آینده انرژی؛ آشنایی با 8 روش‌ نوین تولید برق و پایان قطعی برق

مقدمه

با توجه به مشکلات متعددی که در سال‌های اخیر در ایران و دیگر کشورها در زمینه قطعی برق، تولید برق و کمبود منابع انرژی برای تأمین تقاضای رو به افزایش مشاهده می‌شود، به‌ویژه نگرانی‌ها در مورد وابستگی به سوخت‌های فسیلی و آسیب‌های زیست‌محیطی ناشی از آن‌ها مثل آلودگی و تغییرات اقلیمی، ضرورت بررسی راه‌حل‌های جدید برای تولید برق پایدار بیش از پیش احساس می‌شود. در این شرایط، استفاده از منابع انرژی تجدیدپذیر و نو به‌عنوان یکی از اصلی‌ترین راهکارهای تأمین برق بدون آسیب به محیط‌زیست، مورد توجه قرار گرفته است.

در سال‌های اخیر، به‌ویژه انرژی‌های خورشیدی و بادی به‌عنوان منابع نوین برای تولید برق در سطح جهانی جایگاه ویژه‌ای پیدا کرده‌اند. بر اساس گزارش منتشر شده توسط اندیشکده انرژی امبر، انرژی باد و خورشید در سال ۲۰۲۲ به رکورد ۱۲٪ از تولید برق جهانی رسید که در مقایسه با ۱۰٪ در سال ۲۰۲۱، رشد قابل توجهی داشته است. این روند نشان‌دهنده تحولی است که در صنعت تولید برق در حال رخ دادن است؛ به‌طوری که پیش‌بینی می‌شود از سال ۲۰۲۳ به بعد، با گسترش استفاده از این منابع تجدیدپذیر، تولید برق از سوخت‌های فسیلی کاهش یافته و به تبع آن، انتشار گازهای گلخانه‌ای نیز کمتر خواهد شد.

در ایران نیز با توجه به شرایط جغرافیایی و اقلیمی مناسب برای تولید انرژی از منابع خورشیدی و بادی، استفاده از این انرژی‌ها می‌تواند به‌عنوان راه‌حلی مناسب برای تولید برق و کاهش وابستگی به منابع انرژی فسیلی مطرح شود. در این مقاله، به بررسی روش‌های نوین تولید برق از انرژی‌های تجدیدپذیر خواهیم پرداخت و راهکارهای مختلف برای بهره‌برداری از این منابع در ایران را بررسی خواهیم کرد.

انرژی خورشیدی: چگونه کار می‌کند؟ مزایا و چالش‌ها

از پشت‌بام‌های خانه‌ها گرفته تا مزارع خورشیدی در مقیاس بزرگ، انرژی خورشیدی در حال تغییر دادن بازارهای انرژی در سراسر جهان است. این منبع تجدیدپذیر، به‌عنوان یکی از مهم‌ترین گزینه‌ها برای تأمین انرژی پایدار در آینده، توجه زیادی را به خود جلب کرده است.

انرژی خورشیدی، تابش نور خورشید است که می‌تواند برای تولید گرما، انجام واکنش‌های شیمیایی یا تولید برق مورد استفاده قرار گیرد. مقدار کل انرژی خورشیدی که به زمین می‌رسد، بسیار بیشتر از نیازهای فعلی و حتی پیش‌بینی‌شده جهان است. اگر به‌درستی از آن بهره‌برداری شود، می‌تواند تمامی نیازهای انرژی آینده بشر را تأمین کند.

پتانسیل بالای این انرژی برای تولید برق، به‌دلیل تابش گسترده و روزانه آن به سطح زمین است. با این حال، چالش‌هایی مانند هزینه‌های بالای جمع‌آوری، تبدیل و ذخیره‌سازی، استفاده گسترده از آن را با محدودیت‌هایی مواجه کرده است. تابش خورشیدی می‌تواند به دو شکل حرارتی یا الکتریکی تبدیل شود، که تبدیل به گرما فرایندی ساده‌تر دارد.

برای تولید مستقیم برق، تابش خورشید از طریق سلول‌های خورشیدی یا فتوولتائیک جذب می‌شود. این سلول‌ها با برخورد نور به نیمه‌رساناها، ولتاژ الکتریکی کوچکی تولید می‌کنند. از سلول‌های فتوولتائیک کوچک در دستگاه‌هایی مثل ماشین‌حساب‌ها و ساعت‌ها استفاده می‌شود و سلول‌های بزرگ‌تر برای تأمین انرژی تجهیزاتی مانند پمپ‌های آب، سیستم‌های ارتباطی و ماهواره‌ها کاربرد دارند. با اتصال چندین سلول به هم، می‌توان برق قابل‌توجهی تولید کرد.

در کنار پنل‌های خورشیدی، فناوری دیگری به نام نیروگاه‌های خورشیدی متمرکز (CSP) نیز وجود دارد. در این سیستم‌ها با استفاده از آینه‌ها یا لنزهای خاص، نور خورشید از یک ناحیه وسیع جمع‌آوری و روی یک گیرنده کوچک متمرکز می‌شود. این تمرکز نور باعث تولید دماهای بسیار بالا – گاه تا بیش از ۲۰۰۰ درجه سانتی‌گراد – می‌شود. این گرما سپس برای راه‌اندازی یک دیگ بخار استفاده شده و بخار حاصل، توربین را به حرکت درآورده و در نهایت برق تولید می‌کند. به بیان ساده، این سامانه‌ها از نور خورشید برای تولید گرما استفاده می‌کنند و آن را به برق تبدیل می‌کنند.

برای اطلاعات بیشتر پیشنهاد میکنیم مقاله “احداث نیروگاه خورشیدی با حمایت دولت “دانشنامه آماگ را مطالعه کنید.

در اینجا مزایا و معایب این روش نوین برای تولید برق را مرور میکنیم:

مزایا

• منبع تجدیدپذیر: انرژی خورشیدی یک منبع نامحدود است که تا پنج میلیارد سال دیگر ادامه خواهد داشت.
• انرژی پاک: پس از نصب تجهیزات خورشیدی، انرژی خورشیدی نیازی به سوخت ندارد و هیچ گاز گلخانه‌ای یا مواد سمی منتشر نمی‌کند.
• کاهش تأثیرات زیست‌محیطی: استفاده از انرژی خورشیدی می‌تواند تأثیرات زیست‌محیطی را به طور چشمگیری کاهش دهد.
• قابلیت استفاده در مناطق خاص: در مناطقی با نور خورشید زیاد و پوشش ابری کم، می‌توان از انرژی خورشیدی بهره‌برداری کرد.
• امکان تولید برق اضافی: مالکان خانه‌ها یا کسب‌وکارهایی که پنل‌های خورشیدی نصب می‌کنند، می‌توانند برق اضافی تولید و به تأمین‌کننده برق بفروشند.

معایب

• هزینه تجهیزات: تجهیزات فناوری خورشیدی گران هستند. خرید و نصب تجهیزات می‌تواند هزینه‌های زیادی برای خانه‌های فردی داشته باشد. اگرچه دولت‌ها معمولاً مالیات‌های کاهش‌یافته‌ای برای افرادی که از انرژی خورشیدی استفاده می‌کنند ارائه می‌دهند و این فناوری می‌تواند قبض‌های برق را حذف کند، اما هزینه اولیه برای بسیاری از افراد بالا است.
• وزن تجهیزات: تجهیزات خورشیدی سنگین هستند. برای نصب پنل‌های خورشیدی بر روی سقف یک ساختمان، سقف باید مقاوم، بزرگ و به سمت مسیر حرکت خورشید جهت‌گیری شده باشد.
• وابستگی به عوامل غیرقابل کنترل: فناوری خورشیدی فعال و غیرفعال به عواملی مانند اقلیم و پوشش ابری وابسته است که خارج از کنترل ما هستند. برای تعیین اینکه آیا انرژی خورشیدی در یک منطقه مؤثر خواهد بود یا نه، باید مطالعات محلی انجام شود.
• نیاز به نور خورشید ثابت و فراوان: برای اینکه انرژی خورشیدی یک گزینه کارآمد باشد، نور خورشید باید فراوان و ثابت باشد. در بیشتر نقاط زمین، تغییرات نور خورشید اجرای آن را به عنوان تنها منبع انرژی دشوار می‌سازد.

انرژی بادی: توربین‌های بادی زمینی و دریایی

افزایش بهره‌برداری از باد تا سال ۲۰۲۲ منجر به آن شد که این منبع، بیش از ۷ درصد از کل برق جهان را تأمین کند و در ایالات متحده نیز بیش از ۱۰ درصد از تولید برق در مقیاس بزرگ را به خود اختصاص دهد. این رشد چشمگیر عمدتاً به‌دلیل نگرانی‌ها نسبت به هزینه نفت و تأثیرات مخرب سوخت‌های فسیلی بر اقلیم و محیط‌زیست است (همچنین به موضوع گرم شدن جهانی توجه شود).

برای نمونه، از سال ۲۰۰۷ تا ۲۰۱۶، ظرفیت کل نصب‌شده انرژی بادی در سطح جهان از ۹۵ گیگاوات به ۴۸۷ گیگاوات افزایش یافت. در سال ۲۰۲۱، چین با حدود ۳۲۹ گیگاوات و ایالات متحده با ۱۳۳ گیگاوات، بیشترین ظرفیت نصب‌شده را داشتند. در همان سال، دانمارک موفق شد بیش از ۴۳ درصد برق خود را از باد تولید کند. هزینه تولید انرژی بادی، بسته به مکان، بین ۲ تا ۶ سنت به‌ازای هر کیلووات‌ساعت تخمین زده می‌شود، که قابل مقایسه با هزینه سوخت‌های فسیلی همچون زغال‌سنگ و گاز طبیعی است (بین ۵ تا ۱۷ سنت به‌ازای هر کیلووات‌ساعت).

در نتیجه این روند رو به رشد، انرژی باد به یکی از شناخته‌شده‌ترین منابع انرژی تجدیدپذیر بدل شده است. توربین‌های بادی امروزه بخشی رایج از چشم‌اندازها، دشت‌ها و سواحل کشورها شده‌اند و بیش از ۶ درصد برق جهانی را تولید می‌کنند. هم‌زمان، فناوری‌های نوین در حال توسعه هستند تا این توربین‌ها را ارزان‌تر، کارآمدتر و قدرتمندتر کنند.

تمرکز بسیاری از این پیشرفت‌ها بر طراحی پره‌های توربین است که وظیفه جذب انرژی جنبشی باد را بر عهده دارند. استفاده از چاپ سه‌بعدی، امکان ساخت پره‌هایی بلندتر و سبک‌تر را فراهم کرده که منجر به افزایش بازدهی می‌شود. نوآوری‌هایی مانند افزودن نوک‌های منحنی به پره‌ها باعث شده تا این پره‌ها بتوانند حتی از بادهای ملایم نیز بهره‌برداری مؤثرتری داشته باشند. همچنین طراحی پره‌های هوشمند، آن‌ها را قادر ساخته تا خود را با شرایط متغیر جریان باد تنظیم کنند.

پیشرفت‌ها فقط به طراحی پره‌ها محدود نمی‌شود. مدل‌سازی کامپیوتری دقیق جریان باد، کمک می‌کند تا بهترین مکان‌ها برای احداث مزارع بادی و پیکربندی مناسب توربین‌ها جهت جذب حداکثری باد مشخص شود. از سوی دیگر، چشم‌انداز آینده این حوزه شامل توسعه انرژی باد هوایی است؛ سامانه‌هایی که همانند بادبادک‌ها عمل می‌کنند و بدون نیاز به برج، در ارتفاعات بالاتر فعالیت دارند. این ویژگی نه تنها هزینه‌ها را کاهش می‌دهد، بلکه امکان بهره‌گیری از بادهای قوی‌تر در ارتفاعات بیشتر را نیز فراهم می‌کند.

__{تصویر بالا تصویری از توربین های بادی در نیشابور است.}_

انرژی آبی:

بزرگترین تولیدکننده انرژی تجدیدپذیر تا به امروز، انرژی آبی است که با استفاده از آب جاری حدود 17 درصد از برق جهان را تولید می‌کند. با وجود بیش از یک قرن تجربه در این زمینه، فناوری نیروگاه‌های آبی هنوز در حال پیشرفت است.

یکی از بزرگترین فرصت‌ها در این حوزه، نیروگاه‌های آبی با ارتفاع کم هستند که حتی از شیب‌های ملایم هم می‌توانند برق تولید کنند. توسعه سیستم پیچ هیدرودینامیک آرشمیدس، که در آن آب از پیچ پایین می‌آید و آن را در حین حرکت چرخانده می‌کند، نشان داده است که چگونه می‌توان از نیروگاه‌های آبی با ارتفاع کم به‌طور مؤثر برای تولید برق در مقیاس کوچک و گسترده استفاده کرد.

استفاده از فناوری برای جمع‌آوری و تحلیل داده‌ها نیز در حال بهبود بهره‌وری است: بسیاری از نیروگاه‌های هیدروالکتریک چند دهه قدمت دارند، بنابراین ارزیابی جزئیات فرسایش آن‌ها می‌تواند به‌طور پیشگیرانه مشکلات را شناسایی و رفع کند.

علاوه بر این، ابزارهای تحلیلی مانند پیش‌بینی هیدرولوژیکی، تحلیل سیستم‌های هیدرو فصلی، برنامه‌ریزی روزانه و عملیات در زمان واقعی به نیروگاه‌های هیدروالکتریک کمک می‌کنند تا به‌طور مؤثرتری عمل کنند. این موضوع با تغییرات اقلیمی که موجب ایجاد جریان‌های آب متغیر و شدیدتر می‌شود، اهمیت بیشتری پیدا می‌کند و پیش‌بینی وضعیت آب و هوا با فناوری‌های پیشرفته برای مدیریت آن ضروری خواهد بود.

ژئوترمال (زمین‌گرمایی): تولید برق از گرمای زمین

در برخی کشورها هزاران سال است که برای پخت‌وپز و گرمایش از انرژی زمین‌گرمایی استفاده می‌شود. این انرژی از گرمای درونی زمین به‌دست می‌آید. در مقیاس بزرگ، می‌توان با حفر چاه‌هایی به عمق یک مایل یا بیشتر، به مخازن زیرزمینی بخار و آب داغ دست یافت و از آن‌ها برای تولید برق استفاده کرد. در مقیاس کوچکتر، برخی ساختمان‌ها از پمپ‌های حرارتی زمین‌گرمایی بهره می‌برند که از تفاوت دمایی چند فوت زیر زمین برای گرم‌ و سرد کردن استفاده می‌کنند. برخلاف انرژی خورشیدی و بادی، انرژی زمین‌گرمایی همیشه در دسترس است، اما اثرات جانبی خاص خود را دارد؛ مانند بوی تخم‌مرغ گندیده ناشی از آزاد شدن گاز هیدروژن سولفید.

_{نیروگاه ژئوترمال نسیاولیر، ایسلند.}

زیست‌توده (Biomass): تبدیل زباله‌های آلی به انرژی!

انرژی زیست‌توده شامل سوخت‌های زیستی مانند اتانول و بیودیزل، چوب و ضایعات چوب، بیوگاز حاصل از محل‌های دفن زباله و زباله‌های جامد شهری می‌شود. همانند انرژی خورشیدی، زیست‌توده منبعی انعطاف‌پذیر برای تولید انرژی است و می‌تواند سوخت خودروها، گرمایش ساختمان‌ها و تولید برق را تأمین کند. با این حال، استفاده از زیست‌توده ممکن است چالش‌هایی نیز به همراه داشته باشد.

برای مثال، منتقدان اتانول تولیدشده از ذرت می‌گویند که این سوخت با بازار غذایی برای ذرت رقابت می‌کند و از شیوه‌های کشاورزی آسیب‌زایی حمایت می‌کند که به بروز پدیده‌هایی مانند رشد جلبک‌های سمی و دیگر خطرات زیست‌محیطی منجر شده‌اند. همچنین، بحث‌هایی درباره انتقال گلوله‌های چوبی از جنگل‌های آمریکا به اروپا برای سوزاندن و تولید برق مطرح شده است. در همین حال، دانشمندان و شرکت‌ها در حال تلاش هستند تا روش‌های مؤثرتری برای تبدیل پسماندهای ذرت، لجن فاضلاب و دیگر منابع زیست‌توده به انرژی پیدا کنند تا از موادی که در غیر این صورت به هدر می‌رفتند، ارزش استخراج شود.

پیل‌های سوختی و هیدروژن: نسل جدید فناوری تولید انرژی

سلول سوختی از انرژی شیمیایی هیدروژن یا دیگر سوخت‌ها برای تولید برق به‌طور تمیز و کارآمد استفاده می‌کند. این فناوری در سال‌های اخیر به عنوان یکی از گزینه‌های مهم در مسیر گذار به انرژی‌های پاک مورد توجه قرار گرفته است.

سلول‌های سوختی چندین مزیت نسبت به تکنولوژی‌های متداول دارند که در حال حاضر در بسیاری از نیروگاه‌ها و وسایل نقلیه استفاده می‌شوند. آن‌ها می‌توانند با کارایی بالاتری عمل کنند و انرژی شیمیایی موجود در سوخت را مستقیماً به انرژی الکتریکی تبدیل نمایند. این ویژگی باعث می‌شود در طی فرایند تولید انرژی، هیچ دی‌اکسیدکربنی منتشر نشود؛ موضوعی که می‌تواند در کاهش آثار اقلیمی و آلودگی هوا نقش مؤثری ایفا کند. همچنین، در محل تولید هیچ‌گونه آلاینده‌ای که باعث دود و مشکلات سلامتی شود، تولید نمی‌شود. افزون بر این، چون سلول‌های سوختی قطعات متحرک زیادی ندارند، در هنگام عملکرد تقریباً بی‌صدا هستند.

از نظر ساختاری، سلول‌های سوختی عملکردی شبیه به باتری‌ها دارند، با این تفاوت که برخلاف باتری‌ها نیازی به شارژ مجدد ندارند. آن‌ها تا زمانی که سوخت در دسترس باشد، به طور مداوم برق و حرارت تولید می‌کنند.

در داخل یک سلول سوختی، دو قطب مثبت و منفی وجود دارد که به آن‌ها آند و کاتد گفته می‌شود. وقتی گاز هیدروژن وارد قسمت آند می‌شود، به ذراتی به نام پروتون و الکترون تجزیه می‌شود. الکترون‌ها از یک مدار عبور می‌کنند و در این مسیر برق تولید می‌شود، در حالی که پروتون‌ها به سمت کاتد حرکت می‌کنند و در آنجا با اکسیژن ترکیب شده و آب و حرارت تولید می‌شود. همان‌طور که گفته شد، این فرایند به‌طور پیوسته و بدون ایجاد آلودگی ادامه دارد.

انرژی جزر و مد و اقیانوسی: روش‌هایی کمتر شناخته‌شده اما آینده‌دار

در کنار منابع رایج تولید برق، برخی روش‌های کمتر شناخته‌شده اما با پتانسیل بالا نیز در حال توسعه هستند که از جمله آن‌ها می‌توان به انرژی اقیانوسی اشاره کرد. این منبع بی‌پایان و بومی انرژی، به دلیل دسترسی آسان و گستردگی دریاها، یکی از امیدهای آینده در تأمین پایدار انرژی جهان به شمار می‌رود.

با پیشرفت‌های فناورانه و افزایش سرمایه‌گذاری‌ها، انرژی اقیانوسی به‌تدریج جایگاه خود را در میان منابع نوظهور پیدا می‌کند. این فناوری‌ها از نیروی جزر و مد، حرکت امواج، و همچنین تفاوت‌های دما و شوری آب برای تولید برق بهره می‌برند.

یکی از شاخه‌های مهم این حوزه، فناوری انرژی موج است که با استفاده از حرکت طبیعی امواج، انرژی مکانیکی را توسط ابزارهایی مانند شناورهای جذب‌کننده، فلپ‌های نوسانی یا توربین‌های هوایی به برق تبدیل می‌کند.

از سوی دیگر، نیروگاه‌های OTEC (تبدیل انرژی حرارتی اقیانوس) از اختلاف دمای بین آب گرم سطح دریا و آب سرد اعماق برای تولید برق استفاده می‌کنند.

در کنار این فناوری‌ها، تولید انرژی از گرادیان شوری نیز در حال پیشرفت است. در این روش، با بهره‌گیری از فناوری الکترودیالیز معکوس (RED)، تفاوت غلظت نمک میان آب دریا و آب شیرین به عنوان منبعی برای تولید برق به کار گرفته می‌شود.

با توجه به تنوع و گستردگی منابع انرژی اقیانوسی، این حوزه می‌تواند در آینده‌ای نه‌چندان دور، سهم مهمی در سبد روش های نوین برای تولید برق داشته باشد.

ریزشبکه‌ها و برق غیرمتمرکز: پایان وابستگی به شبکه سراسری

به طور خلاصه، ریزشبکه‌ها (Microgrids) سامانه‌های تولید و توزیع برق در مقیاس کوچک هستند که به‌صورت مستقل یا متصل به شبکه‌ی اصلی برق عمل می‌کنند. در این سیستم‌ها، برق از منابع محلی مانند پنل‌های خورشیدی، توربین‌های بادی، یا ژنراتورهای زیستی تولید می‌شود و مستقیماً به مصرف‌کنندگان همان منطقه منتقل می‌گردد. این ساختار غیرمتمرکز باعث کاهش اتلاف انرژی در خطوط انتقال، افزایش پایداری در برابر قطعی‌های گسترده، و استفاده‌ی بهینه‌تر از انرژی‌های تجدیدپذیر می‌شود. ریزشبکه‌ها به‌ویژه در مناطق دورافتاده یا دارای زیرساخت ضعیف بسیار کارآمد هستند و نقش مهمی در آینده‌ی سیستم‌های برق پایدار و هوشمند ایفا می‌کنند.

نتیجه‌گیری: چشم انداز آینده

در سال‌های اخیر، بسیاری از کشورها سیاست‌هایی را برای افزایش سهم انرژی‌های تجدیدپذیر در تأمین برق خود اتخاذ کرده‌اند. برخی از شهرهای جهان اکنون بیش از ۷۰ درصد انرژی مورد نیاز خود را از منابع تجدیدپذیر تأمین می‌کنند، و شرکت‌های بزرگ نیز با خرید مقادیر زیادی برق پاک، به گسترش این روند کمک کرده‌اند. همچنین، قوانینی مانند قیمت‌گذاری کربن، تعیین استانداردهای بهره‌وری انرژی در ساختمان‌ها، و ارتقای مصرف بهینه سوخت نیز در توسعه این منابع مؤثر بوده‌اند.

در این میان، پرسشی اساسی مطرح می‌شود: آیا ایران نیز می‌تواند برق مورد نیاز خود را به طور کامل از منابع تجدیدپذیر تأمین کند؟ پاسخ بسیاری از متخصصان مثبت است. مارک جاکوبسون، از پژوهشگران برجسته این حوزه، معتقد است که هر کشور، با برنامه‌ریزی و اجرای سیاست‌های مناسب، قادر خواهد بود تمام انرژی مورد نیاز خود را از منابع پاک و تجدیدپذیر تأمین نماید.

ایران با وجود برخورداری از منابع غنی سوخت‌های فسیلی، در سال‌های اخیر با چالش‌هایی چون آلودگی هوا، کاهش منابع آب و پیامدهای ناشی از تغییرات اقلیمی مواجه شده است. این شرایط نشان می‌دهد که ادامه وابستگی به منابع فسیلی، راهکاری پایدار نخواهد بود. در مقابل، کشور ما ظرفیت‌های قابل توجهی برای بهره‌برداری از انرژی خورشیدی، بادی، زمین‌گرمایی و زیست‌توده دارد که می‌توانند نقش مهمی در تولید پایدار برق ایفا کنند.

برای دستیابی به آینده‌ای پایدار و ایمن، لازم است که سرمایه‌گذاری‌های هدفمند و سیاست‌گذاری‌های دقیق در راستای توسعه انرژی‌های تجدیدپذیر در دستور کار قرار گیرد. این منابع نه‌تنها در مقابله با تغییرات اقلیمی مؤثرند، بلکه می‌توانند زمینه‌ساز تأمین برق پایدار، حفظ محیط زیست و تضمین آینده‌ای بهتر برای نسل‌های آتی باشند.

منابع

مقالات انرژی خورشیدی و انرژی بادی از دانشنامه بریتانیکا

مقالات انرژی بادی و انرژی های تجدیدپذیر از سایت نشنال جئوگرافیک

مقالات مختلف از سایت انرژی اقیانوسی اروپا

سایت امبر(مرکز آمار انرژی ها)

مقاله سلول های سوختی از سایت دپارتمان انرژی U.S