انرژیهای نوین تجدیدپذیر

با توجه به اهمیت بهینه سازی و بهره برداری موثر از انرژیهای خدادادی و وجود آلودگی های زیست محیطی ناشی از مصرف سوختهای فسیلی در بخش تولید انرژی، لزوم كاربرد انرژیهای تجدیدپذیر در تولید انرژی الكتریكی احساس میشود. انرژی خورشیدی، انرژی باد، زمین گرمایی، دریایی و انرژی آبی جزء انرژیهای تجدیدپذیر نوینی هستند كه امروزه كاربردهای بسیار زیادی در تامین انرژی مورد نیاز داشته و جانشین خوبی برای انرژیهای فسیلی شده اند، در این مقاله به بررسی عملكرد هر كدام از انرژیهای تجدیدپذیر فوق پرداخته و كاربردهای مرسوم آن نیز بررسی میشود.انرژیهای نوین تجدیدپذیر به مجموعه ای از منابع انرژی كه شامل انرژی خورشیدی، انرژی باد، بیوماس، زمین گرمایی، دریایی و انرژی آبی اطلاق میشود.
انتظار میرود كه این منابع در بلندمدت نقش مهمی در تامین انرژی جهان ایفا كنند و جانشین خوبی برای سوختهای فسیلی باشند، در حال حاضر نكته مهم در روندجانشین سازی این انرژی توجیه مسائل اقتصادی پیشرو است. از طرفی موقعیت جغرافیایی هر منطقه خود عامل بسیار مهمی در توجیه كاربرد این انرژیها است، به عنوان مثال كاربرد انرژیهای تجدیدپذیر در خاورمیانه، با توجه به وجود منابع فراوان نفت و گاز و ارزان بودن آن اهمیت كمتری دارد، گرچه كشورهای اسكاندیناوی استفاده از انرژی زمین گرمایی اهمیت فراوانی داشته و پیشرفتهای زیادی داشته است، از این رو توجیه اقتصادی و ایجاد نسل جدید نیروگاه هایی كه انرژی آنها فسیلی نبوده بلكه از انرژیهای تجدیدپذیر باشد از اهمیت خاصی برخوردار است.
۱ـ شرح مقاله:
همانطور كه اشاره شد انرژیهای تجدیدپذیر شامل: انرژی خورشیدی، باد،بیوماس، زمین گرمایی، دریایی و انرژی آبی است. انرژی خورشیدی یا به عبارتی سیستم هایی كه در آن از انرژی خورشیدی بهره گیری میشود عبارتند از سیستم های فتوولتائیك، سیستم های خوراك پز خورشیدی، سیستمهای خشك كن خورشیدی، برج های نیرو، نیروگاههای خورشیدی، سیستمهای تهیه آب شیرین خورشیدی و خانه های خورشیدی است.امروزه استفاده از انرژی خورشیدی به صورت كاربردهای حرارتی و تبدیل مستقیم به برق در مقایسه با دیگر انرژیهای تجدیدپذیر از اهمیت قابل ملاحظه ای برخوردار است. در میان كاربردهای حرارتی از انرژی خورشیدی، سیستمهای آبگرم و گرمایش، چه به لحاظ تكنولوژیكی و چه به لحاظ برآوردهای اقتصادی در مقایسه با سایر كاربردهای حرارتی از انرژی خورشیدی در جهان بیشتر مورد توجه بوده است. دلیل آن این است كه سیستمهای آبگرم و گرمایش ساختمانها، با توجه به شرایط جغرافیایی در بیشتر سال میتواند توسط انرژی خورشیدی تامین شود. با توجه به این كه سیستم های آبگرم و گرمایش از فناوری ساده ای برخوردار است، از اینرو استفاده و كاربردهای گسترده آن موجب كاهش سهم مصرف انرژی فسیلی در بخش خانگی و مسكونی شده است، آبگرمكن های خورشیدی در ایران، خود مثالی روشن از این جانشین سازی و بهینه سازی در مصرف انرژی است كه تاثیر بسزایی در اقتصاد خانواده ها خواهد گذاشت.
سیستمهای فتوولتائیك:
سیستمی كه در آن انرژی خورشیدی بدون بهره گیری از مكانیزم های متحرك و شیمیایی به انرژی الكتریكی تبدیل شود، اثر آنرا فتوولتائیك گویند و عاملی كه در این فرآیند بكار میرود سلول خورشیدی نامیده میشود. سلول های خورشیدی به عنوان مولد در سفینه های فضایی بكار میرود این سلولها قادرند انرژی تشعشعی خورشید را با بازدهی معادل ۵ تا ۲۰ درصد مستقیما به الكتریسیته تبدیل كند. امروزه در بسیاری از نقاط دنیا كه دسترسی به سوختهای فسیلی به دلایل اقتصادی امكان پذیر و یا مقرون به صرفه نیست استفاده از این سیستم متداول شده است.
سیستمهای خشك كن خورشیدی:
در این سیستم مواد خشك شدنی مانند مواد غذایی، انواع میوه ها و غیره طور مستقیم یا بطور غیرمستقیم از انرژی حرارتی خورشیدی استفاده میكنند و با جریان یافتن هوا، خشك شدن حاصل میشود.
امروزه در اكثر كشورها برای خشك كردن مواد غذایی از گلخانه های خورشیدی استفاده میكنند بدین ترتیب كه هوای محیط هنگام عبور از گلخانه خورشیدی گرم شده و سپس به فضای خشك كن هدایت میشود. این خشك كن ها از دو قسمت تشكیل شده اند: ۱- گلخانه خورشیدی ۲ـ اطاق خشك كن
انواع دیگر خشك كن ها كه در صنایع كشاورزی كاربرد دارند شامل: خشك كن خورشیدی برای غلات و خشك كن خورشیدی برای برنج است.
نیروگاه خورشیدی:
نیروگاه خورشیدی كه انرژی خورشید را به برق تبدیل میكند در آینده با مزایای قاطعی كه در برابر نیروگاههای با سوخت فسیلی و اتمی، انرژی الكتریكی تولید میكنند قادر به رقابت است، نیروگاههای خورشیدی مشكل تولید برق و كم آبی را در دوران بحران انرژی حل كرده و با نداشتن آلودگی زیست محیطی كمك شایانی به حفظ محیط زیست و اقتصاد می كند.در ایران با توجه به وجود آفتاب می توان از این انرژی استفاده كرد و بخشی از انرژی مورد نیاز كشور را از این راه بدست آورد، طولانی بودن فصل تابستان و گرما در جنوب ایران و تابش آفتاب در تمام فصول سال (برعكس كشورهای شمال اروپا مانند سوئد، نروژ و …) از دلایل استفاده از این انرژی در ایران است. خوشبختانه اولین نیروگاه خورشیدی ایران با ظرفیت ۲۵۰ كیلووات در سال ۸۴ در شیراز به بهره برداری خواهد رسید كه نوید آینده ای روشن در استفاده بهینه از این انرژی خدادادی در كشور خواهد بود. این نیروگاه از نوع آینه های سهموی است كه بخشهای عمده آن ساخته شده و تكنولوژی این نوع نیروگاه تنها در سه كشور آمریكا، آلمان و اسراییل موجود است و به این ترتیب ایران چهارمین كشور دنیا است كه فناوری و طراحی استفاده از این نیروگاهها را كسب میكند.وجود مزایای فراوان نیروگاه خورشیدی نظیر: تولید برق بدون استفاده از سوختهای فسیلی، عدم آلودگی زیست محیطی، عدم احتیاج به آب زیاد، استهلاك كم و عمر زیاد، عدم نیاز به تعمیرات اساسی مانند نیروگاههای با سوخت فسیلی، كاهش منابع نیروی انسانی در مقایسه با نیروگاههای اتمی و غیره، خود از دلایلی است كه ایجاد نیروگاه خورشیدی را توجیه میكند و در عین حال امكان تامین انرژی شبكه های كوچك، محلی و ناحیه ای را نیز به ما میدهد. از طرفی احداث خطوط انتقال طویل و هزینه های جانبی آن را منتفی میسازد.
خانه های خورشیدی:
خانه هایی كه تولید برق مصرفی آنها و تامین نیاز سرمایشی و گرمایشی آنها به وسیله آفتاب (انرژی خورشیدی) صورت گیرد خانه های خورشیدی نامیده میشوند. در این خانه ها با استفاده از سلولهای فتوولتائی كه معمولاً در پشت بام ها كار گذاشته میشود انرژی الكتریكی مصرفی خانه تامین میشود. گرمایش وسرمایش خانه های خورشیدی به دو روش انفعالی و فعال، بسته به نیاز ساختمان تامین میشود. كیفیت و چگونگی معماری ساختمان با ذخیره انرژی خورشیدی در حالت انفعالی بستگی كامل دارد. در صورتی كه گرمایش خورشیدی به صورت فعال، مستلزم استفاده از گردآوری های خورشیدی و یك منبع انرژی دیگر جهت تهیه و انتقال سیال گرم شده به داخل ساختمان است.
عدم آلودگی زیست محیطی ناشی از استفاده از سوخت های فسیلی در سیستم های گرمایشی، مقرون به صرفه بودن و عدم نیاز به تكنولوژی پیچیده از مزایای این سیستم است.
مزایای انرژی خورشیدی:
انرژی خورشیدی از نظر محیط زیست بی خطر است اگر چه استفاده متمركز در ابعاد وسیع میتواند منجر به اثرات زیست محیطی محلی شود. همچنین انرژی خورشیدی با شرایط فرهنگی متفاوت به خوبی پیوند میخورد. شماری محدودیت های اقتصادی و اساسی وجود دارند كه برای استفاده وسیع از این انرژی باید رفع شوند، اما با پشتیبانی كافی سهم این منبع انرژی در طول دهه های آتی ابعاد قابل توجهی خواهد یافت.
انرژی باد:
انرژی باد به عنوان یكی از مهمترین ودر عین حال اقتصادی ترین انرژی در تولید برق میتواند استفاده شود، مهمترین انگیزه پرداختن و روی آوردن به استفاده از این انرژی در تولید برق موقعیت جغرافیایی، بررسیها و مطالعات هواشناسی میباشد. در ایران نیز با توجه به موقعیت جغرافیایی و مطالعات انجام گرفته در سه نقطه منجیل، رودبار و هرزهویل، توربینهای بادی نصب و از طریق ترانسفورماتور افزاینده ۲۰ كیلوولت به شبكه متصل شد. در خراسان نیز نیروگاه ۳۰ مگاواتی در منطقه بینالود نیشابور با ۵ توربین نصب و چند توربین دیگر هم طی سالهای ۱۳۸۳ و ۱۳۸۴ به بهره برداری خواهد رسید.از نظر اقتصادی با توجه به توان ساخت توربین های بادی در ایران میتوان امید داشت كه میزان تولید برق به وسیله انرژی بادی از میزان تخمین زده شده ۶۵۰۰ مگاوات فراتر رود.انرژی زمین گرمایی:
اصطلاح زمین گرمایی ترجمه واژه Geothermal است كه ریشه یونانی دارد. این انرژی از سیال داغی كه در عمق زمین وجود دارد بدست میآید برای دسترسی به مخزن سیال، چاه یا چاههای عمیقی حفر میشود و سیال كه آب داغ یا بخار است به سطح زمین هدایت میشود. طبق محاسباتی كه به عمل آمده مشخص شده است كه انرژی ذخیره شده در عمق ۱۱ كیلومتری فوقانی پوسته زمین معادل ۵۰ هزار برابر كل انرژی بدست آمده از منابع نفت و گاز شناخته شده امروزی جهان است. از این رو میتوان منبع عظیم انرژی فوق را جایگزین انرژی حاصل از سوختهای فسیلی در آینده كرد. برای مطالعات و حفر چاههای زمین گرمایی باید مطالعات زمین شناسی گسترده ای صورت بگیرد، با توجه به شاخص های زمین شناسی وجود سنگهای آتشفشانی، چشمه های آب گرم، بخار فشان، آب فشان، نواحی دگرسان، گلفشان و كوههای آتشفشانی فعال از جمله نشانه های وجود منابع زمین گرمایی است كه باید برای استفاده اقتصادی و بهینه این انرژی بیش از یك شاخص از شاخص های بالا در منطقه مورد مطالعه یافت شود.با توجه به توجیه بهینه بهره برداری از انرژی زمین گرمایی و مسائل اقتصادی پیش رو مخازن زمین گرمایی اقتصادی جهان باید حاوی سیال باشد و بر حسب نوع سیال به دو دسته مخازن آب بالنده و بخار بالنده تقسیم میشود مخازن آب بالنده فراوان تر از مخازن بخار بالنده است، كشورهای نیوزیلند، ایسلند، آمریكا و ایتالیا از جمله كشورهایی هستند كه در چند دهه اخیر توانسته اند از انرژی تجدیدپذیر زمین گرمایی در تولید برق استفاده كنند. ایتالیا نخستین كشوری بود كه در سال ۱۹۰۴ از این انرژی در تولید برق استفاده كرد. در حال حاضر بیش از ۲۵ كشور جهان به كمك این انرژی بیش از ۸ هزار مگاوات برق تولید میكنند كه خود رقم قابل توجهی است.انرژی زمین گرمایی (بخار تحت فشار و گاهی همراه با آب داغ) منبعی از انرژی است كه از برخورد آبهای زیرزمینی (آبهایی كه از سطح به لایه های درونی نفوذ كرده اند) با مواد مذاب و در محیطی بسیار داغ تولید میشود. این نوع انرژی از نظر زیست محیطی، یك منبع انرژی پاك است و میزان انتشار دی اكسیدكربن آن ۹۰ درصد كمتر از نیروگاه هایی است كه با سوخت فسیلی كار می كنند.كشور اندونزی ۴۰ درصد منابع انرژی زمین گرمایی جهان (۱۴۰/۲۷ مگاوات) را در اختیار دارد. این كشور همچنین تعدادی نیروگاه زمین گرمایی با ظرفیت ۸۰۷ مگاوات (حدود ۳ درصد كل پتانسیل زمین گرمایی آن كشور) را هم اكنون در اختیار دارد. نیروگاههای در دست بهره برداری در مناطقی در غرب جاوه، شمال سولاوسی و شمال سوماترا واقع شده اند. توسعه انرژی زمین گرمایی با مشكلات زیادی از جمله مقررات متناقص مواجه است. برای مثال قانونی كه حفر معدن در مناطق جنگلی را ممنوع كرده است، حال آنكه اكثر منابع زمین گرمایی در مناطق جنگلی قرار گرفته اند. دولت اندونزی برنامه ریزی كرده است كه به تدریج تولید انرژی زمین گرمایی را تا سال ۲۰۰۸ به ۲۰۰۰ مگاوات و تا سال ۲۰۲۰ به ۶۰۰۰ مگاوات افزایش دهد و این خود نشان از اهمیت تولید انرژی الكتریكی به كمك انرژی های تجدید پذیر است.در توجیه اقتصادی و بهره برداری مخازن زمین گرمایی باید گفت كه مخازن حفر شده باید دمایی بالاتر از ۱۵۰ درجه سانتیگراد داشته باشند تا توجیه اقتصادی داشته و مورد بهره برداری قرار گیرند.در حال حاضر بیش از ۵۵ كشور از منابع این انرژی بطور مستقیم بهره برداری میكنند.در ایران نیز پس از مطالعات صورت گرفته و مشاورت های لازم عملیات حفر سه حلقه چاه سه هزار متری زمین گرمایی در مشكین شهر صورت گرفت كه در تاریخ خرداد ماه ۱۳۸۳ بهره برداری آزمایشی از نخستین چاه زمین گرمایی آغاز شد، این چاهها توانایی تولید ۸ تا ۱۰ مگاوات برق را داشته و می توانند انرژی مورد نیاز شبكه برق منطقه را تامین كنند، عدم آلودگی زیست محیطی، عدم نیاز به منابع رو به اتمام فسیلی در تولید برق، عدم نیاز به تعمیرات اساسی همانند سایر نیروگاههای فعال در كشور و محدودیت نیاز به منابع نیروی انسانی از مزایای این نیروگاه ها است.انرژی تجدید پذیر زمین گرمایی در مواردی دیگر همچون: سیستم های گرمایشی ساختمانها، كشاورزی، دامپروری، صنعتی و درمان بیماری ها استفاده میشود و با توجه به اینكه بهره برداری از این انرژی در تولید برق و ایجاد نیروگاه زمین گرمایی، مزایای زیاد و قابل توجهی داشته و نسبت به نیروگاه اتمی و سایر نیروگاهها مقرون به صرفه است و میتواند مورد استفاده قرار گیرد. البته در این مورد نیز موقعیت جغرافیایی كشورها تاثیر بسزایی در توجیه اقتصادی استفاده از نیروگاه زمین گرمایی را دارا است.
انرژی بیوماس:
با توجه به وجود ضایعات كشاورزی و موارد كاربرد فراوان این ضایعات از سالیان دور استفاده از این انرژی مورد توجه بشر بوده است. در سالیان گذشته كه بشر به مسائل زیست محیطی توجه چندانی نداشته، شكل سنتی استفاده از این انرژی رایج بوده است در شكل سنتی استفاده از این انرژی یعنی سوزاندن چوب درختان و فضولات حیوانی خود باعث آلودگی و تخریب محیط زیست میشد اما با رشد و توسعه علمی بشر امروزی و توجه به مسائل زیست محیطی شكل برنامه ریزی شده و پایدار آن مورد توجه قرار گرفت، در این فرآیند از ضایعات كشاورزی نظیر نیشكر و چغندر سوخت مایع تهیه شده و از آن استفاده میشود كه این روش نسبت به روش سنتی از آلودگی كمتری برخوردار است ولیكن در مقایسه با سایر منابع انرژی تجدیدپذیر نظیر انرژی خورشیدی و بادی دارای آلودگی زیست محیطی است.
انرژی آبی:
از انرژی نهفته در آب در مناطقی كه از نظر شرایط بارندگی و فراوانی منابع آبی بهره میبرند استفاده فراوانی میشود.در این مناطق با ایجاد سد بر روی رودخانه ها و ساخت نیروگاه های آبی بزرگ و كوچك ضمن تولید برق، در بخش كشاورزی نیز سبب اشتغال خواهد شد.نیروگاه شهید عباسپور با قدرت تولید۲۰۰۰ مگاوات ساعت در حال حاضر بزرگترین نیروگاه برق آبی ایران است. نیروگاه اول این سد توسط فرانسویها در ۴ واحد ۲۵۰ مگاواتی جمعاً با ظرفیت ۱۰۰۰ مگاوات در سال ۱۳۵۶ به بهره برداری رسیده است و با احداث نیروگاه دوم سد شهید عباسپور ۱۰۰۰ مگاوات به قدرت پیك شبكه سراسری كشور افزوده شد و میزان انرژی تولیدی سد شهید عباسپور از ۳۷۰۰ گیگاوات ساعت به ۴۰۰۰ گیگاوات ساعت در سال افزایش یافت. این نیروگاه علاوه بر تاثیر اقتصادی قابل توجه، نقش ارزندهای در پایداری سیستم برق كشور خواهد داشت.
انرژی دریایی:
در میان انرژی های دریایی، انرژی جزر و مد از تكنولوژی پیشرفتهای بهره مند است اما به دلیل مشكلات زیست محیطی و موانع اقتصادی از توسعه چشمگیری برخوردار نبوده است. انرژی حرارتی دریاها OTEC هنوز مشكلات فنی و اقتصادی فراوانی دارد، اما انرژی امواج علیرغم فناوری جوان و تكامل نیافته اش به دلیل دانسیته نسبتاً بالاتر و در مكانهای دارای پتانسیل بیشتر تا حدودی مورد توجه بوده است.
نتیجه گیری:
۱ـ با توجه به وسعت دسترسی به انرژی خورشیدی، به نظر میرسد در آینده، انرژی خورشیدی بتواند به عنوان یكی از منابع انرژی تجدیدپذیر ارزان در دسترس بشر قرار بگیرد. در حال حاضر ۱۵۰ درصد انرژی مورد مصرف آمریكا از خورشید تامین میشود و كشورهای اروپایی و سایر كشورهای صنعتی نیز مقدار كمی از انرژی مورد نیاز خود را از خورشید تامین میكنند.
۲ـ با توجه به اینكه یكی از مهمترین چالش ها در برابر دولتها و حكومتها تامین مطمئن انرژی در آینده است و منابع سوخت فسیلی كه نزدیك به ۹۰ درصد انرژی دنیا را تامین میكند پایانپذیر هستند، لزوم بهره برداری هر چه بیشتر از منابع انرژی تجدیدپذیر و جایگزینی آنها باید با سرعت بیشتری انجام شود.
۳ـ با توجه به راه اندازی بورس برق در ایران و رقابتی شدن فروش و صادرات برق در سطح كشور و منطقه، لزوم اتخاذ روشهای بهینه در هزینه ها برای باقی ماندن در صحنه رقابت امری مهم و حیاتی است و این مهم با جایگزینی سوخت نیروگاهها و استفاده از انرژیهای تجدیدپذیر كه به صورت رایگان در اختیار است امكان پذیر است. از طرفی با توجه هزینه های جانبی پایین در این نیروگاهها لزوم ساخت و بهره برداری از این نیروگاهها امری اجتناب ناپذیر است.
۴ـ تجدیدنظر در استفاده از منابع انرژی فعلی و استفاده از منابع انرژی جایگزین كه عمده ترین آنها خورشید، آب، باد، زمین گرمایی و … هستند. میتواند برای سالهای آتی به عنوان منابع انرژیهای نو موردتوجه قرار گیرند.
۵ـ كره زمین انرژی خورشیدی را به صورت تابش خورشیدی دریافت میكند و مقدار این تابش به مراتب بیش از نیاز بشریت است. این منبع از تغییرات روزانه شناخته شدهای علاوه بر تغییرات فصلی برخوردار است و بطور قابل ملاحظه ای متاثر از وضعیت هوا است. شدت تابش خورشیدی نسبتاً كم و پیك (فراز) آن در حدود KW/m۲۱ در سطح دریا است. تمام كشورها به این منبع به مقادیر مختلف دسترسی دارند. كاربرد انرژی خورشیدی كاملاً متنوع است و شامل گونه حرارتی مستقیم (سیستمهای عامل و غیرعامل)، تولید نیروی برق از طریق سیكلهای ترمودینامیكی و تبدیل مستقیم به الكتریسیته با كمك سیستمهای فتوولتائی PV میشود. انبار كردن انرژی خورشیدی در سیستمهای حرارتی نسبتاً ارزان است و بدین ترتیب منبع انرژی از زمان استفاده از انرژی به وسیله مصرف كننده جدا میشود.
مراجع:
Geothermal binary power gen- eration system, K, Saitou. ۲۰۰۰
www.geothermal.org
www.panda,org
Proc ASMF ۲۰۰۱ National inc- inerator Conference
Dyliacco. T,Ramarao. K, Pow- er System and Power Plants
Jewell. W, “Power Plants Lab- oratory Testing”, IEEE Power Engineering Review
Bollen. M.H “Power Plant Pro- blems” May ۲۰۰۲
Grady. W “Power Plant Ana- lysis” Nov ۲۰۰۳
www.Iranenergy.org
مهندس علیرضا سلمانیان شفا
عضو باشگاه پژوهشگران جوان دانشگاه آزاد اسلامی
برگرفته ار نشریه صنعت برق

منبع : پایگاه اطلاع رسانی وزارت نیرو