انواع روشهاي توليد برق
به نام خدا
انواع روشهای تولید برق
(مربوط به فصل دوم کتاب حرفه وفن سال اول راهنمایی)
در این نوشتار به نحوه ی تولید برق از منابع طبیعی انرژی شامل آب، گاز طبیعی، زغال سنگ، باد، اتم و آفتاب پرداخته می شود. تمرکز این نوشته بیشتر روی هزینه ی تولید این انرژی از منابع یاد شده است و سعی می شود ضمن اشاره به نحوه تبدیلات انرژی، نگاهی اقتصادی روی تولید این انرژی با روشهای مزبور شود.
همانطور که می دانیم انرژی برق از اساسی ترین نیازهای زندگی در قرون جدید بشمار می رود، مصارفی چون روشنایی منازل و معابر گرفته تا در بکارگیری تلفن و تلویزیون و نیز استفاده های صنعتی و پزشکی نظیر ساخت ماشين آلات و فلزات و ابزارآلات پزشکی... نشان می دهد که این انرژی نقش بی بدیلی در رفع نیازهای انسانی و پیشرفت جوامع دارد. آمارهای جهانی در تقاضای رو به رشد دنیا نشان می دهد که حدود 70 درصد سرمایه گذاری های جهانی در توسعه ی بخش انرژی- معادل 11 تریلیون دلار- طی سه دهه آینده به تأمین برق اختصاص دارد بطوریکه این رقم 3 برابر رقم معادل 3 دهه ی گذشته است. طبق برآورد آژانس بین المللی انرژی، الكتریسیته بیش از هر انرژی دیگری در تقاضای نهائی انرژی با نرخ رشد 8/2 درصد روبرو خواهد بود. از طرف دیگر پراکنده بودن منابع تأمین انرژی در نقاط مختلف دنیا باعث شده که کشورها، روشهای مختلفی جهت تأمین این انرژی بکار گیرند. برای مثال در کشور پرآب نروژ، نود و نه درصد نیروی برق این کشور از نیروگاه های برق- آبی تولید می شود. در حالیکه در کشور آمریکا کمتر از 10 درصد برق این کشور از این طریق تأمین می شود. در یک پیش بینی آمده است که تا 50 سال آینده، 30 درصد نیروگاهها در جهان از سوخت ذغال سنگ، 10 درصد از سوخت گاز استفاده کرده، 15 درصد آنها از منابع انرژی تجدید پذیر (آب، باد، خورشید و انرژی گرمایی زمین ...) و 15 درصد از انرژی هسته ایی برای این نیروگاهها استفاده می کنند، در یک دسته بندی کلی روشهای عمده ی تولید برق به شرح زیر می باشد:
1- نیروگاه آبی: روش رایج و متداول تولید برق در مقیاس بالا استفاده از آبهای ذخیره شده و تبدیل انرژی ذخیره شده آن به انرژی الکتریکی از طریق نیروگاه ئیدروالکتریک است. د رحال حاضر 19 درصد برق کل دنیا توسط این نیروگاه ها تولید می شود. مهمترین مزیتهای این روش عبارتند از حذف هزینه های مربوط به مصرف سوخت های فسیلی (نفت، گاز و ذغال سنگ) در این نیروگاهها و نیز عدم تولید گازهای آلاینده ی محیط زیست. هزینه تولید برق از این روش بسته به شرایط جغرافیایی مختلف بین 2 تا 15 سنت در ازای هر کیلووات ساعت می باشد. در ایران 7/14 درصد از کل برق کشور از نیروگاههای آبی تولید می شود.
2- نیروگاه ذغال سنگی: هر چند که ذغال سنگ از سوخت های ارزان فسیلی محسوب می شود، ولی حمل و نقل آن هزینه های زیادی دارد و علاوه بر آن برای تولید مقدار معینی برق نیاز به سوزاندن مقدار بسیار زیادی از این سوخت می باشد. برای مثال برای تولید هر 1000 مگاوات برق در روز نیاز به 8600 تن زغال سنگ می باشد که اگر بخواهیم این مقدار را با معادل نیروگاه اتمی مقایسه کنیم به عدد 74 کیلوگرم اورانیوم می رسیم. هزینه ی جاری تولید برق با این روش 2/4 سنت به ازای هر کیلووات ساعت است.
3- نیروگاههای با سوختهای فسیلی دیگر(گازی، گازوئیلی، ... و بخاری): مناسب ترین سوخت فسیلی جهت تولید برق گاز طبیعی است. این نیروگاه ها (سیکل ترکیبی گاز طبیعی) 60 درصد انرژی گرمایی را به انرژی الکتریکی تبدیل می کنند که رقم نسبتاً مطلوبی برای نیروگاه های سوختی است. همچنین این نیروگاهها در مقایسه با نیروگاه های ذغال سنگی 40 تا 50 درصد کمتر دی اکسید کربن (آلاینده هوا) از خود ساطع می کنند. هزینه ی تولید برق با این نیروگاه ها 8/3 سنت به ازای هر کیلووات ساعت برای گاز 77/3 دلار و 6/5 سنت برای گاز 72/6 دلار است.( در اینجا حجم واحد بکار رفته گاز، فوت مکعب است.) در ایران حدود 80 درصد برق تولیدی از سوخت گاز طبیعی استفاده می شود که این میزان گاز برابر 48 درصد کل گاز استخراجی در کشور است. از کل نیروگاههایی که با سوختهای فسیلی کار می کنند 9/37 درصد برق کشور از نیروگاه های بخاری، 4/29 درصد از نیروگاه های گازی، 7/16 درصد از نیروگاههای سیکل ترکیبی و 2/1 درصد از نیروگاههای دیزلی تأمین می شود.
4- نیروگاه اتمی: با دو روش فیسیون و فوزیون انرژی اتم آزاد می شود. در روش رایج (فیسیون) با شکاف هسته اورانیم مقدار بسیار زیادی گرما تولید می شود. هر کیلوگرم اورانیوم 5/3 درصد غنی شده حدود 20 میلیارد کیلوکالری گرما تولید می کند که این گرما می تواند 1026 مگاوات ساعت برق تولید کند. این گرما ابتدا آب موجود در دیگ بخار نیروگاه را گرم می کند تا بخار تولید شود، آنگاه این بخار با گرداندن توربین های نیروگاه، برق تولید می کند. 17 درصد از برق و 4/6 درصد از کل انرژی دنیا از انرژی هسته ای تامین می شود. به لحاظ هزینه، هزینه ی غالب مربوط به ساخت نیروگاه است که قیمت بین المللی آن بین 1000 تا 1200 دلار در ازای هر کیلو وات ساعت برق است. هزینه ی جاری تولید برق با چنین نیروگاهی بعد از ساخت، حدود 5/3 سنت در ازای هرکیلووات ساعت است. هزینه ی استخراج و غنی سازی اورانیوم برای هر کیلوگرم بستگی به معادن مربوط دارد که برای مثال در مورد ایران این رقم بین 80 تا 130 دلار است. همچنین سوخت آماده ی این نیروگاهها در بازار آمریکا حدود 180 دلار برای هر کیلوگرم می باشد.
اما روش دوم (فوزیون) که از آن به عنوان بالاترین منبع انرژی یاد می شود هنوز در مرحله ی تحقیق و توسعه است. پروژه ی آزمایشی آن در سال 2016 انجام می شود در این نیروگاه ها بجای اورانیوم، از نوعی آب سنگین استفاده می شود. در فوزیون هسته ای اتم های هیدروژن تحت دمای بسیار بالا با هم ترکیب شده و اتم هلیوم را می سازند با این کار بدون آنکه ماده رادیواکتیوی بوجود آید، مقدار انرژی بسیار زیادی آزاد می شود. هزینه ساخت نیروگاه آن حدود 4 برابر هزینه مربوط به نیروگاههای فیسیونی فعلی است.
5- نیروگاه بادی: در این روش، با چرخاندن پره هایی که در معرض وزش باد قرار می گیرند، انرژی لازم به توربین های مولد منتقل می شود. در بعضی از کشورها این نیروگاه ها را به صورت ترکیبی با دیگر نیروگاه های آبی، سوختی بکار می گیرند تا در زمان اوج مصرف، بتواند مکملی برای آنها باشد. سرمایه اولیه ساخت این نوع نیروگاه حدود 3660 دلار در ازای هرکیلووات ساعت و هزینه ی جاری تولید برق با این روش حدود 7/5 سنت می باشد. در ایران، در سال 1384 تولید انرژی الکتریکی این نیروگاه ها بالغ بر 69 میلیون کیلووات ساعت بوده است که تقریباً یک درصد کل برق تولیدی برق کشور را دربرداشته است.
6- نیروگاه های بیولوژیکی: در این روش همانند نیروگاه های با سوخت فسیلی از سوخت به برای انرژی گرمایی مورد نیاز استفاده می شود. با این تفاوت که این سوخت از موجودات و محصولات بیولوژیکی( گیاهان، فضولات حیوانی، بقایای محصولات کشاورزی و ...) تأمین می شود. این روش به علت نیاز به زمینهای وسیع کشاورزی با محدودیت های زیادی روبرو است ولی با کم شدن منابع فسیلی و بالارفتن قیمت آنها، رقیبی جدی برای این سوختها محسوب خواهند شد.
7- مولد ئیدروژنی: در این روش ئیدروژن به عنوان یک سوخت استفاده می شود که ابتدا باید از دیگر منابع انرژی تأمین شود. این روش به عنوان یک روش پاک که تنها آب از خود بیرون می دهد و با بازدهی بالا ، برای اتومبیلهای برقی گزینه ی مناسبی است. برای مثال با 3 کیلوگرم ئیدروژن می شود تا مسافت 400 کیلومتر رانندگی کرد. برای مثال، شرکت ژنرال موتورز از ساخت اتومبیلی با ذخیره ی 5 کیلوگرم برای 500 کیلومتر استفاده خبر داده است. مهمترین مشکل این روش، توزیع و ذخیره ی آسان آن است. با این حال پیش بینی می شود تا 45 سال دیگر نیمی از اتومبیلها با این سوخت کار کنند. روشهای متعددی برای تهیه ی ئیدروژن وجود دارد که از جمله آنها می توان تکنیکهای شیمیایی، هسته ای، خورشیدی و بادی نام برد. اما در حال حاضر ارزان ترین راه تهیه ی آن، استفاده از واکنشهای شیمیایی روی گاز طبیعی است. با این روش برای گاز مایع شده با قیمت 6 دلار در هر فوت مکعب، هزینه تولید هر کیلوگرم ئیدروژن 2 دلار می شود. علاوه بر کاربرد انرژی الکتریکی، در حال حاضر مهمترین کاربران ئیدروژن صنایع نفت هستند که با بکارگیری آن در پالایشگاه های نفت، نفت خام سنگین را جهت پالایش ارتقاء می دهند.
8- نیروگاه زمین گرمایی (ژئوترمالی): در این روش گرمای زیر سطح زمین به برق تبدیل می شود. این گرما ابتدا بخار آب تولید کرده سپس از طریق توربینهای مولد، برق تولید می کند. تقریباً یک درصد انرژی جهان با این روش تأمین می شود. هزینه ساخت یک نیروگاه با این روش بین 1000 تا 8000 دلار در ازای هر کیلووات ساعت برق است و همچنین هزینه ی جاری تولید برق با این روش بسته به دمای محیط بین 3 تا 4 سنت برای هر کیلو وات ساعت است. بیشترین استفاده از این روش در کشور فیلیپین است که 22 درصد کل برق مصرفی این کشور از این طریق تأمین می شود.
9- نیروگاه خورشیدی: این مولدها بیشتر در مقیاس کوچک ساخته می شود. به دو روش از خورشید جهت تولید برق استفاده می شود. روش اول مبتنی بر گرمای خورشید است که در حاضر تلاش می شود که این مولدها در مقیاس بزرگ ساخته شود. توان انرژی خورشیدی در هر متر مربع معادل یک کیلو ژول در هر ثانیه می باشد طوریکه 8 ساعت تابش خورشید معادل 8 کیلووات ساعت انرژی برق است.
روش دوم مبتنی بر نور خورشید است. در این روش اشعه نور با بکارگیری خاصیت کوانتومی آن مستقیماً به برق تبدیل می شود. در این روش که عمل تبدیل نور به برق از طریق صفحه ی نازکی به نام سلول انرژی انجام می شود، بازده حدود 16 درصد است. به عنوان مثال یک متر مربع یک سلول یک متر مربعی با بازده متوسط 10% در طی یک روز آفتابی در مجموع 800 وات ساعت برق تولید می کند. در ایران هر نفر بطور متوسط حدود 2300 کیلووات ساعت در سال برق مصرف می کند (تولید برق ایران در سال: 163 گیگاوات ساعت / 70 میلیون نفر ). برای تولید این مقدار برق به وسیله ی سلولهای خورشیدی با بازده 10 درصد هر نفر نیاز به سلولی با 9 متر مربع مساحت دارد. همچنین برای تأمین برق مصرفی کل ایران (خانه ها و صنابع و غیره) با سلولهای خورشیدی با آن بازده، مجموعاً به سطحی معادل 25 در 25 کیلومتر لازم می باشد.در حال حاضر برق تولیدی با این روش در دنیا 1200 مگاوات در سال است و با توجه به سرمایه گذاری هایی که در این زمینه انجام می شود این توان تولیدی با رشد 30 درصد در سال همراه است و پیش بینی می شود که تا سال 2020 ، 5 درصد از برق دنیا با این روش تولید شود. هزینه تولید برق با این روش بسته به شدت نور موجود برای هر کیلووات ساعت، بین 30 تا 60 سنت می باشد.
منابع
