آشنایی با انواع انرژی تجدیدپذیر و تجدیدناپذیر

امروزه وابستگی شدید به سوخت‌های فسیلی، علی الخصوص نفت و زغال سنگ بیش از هر زمان جهان را در معرض تهدید قرار داده است. آلودگی هوا، تخریب محیط زیست و تغییر اقلیم حاصل این وابستگی است. طبق گزارش موسسه “گودارد” ناسا برای تحقیقات فضایی، میزان دی اکسید کربن موجود در هوا در ۶۵۰ هزار سال گذشته در بالاترین مقدار قرار دارد. این مقدار ۴۰۸ppm است. ۱۷سال از رکورد ۱۳۶ ساله گرمای زمین از سال ۲۰۰۱ به بعد بوده است و سال ۲۰۱۶ به عنوان گرمترین سال کره زمین شناخته شد. در کنار این مشکلات، آب شدن یخچال‌ها و افزایش سطح آب دریا‌ها نیز از دیگر مشکلات تغییر اقلیم است.

به همین دلیل تامین انرژی از منابع تجدیدپذیر، بسیار حائز اهمیت است.

 

انرژی‌های تجدیدپذیر

انرژی‌های تجدیدپذیر به انواعی از انرژی می‌گویند که منبع تولید آن‌ها بر خلاف انرژی‌های تجدیدناپذیر (فسیلی و هسته ای)، قابلیت آن را دارد که توسط طبیعت در یک بازه زمانی کوتاه مجدداً به وجود آمده یا به عبارتی تجدید شود.

منابع انرژی تجدیدپذیر پاک هستند و کمترین آسیب را به محیط زیست وارد می‌کنند. درعین حال این منابع، پایان ناپذیرند و برای سالیان متمادی و نسل‌های بعدی قابل استفاده خواهند بود.

برخی انواع انرژی‌های تجدیدپذیر که گاهی  انرژی‌های نو نیز نامیده می‌شوند ، به شرح ذیل می باشند :

 

انرژی خورشیدی

این انرژی می‌تواند به طور مستقیم از خورشید و حتی در آب و هوای ابری بدست بیاید. انرژی خورشیدی، در سطح جهان و بصورت گسترده برای تولید برق، گرما و شیرین سازی آب مورد استفاده قرار می‌گیرد. انرژی خورشیدی به دو روش اصلی تولید می‌شود:

 

فتوولتائیک (PV)

فتوولتائیک که سلول‌های خورشیدی هم نامیده می‌شوند، دستگاه‌های الکترونیکی هستند که نور خورشید را مستقیما به الکتریسیته تبدیل می‌کنند. در حال حاضر، فتوولتائیک، یکی از سریعترین شتاب‌های رشد را در بین تکنولوژی‌های انرژی تجدیدپذیر دارد.

سیستم خورشیدی فتوولتائیک، می‌تواند در مقیاس‌های مختلف مانند مقیاس تجاری و یا در مقیاس کوچکتر و مصارف شخصی استفاده شود. این سیستم در مقایس کوچک، برای مردمی‌که در کنار خطوط انتقال زندگی نمی‌کنند روش بسیار مناسبی برای تامین برق است. علی الخصوص برای کسانی که در کشورهای در حال توسعه با تابش مناسب خورشید بسیار ایده آل است.

 

نیروی خورشیدی متمرکز (CSP)

در این روش از آیینه برای متمرکز کردن پرتوی خورشید استفاده می‌شود. این پرتوها سیال را گرم کرده و با ایجاد بخار و به چرخش در آوردن توربین، الکتریسیته تولید می‌شود. از این روش برای تولید الکتریسیته در نیروگاه‌ها با مقیاس بزرگ استفاده می‌شود.ظرفیت نصب شده برای تولید انرژی خورشیدی، تا پایان سال ۲۰۱۷، حدود ۳۹۰ هزار مگاوات است که تنها ۵ هزار مگاوات آن از نوع نیروی خورشیدی متمرکز است. نیروگاه تنگر در چین، با ظرفیت ۱۵۴۷ مگاوات بزرگترین نیروگاه خورشیدی جهان است که در حال بهره برداری می‌باشد. در حال حاضر در کشور هند، نیروگاه پاوادا با ظرفیت ۲۰۰۰ مگاوات در حال احداث است که پس از بهره برداری، بزرگترین نیروگاه خورشیدی جهان خواهد بود.

 

انرژی بادی

انرژی بادی نیز در زمینه تکنولوژی، بین انرژی‌های تجدیدپذیر شتاب رشد بالایی دارد. چرا که هزینه‌های آن در حال کاهش است. تولید برق بادی، بین سال‌های ۲۰۰۹ تا ۲۰۱۳ دو برابر شده است.

توربین‌های بادی، انرژی جنبشی باد را به انرژی الکریسیته تبدیل می‌کنند. مقدار این انرژی تولید شده از باد به اندازه توربین‌ها و اندازه پره‌ها وابسته است. تولید انرژی از باد در بریتانیا و ایالات متحده آمریکا در سال‌های ۱۸۸۷ و ۱۸۸۸ انجام پذیرفت. اما توربین‌های مدرن، برای اولین بار در سال ۱۸۹۱ در کشور دانمارک ساخته شد.

توربین‌های بادی بر اساس محور چرخش خود به دو نوع افقی و قائم دسته بندی می‌شوند. که برای مزارع بادی، محور افقی مرسوم تر است. این مزارع می‌توانند در خشکی (onshore) یا در دریا‌ها و اقیانوس‌ها (offshore) باشند.

در حال حاضر ۵۲۰ هزار مگاوات ظرفیت نصب شده برای انرژی بادی در سراسر جهان وجود دارد. نکته حائز اهمیت در مورد این انرژی عدم نیاز به آب برای تولید انرژی است. مزرعه بادی گانسو در چین با ظرفیت ۷۹۰۰ مگاوات بزرگترین مزرعه بادی در جهان است.

 

نیروی برق آبی

انرژی برق آبی، انرژی است که از جریان آب بدست می‌آید. بیش از ۲۰۰۰ هزار سال پیش، در یونان باستان، از این انرژی برای به حرکت درآوردن چرخ‌های بزرگ به منظور آسیاب کردن استفاده می‌شد. امروزه این روش یکی از ارزان قیمت ترین روش‌های تولید برق است و اغلب در صورت وجود امکان اجرای آن، به سایر روش‌های دیگر ترجیح داده می‌شود.

بزرگترین نیروگاه برق آبی جهان با ظرفیت ۲۲.۵ گیگاوات، در چین و در سد Three Goges قرار دارد و سالانه ۸۰ تا ۱۰۰ تراوات ساعت برق تولید می‌کند که برای تامین برق حدود ۸۰ میلیون خانوار کافی است.

در این روش، از آب برای به چرخش درآوردن توربین استفاده می‌شود. نیروگاه‌های برق آبی در دو نوع با سد و بدون آن وجود دارند. سد‌های برق آبی با یک مخزن بزرگ می‌توانند آب را برای مدت طولانی ذخیره کنند تا در صورت نیاز و در پیک مصرف برای تولید برق استفاده شود. در واقع می‌توان مخازن این سد‌ها را یک باتری بزرگ در نظر گرفت که انرژی را در خود ذخیره کرده اند.

در نوع بدون سد و مخزن ذخیره، الکتریسیته در یک مقیاس کوچکتر و عموما با استفاده از تجهیزاتی که برای بهره برداری در رودخانه‌ها، بدون دخالت در جریان آب طراحی می‌شوند تولید می‌گردد. به همین دلیل است که اکثر افراد، این روش را نسبت به روش استفاده از سد، گزینه سازگارتری با محیط زیست می‌دانند.

انرژی برق آبی با ظرفیت حدود ۱ میلیون و ۲۰۰ هزار مگاوات در جهان، رتبه نخست انرژی‌های تجدیدپذیر را دارد اما از سال ۲۰۱۳، مقدار ظرفیت ایجاد شده در هر سال کاهش داشته است.

 

انرژی زمین گرمایی

انرژی زمین گرمایی، حرارتی است که از زیر سطح زمین بدست می‌آید. آب و یا بخار، انرژی زمین گرمایی را به سطح زمین منتقل می‌کنند. بسته به مشخصات، انرژی زمین گرمایی می‌تواند برای اهداف گرمایشی و سرمایشی یا تولید برق پاک مورد استفاده قرار گیرد.  این منبع کلیدی انرژی، مقدار قابل توجهی از نیاز الکتریسیته کشورهایی مانند ایسلند، السالوادور، نیوزلند، کنیا و فیلیپین و بیش از ۹۰ درصد نیاز گرمایی ایسلند را پوشش می‌دهد. ایسلند پرچمدار استفاده از این انرژی است. مزایای این نوع انرژی این است که به شرایط آب و هوایی بستگی نداشته و ظرفیت بسیار بالایی دارد. کل ظرفیت نصب شده این انرژی در جهان تا پایان سال ۲۰۱۷، نزدیک به ۱۳ هزار مگاوات می‌باشد.

مجتمع گیزر، در ایالت کالیفرنیا با ظرفیت نصب شده ۱۵۲۰ مگاوات، بزرگترین مجموعه زمین گرمایی در جهان است.

 

زیست انرژی

استفاده از زیست انرژی (Bioenergy) به دو دسته اصلی تقسیم می‌شود: سنتی و مدرن. استفاده سنتی، به سوزاندن زیست توده در اشکال چوب، لاشه حیوانات و زغال اشاره می‌کند. تکنولوژی زیست انرژی مدرن، شامل سوخت‌های زیستی مایع که از قارچ‌ها و دیگر گیاهان تولید می‌شود، پالایشگاه‌های زیستی، بیوگاز که از طریق هضم بی هوازی پسماند‌ها تولید می‌شود و دیگر تکنولوژی‌ها می‌باشد. زیست توده پتانسیل زیادی برای افزایش و ارتقاء تامین انرژی در کشورهای پر جمعیت با افزایش تقاضا مانند برزیل، هند و چین را دارد. زیست توده می‌تواند بطور مستقیم برای گرمایش و یا تولید برق سوزانده شود یا می‌تواند به جایگزین نفت یا گاز تبدیل شود.

سوخت‌های زیستی مایع، به عنوان یک جایگزین تجدیدپذیر مناسب برای بنزین، بطور گسترده در بخش حمل و نقل استفاده می‌شود.

ظرفیت زیست انرژی تا پایان سال ۲۰۱۷ نزدیک به ۱۱۰ هزار مگاوات است که از این مقدار، حدود ۹۰ هزار سهم زیست توده، ۱۷ هزار مگاوات سهم بیوگاز و ۳ هزار سهم سوخت زیستی مایع است.

 

انرژی اقیانوس

جزر و مد، امواج و جریان‌ها می‌توانند برای تولید انرژی استفاده شوند. اگر چه هنوز در مراحل تحقیق و توسعه است و بصورت اقتصادی در دسترس نیست. فناوری‌های اقیانوس برای تولید انرژی در ادامه آمده است:

 

 انرژی امواج

انرژی موج در اقیانوس باز بر اثر عمل باد روی سطح اقیانوس تولید می‌شوند. کل انرژی موج توزیع شده در زمین در حدود ۲/۵×۱۰۶ مگاوات تخمین زده می‌شود که در حدود انرژی کلی توزیعی جزر و مد است. انرژی موج منبع تجدید شونده است و معمولاً نسبت به انرژی باد بیشتر قابل تولید است. انرژیی که از امواج استخراج می‌شود، دوباره به سرعت توسط برهمکنش با دو سطح اقیانوس پر می‌شود. انرژی موج نامنظم، نوسانی و دارای فرکانس پائین است که قبل از اضافه شدن به شبکه باید یه فرکانس ۶۰ هرتز تبدیل شود.

 

انرژی جزر و مد

انرژی جزر و مد شکلی از انرژی آبی است که از تبدیل انرژی جزر و مد به اشکال مفید انرژی – عمدتاً نیروی برق – به دست می‌آید. گرچه هنوز استفاده فراگیر نیافته اما انرژی جزر و مد می‌تواند منبع مناسبی برای تولید برق در آینده باشد. جزر و مد بهتر از انرژی باد و انرژی خورشیدی قابل پیش بینی است. در میان منابع انرژی تجدید پذیر، استفاده از انرژی جزر و مد همیشه با مشکل هزینه بالا و محدودیت در مکانهای با کشند شدید یا سرعت بالای جریان آب روبرو بوده است. با وجود این، بسیاری از پیشرفتهای اخیر هم در طراحی (مانند نیروگاه کشند دینامیکی، تالابهای کشندی) و هم در تکنولوژی توربین (مانند توربین‌های جدید محوری و کراس فلو) نشان می‌دهد که کل برق کشندی موجود ممکن است از آنچه تا پیش از این فرض می‌شد بسیار بیشتر باشد و ممکن است هزینه‌های اقتصادی و زیست محیطی به سطح قابل رقابتی کاهش یابد.

 

انرژی گرادیان شوری

این انرژی از اختلاف غلظت نمک بدست می‌آید که هنگام ورود یک رودخانه به اقیانوس اتفاق می‌افتد. این پروژه‌ها از “اسموز معکوس”  با آب شیرینی که درون یک غشاء جریان دارد تا فشار را در یک تانک آب نمک افزایش دهد و “الکترو دیالیز معکوس” با یو‌های نمکی که از میان مخازن متناوب نمک و آب شیرین عبور می‌کند، استفاده می‌کنند.

 

انرژی حرارتی

تبدیل انرژی حرارتی اقیانوس، که از اختلاف دمای بین سطح گرم آب دریا و آب سردی که در عمق ۸۰۰ تا ۱۰۰۰ متر وجود دارد، برای تولید انرژی استفاده می‌کند.

همانطور که ذکر شد این پروژه‌ها در مراحل توسعه قرار دارند و تا کنون ۵۲۶ مگاوات ظرفیت از این نوع نصب شده است.

 

 پیل سوختی (Fuel cell)

پیل سوختی وسیله ای است که در طی فرآیند الکتروشیمیایی، انرژی ذخیره شده شیمیایی در سوخت را به طور مستقیم، بدون نیاز به توربین و بدون احتراق و ایجاد آلودگی، به برق DC تبدیل می‌کند.

اجزای اصلی تشکیل دهنده یک پیل سوختی عبارت است از مخزن سوخت، الکترولیت و الکترودهای نازک و متخلخل آند و کاتد. از نظر ساختار الکترولیت در میان دو الکترود آند و کاتد واقع می‌شود.

سوخت با ورود به الکترود متخلخل آند و واکنش با یک کاتالیست اکسید کننده، الکترون از دست می‌دهد و یونیزه می‌گردد، اکسیژن(هوا) نیز با ورود به الکترود متخلخل کاتد و برخورد با یک کاتالیست احیاء کننده، احیاء می‌شود.

الکترون آزاد شده در آند، از طریق یک مدار خارجی از آند به طرف کاتد جریان پیدا می‌نماید و یک جریان الکتریکی DC ایجاد می‌کند.

پیل سوختی انواع گوناکون دارد که از میان پیل سوختی هیدروژنی معروفترین آنها است، در این پیل عکس عمل الکترولیز آب صورت می‌گیرد، به عبارت دیگر از واکنش بین هیدروژن و اکسیژن، آب، حرارت و الکتریسیته تولید می‌شود. تاریخچه و برخی انواع پیل‌های سوختی در تارنمای سازمان انرژی‌های تجدیدپذیر و بهره وری انرژی برق  تشریح شده اند.

 

سهم استفاده از انواع انرزی تجدید پذیز

در سال‌های اخیر با توجه به این که منابع انرژی تجدید ناپذیر رو به اتمام هستند این منابع مورد توجه قرار گرفته‌اند. در سال ۲۰۰۶ حدود ۱۸‌٪ از انرژی مصرفی جهانی از راه انرژی‌های تجدید پذیر بدست آمد. سهم زیست‌توده به‌طور سنتی حدود ۱۳‌٪ ، که بیشتر جهت حرارت دهی و ۳‌٪  انرژی آبی بود.۲/۴‌٪ باقی‌مانده شامل نیروگاهای آبی کوچک، زیست توده مدرن، انرژی بادی، انرژی خورشیدی، انرژی زمین‌گرمایی و سوختهای زیستی می‌باشد که به سرعت در حال گسترش هستند.

استفاده از انرژی بادی با رشدی سالانه حدود۳۰‌٪ با ظرفیت نصب شده ۱۵۷۹۰۰ مگاوات در سال ۲۰۰۹، به صورت وسیعی در اروپا، آسیا و ایالات متحده به چشم می‌خورد. درپایان سال ۲۰۰۹ میلادی مجموع انرژی تولیدی به وسیله فتوولتاییک به بیش از ۲۱۰۰۰ مگاوات رسید.

ایستگاه‌های انرژی گرما-خورشیدی در آمریکا و اسپانیا مشغول به کار می‌باشند که بزرگترین آنها با ظرفیت ۳۵۴ مگاوات در بیابان موهاوی در حال کار است.بیشترین پروژه‌ها و محصولات انرژی‌های تجدیدپذیر در مقیاس بزرگ موجود می‌باشند، هرچند که می‌توان در مقیاس‌های کوچک (نیروگاه کوچک خارج مدار یا نیروگاه کوچک مدار بسته) هم استفاده کرد. به این دلیل که منابع انرژی‌های تجدیدپذیر در تمام نقاط کره زمین در دسترس می‌باشند، در حواشی و در جاهای دور افتاده، نقش انرژی‌های تجدیدپذیر به‌خوبی نمایان می‌شود، در حالی که منابع سوخت‌های فسیلی (نفت، گاز، و زغال‌سنگ) فقط در کشورهای خاصی یافت می‌شود.

 

انواع انرژی‌های تجدیدناپذیر

انرژی‌های تجدیدناپذیر انرژی‌هایی هستند که به آسانی مانند انرژی‌های تجدید پذیر در دسترس نمی‌باشند. این نوع انرژی‌ها برای تولید به زمان بسیار طولانی و حتی میلیون‌ها سال نیازمند می‌باشند.

البته در حقیقت این انسان‌ها می‌باشند که نیاز مهم و اولیه به آن‌ها را دارند. برای نمونه نفت (تیل) در طی میلیون‌ها سال از گیاهان و حیوانات درست شده و برای تجدید آن به این شکل باید میلیون‌ها سال بگذرد.

میزان استفاده‌ی فراوان و نیاز شدید بشر به این نوع انرژی‌ها باعث شده که به سرعت به سمت پایان حرکت کنند. از نمونه‌های انرژی‌های تجدید ناپذیر می‌توان به نفت، گاز، زغال سنگ و اورانیوم اشاره کرد.

 

 نفت

دانشمندان زمین‌شناس پس از آزمایشات فراوان بر روی خاک و سنگ مناطق مختلف به محل نفت خام در اعماق زمین پی بردند. به این محل‌ها «مخازن نفتی» گفته می‌شود. برای خارج کردن نفت خام از زیر زمین پس از حفر چاه، دکل‌های فلزی بزرگی برای نصب لوله‌ها و ابزار در اعماق زمین برپا می‌شود. پس از نصب لوله‌ها ماده‌ای بد بو به رنگ زرد مایل به سیاه به نام «نفت خام» از اعماق زمین به صورت یک جریان مداوم به سطح زمین راه می‌یابد.

 

 گاز

مواد آلی به موادی گفته می‌شود که زمانی حیات داشتند. به بقایای گیاهان و جانورانی که سال‌ها بر هم انباشته شده‌اند و به لایه‌ی ضخیم و محکمی‌تبدیل گشته‌اند، مواد آلی می‌گویند.

با گذشت زمان، گل و لای به سنگ تبدیل شده و مواد آلی را در زیر پوسته‌ی محکمی‌حبس کردند. پس از آن فشار و گرمای شدید بخش‌های مختلف زمین، مواد آلی را به ذغال سنگ، نفت خام و گاز طبیعی (حباب‌های ریز گاز بی‌بو) تبدیل کرد. ماده‌ی اصلی تشکیل دهنده‌ی گاز طبیعی، متان است.

 

 سوخت‌های هسته‌ای

در اثر واکنش نوترون با هسته‌ی برخی از اتم‌های سنگین مانند اورانیوم و توریم این هسته به دو یا چند هسته‌ی سبک تر شکافته می‌شود که بر اثر آن گرمای بسیار زیادی تولید می‌شود. به عنوان مثال انرژی حاصل از شکافت کامل ۱ کیلوگرم اورانیوم معادل با انرژی حاصل از سوختن حدود ۳ میلیون کیلوگرم زغال سنگ است.

در یک راکتور هسته‌ای، ماده‌ی شکافت پذیر در کوره‌ای بر اثر واکنش با نوترون شکافته می‌شود. با گرمای حاصل می‌توان آب را تبدیل کرد و توسط بخار برق تولید کرد.

از جمله مشکل‌هایی که استفاده از این سوخت ایجاد می‌کنند می‌توان به محدود بودن این سوخت‌ها، شکل آماده سازی این عنصرها برای فرآیند شکافت، پرتوزا بودن آن‌ها و پس مانده‌ی آن‌ها اشاره کرد.