ما هي الطاقة الكهرومائية؟

تعرف على كيفية تحويل الطاقة المائية للطاقة المائية إلى كهرباء ومزاياها وعيوبها

الطاقة الكهرومائية

الصورة: سد إيتايبو ، باراغواي / البرازيل من قبل الرابطة الدولية للطاقة الكهرومائية (IHA) مرخص بموجب CC BY 2.0

ما هي الطاقة الهيدروليكية (الكهرومائية)؟

الطاقة الكهرومائية هي استخدام الطاقة الحركية الموجودة في تدفق المسطحات المائية. تعمل الطاقة الحركية على تعزيز دوران شفرات التوربينات التي تشكل نظام محطة الطاقة الكهرومائية ، ليتم تحويلها لاحقًا إلى طاقة كهربائية بواسطة مولد النظام.

ما هو مصنع الطاقة الكهرومائية (أو محطة الطاقة الكهرومائية)؟

المحطة الكهرومائية عبارة عن مجموعة من الأعمال والمعدات المستخدمة لإنتاج الكهرباء من استخدام الإمكانات الهيدروليكية للنهر. يتم الحصول على الجهد الهيدروليكي من خلال التدفق الهيدروليكي وتركيز التفاوت الموجود على طول مجرى النهر. يمكن أن تكون الفجوات طبيعية (شلالات) أو مبنية على شكل سدود أو من خلال تحويل النهر من قاعه الطبيعي إلى تكوين الخزانات. هناك نوعان من الخزانات: الخزانات التراكمية وخزانات جريان النهر. تتشكل التراكمات عادة في منابع الأنهار ، في الأماكن التي توجد فيها شلالات عالية وتتكون من خزانات كبيرة مع تراكم كبير للمياه. تستفيد خزانات مياه النهر من سرعة مياه النهر لتوليد الكهرباء ، وبالتالي توليد الحد الأدنى من تراكم المياه أو عدم تراكمها على الإطلاق.

يتم تصنيف المحطات بدورها وفقًا للعوامل التالية: ارتفاع الشلال ، التدفق ، السعة أو الطاقة المركبة ، نوع التوربينات المستخدمة في النظام ، السد والخزان. يعطي موقع البناء ارتفاع السقوط والتدفق ، ويحدد هذان العاملان السعة أو الطاقة المركبة لمحطة الطاقة الكهرومائية. تحدد السعة المركبة نوع التوربينات والسد والخزان.

وفقًا لتقرير صادر عن الوكالة الوطنية للطاقة الكهربائية (Aneel) ، فإن المركز المرجعي الوطني للمحطات الكهرومائية الصغيرة (Cerpch ، من الجامعة الفيدرالية في Itajubá - Unifei) يحدد ارتفاع الشلال بأنه منخفض (حتى 15 مترًا) ، متوسط (من 15 إلى 150 مترًا) وارتفاعها (أكبر من 150 مترًا). ومع ذلك ، فإن هذه التدابير ليست بالتراضي. يحدد حجم المحطة أيضًا حجم شبكة التوزيع التي ستنقل الكهرباء المولدة إلى المستهلكين. كلما زاد حجم النبات ، زاد ميله إلى الابتعاد عن المراكز الحضرية. يتطلب ذلك إنشاء خطوط نقل كبيرة تتقاطع في كثير من الأحيان وتتسبب في فقد الطاقة.

كيف يعمل مصنع الطاقة الكهرومائية؟

لإنتاج الطاقة الكهرومائية ، من الضروري أن يكون هناك تكامل لتدفق النهر ، وعدم استواء التضاريس (طبيعية أو غير طبيعية) وكمية المياه المتاحة.

يتكون نظام المحطة الكهرومائية من:

سد

الغرض من السد هو قطع الدورة الطبيعية للنهر وإنشاء خزان للمياه. للخزان وظائف أخرى بالإضافة إلى تخزين المياه ، مثل خلق فجوة مائية ، والتقاط المياه بكميات كافية لإنتاج الطاقة وتنظيم تدفق الأنهار في فترات المطر والجفاف.

نظام جمع المياه (التقريب)

يتكون من أنفاق وقنوات وقنوات معدنية تنقل المياه إلى محطة توليد الكهرباء.

القوة

في هذا الجزء من النظام ، يتم توصيل التوربينات بمولد. تعمل حركة التوربينات على تحويل الطاقة الحركية لحركة المياه إلى طاقة كهربائية من خلال المولدات.

هناك عدة أنواع من التوربينات ، أهمها بيلتون وكابلان وفرانسيس وبصلة. أنسب التوربينات لكل محطة كهرومائية يعتمد على الرأس والتدفق. مثال: يتم استخدام المصباح في نباتات جريان النهر حيث لا يتطلب وجود خزانات ويشار إليه في حالات الشلالات المنخفضة والتدفقات العالية.

قناة الهروب

بعد المرور عبر التوربينات ، يتم إرجاع الماء إلى قاع النهر الطبيعي من خلال الذيل.

تقع قناة الهروب بين محطة توليد الكهرباء والنهر وتعتمد أبعادها على حجم القوة والنهر.

مفيض

يسمح المفيض بتدفق المياه إلى الخارج كلما تجاوز المستوى في الخزان الحدود الموصى بها. يحدث هذا عادة في فترات المطر.

يتم فتح قناة تصريف المياه عند ضعف إنتاج الكهرباء لأن مستوى المياه أعلى من المستوى المثالي ؛ أو لتجنب الفيضانات وبالتالي الفيضانات حول النبات ، والتي من المحتمل أن تحدث في فترات الأمطار الشديدة.

التأثيرات الاجتماعية والبيئية الناتجة عن تنفيذ محطات الطاقة الكهرومائية

تم بناء أول محطة للطاقة الكهرومائية في أواخر القرن التاسع عشر على امتداد شلالات نياجرا ، بين الولايات المتحدة وكندا ، عندما كان الفحم هو الوقود الرئيسي ولم يكن النفط مستخدمًا على نطاق واسع بعد. قبل ذلك ، كانت الطاقة الهيدروليكية تستخدم فقط كطاقة ميكانيكية.

على الرغم من أن الطاقة الكهرومائية مصدر طاقة متجددة ، يشير تقرير Aneel إلى أن مشاركتها في المصفوفة الكهربائية العالمية صغيرة وتصبح أصغر. إن عدم الاهتمام المتزايد سيكون نتيجة للعوامل الخارجية السلبية الناشئة عن تنفيذ مشاريع بهذا الحجم.

التأثير السلبي لتنفيذ مشاريع الطاقة الكهرومائية الكبيرة هو التغيير في طريقة حياة السكان الذين يقيمون في المنطقة ، أو في محيط الموقع ، حيث سيتم تنفيذ المحطة. من المهم أيضًا التأكيد على أن هذه المجتمعات غالبًا ما تكون مجموعات بشرية يتم تحديدها على أنها مجموعات سكانية تقليدية (الشعوب الأصلية ، وكويلومبولاس ، ومجتمعات الأمازون الواقعة على ضفاف النهر وغيرها) ، والتي يعتمد بقاؤها على استخدام الموارد من المكان الذي يعيشون فيه ، والذين لديهم روابط مع إقليم النظام الثقافي.

هل الطاقة الكهرومائية نظيفة؟

على الرغم من اعتباره من قبل الكثيرين مصدر طاقة "نظيف" لأنه لا يرتبط بحرق الوقود الأحفوري ، فإن توليد الطاقة الكهرومائية يساهم في انبعاث ثاني أكسيد الكربون والميثان ، وهما غازان يحتمل أن يسببا الاحترار العالمي.

انبعاث ثاني أكسيد الكربون (CO2) ناتج عن تحلل الأشجار التي تبقى فوق مستوى الماء في الخزانات ، ويحدث إطلاق غاز الميثان (CH4) من خلال تحلل المواد العضوية الموجودة في قاع الخزان. مع زيادة عمود الماء ، يزداد أيضًا تركيز الميثان (CH4). عندما يصطدم الماء بتوربينات المحطة ، يؤدي الاختلاف في الضغط إلى إطلاق غاز الميثان في الغلاف الجوي. يتم إطلاق الميثان أيضًا في مسار المياه من خلال مجرى تصريف النبات ، عندما يتم رش الماء في قطرات ، بالإضافة إلى التغيير في الضغط ودرجة الحرارة.

يتم إطلاق ثاني أكسيد الكربون عن طريق تحلل الأشجار الميتة فوق الماء. على عكس الميثان ، يعتبر جزء فقط من ثاني أكسيد الكربون المنبعث مؤثرًا ، حيث يتم إلغاء جزء كبير من ثاني أكسيد الكربون من خلال عمليات الامتصاص التي تحدث في الخزان. نظرًا لأن الميثان لا يتم دمجه في عمليات التمثيل الضوئي (على الرغم من أنه يمكن تحويله ببطء إلى ثاني أكسيد الكربون) ، فإنه يعتبر أن له تأثير أكبر على تأثير الاحتباس الحراري ، في هذه الحالة.

تم إنشاء مشروع Balcar (انبعاثات غازات الاحتباس الحراري من خزانات محطات الطاقة الكهرومائية) لدراسة مساهمة الخزانات الاصطناعية في تكثيف تأثير الاحتباس الحراري من خلال انبعاث ثاني أكسيد الكربون والميثان. أجريت الدراسات الأولى للمشروع في التسعينيات في خزانات في منطقة الأمازون: بالبينا وتوكوروي وصموئيل. تم التركيز على منطقة الأمازون في الدراسة لأنها تتميز بغطاء نباتي هائل ، وبالتالي ، إمكانية أكبر لانبعاث الغازات عن طريق تحلل المواد العضوية. في وقت لاحق ، في أواخر التسعينيات ، شمل المشروع أيضًا ميراندا وتريس مارياس وسيغريدو وشينغو وبارا بونيتا.

وفقًا للمقال الذي نشره الدكتور فيليب م. . يقارن المؤلف مع مدينة ساو باولو ، التي انبعثت 53 مليون طن من ثاني أكسيد الكربون من الوقود الأحفوري في نفس العام. بعبارة أخرى ، سيكون Tucuruí فقط مسؤولاً عن انبعاث ما يعادل 13٪ إلى 18٪ من انبعاث غازات الاحتباس الحراري في مدينة ساو باولو ، وهي قيمة مهمة لمصدر للطاقة يُعتبر لفترة طويلة "خاليًا من الانبعاثات" . كان يُعتقد أنه بمرور الوقت ، ستخضع المادة العضوية للتحلل الكامل ، ونتيجة لذلك ، لن تنبعث هذه الغازات بعد الآن. ومع ذلك ، فقد أظهرت الدراسات التي أجرتها مجموعة Balcar أن عملية إنتاج الغاز تتغذى من خلال وصول مواد عضوية جديدة تأتي من الأنهار والأمطار.

فقدان الأنواع النباتية والحيوانية

خاصة في منطقة الأمازون ، ذات التنوع البيولوجي العالي ، هناك موت حتمي للكائنات الحية النباتية في المكان الذي يتكون فيه الخزان. بالنسبة للحيوانات ، حتى لو تم التخطيط بعناية في محاولة لإزالة الكائنات الحية ، فلا يمكن ضمان حفظ جميع الكائنات الحية التي تشكل النظام البيئي. علاوة على ذلك ، يفرض بناء السدود تغييرات في الموائل المحيطة.

فقدان التربة

ستصبح التربة في المنطقة التي غمرتها المياه بالضرورة غير صالحة للاستعمال لأغراض أخرى. تصبح هذه قضية مركزية خاصة في المناطق التي يغلب عليها الطابع المسطح ، مثل منطقة الأمازون نفسها. نظرًا لأن قوة المصنع تُعطى من خلال العلاقة بين تدفق النهر وعدم استواء التضاريس ، إذا كانت التضاريس منخفضة التفاوت ، فيجب تخزين كمية أكبر من المياه ، مما يعني وجود مساحة خزان واسعة.

التغييرات في الهندسة الهيدروليكية للنهر

تميل الأنهار إلى تحقيق توازن ديناميكي بين التصريف ، ومتوسط ​​سرعة المياه ، وحمل الرواسب ، وتشكل القاع. يؤثر بناء الخزانات على هذا التوازن ، وبالتالي يتسبب في تغيرات في الترتيب الهيدرولوجي والرسوبي ، ليس فقط في موقع الحجز ، ولكن أيضًا في المنطقة المحيطة وفي الطبقة الموجودة أسفل الخزان.

السعة الاسمية × الكمية الفعلية المنتجة

هناك مسألة أخرى يجب طرحها وهي أن هناك فرقًا بين السعة المثبتة الاسمية والكمية الفعلية للكهرباء التي تنتجها المحطة. كمية الطاقة المنتجة تعتمد على تدفق النهر.

وبالتالي ، لا جدوى من تركيب نظام لديه القدرة على إنتاج طاقة أكثر مما يمكن أن يوفره تدفق النهر ، كما حدث في حالة محطة Balbina الكهرومائية ، المثبتة على نهر Uatumã.

قوة ثابتة للمصنع

نقطة أخرى مهمة يجب أخذها في الاعتبار هي مفهوم الطاقة الثابتة للمحطة. وفقًا لـ Aneel ، فإن الطاقة الثابتة للمحطة هي أقصى إنتاج مستمر للطاقة يمكن الحصول عليه ، بناءً على التسلسل الأكثر جفافاً المسجل في التدفق التاريخي للنهر الذي تم تركيبه فيه. تميل هذه القضية إلى أن تصبح محورية بشكل متزايد في مواجهة فترات الجفاف المتزايدة والشدة.

الطاقة الكهرومائية في البرازيل

البرازيل هي الدولة التي تتمتع بأكبر قدر من الطاقة الكهرومائية في العالم. وبالتالي ، يتركز 70٪ منه في حوضي الأمازون وتوكانتينز / أراغوايا. أول محطة كهرمائية برازيلية واسعة النطاق يتم بناؤها كان باولو أفونسو الأول ، في عام 1949 ، في باهيا ، بطاقة تعادل 180 ميجاوات. حاليًا ، باولو أفونسو الأول هو جزء من مجمع باولو أفونسو للطاقة الكهرومائية ، الذي يضم ما مجموعه أربعة مصانع.

بالبين

تم بناء محطة Balbina الكهرومائية على نهر Uatumã في Amazonas. تم بناء Balbina لتلبية طلب ماناوس على الطاقة. كان من المتوقع تركيب 250 ميغاواط من خلال خمسة مولدات ، بقدرة 50 ميغاواط لكل منها. ومع ذلك ، فإن تدفق نهر أواتوما يوفر متوسط ​​إنتاج سنوي أقل بكثير من الطاقة ، حوالي 112.2 ميجاوات ، منها 64 ميجاوات فقط يمكن اعتبارها طاقة ثابتة. بالنظر إلى وجود خسارة تقريبية بنسبة 2.5٪ أثناء نقل الكهرباء من المحطة إلى مركز المستهلك ، فقط 109.4 ميجاوات (62.4 ميجاوات من طاقة الشركة). قيمة أقل بكثير من السعة الاسمية 250 ميغاواط.

إيتايبو

يعتبر مصنع إيتايبو للطاقة الكهرومائية ثاني أكبر مصنع في العالم ، بقدرة مركبة تبلغ 14 ألف ميغاواط ، ويحتل المرتبة الثانية بعد تريس جورجز في الصين ، بطاقة 18200 ميغاواط. بني على نهر بارانا ويقع على الحدود بين البرازيل وباراغواي ، وهو مصنع ثنائي القومية ، لأنه ينتمي إلى كلا البلدين. تعادل الطاقة المولدة من Itaipu التي تزود البرازيل نصف طاقتها الإجمالية (7000 ميجاوات) أي ما يعادل 16.8٪ من الطاقة المستهلكة في البرازيل ، وتستخدم باراغواي النصف الآخر من الطاقة وتعادل 75٪ من باراغواي. استهلاك الطاقة.

توكوروي

تم بناء مصنع توكوروي على نهر توكانتينز في بارا ، وتبلغ طاقته الإنتاجية 8370 ميجاوات.

بيلو مونتي

تم بناء محطة بيلو مونتي للطاقة الكهرومائية ، الواقعة في بلدية التاميرا ، جنوب غرب بارا ، وافتتحها الرئيسة ديلما روسف ، على نهر زينغو. المصنع هو أكبر محطة للطاقة الكهرومائية 100٪ على الصعيد الوطني وثالث أكبر محطة في العالم. بطاقة إنتاجية تبلغ 11،233.1 ميغاواط. وهذا يعني حمولة كافية لخدمة 60 مليون شخص في 17 ولاية ، وهو ما يمثل حوالي 40٪ من الاستهلاك السكني في جميع أنحاء الدولة ، وتبلغ الطاقة الإنتاجية المكافئة 11 ألف ميغاواط ، أي أكبر مصنع من حيث القدرة المركبة بالدولة. ، ليحل محل مصنع Tucuruí كأكبر مصنع وطني بنسبة 100٪. بيلو مونتي هي أيضًا ثالث أكبر محطة للطاقة الكهرومائية في العالم ، خلف تريس غارغانتاس وإيتايبو على التوالي.

تدور العديد من القضايا حول إنشاء محطة توليد الكهرباء في بيلو مونتي. على الرغم من وجود قدرة مركبة تبلغ 11000 ميجاوات ، وفقًا لوزارة البيئة ، فإن طاقة المحطة الثابتة تتوافق مع 4500 ميجاوات ، أي 40 ٪ فقط من إجمالي الطاقة. نظرًا لأنه تم بناؤه في منطقة الأمازون ، فإن بيلو مونتي لديها القدرة على انبعاث تركيزات كبيرة من الميثان وثاني أكسيد الكربون. كل هذا دون احتساب التأثير الكبير على حياة السكان التقليديين والتأثير الكبير على الحيوانات والنباتات. عامل آخر هو أن البناء يفيد الشركات في الغالب ، وليس السكان. ما يقرب من 80 ٪ من الكهرباء موجهة للشركات في وسط وجنوب البلاد.

القابلية للتطبيق

على الرغم من الآثار الاجتماعية والبيئية السلبية المذكورة ، فإن الطاقة الكهرومائية لها مزايا مقارنة بمصادر الطاقة غير المتجددة مثل الوقود الأحفوري. على الرغم من المساهمة في انبعاث الميثان وثاني أكسيد الكبريت ، فإن محطات الطاقة الكهرومائية لا تنبعث منها أو تطلق أنواعًا أخرى من الغازات السامة ، مثل تلك التي تنبعث من محطات الطاقة الحرارية - ضارة جدًا بالبيئة وصحة الإنسان.

ومع ذلك ، فإن عيوب محطات الطاقة الكهرومائية مقارنة بمصادر الطاقة المتجددة الأخرى مثل الطاقة الشمسية وطاقة الرياح ، والتي قللت من التأثيرات البيئية مقارنة بالتأثيرات التي تسببها محطات الطاقة الكهرومائية ، هي أكثر وضوحًا. لا تزال المشكلة هي جدوى التقنيات الجديدة. إن أحد البدائل لتقليل التأثيرات المتعلقة بإنتاج الطاقة الكهرومائية هو بناء محطات صغيرة لتوليد الطاقة الكهرومائية ، والتي لا تتطلب بناء خزانات كبيرة.

  • ما هي الطاقة الشمسية ومزاياها وعيوبها
  • ما هي طاقة الرياح؟

علاوة على ذلك ، تتمتع السدود بعمر إنتاجي يبلغ حوالي 30 عامًا ، مما يدعو إلى التشكيك في قابليتها للبقاء على المدى الطويل.

دراسة "الطاقة الكهرومائية المستدامة في القرن الحادي والعشرين" ، التي أجرتها جامعة ولاية ميتشيغان ، تلفت الانتباه إلى حقيقة أن السدود الكهرومائية الكبيرة يمكن أن تصبح مصدرًا أقل استدامة للطاقة في مواجهة تغير المناخ.

من الضروري النظر في التكاليف الحقيقية للطاقة الكهرومائية ، ليس فقط التكاليف الاقتصادية والبنية التحتية ، ولكن أيضًا التكاليف الاجتماعية والبيئية والثقافية.