الطاقة الكهرومائية – كيف يتم توليدها وما هي ميزاتها

الطاقة الكهرومائية هي الكهرباء المنتجة من مولدات مدفوعة بالتوربينات والتي تحول الطاقة الكامنة للمياه المتساقطة أو المياه سريعة التدفق إلى طاقة ميكانيكية. في أوائل القرن الحادي والعشرين، كانت الطاقة الكهرومائية الشكل الأكثر استخدامًا للطاقة المتجددة؛ وفي عام 2019، استحوذت على أكثر من 18% من إجمالي سعة توليد الطاقة في العالم.

كيف يتم توليد الطاقة الكهرومائية؟

إن توليد الطاقة الكهرومائية يتم من خلال جمع الماء أو تخزينه على ارتفاع أعلى ويؤدي نزول هذه المياه من خلال الأنابيب أو الأنفاق الكبيرة (حواجز القلم) إلى ارتفاع منخفض؛ يعرف الفرق في هذين الارتفاعين بالرأس. في نهاية مرورها إلى أسفل الأنابيب، تتسبب المياه المتساقطة في دوران التوربينات. وتعمل التوربينات بدورها على تشغيل المولدات، التي تحول الطاقة الميكانيكية للتوربينات إلى كهرباء. ثم يتم استخدام المحولات لتحويل الجهد المتناوب المناسب للمولدات إلى جهد أعلى مناسب لإرساله لمسافات طويلة. يسمى الهيكل الذي يضم التوربينات والمولدات، والذي تتغذى فيه الأنابيب أو المواقد بالقوة.

أين تقع محطات الطاقة الكهرومائية؟

تقع محطات الطاقة الكهرومائية في العادة في السدود التي تحاصر الأنهار، وبالتالي رفع مستوى المياه خلف السد وخلق رأس مرتفع قدر الإمكان. تتناسب الطاقة الكامنة التي يمكن استخلاصها من حجم الماء بشكل مباشر مع رأس العمل، بحيث يتطلب التثبيت عالي الرأس حجمًا أصغر من الماء من التثبيت منخفض الرأس لإنتاج كمية متساوية من الطاقة. في بعض السدود يتم بناء محطة توليد الطاقة على جانب واحد من السد، ويتم استخدام جزء من السد كمنطقة لتصريف المياه الزائدة في أوقات الفيضانات. حيث يتدفق النهر في ممر ضيق شديد الانحدار، حيث يمكن أن يكون مقر القوة داخل السد نفسه.

في معظم المجتمعات، يختلف الطلب على الطاقة الكهربائية اختلافًا كبيرًا في أوقات مختلفة من اليوم. حتى في الحمل على المولدات، يتم إنشاء محطات كهرومائية لتخزين الضخ في بعض الأحيان. وخلال فترات الذروة، يتم توفير بعض الطاقة الإضافية المتاحة للمولد الذي يعمل عمل المحرك، مما يدفع التوربين إلى ضخ المياه في خزان مرتفع. ثم خلال فترات ذروة الطلب، يُسمح للماء بالتدفق مرة أخرى عبر التوربين لتوليد الطاقة الكهربائية. تتسم أنظمة التخزين المضخمة بالكفاءة وتوفر وسيلة اقتصادية لتلبية الأحمال القصوى.

في بعض المناطق الساحلية، مثل مصب نهر رانس في بريتاني فرنسا، تم إنشاء محطات الطاقة الكهرومائية للاستفادة من صعود وهبوط المد والجزر. عندما يأتي المد، يتم حجز المياه في خزان واحد أو أكثر. وعند انخفاض المد يتم إطلاق المياه في هذه الخزانات لتشغيل التوربينات الهيدروليكية ومولداتها الكهربائية المقترنة.

تعتبر المياه المتساقطة واحدة من المصادر الرئيسية الثلاثة للطاقة المستخدمة في توليد الطاقة الكهربائية، أما المصدران الآخران هما: الوقود الأحفوري والوقود النووي. تتمتع الطاقة الكهرومائية بمزايا معينة مقارنة بهذه المصادر الأخرى

ما هي المزايا التي تتمتع بها الطاقة الكهرومائية بالنسبة لبقية مصادر توليد الطاقة الكهربائية؟

إن الطاقة الكهرومائية قابلة للتجديد بشكل مستمر والسبب في هذا الطبيعة المتكررة للدورة الهيدرولوجية والتي لا تنتج تلوثًا جويًا ولا حراريًا حتى.

الطاقة الكهرومائية هي مصدر طاقة مفضل في المناطق ذات الأمطار الغزيرة والمناطق الجبلية أو الجبلية التي تكون قريبة بشكل معقول من مراكز التحميل الرئيسية. قد تكون بعض المواقع المائية الكبيرة البعيدة عن مراكز التحميل جذابة بما يكفي لتبرير خطوط النقل عالية الجهد الطويلة. وقد تعتبر المواقع المائية المحلية الصغيرة اقتصادية أيضًا، خاصة إذا كانت تجمع بين تخزين المياه أثناء الأحمال الخفيفة وإنتاج الكهرباء أثناء القمم.

ما هي الآثار البيئية السلبية التي تسببها الطاقة الكهرومائية؟

هناك العديد من الآثار البيئية السلبية للطاقة الكهرومائية من السدود المرتبطة بها، والتي يمكن أن تعوق هجرة أسماك التفريخ، مثل: (سمك السلمون)، وتغمر المجتمعات البيئية والبشرية أو تهجيرها بشكل دائم مع امتلاء الخزانات.

↔

طاقة المد والجزر في توليد الطاقة الكهرومائية

تعتبر طاقة المد والجزر شكل من أشكال الطاقة المتجددة التي يتم فيها تحويل عمل المد والجزر في المحيطات إلى طاقة كهرومائية.

ماهي الطرق التي تستخدم بها قوة المد والجزر لتوليد الكهرباء؟

هناك عدد من الطرق التي يمكن بها تسخير قوة المد والجزر. بحيث تستفيد أنظمة طاقة المد والجزر في المد والجزر من الاختلافات بين المد العالي والمد والجزر المنخفض باستخدام “سد” أو نوع من السدود، لمنع انسداد المياه خلال فترات انحسار المد. وعند انخفاض المد تنطلق المياه خلف السدود، ويمر الماء عبر توربين يولد الكهرباء.

كما أن أنظمة طاقة تيار المد والجزر تستفيد من تيارات المحيط لدفع التوربينات، خاصة في المناطق المحيطة بالجزر أو السواحل حيث تكون هذه التيارات سريعة. يمكن تركيبها على شكل أسوار من المد والجزر حيث تمتد التوربينات عبر القناة أو على شكل توربينات مدية تشبه توربينات الرياح تحت الماء.

إمكانات توليد الكهرباء من خلال طاقة المد والجزر

هناك العديد من تقنيات طاقة المد والجزر غير متاحة على النطاق الصناعي، وبالتالي فإن طاقة المد والجزر تساهم بجزء ضئيل من الطاقة العالمية اليوم. وبالرغم من ذلك هناك إمكانية كبيرة لاستخدامها، والسبب هو أن الكثير من الطاقة القابلة للاستخدام موجودة في تيارات المياه. يبلغ إجمالي الطاقة الموجودة في المد والجزر في جميع أنحاء العالم ي 3000 جيجاوات (جيجاوات: مليار واط)، وعلى الرغم من أن تقديرات مقدار هذه الطاقة المتاحة لتوليد الطاقة بواسطة قذائف المد والجزر تتراوح بين 120 و 400 جيجاوات، اعتمادًا على الموقع وإمكانية التحويل. وبالمقارنة نجد أنه ينتج مصنع توليد جديد نموذجي قائم على الفحم حوالي 550 ميجاوات (ميجاوات: مليون واط). على الرغم من أن إجمالي استهلاك الكهرباء العالمي اقترب من 21000 تيراواط / ساعة في عام 2016 (تيراواط واحد [TW] = تريليون واط)، إلا أن خبراء الطاقة يتوقعون أن أنظمة طاقة المد والجزر المدمجة بالكامل يمكن أن توفر الكثير من هذا الطلب في المستقبل. وإن تقديرات طاقة تيار المد والجزر التي تستخدم تيارات المحيط لدفع الشفرات تحت الماء بطريقة مماثلة لتوليد طاقة الرياح – في المياه الضحلة قادرة على توليد حوالي 3800 تيراواط / ساعة في السنة.

وبحلول أوائل القرن الحادي والعشرين، أصبحت بعض هذه التقنيات متاحة تجاريًا. حيث نجد أن أكبر محطة للطاقة المدية في العالم هي محطة Sihwa Lake Tidal Power Station في كوريا الجنوبية، والتي تولد 254 ميجاوات من الكهرباء. كما تعمل محطة توليد الكهرباء من المد والجزر في لارانس في فرنسا منذ الستينيات، بطاقة 240 ميغاواط. وإنتاجها النموذجي هو 0.5 تيراواط / ساعة في السنة.

يجب وجود جهود أكبر لتوليد الكهرباء في الأفق. على سبيل المثال، أنتجت المرحلة الأولى من مشروع MeyGen في Inner Sound في اسكتلندا 700 ميغاواط / ساعة من الكهرباء في أغسطس 2017.

تركز المخاوف البيئية التي أثيرت حول محطات الطاقة المدية إلى حد كبير على أنظمة سد المد والجزر، والتي يمكن أن تعطل النظم البيئية لمصبات الأنهار أثناء بنائها وتشغيلها. ومن المتوقع أن يكون لأسوار المد والجزر والتوربينات تأثير ضئيل على النظم البيئية للمحيطات. وبالرغم من ذلك فإن أسوار المد والجزر لديها القدرة على إصابة الأسماك المهاجرة أو قتلها، ولكن يمكن تصميم هياكل لتقليل هذه الآثار.

طاقة الأمواج في توليد الطاقة الكهرومائية

طاقة الأمواج، أو طاقة أمواج المحيط، وهي الطاقة الكهربائية المتولدة عن طريق تسخير حركة الأمواج لأعلى ولأسفل المحيط. يتم إنتاج طاقة الموجة عادةً عن طريق منصات التوربينات العائمة أو العوامات التي ترتفع وتنخفض مع التورم. ومع ذلك يمكن توليد طاقة الأمواج عن طريق استغلال التغيرات في ضغط الهواء التي تحدث في غرف التقاط الموجة التي تواجه البحر أو التغيرات في ضغط الأمواج في قاع المحيط.

وعلى الرغم من إمكانات الطاقة الهائلة لقوة الموجة، إلا أنه لا يزال هناك تحديات فنية في تمويل البحث الذي يعتبر منخفض مقارنة مع دعم الطاقة الشمسية وطاقة الرياح وأشكال الطاقة المتجددة الأخرى، وبالتالي فإن عملية التجريب والتحسينات مع تصميمات مختلفة لجامع طاقة الأمواج ليست متطورة بشكل جيد. وإن تطوير الآلات الضخمة للاستخدام في المحيطات أمر مكلف، كما أن المياه المالحة في المحيطات تسبب تآكل الفولاذ والمعادن الأخرى.

تقع المناطق ذات الإمكانات الأكبر لتطوير طاقة الأمواج على الشواطئ الشرقية لمحيطات العالم (التي تحد الحواف الغربية للقارات). على سبيل المثال، يقع أول مولد للطاقة الموجية التشغيلية في العالم قبالة ساحل Aguçadora في البرتغال، وينتج ما يصل إلى 2.25 ميجاوات من خلال ثلاثة أنابيب ضخمة مشتركة تطفو على سطح المحيط الأطلسي، كما توجد مولدات الطاقة الفردية عند مفاصل الأنابيب ويتم تنشيطها بواسطة حركة الأمواج.

كما تتوفر إمكانات كبيرة لأنظمة الطاقة الموجية في الجزر البريطانية وشمال غرب المحيط الهادئ للولايات المتحدة. تتراوح تقديرات الطاقة الموجية السنوية المحتملة على طول الجرف القاري لسواحل الولايات المتحدة بين 1170 و 2640 تيراواط / ساعة، أي ما يعادل 33-65 في المائة من الطلب على الكهرباء في الولايات المتحدة الأمريكية في عام 2015.