انرژی آبی
زمانیکه در کوهها و تپّه ها باران می بارد ، آب حاصل از آن بصورت نهر و رودخانه جاری شده و به دریا می ریزد. از آب جاری و ریزشی می توان به نحو احسن استفاده نمود. همانطوریکه قبلاً گفته شد ، انرژی عبارت است از "توانایی انجام کار". بنابراین می توان از آب جاری ، که حاوی انرژی جنبشی است ، برای تولید برق استفاده کرد.
در گذشته برای خرد کردن گندم و ذرت در آسیابها، از آب جاری برای چرخاندن چرخهای چوبی آسیاب استفاده می کردند. این نوع آسیاب را آسیاب آبی یا آسیاب غلات می گفتند.
در سال 1086 ، کتاب چند جلدی Domesday نوشته شد. در این کتاب فهرست کلیه املاک ، خانه ها ، فروشگاهها و سایر موارد در انگلستان ارائه شده است. در این کتاب فهرست 5624 آسیاب آبی واقع در جنوب رودخانه ترنت (Trent) در انگلستان درج شده است. به عبارت دیگر به ازای هر 400 نفر یک آسیاب وجود داشت.
گردش چرخهای آسیاب آبی یا از طریق آبهای ریزشی (ریزش آب از بالا برروی چرخ) و یا آبهای جاری (رودخانه) صورت می گیرد (این نوع آسیابها در تصویر نشان داده شده اند). امروزه از آب جاری نیزمی توان برای تولید برق استفاده نمود. هیدرو به معنی آب است. بدین ترتیب هیدرو – الکتریک یعنی تولید برق از طریق انرژی آب .
استفاده از انرژی جنبشی آب جاری جهت تولید برق را نیروی هیدروالکتریک گویند. با ایجاد سد میتوان جریان رودخانه را متوقف نمود. همانطوریکه در تصویر مربوط به سد شاستا (Shasta) در شمال کالیفرنیا ملاحضه می فرمائید ، با ایجاد سد، مخزنی از آب تشکیل می شود. اما سدهای احداثی برروی رودخانه های بزرگتر باعث تشکیل مخزن نمی شود. جهت تولید برق در یک نیروگاه هیدروالکتریکی ، آب رودخانه به داخل آن هدایت می شود. در تصویر ، سد دالاس را مشاهده می کنید که برروی رودخانه کلمبیا، در طول مرز بین ایالت اورگون و واشنگتن ، احداث شده است.
نیروگاههای آبی بزرگترین تولید کنندگان برق در ایالات متحده هستند. این نیروگاهها 10 درصد از کل برق مصرفی این کشور را تامین می کنند. ساخت نیروگاههای از این نوع در ایالتهای که دارای کوهستانهای مرتفع و رودخانه های زیادی هستند ، می تواند منجر به افزایش تولید برق شود. به عنوان مثال، در حدود 15 درصد از کل برق تولیدی ایالت کالیفرنیا از نیروگاههای هیدروالکتریک تامین می شود. اما بیشترین تولید برق آبی مربوط به ایالت واشنگتن است. 3 سد از 6 سد اصلی که برروی رودخانه کلمبیا احداث شده اند عبارتند از گراند کولی (Grand coulee) ، چیف جوزف (Chief joseph) و جان دی (John Day) . حدود 87 درصد از کل برق تولیدی ایالت واشنگتن از نیروگاههای هیدروالکتریک تامین می شود. مقداری از برق تولیدی این نیروگاهها به ایالتهای دیگر نیز ارسال می شود.
نحوه کار یک سد آبی
آب پشت سد بعداز عبور از یک مدخل وارد لوله ای بنام آبگیر (دریچه مخصوص تنظیم جریان آب) می شود. آب به تیغه های توربین فشار آورده و باعث حرکت آنها می گردد. توربین یک نیروگاه آبی مانند توربین یک نیروگاه معمولی عمل می کند، با فرق اینکه در اینجا از آب بجای بخار برای چرخاندن توربین استفاده می شود. گردش توربین باعث چرخش ژنراتور و درنتیجه تولید برق می گردد. سپس برق تولیدی از طریق خطوط انتقال به خانه ، مدرسه ، کارخانه و مراکز تجاری ارسال می شود.
امروزه نیروگاههای آبی در نواحی کوهستانی ایالتهای مختلف آمریکا ، که در آنجا دریاچه و
رودخانه های طویل وجود دارد ، ساخته می شوند.
نیروگاه های برق آبی، مزایا و معایب
امروزه نیروگاه های حرارتی و آبی بیشترین سهم را در تولید برق جهان دارند. هر چند مشکلات و محدودیت های تولید برق در نیروگاه های حرارتی (با سوخت فسیلی یا هسته ای) و به لحاظ مسائل تکنولوژیک، رعایت ضوابط و معیارهای زیست محیطی، محدودیت منابع و…، موجب شده است که در حال حاضر گرایش عمومی تولید برق در جهان، بیشتر متوجه احداث نیروگاه های برق آبی شود. این در حالی است که به دلیل بسیاری از مشکلات، احداث نیروگاه های حرارتی امروز از توجیه کافی برخوردار نیست و البته این نیروگاه های هسته ای هستند که می روند یکه تاز عرصه تولید برق در جهان شوند.
بر اساس اطلاعات موجود، در سال های 1985 تا 1996، رشد مصرف منابع انرژی در جهان برای انرژی هسته ای 56درصد، گاز طبیعی 4/26درصد، برق آبی 4/25درصد، نفت 1/15درصد و زغال سنگ 3/5درصد بوده است. هر چند تولید برق از طریق نیروگاه های هسته ای رویکردی ایده آل است اما در نهایت این نیروگاه های برق آبی هستند که به عنوان یکی از مهم ترین منابع تامین انرژی در جهان مورد توجه جدی قرار گرفته و برای آن سرمایه گذاری می شود.
تولید برق در نیروگاه های برق آبی از مزایایی برخوردار است که شاید بتوان گفت همین مزایا موجب شده است تا این روش تولید از مزیت نسبی برخوردار بوده و در جهان به ویژه در کشورهایی که از منابع آب نسبتا قابل توجهی برخوردارند مورد استقبال قرار گیرد. عمر مفید این نیروگاه ها بیش از 50سال می باشد و تا 100سال هم می رسد و در مقایسه با عمر نیروگاه های بخاری (حدود 25 تا 30 سال) بسیار زیاد است.
از آنجا که برای تولید انرژی چرخشی توربین، نیازی به سوخت نیست بنابراین هزینه عملکرد نیروگاه بسیار کم است. به علاوه با توجه به عدم نیاز به سوخت، به مخزن های ذخیره سوخت هم نیازی نیست. این در حالی است که ضمن پایداری بالای این نیروگاه ها هزینه نگهداری آنها نیز در مقایسه با نیروگاه های حرارتی پایین است. در عین حال که بازده نیروگاه در گذر زمان تغییر نمی کند. البته در کنار مزایای این دست از نیروگاه ها نباید از معایب آنها چشم پوشید. به رغم آنکه هزینه نگهداری این نیروگاه ها پایین است اما با توجه به اینکه برای نصب نیروگاه های برق آبی نیاز به احداث سد می باشد در نتیجه، هزینه ثابت این نیروگاه ها بسیار زیاد است؛ زیرا برای ساختن سد، ابتدا باید مسیر آب منحرف شده، سپس سد مناسب ایجاد شود که هزینه عمرانی این سدها بسیار زیاد است. با توجه به اینکه تولید این نیروگاه ها بستگی به میزان آب پشت سد دارد، در نتیجه در سال های کم آبی، تولید این نیروگاه ها با مشکل همراه خواهد بود. به خصوص در کشور ما که در منطقه خشک واقع است و در عین حال منابع آب سدها غالبا به صورت سیلابی تامین می شود و نه یخچالی، نیروگاه های برق آبی می توانند با مشکلات جدی در زمان های کمبود آب و خشکسالی مواجه باشند. از آنجا که مدت زمان ساخت سد و نیروگاه های آبی در مقایسه با دیگر نیروگاه ها بسیار زیاد است برای برنامه ریزی های کوتاه مدت انرژی، مناسب نیست و می تواند به عنوان روشی که در برنامه ریزی های بلندمدت مفید فایده است، کاربری داشته باشد.
تولید انرژی در نیروگاه های برق آبی، بدون احداث سد روی رودخانه ها غیرممکن است. در ایران نیز در یک بازه زمانی نسبتا طولانی در سال های پس از جنگ و دوران سازندگی احداث نیروگاه های برق آبی در دستور کار قرار گرفته است. ظرفیت بالقوه و عملی تولید انرژی برق آبی در ایران، 50 میلیارد کیلووات ساعت در سال است که می تواند 60درصد برق مورد نیاز فعلی کشور را تامین کند. بر اساس مطالعات انجام شده، حوضه آبریز کارون با 30 میلیارد کیلووات ساعت در سال، حوضه آبریز دز با 9 میلیارد کیلووات ساعت در سال و حوضه آبریز کرخه با شش میلیارد کیلو وات ساعت در سال، بیشترین امکانات تولید برق آبی را دارا می باشند و پنج میلیارد کیلووات ساعت باقیمانده آن مربوط به سایر حوضه هاست.
7