدرولیکی به کار گرفته شده روی سدها با چنین ارتفاع و هد آب کمی می‌باشد و در سوی دیگر ژنراتورهای طراحی شده برای این سیستم بسیار گران و پیچیده هستند.

مسائل اقتصادی می‌توان پیش‌بینی کرد انرژی موجی و جزر و مد برای قرن‌های متمادی از دیدگاه زمانی و دامنه و گستره استفاده از سایر انرژی‌ها پیشی گیرد. هر چند که مشکلات و دشواری‌های عدیده‌ای برای گردآوری ابن منبع انرژی در قیاس با انرژی خورشیدی و انرژی باد که در مناطق وسیعی مرسوم شده‌اند وجود دارد.

علاوه بر این تأسیسات مرسوم و رایج نیروگاه‌های ترکیبی موجی که شامل سدهای عظیم در اقیانوس‌های آزاد می‌باشد به دشواری می‌تواند از نظر صرفه اقتصادی با آن دسته از نیروگاه‌های سوخت فسیلی و حرارتی که در حال حاضر مؤلفه‌های اصلی تولید انرژی الکتریکی در جهان هستند و با زغال سنگ و سوخت ارزان در دسترس و فراوان کار می‌کنند رقابت کند.

در ادامه نکاتی پیرامون انرژی برق آبی آورده شده است:

1. اولین برق تولید شده در ایالات متحده توسط نیروی آبی در سال 1880 بود

مردم بیش از 2000 سال است که از نیروی آب برای انجام کار استفاده می کنند و برخی از اولین چرخ های آب برای نیرو دادن به آسیاب هایی که گندم را به آرد آسیاب می کردند، استفاده شد، مدت‌ها قبل از اینکه تولید برق در نظر گرفته شود، از چرخ‌های آب برای اره کردن چوب و نیرو دادن به انواع تجهیزات دیگر مورد استفاده در کارخانه‌های نساجی و تولیدی استفاده می‌شد.

با این حال طبق گفته وزارت انرژی ایالات متحده (DOE)، تا سال 1880 بود که اولین برق در آمریکا با استفاده از انرژی آبی تولید شد و این اتفاق زمانی رخ داد که یک دینام که توسط یک توربین آبی هدایت می‌شد، برای تامین نور قوس الکتریکی به سالن تئاتر و ویترین فروشگاه در گراند راپیدز، میشیگان استفاده شد.

سال بعد یک دینام متصل به یک توربین در یک کارخانه آرد، روشنایی خیابان را در آبشار نیاگارا، نیویورک فراهم کرد و هر دوی این سیستم های قدرت اولیه از فناوری جریان مستقیم استفاده می کردند.

اولین نصب تجاری یک نیروگاه برق آبی با جریان متناوب در ایالات متحده در سال 1893 در نزدیکی Redlands، کالیفرنیا رخ داد.

یک نشانگر تاریخی که توسط مؤسسه مهندسین برق و الکترونیک برای بزرگداشت این نیروگاه، که به نام نیروگاه آبی میل کریک شماره 1 شناخته می‌شد، ارسال شده است، می‌گوید که توسط شرکت نور و پاور ردلندز ساخته شده و در 7 سپتامبر همان سال شروع به کار کرد.

این پلاک می‌گوید: این نیروگاه بیش از همه در استفاده از برق سه فاز متناوب برای کاربردهای تجاری بود و در پذیرش گسترده برق سه فاز در سراسر ایالات متحده تأثیرگذار بود.

2. نیروگاه های برق آبی سرعت بسیار بالایی در رسیدن به حداکثر توان تولید دارند

بعضی از نیروگاه‌های برق‌آبی می‌توانند به سرعت از توان صفر به بیش‌ترین توان‌شان برسند. این امر آن‌ها را به گزینه‌ای ایده‌آل برای واکنش به تغییرات ناگهانی تقاضای برق تبدیل کرده است. و بنا به چنین خاصیتی این نوع نیروگاه‌ها در زمان‌های قطعی برق (مانند خاموشی سال ۲۰۰۳ در ایالت‌های شمال‌شرقی و جنوب کانادا) پشتیبانی حیاتی و ضروری برای شبکه برق یه حساب می‌آیند.

شایان دکر است در حالی که ظرفیت بادی و خورشیدی با سرعتی بسیار سریعتر از انرژی آبی در حال رشد است، انرژی آبی همچنان یک منبع مهم انرژی و یکی از منابعی است که در متعادل کردن تناوب انرژی‌های تجدیدپذیر دیگر حیاتی است.

3. نیروگاه های تلمبه ای ذخیره ای

یک نوع از نیروگاه‌های برق‌آبی که تلمبه‌ای ذخیره‌ای نامیده می‌شوند مانند یک باتری عمل می‌کنند؛ بدین صورت که برق تولید شده توسط دیگر منابع مانند خورشید، باد و هسته‌ای را برای استفاده مجدد ذخیره می‌کنند.

این ذخیره انرژی به‌گونه‌ای‌ست که انرژی به‌وسیله پمپاژ آب از منبعی در ارتفاع پایین‌تر به منبعی در ارتفاع بالاتر انتقال پیدا می‌کند؛ و زمانی‌که به انرژی نیاز باشد، آب از منبع با ارتفاع بالاتر رها شده و با چرخش توربین موجب تولید برق تولید می‌شود.

4. هزینه پایین تولید برق

هزینه تولید برق آبی نسبتاً کم است و آن را به یک منبع رقابتی از برق تجدیدپذیر تبدیل می کند و نیروگاه های آبی برخلاف نیروگاه های زغال سنگ یا گاز، هیچ آبی مصرف نمی کند و هزینه معمول تولید برق از یک نیروگاه آبی بزرگتر از ۱۰ مگاوات ۳ تا ۵ سنت ایالات متحده در هر کیلووات ساعت است.

با داشتن یک سد و مخزن، نیروگاه برق آبی یک منبع انعطاف پذیر برای تولید برق است، زیرا مقدار انرژی تولید شده توسط ایستگاه می تواند خیلی سریع (در عرض چند ثانیه) بالا یا پایین شود تا با تغییر تقاضای انرژی سازگار شود.

پس از احداث مجتمع برق آبی، این پروژه هیچ زباله مستقیمی تولید نمی کند و به طور کلی دارای خروجی گازهای گلخانه ای بسیار کمتری نسبت به نیروگاه های فتوولتائیک و مسلماً نیروگاه های دارای انرژی سوخت فسیلی است.

با این حال هنگامی که در جنگل های بارانی پست ساخته می شود، جایی که طغیان برای بخشی از جنگل لازم است می توانند مقدار قابل توجهی گازهای گلخانه ای منتشر کند.

احداث یک مجموعه برق آبی می تواند تأثیرات قابل توجهی در محیط زیست ایجاد کند، عمدتا باعث از دست دادن زمین های قابل کشت و جابجایی جمعیت می شود و آنها همچنین زیست محیط  طبیعی رودخانه درگیر را مختل می کنند و روی زیستگاه ها، اکوسیستم ها، الگوهای لجن زدگی و فرسایش تأثیر می گذارند.

در حالی که سدها می توانند خطرات ناشی از طغیان را بهبود بخشند، اما در عین حال خطر خرابی سد را نیز شامل می شوند که می تواند فاجعه بار باشد.

5. تلاش قابل توجهی برای کمک به مهاجرت ماهیان به سدها و کاهش مرگ و میر انجام شده است

میلیون‌ها ماهی از جمله ماهی آزاد، قزل آلای سر فولادی، شید، آهو و ماهیان خاویاری هر ساله برای تولید مثل به زیستگاه‌های تخم‌ریزی و پرورش مهاجرت می‌کنند. برخی از ماهی ها هزاران مایل از میان اقیانوس ها و رودخانه ها شنا می کنند تا به این مقاصد آب شیرین برسند.

با این حال آنها اغلب در طول مسیر توسط موانع ساخت بشر مانند سدهای برق آبی مسدود می شوند.

صنعت برق آبی با آژانس هایی مانند اداره ملی اقیانوسی و جوی (NOAA) بخش ماهیگیری و خدمات ماهی و حیات وحش ایالات متحده، برای رسیدگی به مسائل مهاجرت ماهی همکاری می کند، چندین استراتژی توسعه داده شده است تا به ماهی اجازه دهد تا از موانع عبور کند.

برخی از نمونه‌ها عبارتند از گذرگاه‌های ماهی از نوع استخر، گذرگاه‌های ماهی دنیل، کانال‌های کنارگذر مانند طبیعت، بالابرها یا قفل‌های ماهی، و امکانات جمع‌آوری و حمل‌ونقل.

مهاجرت به پایین دست نیز می تواند مشکلاتی ایجاد کند و برخی از فن‌آوری‌های متداول گذرگاه پایین دست برای حذف ماهی از توربین‌های آبی شامل صفحه‌های فیزیکی، قفسه‌های میله‌ای زاویه‌دار و لوورهای مرتبط با دور زدن سطح هستند.

راه‌حل‌های دیگری مانند دستگاه‌های هدایت رفتاری که با استفاده از نور، صدا یا برق ماهی را جذب یا دفع می‌کنند، آزمایش شده‌اند، اما اکثر آنها هنوز آزمایشی و اثبات نشده در نظر گرفته می‌شوند.

تحقیقات و توسعه زیادی برای بهبود طراحی توربین های آبی برای محدود کردن مرگ و میر ماهیان انجام شده است و DOE در طول سال ها تعدادی از پروژه ها، از جمله با موسسه تحقیقات انرژی الکتریکی (EPRI) و دیگران، برای بهبود طراحی توربین ها را تامین مالی کرده است.

بر اساس برخی برآوردها، مدل‌های جدید می‌توانند به نرخ بقای بیش از 98 درصد منجر شوند که بسیار بهتر از بقای 80 تا 85 درصدی است که در برخی از طراحی‌های قدیمی‌تر توربین وجود دارد.

روش هایی نیز برای بهینه سازی توربین های موجود، ابداع شده است.

6. انواع مختلف نیروگاه های آبی

• انرژی برق آبی از توربین سد

شاید شناخته شده ترین و معروف ترین نوع نیروگاه های آبی، نیروگاه های آبی ذخیره ای باشد. یک نیروگاه آبی ذخیره ای شامل سد سازی روی یک رودخانه و ایجاد یک مخزن است که مقادیر زیادی آب را ذخیره می کند.

آب از مخزن پشت سدها خارج می شود و از میان توربین ها جریان می یابد و آنها را می چرخاند و برق تولید می کند.

نیروگاه‌های آبی ذخیره‌سازی بار پایه نسبتاً ثابتی از تولید الکتریسیته را فراهم می‌کنند و همچنین توانایی پاسخگویی به اوج تقاضای برق را با اجازه دادن آب بیشتر از طریق سیستم‌های توربین در مدت زمان کوتاهی دارند.

برعکس یک نیروگاه برق آبی ذخیره‌سازی را می‌توان به طور کامل در زمان تقاضای کم برق تعطیل کرد. سد هوور در نوادا نمونه بارز نیروگاه برق آبی ذخیره‌سازی است: این سد قادر است بیش از 4.5 میلیارد کیلووات ساعت برق در سال تولید کند که برای تامین برق بیش از 430000 خانه برای یک سال کافی است.

• انرژی آبی ذخیره سازی پمپاژی

مشابه سیستم‌های برق آبی توربین سدی، نیروگاه‌های آبی پمپاژی متکی به آب است که از طریق توربین‌ها از یک مخزن در ارتفاع بالا به یک نقطه رهاسازی در ارتفاع پایین‌تر جریان می‌یابد.

تفاوت بین ذخیره سازی و ذخیره سازی پمپی در این است که سیستم های ذخیره سازی پمپ شده شامل پمپ هایی هستند که آب را به مخزن ارتفاع بالاتر منتقل می کنند. در زمان اوج تقاضای برق، آب پمپ شده از طریق توربین ها برای پاسخگویی به تقاضای بالای مصرف کننده آزاد می شود.

نیروگاه‌های برق آبی تلمبه‌ای در حالت عادی صرفه اقتصادی ندارند. این به این دلیل است که پمپاژ آب به ارتفاعات بالا انرژی بیشتری نسبت به همان حجم آبی که می‌تواند در توربین‌ها تولید کند، مصرف می‌کند. با این حال، نیروگاه‌های ذخیره‌سازی پمپ شده با فروش برق به شبکه در زمان‌های اوج مصرف که برق گران‌تر از حد معمول است، سود خالص تولید می‌کنند.

آب در زمان‌های کم پیک با هزینه کمتر به ارتفاعات بالا پمپاژ می‌شود و سیستم‌های ذخیره‌سازی پمپ شده را برای شبکه برق به طور کلی ارزشمند می‌کند.

• نیروگاه برق آبی جریانی

یک سیستم برق آبی جریان رودخانه نیز از انرژی موجود در آب جاری رودخانه برای تولید برق استفاده می کند. با این حال، برخلاف سیستم‌های انرژی آبی ذخیره‌سازی و پمپی، نیروگاه‌های برق آبی جریان رودخانه ظرفیت ذخیره‌سازی بسیار کمی دارند یا اصلاً ظرفیت ذخیره‌سازی ندارند.

اغلب اوقات در یک سیستم جریان رودخانه، آب از طریق یک سیستم توربین از کانال اصلی رودخانه منحرف می شود و سپس به کانال اصلی پایین دست باز می گردد. این سیستم‌ها معمولاً قادر به تولید برق در مقیاس سیستم‌های ذخیره‌سازی نیستند، اما اغلب اثرات زیست‌محیطی کمتری نسبت به سیستم‌هایی که شامل سدسازی رودخانه‌ها هستند، دارند.

• نیروگاه جزر و مدی

نیروهای دیگری به جز چرخه آب به ما امکان می دهند انرژی را از آب متحرک جذب کنیم. اقیانوس های زمین در چرخه های جزر و مدی در طول روز به دلیل کشش گرانشی ماه بالا و پایین می روند و از این حرکت برای تولید برق استفاده می کنند.

سیستم های قدرت جزر و مدی به اشکال مختلفی از جمله توربین های جزر و مدی و باراژ وجود دارند که ساختارهایی مشابه سدها هستند. یک مزیت مهم نیروی جزر و مدی قابلیت اطمینان آن است: جزر و مدها بسیار چرخه ای هستند و می توان آنها را به دقت پیش بینی کرد.

در حال حاضر نیروی جزر و مدی یک منبع الکتریسیته غیرمعمول است و تعداد کمی از تاسیسات فعال در سراسر جهان وجود دارد.

• انرژی امواج

با وزش باد در سطح آب های آزاد، انرژی به آب منتقل می شود و امواج حاوی انرژی را تشکیل می دهد و فناوری‌های زیادی برای مهار انرژی امواج در حال توسعه هستند، اما مانند نیروی جزر و مدی، انرژی موج هنوز یک فناوری رایج تولید برق نیست.

مالکیت معنوی مجله انرژی (energymag.ir) علامت تجاری ناشر است... سایر علائم تجاری مورد استفاده در این مقاله متعلق به دارندگان علامت تجاری مربوطه می باشد، ناشر وابسته یا مرتبط با دارندگان علامت تجاری نیست و توسط دارندگان علامت تجاری حمایت، تایید یا ایجاد نشده است، مگر اینکه خلاف آن ذکر شده باشد و هیچ ادعایی از سوی ناشر نسبت به حقوق مربوط به علائم تجاری شخص ثالث وجود ندارد.