انرژی برق آبی

انسان ها از جریان آب در حال حرکت در طول تاریخ استفاده های بسیاری کرده‌اند. از سالیان قبل، نیروی آب برای به حرکت در آوردن آسیاب ها مورد استفاده قرار می گرفت و امروزه از پتانسیل جریان آب برای تولید برق استفاده می شود. شاید اصطلاح “برق آبی” را بارها شنیده باشید، سوال این جاست که انرژی برق آبی چیست و چگونه تولید می شود؟ با ما همراه باشید.

منبع انرژی برق آبی (هیدروالکتریک) چیست؟

استفاده از توربین‌ آبی جهت تبدیل انرژی جنبشی جریان آب رودخانه‌ها به کار مکانیکی توسط یک محور چرخان به قرن نوزدهم میلادی برمی‌گردد. قسمت دوار یک توربین آبی رانر (Runner) نامیده می‌شود. زمانی که سیال عامل آب باشد، از توربین‌ هیدرولیک یا هیدروتوربین جهت تولید برق‌ بهره گرفته می‌شود. چنین تاسیساتی نیروگاه برق آبی نامیده می‌شود. منبع انرژی برق آبی از اولین منابع انرژی برای تولید الکتریسیته است. برخی از سدها نیز برای آبیاری مزارع و کنترل سیلاب استفاده می‌شوند. ساخت سد بزرگ به زمان طولانی و سرمایه‌گذاری زیادی نیاز دارد با این وجود هزینه تولید برق توسط منبع انرژی برق آبی بسیار کمتر از هزینه تولید برق توسط سوخت‌های فسیلی است.

نیروگاه برق آبی

تاریخچه استفاده از منبع انرژی برق آبی

با توجه به کتاب مبانی و کاربردهای انرژی تجدید پذیر از Mehmet kanoglu، اولین مجموعه توربین-ژنراتور هیدرولیکی در سال 1882 راه‌اندازی شد. این مجموعه متشکل از یک مخزن آب به ارتفاع 10 متر با توان تولیدی 6 کیلو وات بود. به دنبال آن اولین نیروگاه برق آبی شناخته شده در ایرلند شمالی در سال 1883 ساخته شد. این نیروگاه به دو توربین با توان 39 کیلو وات مجهز بود که برق مصرفی یک قطار برقی توسط این نیروگاه تامین می‌ گردید. در همان سال دو ژنراتور متشکل از چرخ آب به ارتفاع 5 متر و توان 12 کیلو وات در دیامانتینا برزیل نصب شد. بخش عمده تولید برق از منابع انرژی تجدیدپذیر توسط منبع انرژی برق آبی تامین می‌شود. توان تولیدی برق آبی تا سال 2017 بیش از 1250 گیگاوات است. منبع انرژی برق آبی 71 درصد از انرژی تجدید پذیر را تشکیل می‌دهد و 17 درصد از برق جهان را با در نظر گرفتن همه منابع انرژی، از جمله سوخت‌های فسیلی، تولید می‌کند. ظرفیت نصب شده برق آبی در چین 341 گیگاوات، در ایالات متحده 103 گیگاوات، در برزیل 100 گیگاوات و در کانادا 81 گیگاوات است. ایالات متحده در سال 1930 بالغ بر 40 درصد برق خود را از نیروگاه‌ های برق آبی تولید ‌کرده است. این میزان در سال 2017 به 5/6 درصد کاهش یافت. کانادا، نروژ، ترکیه، نپال و نیوزلند 50 درصد یا بیشتر از برق خود را از طریق منبع انرژی برق آبی تولید می‌کنند. اکثر نیروگاه‌ های برق آبی بزرگ دارای چندین توربین هستند که به صورت موازی چیده شده‌اند. بنابراین برخی از توربین‌ ها در زمان پایین بودن تقاضای انرژی و یا در مواقع تعمیر و نگهداری خاموش می‌ شوند. به عنوان مثال سد هوور در شهر نوادا دارای 17 توربین موازی است که 15 توربین آن از توربین‌های بزرگ فرانسیس با توان تولیدی در حدود 130 مگاوات تشکیل شده است و در تصویر زیر نشان داده شده است.

قسمت بالایی چندین ژنراتور الکتریکی موازی که توسط توربین‌های هیدرولیک در سد هوور هدایت می‌شوند

سد هوور در نوادا

مجموع پیک تولید برق نیروگاه بیش از 2000 مگاوات است. این در حالی است که سالانه حدود 4 میلیارد کیلو وات ساعت برق تولید می‌شود. ساخت نیروگاه برق آبی با مخزن انباشته، هزینه زمانی و اقتصادی بالایی در پی دارد. همچنین شامل مطالعات هیدرولوژیکی و توپوگرافیک پیچیده برای ارزیابی دقیق مشخصات سایت و نیروگاه است. لازم به ذکر است که از مخزن آب نیروگاه برق آبی برای مصارف دیگری مانند آبیاری، پرورش ماهی و گردشگری نیز استفاده می‌شود.

مزایای استفاده از انرژی برق آبی

• ارزان بودن در طولانی مدت: اگرچه هزینه اولیه جهت نصب و راه اندازی و آماده سازی زیر ساخت های لازم جهت استفاده از انرژی برق آبی بالا است اما نسبت به دیگر اشکال انرژی، هزینه تعمیر و نگهداری کمتری مورد نیاز است.
• تولید انرژی برق آبی در داخل کشور: در برخی از کشورهای وارد کننده سوخت های فسیلی و یا ادوات و تجهیزات مربوط به دیگر انواع انرژی تجدید پذیر همچون سلول های خورشیدی، انرژی برق آبی به طور کامل در دسترس است. بنابراین استفاده از این نوع انرژی منجر به استقلال این کشورها از نظر تامین منابع انرژی خواهد شد.
• آبیاری توسط انرژی برق آبی: علاوه بر تولید انرژی، تاسیسات برق آبی دارای مزایای مهمی هستند و می‌توانند منبعی برای آبیاری محصولات در مناطق حاشیه‌ای فراهم کنند، بخصوص در مناطقی که بارش کم و خشکسالی رایج است. همچنین می‌توان از مخازن برق آبی بعنوان منبع تمیز و مطمئن آب شیرین استفاده کرد.
• پاک و تجدید پذیر: انرژی برق آبی انتشار آلایندگی همانند سوخت های فسیلی ندارد. اگرچه برخی از توجهات زیست محیطی با ساخت تاسیسات بزرگ برق آبی مانند سد‌ها و مخازن همراه است، با این وجود پس از بهره‌برداری، نیروگاه‌ های برق آبی به هیچ وجه نیازی به سوزاندن سوخت‌های فسیلی ندارند.
• هماهنگی با دیگر منابع انرژی تجدید پذیر: اکثر نیروگاه‌های برق آبی، به عنوان ذخیره‌ کننده، دارای پمپ هستند که مقادیر زیادی آب را در مخازن نگه می‌دارند و تقریبا همیشه آب ذخیره شده‌ برای تولید برق دارند. اتکای نیروگاه‌ های برق آبی به آب ذخیره شده در مخازن به این معنا است که به طور کلی منبع انرژی قابل اعتمادی هستند و نیروگاه‌های برقابی می‌توانند منبع پایدار انرژی برای منابع انرژی متناوب‌ تر مانند باد و خورشید باشند.  نیروی باد و انرژی خورشیدی به در دسترس بودن طبیعی باد و نور خوشید متکی هستند. نیروگاه‌ های برق آبی در زمان‌های وزش باد کم یا در شب که خورشید نمی‌تابد، برق مورد نیاز را فراهم می‌کنند.

معایب استفاده از انرژی برق آبی

• هزینه های نصب و راه اندازی بالا: بسیاری از نیروگاه‌های برق آبی پروژه‌ های زیربنایی بزرگی هستند که شامل ساخت سد، مخزن و توربین‌های تولید برق می‌شوند و نیاز به سرمایه گذاری مالی قابل توجهی دارند. در حالی که هر یک از تاسیسات بزرگ برق آبی می‌توانند برق ارزان قیمت را برای 50 الی 100 سال پس از ساخت فراهم کنند. این موضوع همراه با این واقعیت که مکان‌ های مناسب برای مخازن در طول زمان نادرتر می‌شوند، به این معنا است که هزینه‌ های ساخت نیروگاه‌ های برقابی در مقیاس بزرگ ممکن است همچنان افزایش یابد.
• اثرات منفی بر محیط اطراف: در حالی که برق آبی یک منبع انرژی تجدیدپذیر است، برخی از اثرات زیست محیطی مهمی وجود دارد که همراه با ساخت نیروگاه‌ های برق آبی باید از آن ها آگاه بود. سیستم‌های انرژی برق آبی برای ذخیره‌سازی، جریان طبیعی یک سیستم رودخانه‌ای را قطع می‌کنند. این عمل منجر به اختلال در مسیرهای مهاجرت حیوانات، مشکلات مربوط به کیفیت آب و جابه‌جایی موجودات زنده می‌شود.
• متکی به هیدرولوژی محلی: انرژی برق آبی یک منبع انرژی قابل اعتماد است اما همچنان در نهایت توسط روند آب و هوا و بارش کنترل می‌شود. از آنجایی که بیشتر تولید برق آبی متکی به آب رودخانه است، خشکسالی‌ هایی که باعث کاهش جریان آب می‌شود بر ظرفیت تولید برق آبی تاثیر می‌گذارد. ماه به ماه و سال به سال، مقدار آب موجود برای سیستم‌های برق آبی می‌تواند متفاوت باشد. بنابراین تولید برق در تاسیسات برق آبی نیز می‌تواند متفاوت باشد.