بحث عن الطاقة الكهرومائية - بحث تعليمى عن الطاقة الكهرومائية كامل بالتنسيق
هي الكهرباء المتولدة عن المساقط المائية، أي إنتاج الطاقة من خلال استخدام قوة الجاذبية نتيجة سقوط المياه. وتعد من أوسع أشكال الطاقة
المتجددة المستخدمة في إنتاج الكهرباء. قبل استخدام الطاقة المائية على نطاق واسع لتوفر الطاقة الكهربائية، الطاقة المائية كانت تستخدم لأغراض الري فقط،
وتشغيل الآلات، مثل طواحين المائية، وآلات النسيج، والمناشر. حاليا تقنيات توليد الطاقة الكهرومائية متقدمة ومتطورة بدرجة كبيرة وليس من المتوقع أن تحدث
طفرة كبيرة في تقنياتها في المستقبل لزيادة كفاءتها والتوسع في استخدامها. توليد الطاقة من المساقط المائية يتم عن طريق استخدم قوة سقوط أو تدفق
المياه لتحريك المولدات التوربينية بدلا من استخدام البخار. واستخدمت المحطات الكهرومائية لتوليد الكهرباء على نطاق واسع منذ أوائل القرن العشرين. وهناك نوعان
من محطات الطاقة الكهرومائية: النوع الأول يشمل المحطات التي تستخدم مساقط المياه العالية، وهذه المحطات تستفيد من قوة سقوط المياه من أماكن شاهقة
وذلك عن طريق بناء السدود على طول الأنهار الرئيسة، وعادة يتم إنشاء خزانات عملاقة لخزن المياه وأيضا للتحكم في تدفق كمية المياه عبر السد وحسب الطلب على
الكهرباء. وتنتج هذه المحطات عادة كميات هائلة من الطاقة الكهربائية. أما النوع الآخر من المحطات الكهرومائية فهي التي تستخدم مساقط المياه من الأنهار، وهذه
المحطات تستفيد من تدفق الأنهار لتحريك التوربينات. والطاقة المنتجة من هذه المحطات أقل بكثير من كمية الطاقة التي تولدها محطات مساقط المياه العالية
حاليا الطاقة المائية هي المصدر الرئيس للطاقة الكهربائية المتجددة، وهي توفر أكثر من 97 في المائة من مجموع الكهرباء التي تولدها مصادر الطاقة المتجددة
أي أكثر من 700 ألف ميجاواط كهرباء، وهذا يمثل نحو 19 في المائة من الكهرباء المنتجة في العالم. أما المصادر الأخرى بما في ذلك الطاقة الشمسية، والطاقة
الحرارية الأرضية والرياح، والكتلة الحيوية فتشكل أقل من 3 في المائة من إنتاج الكهرباء المتجددة. ولكن ليس من المتوقع أن يزداد هذا الإنتاج كثيرا في المستقبل
خصوصا في الدول المتقدمة صناعيا, وذلك لأن معظم الإمكانات المتاحة قد تم استغلالها في هذه البلدان
هناك فوائد كثيرة من إنتاج الطاقة بواسطة المحطات الكهرومائية: فمثلا لا توجد انبعاثات غازات خطرة أو نفايات صلبة، ولا توجد أي تكاليف للوقود وإنما هي تماما
مستدامة، كذلك المحطات الكهرومائية موثوق بأدائها التقني، وذات تكاليف صيانة منخفضة، إضافة إلى ذلك السدود الخاصة بها تساعد على السيطرة على
الفيضانات. كما أن إنتاج الطاقة الكهرومائية أقل تكلفة من الكهرباء المولدة باستخدام الوقود الأحفوري أو الطاقة النووية. كذلك وفرة
مصادر الطاقة الكهرومائية تساعد على جذب الصناعة
ولكن في الوقت نفسه هناك آثار سلبية للطاقة الكهرومائية قد تشكل تحديا كبيرا لها. فمثلا التغيرات في تدفق المياه يمكن أن تؤثر سلبا في الحياة الحيوانية
والنباتية، وكذلك خزانات المياه يمكن أن تحتل مساحات كبيرة من الأراضي. والمحاذير البيئية من آثار السدود والخزانات العملاقة قد تحدد تطور وزيادة مصادر الطاقة
الكهرومائية الاقتصادية. ومن أكثر عيوب محطات الطاقة الكهرومائية التي تستخدم مساقط المياه العالية مأساوية هو تأثيرها السلبي في الحياة البرية، حيث
إن خزانات المياه يمكن أن تغير درجة حرارة المياه وتمنع هجرة الأسماك وتغلق منابع مرور الأسماك. لكن من الميزات الكبيرة لهذا النوع من المحطات الكهرومائية
قدرتها على التعامل مع ارتفاع أحمال الذروة الموسمية بل حتى اليومية. فمثلا عند انخفاض الطلب على الكهرباء فإن السد يقوم بتخزين كميات أكثر من المياه التي
توفر لاحقا مزيدا من التدفق عند الحاجة. في حين المحطات التي تستخدم مساقط المياه من الأنهار فإن آثارها البيئية أقل بكثير، ولكن هنا لا يمكن السيطرة على
تدفق كمية المياه عبر المولد، لذلك لا يمكن التحكم في كمية الطاقة الكهربائية المنتجة في هذه المحطات، كما أن تدفق النهر يعتمد على هطول الأمطار في المنطقة
كثير من محطات الطاقة الكهرومائية الحالية جاوزت أعمارها التشغيلية, كما أن كثيرا منها قد تضررت نتيجة الفيضانات في السنوات الأخيرة بأضرار يتعذر إصلاحها
وكذلك التكاليف الأولية لبناء محطات طاقة كهرومائية جديدة أو لتحل محل المحطات القديمة عالية جدا، لذلك معظم الاستثمارات حاليا تذهب إلى أشكال
أخرى من الطاقة المتجددة. المخاطر الاقتصادية في الاستثمار في مشاريع إنتاج الطاقة الكهرومائية يمكن أن تكون كبيرة، لأنها تحتاج إلى تكاليف رأسمالية
عالية جدا. إضافة إلى وجود عدم يقين فيما يتعلق بأسعار الطاقة في المستقبل. إن تكاليف بناء وإنتاج الطاقة الكهرومائية تتباين بشدة من محطة إلى أخرى
وأحد أهم الأسباب هو حجم المحطة. المولد الصغير يتطلب عددا من العاملين للتشغيل والصيانة تقريبا يساوي ما تحتاج إليه محطة كهرومائية كبيرة, ما يجعل
تكلفة إنتاج الكيلوواط الواحد في محطات الطاقة الكهرومائية الكبيرة أقل من تكلفة إنتاجه في المحطات الأصغر. ومقارنة بغيرها من مصادر إنتاج الطاقة الكهرباء
فإن تكاليف الإنتاج في محطات الطاقة الكهرومائية هي نحو ثلث تكاليف الإنتاج في المحطات التي تستحدم الوقود الأحفوري لتوليد الطاقة الغاز والفحم أو النفط
أو في محطات الطاقة النووية. العامل الرئيس للفرق في تكلفة الإنتاج يعود إلى تكاليف الوقود اللازمة في الأنواع الأخرى من مصادر إنتاج الطاقة. تكاليف رأس
المال لإنشاء محطة لتوليد الطاقة الكهرومائية هو مماثل لتكاليف رأس المال اللازم لبناء محطات الطاقة النووية، ولكن إلى حد ما أعلى من تكاليف رأس المال
المطلوب لبناء محطات التوليد التي تعمل بالوقود الأحفوري. ولكون المحطات الكهرومائية لا تحتاج إلى وقود، فإن مجموع التكاليف لإنتاج كل كيلوواط/ ساعة في
معظم الحالات أقل من تكاليف الإنتاج في محطات الوقود الأحفوري والنووي
تصاميم مطورة لتوربينات كفوءة لتوليد الطاقة الكهرومائية
توربين جورلوف يستفيد من نسبة عالية من طاقة مياه الأنهار والبحار ويمكن نصبه في المواقع النائية
بوسطن: ساندرا ستايندروف وتوم ريجان *
يشكل الماء حوالي 70 في المائة من سطح الأرض ويعتبر مصدرا ضخما للطاقة في المستقبل، إذ يمكن لنهر الأمازون الذي تتحرك في حوضه أكبر كمية من المياه أن يولد طاقة كهربائية كافية لتزويد كل المدن على ضفافه باحتياجاتها. ويعتبر هذا صحيحا لكل الأنهار الكبيرة في العالم. إذا لما لا نستغل طاقة الماء؟
هذا هو هدف ألكسندر جورلوف وهو أستاذ في الهندسة الميكانيكية في جامعة نورث إيسترن في بوسطن، الذي يحاول أن يبشر بفكرته لاستغلال طاقة التيارات المائية والمد البحري. وإذا استطاع هذا النموذج الأولي البسيط الشكل والمكون من أسطوانة تحتوي على توربين بابعاد 36 و40 بوصة، أن يحول قوة مياه المحيطات والأنهار والخلجان إلى كهرباء، فانه قد يغير بشكل جذري مبدأ توليد الطاقة الكهرومائية، وقد يحل مشكلة الطاقة بالعالم. طاقة كهرومائية تشكل الطاقة الكهرومائية اليوم حوالي 7 في المائة من طاقة العالم الكهربائية التي لا يولدها وقود باطن الارض. ومع أن الطاقة الكهرومائية مصدر طاقة نظيف وغير محدود، لكن سعرها غال جدا. ويتحكم بمشاريع توليدها حاليا السدود الضخمة والباهظة الكلفة التي قد تؤدي الى ترحيل الناس وتغطية مساحات شاسعة بالمياه، وهلاك كميات هائلة من السمك التي تحتاج الى أنهر مفتوحة للتكاثر. وأدت مشاركة جورلوف في تصميم وبناء سد أسوان في مصر إلى قناعته أن هذه المشاريع الضخمة ليست بالحل الأمثل لتوليد الطاقة الكهرومائية.
وما يؤخر استغلال الطاقة الكهرومائية واستخدامها هو عدم توفر أجهزة كفوءة ونظيفة بيئيا لتوليدها من الماء، بالإضافة لأسعار الفحم والبترول المنخفضة. ولكن أزمة الطاقة الحالية مع ارتفاع أسعار الوقود، قد تقوي شهية أميركا للطاقة المتجددة والى تطوير توربين جورلوف.
ويقوم توربين جورلوف اللولبي على اساس ما يسمى بتوربين داريوس،الذي صمم للمطاحن في الثلاثينيات. ولكن النموذج الأصلي لم يكن عمليا، إذ انه، بمراوحه المستقيمة، كان كفوءا، ولكنه لم يكن ثابتا، إذ تكسرت المراوح بسهولة نتيجة للاهتزازات الشديدة. وعندما فحصه جورلوف داخل المياه اكتشف انه يعمل بشكل أحسن من أي توربين آخر بالرغم من وجود مشاكل الاهتزازات. وبعد فحوص مختبرية اكتشف أن لي، اي ثني، المراوح بشكل لولبي مثل جزيئات الحامض النووي قد يحل المشكلة. ففي المياه المتدفقة استطاع توربين جورلوف أن يستفيد 35 في المائة من طاقتها مقارنة مع 23 في المائة بواسطة توربين داريوس، و20 في المائة بوساطة توربين تقليدي.
ورغم أن هذا قد لا يعتبر تحسنا جذريا، لكنه يعتبر كبيرا، إذ سيعمل التوربين بشكل متواصل، وبعد فترة من الزمن تظهر فوائد هذا الفرق. وبخلاف التوربينات الأخرى يستطيع توربين جورلوف أن يعمل في كلا الاتجاهين مما يجعله مناسبا للعمل في تدفق المد بالإضافة لحركة الأنهار.
ويتم اختبار توربين جورلوف الآن في بركة مد بحري، ويتوقع أن ينتج 5 كيلوواط ابتداء من هذا الربيع. ومع أن هذا ليس بمقدار كبير، لكنه سيكفي لتزويد الفندق المكون من أربع عشرة غرفة الموصول به. وإذا نجح النموذج الأولي سيتم تركيب المزيد منه على ساحل مدينة مين. ويوجد موقع اختبار آخر في منطقة نائية في البرازيل في نهر الأمازون. ويستخدم سكان هذه المنطقة الذين يبعدون عن خطوط الكهرباء، التوربين لإعادة شحن الكثير من بطاريات السيارات بهدف تشغيل أجهزة التلفاز.
ويتصور جورلوف «مزارع طاقة» ضخمة تحت الماء تولد الكهرباء بوساطة مئات أو آلاف من هذه الأجهزة الموصولة ببعضها في شبكة مثبتة تحت الماء. وستكون تكلفة إنتاج نظام طاقة كهرومائي ما بين 400 إلى 600 دولار لكل كيلوواط. أي أقل من كلفة بناء أنظمة توليد طاقة أخرى. وهذا قبل الأخذ بعين الاعتبار تكاليف وقود باطن الارض. ويقول مؤيدو جورلوف إن لتوربينه منافع أخرى: فعندما ينتج الكهرباء لا يمكنك أن تراه أو تسمع صوته. فهو لا يسبب أن نوع من الإزعاج. ويقول بيتر رودينبش وهو مستشار تعدد الأنظمة في بوسطن: «يمكن وضع توربين جورلوف في موقع ناء بالقرب من نهر ما. وإذا وضعت التوربين في النهر فانه سيجهز القرى المجاورة بطاقة كافية لتلبية كافة حاجاتهم الحالية بالإضافة إلى إنتاج الطاقة لزيادة الدخل».
ويقول إد كرث من شركة طاقة متجددة، حصلت على رخصة امتياز من جامعة نورث إيسترن: «لأن هذا منتج سيستخدم في مناطق نائية فان من المهم أن يكون متينا. وسيكون تصميم انتاجه بالجملة من الألمنيوم، وسيمكن تركيبه بواسطة أدوات عادية حتى يمكن نصبه في المناطق النائية. ويرى جوزيف إجنازيو من شركة التوربين اللولبي في ماستشوستس، الذي كان أول من فحص توربين جورلوف في 1996 عدة تحديات. وأولها هو تخزين الطاقة. فبينما يمكن وصل التوربين بشبكة كهرباء، فان الطاقة التي لا تستهلك فورا تضيع. وبخلاف البنزين مثلا لا يمكن تخزين الطاقة للاستخدام في ما بعد. وبالإضافة للتخزين فهناك أسلوب تصرف الطبيعة. وطرح هذه النقطة ليفنجستون تايلور وهو أستاذ زميل في جامعة هارفارد، يقول: «يجري نهر المسيسبي حاليا بقوة، ولكن ماذا يحدث عندما يبطئ لدرجة الوقوف؟».
والحل الطويل الأمد الذي يقترحه جورلوف هو استخدام التوربين لتفكيك ماء البحر إلى هيدروجين وأوكسجين من خلال عملية التحليل الكهربائي، وتخزين الهيدروجين في حاويات مضغوطة بعيدا عن الشاطئ. ويمكن استخدام الهيدروجين المخزون لتشغيل مولدات لإنتاج الكهرباء. ومع أن هناك تكنولوجيا لانتاج الهيدروجين بالتحليل الكهربائي متوفرة، ولكن لا يمكن استخدامها بشكل نظام لإنتاج الهيدروجين على نطاق ضخم.
الإثنين 15 مايو - 11:57
