به گزارش ایسنا، انرژی تجدیدپذیر (Renewable energy) که انرژی برگشت‌پذیر نیز نامیده می‌شود، به انواعی از انرژی می‌گویند که منبع تولید آن بر خلاف انرژی‌های تجدیدناپذیر (فسیلی)، قابلیت آن را دارد که توسط طبیعت در یک بازه زمانی کوتاه مجدداً به وجود آمده یا به عبارتی منابعی هستند که پس از مصرف به راحتی جایگزین می‌شوند.
در سال‌های اخیر با توجه به این که منابع انرژی تجدید ناپذیر رو به اتمام هستند این منابع مورد توجه قرار گرفته‌اند. در سال ۲۰۰۶ حدود ۱۸ درصد از انرژی مصرفی جهانی از راه انرژی‌های تجدیدپذیر بدست آمد.
اما یکی از انرژی‌های تجدیدپذیر که به فراوانی در طبیعت موجود و قابل استفاده است، انرژی آبی است که کشورها توجه ویژه‌ای به آن دارند.
انرژی آبی به انرژی موجود در آب جاری گفته می‌شود. انرژی آبی(Hydropower) یک قدرت است که انرژی یا نیرویی است که از حرکت آبی بدست می‌آید که ممکن است برای اهداف مفید مهار شود.
انرژی آب مانند انرژی خورشید از منابع طبیعی انرژی می‌باشد. این انرژی به دلیل حرکت و سرعت آن می‌باشد 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 آبی می‌باشند.
بشر سابقه طولانی مدتی در استفاده از نیروی آب جاری رودخانه‌ها برای تولید انرژی مکانیکی دارد. انرژی آبی(Hydropower) یکی از اولین منابع انرژی مورد استفاده برای تولید برق(انرژی برق آبی) بود و اکنون بزرگترین منبع انرژی تجدیدپذیر برای تولید برق در کشورهای پیشرفته از جمله ایالات متحده آمریکا است.
هیدروالکتریک یا همان انرژی برق‌آبی حدود ۷ درصد از کل تولید برق مورد استفاده در آمریکا و ۴۱ درصد از کل تولید برق از منابع انرژی تجدیدپذیر در این کشور را به خود اختصاص داده است.
سهم انرژی برق‌آبی از کل تولید برق ایالات متحده در طول زمان عمدتاً به این دلیل که تولید برق از منابع دیگر افزایش یافته، کاهش یافته است.
نیروی برق‌آبی بر چرخه آب متکی است. درک چرخه آب برای درک انرژی آبی بسیار مهم است. چرخه آب سه مرحله دارد: انرژی خورشیدی که آب سطحی رودخانه‌ها، دریاچه‌ها و اقیانوس‌ها را گرم و تبخیر می‌کند، بخار آب که بالا رفته و متراکم شده و به ابر تبدیل می‌شود و مرحله بارش که این بخارات آب در نهایت به شکل باران و برف دوباره بر زمین می‌بارند.
این بارش‌ها دوباره وارد رودخانه‌ها و جریان‌های آب می‌شوند که در نهایت دوباره به اقیانوس‌ها و دریاچه‌ها می‌ریزند. سپس دوباره گرمای خورشید موجب تبخیر آنها می‌شود و این چرخه مدام تکرار می‌شود.
مقدار بارشی که به رودخانه‌ها و جریان‌های آب در یک منطقه جغرافیایی می‌بارد، مقدار آب موجود برای تولید انرژی آبی را تعیین می‌کند. تغییرات فصلی در بارش و تغییرات درازمدت در الگوهای بارش مانند خشکسالی، تأثیر بزرگی بر تولید انرژی برق‌آبی دارد.
انرژی برق‌آبی با انرژی موجود در آب جاری تولید می‌شود. از آنجا که منبع نیروی برق‌آبی آب است، نیروگاه‌های برق‌آبی معمولاً در نزدیکی منابع آب قرار دارند. حجم جریان آب و تغییر ارتفاع آب از یک نقطه به نقطه دیگر مقدار انرژی موجود در آب متحرک را تعیین می‌کند.
جریان سریع حجم زیادی از آب در یک رودخانه بزرگ مانند رودخانه کلمبیا، انرژی زیادی را در خود دارد. همچنین سقوط آب از یک آبشار به بزرگی آبشارهای نیاگارا نیز حاوی انرژی قابل توجهی است.
آب موجود در آبشارهای نیاگارا و رودخانه کلمبیا از طریق یک لوله یا دریچه مخصوص تنظیم جریان آب(penstock) عبور داده می‌شود، سپس این آبها به پره‌های یک توربین فشار می‌آورند و آنها را می‌چرخانند تا ژنراتور برق تولید کند.
در یک سیستم تولید انرژی برق‌آبی، جریان آب بر یک توربین فشار اعمال می‌کند و آبها در یک سیستم ذخیره‌سازی در مخازن ایجاد شده توسط سدها جمع شده و در صورت نیاز دوباره برای تولید برق آزاد می‌شوند.
تاریخچه انرژی آبی
انرژی آبی یکی از قدیمی‌ترین منابع انرژی برای تولید انرژی مکانیکی و الکتریکی است. انرژی آبی هزاران سال پیش مورد استفاده قرار گرفت تا چرخ‌های آسیاب را بچرخاند و به آسیاب کردن دانه‌هایی نظیر گندم کمک کند.
قبل از اینکه انرژی بخار آب و برق در دسترس قرار گیرد، این انرژی آبی بود که به طور مستقیم آسیاب‌ها را فعال می‌کرد.
اولین استفاده صنعتی از انرژی آبی برای تولید برق در ایالات متحده به سال ۱۸۸۰ برمی‌گردد، زمانی که ۱۶ لامپ قوسی با استفاده از یک توربین آبی در کارخانه صندلی سازی "ولورین"(Wolverine) در میشیگان به کار گرفته شد.
لامپ قوسی نوعی لامپ است که در آن با کمک یونش گاز میان دو الکترود و تولید قوس الکتریکی، نور تولید می‌شود. هنگام تخلیه الکتریکی در جو بین دو الکترود، نور شدیدی تولید می‌شود که حاوی مقدار زیادی تابش فرابنفش است. با تأمین جریان الکتریکی، قوس ادامه می‌یابد.
بازدهی این لامپ‌ها بسیار زیاد است و از آنها در نورافکن‌ها، لامپ‌های پروژکتور و دیگر لامپ‌های ویژه استفاده می‌شود.
اولین نیروگاه برق‌آبی ایالات متحده در تاریخ ۳۰ سپتامبر ۱۸۸۲ در نزدیکی اپلتون ویسکانسین بر روی رودخانه فاکس افتتاح شد. اغلب نیروی برق‌آبی ایالات متحده در حال حاضر در سدهای بزرگ واقع بر رودخانه‌های بزرگ تولید می‌شود و بسیاری از این سدهای هیدرو الکتریکی قبل از اواسط دهه ۱۹۷۰ ساخته شده‌اند.
همه ایالت‌های آمریکا دارای نیروگاه‌های برق‌آبی هستند که تمرکز آنها در غرب ایالات متحده است. حدود نیمی از ظرفیت تولید برق‌آبی ایالات متحده در واشنگتن، کالیفرنیا و اورگان متمرکز است و واشنگتن صاحب بزرگترین نیروگاه برق‌آبی در ایالات متحده است.
در سال ۲۰۱۸ مجموع ظرفیت تولید برق‌آبی ایالات متحده ۷۹ هزار و ۸۹۳ مگاوات بود.
تولید انرژی برق‌آبی وابسته به سطوح بارندگی است. به دلیل اینکه تولید برق از انرژی آبی بستگی به بارش دارد و میزان بارندگی فصلی و سالانه متفاوت است، نمی‌توان مانند انرژی باد انتظار تولید تقریباً یکسان داشت.
البته اغلب سدها برای تولید برق ساخته نشده‌اند و تنها درصد کمی از سدها برق تولید می‌کنند. بیشتر سدها برای کنترل آبیاری و کنترل سیلاب ساخته شده‌اند و دارای ژنراتورهای هیدروالکتریکی نیستند.
ژنراتورهای برق‌آبی برق پاک تولید می‌کنند اما انرژی آبی بر محیط زیست تأثیر می‌گذارد.
بیشتر سدها در ایالات متحده به طور عمده برای کنترل سیل، تأمین آب شهری و آبیاری ساخته شده‌اند. اگرچه بسیاری از این سدها دارای ژنراتورهای هیدروالکتریک هستند، فقط تعداد کمی از سدها به طور خاص برای تولید انرژی برق‌آبی ساخته شده‌اند. ژنراتورهای برق‌آبی به طور مستقیم هوا را آلوده نمی‌کنند. با این حال، سدها، مخازن و بهره‌برداری از ژنراتورهای هیدروالکتریکی می‌تواند محیط زیست را تحت تأثیر قرار دهد.
سدی که مخزن ذخیره دارد یا سدهایی که آب را به یک نیروگاه آبی منتقل می‌کنند ممکن است مهاجرت ماهی را مختل کنند. سد و مخزن همچنین می‌توانند دمای طبیعی آب، شیمی آب، ویژگی‌های جریان رودخانه و محیط زیست کف رودخانه‌ها را تغییر دهند. تمام این تغییرات می‌تواند بر بوم‌شناسی و ویژگی‌های فیزیکی رودخانه تأثیر بگذارد.
این تغییرات ممکن است اثرات منفی بر گیاهان بومی و حیوانات داخل و اطراف رودخانه داشته باشد. اثرات فیزیکی یک سد و مخزن ذخیره، بهره برداری از سد و استفاده از آب آن می‌تواند محیط را در یک ناحیه بسیار بزرگ‌تر تغییر دهد.
همچنین تولید بتن و فولاد در سدها و نیروگاه‌های آبی نیاز به تجهیزاتی دارد که ممکن است گازهای گلخانه‌ای تولید کند. اگر سوخت‌های فسیلی منابع انرژی مورد استفاده برای ساخت این مواد باشند، پس می‌توان تولید انرژی برق‌آبی را نیز آلوده کننده دانست. با این حال با توجه به عمر طولانی یک نیروگاه برق‌آبی(۵۰ تا ۱۰۰ سال)، این گازهای خروجی از طریق تولید انرژی برق‌آبی خنثی می‌شود.
گازهای گلخانه‌ای مانند کربن دی اکسید و متان همچنین ممکن است در مخازن تشکیل شده و به جو راه پیدا کنند، هر چند که مقدار دقیق گازهای گلخانه‌ای که در مخازن ایجاد می‌شود مشخص نیست.
ضمن این که توربین‌های آبی به برخی از ماهی‌هایی را که از توربین عبور می‌کنند آسیب می‌زند یا موجب کشته شدن آنها می‌شود. وزارت انرژی ایالات متحده از تحقیق و توسعه توربین‌ها حمایت می‌کند تا بتواند مرگ و میر ماهی‌ها را از ۵ تا ۱۰ درصد کنونی به کمتر از ۲ درصد کاهش دهد.
تولید برق از انرژی کشندی(جزر و مد)
کشش گرانشی ماه و خورشید همراه با چرخش زمین موجب ایجاد جزر و مد می‌شود. در برخی از نقاط، جزر و مد باعث تغییر تا ۱۲ متری سطح آب در نزدیکی سواحل می‌شود. بشر بیش از هزار سال پیش این جابجایی آب را به کار گرفت تا آسیاب‌ها را فعال کند.
امروزه از سیستم‌های انرژی جزر و مد یا انرژی کشندی برای تولید برق استفاده می‌شود. البته تولید انرژی جزر و مدی به لحاظ اقتصادی نیازمند محدوده جزر و مدی حداقل ۳ متری است.
انرژی کشندی(Tidal power) یا انرژی جزر و مد شکلی از انرژی آبی است که از تبدیل نیروی جزر و مد به تولید انرژی الکتریکی بدست می‌آید. انرژی جزر و مد یک منبع تجدیدپذیر است.
اگرچه هنوز استفاده از انرژی جزر و مد فراگیر نشده اما می‌تواند یکی از منابع تولید برق در آینده باشد. وقوع جزر و مد بهتر از انرژی باد و انرژی خورشیدی قابل پیش‌بینی است. در میان منابع انرژی‌های تجدیدپذیر، استفاده از انرژی کشندی همیشه با مشکل هزینه بالا و محدودیت در مکان‌های با کشند شدید یا سرعت بالای جریان آب روبرو بوده است.
با این وجود، بسیاری از پیشرفت‌های اخیر در طراحی مانند نیروگاه کشند دینامیکی، تالاب‌های کشندی و در تکنولوژی توربین(مانند توربین‌های جدید محوری و کراس فلو) نشان می‌دهد که کل برق کشندی موجود ممکن است از آنچه تا پیش از این فرض می‌شد، بسیار بیشتر باشد و ممکن است هزینه‌های اقتصادی و زیست‌محیطی آن هم به سطح قابل رقابتی کاهش یابد.
از نظر تاریخی آسیاب‌هایی که از انرژی کشندی بهره می‌گرفته‌اند هم در اروپا و هم در سواحل شرقی آمریکای شمالی وجود داشته‌اند. آب ورودی در استخرهای بزرگی ذخیره می‌شدند و در هنگام فروکش کردن مد چرخ‌های آبی را به چرخش درمی‌آوردند که از این نیروی مکانیکی برای آرد کردن غلات استفاده می‌شده است.
تاریخ اولین آسیاب‌ها به سده‌های میانی و حتی به روم باستان بر می‌گردد. تنها در سده نوزدهم بود که فرآیند استفاده از آب‌های ریزان و توربین‌های چرخان برای تولید برق در آمریکا و اروپا معرفی شد.
سدهای جزر و مدی
یک نوع از سیستم‌های انرژی جزر و مدی از ساختار مشابه با یک سد به نام سدبندی یا "بریج"(barrage) استفاده می‌کند. این سدبندی در سراسر ورودی یک خلیج یا تالاب دارای حوضه جزر و مدی نصب می‌شود. دریچه‌های این سدها جریان آب را کنترل می‌کنند تا مخازن را در هنگام مد پر کنند و سپس تخلیه کنند تا توربین‌ها برق تولید کنند.
سیستم تولید برق جزر و مدی دوطرفه است، به این معنی که برق را هم از جزر و هم از مد تولید می‌کند.
ضعف بالقوه تولید برق جزر و مدی این است که یک ایستگاه جزر و مد می‌تواند بر روی گیاهان و حیوانات در حوضه جزر و مد اثر منفی داشته باشد. سدهای جزر و مدی می‌تواند سطح جزر و مد را در حوضه رودخانه تغییر دهد و حجم مواد معلق در آب را افزایش دهد.
چندین نیروگاه جزر و مدی در سراسر جهان کار می‌کنند. نیروگاه جزر و مدی دریاچه "سیهوا" در کره جنوبی بزرگترین نیروگاه جزر و مدی و دارای بیشترین ظرفیت تولید برق با ظرفیت ۲۵۴ مگاوات است. قدیمی‌ترین و دومین نیروگاه بزرگ جزر و مدی نیز در لارنس فرانسه با ظرفیت ۲۴۰ مگاوات است. سومین نیروگاه جزر و مدی بزرگ دنیا هم در جزایر آناپولیس رویال در نووا اسکویا کانادا با ظرفیت تولید برق ۲۰ مگاوات است.
چین، روسیه و کره جنوبی نیز همگی دارای نیروگاه‌های کوچک جزر و مدی هستند.
ایالات متحده هیچ نیروگاه جزر و مدی ندارد. فرانسه، انگلستان، کانادا و روسیه پتانسیل بیشتری برای استفاده از انرژی جزر و مد دارند.
توربین‌های کشندی
توربین‌های کشندی یا جزر و مدی شبیه به توربین‌های بادی هستند. آنها را می‌توان در سطح آب قرار داد که در آن جریان‌های شدید جزر و مدی وجود دارد. از آنجا که آب حدود ۸۰۰ برابر چگال‌تر از هوا است، توربین‌های جزر و مدی باید قوی‌تر و سنگین‌تر از توربین‌های بادی باشند.
ساخت توربین‌های کشندی نسبت به توربین‌های بادی گران‌تر است اما انرژی بیشتری را با تیغه‌هایی با اندازه مشابه تولید می‌کند.
توربین‌های کشندی در اسکاتلند و کره جنوبی دارای ظرفیت تولید برق ۱.۵ مگاواتی هستند. اسکاتلند در نظر دارد تا ۴۰۰ مگاوات برق از این منبع تولید کند.
حصارهای کشندی
حصار کشندی یا حصار جزر و مدی نوعی از سیستم تولید انرژی جزر و مدی است که دارای توربین‌های عمودی در بستر دریا و مانند توربین‌های کشندی است. عبور آب از این توربین‌ها باعث تولید برق می‌شود. البته از اواخر سال ۲۰۱۷، هیچ پروژه حصار کشندی در حال فعالیت نیست.
انرژی موج
امواج با وزش باد بر سطح آب‌های آزاد اقیانوس‌ها و آب دریاچه‌ها به وجود می‌آیند و دارای انرژی فوق العاده‌ای هستند.
انرژی بالقوه سالیانه امواج در سواحل ایالات متحده تا ۲.۶۴ تریلیون کیلووات‌ساعت یا معادل حدود ۶۶ درصد از تولید برق کل ایالات متحده در سال ۲۰۱۷ تخمین زده می‌شود. سواحل غربی آمریکا و اروپا و سواحل ژاپن و نیوزیلند دارای بیشترین پتانسیل برای بهره‌برداری از انرژی امواج هستند.
راه‌های مختلف برای کانال‌بندی قدرت امواج
یک راه برای بهره برداری از انرژی امواج، هدایت یا متمرکز کردن امواج به یک کانال باریک برای افزایش اندازه و قدرت آن و در نهایت چرخاندن توربین‌ها است. همچنین درست شبیه به شیوه سدهای برق‌آبی، امواج پس از چرخاندن توربین‌ها می‌توانند به یک حوضچه یا مخزن منتقل شوند که در آن آب به سمت یک توربین در ارتفاع پایین‌تر حرکت کند و برق بیشتری تولید شود.
چندین روش دیگر برای ضبط انرژی امواج در حال توسعه هستند. این روش‌ها عبارتند از قرار دادن دستگاه‌ها بر روی سطح آب و یا زیر آب و یا اتصال دستگاه‌ها به کف اقیانوس.
ایران دومین کشور خاورمیانه در تولید انرژی برق‌آبی
براساس گزارش انجمن جهانی انرژی برق‌آبی که در تاریخ دوم بهمن ۹۷ منتشر شد، ایران با بهره‌برداری از ۱۲ هزار مگاوات نیروگاه برق‌آبی، رتبه نوزدهم دنیا، ششم آسیا و دوم منطقه خاورمیانه را به خود اختصاص داده است.
براساس تازه‌ترین گزارش انجمن جهانی انرژی برق‌آبی، میزان تولید نیروگاه‌های برق‌آبی دنیا به حدود چهار میلیون مگاوات ساعت رسیده است که این میزان تولید انرژی برق‌آبی مانع از انتشار چهار میلیارد تن گازهای گلخانه‌ای در سراسر جهان شده است.
در حال حاضر ۲۶.۵ درصد از کل انرژی تولیدی دنیا توسط انرژی‌های تجدیدپذیر تأمین می‌شود که در این بین ۱۶.۴ درصد از این رقم مربوط به نیروگاه‌های برق‌آبی، ۵.۶ درصد مربوط به نیروگاه‌های بادی، ۲.۲ درصد مربوط به نیروگاه‌های زیست توده، ۱.۹ درصد مربوط به نیروگاه‌های خورشیدی و ۰.۴ درصد مربوط به سایر نیروگاه‌های تجدیدپذیر است که در ایران سهم نیروگاه‌های برق‌آبی از کل ظرفیت نیروگاهی نصب شده به حدود ۱۵ درصد رسید است.
طبق گزارش این انجمن که در سال ۲۰۱۸ منتشر شده است، در حال حاضر چین بیشترین ظرفیت نیروگاه‌های برق‌آبی جهان را به خود اختصاص داده است، به‌طوری که میزان تولید واحدهای برق‌آبی این کشور به بیش از ۳۴۱ هزار مگاوات رسیده است. پس از چین نیز آمریکا(۱۰۳ هزار مگاوات)، برزیل(۱۰۰ هزار مگاوات) و کانادا(۸۱ هزار مگاوات) در میان چهار کشور برتر دارای بیشترین ظرفیت نیروگاه‌های برق‌آبی قرار گرفته‌اند.
بنا بر اعلام سایت اطلاع‌رسانی وزارت نیرو، ایران نیز هم‌اکنون با بهره‌برداری از ۱۲ هزار مگاوات نیروگاه برق‌آبی رتبه نوزدهم دنیا، ششم آسیا و دوم منطقه خاورمیانه را به خود اختصاص داده است. در حال حاضر چین، ژاپن، هند، ترکیه، ویتنام و ایران شش کشور برتر آسیا به لحاظ بهره‌برداری از نیروگاه‌های برق‌آبی هستند.
براساس گزارش انجمن جهانی انرژی برق‌آبی، ایران در سال ۲۰۱۷ توانسته است با بهره‌برداری از ۵۲۰ مگاوات واحدهای جدید برق‌آبی در میان کشورهای پیشتاز این بخش قرار بگیرد و رتبه هفتم جهان را به لحاظ افزایش ظرفیت نیروگاه‌های برق‌آبی به خود اختصاص بدهد.
همچنین معاون وزیر نیروی کشورمان در تاریخ دوم اسفند ۹۷ خبر از افزایش سرمایه انرژی‌های تجدیدپذیر به ۱,۸۰۰ میلیارد تومان داد. وی با اشاره به وضعیت انرژی‌های تجدیدپذیر در ایران گفت: نرخ رشد انرژی‌های تجدیدپذیر در سال‌های اخیر افزایش یافته است، چرا که در ایران استعداد بالایی در حوزه منابع خورشیدی، بادی و سایر منابع تولیدی انرژی وجود دارد. علاوه بر این با توجه به این که انرژی‌های تجدیدپذیر در کشور ما بسیار ارزان تمام می‌شود، رقابت بالایی برای سرمایه‌گذاری در این عرصه نیز وجود دارد.
تولید انرژی الکتریکی از خطوط انتقال آب در ایران
مدیرکل دفتر تحقیقات و توسعه فناوری آبفا با اشاره به احداث هزاران کیلومتر خطوط انتقال آب در کشور گفت: می‌توان از خطوط انتقال آب برای تولید انرژی برق استفاده کرد، همانگونه که آبفای قم این موضوع را از ایده به عمل درآورده است.
امید است با توجه به تعداد بالای سدها در کشورمان و قرارگیری بین خلیج فارس و دریای خزر، بیش از پیش با بهره‌گیری از آخرین فناوری‌ها و روش‌ها در تولید انرژی برق‌آبی کوشا باشیم تا بدون آسیب به محیط زیست کشور عزیزمان از تولید برق قابل توجهی برخوردار شویم.
البته همین بضاعت فعلی کشور نیز به دلیل کمبود بارش‌ها و دوره خشکسالی در ایران قابل استفاده نیست، چرا که به گفته "همایون حائری" معاون وزیر نیرو، بارندگی‌های کشور شرایط ذخایر آبی را به‌گونه‌ای درآورده است که نه‌تنها امیدی به ایفای نقش نیروگاه‌های برق‌آبی در تأمین برق مانند سال گذشته نیست، بلکه انتظار می‌رود تولید برق از این نیروگاه‌ها که در دوران اوج مصرف یاور اصلی تأمین برق کشور بودند تقریباً نصف شود.
کاهش نزولات آسمانی در سال آبی جاری باعث شده تا ارتفاع و حجم آب مخزن سدهای دارای نیروگاه برق‌آبی به شدت کاهش پیدا کند. در روزهای پایانی فروردین‌ماه سال گذشته حدود ۲۸ میلیارد مترمکعب آب پشت سدها ذخیره شده بود، ولی این رقم امسال به ۱۳ میلیارد مترمکعب رسیده است.
سال گذشته هشت میلیارد مترمکعب از حجم یاد شده در نیروگاه‌های برق‌آبی مورد استفاده قرار گرفته بود که امسال این رقم به سه میلیارد مترمکعب کاهش خواهد یافت.
این اعداد و ارقام حاکی از آن است که به جای ۹۳۰۰ مگاوات انرژی تولید شده نیروگاه‌های برق‌آبی در سال گذشته، رقمی بیش از پنج هزار مگاوات انرژی برق‌آبی در دسترس ما نخواهد بود.
منبع: ایسنا