منابع انرژی

نیروگاه آبی

اصول انرژی برق آبی
انرژی آبی انرژی موجود در آب متحرک است

مردم سابقه طولانی در استفاده از نیروی آب جاری در رودخانه ها و رودخانه ها برای تولید انرژی مکانیکی دارند. نیروگاه آبی یکی از اولین منابع انرژی مورد استفاده برای تولید برق بود و معمولاً بزرگترین منبع انرژی تجدیدپذیر منفرد تولید سالانه برق در ایالات متحده است.

در سال 2019 ، برق آبی حدود 6.6٪ از کل تولید برق در مقیاس مطلوب ایالات متحده  و 38٪ از کل تولید برق تجدید پذیر در مقیاس ابزار را به خود اختصاص داده است. سهم برق از کل تولید برق سالانه ایالات متحده با گذشت زمان کاهش یافته است، دلیل اصلی آن افزایش تولید برق از سایر منابع است.

انرژی آبی به چرخه آب متکی است

درک چرخه آب برای درک انرژی برق بسیار مهم است. چرخه آب سه مرحله دارد:

  1. انرژی خورشیدی باعث گرم شدن آب در سطح رودخانه ها، دریاچه ها و اقیانوس ها می شود که باعث تبخیر آب می شود.
  2. بخار آب به صورت ابر متراکم شده و در اثر بارندگی – باران و برف می بارد.
  3. بارش در رودخانه ها و رودخانه ها جمع می شود، که در اقیانوس ها و دریاچه ها تخلیه می شود، در آنجا تبخیر می شود و چرخه دوباره آغاز می شود.

میزان بارشی که به رودخانه ها و نهرها در یک منطقه جغرافیایی تخلیه می شود، میزان آب موجود برای تولید نیروگاه آبی را تعیین می کند. تغییرات فصلی و طولانی مدت در باران و بارش برف، مانند خشکسالی، تأثیر زیادی در تولید برق آبی دارد.

نیروی برق آبی با آب متحرک تولید می شود

از آنجا که منبع نیروی برق آبی آب است، نیروگاه های برق آبی معمولاً روی یا در مجاورت یک منبع آب قرار دارند. حجم جریان آب و تغییر در ارتفاع (یا سقوط) از یک نقطه به نقطه دیگر میزان انرژی موجود در آب متحرک را تعیین می کند. به طور کلی، هرچه جریان آب بیشتر و سقوط بیشتر باشد، نیروگاه برق آبی می تواند برق بیشتری تولید کند. رودخانه بزرگی مانند رودخانه کلمبیا که مرز اورگان و واشنگتن را تشکیل می دهد، انرژی زیادی را در جریان خود حمل می کند. آب در حال پایین آمدن سریع از یک نقطه مرتفع، مانند آبشارهای نیاگارا در نیویورک، همچنین انرژی قابل توجهی در جریان خود دارد.

در نیروگاه های برق آبی، آب از طریق یک لوله یا قلم جریان پیدا می کند، سپس با فشار روبرو می شود و تیغه های توربین را چرخانده و یک ژنراتور را برای تولید برق می چرخاند.

تأسیسات برق آبی متداول شامل

  • سیستم های رواناب رودخانه، جایی که نیروی جریان رودخانه به توربین فشار وارد می کند. ممکن است تاسیسات در مسیر آب دارای یک علف آب (سد کوتاه یا کم) برای هدایت جریان آب به توربین های آبی باشد.
  • سیستم های ذخیره سازی، جایی که آب در مخازن ایجاد شده توسط سدها در رودخانه ها و رودخانه ها جمع می شود و در صورت نیاز برای تولید برق از طریق توربین های آبی آزاد می شود. بیشتر تأسیسات برق آبی ایالات متحده دارای سدها و مخازن ذخیره هستند.

تاسیسات برق آبی ذخیره سازی پمپ شده نوعی سیستم ذخیره آب آبی است که در آن آب از یک منبع آب به یک مخزن ذخیره در ارتفاع بالاتر پمپ می شود و از مخزن فوقانی آزاد می شود تا توربین های آبی را در زیر مخزن فوقانی تأمین کند. برق پمپاژ ممکن است از هیدروتوربین ها یا انواع دیگر نیروگاه ها از جمله سوخت فسیلی یا نیروگاه های هسته ای باشد. آنها معمولاً هنگام تقاضای برق (یا استفاده) و پایین آمدن آب، آن را ذخیره می کنند و در صورت افزایش تقاضا و قیمت برق، آب ذخیره شده را برای تولید برق آزاد می کنند. سیستم های برق آبی ذخیره شده پمپافته معمولاً از برق بیشتری برای پمپاژ آب به مخازن ذخیره آب بالایی استفاده می کنند تا اینکه با آب ذخیره شده تولید می کنند.

تاریخچه برق آبی

نیروگاه آبی یکی از قدیمی ترین منابع انرژی برای تولید انرژی مکانیکی و الکتریکی است. از برق آبی هزاران سال پیش برای چرخاندن چرخ های دست و پا زدن برای کمک به خرد کردن دانه استفاده می شد. قبل از اینکه بخار و برق در ایالات متحده در دسترس باشد، آسیاب های دانه و چوب مستقیماً با انرژی آبی تأمین می شدند. اولین استفاده صنعتی از نیروگاه آبی برای تولید برق در ایالات متحده در سال 1880 بود، هنگامی که 16 لامپ قوس برس با استفاده از توربین آب در کارخانه صندلی های ولورین در گراند رپیدز، میشیگان تأمین می شدند. اولین نیروگاه برق آبی ایالات متحده در تاریخ 30 سپتامبر 1882 در رودخانه فاکس در حوالی اپلتون، ویسکانسین افتتاح شد. بیشتر برق آبی ایالات متحده اکنون در سدهای بزرگ رودخانه های بزرگ تولید می شود و بیشتر این سدهای برق آبی قبل از اواسط دهه 1970 ساخته شده اند.

جایی که انرژی برق تولید می شود
بیشتر ظرفیت تولید برق آبی ایالات متحده در غرب است

تقریباً در هر ایالت تأسیسات برق آبی وجود دارد. بیشترین برق آبی در سدهای بزرگ ساخته شده توسط دولت فدرال تولید می شود و بسیاری از بزرگترین سدهای برق آبی در غرب ایالات متحده است.

حدود نیمی از ظرفیت تولید برق آبی در واشنگتن، کالیفرنیا و اورگان است. واشنگتن بیشترین ظرفیت تولید برق آبی را از هر ایالت دارد و محل سد گرند کولی، بزرگترین تأسیسات برق آبی در ایالات متحده است. نیویورک بیشترین ظرفیت تولید برق آبی را در بین تمام ایالت های شرق رودخانه می سی سی پی دارد و پس از آن آلاباما است.

در سال 2019، کل ظرفیت تولید برق آبی متعارف ایالات متحده 79،746 مگاوات (مگاوات) یا حدود 80 میلیون کیلووات بود.

  • پنج ایالت برتر و سهم آنها از کل ظرفیت تولید برق آبی ایالات متحده در سال 2019 بوده است
  • واشنگتن 27٪
  • کالیفرنیا 13٪
  • اورگان 10٪
  • نیویورک 6٪
  • آلاباما 4٪
تولید برق آبی با سطح بارندگی متفاوت است

از آنجا که برق آبی نسل بستگی به بارش و سطح بارش فصلی و سالانه متفاوت است، رتبه بندی از هر ایالت در نسل برق آبی سالانه ممکن است متفاوت از رتبه خود را در ظرفیت تولید.

در سال 2019 ، کل تولید برق آبی ایالات متحده حدود 274 میلیارد کیلووات ساعت (کیلووات ساعت) بود که برابر با 6.6 درصد کل تولید برق در مقیاس سودمند ایالات متحده است.

  • پنج ایالت برتر و سهم آنها از کل تولید برق آبی ایالات متحده در سال 2019 بوده است
  • واشنگتن 24٪
  • کالیفرنیا 15٪
  • نیویورک 11٪
  • اورگان 11٪
  • آلاباما 4٪
بیشتر سدها برای تولید برق ساخته نشده اند

تنها درصد کمی از سدها در ایالات متحده برق تولید می کنند. بیشتر سدها برای آبیاری و کنترل سیلاب ساخته شده اند و از مولد برق آبی برخوردار نیستند. وزارت انرژی ایالات متحده تخمین زده که در سال 2012، سدها غیرموتوری در ایالات متحده در مجموع 12000 مگاوات (MW) از ظرفیت برق آبی بالقوه بود.

ظرفیت خالص تابستان برای برق آبی متداول در مقیاس مطلوب؛ شامل برق آبی پمپاژ نمی شود.

انرژی برق آبی و محیط زیست
ژنراتورهای برق آبی برق تمیز تولید می کنند ، اما برق آبی بر محیط زیست تأثیر می گذارد

بیشتر سدها در ایالات متحده عمدتا برای کنترل سیلاب، تأمین آب شهری و آب آبیاری ساخته شده اند. اگرچه بسیاری از این سدها دارای ژنراتورهای برق آبی هستند، اما تعداد کمی از سدها به طور خاص برای تولید برق آبی ساخته شده اند. تولید کننده های برق آبی مستقیماً آلاینده های هوا را منتشر نمی کنند. با این حال، سدها، مخازن و عملکرد مولد های برق آبی می توانند بر محیط زیست تأثیر بگذارند.

سدی که مخزنی ایجاد می کند (یا سدی که آب را به نیروگاه برق آبی رودخانه منتقل می کند) می تواند مانع مهاجرت ماهیان شود. یک سد و مخزن همچنین می تواند دمای طبیعی آب، شیمی آب، خصوصیات جریان رودخانه و بارهای گل و لای را تغییر دهد. همه این تغییرات می تواند بر اکولوژی و خصوصیات فیزیکی رودخانه تأثیر بگذارد. این تغییرات ممکن است تأثیرات منفی روی گیاهان بومی و حیوانات داخل رودخانه و اطراف آن بگذارد. مخازن ممكن است مناطق مهم طبيعي، زمين كشاورزي، يا محوطه هاي باستاني را در بر بگيرد. یک مخزن و عملکرد سد نیز ممکن است منجر به جابجایی افراد شود. تأثیرات فیزیکی یک سد و مخزن، عملکرد سد و استفاده از آب می تواند محیط را در یک منطقه بسیار بزرگتر از منطقه ای که مخزن پوشش می دهد تغییر دهد.

ساخت بتن و فولاد در سدهای برق آبی نیاز به تجهیزاتی دارد که ممکن است تولید گازهای گلخانه ای کند. اگر سوخت های فسیلی منبع انرژی تولید این مواد هستند، تولید گازهای گلخانه ای از تجهیزات می تواند با الکتریسیته تولید شده توسط تأسیسات برق آبی ارتباط داشته باشد. با این حال، با توجه به عمر طولانی یک نیروگاه برق آبی (50 سال تا 100 سال) این انتشارات با برق آبی بدون انتشار جبران می شود.

گازهای گلخانه ای (GHG) مانند دی اکسیدکربن و متان در سیستم های آبی طبیعی و در مخازن ذخیره سازی آب ساخته شده توسط انسان در نتیجه تجزیه هوازی و بی هوازی زیست توده در آب ایجاد می شود. مقادیر دقیق گازهای گلخانه ای که در مخازن برق آبی شکل گرفته و از آنها ساطع می شود نامشخص است و به بسیاری از عوامل منطقه ای و خاص بستگی دارد.

نردبان ماهی به ماهی سالمون کمک می کند تا به محل تخم ریزی خود برسد

توربین های برق آبی برخی از ماهی هایی را که از این توربین عبور می کنند می کشند و زخمی می کنند. وزارت انرژی ایالات متحده از تحقیق و توسعه هیدروتوربین ها حمایت کرده است که می تواند مرگ ماهی را به کمتر از 2٪ کاهش دهد، در مقایسه با کشتن ماهی از 5٪ تا 10٪ برای بهترین توربین های موجود.

بسیاری از گونه های ماهی مانند ماهی آزاد و شاد، رودخانه ها و جویبارهایی را از دریا شنا می کنند تا در زمینه تخم ریزی خود در بستر رودخانه ها و جویبارها تولید مثل کنند. سدها می توانند راه آنها را ببندند. رویکردهای مختلف برای رفع این مشکل شامل ساخت نردبان و آسانسور ماهی است که به ماهی کمک می کند تا در اطراف یا بیش از سدها به مناطق تخم ریزی در بالادست حرکت کند.

قدرت جزر و مد

نیروی جاذبه ماه و خورشید همراه با چرخش زمین باعث جزر و مد می شود. در بعضی از نقاط ، جزر و مد باعث می شود که سطح آب نزدیک ساحل تا 40 فوت متفاوت باشد. مردم در اروپا بیش از 1000 سال پیش این حرکت آب را برای کار با آسیاب های دانه مهار کردند. امروزه سیستم های انرژی جزر و مدی برق تولید می کنند. تولید انرژی جزر و مدی از نظر اقتصادی نیاز به محدوده جزر و مدی حداقل 10 فوت دارد.

رگبارهای جزر و مدی

یک نوع از این سیستم انرژی جزر و مد با استفاده از یک ساختار شبیه به یک سد به نام رگبار گلوله. این رگبار از طریق ورودی خلیج یا تالاب اقیانوس که حوضه جزر و مدی را تشکیل می دهد نصب شده است. دروازه های اسلایس بر روی سد معبر سطح آب و میزان جریان را کنترل می کنند تا حوضه جزر و مدی بتواند جزر و مد ورودی را پر کند و از طریق سیستم توربین الکتریکی در جزر و مد خروجی تخلیه شود. سیستم قدرت جزر و مدی دو طرفه از هر دو جزر و مد ورودی و خروجی برق تولید می کند.

یک نقطه ضعف احتمالی قدرت جزر و مدی تأثیری است که ایستگاه جزر و مدی می تواند روی گیاهان و حیوانات در خورهای حوضه جزر و مدی داشته باشد. رگبارهای جزر و مدی می توانند سطح جزر و مد را در حوضه تغییر دهند و کدورت (مقدار ماده موجود در حالت تعلیق در آب) را افزایش دهند. آنها همچنین می توانند بر روی ناوبری و تفریح ​​تأثیر بگذارند.

چندین مانع قدرت جزر و مدی در سراسر جهان فعالیت می کنند. نیروگاه نیروگاه دریاچه سیهوا در کره جنوبی با 254 مگاوات (مگاوات) بیشترین ظرفیت تولید برق را دارد. قدیمی ترین و دومین نیروگاه بزرگ جزر و مد در لارنس فرانسه با ظرفیت تولید 240 مگاوات است. بزرگترین نیروگاه جزر و مد بعدی در آناپولیس رویال در نوا اسکوشیای کانادا با 20 مگاوات ظرفیت تولید برق است. چین، روسیه و کره جنوبی همه نیروگاه های جزر و مدی کوچکتری دارند.

ایالات متحده هیچ نیروگاه جزر و مدی ندارد و فقط چند مکان دارد که تولید انرژی جزر و مدی می تواند اقتصادی باشد. فرانسه، انگلیس، کانادا و روسیه پتانسیل بسیار بیشتری برای استفاده از قدرت جزر و مدی دارند.

توربین های جزر و مدی

توربین های جزر و مدی شبیه توربین های بادی هستند. آنها را می توان در کف دریا قرار داد که جریان جزر و مدی زیادی وجود دارد. از آنجا که آب حدود 800 برابر چگالتر از هوا است ، توربین های جزر و مدی باید بسیار محکم و سنگین تر از توربین های بادی باشند. ساخت توربین های جزر و مدی گران تر از توربین های بادی هستند اما انرژی بیشتری را با پره های همان اندازه جذب می کنند. یک پروژه توربین جزر و مدی در حال توسعه در رودخانه شرقی نیویورک است.

نرده های جزر و مدی

حصار جزر و مدی نوعی سیستم قدرت جزر و مدی است که توربینهای محور عمودی سوار شده در یک حصار یا ردیف قرار گرفته روی بستر دریا، مشابه توربین های جزر و مدی دارد. آب عبوری از توربین ها برق تولید می کند. تا پایان سال 2018، هیچ پروژه حصار جزر و مدی در حال اجرا نبود.

قدرت موج
امواج انرژی زیادی دارند

امواج در اثر وزش باد روی سطح آبهای آزاد در اقیانوس ها و دریاچه ها شکل می گیرد. امواج اقیانوس حاوی انرژی فوق العاده ای هستند. پتانسیل تئوری انرژی سالانه امواج در سواحل ایالات متحده تا 2.64 تریلیون کیلووات ساعت یا معادل حدود 64٪ تولید برق ایالات متحده در سال 2018 تخمین زده شده است. سواحل غربی ایالات متحده و اروپا و سواحل ژاپن و نیوزیلند دارای مکان های بالقوه برای مهار انرژی موج است. بسیاری از روش ها و فن آوری های مختلف برای جذب و تبدیل انرژی موج به برق در دست توسعه است. این روش ها شامل قرار دادن وسایل روی یا دقیقاً زیر سطح آب و لنگر انداختن در کف اقیانوس است.

روشهای مختلف برای هدایت قدرت امواج

یکی از روش های مهار انرژی موج، خم شدن یا تمرکز امواج در یک کانال باریک برای افزایش اندازه و قدرت آنها و چرخش توربین های تولید کننده برق است. همچنین می توان امواج را به یک حوضه یا مخزن صید کرد که در آن آب در یک ارتفاع کمتر به یک توربین می رود، شبیه به نحوه کار یک سد برق آبی.

وزارت انرژی ایالات متحده و فنون دریایی انرژی جنبشی آب پایگاه اطلاعات در دریایی و انرژی های تجدید پذیر انرژی جنبشی آب را فراهم می کند، در ایالات متحده و در سراسر جهان.

حرارتی اقیانوس
تبدیل انرژی حرارتی اقیانوس از اختلاف دما در آبهای اقیانوس انرژی تولید می کند

تبدیل انرژی حرارتی اقیانوس (OTEC) یک فرآیند یا فناوری برای تولید انرژی با مهار کردن اختلاف دما (شیب های حرارتی) بین آبهای سطح اقیانوس و آبهای عمیق اقیانوس است.

انرژی حاصل از خورشید آب سطح اقیانوس را گرم می کند. در مناطق گرمسیری ، آبهای سطحی می توانند بسیار گرمتر از آبهای عمیق باشند. از این اختلاف دما می توان برای تولید برق و شیرین سازی آب اقیانوس استفاده کرد. سیستم های تبدیل انرژی حرارتی اقیانوس (OTEC) از یک اختلاف دما (حداقل 77 درجه فارنهایت) برای تأمین انرژی توربین برای تولید برق استفاده می کنند. آب گرم سطح از طریق اواپراتور حاوی سیال در حال کار پمپ می شود. سیال بخار شده توربین / ژنراتور را هدایت می کند. مایعات بخار شده به مایعی در یک کندانسور خنک شده با آب سرد اقیانوس که از اعماق اقیانوس پمپ می شود برگردانده می شود. سیستم های OTEC با استفاده از آب دریا به عنوان مایع کار می توانند از آب تغلیظ شده برای تولید آب شیرین کن استفاده کنند.

ایالات متحده در سال 1974 با تأسیس آزمایشگاه انرژی طبیعی اداره هاوایی درگیر تحقیقات OTEC شد . این آزمایشگاه یکی از تجهیزات آزمایشی برجسته در جهان برای فناوری OTEC است. این آزمایشگاه به مدت شش سال در دهه 1990 از یک نیروگاه 250 کیلوواتی (کیلووات) تظاهرات استفاده کرد. نیروی دریایی ایالات متحده از توسعه نیروگاه OTEC نمایشی 105 کیلووات در محل آزمایشگاه پشتیبانی کرد. این تاسیسات در سال 2015 به بهره برداری رسید و برق شبکه محلی را تأمین می کند.

سایر سیستم های بزرگتر OTEC در چندین کشور در حال توسعه یا برنامه ریزی هستند که بیشتر آنها برای تأمین برق و آب شیرین کن برای جوامع جزیره ای است.