انرژی آب

انرژی موج

مقدمه

نیروهای گرانشی مابین ماه و خورشید و زمین سبب بالا و پایین رفتن منظم آب اقیانوس‌ها در سراسر جهان گردیده که نتیجه آن امواج جزر و مدی می باشد. ماه نیرویی بیش از دو برابر نیرویی که خورشید بر امواج جزر و مد وارد می‌نماید اعمال می‌کند، در نتیجه جزر و مد به وضوح تابعی است از گردش ماه به دور زمین. ایجاد موج در روز و سیکل جزر در سطح هر جزئی از اقیانوس وجود دارد. با وجود کم بودن دامنه ارتفاع موج جزر و مد در اقیانوس‌های آزاد، به علت آشفتگی بالا، دارای جابه جایی نسبتا قابل توجهی می‌باشند.

نیروگاه جزر و مدی در کالیفرنیا

تاریخچه

انسانها سالها پیش از میلاد مسیح نیز از جزر و مد و جریانات موج آب بهره می‌گرفتند. برای مثال از نوسانات دوره ای موج به خوبی آگاه بودند و می‌دانستند چه زمانی و کجا با جریانات آبی قوی مواجه خواهند شد. ﺗﺄسیسات و بناهای کوچک هیدرودینامیکی متعددی نظیر سیستم‌های پمپاژ آب و آسیاب‌های بادی از قرون وسطی در سرتاسر جهان به جا مانده است. برخی از این ابزار و وسایل هنوز و در دوران اخیر نیز استفاده می‌شدند. برای مثال چرخ آبی بزرگ برای پمپاژ آب در هامبورگ آلمان تا قرن نوزدهم همچنان مورد استفاده بود. شهر لندن از چرخ آبی بزرگی استفاده می‌کرد که در سال ۱۵۸۰ میلادی بر روی پل لندن تعبیه شده بود و بمدت ۲۵۰ سال آب سالم برای شهر فراهم می‌نمود. لیکن با پیشرفت صنعتی بشر و جامعه، برق رسانی و الکتریکی کردن تمام جنبه‌های تمدن مدرن به توسعه مبدل‌های گوناگون جهت انتقال منابع انرژی پتانسیل به انرژی الکتریکی منجر شد. در این راستا مطالعات جدی به منظور طراحی نیروگاه‌های موجی در مقیاس صنعتی برای استفاده و بهره گیری از انرژی موج در قرن بیستم با رشد سریع دانش الکتریک در صنعت آغاز گردید.

مکانیزم

این نیروگاه‌ها 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 و 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، بوجود می‌آید. در بعضی از انواع این نیروگاه‌ها از جریان آب هم در جزر و هم در مد استفاده می‌نمایند. همانطور که در شکل مشاهده میشود، 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 باز می‌گردد. ولی در سیستم تک منظوره توربین فقط در زمان سیکل فروکش کار می‌کند. این نوع دریچه‌های آب در زمان موج باز می‌مانند و اجازه می‌دهند که آب فضای آبگیر را پر نماید. سپس دریچه ها بسته می‌شوند. ارتفاع و هد آب افزایش می‌یابد و توربین‌ها روشن می‌شوند و آب در دوره فروکش از آبگیر به درون اقیانوس باز می‌گردد. مزایای روش توربین دومنظوره این است که بطور 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 ساده تر است و به توربین‌های چندان گران قیمتی نیاز ندارد. از جمله جنبه‌های منفی روش تک منظوره می توان به زیان بیشتر آن برای محیط اشاره نمود. از آنجایی که ارتفاع هد بیشتری برای آب ایجاد می‌نماید که سبب انباشته شدن رسوبات و ته نشینی‌ها 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

مزایا و معایب

انرژی موجی یک انرژی پاک پایان ناپذیر است. 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 رودخانه ها 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 پیش بینی کرد انرژی موجی و جزر و مد برای قرن‌های متمادی از نقطه نظر 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 مولفه‌های اصلی تولید انرژی الکتریکی در جهان هستند و با ذغال سنگ و سوخت ارزان، در دسترس و فراوان کار می‌کنند رقابت کند.

آمار در جهان

جدول زیر شامل گستره دامنه جزر و مد در مناطق مختلف جهان با موج بلند است.

در حال حاضر تنها چهار نیروگاه موجی در مقیاس صنعتی در جهان وجود دارد که همگی آنها پس از جنگ جهانی دوم ساخته شده اند. که عبارتند از نیروگاه موجی لارانس در فرانسه (۱۹۷۶) نیروگاه موجی کیس لایا گوبا در روسیه (۱۹۶۸) آناپولیس در کانادا (۱۹۸۴) و دست آخر جیانگ زی یا در کشور چین (۱۹۸۵).

اطلاعات عمده این نیروگاه‌های موجی در جدول ۲ گردآوری شده اند. البته تاکنون هیچ گونه فعالیتی در ایران انجام نگرفته است.

مسائل محیط زیست

همانگونه که پیش‌تر اشاره شد تمامی نیروگاه‌های موجی و جزر ومدی موجود با طراحی‌های مرسوم و رایجی ساخته شده‌اند و بر اساس راه‌اندازی ایستگاه‌های تولید قدرت با در نظر گرفتن مولفه‌های اصولی طراحی با ایجاد سد بر رودخانه‌ها بنا گردیده‌اند. این روش رایج توجیه بسیار ضعیف اکولوژیک و زیست محیطی دارد چرا که ایجاد سد به نحوی مهاجرت ماهی‌ها را با مشکل مواجه می‌کند و توازن جمعیتی آنها را به هم می‌ریزد. محیط زیست را با ایجاد سیلاب و باتلاق در سرزمین‌های مجاور تخریب می‌کند. ایجاد سیلاب موضوعی مختص به نیروگاه‌های قدرت موجی نیست زیرا سطح آب در آبگیر نمی‌تواند بیشتر از سطح نرمال و طبیعی آب باشد.

نتیجه گیری

امواج نقش مهمی را در بهبود آب و هوای جهانی (مانند حفظ اکوسیستم‌ها) ایفا می‌کنند در عین حال منبع بالقوه زیرساختی تولید منابع انرژی تجدیدپذیر برای آینده انسان محسوب می‌گردد. به پایان رسیدن منابع نفتی و انتشار گازهای گلخانه‌ای با سوختن ذغال سنگ، نفت و سایر سوخت‌های فسیلی و انباشته شدن پسماندهای هسته ای از رآکتورهای اتمی، انسان ها را ناچار خواهد نمود که در آینده اغلب منابع انرژی سنتی کنونی را با منابع انرژی تجدیدپذیر جایگزین کنند. انرژی امواج یکی از بهترین گزینه‌های این دیدگاه نوین است. مبدل‌های انرژی جدید با بازدهی زیاد و ارزان و سازگار با طبیعت از قبیل توربین های تریپل هلیکس می‌تواند انرژی امواج را در سرتاسر جهان به یک انرژی در دسترس تبدیل کند. این انرژی لزوماً نباید در نیروگاه‌های مولتی مگاواتی استفاده شود بلکه در مقیاس نیروگاه‌های کوچک با توان تولیدی چند کیلو واتی نیز میتواند مورد بهره برداری قرار گیرد و انرژی پاک را برای مصارف انفرادی و شخصی در دسترس قرار دهد به طوری که در مناطق اقلیمی خاص مثلاً در جزایر دوردست که در آن مناطق جریان‌های سهمگین امواج وجود دارد بصورت مستقیم حتی در مصارف خانگی به کار گرفته شود.

انرژی هیدرودینامیک

مقدمه

مصرف آب به عنوان دومین منبع انرژی (بعد از آتش) برای بشر محسوب می‎شود. از این‎رو چرخ‌های آبی در تاریخ توسعه و مصرف انرژی، نقش مهمی ایفا می‎کنند. چرخ‌های آبی دستگاه‎های مکانیکی ساده‎ای هستند که ما می‎توانیم برای درک برخی مفاهیم مهم و کلیدی از آنها یاری جوئیم.

سد کارون ۳

تاریخچه

چرخ آبی، دستگاهی است که استخراج انرژی از یک سیستم را میسر می‎سازد. به عنوان مثال اگر دستگاهی را به محور چرخ آبی که در مسیر آب در حال سرازیر شدن که از انرژی پتانسیل بالا به انرژی پانسیل پایین منتقل می‎شود متصل کنیم، می‎توانیم از انرژی جنبشی آن برای انجام کار استفاده نمائیم. در واقع چرخ آبی اولین دستگاهی بود که عملاً بشر را از اتکاء به ماهیچه‎هایش یا به بیگاری گرفتن حیوانات برای انجام کار، رها نمود. اطلاعی از زمان و مکان پیدایش چرخ‌های آبی در دست نیست و حتی اطلاعی از اینکه چه شخصی باعث پیشرفت و توسعه آن شد نیز وجود ندارد. حدوداً ۳۰۰ سال قبل از میلاد، مصارف دیگری از چرخ آبی می‎شد. آنها،‌ با طناب به سطل‌هایی برای بالا آوردن آب وصل می‎شدند که از آن برای مصارف خانگی و یا آبیاری زمین‌های کشاورزی استفاده می‎شد. این، ساده‎ترین و ابتدائی‎ترین کاربرد چرخ آبی بود، ‎Noria، چرخ پره‎دار ساده‎ای بود که با جریان آب رودخانه، حرکت می‎کرد و به شتر در مدیترانه رواج داشت. ‎Noria چندان عمری نداشت زیرا بلافاصله چرخ دیگری که در پایین به شرح آن می‎پردازیم، بوجود آمد. علت پیدایش این چرخ جدید،‌ به خاطر نیاز ‎Noria به ذخیره زیاد آب بود. تا صد قبل از میلاد، چرخ‌های آبی در چندین نواحی دنیا از جمله شمال یونان، ترکیه و هند برای آسیاب کردن غلات و استخراج روغن از زیتون، کاربرد داشتند. این چرخ‌ها، معروف به چرخ‌های افقی می‎باشند و میله عمودی نصب شده بر روی آن، مستقیماً سبب حرکت سنگ آسیاب می‎شود. چرخ‌های افقی هم مشکلات و معضلاتی را با خود به همراه داشتند. از جمله آن که باید مجهز به نوعی مجرا یا کانال باشند که موجب انتقال آب به یک طرف چرخ و نهایتاً چرخاندن چرخ شود. از این‎رو، چرخ‌های افقی در نهرها که شدت جریان آب در آن شدید می‎باشد (نظیر نواحی کوهستانی شمال ترکیه و یونان) کارآیی داشتند. لازم به ذکر است که سرعت سنگ آسیاب، دقیقاً برابر سرعت چرخ آبی و سرعت چرخ آبی هم بسته به سرعت جریان آب می‎باشد. چرخ افقی گاهی اوقات با نام ‎Norse wheel شناخته می‎شود. و اولین دستگاه قابل استفاده در منزل بود. در آن زمان غلات با آسیاب‌های دستی آرد می‎شدند. زنان مجبور به انجام این کار بودند و زمان زیادی از وقت آنها بدین کار سپری می‎شد. این دستگاه شرایط فوق را تغییر داد. مسئله فوق ممکن است از دو دیدگاه، چندان جالب نباشد. اما مسئله‎ای برای ماشینی شدن کارها و رهایی از کار پرزحمت آسیاب کردن غلات با دست شد. قدیمی‎ترین چرخ آبی در کابریا ‎cabria از سواحل جنوبی دریای سیاه، پیدا شد.

مکانیزم

انرژی جنبشی

برای درک و روشن شدن، مطلب را با مثال ساده‎ای آغاز می‎کنیم. اگر در حال عبور از نهر آبی باشیم، این حس در ما ایجاد می‎شود که آب در جهت خلاف پاهای ما به شدت عبور می‎کند. در نهرهایی که جریان آب در آنها تند باشد باید مراقب باشیم که شدت (فشار) آب باعث افتادن ما نشود. همین‎طور کشش و فشار امواج را هنگام گذر از کنار دریا حس می‎کنیم. گاهی اوقات هنگام نزدیک شدن امواج،‌ می‎توانیم سریع پاهایمان را کنار بکشیم، یقیناً اگر در زیر یک آبشار باشیم، فشار آب را روی بدنمان احساس می‎کنیم. اگر اندکی این چرخ را در نحری که آب در آن جریان دارد،‌ داخل کنیم. جریان آب در جهت خلاف آن بر آن فشار می‎آورد، درست همانند زمانی که ما داخل آب هستیم شویم. فشار آب موجود در جهت فاضلاب فقط یک پدال (پرگا)، موجب چرخش چرخ می‎شود. اگر محور چرخ را به یک دستگاه وصل کنیم قادر به انجام کار مفید، نظیر آسیاب کردن غلات می‎باشیم. پایه و اساس چرخ آبی، درک مفهوم فوق می‎باشد.

حال، مشاهده‎ای مرتبط در این زمینه را در نظر مجسم سازید: زمانی که داخل یک استخر یا حوض مخصوص شنا ایستاده‎ایم و یا در حال گذشتن از آن هستیم، هیچ نگران این قضیه نیستیم که جریان آب موجب عدم تعادل و نهایتاً افتادن ما شود. مشابه آن در مورد چرخ آبی هم صدق می‎کند. قرار دادن چرخ آبی در استخر شنا، مانع حرکت چرخ می‎شود.

به تفاوتی بین شرایط فعلی و شرایطی که قبلاً راجع به آن بحث شد، وجود دارد؟ در استخر شنا با حوض، جریان آب، ثابت و یا اینکه خیلی کند می‎باشد. تنها آب جریا (متحرک) باعث هل دادن و به حرکت درآوردن ما و همین‎طور باعث چرخاندن، چرخ آبی می‎شود. به حرکت درآمدن ما و چرخ آبی، بیانگر انجام کار می‎باشد. تنها آب جاری،‌ توان انجام کار را دارد. مطلب فوق مبین این مسئله است که آب جاری (آبی که دارای حرکت باشد) دارای نوعی انرژی می‎باشد. همان‎طوری که قبلاً گفته شد، اگر چرخ آبی را به یک دستگاه مکانیکی وصل کنیم، دستگاه قادر به انجام کار نظیر: آسیاب کردن فلات یا اره کردن چوب می‎باشد. تعمیم عبارت فوق بیان این مطلب است که:

«انرژی جنبشی، باعث انجام کار می‎شود».

انرژی پتانسیل

استفاده از یک چرخ آبی را در نظر مجسم سازید، ‌با در نظر گرفتن مزیت آبشار و انرژی جنبشی آبی که از آن سرازیر می‎شود، چرخ‎های چرخ‎دنده می‎چرخد و کار انجام می‎گیرد. حجمی از آب را در نقطه ‎A در نظر بگیرید، آیا آن مقدار از آب قادر به انجام کار می‎باشد؟ خیر؟ (حداقل، حالانه)، حجم آب در آن نقطه، فاقد انرژی جنبشی می‎باشد. البته باید بر این مسئله واقف باشیم که آب در نقطه ‎A انرژی جنبشی ندارد اما پتانسیل کسب انرژی جنبشی را دارد. برای درک مطلب فوق می‎توانیم بگوئیم که آب در نقطه ‎A دارای انرژی پتانسیل می‎باشد. چه عاملی باعث سرازیر شدن آب می‎گردد؟ نیروی جاذبه زمین، آب را به مرکز زمین می‎کشد، باید گفت که آب در نقطه «A» انرژی پتانسیل جاذبه را دارا میباشد.

این انرژی، انرژی پتانسیل جاذبه نیتونی می‎باشد که باعث کشیده شدن اشیاء به طرف مرکز ثقل می‎شود. حال سه نکته دیگر را به آن اضافه می‎نمائیم. اولاً: انرژی پتانسیل به صورت بالقوه انرژی جنبشی می‎باشد (یا انرژی پتانسیل قابل تبدیل به انرژی جنبشی می‎باشد). ثانیاً‌ در نقطه ‎B آب به پره‎های چرخ آبی ضربه می‎زند و موجب انتقال انرژی جنبشی آب به چرخ و نهایتاً حرکت چرخ که همان انجام کار می‎باشد می‎شود. در واقع نقطه ‎B مکانی فعال است. تصور کنید که برای حجم آب در نقطه ‎C چه روی می‎دهد؟

ممکن است این‎طور در ذهن تداعی شود که انرژی پتانسیل در نقطه ‎C به آخر می‎رسد، ‌ در واقع آب همیشه، قدری انرژی پتانسیل جاذبه را دارا می‎باشد مگر آنکه نقطه ‎C مرکز ثقل زمین باشد. بیشترین و بالاترین میزان انرژی پتانسیل در نقطه ‎A می‎باشد. آب هنگام سرازیر شدن از آبشار قدری از انرژی پتانسیل اش، به انرژی جنبشی تبدیل می‎شود و انرژی جنبشی آب در حال سرازیر شدن از آبشار، قادر به انجام کارو چرخاندن چرخ آبی می‎باشد.

چرخهی تولید نیرو

نمونه ای از توربین

مزایا و معایب

نیروی برق‌آبی با ایجاد انرژی الکتریکی بدون سوزاندن سوخت‌ها از ایجاد آلوده‌کننده‌های متصاعد شده از سوختن سوخت‌های فسیلی مانند دی‌اکسید گوگرد، اسید نیتریک، منواکسید کربن، گرد و غبار و سرب (موجود در زغال سنگ) جلوگیری می‌کند. همچنین هیدروالکتریسیته با از بین بردن ضرورت استفاده از سوخت‌هایی مانند زغال سنگ به طور غیرمستقیم خطرات ناشی از استخراج زغال سنگ را کاهش می‌دهد. این نیروگاه‌ها زباله هسته‌ای تولید نمی‌کنند. همچنین خطرات مربوط به تماس با اورانیوم در معادن یا نشت مواد هسته‌ای را نیز ندارند و برعکس اورانیوم در این دسته از نیروگاه‌ها از انرژی‌های تجدید پذیری استفاده می‌شود. در مقایسه با مولدهای بادی، منابع انرژی در نیروگاه‌های آبی خیلی قابل پیش‌بینی‌تر هستند. همچنین این نیروگاه‌ها می‌توانند ضریب بار شبکه را بهبود دهند و در زمان نیاز شروع به تولید انرژی الکتریکی کرده و به این ترتیب موجب تعدیل شبکه در طول ساعات پیک شوند. برعکس نیروگاه‌های گرمایی در نیروگاه‌های آبی زمان زیادی صرف مطالعات مربوط به سد می‌شود. معمولاً برای انجام دقیق محاسبات، داده‌های حدود ۵۰ سال از رفتارهای رودخانه برای انتخاب بهترین مکان احداث سد و روش ساخت آن لازم است. برعکس نیروگاه‌هایی که از سوخت‌ها برای تامین انرژی استفاده می‌کنند، مکان‌های مناسب برای احداث نیروگاه‌های آبی محدود هستند. همچنین بیشتر نیروگاه‌های آبی از مراکز تجمع جمعیت دور هستند و باید برای انتقال آنها نیز هزینه‌ای صرف کرد. از دیگر ضعف‌های این نیروگاه وابستگی شدید به میزان آب ورودی است و از آنجایکه میزان آب پشت سد به بارش‌ها وابسته‌است و در صورتیکه که میزان بارش برف و باران کاهش یابد میزان تولید انرژی الکتریکی نیز کاهش می‌یابد.

از دیگر سو آب ذخیره شده در پشت یک سد در واقع می‌تواند بخشی از امکانات مربوط به ورزش‌های آبی باشد و به این ترتیب می‌تواند به جاذبه‌ای برای گردشگران تبدیل شود. در برخی از کشورها از این آب برای پرورش موجودات آبزی مانند ماهی‌ها استفاده می‌شود به این ترتیب که در برخی سدها محیط‌های خاصی برای پرورش موجودات آبزی اختصاص یافته که همیشه از نظر داشتن آب پشتیبانی می‌شوند. از معایب این نوع انرژی می توان به، جابجایی جمعیت ساکن در مناطق زیر آب رفته توسط آب پشت سد است. این مناطق ممکن است شامل مناطقی باشد که از نظر فرهنگی یا اعتقادی دارای ارزش بالایی هستند و بدین ترتیب دلبستگی زیادی بین مردم ساکن با منطقه و آن منطقه خاص وجود دارد و به این ترتیب با بالا آمدن آب این مکان‌های تاریخی یا فرهنگی از بین خواهند رفت.

مسائل اقتصادی

بیشترین مزیت استفاده از نیروگاه‌ها آبی عدم نیاز به استفاده از سوخت‌ها و در نتیجه حذف هزینه‌های مربوط به تامین سوخت است. درواقع هزینه انرژی الکتریکی تولیدی در یک نیروگاه آبی تقریباً از تغییرات قیمت سوخت‌های فسیلی نظیر نفت، گاز طبیعی و زغال سنگ مصون است. همچنین عمر متوسط نیروگاه‌های آبی در مقایسه با نیروگاه‌های گرمایی بیشتر است، به طوری که عمر برخی از نیروگاه‌های آبی که هم‌اکنون در حال استفاده هستند به ۵۰ تا ۱۰۰ سال پیش بازمی‌گردد. هزینه کار این نیروگاه‌ها در حالی که به صورت خودکار عمل کنند کم است و بجز در موارد اضطراری به پرسنل زیادی در نیروگاه نیاز نخواهد بود. در موقعیت‌هایی که استفاده از سد چندین هدف را پوشش می‌دهد، ساخت یک نیروگاه آبی هزینه نسبتاً کمی را به هزینه‌های ساخت سد اضافه می‌کند. ایجاد یک نیروگاه همچنین می‌تواند هزینه‌های مربوط به ساخت سد را جبران کند. برای مثال هزینه ناشی از ساخت سد «Three Gorges» که بزرگ‌ترین سد جهان است با فروش انرژی الکتریکی تولیدی در سد در طول ۵ تا ۷ سال جبران شده‌است

آب پشت سد در لوکزامبورگ

آمار در جهان و ایران

مسائل محیط زیست

پروژه‌های احداث سد معمولاً با تغییرات زیادی در اکوسیستم منطقه احداث سد همراه هستند. برای مثال تحقیقات نشان می‌دهد که سدهای ساخته شده در کرانه‌های اقیانوس اطلس و اقیانوس آرام در آمریکای شمالی از میزان ماهی‌های قزل‌آلای رودخانه‌ها به شدت کاسته‌است و این به دلیل جلوگیری سد از رسیدن ماهی‌ها به بالای رودخانه برای تخم‌گذاری است و این درحالی است که برای عبور این ماهی‌ها به بالای رودخانه محل‌های خاصی در سد در نظرگرفته شده‌است. همچنین ماهی‌های کوچک در طول مهاجرت از رودخانه به دریا در بین توربین‌ها آسیب می‌بینند که برای رفع این عیب نیز در قسمتی از سال ماهی‌ها را با قایق‌های کوچک به پایین رودخانه می‌برند. با تمام فعالیت‌هایی که برای ایجاد محیط مناسب برای ماهی‌ها انجام می‌شود بازهم با ساخت سد از میزان ماهی‌ها کاسته می‌شود. در کشورهایی مانند ایالات متحده بستن مسیر مهاجرت ماهی‌ها و دیگر موجودات آبزری به وسیله سد ممنوع است و حتماً باید برای عبور آنها تمهیداتی اندیشیده شود. به این ترتیب در برخی موارد سدها می‌توانند واقعاً برای ماهی‌ها آسیب رسان باشند که نمونه‌ای از آنها سد مارموت (Marmot Dam) در ایالات متحده‌است که عملیات حذف آن در ۲۰ اکتبر ۲۰۰۷ به پایان رسید. پس از تخریب این سد رودخانه برای اولین بار پس از۱۰۰ سال جریان آزاد خود را آغاز کرد. عملیات حذف این سد بزرگ‌ترین عملیات حذف سد در ایالات متحده بود.

ایجاد سدها معمولاً باعث به وجود آمدن تغییراتی در قسمت‌های پایینی رودخانه می‌شوند. آب خروجی از توربین‌ها معمولاً حامل مقدار کمتری از رسوبات است و این خود باعث پاک شدن بستر رودخانه و از بین رفتن حاشیه‌های رودخانه می‌شود. به دلیل اینکه توربین‌ها معمولاً به نوبت کار می‌کنند نوساناتی در جریان آب خروجی ایجاد می‌شود که شدت فرسایش بستر رودخانه را افزایش می‌دهد. همچنین ظرفیت اکسیژن حل شده در آب به دلیل کار توربین‌ها کاهش می‌یابد چراکه آب خروجی توربین‌ها معمولاً گرمتر از آب ورودی آنهاست که این خود می‌تواند جان برخی گونه‌های حساس را به خطر بیاندازد. برخی دیگر از سدها برای افزایش ارتفاع فشار مسیر رودخانه را منحرف کرده و باعث عبور آب از مناطق پر شیب‌تر می‌شوند و به این ترتیب مسیر قبلی رودخانه را خشک می‌کنند. برای مثال در رودخانه‌های تپاکو (Tekapo) و پوکاکی (Pukaki) از این روش استفاده شده‌است که نه تنها موجب به خطر افتادن برخی گونه‌های موجودات آبزی شده بلکه پرندگان مهاجر منطقه را نیز به شدت در خطر قرار داده‌است.انرژی آب

انرژی موج

مقدمه

نیروهای گرانشی مابین ماه و خورشید و زمین سبب بالا و پایین رفتن منظم آب اقیانوس‌ها در سراسر جهان گردیده که نتیجه آن امواج جزر و مدی می باشد. ماه نیرویی بیش از دو برابر نیرویی که خورشید بر امواج جزر و مد وارد می‌نماید اعمال می‌کند، در نتیجه جزر و مد به وضوح تابعی است از گردش ماه به دور زمین. ایجاد موج در روز و سیکل جزر در سطح هر جزئی از اقیانوس وجود دارد. با وجود کم بودن دامنه ارتفاع موج جزر و مد در اقیانوس‌های آزاد، به علت آشفتگی بالا، دارای جابه جایی نسبتا قابل توجهی می‌باشند.

نیروگاه جزر و مدی در کالیفرنیا

تاریخچه

انسانها سالها پیش از میلاد مسیح نیز از جزر و مد و جریانات موج آب بهره می‌گرفتند. برای مثال از نوسانات دوره ای موج به خوبی آگاه بودند و می‌دانستند چه زمانی و کجا با جریانات آبی قوی مواجه خواهند شد. ﺗﺄسیسات و بناهای کوچک هیدرودینامیکی متعددی نظیر سیستم‌های پمپاژ آب و آسیاب‌های بادی از قرون وسطی در سرتاسر جهان به جا مانده است. برخی از این ابزار و وسایل هنوز و در دوران اخیر نیز استفاده می‌شدند. برای مثال چرخ آبی بزرگ برای پمپاژ آب در هامبورگ آلمان تا قرن نوزدهم همچنان مورد استفاده بود. شهر لندن از چرخ آبی بزرگی استفاده می‌کرد که در سال ۱۵۸۰ میلادی بر روی پل لندن تعبیه شده بود و بمدت ۲۵۰ سال آب سالم برای شهر فراهم می‌نمود. لیکن با پیشرفت صنعتی بشر و جامعه، برق رسانی و الکتریکی کردن تمام جنبه‌های تمدن مدرن به توسعه مبدل‌های گوناگون جهت انتقال منابع انرژی پتانسیل به انرژی الکتریکی منجر شد. در این راستا مطالعات جدی به منظور طراحی نیروگاه‌های موجی در مقیاس صنعتی برای استفاده و بهره گیری از انرژی موج در قرن بیستم با رشد سریع دانش الکتریک در صنعت آغاز گردید.

مکانیزم

این نیروگاه‌ها 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 و 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، بوجود می‌آید. در بعضی از انواع این نیروگاه‌ها از جریان آب هم در جزر و هم در مد استفاده می‌نمایند. همانطور که در شکل مشاهده میشود، 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 باز می‌گردد. ولی در سیستم تک منظوره توربین فقط در زمان سیکل فروکش کار می‌کند. این نوع دریچه‌های آب در زمان موج باز می‌مانند و اجازه می‌دهند که آب فضای آبگیر را پر نماید. سپس دریچه ها بسته می‌شوند. ارتفاع و هد آب افزایش می‌یابد و توربین‌ها روشن می‌شوند و آب در دوره فروکش از آبگیر به درون اقیانوس باز می‌گردد. مزایای روش توربین دومنظوره این است که بطور 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 ساده تر است و به توربین‌های چندان گران قیمتی نیاز ندارد. از جمله جنبه‌های منفی روش تک منظوره می توان به زیان بیشتر آن برای محیط اشاره نمود. از آنجایی که ارتفاع هد بیشتری برای آب ایجاد می‌نماید که سبب انباشته شدن رسوبات و ته نشینی‌ها 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

مزایا و معایب

انرژی موجی یک انرژی پاک پایان ناپذیر است. 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 رودخانه ها 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 پیش بینی کرد انرژی موجی و جزر و مد برای قرن‌های متمادی از نقطه نظر 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 مولفه‌های اصلی تولید انرژی الکتریکی در جهان هستند و با ذغال سنگ و سوخت ارزان، در دسترس و فراوان کار می‌کنند رقابت کند.

آمار در جهان

جدول زیر شامل گستره دامنه جزر و مد در مناطق مختلف جهان با موج بلند است.

در حال حاضر تنها چهار نیروگاه موجی در مقیاس صنعتی در جهان وجود دارد که همگی آنها پس از جنگ جهانی دوم ساخته شده اند. که عبارتند از نیروگاه موجی لارانس در فرانسه (۱۹۷۶) نیروگاه موجی کیس لایا گوبا در روسیه (۱۹۶۸) آناپولیس در کانادا (۱۹۸۴) و دست آخر جیانگ زی یا در کشور چین (۱۹۸۵).

اطلاعات عمده این نیروگاه‌های موجی در جدول ۲ گردآوری شده اند. البته تاکنون هیچ گونه فعالیتی در ایران انجام نگرفته است.

مسائل محیط زیست

همانگونه که پیش‌تر اشاره شد تمامی نیروگاه‌های موجی و جزر ومدی موجود با طراحی‌های مرسوم و رایجی ساخته شده‌اند و بر اساس راه‌اندازی ایستگاه‌های تولید قدرت با در نظر گرفتن مولفه‌های اصولی طراحی با ایجاد سد بر رودخانه‌ها بنا گردیده‌اند. این روش رایج توجیه بسیار ضعیف اکولوژیک و زیست محیطی دارد چرا که ایجاد سد به نحوی مهاجرت ماهی‌ها را با مشکل مواجه می‌کند و توازن جمعیتی آنها را به هم می‌ریزد. محیط زیست را با ایجاد سیلاب و باتلاق در سرزمین‌های مجاور تخریب می‌کند. ایجاد سیلاب موضوعی مختص به نیروگاه‌های قدرت موجی نیست زیرا سطح آب در آبگیر نمی‌تواند بیشتر از سطح نرمال و طبیعی آب باشد.

نتیجه گیری

امواج نقش مهمی را در بهبود آب و هوای جهانی (مانند حفظ اکوسیستم‌ها) ایفا می‌کنند در عین حال منبع بالقوه زیرساختی تولید منابع انرژی تجدیدپذیر برای آینده انسان محسوب می‌گردد. به پایان رسیدن منابع نفتی و انتشار گازهای گلخانه‌ای با سوختن ذغال سنگ، نفت و سایر سوخت‌های فسیلی و انباشته شدن پسماندهای هسته ای از رآکتورهای اتمی، انسان ها را ناچار خواهد نمود که در آینده اغلب منابع انرژی سنتی کنونی را با منابع انرژی تجدیدپذیر جایگزین کنند. انرژی امواج یکی از بهترین گزینه‌های این دیدگاه نوین است. مبدل‌های انرژی جدید با بازدهی زیاد و ارزان و سازگار با طبیعت از قبیل توربین های تریپل هلیکس می‌تواند انرژی امواج را در سرتاسر جهان به یک انرژی در دسترس تبدیل کند. این انرژی لزوماً نباید در نیروگاه‌های مولتی مگاواتی استفاده شود بلکه در مقیاس نیروگاه‌های کوچک با توان تولیدی چند کیلو واتی نیز میتواند مورد بهره برداری قرار گیرد و انرژی پاک را برای مصارف انفرادی و شخصی در دسترس قرار دهد به طوری که در مناطق اقلیمی خاص مثلاً در جزایر دوردست که در آن مناطق جریان‌های سهمگین امواج وجود دارد بصورت مستقیم حتی در مصارف خانگی به کار گرفته شود.

انرژی هیدرودینامیک

مقدمه

مصرف آب به عنوان دومین منبع انرژی (بعد از آتش) برای بشر محسوب می‎شود. از این‎رو چرخ‌های آبی در تاریخ توسعه و مصرف انرژی، نقش مهمی ایفا می‎کنند. چرخ‌های آبی دستگاه‎های مکانیکی ساده‎ای هستند که ما می‎توانیم برای درک برخی مفاهیم مهم و کلیدی از آنها یاری جوئیم.

سد کارون ۳

تاریخچه

چرخ آبی، دستگاهی است که استخراج انرژی از یک سیستم را میسر می‎سازد. به عنوان مثال اگر دستگاهی را به محور چرخ آبی که در مسیر آب در حال سرازیر شدن که از انرژی پتانسیل بالا به انرژی پانسیل پایین منتقل می‎شود متصل کنیم، می‎توانیم از انرژی جنبشی آن برای انجام کار استفاده نمائیم. در واقع چرخ آبی اولین دستگاهی بود که عملاً بشر را از اتکاء به ماهیچه‎هایش یا به بیگاری گرفتن حیوانات برای انجام کار، رها نمود. اطلاعی از زمان و مکان پیدایش چرخ‌های آبی در دست نیست و حتی اطلاعی از اینکه چه شخصی باعث پیشرفت و توسعه آن شد نیز وجود ندارد. حدوداً ۳۰۰ سال قبل از میلاد، مصارف دیگری از چرخ آبی می‎شد. آنها،‌ با طناب به سطل‌هایی برای بالا آوردن آب وصل می‎شدند که از آن برای مصارف خانگی و یا آبیاری زمین‌های کشاورزی استفاده می‎شد. این، ساده‎ترین و ابتدائی‎ترین کاربرد چرخ آبی بود، ‎Noria، چرخ پره‎دار ساده‎ای بود که با جریان آب رودخانه، حرکت می‎کرد و به شتر در مدیترانه رواج داشت. ‎Noria چندان عمری نداشت زیرا بلافاصله چرخ دیگری که در پایین به شرح آن می‎پردازیم، بوجود آمد. علت پیدایش این چرخ جدید،‌ به خاطر نیاز ‎Noria به ذخیره زیاد آب بود. تا صد قبل از میلاد، چرخ‌های آبی در چندین نواحی دنیا از جمله شمال یونان، ترکیه و هند برای آسیاب کردن غلات و استخراج روغن از زیتون، کاربرد داشتند. این چرخ‌ها، معروف به چرخ‌های افقی می‎باشند و میله عمودی نصب شده بر روی آن، مستقیماً سبب حرکت سنگ آسیاب می‎شود. چرخ‌های افقی هم مشکلات و معضلاتی را با خود به همراه داشتند. از جمله آن که باید مجهز به نوعی مجرا یا کانال باشند که موجب انتقال آب به یک طرف چرخ و نهایتاً چرخاندن چرخ شود. از این‎رو، چرخ‌های افقی در نهرها که شدت جریان آب در آن شدید می‎باشد (نظیر نواحی کوهستانی شمال ترکیه و یونان) کارآیی داشتند. لازم به ذکر است که سرعت سنگ آسیاب، دقیقاً برابر سرعت چرخ آبی و سرعت چرخ آبی هم بسته به سرعت جریان آب می‎باشد. چرخ افقی گاهی اوقات با نام ‎Norse wheel شناخته می‎شود. و اولین دستگاه قابل استفاده در منزل بود. در آن زمان غلات با آسیاب‌های دستی آرد می‎شدند. زنان مجبور به انجام این کار بودند و زمان زیادی از وقت آنها بدین کار سپری می‎شد. این دستگاه شرایط فوق را تغییر داد. مسئله فوق ممکن است از دو دیدگاه، چندان جالب نباشد. اما مسئله‎ای برای ماشینی شدن کارها و رهایی از کار پرزحمت آسیاب کردن غلات با دست شد. قدیمی‎ترین چرخ آبی در کابریا ‎cabria از سواحل جنوبی دریای سیاه، پیدا شد.

مکانیزم

انرژی جنبشی

برای درک و روشن شدن، مطلب را با مثال ساده‎ای آغاز می‎کنیم. اگر در حال عبور از نهر آبی باشیم، این حس در ما ایجاد می‎شود که آب در جهت خلاف پاهای ما به شدت عبور می‎کند. در نهرهایی که جریان آب در آنها تند باشد باید مراقب باشیم که شدت (فشار) آب باعث افتادن ما نشود. همین‎طور کشش و فشار امواج را هنگام گذر از کنار دریا حس می‎کنیم. گاهی اوقات هنگام نزدیک شدن امواج،‌ می‎توانیم سریع پاهایمان را کنار بکشیم، یقیناً اگر در زیر یک آبشار باشیم، فشار آب را روی بدنمان احساس می‎کنیم. اگر اندکی این چرخ را در نحری که آب در آن جریان دارد،‌ داخل کنیم. جریان آب در جهت خلاف آن بر آن فشار می‎آورد، درست همانند زمانی که ما داخل آب هستیم شویم. فشار آب موجود در جهت فاضلاب فقط یک پدال (پرگا)، موجب چرخش چرخ می‎شود. اگر محور چرخ را به یک دستگاه وصل کنیم قادر به انجام کار مفید، نظیر آسیاب کردن غلات می‎باشیم. پایه و اساس چرخ آبی، درک مفهوم فوق می‎باشد.

حال، مشاهده‎ای مرتبط در این زمینه را در نظر مجسم سازید: زمانی که داخل یک استخر یا حوض مخصوص شنا ایستاده‎ایم و یا در حال گذشتن از آن هستیم، هیچ نگران این قضیه نیستیم که جریان آب موجب عدم تعادل و نهایتاً افتادن ما شود. مشابه آن در مورد چرخ آبی هم صدق می‎کند. قرار دادن چرخ آبی در استخر شنا، مانع حرکت چرخ می‎شود.

به تفاوتی بین شرایط فعلی و شرایطی که قبلاً راجع به آن بحث شد، وجود دارد؟ در استخر شنا با حوض، جریان آب، ثابت و یا اینکه خیلی کند می‎باشد. تنها آب جریا (متحرک) باعث هل دادن و به حرکت درآوردن ما و همین‎طور باعث چرخاندن، چرخ آبی می‎شود. به حرکت درآمدن ما و چرخ آبی، بیانگر انجام کار می‎باشد. تنها آب جاری،‌ توان انجام کار را دارد. مطلب فوق مبین این مسئله است که آب جاری (آبی که دارای حرکت باشد) دارای نوعی انرژی می‎باشد. همان‎طوری که قبلاً گفته شد، اگر چرخ آبی را به یک دستگاه مکانیکی وصل کنیم، دستگاه قادر به انجام کار نظیر: آسیاب کردن فلات یا اره کردن چوب می‎باشد. تعمیم عبارت فوق بیان این مطلب است که:

«انرژی جنبشی، باعث انجام کار می‎شود».

انرژی پتانسیل

استفاده از یک چرخ آبی را در نظر مجسم سازید، ‌با در نظر گرفتن مزیت آبشار و انرژی جنبشی آبی که از آن سرازیر می‎شود، چرخ‎های چرخ‎دنده می‎چرخد و کار انجام می‎گیرد. حجمی از آب را در نقطه ‎A در نظر بگیرید، آیا آن مقدار از آب قادر به انجام کار می‎باشد؟ خیر؟ (حداقل، حالانه)، حجم آب در آن نقطه، فاقد انرژی جنبشی می‎باشد. البته باید بر این مسئله واقف باشیم که آب در نقطه ‎A انرژی جنبشی ندارد اما پتانسیل کسب انرژی جنبشی را دارد. برای درک مطلب فوق می‎توانیم بگوئیم که آب در نقطه ‎A دارای انرژی پتانسیل می‎باشد. چه عاملی باعث سرازیر شدن آب می‎گردد؟ نیروی جاذبه زمین، آب را به مرکز زمین می‎کشد، باید گفت که آب در نقطه «A» انرژی پتانسیل جاذبه را دارا میباشد.

این انرژی، انرژی پتانسیل جاذبه نیتونی می‎باشد که باعث کشیده شدن اشیاء به طرف مرکز ثقل می‎شود. حال سه نکته دیگر را به آن اضافه می‎نمائیم. اولاً: انرژی پتانسیل به صورت بالقوه انرژی جنبشی می‎باشد (یا انرژی پتانسیل قابل تبدیل به انرژی جنبشی می‎باشد). ثانیاً‌ در نقطه ‎B آب به پره‎های چرخ آبی ضربه می‎زند و موجب انتقال انرژی جنبشی آب به چرخ و نهایتاً حرکت چرخ که همان انجام کار می‎باشد می‎شود. در واقع نقطه ‎B مکانی فعال است. تصور کنید که برای حجم آب در نقطه ‎C چه روی می‎دهد؟

ممکن است این‎طور در ذهن تداعی شود که انرژی پتانسیل در نقطه ‎C به آخر می‎رسد، ‌ در واقع آب همیشه، قدری انرژی پتانسیل جاذبه را دارا می‎باشد مگر آنکه نقطه ‎C مرکز ثقل زمین باشد. بیشترین و بالاترین میزان انرژی پتانسیل در نقطه ‎A می‎باشد. آب هنگام سرازیر شدن از آبشار قدری از انرژی پتانسیل اش، به انرژی جنبشی تبدیل می‎شود و انرژی جنبشی آب در حال سرازیر شدن از آبشار، قادر به انجام کارو چرخاندن چرخ آبی می‎باشد.

چرخه ی تولید نیرو

نمونه ای از توربین

مزایا و معایب

نیروی برق‌آبی با ایجاد انرژی الکتریکی بدون سوزاندن سوخت‌ها از ایجاد آلوده‌کننده‌های متصاعد شده از سوختن سوخت‌های فسیلی مانند دی‌اکسید گوگرد، اسید نیتریک، منواکسید کربن، گرد و غبار و سرب (موجود در زغال سنگ) جلوگیری می‌کند. همچنین هیدروالکتریسیته با از بین بردن ضرورت استفاده از سوخت‌هایی مانند زغال سنگ به طور غیرمستقیم خطرات ناشی از استخراج زغال سنگ را کاهش می‌دهد. این نیروگاه‌ها زباله هسته‌ای تولید نمی‌کنند. همچنین خطرات مربوط به تماس با اورانیوم در معادن یا نشت مواد هسته‌ای را نیز ندارند و برعکس اورانیوم در این دسته از نیروگاه‌ها از انرژی‌های تجدید پذیری استفاده می‌شود. در مقایسه با مولدهای بادی، منابع انرژی در نیروگاه‌های آبی خیلی قابل پیش‌بینی‌تر هستند. همچنین این نیروگاه‌ها می‌توانند ضریب بار شبکه را بهبود دهند و در زمان نیاز شروع به تولید انرژی الکتریکی کرده و به این ترتیب موجب تعدیل شبکه در طول ساعات پیک شوند. برعکس نیروگاه‌های گرمایی در نیروگاه‌های آبی زمان زیادی صرف مطالعات مربوط به سد می‌شود. معمولاً برای انجام دقیق محاسبات، داده‌های حدود ۵۰ سال از رفتارهای رودخانه برای انتخاب بهترین مکان احداث سد و روش ساخت آن لازم است. برعکس نیروگاه‌هایی که از سوخت‌ها برای تامین انرژی استفاده می‌کنند، مکان‌های مناسب برای احداث نیروگاه‌های آبی محدود هستند. همچنین بیشتر نیروگاه‌های آبی از مراکز تجمع جمعیت دور هستند و باید برای انتقال آنها نیز هزینه‌ای صرف کرد. از دیگر ضعف‌های این نیروگاه وابستگی شدید به میزان آب ورودی است و از آنجایکه میزان آب پشت سد به بارش‌ها وابسته‌است و در صورتیکه که میزان بارش برف و باران کاهش یابد میزان تولید انرژی الکتریکی نیز کاهش می‌یابد.

از دیگر سو آب ذخیره شده در پشت یک سد در واقع می‌تواند بخشی از امکانات مربوط به ورزش‌های آبی باشد و به این ترتیب می‌تواند به جاذبه‌ای برای گردشگران تبدیل شود. در برخی از کشورها از این آب برای پرورش موجودات آبزی مانند ماهی‌ها استفاده می‌شود به این ترتیب که در برخی سدها محیط‌های خاصی برای پرورش موجودات آبزی اختصاص یافته که همیشه از نظر داشتن آب پشتیبانی می‌شوند. از معایب این نوع انرژی می توان به، جابجایی جمعیت ساکن در مناطق زیر آب رفته توسط آب پشت سد است. این مناطق ممکن است شامل مناطقی باشد که از نظر فرهنگی یا اعتقادی دارای ارزش بالایی هستند و بدین ترتیب دلبستگی زیادی بین مردم ساکن با منطقه و آن منطقه خاص وجود دارد و به این ترتیب با بالا آمدن آب این مکان‌های تاریخی یا فرهنگی از بین خواهند رفت.

مسائل اقتصادی

بیشترین مزیت استفاده از نیروگاه‌ها آبی عدم نیاز به استفاده از سوخت‌ها و در نتیجه حذف هزینه‌های مربوط به تامین سوخت است. درواقع هزینه انرژی الکتریکی تولیدی در یک نیروگاه آبی تقریباً از تغییرات قیمت سوخت‌های فسیلی نظیر نفت، گاز طبیعی و زغال سنگ مصون است. همچنین عمر متوسط نیروگاه‌های آبی در مقایسه با نیروگاه‌های گرمایی بیشتر است، به طوری که عمر برخی از نیروگاه‌های آبی که هم‌اکنون در حال استفاده هستند به ۵۰ تا ۱۰۰ سال پیش بازمی‌گردد. هزینه کار این نیروگاه‌ها در حالی که به صورت خودکار عمل کنند کم است و بجز در موارد اضطراری به پرسنل زیادی در نیروگاه نیاز نخواهد بود. در موقعیت‌هایی که استفاده از سد چندین هدف را پوشش می‌دهد، ساخت یک نیروگاه آبی هزینه نسبتاً کمی را به هزینه‌های ساخت سد اضافه می‌کند. ایجاد یک نیروگاه همچنین می‌تواند هزینه‌های مربوط به ساخت سد را جبران کند. برای مثال هزینه ناشی از ساخت سد «Three Gorges» که بزرگ‌ترین سد جهان است با فروش انرژی الکتریکی تولیدی در سد در طول ۵ تا ۷ سال جبران شده‌است

آب پشت سد در لوکزامبورگ

آمار در جهان و ایران

مسائل محیط زیست

پروژه‌های احداث سد معمولاً با تغییرات زیادی در اکوسیستم منطقه احداث سد همراه هستند. برای مثال تحقیقات نشان می‌دهد که سدهای ساخته شده در کرانه‌های اقیانوس اطلس و اقیانوس آرام در آمریکای شمالی از میزان ماهی‌های قزل‌آلای رودخانه‌ها به شدت کاسته‌است و این به دلیل جلوگیری سد از رسیدن ماهی‌ها به بالای رودخانه برای تخم‌گذاری است و این درحالی است که برای عبور این ماهی‌ها به بالای رودخانه محل‌های خاصی در سد در نظرگرفته شده‌است. همچنین ماهی‌های کوچک در طول مهاجرت از رودخانه به دریا در بین توربین‌ها آسیب می‌بینند که برای رفع این عیب نیز در قسمتی از سال ماهی‌ها را با قایق‌های کوچک به پایین رودخانه می‌برند. با تمام فعالیت‌هایی که برای ایجاد محیط مناسب برای ماهی‌ها انجام می‌شود بازهم با ساخت سد از میزان ماهی‌ها کاسته می‌شود. در کشورهایی مانند ایالات متحده بستن مسیر مهاجرت ماهی‌ها و دیگر موجودات آبزری به وسیله سد ممنوع است و حتماً باید برای عبور آنها تمهیداتی اندیشیده شود. به این ترتیب در برخی موارد سدها می‌توانند واقعاً برای ماهی‌ها آسیب رسان باشند که نمونه‌ای از آنها سد مارموت (Marmot Dam) در ایالات متحده‌است که عملیات حذف آن در ۲۰ اکتبر ۲۰۰۷ به پایان رسید. پس از تخریب این سد رودخانه برای اولین بار پس از۱۰۰ سال جریان آزاد خود را آغاز کرد. عملیات حذف این سد بزرگ‌ترین عملیات حذف سد در ایالات متحده بود.

ایجاد سدها معمولاً باعث به وجود آمدن تغییراتی در قسمت‌های پایینی رودخانه می‌شوند. آب خروجی از توربین‌ها معمولاً حامل مقدار کمتری از رسوبات است و این خود باعث پاک شدن بستر رودخانه و از بین رفتن حاشیه‌های رودخانه می‌شود. به دلیل اینکه توربین‌ها معمولاً به نوبت کار می‌کنند نوساناتی در جریان آب خروجی ایجاد می‌شود که شدت فرسایش بستر رودخانه را افزایش می‌دهد. همچنین ظرفیت اکسیژن حل شده در آب به دلیل کار توربین‌ها کاهش می‌یابد چراکه آب خروجی توربین‌ها معمولاً گرمتر از آب ورودی آنهاست که این خود می‌تواند جان برخی گونه‌های حساس را به خطر بیاندازد. برخی دیگر از سدها برای افزایش ارتفاع فشار مسیر رودخانه را منحرف کرده و باعث عبور آب از مناطق پر شیب‌تر می‌شوند و به این ترتیب مسیر قبلی رودخانه را خشک می‌کنند. برای مثال در رودخانه‌های تپاکو (Tekapo) و پوکاکی (Pukaki) از این روش استفاده شده‌است که نه تنها موجب به خطر افتادن برخی گونه‌های موجودات آبزی شده بلکه پرندگان مهاجر منطقه را نیز به شدت در خطر قرار داده‌است.

بازدید: 2