الطاقة المائية: تعريفها واستخداماتها
الطاقة المائية: تعريفها واستخداماتها
تعريف الطاقة المائية:
الطاقة المائية، أو الطاقة الكهرومائية، هي مصدر متجدد للطاقة يولد الطاقة باستخدام سد، أو هيكل تحويل لتغيير التدفق الطبيعي لنهر، أو أي جسم مائي آخر. تعتمد الطاقة الكهرومائية على نظام إعادة الشحن المستمر الذي لا نهاية له لدورة المياه لإنتاج الكهرباء، باستخدام الوقود (الماء) الذي لا يتم. هناك أنواع عديدة من منشآت الطاقة الكهرومائية، على الرغم من أنها تعمل جميعها بالطاقة الحركية للمياه المتدفقة أثناء تحركها في اتجاه مجرى النهر. تستخدم الطاقة الكهرومائية التوربينات، والمولدات لتحويل تلك الطاقة الحركية إلى كهرباء، والتي يتم تغذيتها بعد ذلك في الشبكة الكهربائية لتزويد المنازل، والشركات، والصناعات بالطاقة.
تم استخدام الطاقة الكهرومائية منذ آلاف السنين. قام الرومان القدماء ببناء توربينات، وهي عبارة عن عجلات تدور بمياه متدفقة. لم تكن التوربينات الرومانية تستخدم في الكهرباء، ولكن لطحن الحبوب لصنع الدقيق والخبز.
توفر طواحين المياه مصدرًا آخر للطاقة الكهرومائية. كانت طواحين المياه، التي كانت شائعة حتى الثورة الصناعية، عبارة عن عجلات كبيرة تقع عادة على ضفاف الأنهار المعتدلة التدفق. طواحين المياه تولد الطاقة التي تعمل على تشغيل أنشطة متنوعة مثل طحن الحبوب، أو قطع الخشب، أو إحداث حرائق ساخنة لإنتاج الفولاذ. تم بناء أول محطة للطاقة الكهرومائية في الولايات المتحدة على نهر فوكس في عام 1882 في أبليتون، ويسكونسن. يعمل هذا المصنع على تشغيل مطحنتين للورق، ومنزل واحد.
كيف توليد الكهرباء باستخدام الطاقة الكهرومائية:
تحتوي معظم محطات الطاقة الكهرومائية على
خزان للمياه، وبوابة، أو صمام للتحكم في كمية المياه المتدفقة من الخزان، ومخرج، أو مكان ينتهي فيه الماء بعد التدفق إلى أسفل. يكتسب الماء طاقة كامنة قبل أن
ينسكب فوق قمة السد، أو يتدفق إلى أسفل التل. يتم تحويل الطاقة الكامنة إلى طاقة
حركية مع تدفق المياه إلى أسفل . يمكن استخدام المياه لتدوير ريش التوربينات
لتوليد الكهرباء، والتي يتم توزيعها على عملاء محطة توليد الكهرباء.
نظرًا لأن الطاقة الكهرومائية تستخدم
المياه لتوليد الكهرباء، فعادة ما توجد المحطات على مصدر المياه، أو بالقرب منه.
تعتمد الطاقة المتاحة من الماء المتحرك على حجم تدفق الماء، والتغير في الارتفاع -
المعروف أيضًا باسم الرأس - من نقطة إلى أخرى. كلما زاد التدفق، وارتفع الرأس،
زادت الكهرباء التي يمكن توليدها.
على مستوى المصنع، يتدفق الماء عبر أنبوب
- يُعرف أيضًا باسم penstock
- ثم يدور ريش التوربين، والذي بدوره يدور مولدًا ينتج الكهرباء في النهاية. تعمل
معظم منشآت الطاقة الكهرومائية التقليدية بهذه الطريقة، بما في ذلك أنظمة تشغيل
النهر وأنظمة التخزين التي يتم ضخها.
حقائق سريعة عن الطاقة المائية:
أنواع محطات الطاقة الكهرومائية:
هناك ثلاثة أنواع مختلفة من محطات الطاقة
الكهرومائية هي:
منشأة الحجز:
في منشأة الحجز، يتم استخدام السد للتحكم
في تدفق المياه المخزنة في حوض السباحة أو الخزان. عندما تكون هناك حاجة إلى مزيد
من الطاقة، يتم إطلاق الماء من السد. بمجرد إطلاق الماء، تسيطر الجاذبية ويتدفق
الماء إلى الأسفل عبر التوربين. عندما تدور ريش التوربين، فإنها تشغل المولد.
مرفق التحويل:
هذا النوع من المنشئات فريد من نوعه لأنه
لا يستخدم السد. بدلاً من ذلك، تستخدم سلسلة من القنوات لتوجيه مياه النهر
المتدفقة نحو التوربينات التي تعمل بالطاقة المولدة.
منشأة الضخ للتخزين:
تقوم هذه المحطة بتجميع الطاقة المنتجة من
الطاقة الشمسية، وطاقة الرياح، والطاقة النووية، وتخزينها لاستخدامها في المستقبل.
يخزن المصنع الطاقة عن طريق ضخ المياه صعودًا من بركة على ارتفاع منخفض إلى خزان
يقع على ارتفاع أعلى. عندما يكون هناك طلب كبير على الكهرباء، يتم تحرير المياه
الموجودة في البركة الأعلى. عندما تتدفق هذه المياه إلى الخزان السفلي، فإنها
تدير التوربينات لتوليد المزيد من الكهرباء.
مدى استخدام الطاقة الكهرومائية حول العالم:
الطاقة الكهرومائية هي أكثر مصادر الكهرباء
المتجددة استخدامًا. الصين هي أكبر منتج للطاقة الكهرومائية. من بين كبار المنتجين
الآخرين للطاقة الكهرومائية في جميع أنحاء العالم الولايات المتحدة، والبرازيل، وكندا، والهند، وروسيا. ما يقرب من 71 في المائة من جميع الكهرباء المتجددة المولدة
على الأرض تأتي من الطاقة الكهرومائية.
أكبر محطة للطاقة الكهرومائية في العالم:
يعد سد الخوانق الثلاثة في الصين، الذي
يعيق نهر اليانغتسي، أكبر سد لتوليد الطاقة الكهرومائية في العالم من حيث إنتاج
الكهرباء. يبلغ طول السد 2335 مترًا (7660 قدمًا) وارتفاعه 185 مترًا (607 قدمًا)، وبه مولدات تكفي لإنتاج 22500 ميجاوات من الطاقة.
تأثير الطاقة الكهرومائية على البيئة:
تعتمد الطاقة الكهرومائية على الماء، وهو
مصدر طاقة نظيف ومتجدد. مصدر الطاقة المتجددة هو الذي لن ينفد. تأتي الطاقة
المتجددة من مصادر طبيعية، مثل الرياح وضوء الشمس والمطر والمد والجزر، والطاقة
الحرارية الأرضية (الحرارة المنتجة داخل الأرض). تشمل مصادر الطاقة غير المتجددة
الفحم والنفط والغاز الطبيعي.
المياه متجددة لأن دورة المياه تعيد تدوير
نفسها باستمرار. يتبخر الماء، وتتشكل السحب ، ثم تمطر على الأرض، لتبدأ الدورة
مرة أخرى.
يمكن أن توفر الخزانات التي تم إنشاؤها
بواسطة السدود مساحة ترفيهية كبيرة وآمنة للمجتمع. العديد من الخزانات تحتوي أيضًا
على الأسماك. غالبًا ما تكون المنطقة المحيطة بالخزان مساحة طبيعية محمية، مما
يسمح للمخيمين والمتنزهين بالاستمتاع بالبيئة الطبيعية.
يعد استخدام المياه كمصدر للطاقة خيارًا
بيئيًا آمنًا بشكل عام. على الرغم من أنها ليست مثالية. تتطلب محطات الطاقة
الكهرومائية سدًا وخزانًا. قد تكون هذه الهياكل الاصطناعية عقبات أمام الأسماك
التي تحاول السباحة في أعلى مجرى النهر. قامت بعض السدود، بتركيب سلالم للأسماك
لمساعدة الأسماك على الهجرة. سلالم السمك عبارة عن سلسلة من الدرجات العريضة
المبنية على جانب النهر والسد. يسمح السلم للأسماك بالسباحة ببطء في اتجاه التيار
بدلاً من أن يسدها السد تمامًا.
تغمر السدود ضفاف الأنهار وتدمر موائل
الأراضي الرطبة لآلاف الكائنات الحية. غالبًا ما تكون الطيور المائية مثل
الرافعات والبط معرضة للخطر، وكذلك النباتات التي تعتمد على موطن المستنقعات على
ضفة النهر. قد يؤدي تشغيل محطة الطاقة أيضًا إلى رفع درجة حرارة الماء في الخزان.
يتعين على النباتات والحيوانات القريبة من السد التكيف مع هذا التغيير أو الهجرة
إلى مكان آخر.
هناك حدود لكمية الطاقة الكهرومائية التي
يمكن أن يوفرها السد. العامل الأكثر تقييدًا هو الطمي الذي يتراكم على قاع الخزان.
يحمل النهر المتدفق هذا الطمي، لكنه يُمنع من الوصول إلى وجهته الطبيعية في دلتا
أو مصب النهر من السد. تتراكم مئات الأمتار من الطمي في قاع الخزان، مما يقلل من
كمية المياه في المنشأة. انخفاض المياه يعني طاقة أقل قوة للتدفق عبر توربينات
الأنظمة. يجب أن تنفق معظم السدود مبلغًا كبيرًا من المال لتجنب تراكم الطمي ، وهي
عملية تسمى التغرين. يمكن لبعض محطات توليد الطاقة توفير الكهرباء لمدة 20 أو 30
عامًا فقط بسبب الطمي.
تأثير الطاقة الكهرومائية على الناس:
تساعد الطاقة الكهرومائية على تحسين
النظافة، والتعليم، وفرص العمل المتاحة للمجتمع. قامت العديد من الدول ببناء عشرات
السدود، حيث سرعان ما تحولوا إلى التصنيع. يعتمد مليارات الأشخاص على الطاقة
الكهرومائية كل يوم. تزود المنازل والمكاتب والمصانع والمستشفيات والمدارس
بالطاقة. عادة ما تكون الطاقة الكهرومائية إحدى الطرق الأولى التي يستخدمها أي بلد
لتوصيل الكهرباء بأسعار معقولة إلى المناطق الريفية.
غالبًا ما تأتي الطاقة الكهرومائية على
حساب تكلفة بشرية. تخلق السدود الضخمة اللازمة لمشاريع الطاقة الكهرومائية خزانات
تغمر أودية بأكملها. قد يتم نقل المنازل والمجتمعات والبلدات مع بدء بناء السد.
الطاقة الكهرومائية ودورة المياه:
يعد فهم دورة المياه أمرًا مهمًا لفهم
الطاقة الكهرومائية. تتكون دورة الماء من ثلاث خطوات:
1 ـ تعمل الطاقة الشمسية على تسخين المياه
على سطح الأنهار، والبحيرات، والمحيطات، مما يؤدي إلى تبخر المياه.
2 ـ يتكثف بخار الماء على شكل غيوم ويسقط
كتساقط - مطر وثلج.
3 ـ يتجمع هطول الأمطار في الجداول
والأنهار، التي تصب في المحيطات والبحيرات، حيث تتبخر وتبدأ الدورة مرة أخرى.
تحدد كمية الأمطار التي تصب في الأنهار، والجداول في منطقة جغرافية كمية المياه المتاحة لإنتاج الطاقة الكهرومائية. يمكن
أن يكون للتغيرات الموسمية في هطول الأمطار والتغيرات طويلة الأجل في أنماط هطول
الأمطار، مثل حالات الجفاف، تأثيرات كبيرة على توافر إنتاج الطاقة الكهرومائية.
محطات الطاقة الكهرومائية:
نظرًا لأن مصدر الطاقة الكهرومائية هو
الماء، فإن محطات الطاقة الكهرومائية تقع عادةً على مصدر المياه، أو بالقرب منه.
يحدد حجم تدفق الماء والتغير في الارتفاع - أو الانخفاض، وغالبًا ما يشار إليه
بالرأس - من نقطة إلى أخرى كمية الطاقة المتاحة في نقل المياه. بشكل عام ، كلما
زاد تدفق المياه وارتفاع الرأس، زادت الكهرباء التي يمكن أن تنتجها محطة الطاقة
الكهرومائية.
في محطات توليد الطاقة الكهرومائية، يتدفق
الماء عبر أنبوب، أوقلم حبر، ثم يندفع عكس الشفرات في التوربين الذي يدور
لتشغيل مولد لإنتاج الكهرباء.
تشمل المرافق الكهرومائية التقليدية ما يلي:
أنظمة الجري في النهر:
حيث تمارس قوة تيار النهر ضغطًا على
التوربينات. قد يكون للمنشآت سد في مجرى المياه لتحويل تدفق المياه إلى التوربينات
المائية.
أنظمة التخزين:
حيث تتراكم المياه في الخزانات التي
أنشأتها السدود على الجداول، والأنهار ويتم إطلاقها من خلال التوربينات المائية حسب
الحاجة لتوليد الكهرباء. تمتلك معظم منشآت الطاقة الكهرومائية سدودًا وخزانات
تخزين.
مرافق الطاقة الكهرومائية التي يتم تخزينها
بالضخ. هي نوع من أنظمة التخزين الكهرومائية، حيث يتم ضخ المياه من مصدر المياه إلى
خزان تخزين على ارتفاع أعلى. يتم إطلاق المياه من الخزان العلوي لتشغيل التوربينات
المائية الموجودة أسفل الخزان العلوي. وعادة ما يضخون المياه للتخزين عندما يكون
الطلب على الكهرباء ضعيف، أو عندما تكون أسعار الكهرباء بالجملة منخفضة نسبيًا،
ويطلقون المياه المخزنة لتوليد الكهرباء خلال فترات ذروة الطلب على الكهرباء، عندما
تكون أسعار الكهرباء بالجملة مرتفعة نسبيًا. تستخدم الأنظمة الكهرومائية التي يتم
تخزينها بالضخ بشكل عام قدرًا أكبر من الكهرباء لضخ المياه إلى خزانات تخزين
المياه العلوية مقارنةً بالمياه المخزنة. لذلك ، فإن منشآت الضخ والتخزين لديها صافي
أرصدة سلبية لتوليد الكهرباء.
تاريخ الطاقة المائية:
الطاقة المائية هي واحدة من أقدم مصادر
الطاقة لإنتاج الطاقة الميكانيكية والكهربائية. منذ آلاف السنين، استخدم الناس
الطاقة المائية لقلب عجلات المجذاف على الأنهار لطحن الحبوب. قبل توفر الطاقة
البخارية والكهرباء، كانت مصانع الحبوب والأخشاب تعمل بالطاقة المائية مباشرة.
يتم إنتاج معظم الطاقة المائية في السدود
الكبيرة على الأنهار الرئيسية، وقد تم بناء معظم هذه السدود قبل منتصف السبعينيات.
الطاقة الهيدروليكية:
تأتي الطاقة الهيدروليكية من قوة وحركة
المياه (الأنهار والشلالات والأمواج والتيارات البحرية) مما يجعل من الممكن إنتاج
الطاقة الكهربائية. تم دمج هذه الحركة في عملية إنتاج ميكانيكية ، مباشرة وغير
مباشرة، مثل الطاقة الكهربائية في محطات الطاقة الكهرومائية. يعد إنتاج الطاقة
الكهرومائية أحد المصادر الأولى للطاقات المتجددة في العالم. يجب أن يفي جرد
القطاع الهيدروليكي وآفاقه المستقبلية في مزيج الطاقة العالمي بأهداف تحول الطاقة.
ويكون أحد الحلول لمحاربة الاحتباس الحراري.
تستخدم الطاقة الهيدروليكية القوة الحركية
لتحريك المياه بجميع أشكالها (الشلالات، والتيارات في الأنهار، والممرات المائية
الأخرى) لإنتاج الطاقة. هذه العملية هي مظهر غير مباشر للطاقة الشمسية، وقوة جاذبية
القمر في دورة حياة الماء: الطاقة الشمسية تسبب أبخرة مائية من المحيطات والبحار،
والتي تتحول إلى غيوم تدفعها الرياح لتتحول إلى مطر وثلج يغذى البحيرات والأنهار
والبحار والمحيطات. وبالتالي، فهو اتحاد عدة مصادر للطاقات المتجددة التي تشارك
بشكل غير مباشر في إنتاج الطاقة الهيدروليكية.
كيف تعمل الطاقة الكهرومائية؟
يمكن مقارنة الطاقة الكهرومائية المتجددة
بطاقة الرياح في طريقة عملها. ينتج الماء حركة تنشط التوربينات التي تسمح حركتها
المستمرة - وتحت ضغط قوة الماء - بإنتاج الطاقة. يعد ضغط الماء ضروريًا في عملية
إنتاج الطاقة الهيدروليكية، لأنه كلما زاد حجمه، زادت سرعة الحركة.
يتم استخدام هذه الطاقة بشكل مباشر في
عملية الإنتاج الميكانيكي، (حالة طواحين المياه المستخدمة في الزراعة على سبيل
المثال)، أو بشكل غير مباشر، في عملية أكبر لإنتاج طاقة ثانية مثل الطاقة
الكهربائية.
مزايا وعيوب الطاقة الكهرومائية:
مزايا الطاقة الهيدروليكية:
1 ـ الطاقة الكهرومائية مشتقة من مصدر طاقة
أخضر.
2 ـ الطاقة الكهرومائية لا تنبعث منها
غازات الدفيئة، لذا فهي تحمي الكوكب من الاحتباس الحراري.
3 ـ لا تنتج أي نفايات على عكس الطاقة
النووية التي تنتج كمية معينة منها ذات إمكانات عالية السمية.
4 ـ الطاقة الهيدروليكية تجعل من الممكن
تنظيم ذروة استهلاك الكهرباء التي تحدث في فصل الشتاء، على سبيل المثال، بفضل
خزانات التخزين الخاصة بها، وبالتالي للتعويض عن الانقطاعات المفاجئة في الشبكة.
5 ـ يمكن الحصول على الطاقة الخضراء بتكلفة
معقولة على المدى المتوسط إلى الطويل.
6 ـ تساهم محطات الطاقة الكهرومائية في
التنمية الاقتصادية، والسياحية للمناطق السكنية التي توجد بها.
عيوب الطاقة الكهرومائية:
1 ـ تفترض الطاقة الهيدروليكية بناء منشآت
السدود ذات التأثير القوي على النظم البيئية المحيطة. تتأثر الحيوانات، والنباتات
في هذه الأنهار بشكل مباشر من خلال إنشاء خزان مياه اصطناعي - مع اختفاء أنواع
معينة من الحيوانات، الشيء نفسه بالنسبة لبناء شبكات خطوط الكهرباء التي تؤدي
بشكل عام إلى إنشاءات أخرى مثل الطرق وتركيب الأعمدة.
2 ـ يشغل إنشاء البنى التحتية الهيدروليكية
حيزًا وغالبًا ما يكون سببًا لنزوح السكان.
3 ـ مناطق استغلال الطاقة الكهرومائية
مقصورة على المواقع الجبلية. ومع ذلك، فإن معظم هذه المناطق مستغلة بالفعل ومجهزة
بمحطات طاقة البحيرة. هذا القيد يقلل من تطوير هذه الطاقة المتجددة وبالتالي يزيد
من حصتها في مزيج الطاقة.
4 ـ يتطلب توليد الطاقة الكهرومائية
استثمارات رأسمالية ضخمة.
5 ـ تخضع الطاقة الهيدروليكية لتقلبات
الطقس، ويمكن أن تمثل مصدرًا غير مستقر لإنتاج الطاقة الكهربائية. في حالة الجفاف،
يتم تقليل مجاري المياه، وكذلك القوة الدافعة للمياه.
الحلول اللازمة للحد من الآثار السلبية للطاقة الكهرومائية:
للحد من الآثار السلبية الطاقة الكهرومائية، يجب:
1 ـ أن تفي المحطات الكهرومائية
بالالتزامات القانونية.
2 ـ الحفاظ على مجاري المياه عند الحد
الأدنى من التدفق من أجل ضمان الحفاظ على الحياة وتنميتها
3 ـ الحفاظ على حركة الأنواع عن طريق تركيب
ممرات للأسماك ، خاصة للأسماك المهاجرة أثناء فترات التكاثر، وبالمثل، فإن بعض
المجاري المائية غير مناسبة لتشغيل محطة طاقة هيدروليكية لأنها محميات طبيعية
حقيقية لأنواع الأسماك، بشكل عام، يجب الحفاظ على جميع الكائنات الحية البرية، وتوفير الترتيبات اللازمة لها من قبل مشغلي محطات الطاقة الكهرومائية، يجب أيضًا
أخذ ما بعد السد في الاعتبار. حيث يؤدي هدم أحد السدود إلى إطلاق ماء ثقيل فيه
رواسب سامة.
تعليقات
إرسال تعليق