روشنایی پاک

محمد علی‌نژاد: با پیشرفت فناوری، جهان توسعه به طور کامل از روش‌های سنتی تولید برق دست برنداشته ولی در حال گذار کامل به سمت انرژی‌های نو و پاک برای تولید برق است. البته افزایش روزافزون تقاضا از یک‌سو و همچنین مساله گرمایش زمین از سوی دیگر نیز باعث شده استفاده از منابع تجدیدپذیر برای تولید برق روندی صعودی در پیش گیرد. بر اساس گزارش آژانس بین‌المللی انرژی تا سال ۲۰۳۰ تولید برق جهان به ۳۰ میلیارد و ۳۴۶ میلیون کیلووات ساعت می‌رسد. در حالی که در جهان کنونی تولید برق از منابع گوناگون در حال افزایش است میزان تولید جهان در هر سال حدود 5 /2 درصد افزایش می‌یابد. بیشترین میزان تقاضای برق از سوی کشورهای خارج از OECD است، در حالی که تا سال 2004 میزان مصرف برق این کشورها کمتر از کشورهای عضو OECD بود اما پیش‌بینی می‌شود کل تولید برق در کشورهای غیرعضو سازمان همکاری‌های اقتصادی و توسعه در سال 2030 بیشتر از کشورهای ثروتمند عضو این سازمان شود به طوری که تقاضای برق در کشورهای غیرOECD سه برابر بیشتر از تقاضای برق در کشورهای OECD رشد خواهد داشت. البته رشد نسبی زیرساخت‌های تولید برق در کشورهای توسعه‌یافته و اقتصادهای پیشرفته و همچنین رشد پایین میزان جمعیت در این کشورها در سال‌های آتی از یک‌سو و ارتقای استانداردهای زندگی و افزایش جمعیت در کشورهای در حال توسعه از سوی دیگر باعث شده چنین اختلافی میان سرعت رشد تولید برق در این مناطق ایجاد شود. بر اساس گزارش اخیر آژانس بین‌المللی انرژی، رشد تولید برق در کشورهای غیرعضو OECD در حالی به 5 /3 درصد سالانه خواهد رسید که این رقم در کشورهای عضو سازمان همکاری‌های اقتصادی و توسعه تنها 3 /1 درصد خواهد بود.

روش‌های رایج تولید برق 

به طور کلی تولید برق عمدتاً با استفاده از توربین‌های متصل به ژنراتورهای برقی صورت می‌گیرد. توربین‌های مکانیکی بیشترین استفاده را در تامین برق تجاری دارند. درون توربین‌ها سیالی به عنوان حامل انرژی وجود دارد. این سیال عمدتاً از بخار آبی مشتق می‌شود که به وسیله انرژی ناشی از انشقاق و شکاف هسته‌ای یا گرمای حاصل از سوختن سوخت‌های فسیلی (نظیر زغال‌سنگ، گاز طبیعی یا نفت) به نقطه جوش می‌رسد. علاوه بر این در جهان امروز تکنولوژی استفاده از نور خورشید به عنوان منبع حرارت استفاده نیروگاه‌ها در حال همه‌گیر شدن است؛ شیارهای سهمی‌شکل و برج‌های انرژی خورشیدی که از نور خورشید برای گرم‌کردن سیال توربین‌ها استفاده می‌کنند. یکی دیگر از منابع تجدیدپذیری که برای تولید گرما و به حرکت درآوردن توربین‌ها از آن استفاده می‌شود، انرژی زمین‌گرمایی است. بخار تحت فشار حرارت زیرزمینی از زمین بیرون آمده و توربین‌ها را به حرکت درمی‌آورد. پره‌های توربین آبی که توسط آب جاری از سدهای برق‌آبی یا نیروهای ناشی از جزر و مد به حرکت درمی‌آیند منبع دیگری برای تولید برق هستند. اکثر توربین‌های بادی از بادهایی که به طور طبیعی می‌وزند برق تولید می‌کنند. برج‌های خورشیدی هم از بادی که به طور مصنوعی درون دودکش‌ها با حرارت ناشی از نور خورشید جریان دارند کار می‌کنند.

توربین‌های گازی هم مستقیماً به‌ وسیله گازهای ناشی از سوخت نفت یا گاز طبیعی به حرکت درمی‌آیند. از سوی دیگر نیروگاه‌های سیکل ترکیبی نیز با بخار و گاز فعالیت می‌کنند. آنها از سوختن گاز طبیعی در توربین‌های گازی انرژی تولید کرده و از گرمای اضافی این سوخت برای تولید برق از بخار استفاده می‌کنند. این نیروگاه‌ها بازدهی بالای 60 درصد دارند.

یکی از منحصر به‌ فردترین و پرکاربردترین انرژی‌های تجدیدپذیر، انرژی خورشیدی است که این قابلیت را دارد که به صورت مستقیم و غیرمستقیم به اشکال دیگر انرژی تبدیل شود. در مجموع انرژی متصاعدشده از خورشید در حدود 8 /3 در 1023 کیلووات در ثانیه است. نیروگاه‌های خورشیدی با هزینه‌ای بسیار کم، بدون تولید گازهای مخرب و بدون اشغال فضاهای مفید، جایگزینی بسیار مناسب برای نیروگاه‌های سوخت فسیلی محسوب می‌شوند.

مراکش به عنوان کشوری در حال توسعه توانسته فاز اول بزرگ‌ترین نیروگاه خورشیدی متمرکز در جهان را راه‌اندازی کند. پیش‌بینی‌ها نشان داده مراکش می‌تواند تا سال 2020 به همراه سایر نیروگاه‌های آبی و بادی، نیمی از نیاز برق کشور را از طریق این انرژی‌های پاک تامین کند. بر اساس گزارشی که با عنوان «وضعیت جهانی انرژی‌های تجدیدناپذیر در سال 2017» منتشر شده، عمان نیز به عنوان بزرگ‌ترین سرمایه‌گذار ساخت نیروگاه حرارتی خورشیدی در عصر جدید شناخته شده است.

یکی دیگر از کشورهای پیشرو در زمینه انرژی‌های خورشید، چین است. بر اساس گزارش بلومبرگ، چین به منظور کاهش میزان انتشار کربن، سرمایه‌گذاری عظیمی را در حوزه انرژی‌های تجدیدپذیر انجام داده به طوری که 77 درصد از کل ظرفیت آبگرمکن‌های خورشیدی تازه احداث‌شده در جهان متعلق به چین است. پارک خورشیدی لانگیانژیا در چین با ظرفیت 850 مگاوات، پروژه کموتهی هند با ظرفیت تولید 648 مگاوات و پروژه ستاره خورشیدی در کالیفرنیای آمریکا با ظرفیت 579 مگاوات در رتبه‌های اول تا سوم بزرگ‌ترین نیروگاه‌های فتوولتائیک قرار دارند.

تکنولوژی‌های جدید

از انواع دیگر تکنولوژی‌های مورد مطالعه برای تولید برق می‌توان به تولید حالت جامد اشاره کرد که سهم ویژه‌ای در مصارف و نیازهای متحرک دارد. فضای مورد استفاده آنها عمدتاً ابزارهای ترموالکتریک (TE) هستند. با وجود اینکه سیستم‌های یونی گرمایی (TI) و فتوولتائیک حرارتی (TPV) به اندازه سیستم‌های TE پیشرفت کرده‌اند ولی چنان که انتظار می‌رود سیستم‌های TE  نسبت به سیستم‌های TI و TPV در دماهای پایین‌تری به کار می‌روند. وسایل پیزوالکتریکی نیز برای تولید انرژی از نیروی کشش مکانیکی استفاده می‌کنند.

بتاولتائیک‌ها نوع دیگری از ژنراتورهای انرژی حالت جامد هستند که از پراکنش اشعه رادیواکتیو برق تولید می‌کنند. همچنین تولید برق بر اساس حرکت آبی مغناطیسی (MHD) مبتنی بر مایع به عنوان روشی برای تولید انرژی برق از رآکتورهای هسته‌ای و نیز سیستم‌های احتراقی معمول مورد مطالعه قرار گرفته است. تولید برق الکتروشیمیایی نیز در مصارف قابل انتقال بسیار مهم است. در حال حاضر بیشترین میزان انرژی الکتروشیمیایی از سلول‌های الکتروشیمیایی بسته (باتری‌ها) به دست می‌آید که مسلماً بیشتر به عنوان سیستم‌های ذخیره عمل می‌کنند تا سیستم‌های تولید. اما مطالعه و تحقیق برای گسترش سیستم‌های الکتروشیمیایی که تحت عنوان سلول‌های سوختی شناخته شده‌اند در چند سال اخیر افزایش قابل توجهی یافته است. سلول‌های سوختی می‌توانند برای استخراج انرژی چه از سوخت‌های طبیعی و چه از سوخت‌های مصنوعی (به طور عمده هیدروژن الکترولیتی) به کار روند. بنابراین می‌توان هم به عنوان سیستم‌های تولیدی و هم به عنوان سیستم وابسته از آن استفاده کرد.

 یکی دیگر از منابعی که امروز استفاده از آن برای تولید برق به طور گسترده‌ای مورد استقبال جوامع جهانی قرار گرفته، استفاده از بایومس (توده زیستی) است. دانمارک، کشوری است که سرمایه‌گذاری زیادی روی نیروگاه‌های زیست‌توده نیز داشته است. سوخت‌های گیاهی به دست آمده از پسماندهای جنگل‌ها و محصولات کشاورزی جهان، به نوعی بزرگ‌ترین منبع ذخیره انرژی خورشیدی به شمار می‌آید و می‌تواند سالانه به اندازه 70 میلیارد تن نفت خام، انرژی در دسترس بشر قرار دهد. نکته مهم در به کارگیری این منبع، حاصل از سوخت‌های گیاهی، آن است که دی‌اکسید حاصل از سوخت‌های گیاهی، دوباره توسط گیاهان تازه، جذب و مصرف خواهد شد و هیچ اثری در پدیده گلخانه‌ای و گرم شدن زمین نخواهد داشت. از این سوخت‌ها بیشتر در تولید گرما بهره برده می‌شود و اگرچه بازده آنها نسبت به سوخت‌های فسیلی بالا نیست اما باعث صرفه‌جویی اقتصادی چشمگیری می‌شود. در نیروگاه‌های زیست‌توده، از سوزاندن مواد زیستی و متان به دست آمده از آنها، برای تولید برق استفاده می‌شود. برای مثال، نیروگاه ترکیبی برقی‌گرمایی «آودور» در جنوب کپنهاگ یکی از کارآمدترین نیروگاه‌های جهان در نوع خود است چراکه قادر به تولید الکتریسیته از مواد زیست‌محیطی نظیر پالت‌های چوبی و کاه است. ظرفیت کلی این نیروگاه 793 مگاوات گزارش شده است. این میزان می‌تواند گرمای مورد نیاز 200 هزار خانوار و مصرف سالانه برق حدود 3 /1 میلیون خانوار را تامین کند.

زباله‌های برق‌ساز

کشورهای حاشیه خلیج‌فارس نظیر امارات، عمان و کویت از زباله برای تولید انرژی حرارتی استفاده می‌کنند. مواد آلی موجود در زباله‌ها قابل احتراق بوده و در اثر سوختن، انرژی حرارتی تولید می‌کنند. این انرژی حرارتی می‌تواند برای تولید بخار آب و در نهایت به حرکت درآوردن توربین‌ها برای تولید برق استفاده شود. در حال حاضر عمان سرمایه‌گذاری عظیمی را برای نمک‌زدایی آب دریا با ظرفیت یک‌میلیون تن در سال انجام داده تا از انرژی به دست آمده برای تبدیل بخشی از مقادیر عظیم زباله‌های شهری استفاده کند. دوبی نیز قصد دارد تا سال 2020 بزرگ‌ترین نیروگاه تبدیل زباله به برق خاورمیانه را افتتاح کند. کویت نیز برای تحقق پروژه‌های انرژی پاک، قصد دارد 50 درصد از زباله‌های شهری را به انرژی الکتریکی تبدیل کند.

انرژی دریایی و جزر و مد نیز به عنوان انرژی‌ای با پتانسیل بالا برای تامین برق مورد استفاده قرار می‌گیرد. کره جنوبی یکی از بزرگ‌ترین نیروگاه‌های جزر و مدی دنیا را با ظرفیت 255 مگاوات در جهت امواج دریاچه سی‌هوا ایجاد کرده است. این نیروگاه از 10 توربین 4 /25 مگاواتی تشکیل شده که در صورت وجود جریان مداوم آب، بیش از 250 مگاوات برق تولید می‌کند. بر اساس برآوردها این نیروگاه سالانه اجازه ورود 60 میلیارد تن آب دریا را به درون خود می‌دهد. در سال‌های اخیر نیز اسکاتلند کار احداث بزرگ‌ترین نیروگاه دریایی را در نزدیکی جزیره استروما و با وسعتی حدود 5 /3 کیلومترمربع در پیش گرفته است. برآوردها خبر از تولید 398 مگاوات برق توسط 269 توربین این نیروگاه می‌دهد که می‌تواند برق 175 هزار خانوار را تامین کند. علاوه بر انرژی جزر و مد و امواج، انرژی حرارتی اقیانوس‌ها نیز مورد توجه قرار گرفته است. در تبدیل انرژی گرمایی اقیانوس از اختلاف دما بین عمق سردتر و سطح یا عمق کمتر گرم آب اقیانوس برای به حرکت درآوردن موتورگرمایی و تولید برق استفاده می‌شود. کشورهای پیشگام در این فناوری، فرانسه و انگلستان هستند و پس از آن اسپانیا، پرتغال و ایرلند نیز پیشرفت‌های چشمگیری در این زمینه به ثبت رسانده‌اند. استرالیا نیز از امواج اقیانوس هند به صورت آزمایشی برای تامین برق پادگان‌های نظامی خود بهره می‌جوید.

اگرچه در عصر کنونی ساخت نیروگاه‌های دریایی و اقیانوسی روندی رو به رشد داشته اما با این حال همچنان چالش‌هایی در این راستا وجود دارد که باید رفع شود. گسترش خطوط انتقال نیرو و احداث تاسیسات تولید و انتقال مقاوم در برابر طوفان‌های دریایی و آب و هوای ساحل بخشی از این چالش‌هاست که باید راه‌حل‌هایی در این زمینه پیدا شود. با وجود این، پیشرفت روزافزون علم و فناوری، راه را برای بهره‌وری از انرژی‌های پاک بیش از پیش هموار ساخته و پیش‌بینی می‌شود در آینده نزدیک، بشر با به‌کارگیری انرژی‌های پاک و تجدیدپذیر، نگرانی‌ای بابت منابع تولید برق نداشته و در مسیر توسعه پایدار گام بردارد.