انرژی های نو

مقدمه

طبق آمارهای به ثبت رسیده طی ۳۰ سال گذشته احتیاجات انرژی جهان به مقدار قابل ملاحظه ای افزایش یافته است. در سال
۱۹۶۰ مصرف انرژی جهان معادل ۳/۳ (Gtoe/year) (Gigatons of Oil Equivalent) -بوده است. در سال ۱۹۹۰ این رقم به ۸/۸ Gtoe بالغ گردید ، که دارای رشد متوسط سالانه ۳/۳ درصد می‌باشد و در مجموع ۱۶۶ درصد افزایش نشان می‌دهد و در حال حاضر مصرف انرژی جهان ۱۰ Gtoe/Year بوده و پیش‌بینی می‌شود این رقم در سالهای ۲۰۱۰، ۲۰۲۰ به ۱۲ و ۱۴ Gtoe/Year  افزایش یابد .

این ارقام نشان می‌دهند که میزان مصرف انرژی جهان در قرن آینده بالا رفته و به طبع این سؤال مهم مطرح می‌باشد که آیا منابع
انرژی های فسیلی در قرن‌های آینده، جوابگوی نیاز انرژی جهان برای بقا، تکامل و توسعه نخواهند بود یا خیر؟
حداقل به دو دلیل عمده پاسخ این سوال منفی است و باید منابع جدید انرژی را جایگزین این منابع نمود. این دلایل عبارتند از:

محدودیت و در عین حال مرغوبیت انرژی‌های فسیلی چرا که این سوخت‌ها از نوع انرژی شیمیایی متمرکز بوده و مسلماً کاربردهای بهتر از احتراق دارند.

امروزه مسائل و مشکلات زیست محیطی به گونه‌ای جامعه بشری را تهدید می‌کند که حفظ سلامت اتمسفر به یکی از مهمترین
پیش شرط‌های توسعه اقتصادی پایدار جهان تبدیل شده است. از این رو است که دهه‌های آینده بعنوان سال‌های تلاش مشترک جامعه انسانی برای کنترل انتشار کربن، کنترل محیط‌زیست و در واقع تلاش برای تداوم انسان بر روی کره زمین خواهد بود.
بنابراین استفاده از منابع جدید انرژی به جای منابع فسیلی امری الزامی است.

سیستم‌های جدید انرژی در آینده باید متکی به تغییرات ساختاری و بنیادی باشد که در آن منابع انرژی بدون کربن نظیر انرژی
خورشیدی، بادی، زمین گرمایی و کربن خنثی مانند انرژی بیوماس مورد استفاده قرار می‌گیرند. بدون تردید انرژی‌های تجدیدپذیر با توجه به سادگی فن‌آوری‌شان در مقابل فن‌آوری انرژی هسته‌ای از یک طرف و نیاز بدلیل عدم ایجاد مشکلاتی نظیر زباله‌های اتمی از طرف دیگر نقش مهمی در سیستم‌های جدید انرژی در جهان ایفا می‌کنند.

در هر حال باید اذعان داشت که در عمل عوامل متعددی بویژه هزینه اولیه و قیمت تمام شده بالا، عدم سرمایه‌گذاری کافی برای
بومی نمودن و بهبود کارآیی تکنولوژی‌های مربوطه ، به حساب نیامدن هزینه‌های خارجی در معادلات اقتصادی، نبود سیاست‌های حمایتی در سطح جهانی، منطقه‌ای و محلی، نفوذ و توسعه انرژی‌های نو را بسیار کند و محدود ساخته است. ولی
پژوهش‌گران و صنعت‌گران همواره تلاش خود را جهت رفع این مشکلات مبذول می‌دارند. بطور کلی عمده فعالیت‌های مربوط به احداث نیروگاه‌های سازگار با محیط زیست با بکار بردن منابع انرژی تجدیدپذیر و اجرای پروژه‌های مهندسی و انجام خدمات مشاوره‌ای و مدیریت بر طرح‌ها، در چهار بخش ذیل متمرکز شده است.

  • انرژی‌های خورشیدی

  • انرژی باد و امواج

  • انرژی زمین گرمایی

  • فن‌آوری هیدروژن، پیل سوختی و زیست توده

که در اینجا به توضیح اجمالی هر یک می‌پردازیم.

انرژی خورشیدی

جالب است بدانید که تابش خورشید بزرگترین منبع تجدید پذیر انرژی روی کره زمین می‌باشد و اگر فقط یک درصد از
صحراهای جهان با نیروگاه‌های حرارتی خورشیدی به کار گرفته شوند، همین مقدار برای تولید برق سالانه مورد تقاضای جهان
کافی خواهد بود.

برای سود جستن از انرژی خورشیدی دو راه وجود دارد:

  • استفاده مستقیم از نور خورشید و تبدیل آن به الکتریسیته از طریق سلولهای فتوولتائیک

  • استفاده مستقیم از انرژی خورشیدی و تبدیل آن به انواع انرژی‌های دیگر و یا استفاده مستقیم از آن (کاربردهای نیروگاهی و غیر نیروگاهی خورشیدی)

یک نیروگاه خورشیدی شامل تأسیساتی است که انرژی تابشی خورشید را جمع کرده و با متمرکز کردن آن، درجه حرارت‌های بالا ایجاد می‌کند. انرژی جمع‌آوری شده از طریق مبدلهای حرارتی، توربین‌های ژنراتورها و یا موتورهای بخار به انرژی الکتریکی تبدیل خواهد شد. نیروگاه‌های خورشیدی بر اساس نوع متمرکز‌کننده‌ها به سه دسته تقسیم می‌شوند:

  • نیروگاه سهموی خطی (Parabolic TroughCollectors)

  • نیروگاه دریافت کننده مرکزی(R.S )

  • نیروگاه دیش استرلینگ (این تکنولوژی در نیروگاه‌های خورشیدی مورد استفاده کمتری دارد و در کاربردهای غیر نیروگاهی بیشتر استفاده می‌شوند.

نمونه اجرا شده در ایران: نیروگاه سهموی خطی ۲۵۰ کیلووات شیراز

از انرژی حرارتی خورشید علاوه بر استفاده نیروگاهی، می‌توان در زمینه‌های زیر بصورت صنعتی، تجاری و خانگی استفاده کرد:

  • گرمایش آب مصرفی (آب گرم‌کن‌های خورشیدی برای منازل، ساختمان‌ها، کارخانجات و استخرها)

  • گرمایش فضای داخلی ساختمان‌ها

  • سرمایش فضای داخلی ساختمان‌ها و یخچال‌های خورشیدی

  • آب شیرین‌کن‌های خورشیدی (در اندازه‌های خانگی و صنعتی)

  • خشک‌کن‌های خورشیدی (برای خشک کردن مواد غذایی و محصولات کشاورزی)

  • خوراک‌پزهای خورشیدی

انرژی باد و امواج

به منظور شناخت دقیق محدودیت‌ها، موانع و امکانات موجود در جهت استفاده از منابع انرژی در کشور، ضروری است. میزان
بهره‌برداری از پتانسیل‌های موجود انرژی و روند تحولات حامل‌های انرژی‌های تجدیدپذیر در کشور نیز به روش علمی و دقیق محاسبه و ارزیابی گردد.

کشور ایران از لحاظ منابع مختلف انرژی یکی از غنی‌ترین کشورهای جهان محسوب می‌گردد، چرا که از یک سو دارای منابع
گسترده سوخت‌های فسیلی و تجدید‌ناپذیر نظیر نفت و گاز است و از سوی دیگر دارای پتانسیل فراوان انرژی‌های تجدید‌پذیر از جمله باد می‌باشد.

با توسعه نگرش‌های زیست محیطی و راهبردهای صرفه‌جویانه در بهره‌برداری از منابع انرژی‌های تجدید‌ناپذیر، استفاده از انرژی
باد در مقایسه با سایر منابع انرژی مطرح در بسیاری از کشورهای جهان رو به فزونی گذاشته است. استفاده از تکنولوژی توربین‌های بادی به دلایل زیر می‌تواند یک انتخاب مناسب در مقایسه با سایر منابع انرژی تجدید‌پذیر باشد:

  • قیمت پایین توربین‌های برق بادی در مقایسه با دیگر صور انرژی‌های نو کمک در جهت ایجاد اشتغال در کشور

  • عدم آلودگی محیط زیست

در کشورهای پیشرفته نظیر آلمان، دانمارک، آمریکا، اسپانیا، انگلستان و بسیاری کشورهای دیگر، توربین‌های بادی بزرگ و کوچک ساخته شده است و برنامه‌هایی نیز جهت ادامه پژوهش‌ها و استفاده بیشتر از انرژی باد جهت تولید برق در واحدهایی با توان چند مگاواتی مورد مطالعه می‌باشد.

در ایران نیز با توجه به وجود مناطق بادخیز طراحی و ساخت آسیاب‌های بادی از ۲۰۰۰ سال پیش از میلاد مسیح رایج بوده و
هم اکنون نیز بستر مناسبی جهت گسترش بهره‌برداری از توربین‌های بادی فراهم می‌باشد. مولدهای برق بادی می‌تواند
جایگزین مناسبی برای نیروگاه‌های گازی و بخاری باشند. مطالعات و محاسبات انجام شده در زمینه تخمین پتانسیل انرژی باد
در ایران نشان داده‌اند که تنها در ۲۶ منطقه از کشور (شامل بیش از ۴۵ سایت مناسب) میزان ظرفیت اسمی سایت‌ها، با در نظر
گرفتن یک راندمان کلی ،۳۳% در حدود ۶۵۰۰ مگاوات می‌باشد و این در شرایطی است که ظرفیت اسمی کل نیروگاه‌های برق
کشور، (در حال حاضر) ۳۴۰۰۰ مگاوات می‌باشد. در توربین‌های بادی، انرژی جنبشی باد به انرژی مکانیکی و سپس به انرژی
الکتریکی تبدیل می‌گردد.

استفاده فنی از انرژی باد وقتی ممکن است که متوسط سرعت باد در محدوده ۵/ الی ۲۵/ باشد. پتانسیل قابل بهره‌برداری انرژی
باد در جهان ۱۱۰ مااژول (هر اگاژول معادی ۱۰۱۸ژول) برآورد گردیده است که از این مقدار ۴۰ مگاوات ظرفیت نصب شده تا
اواخر سال ۲۰۰۳ میلادی( ۱۳۸۲ه.ش) در جهان می‌باشد.

از مزایای استفاده از این انرژی عدم نیاز توربین بادی به سوخت، تأمین بخشی از تقاضاهای انرژی برق، کمتر بودن نسبی انرژی
باد نسبت به انرژی فسیلی در بلند مدت، تنوع بخشیدن به منابع انرژی و ایجاد سیستم پایدار انرژی، قدرت مانور زیاد در بهره‌برداری (از چند وات تا چندین مگاوات) ، عدم نیاز به آب و نداشتن آلودگی محیط زیست می‌باشد.

نمونه اجرا شده در ایران: توربین ۶۰۰ کیلووات واقع در روستای بابائیان منجیل

 

توربین‌های بادی کوچک

از توربین‌های بادی کوچک جهت تأمین برق جزیره‌های مصرف و یا مناطقی که تأمین برق از طریق شبکه سراسری برق مشکل می‌باشد استفاده می‌شود. این توربین‌ها تا قدرت ۱۰ کیلووات توان تولید برق را دارا می‌باشند.

توربین‌های بادی متوسط

عموماً تولید این توربین‌ها بین ۲۵۰-۱۰ کیلووات است. از این توربین‌ها جهت تأمین مصارف مسکونی، تجاری، صنعتی و
کشاورزی استفاده می‌شود.

توربین‌های بادی بزرگ (مزارع بادی)

این نوع توربین‌ها معمولاً شامل چند توربین بادی متمرکز با توان تولیدی ۲۵۰ کیلووات به بالا می‌باشند که به صورت متصل به
شبکه و یا جدا از شبکه طراحی می‌گردند.

انرژی زمین‌گرمایی

مرکز زمین (به عمق قریبی ۶۴۰۰ کیلومتر) که در حدود ۴۰۰۰ درجه سانتیگراد حرارت دارد، به عنوان یک منبع حرار تی عمل
نموده و موجب تشکیل و پیدایش مواد مذاب با درجه حرارت ۶۵۰ تا ۱۲۰۰ درجه سانتیگراد در اعماق ۸۰ تا ۱۰۰ کیلومتری از
سطح زمین می‌گردد. بطور میانگین میزان انتشار این حرارت از سطح زمین که فرآیندی مستمر است معادل ۸۲ میلی‌وات در
واحد سطح است که با در نظر گرفتن مساحت کل سطح زمین ( ۵/۱*۱۰ متر مربع) ، مجموع کل اتلاف حرارت از سطح آن، برابر
با ۴۲ میلیون مگاوات است. در واقع این میزان حرارت غیر‌عادی، عامل اصلی پدیده‌های زمین شناسی از جمله فعالیت‌های
آتشفشانی، ایجاد زمین لرزه‌ها، پیدایش رشته کوه‌ها ( فعالیت‌های کوه‌زایی) و همچنین جابجایی صفحات تکتونیکی می‌باشد که
کره زمین را به یک سیستم دینامیک تبدیل نموده و پیوسته آن را تحت تغییرات گوناگون قرار می‌دهد.
امروزه با بهره‌گیری از فن‌آوری‌های موجود، نها بخش کوچکی از این منبع سرشار مهار شده و بطور اقتصادی قابل بهره‌برداری
است.
بنابراین انرژی زمین‌گرمایی، همان انرژی حرارتی قابل استحصال از پوسته جامد زمین است. انرژی زمین‌گرمایی بر خلاف سایر
انرژی‌های تجدیدپذیر منشاء یک انرژی پایدار با فاکتور دسترسی ۱۰۰% است که بطور شابانه روزی در طول سال قابل بهره‌برداری است.

خروج بخار از یک چاه زمین‌گرمایی

از انرژی زمین‌گرمایی در دو بخش کاربردهای نیروگاهی (غیر مستقیم) و غیر‌نیروگاهی (مستقیم) استفاده می‌شود. تولید
برق از منابع زمین‌گرمایی هم اکنون در ۲۲ کشور جهان صورت می‌گیرد که مجموع قدرت اسمی کل نیروگاه‌های تولید برق از
این انرژی بیش از ۸۰۰۰ مگاوات می‌باشد. این در حالی است که بیش از ۶۴ کشور جهان نیز با مجموع ظرفیت نصب شده بیش
از ۱۵۰۰۰ مگاوات حرارتی از این منبع انرژی در کاربردهای غیر نیروگاهی بهره‌برداری می‌نمایند.

نیروگاه زمین‌گرمایی تبخیر آنی

در این نیروگاه‌ها، سیالی که معمولاً به حالت دو فاز مایع و بخار از اعماق زمین و از طریق چاه‌های زمین‌گرمایی استخراج می‌شود
به مخزن جداکننده هدایت شده و بدینوسیله فاز بخار از فاز مایع جدا می‌شود. بخار جدا شده وارد توربین شده و باعث چرخش
پره‌های توربین می‌شود. پره‌ها نیز به نوبه خود محور توربین و در نتیجه محور ژنراتور رابه حرکت وا می دارند که باعث بوجود

آمدن قطب‌های مثبت و منفی در ژنراتور شده و در نتیجه برق تولید می‌شود.

نیروگاه زمین‌گرمایی با چرخه دو مداره (باینری)

در این نوع نیروگاه‌ها نیاز به مخزن جداکننده در تجهیزات نیروگاه وجود ندارد زیرا آب گرم استخراج شده وارد مبدل حرارتی
شده و حرارت نود را به سیال عامل دیگری که معمولاً ایزوپنتان می‌باشد و نقطه جوش پایین‌تری نسبت به آب دارد منتقل
می‌کند. در این فرآیند ایزوپنتان به بخار تبدیل شده و به توربین منتقل می‌شود که در اینجا توربین و ژنراتور طبق توضیحات
فوق می‌توانند برق تولید کنند.

از کاربردهای مستقیم انرژی زمین‌گرمایی می‌توان به مواردی همچون احداث مراکز آب درمانی و تفریحی- توریستی، گرمایش
انواع گلخانه، احداث مراکز پرورش آبزیان و طیور، پیش‌گیری از یخ‌زدگی معابر در فصل سرما، تأمین گرمایش و سرمایش ساختمان‌ها توسط پمپ‌های حرارتی زمین‌گرمایی اشاره نمود.

فن‌آوری هیدروژن، پیل سوختی و زیست توده

مصرف گسترده و کلان انرژی حاصل از سوختهای فسیلی اگر چه رشد سریع اقتصادی جوامع پیشرفته صنعتی را به همراه
داشته است اما بواسطه انتشار مواد آلاینده حاصل از احتراق و افزایش دی‌اکسیدکربن در جو و پیامدهای آن، جهان را با
تغییرات روز‌افزونی آماده ساخته است که افزایش دمای زمین، تغییرات آب و هوایی، بالا آمادن سطح آب دریاها و در نهایت
تشدید منازعات بین‌المللی از جمله این پیامدها محسوب می‌شوند. از سوی دیگر اتمام قریب‌الوقوع منابع فسیلی و پیش‌بینی افزایش قیمت‌ها بیش از پیش بر اهمیت و لزوم جایگزینی سیستم انرژی فعلی اهمیت دارد. در سال ۱۹۹۷ میلادی کنوانسیون تغییرات آب و هوایی با هدف تثبیت غلظت گازهای گلخانه‌ای در اتمسفر، پرو تکل کیوتو را مطرح نمود که به موجب این پرو تکل کشورهای صنعتی ملزم به کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای شده‌اند و هدف اصلی از این کنوانسیون دست‌یابی به تثبیت غلظت گازهای گلخانه‌ای در ا تمسفر تا سطحی است که مانع تداخل خطرناک فعالیت‌های بشری با سیستم آب و هوایی گردد و چنین سطحی در چهارچوب زمانی مناسب قابل اجرا خواهد بود تا اکوسیستم‌ها بطور طبیعی خود را با تغییر آب و هوایی تطبیق دهند و اطمینان حاصل شود که امنیت غذایی تهدید نمی‌شود و توسعه اقتصادی بطور پایدار ایجاد می‌گردد. از سوی دیگر مجموعه انرژی‌های تجدیدپذیر روز به روز سهم بیشتری را در سیستم تأمین انرژی جهان بعهده می‌گیرد؛ لذا در برنامه‌ها و سیاست‌های بین‌المللی، نقش مهمی به منابع تجدیدپذیر انرژی محول گردیده است.

اما سازگار نمودن این منابع با سیستم فعلی مصرف انرژی جهانی هنوز با مشکلاتی همراه است که بررسی و حال آنها حجم
وسیعی از تحقیقات علمی جهان را در دهه‌های اخیر به خود اختصاص داده است.

تقریباً همه منابع انرژی تجدیدپذیر بصورت تناوبی در دسترس هستند و بخودی خود قابل حمل یا ذخیره‌سازی نیستند و به همین دلیل نمی‌توانند بصورت سوخت به ویژه در حمل و نقل مورد استفاده قرار گیرند.

جمع‌بندی و نتیجه‌گیری

سوخت‌های پاک دارای خواص فیزیکی و شیمیایی هستند که آنها را پاکتر از بنزین با ساختار و ترکیب فعلی در عمل احتراق می‌نمایند. این سوخت‌ها در حین احتراق مواد آلاینده کمتری تولید می کنند، در ضمن استفاده از این ساوخت‌ها شدت افزایش و
انباشته‌ شدن دی‌اکسیدکربن که موجب گرم شدن زمین می‌گردد را نیز کاهش می‌دهد. هیدروژن بعنوان یک سوخت پاک
می‌تواند جایگزین مناسبی برای سایر سوخت‌های متداول گردد و در آینده بعنوان یک حامل انرژی مطرح گردد. فراوانی سهولت
تولید از آب، مصرف تقریباً منحصر بفرد و سودمندی زیست محیطی ذاتی هیدروژن از جمله ویژگی‌هایی است که آن را در مقایسه
با سایر گزینه‌های مطرح سوختی متمایز می‌کند. هیدروژن را می‌توان با استفاده از انواع منابع انرژی اولیه تولید کرد و در تمام
موارد و کاربردهای سوخت‌های فسیلی مورد استفاده قرار داد. هیدروژن به ویژه منابع تجدیدپذیر انرژی را میل می‌کند و آنها را در هر محل و هر زمان، بصورت مناسبی در دسترس قرار داده و در اختیار مصرف‌کننده می‌گذارد. سیستم انرژی هیدروژنی
بدلیل استقلال از منابع اولیه انرژی، سیستمی دائمی، پایدار، فنا ناپذیر، فراگیر و تجدیدپذیر می‌باشد. از اینرو پیش‌بینی می‌شود که در آینده‌ای نه چندان دور، تولید و مصرف هیدروژن به عنوان حامل انرژی به سراسر اقتصاد جهانی سرایت کرده و اقتصاد هیدروژن تثبیت شود.

معرفی سوخت‌های جایگزین و مطالعه در خصوص امکان استفاده و بهره‌برداری از آنها با توجه به ملاحظات فنی-اقتصادی و منابع گسترده موجود در ایران، همچنین بدلیل روند رو به رشد مصرف سوخت‌های مایع هیدروکربنی در کشور که هر ساله موجب ضرر و زیان هنگفت به بودجه عمومی و محیط زیست کشور می‌شود، از اهمیت قابل توجهی برخوردار گردیده است.

منابع :
۱ . وزارت نیرو سازمان انرژی های نو ایران