ما هي الطاقة الكهرومائية؟ وكيف يتم إنتاجها؟

الطاقة الكهرمائية

الطاقة الكهرومائية، هي طاقة كهربائية متجددة تنتج من تحويل الطاقة الكهرومائية إلى كهرباء. يتم تحويل الطاقة الحركية لتيار الماء، الطبيعي أو الناتج عن الاختلاف في المستوى، إلى طاقة ميكانيكية بواسطة توربين هيدروليكي، ثم إلى طاقة كهربائية بواسطة مولد كهربائي متزامن.

في عام 2019م، بلغت القدرة المركبة لمحطات الطاقة الكهرومائية 1308 جيجاوات، وتنتج حوالي 4306 تيراواط / ساعة سنويًا، أو 70٪ من إنتاج العالم من الطاقة المتجددة و 15.6٪ من إنتاج الكهرباء في العالم.

مزايا وعيوب الطاقة الكهرومائية

ومن مزاياها:

  • طابعها المتجدد.
  • انخفاض تكلفة تشغيلها.
  • انخفاض انبعاثات غازات الاحتباس الحراري.
  • تساهم السعة التخزينية لخزاناتها في تعويض التغيرات في الطلب.

ومن عيوبها:

لها آثارًا اجتماعية وبيئية، لا سيما في حالة السدود المقامة في المناطق غير الجبلية. نزوح السكان، وربما فيضان الأراضي الصالحة للزراعة، وتفتت وتعديل النظم البيئية المائية والبرية، وانسداد الطمي.. إلخ.

المنتجون الرئيسيون للطاقة الكهرومائية:

في عام 2019م، كان المنتجون الرئيسيون هم الصين (30.2٪) وكندا (9.2٪) والبرازيل (9.0٪) والولايات المتحدة (6.4٪).

ما هي التقنية التي يتم بها إنتاج الطاقة الكهرمائية؟

يتم إنتاج الطاقة الكهربائية عن طريق تحويل الطاقة الحركية للمياه إلى طاقة كهربائية، بوساطة التوربينات الهيدروليكية المقترنة بمولد كهربائي. وبالنسبة للسدود عن طريق التراكم، وتعتمد كمية الطاقة المتاحة، على احتياطي المياه للسد، وعلى حجمها والمدخلات الطبيعية والخسائر خلال فترة السقوط وارتفاعه. أما بالنسبة لسدود جريان النهر، ترتبط كمية الطاقة المنتجة ارتباطًا مباشرًا بالتدفق (م 3 / ث ، م3 / س ، م 3 / د ، م3 / سنة).

هناك أربعة أنواع رئيسية من التوربينات:

يتم اختيار أنسب نوع من التوربينات عن طريق حساب السرعة المحددة المشار إليها بـ ns توربين بيلتون، وهو مناسب للسقوط العالي مع عجلة دلو، اخترعها ليستر ألان بيلتون في عام 1879م. وتم تصميمه لسقوط ارتفاعات تزيد عن 200 متر، وفي عام 1868م ركب فرانسيس توربينة لرؤوس متوسطة أو حتى عالية، بدفاعات مفردة أو مزدوجة.

وتم اختراع توربين كابلان في عام 1912م، وهو مناسب تمامًا لمعدلات التدفق المنخفضة والمرتفعة، مع عجلة من نوع المروحة، مثل عجلة القارب. وقد طور فيكتور كابلان عجلة دافعة يمكن توجيه شفراتها وفقًا لمعدلات التدفق القابلة للاستخدام، وتوربين الآبار، يستخدم حركة الهواء التي تسببها حركة الأمواج عبر أنبوب عمودي. وهو المبدأ الذي وضعه آلان ويلز.

تاريخ الطاقة الكهرمائية

  • استخدم البشر طواحين المياه التي تعمل بعجلات مجداف لطحن القمح لأكثر من ألفي عام. واستفادت منه صناعة الساعات والورق في جبال الألب بشكل كبير بسبب وفرة السيول التي تنحدر إلى الوديان.
  • في القرن التاسع عشر، تم استخدام عجلات المجذاف لتوليد الكهرباء ثم تم استبدالها بالتوربينات.
  • في عام 1869م، استخدمه المهندس أريستيد بيرجيس على سقوط مائتي متر في لانسي لقلب آلات تمزيقه، وبشر الخشب لصنع لب الورق.
  • منذ القرن العشرين، أدى التقدم التكنولوجي في الطاقة الكهرومائية السويسرية إلى تكهنات مكثفة في سوق الأوراق المالية على شركات الطاقة الكهرومائية.
  • في عشرينيات القرن الماضي، شهد التوسع السريع للكهرباء في فرنسا، مع زيادة إنتاج الكهرباء من الطاقة الكهرومائية ثمانية أضعاف بفضل السدود الأولى.

محطات الطاقة الكهرومائية

هناك ثلاثة أشكال رئيسية لتوليد الطاقة الكهرومائية:

محطات طاقة الجاذبية:

سميت بهذا الاسم لأن تدفقات المياه إلى خزاناتها أو مدخولها من المياه يأتي أساسًا من تيارات الجاذبية، مثل محطات توليد الطاقة الجارية في النهر أو محطات توليد الطاقة الكهرومائية في البحيرة.

محطات الطاقة الهيدروليكية الاحتياطية:

وهي محطات نقل الطاقة التي يتم ضخها أو محطات طاقة التخزين بالضخ، حيث تضخ التوربينات العكسية المياه من حوض منخفض إلى حوض علوي. وغالبًا ما تشتمل أيضًا على جزء الجاذبية. والنقل هو نقل مؤقت (ضخ أثناء الحوض في الطلب من الكهرباء المنتجة بواسطة المعدات الأساسية وإنتاج الكهرباء بواسطة التوربينات خلال الذروة.

محطات طاقة المد والجزر:  

وهي محطة طاقة كهرومائية تستخدم طاقة المد والجزر لتوليد الكهرباء. ومن الأمثلة على ذلك محطة رانس لتوليد الطاقة من المد والجزر، والتي تم تشغيلها في عام 1966م، للتعويض عن انخفاض إنتاج الكهرباء في بريتاني. وهي محطة تستخدم طاقة حركة البحار، سواء كان ذلك التدفق المتناوب للمد والجزر، أو التيارات البحرية الدائمة أو حركة الأمواج.

محطات تحويل الطاقة الكهربائية

إنتاج الطاقة الكهربائية

تحتوي محطات تحويل الطاقة على حوضين، حوض علوي وحوض سفلي توضع بينهما آلة كهرومائية عكسية: يمكن أن يعمل الجزء الهيدروليكي بالإضافة إلى مضخة، مثل التوربينات والجزء الكهربائي بالإضافة إلى محرك أو مولد التيار المتردد (آلة متزامن). وفي وضع التراكم، تستخدم الآلة الطاقة المتوفرة على الشبكة لرفع المياه من الحوض السفلي إلى الحوض العلوي وفي وضع الإنتاج، حيث تقوم الماكينة بتحويل طاقة الجاذبية الكامنة للماء إلى كهرباء.

تبلغ الكفاءة (النسبة بين الكهرباء المستهلكة والكهرباء المنتجة) حوالي 82٪. وهذا النوع من المصانع له أهمية اقتصادية عندما تختلف تكاليف الإنتاج الهامشية بشكل كبير خلال فترة زمنية معينة (اليوم، الأسبوع، الموسم، السنة..إلخ). إنها تجعل من الممكن تخزين طاقة الجاذبية في الفترات التي تكون فيها هذه التكاليف منخفضة، من أجل توفيرها في الفترات التي تكون فيها مرتفعة.

المياه  هي مصدر الطاقة الكهرومائية القابلة للتخزين:

أي يمكن تخزين إنتاج الكهرباء خلال ساعات الذروة لاستخدامها في أوقات الحاجة، أي عندما يكون الطلب أكبر على شبكة توزيع الكهرباء العامة، يمكن أيضًا تخزينه خلال عطلات نهاية الأسبوع ليتم تغطيته بالتوربينات خلال الأسبوع، أو حتى تخزينه في الربيع أثناء ذوبان الجليد ليتم استخدامه في الشتاء.

ويعتبر إنتاج الطاقة الكهرومائية محدود بسبب التدفق واحتياطيات المياه المتاحة، وتعتمد هذه الاحتياطيات على المناخ، وعلى الضخ المنفذ في منبع الخزانات (على سبيل المثال للري) وعلى حجم خزانات المياه (السدود).

الطاقة الكهرومائية المركبة في العالم

وصلت الطاقة الكهرومائية المركبة في العالم إلى 1308 جيجاواط في عام 2019م ، بزيادة 1.2٪، وقدر إنتاج الطاقة الكهرومائية بنحو 4306 تيراواط ساعة، بزيادة 2.5٪. وبلغت الإضافات الجديدة في السعة 15.6 جيجاواط في عام 2019م، مقابل 21.8 جيجاواط في عام 2018م. والدول التي قامت بتركيب أكبر السعات هي:

  • البرازيل: 4.92 جيجاواط من التركيبات الجديدة.
  • الصين: 4.17 جيجاواط و لاوس: 1.89 جيجاوات / ساعة، وتهيمن الصين إلى حد كبير على ترتيب الدول من خلال القدرة المركبة 356.4 جيجاوات ، أو 27.2٪ من إجمالي العالم.

إجمالي محطات طاقة التخزين التي يتم ضخها:

الطاقة الكهرمائية ومساهمتها في إنتاج الكهرباء

إن حصة الطاقة الكهرومائية في الإنتاج أقل من حصتها في السعة المركبة، حيث زادت  15.9٪ من إنتاج الكهرباء في العالم في عام 2017م، مقارنة بـ 20.9٪ في عام 1973م ، لكنها تلعب دورًا مهمًا بشكل خاص في ضمان التوازن الفوري بين إنتاج واستهلاك الكهرباء، لكن بسبب مرونة الطاقة الكهرومائية يمكن تعبئتها في بضع دقائق، لأن الطاقة الكهربائية يصعب تخزينها بكميات كبيرة.

السعة المركبة لمحطات الطاقة المخزنة:

بلغت السعة المركبة بالضخ 157.994 ميجاوات، منها 30290 ميجاوات في الصين (19.2٪)، 27637 ميجاواط في اليابان (17.5٪) و 22.855 ميجاوات في الولايات المتحدة (14.5٪). وهذه البلدان الثلاثة تمثل 51.2٪ من إجمالي العالم.

أكبر منتجي الطاقة الكهرومائية:

إن أكبر منتجي الطاقة الكهرومائية في عام 2017م، هم الصين (28.3٪) وكندا (9.4٪) والبرازيل (8.8٪) والولايات المتحدة (7.7٪). لكن مكانة هذه الطاقة المتجددة في الإنتاج الوطني للكهرباء متغيرة للغاية، حيث تبرز خمس دول بحصة 95.7٪ في النرويج ، و 62.9٪ في البرازيل، و 59.6٪ في كندا، و 44.8 ٪ في فيتنام و 39.7٪ في السويد.

الطاقة الكهرومائية طاقة متجددة

تعتبر الطاقة الكهرومائية طاقة متجددة على عكس النفط أو الغاز الطبيعي. وتثير بعض الأبحاث الشكوك حول توازن غازات الاحتباس الحراري للأنظمة الكهرومائية.

ومن شأن النشاط البكتريولوجي في مياه السدود، وخاصة في المناطق الاستوائية، وإطلاق كميات كبيرة من الميثان، وفي مشاريع السدود غالبًا ما يكون إنتاج الطاقة الكهرومائية مكملًا، وله أغراض أخرى مثل:

  • التحكم في الفيضانات وعواقبها.
  • تحسين القدرة على الملاحة في مجرى مائي.
  • توفير مياه القنوات.
  • تكوين مخزون المياه للري والسياحة.

ومنذ إنشاء سد الخوانق الثلاثة على نهر Yangzi في الصين في عام 2014م، وكان هذا البلد رائدًا في إنتاج الطاقة الكهرومائية وفي آسيا، ولكن أيضًا في إفريقيا وأمريكا الجنوبية. والرهانات الاقتصادية لمثل هذه الإنشاءات، وكذلك مكافحة الاحتباس الحراري، تجد نفسها تفوق المخاطر البيئية الأخرى.

تأثيرات استخدام الطاقة الكهرمائية على البيئية والبشرية

تختلف التأثيرات البيئية باختلاف نوع وحجم الهيكل الذي تم وضعه: فهي منخفضة عندما يتعلق الأمر باستغلال الشلالات الطبيعية والتيارات البحرية والأمواج، لكنها تصبح خطيرة  جدًا إذا يتعلق الأمر بإنشاء السدود وخزانات المياه الاصطناعية. حيث إنه يمكن اختفاء الأراضي والقرى الزراعية (مما يؤدي إلى نزوح السكان) وكذلك تعطيل حركة الحيوانات، وبشكل عام خلل النظام البيئي المحيط بأكمله.

ومن بعض الأمثلة البارزة للتأثير البيئي الكبير لإنتاج الطاقة الكهرمائية:

  • في عام 1982 م، تم تدمير شلالات السبع على الحدود بين البرازيل وباراغواي، بواسطة سد إيتايبو (Itaipu )، الذي كان أكبر سد في العالم عندما دخل حيز التشغيل. حيث إنه خلال أسبوعبن من تخزين المياه الاصطناعية للسد لتغرق منطقة الشلالات. ثم قامت الحكومة الفيدرالية للبرازيل بتفجير الجبال التي بقيت فوق الماء، مما أدى إلى تدمير واحدة من أعظم العجائب الطبيعية في العالم.
  • وأيضًا تهجير السكان لبناء أكبر سد في الصين عند الخوانق الثلاثة، وهي حالة من الهجرة القسرية واسعة النطاق.
  • تعرض مشروع سد بيلو مونتي لانتقادات شديدة من قبل الهنود الأمريكيين بما في ذلك الزعيم راوني ودعاة حماية البيئة لأن السد سوف يتسبب في إزالة الغابات بمساحة 500 كيلومتر مربع من غابات الأمازون.
  • و في القرن العشرين وفقًا للجنة الدولية للسدود الكبيرة، تم تشريد 40 إلى 80 مليون شخص من خلال بناء الخزانات. ويستمر هذا الرقم في النمو لأنه منذ عام 2000م، شهدت الطاقة الكهرومائية أكبر توسع في تاريخها (بينما يمكن أيضًا تشريد 300 مليون لاجئ بسبب ارتفاع منسوب مياه البحر في العقود القادمة، وفقًا لتوقعات محدثة في عام 2019م).

توقعات الهيئة الحكومية الدولية للطاقة الكهرمائية

إن معظم توقعات الهيئة الحكومية الدولية المعنية بتغير المناخ، تدل على أن تصل الطاقة الكهرومائية من 1700 إلى 2400 جيجاوات بحلول عام 2050م، أي تتضاعف في 30 عامًا، مما يعني ضمناً تصنيع 190 ألف كيلومتر إضافية، من الممرات المائية (السدود هي مخطط لها في جميع الأنهار الاستوائية الرئيسية التي لا تزال حرة.

المرجع:

https://fr.wikipedia.org/wiki/%C3%89nergie_hydro%C3%A9lectrique

قد يعجبك ايضا

اترك رد

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني.

تذكر أنه لا يلفظ من قول إلا لديه رقيب عتيد

هذا الموقع يستخدم Akismet للحدّ من التعليقات المزعجة والغير مرغوبة. تعرّف على كيفية معالجة بيانات تعليقك.