تالیف: دکتر سلطانی نژاد

انرژیهای جایگزین سوخت های فسیلی/محیط زیست پاک

 

 

حفاظت پایدار محیط زیست/ حفاظت منابع طبیعی غیر قابل تجدید با تکیه بر جایگزین سوخت های فسیلی و استفاده از منابع تجدید پذیر انرژی:

مقدمه:

ما در جای جای این سایت راجع، به سوخت های فسیلی، منابع غیر قابل تجدید، سوخت های پاک و منابع تجدید شونده، بارها و بارها قلم زده ایم، منتهی مراتب بحث حاضر،      چکیده ائی تازه و فشرده ای از مجموعه همه آنچه را که تا بحال در مورد حفاظت پایدار منابع طبیعی و استفاده از انرژی های پاک نوشته ایم، می باشد.

واقعیت این است که انرژی قابل استفاده از هر منبعی بجز سوخت های فسیلی یعنی، نفت، گاز و ذغال سنگ و حتی انرژی هسته ائی ،انرژی پاک و یا تجدید پذیر و پایدار نام دارد.

بدین ترتیب اگر بخواهیم به حفاظت پایدار منابع طبیعی و استفاده پایدار از انرژی بیاندیشیم، ناگریز به استخدام و در اختیار گرفتن انرژی از منابع تجدید شونده و دائمی هستیم.

انرژی های پاک و با دوامی را که از آنها نام خواهیم برد، عمدتاً تجدید پذیر بوده و بر گیرنده، انرژی های خورشیدی، باد، آب، زمین گرمائی و بیولوژیکی می باشند.

 

به هرترتیب جایگزین مناسب انرژی های ناتجدید پذیر، انرژی های پاک و تجدید پذیر هستند.

اگر بخواهیم مثال روشنی در بکارگیری انرژی های تجدید پذیر در یکی از کشورهای جهان، داشته باشیم ناگزیر به اشاره به پر جمعیت ترین کشور جهان یعنی چین (china) هستیم، در این کشور سرمایه گذاری های مناسبی در جهت دست یابی به انرژی های پاک صورت گرفته است.

بعنوان مثال: انرژی خورشید، باد، جزرومد و انرژی زمین گرمائی از جمله منابع انرژی تجدید شونده ئی   هستند که در کشور چین فراوان یافت می شوند.

 این کشور، در مکانهای مناسب تولید این انرژیها سرمایه گذاری های هنگفت لازم را انجام داده و بخوبی از آنها استفاده می نماید.

امروزه بزرگترین بخش هائی که برای انرژی پاک و تجدید پذیر در کشور چین مورد استفاده قرار می گیرند، در واقع انرژی زیست توده (biomass) و انرژی های برق آبی هستند که بنحو گسترده ائی از آنها استفاده می گردد.

 امروزه استفاده از انرژی های تجدید پذیر در اکثر کشورهای جهان به عنوان اصل پایدار که تضمین کننده تامین نیازهای انسانی و همزمان حفاظت از محیط زیست است، پذیرفته شده است.

بر اساس گزارش سال 2012 میلادی، تا پایان 2011 میلادی مجموعه انرژیهای تجدید شونده حاصل از منابع مختلف بصورت ذیل بوده است.

-         انرژی برق آبی های بزرگ 860 گیگاوات (GW)

-         انرژی زیست توده 52 گیگاوات (GW)

-         انرژی برق آبی های کوچک 85 گیگاوات (GW)

-         انرژی زمین گرمائی 52 گیگاوات (GW)

-         جمع کننده های خورشیدی 145 گیگاوات (GW)

-         سلولهای خورشیدی 13 گیگاوات (GW)

-         گرمای زیست توده 250 گیگاوات (GW)

-         انرژی بیودیزل 12 میلیارد لیتر در سال

-         انرژی باد 121 گیگاوات

-         نیروگاه زمین گرمائی 10 گیگاوات

-         انرژی جزر و مد اقیانوسی 0.5 گیگاوات

-         انرژی بدام انداخته شده خورشیدی 0.3 گیگاوات

-         اتانول 67 میلیارد لیتر در سال

 

 

انرژی خورشیدی:

انرژی است که در طول موجهای متفاوت خورشیدی ساطع می گردد.

 این انرژی از طول موج کوتاه اشعه ماوراء بنفش تا طول موج بلند اشعه مادون قرمز از خورشید را شامل می شود.

 گونه های شیمیائی ازون(O₃) ، آب (H₂O) و دی اکسید کربن (O₂) در اتمسفر مقداری از طیف نوری را جذب کرده و آنرا به طول موج بلندتری تبدیل می نمایند.

انرژی حاصله از این تبدیل قبل از اینکه به زمین برسد در شکل گرما در فضای لایتناهی سرگردان است.

این انرژی مادون قرمز بعلاوه انرژی مادون قرمز برگشتی از زمین به فضا، جملگی باعث می گردنند که اتمسفر زمین گرم شود.

این چنین حالتی که باعث گرمای زمین می شود  اثر گلخانه ئی نام دارد.

طول موجهای کوتاهتر نور مرئی خورشید همانند یک گلخانه از طریق اتمسفر شفاف عبور کرده و توسط سطح زمین جذب گشته و نهایتاً طول موجهای بلندتر انرژی مادون قرمز را تولید می کنند و این انرژی مادون قرمز است که اتمسفر را گرم می کند.

انرژی خورشیدی قابل دسترس ترین منبع انرژی زمین است و از دورانهای ماقبل تاریخ مورد استفاده قرار گرفته است.

این انرژی بصورت مستقیم در دو شکل مورد استفاده قرار می گیرد:

1-   انرژی خورشیدی با کیفیت پائین که با استفاده از نور خورشید برای تغییر درجه حرارت بکار می رود.

2-   نیروگاه خورشیدی: که با استفاده از تغلیظ کننده های نور خورشید برای تولید الکتریسته و یا فعال کردن فرآیندهای شیمیائی کاربرد دارد.

 

انرژِی خورشیدی با کیفیت پائین:

 این نوع انرژی از نور مستقیم خورشید است که عمدتاً برای گرم کردن آب، فضا، پخت و پز  و خشک کردن غذا و البسه بکار می رود.

برای مثال: روشنائی طبیعی ساختمانها نور مرئی است که از طریق شیشه پنچره ها عبور کرده و هنگامیکه در اتاق با شیئی مواجه می شود، تبدیل به انرژِی مادون قرمز می گردد.

اینکه یک اتاق در روزهای ابری چه مقدار گرم می شود یا گرما را در خود نگه می دارد، بستگی به مقدار گرمائی دارد که اشیاء درون اتاق در طول روز در خود جمع کرده اند.

و نیز بستگی به مقدار گرمائی که از اتاق در طول روز خارج شده است  نیزدارد.

در هر صورت انرژی در سه مکانیزم متفاوت قابل انتقال است:

1-   تشعشع یا رادیاسیون: (Radiation)

مکانیزمی است  که گرما یا نور از یک شیء گرم شده یا یک نور ساطع شده در شکل موج از طریق فضا منتقل می گردد.

بعنوان مثال: هنگامیکه شما جلوی یک خرمن آتش قرار می گیرید تشعشع مادون قرمز را احساس نموده و اشعه نور مرئی که به چشمانتان می رسد  را نیز مشاهده می نمائید.

بطور کلی یک شیء طیفی از طول موجهای انرژی  با امواج کوتاه که با افزایش درجه حرارت همراه هستند را تابش می دهد.

این موضوع بخاطر آن است که خورشید  به مراتب گرمتر از یک خرمن آتش ساختگی است. و در طول موجهائی اشعه ماوراء بنفش کوتاه تر را تحت عنوان نور مرئی تولید می کند.

بدن انسان که خنک تر از آتش است فقط طول موجهای بلندتری را تحت عنوان انرژی مادون قرمز نیز تولید می کنند.

جابجا کردن مواد گرمازا از یک مکان به مکان دیگر نیز شکل دیگری از انتقال انرژی است که انرژی جابجائی نام دارد.

 انتقال یک توده گرم شده مواد از یک مکان به مکان دیگر نیز باعث انتقال انرژی می گردد و این نوع انتقال را جابجائی انرژی می نامند.

انسان از این نوع انرژی برای جابجائی آب گرم از طریق لوله ها جهت انتقال گرما از یک کوره برای گرم کردن یک اتاق در خانه که با رادیاتور انجام می شود، استفاده می نماید.

با این روش نیز هوای گرم از یک اتاق به اتاق دیگر توسط هواسازهای گرمائی صورت می گیرد.

جابجائی طبیعی در سطح زمین نیز گرما را توسط توده های هوا در اتمسفر انتقال می دهد و نهایتاً آب دریا و اقیانوس از مناطق استوائی گرمتر به مناطق قطبی سردتر توسط جابجائی طبیعی انتقال داده می شود.

نوع سوم انتقال گرما توسط هدایت گرما یا کنداسیون صورت می پذیرد. یعنی انتقال گرما بین دو بخش از یک سیستم ثابت بدین شکل انجام می شود.

در این نوع انتقال ،انرژی از یک شیء گرمتر به یک جسم سردتر که توسط برخورد اتمهای همجوار و تبادل الکترون آزاد صورت می پذیرد، انتقال داده می شود.

در واقع تبادل الکترون آزاد توضیح می دهد که چرا فلزات سریعتر از صخره های سیلکاتی گرما را جذب می کنند.

این موضوع بخاطر آن است که فلزات ابرهای الکترونی دارند که باعث انتقال گرما می شوند.

در این نوع انتقال انرژی از یک اتاق گرم از طریق دیواره های آن به خارج از اتاق انتقال داده می شود.

بعنوان مثال: در زمین ،گرما از درون آن به سطح هدایت می گردد و این کار از طریق صخره ها صورت می پذیرد.

درک مکانیزمهای مرتبت بر انتفال گرما، به انسان این اجازه را می دهد که استفاده بهتری از انرژی خورشیدی داشته باشد.

آبگرمکن های خورشیدی:

واقعیت این است که امروزه گرم کردن آب توسط نور خورشید یک تکنولوژی جهانی محسوب می گردد.

این تکنولوژی در چین 40 درصد ظرفیت جهانی را به خود اختصاص می دهد، در اروپا، ژاپن و هند نیز به نحوه گسترده ائی ازانرژی خورشیدی استفاده می شود.

سالانه 20 درصد افزایش در سیستم های مربوط به آبگرمکن های خورشیدی در ساخت و سازهای مجتمع های جدید در شهرهای مختلف جهان مشهود است.

اغلب این افزایشات برای استفاده های محلی است، اما گرم کردن آب توسط خورشید نیز کاربردهای صنعتی نیز دارد.

در سال 2011پیش از 70 میلیون خانوار در جهان  از آبگرمکن های خورشیدی استفاده کردند که فقط 27 میلیون آنها خانوارهای چینی بودند که آبگرمکن های خورشیدی خود را در پشت بام خانه های خود نصب کرده بودند.

این میزان انرژی بدست آمده از آبگرمکن های خورشیدی معادل 100 نیروگاه هسته ای بزرگ، برق تولید می کند.

در دو شهر چین بنامهای Rizhao و  Dezhou  ،99درصد خانوارها در مراکز شهر از آبگرمکن های خورشیدی استفاده می کنند.

موسسه جهانی تحقیقات محیط زیستی تخمین می زند که دو میلیون آلمانی در خانه هائی زندگی می کنند که برای گرم کردن فضای داخل خانه خود و آب از آبگرمکن های خورشیدی استفاده می کنند.

برای گرم کردن آب با نور خورشید یک جمع کننده خورشیدی در جائیکه نور خورشید  بتواند بصورت مستقیم بر آن بتابد نصب می شود، این نصب معمولاً در بام خانه ها انجام می شود.

بعنوان مثال: یک جعبه نازک یا یک مجموعه از لوله های که از اب پر شده باشند با رنگ مشکی رنگ آمیزی شده تا بتوانند انرژی بیشتری جذب کنند.

اگر آبگرم بصورت مستقیم مورد استفاده قرار نگیرد در تانکها جمع آوری شده و از طریق لوله هائی برای مبادله گرما به منظور گرم کردن فضای اتاقها مورد استفاده قرار می گیرد.

شکل ذیل یک نمونه از آبگرمکن خورشیدی محلی را نشان می دهد.

 

توربین ها و ژنراتورهای الکتریکی:

انرژی تحت یک ولتاژ و توسط الکترونها قابل انتقال است. نیروی آب ، بخار و هوا می توانند برای تولید ولتاژ مورد استفاده قرار گیرند و آنچه را که در این گونه تولید برق مورد نیاز است در واقع یک توربین و یک ژنراتور الکتریکی است.

توربین انبوهی از گازها یا مایع تولید شده را از آب گرم ،مورد استفاده قرار می دهد.

آبهای انبار شده پشت سدها یا باد برای حرکت دادن پره ها و در نهایت چرخاندن میله توربین مورد استفاده قرار می گیرد.

در اطراف شافت که در داخل ژنراتور قرار دارد سیمهای الکتریکی (سیم پیچی) قرار دارد که در یک میدان مغناطسی، الکتریسته را تولید می کند.

و سپس یک ژنراتور الکتریکی انرژی مکانیکی را به  انرژی الکتریکی تبدیل می کند.

این تبدیل بخاطر آن است که سیم از طریق میدان الکتریکی، جریانهای الکتریکی را تولید می کند.

بدین ترتیب یک موتور تحت عنوان ژنراتور چرخش شافت را به الکتریسته تبدیل می کند.

نیروگاه خورشیدی:

استفاده از عدسی ها و آئینه ها برای گرم کردن یک کوره خورشیدی و سپس استفاده از گرمای بدست آمده برای تولید بخار به منظور نیرو دادن به یک توربین و چرخاندن ژنراتور و نهایتاً تولید برق مکانیزم اصل، یک نیروگاه خورشیدی را شکل می دهد.

البته راه دومی نیز برای تولید برق از خورشید وجود دارد، استفاده از نور خورشید برای انجام واکنش های شیمیائی و نهایتاً تولید برق این امکان را فراهم می آورد.

بعنوان مثال: شکافت آب به H₂ و O که H₂ تولید شده می تواند بعنوان سوخت مورد استفاده قرار گیرد.

استفاده دیگر از این نوع بدین صورت است که گرما را از نور متمرکز شده خورشید برای انجام واکنش های شیمیائی صنعتی که نیازمند درجه حرارت های بالائی هستند را تولید کنیم.

نوع سوم استفاده از نیروگاه خورشیدی تولید جریان الکتریکی در سلولهای (PV) خورشیدی است.

جریان این نوع تولید بشرح ذیل است:

1-   کوره های خورشیدی:

یک نوع کوره خورشیدی بنام برج نیروگاه خورشیدی که به آن برج مرکزی نیروگاه برق نیز می گویند، وجود دارد.

این نیروگاه از یک برج برای دریافت نور متمرکز شده خورشید که توسط آئینه های متحرک برای تمرکز و جمع کردن اشعه های خورشیدی روی برجهای گرم کننده که برای گرم کردن آب و یا مایعات بکار می رود، مورد استفاده قرار می گیرد.

مایع گرم شده برای نیرو دادن به یک توربین به گاز تبدیل شده و بدین طریق ژنراتور را به حرکت در می آورد.

البته در طراحی های جدید از نمک مذاب به جای آب استفاده می شود.

بخاطر اینکه نمک قدرت و توانمندی بالاتری برای انبار گرما، در خود دارد و بنابراین ظرفیت و ویژگی گرمائی آن بالاست.

این گرما سپس برای تولید بخار مورد نیاز به داخل آب انتقال داده می شود.

چون گرما می تواند در نمک مذاب انبار شود ، لذا تولید الکتریسته در شب نیز امکان پذیر است.

2-   جمع کننده های پارابولیک:

نوع دیگری از کوره های خورشیدی در واقع آئینه های پارابولیک هستند.

بدین ترتیب که آئینه های طویلی  به شکل نیم لوله که سطح آنها با پوشش از آلومینیم و نقره است ساخته می شود.

این آئینه ها قادرند نور خورشید را منعکس کرده بدین صورت که یک لوله دیوارDewarدر طول نقطه کانونی جائی که نور خورشید منعکس می شود وجود دارد.

این لوله از دو لایه دیوارDewar نقره ائی که بین آنها خلا وجود دارد ساخته شده است.

این طراحی انتقال گرما را توسط تشعشع و کنداسیون کاهش می دهد و این مکانیزم نظیر بطری های دیوار است (Dewar) که مایعات سرد را، سرد و مایعات گرم را، گرم نگه می دارد.

در داخل لوله دیوارDewar مایعی وجود دارد(روغن صنعتی) که بواسطه نور خورشید تا 40 درجه سانتی گراد گرم می شود.

محور نگهدارنده آئینه بطور مرتب بطرف شمال و جنوب حرکت کرده و نور خورشید را جذب می کند.

این عمل در طول روز ادامه دارد و برای جذب بهتر نور خورشید آئینه ها در فواصل زمانی معین بصورت اتوماتیک شسته می شوند.

سیستم های تولید انرژی های خورشیدی بزرگترین نیروگاه های خورشیدی هستند که در جای جای جهان یافت می شوند.

این سیستم ها متشکل از نوع سیستم جمع کننده که بصورت تشتک سهمی هستند و هر کدام جداگانه حرکت می کنند، ساخته شده اند.

این سیستم ها قادرند تا 90 درصد برق تولیدی را از سیستم خورشیدی بدست آورند و در مواردی که بدلایل مختلف نتوان از نور خورشید برای تولید برق استفاده کرد از گاز طبیعی استفاده می شود.

سلولهای خورشیدی:

 سلولهای خورشیدی باعث تولید ولتاژ نور خورشید می گردند. این تولید در یک جسم نیمه هادی اتفاق می افتد.

نیمه هادی (نیمه رسانا) ماده ایست که برق  را تحت شرایطی هدایت می نماید و باعث می گردد که جریان الکتریکی کنترل گردد.

اغلب سلولهای خورشیدی از کریستال یا سلولهای نیمه هادی ساخته شده اند.

هنگامیکه نور خورشید به این اجسام سیلیکونی برخورد می کند الکترونهای لایه خارجی اتم های سیلیکون را فعال کرده و انرژی لازم را تولید می کند.

معمولاٍ سیلکون با اضافه کردن فسفر، فابریک شده و بدین ترتیب یک بنیان چهار ظرفیتی سیلیکون بوجود می آید.

این وضعیت شماره شارژهای آزاد لایه خارجی را افزایش می دهد.

 

بدین ترتیب با تابش نور خورشید برسیلیکون جریان الکتریسته حادث می گردد. شکل فوق یک سلول خورشیدی را نشان می دهد.

 

سلولهای سوخت برای انرژی و گاز هیدروژن:

یک سلول سوخت الکتریسته را در یک واکنش الکترو شیمیائی همانند یک باطری تولید می کند. و در طول زمان شارژ و بار خود را از دست نمی دهد.

در یک سلول سوختی هیدروژنی با غشاء مبادله ئی پروتون، سوخت آن گار هیدروژن است .

در واکنش شیمیائی H₂ الکترون ادامه داده و به H⁺ تبدیل می شود. این وضعیت در آند (الکترود منفی) صورت می گیرد. O₂ اکسیدانت درکاتود است.(الکترود مثبت) که الکترونها را با H⁺ ترکیب کرده و آب بوجود می آورد.

اغلب موتورهای الکتریکی که در خودروهای برقی نصب می شوند در محدوده 200 تا 300 ولت کار می کنند.

این مهم بدین معنی است که سلولهای سوختی زیادی بصورت سری باید وجود داشته باشد تا ولتاژ مورد نیاز را تامین کند.

آند و کاتود سلول سوخت توسط یک الکترولیت جامد از همدیگر جدا می شوند، الکترولیت ماده ایست که غلظت بالائی از بارهای مثبت و منفی را که با هم مخلوط شده اند  رابه همراه دارد. ولی به لحاظ الکتریکی خنثی هستند.

یک محلول آبی غلیظ نمک طعام در واقع الکترولیتی است که در آن N⁺ و CL^- وجود دارد.

الکترود استفاده شده در سلولهای Proton Exchange Membraneیک غشاء جامد از پلی پرفلور و سولفونیک اسید تفکیک شده است که H⁺  داشته و سایت های غشاء آن بار منفی دارند.

نصف واکنش در آند سلول Proton Exchange Membrane بشرح ذیل است:

H^{+  →} 2H⁺ + 2e^{- →} H₂

e^- نشانه یک الکترون است.

برای افزایش میزان واکنش و در نتیجه افزایش تولید برق برای به حرکت درآوردن یک خودرو، معمولاً از کاتالیست پلاتین (pt) استفاده می شود.

این کاتالیست واکنش ها را تسریع می نماید.H² + 2PT → 2PT - H                و                2PT – H → 2PT + 2H⁺ + 2e^-  کاتالیست PT گران بوده و براحتی نیز آلوده   می شود.

لذا لازم است که یک منبع خالص از گاز H₂ وجود داشته باشد.

در کاتود واکنش بصورت ذیل است:  

4e^- + O₂ + 4H⁺  → 2H₂O                                                                                                                                   

توجه داشته باشید که سلولهای Proton Exchange Membrane فقط آب تولید کرده و خبری از انتشار دی اکسید کربن نیست.

اگر همه واکنشهای فوق را جمع بندی کنیم حاصل عمل بقرار ذیل است:

2H₂+ O₂ → 2H₂O                                                                       

لذا بجای استفاده سلول سوخت که همراه با واکنش الکترو شیمیائی است، گاز هیدروژن می تواند مورد استفاده قرار گیرد،و خروجی نهائی آن آب است.

گرمائی که از این(گاز) تولید می شود برای جوشاندن آب، چرخاندن توربین، که نهایتاً ژنراتور را چرخانده و تولید برق می کند.

مزایای سلول سوخت عبارت است از تولید بیشتر برق، کاهش گرمای ضایعاتی، عدم احتیاج به توربین و ژنراتور.

انواع فراوانی از واکنش های سلولهای سوختی برای تولید برق وجود دارد.

 جدول ذیل انواع سلول های سوخت را نشان میدهد.

سلول سوختی Proton Exchange Membrane بخاطر استارت سریع و پائین بودن درجه حرارت عملیاتی در خودروها مورد استفاده قرار می گیرد.

خودروهای که با سلولهای سوختی کار می کنند موتور آنها محفظه سوخت داخلی ندارد و در عوض آن یک موتور الکتریکی نصب شده است.

تفاوت بین یک خودرو الکتریکی که با سلول سوختی کار می کند و خودروی که با باطری کار می کند این است که خودرو مجهز به سلولهای سوخت نیازمند مخزن گاز هیدروژن می باشد. در صورتیکه خودروهای که با باطری فعال هستند نیازمند شارژ کردن باطری ها   می باشند.

 

نیروگاه های برق آبی:

پره های چرخان آب از 240 سال قبل از میلاد مسیح برای استخراج آب مورد استفاده قرار می گرفتند.

احتمالاً در زمانهای دور بسیار طولانی نیز این وضعیت برای به جریان انداختن آب و استفاده در مصارف کشاورزی بکار می رفته است.

اولین استفاده صنعتی از نیروگاه های برق آبی برای تولید برق مربوط به سال 1880 میلادی است.

نیروی آب انرژی جنبشی را برای حرکت دادن آب مورد استفاده قرار می دهد، جابجای آب اقیانوسها، رودخانه ها و نهرها از این قبیل محسوب می شود.

 

نیروگاه های برق آبی( اقیانوس):

نیروی الکتریکی که با کمک جزرومدهای اقیانوس تولید می شود قادر است قدرت جزرومد را به انرژی جنبشی تبدیل نموده و نهایتاً با به حرکت در آوردن آب در سیستم های مربوط تولید برق را میسر سازد.

جزرومد ها  از منظر منابع انرژی مورد تجدید نسبت به تولید انرژی از باد و انرژی خورشیدی از وضعیت بهتری برخوردارند.

لذا با ایجاد موانعی در مسیر جزرومدهای دریائی می توان براحتی از نیرو های جزرومد در تولید برق استفاده نمود.

روشهای متعددی برای تولید نیروی جزرومد و نهایتاً ایجاد انرژی جنبشی آبهای در حال حرکت وجود دارد که با استفاده از این روشها می توان برق تولید نمود.

نیروی موج نوع دیگری از توان اقیانوس است که با استفاده از موجهای سطحی می توان انرژی لازم را برای تولید الکتریسته یا پمپاژ آب مورد استفاده قرار داد.

انرژی حرکت بالا و پائین موجها را نیز می توان مهار کرده و برای به حرکت در آوردن توربین به منظور تولید برق مورد استفاده قرار داد.

کارخانه های نیروگاه های برق آبی جدید انرژی پتانسیل آبها پشت سدها را تبدیل به برق می نمایند.

انرژی جنبشی ناشی از سرازیر شدن آب، توربین آبی را به حرکت در آورده و بدین ترتیب ژنراتور الکتریکی نیرو می گیرد.

در سال 2010 ظرفیت جهانی کارخانه های نیروگاه های برق آبی 860 گیگاوات بوده که منجر به تولید 3400 تراوات ساعت (Twh) برق  گردید.

این میزان معادل 10¹² وات ساعت است، بدین ترتیب نیروگاه های برق آبی بزرگترین منبع تولید انرژی قابل تجدید در جهان محسوب می شوند و تقریباً 16 درصد کل استفاده برق در جهان از این منابع است.

 

شبکه نیروهای الکتریکی:

این شبکه مجموعه از کارخانه های برق و امکانات انبار کردن انرژی، مدارها، ایستگاه های فرعی و مجموعه عظیمی از کاربران و استفاده کننده گان از این شبکه را تشکیل می دهند.

  مشکلی که این چنین شبکه هائی را تهدید می کند در واقع اشکال در هموار کردن مقادیر قابل ملاحظه انرژی الکتریکی در سیستم است.

 یک سیستم از کنترل ها برای تطبیق عرضه و تقاضا به منظور رفع مشکلات مربوط به خاموشی ها، نارسائی های تولید و سایر اشکالات مربوط به انتقال برق،مورد نیاز است.

 سیستم تنظیم ولتاژ (ترانسفورماتور) که جریان برق را کند، می کند  نیزلازم است.

این جریان کاهنده قبل از اینکه نیروی برق نیروگاه را بسوی خطوط انتقال ترک نماید باعث افزایش کارائی انتقال می شود.

خطوط انتقال با ولتاژ بالا از آلومینیم های بدون عایق ساخته شده اند.  آلومینیوم نسبت به مس از وزن و هزینه کمتری برخوردار است.انتقال برق ،هزاران کیلومتر به طریق فوق موثر می گردد.

 

نیروگاه های بادی:

تبدیل نیروی جنبشی باد به انرژی مفید و قابل استفاده انرژِی باد نام دارد. این نوع انرژی از مدتهای بسیار دور مورد استفاده قرار

می گرفته است.

این انرژی به لحاظ تاریخی توسط مسافران کشتی های دریائی استفاده های گسترده ئی دارد.

آسیاب های بادی برای به حرکت در آوردن پره ها و یا سنگ های سمباده ئی برای آسیاب کردن دانه های کشاورزی و آسیاب های بادی در مزارع و مراتع برای پمپاژ آب از چاه های زیر زمینی همگی قادرند از نیروی باد استفاده کنند.

اخیراً استفاده از توربین های بادی دارای تولید برق نیز سرعت گرفته است.

گنجایش جهانی ژنراتور های الکتریکی بر پایه نیروی باد در پایان سال 2011، 238 گیگاوات (GW) بود که تقریباً 1.6 درصد استفاده برق را در جهان به خود اختصاص  می دهد.

کشورهائی که هم اکنون توسط انرژی باد، برق تولید می کنند عبارتند از:

-         چین 26.3 %

-         امریکا 19.7 %

-         هند 6.7 %

-         کانادا 2.2 %

-         فرانسه 2.8 %

-         پرتغال 1.7 %

-         آلمان 12.2 %

-         ایتالیا 2.8 %

-         اسپانیا 9.1 %

-         انگلیس 2.7 %  و بقیه جهان 13.8 % را به خود اختصاص می دهند.

باد بواسطه گرمای تفاضلی زمین تولید می گردد.

قطعاً زمین نسبت به استوا (خط) انرژی کمتری را از خورشید دریافت می کنند و همچنین قاره های پهناور جهان سریعتر از اقیانوس ها گرم و سرد می شوند .

بدین ترتیب گرمای تفاضلی کره زمین سیستم جابجائی هوای اتمسفر جهانی را بوجود می آورد.

اغلب انرژی حرکات مربوط به باد در ارتفاعات یعنی مکانهای که تداوم سرعت های باد بیش از 660 کیلومتر در ساعت است، وجود دارد.

برق بر پایه باد از توربین های که غالباً بلندتر از یک ساختمان 20 طبقه هستند و دارای 2 یا 3 پره بلند می باشند، تولید می گردد.

باد به پره ها برخورد کرده و میله وصل شده به ژنراتور را چرخانده و بدین ترتیب برق را تولید می کند.

معمول ترین توربین های بادی آنهائی هستند که پره ها را بصورت افقی می چرخانند ولی توربین های دیگر نیز وجود دارند که محور آنها عمودی است.

 

 

مکانیزم عمل بدین گونه است که ابتداً باد پره ها را می چرخاند و این چرخش باعث به حرکت در آوردن به موقع میله  که در عقب ژنراتور قرار دارد،  میشود  واین عمل باعث می گردد  میله ای  که در درون ژنراتور قرار دارد به با سرعت بالا چرخش افتد.

یک وسیله بنام آنی مومتر anemometerسرعت باد را اندازه گیری کرده و بادنما مسیر باد را تعیین می نماید و سپس این اطلاعات به داخل یک کنترل کننده فرستاده شده و بدین طریق مسیر باد تنظیم و کارائی توربین در حد نهائی خود قرار می گیرد.

برای ارزیابی منابع باد در یک منطقه معین مهم این است که انرژی در دسترس متناسب با مکعب(توان سوم) سرعت باد باشد.

بدین ترتیب دو برابر شدن سرعت باد ،انرژی در دسترس را با فاکتور 8 افزایش می دهد.

باد در سطح یک منطقه به ندرت سازگار و جریان دارد، به عبارت دیگر  سرعت باد در یک منطقه ثابت و پایدار نیست.

و باد در طول روز، فصل و ارتفاع از سطح زمین و نوع زمین تغییر می کند .(ناحیه)

بعنوان مثال: میانگین سالانه سرعت باد 5 متر بر ثانیه است . 5m/s  (11 میل بر ساعت) لذا  برای ارتباطات شبکه برق سرعت بیشتری از باد ،مورد نیاز است.

دانسیته نیرو اندازه گیری سودمندی، برای انرژی باد محسوب می گردد.

این انرژی در زمان و در واحد سطح بدام اندازی باد قابل تبین است. این بیان بخاطر آن است که هوا وزن داشته و انرژی جنبشی آن معادل یا مساوی یک دوم ²mv است .

m جرم و  V سرعت باد است. جرم مساوی با دانسیته ضربدر حجم می باشد.

لذا، برای تعیین نیرو (P) رابطه ذیل بر قرار است:

        P= ½ ρΑ V³

 

ρ = دانسیته هوا ( kg m^-3  1.225∼در سطح دریا و کمتر در ارتفاعات بالاتر)

 A=سطح باد مهار شده ی عمد بر سرعت آن

 سرعت باد و بنابر این ،نیروی آن با ارتفاع افزایش می یابد.

معمولاً در یک منطقه ویژه، ارتفاع استاندارد 10 و 50 متر، طبقات مختلف نیروی باد را برجود می آورد.

بعنوان مثال: هنگامیکه دانسیته نیروی باد در ارتفاع 10 متری 1000 باشد ، سرعت باد 9.4 متر بر ثانیه یا 21.1 متر بر ساعت mphخواهد بود و در ارتفاع 50 متری سطح زمین با دانسیته 2000، سرعت باد 11.9 متر بر ثانیه یا 26.6 متر در ساعتmph می شود.

لذا مکانهائی که میزان باد در طبقه فراتر از 4 قرار گیرد، برای ساخت نیروگاه های بادی مناسب می باشد.

وزش باد در ارتفاعات بالاتر بدلیل اصطکاک کمتر با سطح زمین سریعتر است و معمولاً ارتفاع برج ها دو تا سه برابر طول پره ها است .

این موضوع بخاطر بالانس هزینه مواد برج به منظور استفاده بهتر از مگنت های گران قیمت در ژنراتورهای برقی است.

توربین های بادی مدرن امروزی معمولاً قطر 40 تا 90 متری دارند و بین 500 کیلووات تا 2 مگاوات برق تولید می کنند.

تعدادی هم تا 6 مگاوات پایه گزاری شده اند.

 

مشکلات مربوط به توسعه نیروگاه های بادی:

چندین مشکل محیط زیستی در ارتباط با استفاده از توربین های بادی وجود دارد.

این مشکلات عبارتند از:

1-   مرگ و میر و از بین رفتن پرنده گانی که به پره های چرخان توربین ها برخورد کرده و از بین می روند.

از بین رفتن و برخورد خفاش ها نیز قابل ملاحظه است.

البته مشکلات فوق در زمان مهاجرت پرنده گان و جفت گیری  آنها اتفاق می افتد.

2-   مشکل آلودگی صوتی زمانی اتفاق می افتد که پره های چرخان با هوا برخورد کرده و باعث تولید صدا می گردنند.

در چنین حالتی گیربکس های داخل توربین ها، صدای مکانیکی شدید ایجاد می کنند، هر دو نوع صدای فوق برای ساکنانی که در اطراف توربین ها، زندگی می کنند، آزار دهنده است.

 در هنگام نصب توربین های بادی لازم است به مشکلات محیط زیستی فوق توجه جدی منظور گردد.

نگرانی هائی نیز در خصوص موجودی عناصر نادر زمین هنگامیکه قدرت باد به طرز فزآینده ائی بالا رود وجود دارد.

لذا جدیدترین تکنولوژی تولید برق با تکیه بر باد، مگنت های ویژه ای را مورد استفاده قرار می دهند که از نئودیمیوم (Neodymium) و سایر عناصر نادر زمین ساخته شده اند.

این عناصر کارائی تبدیل انرژی باد را به نحو قابل ملاحظه ای افزایش می دهند.

 

سوختهای بر پایه زیست توده: (Biofuels)زیست سوخت ها

این سوختها طیف گسترده ائی از منابع جایگزین هستند که عمدتاً از موجودات زنده مشتق می شوند.

این سوختها برای گرمایش و تولید برق تحت عنوان اتانول و بیودیزل مورد استفاده قرار می گیرند.

گرمای ناشی از زیست توده و تولید برق از چوب جنگل، باقیمانده های کشاورزی و شهری و ضایعات صنعتی را بعنوان منبع انرژی مورد استفاده قرار می دهد.

چوب جنگل در مکانهای ایجاد آتش، بخاری ها و کوره ها سوزانده می شود.

تقریباً ده درصد از کل منابع انرژی اولیه در جهان از چوب جنگل بدست می آید.

پیش از دو میلیارد نفر از جمعیت جهان مخصوصاً در کشورهای در حال توسعه از چوب جنگل برای پخت و پز و گرمایش استفاده می کنند.

برای اکثر مردم این دیار چوب جنگل منبع انرژی در دسترس محسوب می گردد.

در عوض در کشورهای توسعه یافته پسماندها و ذباله های شهری برای تولید گرما در عملیات صنعتی و تولید بخار برای تولید برق، سوزانده می شوند.

87 نیروگاه برق که از ضایعات صنعتی استفاده می کنند در سال 2011 در امریکا ثبت شده است.

در حدود 200 نیروگاه برق با سوخت ضایعات صنعتی در امریکا وجود دارد.

سوخت زیست توده دیگری که از تجزیه و تخریب مواد ارگانیک  حاصل از ضایعات دور ریز و لند فیل ها رها می شود، متان نام دارد. (mithane)

متان بواسطه واکنش شیمیائی ذیل در ضایعات ارگانیک حیوانی و گیاهی ایجاد می گردد. 

2CH₂O → CH₄ +CO₂    

 مواد ارگانیک ← متان + دی اکسید کربن

اغلب گازهای لند فیل ها در کشورهای در حال توسعه وجود دارندو این مهم  بخاطر این است که سطح تولید ضایعات ارگانیک در این کشورها فوق العاده بالاست. این گازها توسط صنایع محلی جمع آوری شده، متان از CO₂ جدا گشته و بعنوان یک منبع انرژی مطمئن مورد استفاده قرار می گیرد.

استفاده از انرژی زیست توده ضایعات چوب لنفید ها را کاهش داده و سوختهای فسیلی را حفاظت می نماید.

ولی باعث افزایش انتشار کربن در اتمسفر می گردد.

محصولاتی که برای تولید انرژی زیستی کشت می شوند عبارتند از:

درختان صنوبر،بید  و نی زارها هستند.

اگر زیست توده برای انرژی مورد استفاده قرار گیرد سرزمین های کشاورزی برای تولید غذا ناکارامد می گردنند.

بیودیزل یک منبع انرژی حمل و نقل تجهیز شونده است که می تواند در ماشین های دیزلی استاندارد یا موتورهای کامیونها مورد استفاده قرار گیرد.

تقریباً 85 درصد بیودیزل توسط کشورهای اتحادیه اروپا تولید می گردد.

بیودیزل از روغن سبزیجات عمدتاً درخت زیتون، لوبیا سبز و چربی های گیاهی و سایر گیاهان نظیر ،تولید می گردد.

روغن لوبیا سبز منبع بسیار مهمی در تولید سوخت های بیودیزل محسوب می گردد و در کشورهای توسعه یافته استقبال وسیعی از آن صورت گرفته است.

 

اتانول:

اتانول به فرمولC₂H₅OH یک مایع با زنجیره کربنی کوتاه و مستقیم است و نام دیگر آن اتیل الکل می باشد.

و در بطری های نوشابه های الکلی بعنوان یک جزء سمی یافت می شود.

بیشترین استفاده از اتانول بعنوان ماده افزودنی است، که تقریباً 10 درصد سوخت موتورهای بنزینی در بیش از 20 کشور را شامل میشود.

این سوخت در خودروهائی مورد استفاده قرار می گیرد که 100 درصد با سوخت بنزین کار می کنند.

استفاده از اتانول معمولاً برای صرفه جوئی در مصرف بنزین صورت می پذیرد.

موتورهای خودروهائی که برای استفاده سوخت خالص اتانول طراحی شده اند عمدتاً در برزیل و امریکا تولید می شوند.

برای مثال: سوخت مورد استفاده در این نوع خودروها در برزیل متشکل از 96 درصد اتانول و چهار درصد آب است.

اتانول بواسطه هیدراسیون اتیلین C₂H₄ در طی پالایش بنزین تولید می گردد. واکنش ذیل بیانگر این تولید است:

C₂H₄ + H₂O → C₂H₅OH         

 بیشتر اتانول تجاری با خورد کردن دانه ها و تولید پودر بدست می آید، سپس نشاسته موجود در پودر به کمک آنزیمها به شکر تبدیل می شود و بعداً شکر به کمک خمیر مایع (مخمر) تخمیر گشته و اتانول بعلاوه دی اکسید کربن توسط واکنش ذیل بعمل می آید.

   2C₂ H₅OH + 2CO₂     C₆H₁₂ O₆ →  

12 تا 15 درصد اتانول تولید شده توسط مقطر گیری جزء به جزء، بدلیل اختلاف در درجه حرارت جوش از مخلوط جدا می گردد. مخلوط 96 درصد اتانول و 4 درصد آب در 78.2 درجه سانتی گراد تولید می شود .

 

دی هیدراسیون اتانول فوق توسط غربال و الک کردن میکروسکوپی آب را جذب کرده و اتانول خالص را بوجود می آورد.

بیشترین تولید اتانول در سال 2011 به میزان در حدود 22.4 میلیارد گالن بود.

از میزان فوق:

-          امریکا 13.900 میلیارد گالن.

-          برزیل 5.573 میلیارد گالن.

-          اتحادیه اروپا  1.199 میلیارد گالن.

-         چین 555 میلیارد گالن.

و نهایتاً کانادا 462 میلیارد گالن تولید داشتند.

 

انرژِی زمین گرمائی:

درجه حرارت زمین هر چه که به عمق آن نزدیک شویم افزایش می یابد.

بنابراین انرژی گرمائی درون زمین می تواند از عمق به سطح هدایت گشته و بعنوان یک منبع انرژی مفید مورد استفاده قرار گیرد. این چنین انرژی،انرژی زمین گرمائی نام دارد.

انرژی زمین گرمائی یک منبع انرژی تجدید شونده است که از استخراج گرمای موجود در آب که در زیر صخره های داغ قرار دارد وبه واسطه تخریب عناصر رادیواکتیو طبیعی در دل زمین ،حاصل میشود.

انرژی بدست آمده بطریق فوق کاملاً تجدید شونده نیست ولی این انرژی می تواند بصورت مداوم با کمترین اثر محیط زیستی تولید گردد.

تولید این انرژیِ بصورت 24 ساعته و در طول سال بجز روزهای تعمیر و نگهداری می تواند بنحو قابل اطمینانی استخراج گردد.

مشکل استخراج این نوع انرژی از اعماق زمین در واقع هزینه های فراوانی است که برای حفر چاه ها اختصاص می یابد.

مناطق زمین گرمائی نیز قادرند الکتریسته فراوان و ارزان  تولید کنند.

این عمل زمانی اتفاق می افتد که نیروگاه های تولید برق برای این منظور ساخته شوند. در چنین حالتی انرژی خارج از این نیروگاه ها برای تولید بخار و  به حرکت در آوردن توربین مورد نیاز نیست.

در حدود 10.7  گیگاواتGW گنجایش انرژی الکتریکی زمین گرمائی در پایان سال 2009 در اطراف جهان ایجاد گردید که تقریباً 0.3 درصد تقاضای الکتریسته جهانی بود.

امریکا 28.8 درصد از کل تاسیسات مربوط به نیروگاه زمین گرمائی را در ایالات خود نصب کرده است، فلیپین 17.8و اندونزی 11.2 درصد را به خود اختصاص داده است.

  علاوه بر موارد فوق ،میزان 28 گیگاوات گرمای مستقیم ناشی از منابع زمین گرمائی برای گرم کردن مناطق و محله ها، منازل مسکونی، فرآیندهای صنعتی، شیرین کردن آب و کاربردهای کشاورزی در جهان هم اکنون در چرخه قرار دارد.

گرمائی که در دل زمین وجود دارد بر اساس موقعیت مکانی  آن از درجه حرات های متفاوتی بر خوردار  است.

مثلاً در مناطق آتشفشانی به دلیل وجود صخره های گرم در اعماق زمین و چرخش آبهای زیر زمینی در اطراف صخره های گرم، درجه حرارت آب معمولاً بسیار بالاست.

هنگامیکه این آب بر سطح وارد می شود از موقعیت گرمائی فراوانی برخوردار بوده و براحتی در کاربردهای متفاوتی مورد استفاده قرار می گیرد.

نیروگاه های برق زمین گرمائی:

سه نوع تکنولوژی نیروگاه برق زمین گرمائی برای تبدیل آب گرم موجود در زمین به برق وجود دارد:

تکنولوژی های تبدیل بر اساس درجه حرارت آب گرم عبارتند از:

1-   بخار خشک.

2-   بخار فلاش(آب).

3-   چرخه جوش دوگانه.

1-   نیروگاه بخار خشک معمول ترین نوع کارحانه برق زمین گرمائی است.

این نوع نیروگاه ها، آب عمق زمین  که درجه حرارتی بیشتر از 182 درجه سانتی گراد دارد را مورد استفاده قرار می دهند.

آب گرم از عمق زمین تحت فشار بالا به سطح پمپ شده و سپس با کاهش فشار نزدیک به یک اتمسفر در حالت ایده آل نگه داشته می شود.

در نتیجه این عمل که بر خورداری از درجه حرارت بالا است، تمام آب پمپ شده به بخار تبدیل می گردد که اصطلاحاً بخار خشک نامیده می شود.

 وقتی که این بخار در اطراف توربین حرکت کند تولید الکتریسته نموده و سپس خنک می شود که نهایتاً به آب مایع تبدیل شده و به مخزن اصلی برگشت داده می شود تا مجدداً توسط صخره های داغ، گرم شده و سپس برای تداوم کار بخار تولید می گردد.

این عمل بصورت مداوم تکرار و بدین ترتیب تولید الکتریسته تداوم می یابد.

شکل ذیل یک نیروگاه برق زمین گرمائی بخار خشک را نشان می دهد .

 

2-   بخار فلاش:

هنگامیکه درجه حرارت آب پائین باشد طبیعتاً گرمای کمتری وجود دارد و در چنین حالتی است که نیروگاه های زمین گرمائی بخار فلاش ساخته می شود.

فلاشینگ فرآیندی است که با کاهش سریع فشار آب برای تولید ناگهانی بخار که با باز کردن آب داغ در یک فضای با فشار پائین انجام می شود، بوجود می آید.

دراین نوع نیروگاه زمین گرمائی  که بافلاش کردن آن از منطقه تولید ،مقداری بخار تولید می کند ولی مقداری محلول آب شور نیز تولید می شود.

این آب شور است که مقدار زیادی از ناخالصی ها را با خود دارد که باعث تغلیظ آب شده و موجبات کاهش بخار را فراهم می آورد.

در هر صورت بخار تولید شده از آب شور ضایعاتی، جدا گشته و در اطراف توربین جاری می شود این بخار نهایتاً سرد شده و مجدداً به منطقه تولید اولیه تزریق می گردد.

در مناطقی که آبهای زیرزمینی کمتر از 175 درجه سانتی گراد گرم می شوند تولید قابل ملاحظه ای بخار توسط سیستم فلاشینگ (Flashing) میسر نمی گردد ولی گرمای فوق توسط مبدل گرمائی در یک سیستم فلاش دوگانه استخراج می شود.

بدین ترتیب گرما از یک مایع زمین گرمائی به یک مایع کاربردی تبدیل می گردد ،این مایع قابل استفاده غالباً بوتان یا پنتان است که درجه حرارت جوش پائینی در یک اتمسفر دارد.

این درجه حرارت برای مایع کاربردی اول(بوتان)  منهای نیم 0.5- و برای مایع دومی (پنتان) 36 درجه سانتی گراد است.

هنگامیکه این مایع کاربردی بواسطه جوشاندن بخار می شود، قادر است بصورت مستقیم به توربین هدایت شده و نهایتاً ژنراتور الکتریکی را نیرو بحرکت در آورد.

بعد از اینکه این مایع در اطراف توربین به حرکت در می آید بخار تغلیظ شده توسط هوای سرد به آب سرد و مایع تبدیل می گردد. و سپس به داخل مبدل گرمائی برگشت داده می شود.

شکل ذیل یک نیروگاه برق زمین گرمائی بخار فلاش را نشان می دهند.

 

 

نیروگاه برق زمین گرمائی با چرخه دوگانه:

 

نگرانیهای مربوط به توسعه نیروگاه ها ی زمین گرمائی :

آب گرمی که از دل زمین استخراج می شود، مقدار زیادی عناصر بسیار سمی را با خود همراه دارد.

مثل فلزات سنگین از  قبیل  جیوه.

لذا آب استخراج شده باید بعد از استفاده به نحو بسیار ایمن و مطمئنی مجدداً به چاه های آب گرم زیر زمینی برگشت داده شود.

بدین ترتیب از آلودگی منابع آب آشامیدنی جلوگیری بعمل آید.

امروزه در اکثر مناطق جهان مقادیر فراوانی آب شیرین برای خنک کردن بخار استفاده شده، مورد استفاده قرار می گیرد.

لذا در مناطقی که کمبود آب شیرین وجود دارد، توسعه نیروگاه های زمین گرمائی مقدار آب دسترس را برای کشاورزی و استفاده در منازل مسکونی کاهش می دهد.

همچنین در بعضی از کارخانه های تولیدی زمین گرمائی به دلیل کاهش و نقصان مایعات استخراج شده، فرو نشست زمین بوجود آمده است.

مهمتر از همه اینکه تغییر در رژیم مایعات زیر زمینی باعث زلزله های در مقیاس کوچک می شود.

 نگرانی هائی نیز در مورد  توسعه سیستم های زمین گرمائی پیشرفته وجود دارد.

سیستم های زمین گرمائی پیشرفته:

صخره های آتشین  موجود در دل زمین که در جای جای سیاره پهناور زمین یافت می شوند غالباً غیر متخلخل بوده و  عاری از خلل و فرج هستند.

و به همین دلیل مانع چرخش و سیرکولاسیون آب می شوند.

بدین ترتیب منبع زمین گرمائی می تواند با شکافتن صخره های سخت توسعه یابد. این شکافت جریان آب را میسر می سازد.

اخیراً گرانیت های کریستالیزه شده با گرادیان های زمین گرمائی بالا مدنظر قرار  گرفته اند.

آب سرد از طریق یک سوراخ مته کاری شده و با فشار بالا به داخل گرانیت در عمق 3 تا 4 کیلومتری زمین پمپ می شود.

با گرم شدن آب، گرانیت منبسط گشته و تحت فشار قرار می گیرد که نهایتاً بواسطه این عمل شکافت صورت می گیرد، شکافت نفوذپذیری صخره ها را افزایش می دهد.

بعداً یک سوراخ مته کاری شده ثانویه در نزدیک منطقه صخره شکافته  شده ایجاد و از این طریق آب گرم از دل صخره فوق باز یابی می گردد.

این آب به سطح برگشت داده شده برای تولید برق مورد استفاده قرار می گیرد.

بعنوان مثال: در حوزه کوپر (Cooper) در جنوب استرالیا فرآیند توسعه سیستم نیروگاه زمین گرمائی پیشرفته 25 مگاواتی در سال 2013 ایجاد شده و هدف آن تا سال 2018 تولید 500 مگاوات برق است که با شکافتن گرانیت های داغ در عمق زمین تحقق  می یابد.

انرژی گرمائی تحت فشار استاتیک زمین:

این نوع انرژی در دل زمین بواسطه ذخائر ماسه ای که از شوری پائین برخوردار بوده و آب فراوانی را در خود دارند، وجود دارد.

فراوانی آب در این ذخائر بدلیل افزایش فشار هیدرواستاتیک یا تحت فشار استاتیک زمین است. و غالباً فشار لیتواستاتیک توسط وزن صخره ها تولید می شود.

این مهم بخاطر آن است که گرادیان زمین گرمائی در مناطقی که آب در آنجا ذخیره است بالاست. و طبیعتاً درجه حرارت نیز فوق العاده است.

البته ممکن است بعضی از آبهای فوق مقدار کمی گاز متان نیز به همراه داشته باشند.

استفاده مستقیم از انرژی زمین گرمائی:

واقعیت این است که آب گرمی که از دل زمین بیرون می آید  باید به اندازه کافی داغ باشد که بتواند تولید برق نموده و فضای اماکن را گرم نماید.

این آب معمولاً درجه حرارت های بین 60 تا 80 درجه سانتی گراد دارد و طبعا می تواند در سیستم های گرمایشی اماکن مورد استفاده قرار گیرد.

اماکنی نظیر مدارس، بیمارستانها، دانشگاه ها، دفاتر بهزیستی و سایر مکانهای عمومی می تواند از سیستم انرژی زمین گرمائی  به صورت مستقیم استفاده نمایند.

پمپ های گرمائی زمین گرما منظر:

گرمایش و سرمایش مورد نیاز برای مجتمع های مسکونی با استخراج گرما از زمین و تزریق گرما به داخل زمین با پمپ های گرمائی، زمین گرما منظر میسر است.

این پمپ ها در نزدیک سطح زمین احتیاج به آب با درجه حرارت بالا ندارند. بدین ترتیب در مناطقی که گرادیان زمین گرمائی نرمال باشد، مورد استفاده قرار می گیرد.

با پمپ کردن مایع از طریق حلقه هائی از لوله های زیر زمینی که نزدیک مجتمع ها کار گذاشته شده اند صورت می گیرد.

این سیستم ها نسبتاً درجه حرارت ثابتی از 7 تا 13 درجه سانتی گراد در سطح زمین دارند که توسط نور خورشید گرم نگه داشته می شوند.

 گرمای تولید شده در زمستان به داخل ساختمانها هدایت می گردد و در تابستانها خارج می شود.

این پمپ ها در اکثر کشورهای توسعه یافته صنعتی نصب شده اند.

بعنوان مثال: در امریکا 300 هزار پمپ گرمائی نصب شده است و سایر کشورها نیز برنامه های گسترده ائی را برای نصب این گونه پمپ ها در دستور کار دارند.

پمپ های داغ زمین گرمائی فقط مقدار کمی انرژی برای حرکت دادن آب از یک نقطه به نطقه دیگر که با پمپ مایع جابجا می شود را مورد استفاده قرار داده و همزمان کنترل درجه حرارت داخل ساختمانها را میسر می سازند.

این سیستم ها هم اکنون در مدارس، دانشگاه ها و بعضی از ساختمانهای اداری در کشورهای صنعتی فعال هستند.

بعنوان مثال: در دانشگاه کرنل نیویورک از آب دریاچه بعنوان یک سیستم خنک کننده استفاده می شود.

این سیستم ،آب چهار درجه سانتی گراد را از عمق دریاچه کوگاه به یک مبدل حرارتی انتقال داده و آب را در سیستم های خنک کننده نصب شده در دانشگاه خنک می کند.

آب پس از خنک کردن تاسیسات فوق مجدداً به سطح دریاچه برگشت داده می شود.

این سیستم معادل 51 مگاوات برق عمل کرده ، بدین ترتیب ساختمانهای دانشگاه را خنک نگه می دارد.

سیستمهای مشابه دیگری نیز در سایر کشورها به طرق فوق فعال هستند.

شکل ذیل یک پمپ گرمائی زمین گرمائی را نشان می دهد.

 

هزینه تولید برق توسط منابع تجدید شونده:

مجموع هزینه های تولید برق از منابع تجدید شونده عبارتند از:

1-   هزینه ایجاد تاسیسات نیروگاه.

2-   هزینه های مربوط به تولید برق.

ایجاد نیروگاه با توجه به منبع مورد استفاده دربرگیرنده هزینه های مربوط به همان منبع است و تفاوتهای عمده ائی در هزینه های منابع مختلف وجود دارد.

بعنوان مثال: تفاوتهای منطقه ای در ساخت دو نیروگاه شبیه به هم نیز دور از انتظار نیست.

اگر ایجاد نیروگاه در یک منطقه حساس و آلوده تاسیس شود به مراتب هزینه های بیشتری برای ایجاد و بهره برداری و کنترل آلودگی مورد نیاز است.

لذا نیروگاه های که در اطراف شهرهای بزرگ جهان ایجاد می شوند متحمل هزینه های گزافی برای کنترل آلودگی و بالانس پیک تولید می گردند.

واقعیت این است که هزینه تولید و بهره برداری از انواع نیروگاه هائی که با سوختهای فسیلی و منابع تجدید شونده و هسته ای  کار می کنند ،باید با توجه به حفاظت از محیط زیست مدنظر قرار گیرد.

به نظر می رسد تلفیقی از نیروگاه های تولید برق بر پایه منابع متفاوت،  از تجدید شونده و غیر قابل تشدید شونده بتوانند تامین انرژی ساکنان کره زمین را میسر سازند.

نیروگاه های هسته ای و نیروگاه های خورشیدی می توانند سهم مهمی از تولید جهانی برق را بخود اختصاص دهند.

در ساخت و بهره برداری از انرژِی هسته ای مسئله مهمی که مطرح است دفع ذباله های ناشی از نیروگاه می باشد.

در صورتیکه روشهای مطمئنی برای غیر صنعتی کردن ضایعات هسته ای مدنظر قرار نگیرد، تداوم کارکرد نیروگاه های هسته ای خطری بسیار مهم برای آلودگی محیط زیست محسوب می شود.

ولی نیروگاه های خورشیدی علی رغم بالا بودن هزینه های ساخت، در فاز بهره برداری هیچگونه خطری برای محیط زیست نداشته، مضافاً اینکه انرژی تولیدی بدین طریق پایدار نیز خواهد بود.

لذا انسان برای اینکه بتواند در کره زمین با خیال راحت ادامه حیات دهد مجبور است از انرژی خورشید بعنوان نهائی ترین، اصلی ترین و پایدارترین نوع انرژی بهره گیری نماید.

از آنجائیکه سوختهای فسیلی، گاز طبیعی، ذغال سنگ و نیروی برق از آبهای گرم درون زمین، برق آبی و انرژی هسته ای در کشورهای مختلف جهان با توجه به مزیت های  آنها مورد استفاده قرار می گیرند به نظر می رسد  این سوخت های فوق در آینده نتوانند منابع مناسبی برای تولید برق باشند.

لذا راه نهائی که برای تداوم صنعتی ماندن کشورها وجود دارد، ناگزیر بودن آنها به ایجاد تاسیسات و نیروگاه های برق خورشید منظر می باشد.

چرا که این چنین نیروگاه هائی از مزیت های ذیل برخوردار هستند:

1-   بخوبی می دانیم که هیچ سیستمی در سیاره زمین بدون ورودی انرژی پابرجا نمی ماند. و همه موجودات زنده از این امر استثناء نیستند.

یعنی اینکه برای تداوم حیات خود به انرژی نیاز دارند. همه موجودات زنده آبزی و خاکزی و سیستمهای فیزیکی ساخته دست بشر، کارخانه ها و تاسیسات، همه و همه برای کار کردن به انرژی نیاز دارند.

 اگر سیستمهای فوق از یک انرژی پاک و پایدار برخوردار باشند پایداری آنها تضمین می گردد.

استفاده از نور خورشید که توسط نیروگاه های خورشیدی بدام می افتد می تواند منبع اساسی برای پایداری سیستمهای زنده و غیر زنده باشد.

این مهم به دو دلیل پایداری سیستمهای فوق را تضمین می کند:

1-   نور خورشید غیر آلاینده و پاک است.

بخاطر اینکه این نور انرژی خالصی است که از خورشید ساطع می گردد. و همچنین هیج ماده ای که بتواند محیط زیست را آلوده کند در آن وجود ندارد.

نور به طرز شگفت آوری تمام مواد و آلاینده هائی را که در فرآیند تولید انرژی  بوجود آمده است،بنحو متقاعد کننده ای در میلیون ها کیلومتری فاصله از خورشید (150 میلیون کیلومتر) در فضای لایتناهی رها کرده و خود را در شکل کاملاً انرژی خالص، بر زمین می تاباند.

بدین ترتیب مهار کردن نور تابانده شده از خورشید و به استخدام در آوردن آن در منظرها وساحت های زمین، علاوه بر آن که پایداری حیات را تضمین می کند منبع مهمی برای پیشرفتهای گسترده صنعتی نیز محسوب می گردد.

2-   نور خورشید بدلیل اینکه از فراوانی بسیار گسترده ائی برخوردار است، حداقل برای میلیاردها سال قابل تولید است.

به عبارتی این انرژی تمام ناشدنی و لایزال است. از آنجائیکه خروجی انرژی خورشیدی ثابت است، لذا اینکه چه مقدار و چگونه مقدار کمی از این انرژی توسط زمین مورد استفاده قرار می گیرد، هیج تاثیری در روند تولید انرژی نور بوجود نمی آید.

به عبارتی میزان بسیار ناچیزی از این انرژی نصیب کره زمین می گردد، و بقیه انرژی تولید شده توسط نیروی خورشید در فضاهای لایتناهی  بین سیاره ائی و ستاره ائی و حتی کهکشانی بنحو سردگمی رها سازی می گردد.

حداقل در زمین و برای تمام اهداف عملی آن، خروجی انرژِی خورشیدی یک منبع با دوام و ناتمام انرژِی محسوب می گردد.

اخترشناسان می گویند که خورشید حداقل برای 3 تا 5 میلیارد سال دیگر به همین ترتیب فعلی می تواند انرژِی تولید کند.

لذا اگر انسان بتواند از این منبع پاک لایزال و تمام نشدنی در جهت تامین حیات خود و سایر جانداران استفاده کنند برای مدتها طولانی بقاء و پایداری سیاره زمین تضمین خواهد شد.

خلاصه فصل:

انرژی خورشیدی از طیف کلی طول موجهای متفاوت بوجود می آید. بعضی از این انرژی ها را می توانیم رویت کنیم . مانند نور.

بعضی از آنها نیز طول موج کوتاهی دارند و غیر قابل رویت هستند مانند نور ماوراء بنفش و بعضی  دیگر از طول موجهای بلندی برخوردارند و قابل احساس هستند مانند اشعه مادون قرمز.

انسان، انرژی خورشیدی با کیفیت پائین را برای گرمایش و روشنائی مورد استفاده قرار می دهد.

این انرژی بواسطه تشعشع، فونداسیون و کنداسیون {1-(حرکت و جابجائی قسمت های یک مایع و گاز) (2-انتقال گرما بین دو قسمت از یک سیستم ثابت)}

کوره های خورشیدی ،نور خورشید را متمرکز کرده و سلولهای خورشیدی، نور خورشید را برای تولید برق جذب می کنند.

سلولهای خورشیدی برق را در یک واکنش الکتروشیمیائی تولید می کنند.

Proton Exchange Membrane بر اساس هیدروژن کار کرده و فقط آب تولید می کند.(محصول واکنش آب است)

 سلولهای Proton Exchange Membrane در خودروهای برقی کاربرد دارند.

نیروی برق، توسط جزرومد، امواج اقیانوس و تفاوت درجه حرارت آب در سطح و عمق ،تولید می گردد.

سدهای برق آبی ،انرژی پتانسیل آب را به انرژی الکتریکی تبدیل می کنند و فرآیند آنها کاملاً از کارائی بالائی برخوردار است.

خازن های نیروی الکتریکی برق، را تولید و توزیع می نماید.

نیروی باد انرژی جنبشی ذرات هوا را به انرژی مفید تبدیل می کند.

توربین هائی که مورد استفاده قرار می گیرند بگونه ای ساخته و نصب می گرددند که ماکسیمم سرعت باد را تحمل کنند.

بدلیل افزایش درجه حرارت زمین از بالا به پائین، انرژی گرمائی در عمق می تواند توسط آب، به سطح هدایت شود.

این انرژی، انرژِی زمین گرمائی نام دارد.

 انواع متفاوت نیروگاه های های زمین گرمائی بر اساس درجه حرارت آب ساخته شده اند.

از طریق بخار خشک، بخار فلاش و چرخه جوش دوگانه پمپ های گرمائی، گرما را از منبع گرما که دارای درجه حرارت بالاست به سینک (چاهک) گرما که دارای درجه حرارت پائین است انتقال می دهند.

هنگامیکه مجموع هزینه های یک کارخانه زمین گرمائی مورد بررسی قرار می گیرد، کم هزینه ترین راه این است که اگر آب داغ باشد و بتوانیم بخار خشک تولید کنیم از این طریق برق را تولید نمائیم.

سلولهای خورشیدی، جزرومد و انرژی امواج اقیانوس، گرانترین روشهای تولید برق محسوب می شوند.

 تصاویر مرتبط با انرژی پاک و تجدید پذیر↓

  
نقشه جهانی مرتبط با موجودی انرژی خورشیدی در نقاط مختلف سیاره زمین

 

گلخانه ساخته شده بر مبنای استفاده از نور خورشید جهت تامین انرژی پاک و عاری از آلودگی

 

یک سیستم  گرمائی خورشیدی فعال

یک سلول سوخت