انرژی برق آبی، انرژی موجود در آب جاری است
تاریخ استفاده انسان از نیروی آب جاری در جوی‌ها و رودخانه‌ها به سالیان قبل باز می‌گردد. انرژی برق آبی یکی از نخستین منابع انرژی برای تولید الکتریسیته بود و تا سال ۲۰۱۹، انرژی برق آبی بزرگترین منبع تولید سالیانه کل الکتریسیته تجدیدپذیر ایالات متحده بوده است.
در سال ۲۰۲۰، هیدروالکتریسیته در حدود ۷.۳٪ تولید الکتریسیته‌ی صنعتی و ۳۷٪ تولید الکتریسیته‌ی تجدیدپذیر صنعتی را شامل می‌شد. سهم هیدروالکتریسیته از تولید الکتریسیته‌ی کل ایالات متحده در طول سالیان کاهش داشته است، که مهمترین علت این امر، افزایش تولید انرژی از منابع دیگر است.
انرژی برق آبی به چرخه‌ی آب وابسته است
داشتن درک صحیح از چرخه‌ی آب در درک بهتر انرژی برق آبی اهمیت به سزایی دارد. چرخه‌ی آب سه مرحله دارد:
- انرژی خورشیدی، آب را در سطح رودخانه‌ها، دریاچه‌ها و اقیانوس‌ها گرم نموده که در نتیجه سبب تبخیر آب می‌گردد.
- بخار آب تبدیل به ابر شده و به صورت باران و برف می بارد.
- آب باران و برف در جوی‌ها و رودخانه‌ها جمع‌آوری شده، دوباره تبخیر می‌شوند و چرخه دوباره آغاز می‌شود.
مقدار بارندگی که به رودخانه‌ها و جوی‌ها در یک منطقه جغرافیایی سرازیر می‌شود، مقدار آب در دسترس برای تولید انرژی برق آبی را مشخص می‌نماید. تغییرات فصلی در بارندگی و تغییرات طولانی مدت در الگوی بارش، مانند خشکسالی، تاثیرات چشمگیری بر روی دسترسی تولید انرژی برق آبی خواهد گذاشت.
انرژی برق آبی از آب در حال حرکت تولید می‌شود
از آنجایی که منبع انرژی برق آبی، آب است، نیروگاه‌های انرژی هیدروالکتریک اغلب در نزدیکی یک منبع آب ساخته می‌شوند. حجم جریان آب و تغییر در ارتفاع از سطح – که اصطلاحا به آن «Head» گفته می‌شود- یا ریزش باران از یک نقطه به نقطه‌ی دیگر، مقدار انرژی در دسترس در آب جاری را تعیین می‌نماید. به طور کلی، هرچه جریان آب بیشتر و head بلندتر باشد، نیروگاه انرژی برق آبی الکتریسیته‌ی بیشتری تولید خواهد نمود.
آب در نیروگاه انرژی برق آبی از درون یک لوله یا دریچه می‌گذرد و سپس به آن فشار آورده و تیغه‌های توربین را به حرکت در می‌آورد و ژنراتور را برای تولید الکتریسیته به کار می‌اندازد.
تاسیسات رایج انرژی برق آبی شامل موارد زیر می‌شوند:
- سیستم‌های جریان رودخانه، که نیروی جریان رودخانه به توربین فشار وارد می‌آورد. ممکن است در این تاسیسات یک سد تعبیه شده باشد تا جریان آب را به توربین‌های هیدرولیکی منحرف کنند.
- سیستم‌های ذخیره‌سازی، محلی که آب به وسیله یک سد که بر روی جوی یا رودخانه قرار گرفته، در درون مخازنی انباشته شود و از طریق توربین‌های هیدرولیکی و به منظور تولید الکتریسیته آزاد شود. بیشتر تاسیسات انرژی برق آبی ایالات متحده دارای سد و مخازن ذخیره‌سازی هستند.
تاسیسات انرژی برق آبی مخزن تلمبه‌ای نوعی سیستم ذخیره‌سازی هیدروالکتریکی هستند که آب از منبع آب به مخزن ذخیره‌سازی در بالاترین ارتفاع از سطح پمپاژ می‌شود و از بالاترین مخزن برای تامین برق توربین‌های هیدرولیکی که در زیر مخزن بالایی واقع شده‌اند، آزاد می‌شود. الکتریسیته‌ی لازم برای این پمپاژ ممکن است از طریق توربین‌های هیدرولیکی و یا دیگر انواع نیروگاه‌های توان از جمله نیروگاه‌های سوخت فسیلی یا هسته ای تامین شود.
هنگامی که تقاضای الکتریسیته و هزینه‌ی تولید پایین می‌رود، اغلب آب را به مخزن پمپاژ می‌کنند و زمان اوج نیاز به الکتریسیته و هنگامی که هزینه‌های تولید آن بسیار زیاد است، آب ذخیره شده را به منظور تولید الکتریسیته آزاد می‌کنند. سیستم‌های هیدروالکتریک مخزن تلمبه‌ای عموما برای پمپاژ آب به مخزن ذخیره‌سازی بالایی نسبت به مقدار تولید با آب ذخیره شده، از الکتریسیته بیشتری استفاده می‌کنند. به همین منظور تاسیسات مخزن تلمبه‌ای تعادل تولید منفی الکتریسیته خالص دارند. اداره اطلاعات انرژی ایالات متحده، تولید الکتریسیته از مخزن پمپاژ شده نیروگاه‌های توان هیدروالکتریک را تولید منفی معرفی نموده است.
تاریخچه انرژی برق آبی
انرژی برق آبی یکی از قدیمی‌ترین انواع انرژی برای تولید انرژی الکتریکی و مکانیکی به شمار می‌رود و تا سال ۲۰۱۹، بزرگترین منبع تولید سالیانه‌‌ی الکتریسیته‌ی تجدیدپذیر ایالات متحده به شمار می‌رفت. هزاران سال قبل، انسان از انرژی برق آبی به منظور چرخاندن چرخ آسیاب بر روی رودخانه و برای آسیاب کردن دانه‌ها استفاده نموده است. پیش از ظهور نیروی بخار و الکتریسیته در ایالات متحده، آسیاب‌ها و چوب‌بری‌ها مستقیما با انرژی برق آبی راه‌اندازی می‌شدند.
نخستین کاربرد صنعتی از انرژی برق آبی برای تولید الکتریسیته در ایالات متحده به سال ۱۸۸۰ باز می‌گردد که برای روشن کردن ۱۶ لامپ قوس الکتریکی در کارخانه صندلی ولورین در گرند رپیدز میشیگان، از آن استفاده شده بود. اولین نیروگاه توان هیدروالکتریک به منظور فروش الکتریسیته در ۳۰ سپتامبر سال ۱۸۸۲ در فاکس ریور ویسکانسین، افتتاح شد.
حدود ۱۴۵۰ نیروگاه برق آبی سنتی و ۴۰ نیروگاه مخزن تلمبه‌ای در ایالات متحده مشغول به کار هستند. قدیمی‌ترین تاسیسات انرژی برق آبی فعال ایالات متحده، نیروگاه «ویتینگ» در شهر ویتینگ ایالت ویسکانسین قرار دارد، که فعالیت خود را از سال ۱۸۹۱ آغاز نمود و ظرفیت تولید مجموع آن در حدود ۴ مگاوات می‌باشد. بیشتر هیدروالکتریسیته ایالات متحده پشت سدهای عظیم واقع بر رودخانه‌های بزرگ تولید می‌شوند و بیشتر این سدهای هیدروالکتریک پیش از دهه ۱۹۷۰ توسط دولت فدرال ساخته شده بودند.
بزرگترین تاسیسات انرژی برق آبی ایالات متحده و بزرگترین نیروگاه توان الکتریکی ایالات متحده از نظر ظرفیت تولید، سد هیدروالکتریکی «گرند کولی» واقع بر رودخانه کلمبیا در واشنگتن است که ظرفیت تولید کل آن ۶.۷۶۵ مگاوات می‌باشد.
حداقل ظرفیت تولید الکتریسیته‌ی نیروگاه‌های توان صنعتی ۱ مگاوات است. ظرفیت تولید، ظرفیت خالص تابستان است.
ترجمه: مینا مقدس نژاد (عضو تیم تحریریه وک شاپ)
منبع مطلب: eia.gov
منبع تصویر اصلی: voith