تجزیه و ترکیب الکتریسیته

دسترسی همگانی به انرژی یکی از مولفه‌های اصلی توسعه اقتصادی و کاهش فقر است. اطمینان یافتن از دسترسی کافی همه افراد به انرژی یکی از چالش‌های همیشگی در توسعه جهانی است. از طرفی سیستم‌های تامین انرژی تاثیرات محیط زیستی بسیاری دارند. به عنوان مثال، سیستم‌های انرژی مبتنی بر سوخت‌های فسیلی باعث تولید دی‌اکسید کربن و سایر گازهای گلخانه‌ای می‌شوند که موجب تغییرات آب‌وهوایی می‌شود. ایجاد تعادل بین توسعه و محیط زیست، ما را به هدف تامین انرژی پایدار و کافی برای همه افراد به منظور دستیابی به استاندارد بالای زندگی نزدیک می‌کند.

فرآیند تولید برق از منابع اولیه انرژی انجام می‌گیرد. برق به صورت آزاد در طبیعت یافت نمی‌شود و باید با تبدیل انواع مختلف انرژی تولید شود. فرآیند تولید برق در نیروگاه‌ها انجام می‌گیرد. منابع مختلفی برای تامین برق وجود دارد که به دو بخش کلی تجدیدپذیر و تجدیدناپذیر تقسیم می‌شود. با توجه به نیازهای در حال رشد انرژی، افزایش تقاضا، نگرانی‌های زیست‌محیطی، کاهش منابع فسیلی و همچنین گرایش به سوی منابع پاک و ارزان سبب شده دانشمندان به دنبال منابع جایگزین در انرژی باشند. در حالی که زغال‌سنگ همچنان منبع اصلی تولید برق محسوب می‌شود، اما در سال‌های اخیر انرژی خورشیدی، بادی و دیگر منابع انرژی تجدیدپذیر به عنوان جایگزین اصلی برای تولید برق ظهور کرده است. انتخاب نوع منابع تولید برق و قابلیت اقتصادی این منابع متناسب با تقاضا و منطقه متفاوت است. نیروگاه‌های آبی، هسته‌ای، حرارتی و منابع تجدیدپذیر دارای مزایا و معایب خاص خود هستند و انتخاب نوع آن بر اساس نیاز برق محلی و نوسانات تقاضاست. سهم هر کدام از این منابع در تولید برق در شکل 1 نشان داده شده است. در این بخش به توضیح انواع مختلف نیروگاه‌ها می‌پردازیم.

نیروگاه برق‌آبی (Hydroelectric Plant) 

برق‌آبی به انرژی الکتریکی تولیدشده از نیروی آب گفته می‌شود. در این نیروگاه‌ها ژنراتورهای برق به توربین‌های بسیار بزرگ متصل هستند. این توربین‌ها به دلیل حرکت سریع آب با سرعت بسیاری بالایی می‌چرخند. انرژی مکانیکی تولیدشده در توربین‌های آبی به وسیله ژنراتورها به برق تبدیل می‌شود. این نیروگاه‌ها انرژی مورد نیاز خود را معمولاً از تجمع آب در پشت سدها تامین می‌کنند. در سال‌های اخیر پیشرفت‌های زیادی در توسعه نیروگاه‌های آبی صورت گرفته است. تا سال 2015 نیروگاه‌های برق‌آبی 4 /16 درصد از کل انرژی الکتریکی جهان را تولید می‌کردند. ظرفیت نصب‌شده از سال 2005 تا 2015 به میزان 39 درصد افزایش داشته است و میانگین رشد تقریباً چهار درصد در سال است. در مقایسه با نیروگاه‌های انرژی سوخت فسیلی، نیروگاه‌های برق‌آبی مقدار کمتری از گازهای گلخانه‌ای را متصاعد می‌کنند. با این حال، ساخت نیروگاه‌های برق‌آبی و سدها نیازمند سرمایه‌گذاری‌های کلان است. طبق گزارش سازمان انرژی بین‌المللی ایالات‌متحده در سال 2017، حدود 5 /31 گیگاوات ظرفیت برق‌آبی، شامل ذخیره‌سازی پمپ، ظرفیت نصب‌شده تجمعی جهان به 1446 گیگاوات در سال 2016 رسیده است. چین به‌تنهایی تقریباً یک‌سوم ظرفیت جهانی آبی را به خود اختصاص داده و در سال 2016 حدود 74 /11 گیگاوات ظرفیت جدید اضافه کرده است. این پروژه‌های بزرگ برق‌آبی از جمله طرح‌های کلیدی چین محسوب می‌شود. در حالی که زغال‌سنگ هنوز بیش از 60 درصد از انرژی کشور چین را تولید می‌کند، افزایش منابع برق‌آبی به 20 درصد در حال حاضر، بخش مهمی از برنامه استراتژیک چین برای مقابله با تغییرات اقلیمی و کاهش تولید زغال‌سنگ است.

نیروگاه برق  خورشیدی (solar power plant)

برق خورشیدی از یک منبع بزرگ و منحصر به فرد به نام خورشید تامین می‌شود و اشعه خورشید تنها منبع انرژی الکتریکی در نیروگاه خورشیدی است که از پاک‌ترین و فراوان‌ترین منابع انرژی تجدیدپذیر به شمار می‌آید. اساس کار این نوع از نیروگاه‌ها، اثر فتوولتائیک یا (photovoltaic PV) است و با کمک این فناوری انرژی خورشیدی به برق خورشیدی تبدیل می‌شود. سلول فتوولتائیک یک قطعه الکترونیکی حالت جامد است که از دو یا چندلایه نازک از یک‌نیمه‌هادی تشکیل شده است. از پرکاربردترین نیمه‌هادی‌ها در تکنولوژی سلول‌های خورشیدی می‌توان به سیلیکون اشاره کرد. صفحات فتوولتائیک نور خورشید را مستقیماً به برق تبدیل می‌کند. اگرچه نور خورشید آزاد و فراوان است اما تکنولوژی ساخت سلول‌های خورشیدی اغلب پیچیده است و ساخت صفحات خورشیدی در مقیاس بزرگ هزینه‌های زیادی را تحمیل می‌کند. اما امروزه هزینه سلول‌های خورشیدی سیلیکونی با بازده کم در حال کاهش است. امروزه، صفحات فتوولتائیک بیشتر در مکان‌های دورافتاده مورد استفاده قرار می‌گیرد که در آن هیچ دسترسی به شبکه برق تجاری نیست یا به عنوان یک منبع برق اضافی برای خانه‌ها و کسب‌وکارهای فردی مورد استفاده قرار می‌گیرد. پیشرفت‌های اخیر در افزایش بهره‌وری تولید و فناوری فتوولتائیک همراه با نگرانی‌های زیست‌محیطی، گسترش پنل‌های خورشیدی را تسریع بخشیده است. ظرفیت نصب‌شده در آلمان، ژاپن و ایالات‌متحده با افزایش 40 درصد همراه بوده است. نیروگاه‌های انرژی خورشیدی به طور کلی نیازی به نگهداری بالا ندارند و حدود 20 تا 25 سال عمر می‌کنند. آژانس بین‌المللی انرژی در سال 2014 میلادی اعلام کرد که تا سال 2050 انرژی خورشیدی و گرمای خورشیدی به میزان 16 درصد و 11 درصد از مصرف انرژی الکتریکی جهان را دربر خواهد گرفت. با این حال، هزینه‌های اولیه برای راه‌اندازی نیروگاه‌های خورشیدی زیاد است و نصب سیستم‌های خورشیدی نیاز به فضای زیادی دارد.

 آ‌نها به گونه‌ای تنظیم شده‌اند که اشعه‌های خورشید را در یک منطقه بسیار کوچک متمرکز می‌کنند و به دنبال آن مقدار قابل توجهی از حرارت ایجاد می‌شود. سپس انرژی حرارتی تولیدشده با استفاده از توربین‌ها به برق تبدیل می‌شود. بزرگ‌ترین آرایش خورشیدی جهان در هند در پارک خورشیدی 950مگاواتی Kurnool Ultra Mega Solar قرار دارد (شکل 2). چین اکنون در تولید انرژی بادی و انرژی خورشیدی نسبت به سایر نقاط جهان پیشتاز است. این کشور ظرفیت سیستم‌های خورشیدی را در اواخر سال 2016 به دو برابر افزایش داد و ظرفیت تولید برق خود را به 42 /77 گیگاوات رساند.

نیروگاه بادی (wind plant)

 یکی از مهم‌ترین منابع انرژی تجدیدپذیر انرژی باد است. در سال‌های اخیر، استفاده از انرژی بادی در سراسر جهان،، رشد چشمگیری داشته است. باد یک انرژی طبیعی است و محدودیتی برای استفاده از آن وجود ندارد. هزینه‌های عملیاتی مربوط به حفظ نیروگاه‌های بادی پس از نصب توربین‌های بادی کم است و از نظر اقتصادی بسیار مقرون به صرفه است. همچنین می‌توان توربین‌های بادی را بر روی زمین‌های کشاورزی ساخت بدون اینکه تداخلی در فعالیت‌های کشاورزی ایجاد کنند. با این حال، نگهداری توربین‌های بادی ممکن است متفاوت باشد، زیرا برخی از آنها نیاز به بررسی‌های مکرر دارند. بزرگ‌ترین توربین بادی جهان، با ظرفیت 7965 مگاواتی در گانسو چین ساخته شده است. این تولید حدود 24 میلیارد کیلووات ساعت در سال و حدود 50 کیلومترمربع را پوشش می‌دهد و برای رسیدن به 20 هزار مگاوات در سال 2020 برنامه‌ریزی شده است که برای اولین بار انرژی‌های تجدیدپذیر وارد 10 تولیدکننده قدرتمند جهان خواهد شد.

نیروگاه برق هسته‌ای (nuclear power plant)

نیروگاه‌های برق هسته‌ای طی یک فرآیند شکافت هسته‌ای در حضور اورانیوم به عنوان سوخت مقدار قابل توجهی برق تولید می‌کنند. این فرآیند با ورود نوترون‌های آزاد کم‌انرژی به درون‌هسته عناصری که به عنوان سوخت هسته‌ای استفاده می‌شوند آغاز می‌شود. از مهم‌ترین سوخت‌های هسته‌ای می‌توان به اورانیوم 235 یا پلوتونیوم 239 اشاره کرد. به دلیل ناپایدار شدن هسته، اتم به دو یا چند هسته کوچک و برخی نوترون‌های آزاد شکافته می‌شود. در این فرآیند مقدار زیادی انرژی آزاد می‌شود. نوترون آزاد به اتم‌های دیگر حمله می‌کند، بنابراین واکنش زنجیره‌ای ایجاد می‌شود. انرژی تولیدشده از این واکنش زنجیره‌ای برای تولید برق به کار می‌رود. زمانی که به نظر برسد انرژی تولیدی به شکل تهدیدآمیزی خارج از کنترل است، نیروگاه‌های هسته‌ای روش‌هایی برای کنترل یا متوقف کردن این واکنش‌ها اتخاذ می‌کنند. به همین دلیل است که انرژی آزادشده از مواد هسته‌ای میلیون‌ها بار بیشتر از مقادیر مشابه در سوخت‌های سنتی است. در نیروگاه‌های هسته‌ای انتشار گازهای گلخانه‌ای کم است و این انرژی به عنوان سازگار با محیط زیست محسوب می‌شود. در مقایسه با انرژی‌های تجدیدپذیر مانند انرژی خورشیدی و باد، تولید برق از نیروگاه‌های هسته‌ای قابل اعتمادتر است. اگرچه هزینه سرمایه‌گذاری‌ برای راه‌اندازی نیروگاه‌های هسته‌ای بسیار بالاست، اما هزینه‌های عملیاتی آن کم است. علاوه بر این، منابع انرژی هسته‌ای چگالی بالاتری نسبت به سوخت‌های فسیلی دارند و مقدار زیادی انرژی را آزاد می‌کنند. به همین دلیل، نیروگاه‌های هسته‌ای به مقدار سوخت کمتری نیاز دارند. در سال 2007 بیش از 14 درصد برق جهان از انرژی هسته‌ای تامین شد. با این حال، نگرانی‌هایی در مورد این نوع از واکنش‌های شیمیایی وجود دارد. زیرا در حین فرآیند هسته‌ای مواد رادیواکتیو زیادی تولید می‌شود که کنترل و دفع زباله‌های هسته‌ای را مشکل‌ساز می‌کند. انفجار نیروگاه هسته‌ای فوکوشیمای ژاپن در سال 2011 به دلیل زلزله و سونامی یکی از بزرگ‌ترین فجایع هسته‌ای در دنیا بود که موجب انتشار تشعشعات مواد رادیواکتیو در محیط شد (عکس 3) و تا شعاع 20کیلومتری خالی از سکنه شد. تا قبل از آن ژاپن با در اختیار داشتن 54 رآکتور هسته‌ای فعال یک‌سوم برق کشور را تامین می‌کرد.  

 نیروگاه حرارتی (thermal plant)

این نیروگاه‌ها انرژی الکتریکی را از انرژی حرارتی (حرارت) تولید می‌کنند. از آنجا که گرما به‌ وسیله سوزاندن سوخت‌های فسیلی مانند زغال‌سنگ، نفت، یا گاز طبیعی تولید می‌شود، این نیروگاه هم به عنوان نیروگاه سوخت فسیلی شناخته می‌شود. اغلب یک توربین بخار یا یک توربین گاز انرژی حرارتی را به انرژی مکانیکی تبدیل می‌کند. توربین چرخشی به یک ژنراتور متصل است که انرژی مکانیکی توربین چرخشی را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند. کنترل و دفع خاکستر نقش مهمی در حفظ تعادل محیطی ایفا می‌کند. این روزها، نیروگاه‌هایی ساخته شده که از زیست‌توده (biomass) یا سوخت زیستی (biofuel) برای تولید برق استفاده می‌کنند.

گازهای طبیعی (natural gas)

در این نوع از نیروگاه‌ها، گازهای تولیدشده از احتراق مستقیماً توربین‌ها را می‌چرخانند. در نیروگاه‌های سیکل ترکیبی (Combined cycle power plant) از هر بخار و گاز طبیعی استفاده می‌شود. ژنراتور متصل به توربین گازی با سوختن گاز طبیعی برق تولید می‌کند و از حرارت باقی‌مانده برای تولید بخار استفاده می‌شود و برق اضافی در این قسمت تولید می‌شود (شکل 4). اگر این نیروگاه‌ها از نوع سیکل ترکیبی نباشند دمای گاز خروجی که تا 600 درجه می‌تواند باشد وارد هوا شده و موجب هدررفت انرژی می‌شود. بنابراین راندمان افزایش می‌یابد. حداقل 20 درصد انرژی جهان از گاز طبیعی تولید می‌شود.

نیروگاه زمین‌گرمایی (geothermal plant)

انرژی زمین‌گرمایی یا Geothermal از مهم‌ترین منابع تجدیدپذیر در تولید برق به شمار می‌آید. با استفاده از انرژی حرارتی موجود در پوسته زمین، انرژی الکتریکی تولید می‌شود و همیشه در دسترس است. طبق گزارش انجمن انرژی ژئوترمال، تا ماه مه سال 2015، ظرفیت برق زمین‌گرمایی در 24 کشور جهان به 8 /12 گیگاوات رسیده است. نیروگاه‌های زمین‌گرمایی سازگار با محیط زیست هستند. زیرا در مقایسه با نیروگاه‌های زغال‌سنگ گازهای مضر کمتری را وارد جو می‌کنند.

نیروگاه برقی زغال‌سنگ (Coal-fired power plant)

در این نوع نیروگاه‌ها، از زغال‌سنگ به عنوان منبع اصلی تولید برق استفاده می‌شود. نیروگاه‌های زغال‌سنگ اولین نیروگاه ساخته‌شده فسیلی هستند. به گفته انجمن جهانی زغال‌سنگ، نیروگاه‌های زغال‌سنگ در حال حاضر 41 درصد از برق جهان را تولید می‌کنند. نیروگاه‌های زغال‌سنگ از بخار زغال‌سنگ برای تولید برق استفاده می‌کنند. با این حال، این نیروگاه‌ها مقدار قابل توجهی از گازهای مضر را در جو منتشر می‌کنند. در راستای کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای، برخی از کشورهای توسعه‌یافته قبلاً اعلام کرده‌اند که قصد دارند فاز برقی کارخانه‌های زغال‌سنگ را حذف کنند. در ماه نوامبر سال 2016، دولت کانادا اعلام کرد که قصد دارد تا سال 2030 فاز تولید برق نیروگاه‌های زغال‌سنگ خود را به طور کامل از بین ببرد. در همان ماه، دولت انگلیس برنامه‌های خود را برای حذف نیروگاه‌های زغال‌سنگ تا سال 2025 مشخص کرده است.

با توجه به پیشرفت‌های تکنولوژی و تولید انبوه، هزینه‌های تولید منابع تجدیدپذیر در حال کاهش است و ساخت بسیاری از زیرساخت‌های مبتنی بر منابع تجدیدپذیر امروزه توجیه اقتصادی پیدا کرده است. در حال حاضر تولید انرژی از منابع تجدیدپذیر در بسیاری موارد در مقایسه با سوخت‌های فسیلی از نظر قیمتی رقابت می‌کنند. بسیاری از دولت‌ها در سراسر جهان به منظور حمایت از منابع پاک، یارانه‌هایی برای جبران هزینه‌های بالاتر در نظر گرفته‌اند که تولید برق و نصب سیستم‌های تجدیدپذیر را از لحاظ اقتصادی امکان‌پذیر می‌کنند. اگر قیمت گاز طبیعی کمتر از سه دلار در هر میلیون واحد گرمایی بریتانیا (BTU) باشد، تولید برق از گاز طبیعی ارزان‌تر از تولید آن از سوزاندن زغال‌سنگ است.

با توجه به شرایط منطقه‌ای، کشورهای مختلف رویکردهای متفاوتی را در حوزه انرژی اتخاذ کرده‌اند. برخی از کشورها مانند چین تمرکز جدی بر منابع تجدیدپذیر دارد. در فرانسه تنها 10 درصد برق از سوخت‌های فسیلی تامین می‌شود اما بیش از 70 درصد برق ایالات‌متحده آمریکا از سوخت فسیلی تولید می‌شود. به همین علت در ایالات‌متحده، تولید برق به‌تنهایی تقریباً 40 درصد از گازهای گلخانه‌ای را تولید می‌کند و این کشور از بزرگ‌ترین تولیدکنندگان گازهای گلخانه‌ای در جهان به شمار می‌آید.