انرژی موج در دریا و اقیانوس‌ها بر اثر وزش باد روی سطح آب، موج تولید می‌شود. انرژی مکانیکی باد که در اثر جذب نابرابر گرمای پرتوهای فروسرخ و نور مریی خورشید به وجود می‌آید، به شکل انرژی پتانسیل گرانشی در آب دریا ذخیره شده که پس از مدت کوتاهی آب دریا آن را به شکل انرژی جنبشی موج پس می‌دهد. کل انرژی موجِ توزیع شده در زمین در حدود ۲۵۰۰ گیگاوات تخمین زده می‌شود که در حدود توزیع کلی انرژی جزر و مد است.
انرژیی که از امواج استخراج می‌شود دوباره به سرعت توسط برهمکنش با دو سطح اقیانوس پر می‌شود. انرژی موج منبع تجدیدپذیر است و معمولاً نسبت به انرژی باد بیشتر قابل تولید است. انرژی موج نامنظم، نوسانی و دارای فرکانس پائین است که قبل از اضافه شدن به شبکه باید یه فرکانس ۶۰ هرتز تبدیل شود. انرژی‌امواج عمدتاً ناشی از تأثیر باد روی سطح دریا است و باد، خود حالت خاصی از انرژی خورشیدی است که به عنوان منبع انرژی پاک و تجدیدپذیر می‌تواند نقش مهمی در تأمین نیازهای روزافزون انرژی جهان ایفا نماید.
انرژی حاصل از دریا و اقیانوس
انرژی‌های قابل جذب از دریاها به چهار نوع دسته‌بندی می‌شود که دلایل مختلفی باعث شکل‌گیری این پدیده‌ها هستند.
این چهار نوع انرژی عبارتند از:
- انرژی امواج(Wave Energy)
- انرژی جزر و مد (Tidal Energy)
- جریان دریایی/اقیانوسی(Marine Current)
- انرژی حرارتی اقیانوس ها(Ocean Thermal Units)
امروزه به دلایلی نظیر افزایش قیمت نفت خام و سایر حامل‌های انرژی و تصویب قوانین و مقررات سختگیرانه زیست محیطی، بهره‌گیری از انواع انرژی‌های تجدیدپذیر از جمله انرژی‌های قابل جذب از آب دریاها و اقیانوس‌ها جذابیت زیادی پیدا کرده‌است. انرژی نهفته در دریاها شامل انواع انرژی اولیه مکانیکی و حرارتی است. چرخش زمین و جاذبه ماه نیروهای مکانیکی را ایجاد می‌کند.
دَوَران زمین باعث وزش باد در سطح اقیانوس‌ها شده و این پدیده به شکل گیری موج می‌انجامد در حالیکه جاذبه ماه موجب ایجاد جزر و مد ساحلی و جریانات دریایی می‌شود. انرژی حرارتی دریافتی از خورشید سطوح اقیانوس‌ها را گرم کرده در صورتی‌که با افزایش عمق آب سردتر می‌شود. این گرادیان حرارتی استخراج انرژی را میسر کرده و امکان تبدیل آن به برق را فراهم می‌کند.
سوابق بهره‌گیری از انرژی اقیانوس‌ها
سابقه بهره‌گیری از انرژی اقیانوس به قرن هیجدهم برمیگردد. مونسیرجرارد نخستین تلاش برای ثبت دستگاه تبدیل انرژی امواج را در سال 1799 به ثمر رساند. وسیله ابداعی از یک کشتی متصل به ساحل تشکیل شده‌بود که با امواج پمپ‌ها و سایر ماشین‌ها را به راه می‌انداخت. در فاصله 1800 تا 1960 تلاش‌ها و تحقیقات چندانی در حوزه بهره‌گیری و شناخت انرژی امواج صورت نگرفت تا اینکه در سال 1966 بزرگترین ایستگاه تولید برقی کشندی جهان در فرانسه ساخته‌شد. ایستگاه تولید برق مذکور هم اکنون در حال بهره‌برداری بوده و در سال حدود 240 مگاووات ساعت برق تولید می‌کند.
در بحبوحه بحران نفتی 1973 و افزایش شدید قیمت نفت خام تلاش‌ها برای بهره‌گیری از سایر منابع انرژی از جمله انرژی نهفته در دریاها و اقیانوس‌ها مضاعف شد. در همان میان یک مهندس اسکاتلندی به نام استفان سالتر نخستین گام‌ها برای توسعه ژنراتور موج دریایی به نام داک سالتر را برداشت.
داک به همراه امواج به سمت بالا و پایین حرکت کرده و توربین این جنبش را به انرژی برق تبدیل می کند. این وسیله شگفت آور تبدیل موج، 6 مگاوات برق با قیمت حدود یک دلار تولید می‌کرد. بنابراین هزینه اولیه برق از امواج دریایی بسیار بالا به نظر می‌رسید و داک سالتر هیچ وقت دیگر برای تولید برق ساخته‌نشد. با افزایش قیمت نفت و انتظار بالا ماندن آن در آینده، جستجو برای یافتن منابع انرژی جایگزین بار دیگر در دستور کار تحقیقات قرار گرفته‌است. در سال‌های اخیر افزایش جذابیت انرژی اقیانوس‌ها، موجب تجاری شدن فناوری‌های انرژی اقیانوس شده‌است.
1- انواع فناوری‌ها
چهار نوع تبدیل انرژی از دریا هم اکنون وجود دارد که شامل انرژی امواج، انرژی جزر و مد و انرژی جریان دریایی و تبدیل انرژی حرارتی اقیانوس می‌باشد.
1-1- انرژی امواج
انرژی امواج در اثر انتقال انرژی از باد به دریا بوجود می‌آید. نرخ انتقال انرژی، به سرعت باد و مسافتی بستگی دارد که در طول آن باد با سطح آب در تماس است. قدرت موج بر حسب کیلووات بر متر بوده که بیانگر نرخ انتقال انرژی از عرض یک مسیر معینی به طول 1 متر و موازی با جبهه موج می باشد. بالاترین چگالی انرژی امواج در سواحلی که در معرض میدان وزش بادهای طولانی و مستمر قرار دارند بوجود می آید.
با وجود پوشش بیش از دو سوم سطح کره زمین توسط دریاها و وجود سواحل گسترده و مساعد جهت استخراج انرژی کلان نهفته در امواج نیرومند دریاها، بشر نتوانسته‌است به صورت جدی از این منبع عظیم انرژی بهره برداری نماید. در طی قرون اخیر، ایده استخراج انرژی امواج کماکان به صورت پراکنده مطرح بوده‌است ولی عملاً در راستای این امر در دهه 1970 تعدادی از کشورها از جمله انگلستان، آمریکا هندوستان، ژاپن، ایرلند و کانادا پروژه ای غالباً در سطوح آزمایشی و تحقیقاتی راه اندازی کردند. آنچه باعث تفکیک تبدیل انرژی امواج می شود مبتنی بر روشی است که امواج توربین را به حرکت در می آورد.
1-2- انرژی جزر و مد
تاریخچه استفاده از انرژی جزر و مد به قرن یازدهم میلادی برمیگردد که سدهای متعدد کوچکی در دهانه نهرها زده می‌شد و از آب پشت آن‌ها جهت آسیاب کردن غلات استفاده‌می‌شد. انرژی جزرومد معمولاً توسط سامانه‌هایی شبیه سدهای هیدرولیکی معمولی مهار می‌شود. به این ترتیب که در هنگام بالا آمدن آب مخازنی در ساحل پرمی‌شود و آبی که در آن به دام افتاده‌است در هنگام پایین رفتن تراز آب از دریچه‌های سد عبور داده‌می‌شود و توربین‌های آبی را برای تولید برق می‌چرخاند.
برای بهره‌برداری اقتصادی از این سامانه‌ها، اختلاف تراز آب در حالت جزر و حالت مد باید میانگینی معادل حداقل ۵ متر داشته باشد که طبق مطالعات تنها ۴۰ نقطه در دنیا چنین اختلاف ترازی را تجربه می‌کنند. نود درصد کل انرژی که در دنیا به این روش تولید می‌شود تنها در یک کشور و در منطقه La Rance فرانسه است که اولین نیروگاه جزرومدی جهان نیز به‌شمار می‌آید. این نیروگاه در طول ۶ سال از ۱۹۶۰ تا ۱۹۶۶ ساخته‌شده و ۲۴۰ مگاوات ظرفیت تولید برق دارد.
1-3- انرژی جریان دریایی
جریان دریایی حرکت آب اقیانوس در یک جهت است همچنین جزر و مدها جریانی ایجاد می‌کنند که در دو جهت حرکت می‌کند این انرژی جنبشی جریان امواج و جریان آب از طریق توربین‌های غوطه ور در آب استخراج می‌شود که خیلی شبیه به توربین‌های بادی هستند. همانند توربین‌های بادی جنبش ثابت جریان دریایی تیغه‌های توربین را برای تولید برق به حرکت در می‌آورند.
1-4- تبدیل انرژی حرارتی اقیانوس
تبدیل انرژی حرارتی اقیانوس یا OTES از اختلاف دمای سطح و عمق اقیانوس(1000متری) بهره می‌گیرد. اختلاف دمای 20 درجه سانتی‌گراد می تواند انرژی مفیدی ایجاد نماید. پژوهش‌ها بر دو نوع از فناوری‌های OTEC برای استخراج انرژی حرارتی و تبدیل آن به برق تمرکز کرده‌اند. سیکل بسته و باز. در روش سیکل بسته یک سیال عامل نظیر آمونیاک از طریق یک مبدل حرارتی پمپ و سپس بخار می‌شود. این جریان بخار یک توربین را راه می‌اندازد آب سرد موجود عمق اقیانوس با چگالی بخار ورودی آن را به مایع تبدیل می‌کند و دوباره به مبدل حرارتی بر‌می‌گرداند. در سیستم‌های باز، آب گرم سطح اقیانوس را با فشار زیاد وارد یک محیط خلأ کرده و به جریانی گرداننده توربین تبدیل می‌کنند. جریان سپس با بهره‌گیری از آب سرد اعماق اقیانوس چگالیده می‌شود.
منابع انرژی امواج
انرژی امواج به صورت غیر یکنواخت در سطح جهان گسترده شده‌اند. نقشه زیر تمرکز این انرژی را در نیمکره شمالی و جنوبی بین عرض جغرافیایی 30 تا 60 درجه نشان می دهد. سواحل غربی اروپا، سواحل کانادا و آمریکا، و سواحل جنوب غربی استرالیا، نیوزلند، آمریکای جنوبی، و آفریقای جنوبی از جمله بهترین نواحی برای بهره‌برداری این انرژی به شمار می‌آیند.
مبدل‌های انرژی موج
جسم متحرک: این روش از انرژی موج برای حرکت دادن یک جسم و تبدیل حرکت آن به انرژی الکتریکی بهره‌می‌برد.
ستون نوسانگر آب: ستونی از آب در یک لوله بدون کف یا جعبه شناور روی سطح دریا بالا و پائین می‌رود و این حرکت تولید جریانی از هوا با سرعت زیاد می‌کند که می‌تواند توربین را به حرکت درآورد.
سطح فشرده شونده: از تغییرات فشار آب برای ایجاد هوای فشرده درون یک سیستم غوطه ور استفاده می‌کند. این فشار می‌تواند تبدیل به جریانی از هوا یا آب شود و به انرژی الکتریکی تبدیل شود.
دستگاه سرریزکننده موج: در این روش ارتفاع موج با کم کردن عمق آب افزایش پیدا کرده و آب تا ارتفاع بیشتری به بالا پمپ می‌شود.
دستگاه‌های متمرکزکننده موج: تراز متوسط آب دریا را در نقاط مشخص به روش سازه‌های قیفی شکل و به تله انداختن امواج بلند افزایش می‌دهند.
دستگاه‌های مورد استفاده از نظر محل قرارگیری
دستگاه‌های ساحلی
دستگاه‌های نزدیک ساحل
دستگاه‌های دور از ساحل
دستگاه‌های استخراج انرژی امواج
این دستگاه‌ها به شرح ذیل می‌باشند:
کانال تجمیع‌کننده
سیستم‌های ضبط موج یا کانال‌های تجمیع‌کننده از ابتدایی‌ترین فناوری انرژی موج است. این طرح از نظر مفهومی، ساده‌ترین نوع ممکن هستند. این ایده‌ها از پدیده‌ای که اغلب در دریاچه‌های طبیعی مشاهده می‌شوند، الهام گرفته‌اند. امواج در یک دیوار دریایی (معادل یک صخره دریایی طبیعی) می‌شکنند (به عبارت دیگر آبی که ناشی از خیزش موج دریاست بر روی صخره می‌ریزد) و آب در ارتفاعی بیش از متوسط سطح دریا، متوقف می‌شود سپس این آب می‌تواند از طریق یک توربین آبی کم ارتفاع به دریا بازگردانده شود. از این‌رو این سیستم مشابه با سدهای جریان جزر و مدی می‌باشند اما با جریان‌های آب پیوسته‌تر و بی نظم‌تر. در نوع دیگر، کانالی به شکل مخروط ناقص، آب را در مخزنی مرتفع ذخیره کرده و این آب در بازگشت به سطح دریا توربینی را به حرکت درمی‌آورد. این سیستم‌ها به دو صورت قابل اجرا هستند:
ساحلی: در این طراحی ویژه، یک کانال روباز و باریک که دیواره‌های بتنی آن ۲ تا ۳ متر از سطح متوسط دریا بالاتر است، قرار دارد و در انتهای کانال به صورت قیفی درآمده‌اند. انتهای کانال مخزنی وجود دارد که امواج با عبور از کانال، آب مخزن را فراهم می‌کنند. همچنین امواج بزرگتر بدون طی مسیر کانال، مستقیماً وارد مخزن روباز می‌شوند. در نهایت آب مخزن که در ارتفاعی بالاتر از سطح دریاست توسط لوله‌ای به سمت توربین آبی هدایت و به دریا بازگردانده می‌شود و برق تولید می‌کند.
دریایی: این نمونه را می‌توان در یک ساحل مصنوعی شناور به نام مری‌مک Merrimack که توسط آمریکایی‌ها ساخته شده‌است، مشاهده کرد.
ستون نوسانگر آب (OWC)
ستونی از آب در یک لوله بدون کف یا جعبه شناور روی سطح دریا بالا و پائین می‌رود و این حرکت تولید جریانی از هوا با سرعت زیاد می‌کند که می‌تواند توربین را به حرکت درآورد. آب بالا رونده در یک استوانه، هوای فشرده را از درون یک توربین عبور می‌دهد. سپس در بازگشت، هوا را در جهت مخالف فشرده‌میکند و از توربین دیگری عبور می‌دهد.
سیستم پلامیس (Pelamis)
این سیستم به مار دریایی بالا و پائین رونده نیز معروف است. ظرفیت هر واحد شناور ۷۵۰ کیلووات و در اسکاتلند با ظرفیت ۳ مگاوات به صورت تجاری مورد بهره‌برداری قرار گرفته‌است.
فناوری ستو (CETO)
این فناوری یکی از فناوری‌های مورد استفاده برای تبدیل انرژی امواج به الکتریسیته است. در این فناوری دستگاه در زیر آب عمل می‌کند و در کف اقیانوس محکم شده‌است. در این سیستم چندین شناور به واحدهای پمپ مستقر در بستر دریا متصل شده‌اند. این شناورها با حرکت امواج، تکان می‌خورند و پمپ‌ها را به حرکت درمی‌آورند. پمپ‌های مستقر در بستر دریا آب را تحت فشار قرار می‌دهند در نتیجه آب از طریق یک لوله زیر آبی به سمت ساحل برده‌می‌شود و توربین را به حرکت درمی‌آورد که موجب تولید الکتریسیته می‌شود.
فناوری نقطه جذب
فناوری نقطه جذب اغلب توسط توسعه‌دهندگان انرژی موج دنبال می‌شود. زمانی که شناور توسط موج‌ها تحریک می‌شود، جریان نسبت به نقطه مرجع ثابتی حرکت دارد. برخی شرکت‌ها از سازه‌های شناور در مرحله مفهومی از سیلندرهای هیدرولیکی استفاده می‌کنند در حالیکه سایر طراحان از ژنراتورهای خطی استفاده می‌کنند. در این مبدل انرژی موج، با حرکت جسم شناور به یک ساختار ثابت با استفاده از ژنراتورهای خطی، برق تولید می‌کند.
همچنین، شناور قدرت یک شناور نقطه جذب است. این دستگاه مجموعه‌ای از بویه‌های شناور هماهنگ است. بالا و پائین رفتن ساختارهای بویه‌ای شکل، تولید انرژی مکانیکی می‌کند که به انرژی الکتریکی تبدیل می‌شود. این پروژه در شهر ریداسپرت ایالت اورگن نصب شده‌است.
مفهوم ژنراتور خطی
ژنراتور خطی در فناوری نقطه جذب استفاده می‌شود. در این نوع کاربرد، از پنوماتیک بهره می‌گیرد و ژنراتور در زیر سطح دریا قرار دارد. ژنراتور از طریق کابل به شناورِ نقطه جذب در سطح دریا متصل است. سیلندرهای پر از هوا با حرکت امواج، در زیر سطح دریا (بستر دریا) حرکت می‌کنند. سیستم شامل یک سیلندر بیرونی و یک سیلندر درونی است که سیلندر بیرونی در تماس با امواج و سیلندر داخلی ثابت است.
تغییر فشار بر روی سیلندر بیرونی بر اثر حرکت امواج به بالا و پایین باعث تغییر فشار هوا در سیلندر داخلی می‌شود. این حرکت نسبی بین سیلندرها، انرژی الکتریکی را برای ژنراتور خطی فراهم می‌کند. این یک سیستم مکانیکی ساده و قوی است اما سیستم الکتریکی تا حدودی پیچیده‌است. تکنولوژی ژنراتور خطی مستقل از عمق است و اندازه هر واحد ۱۰ کیلووات است.
سیستم وال قدرتمند
سیستم وال قدرتمند (Mighty Whale) با توان ۱۲۰ کیلووات که در ژاپن توسعه یافت ولی به تولید صنعتی نرسید. در واقع این سیستم از تعداد زیادی توربین‌های OWC تشکیل شده‌است که به صورت شناور از حرکت نسبی موج برای فشرده‌سازی هوا استفاده می‌کند. طول این دستگاه ۵۰ متر و عرض آن ۳۰ متر، ارتفاع آن ۱۲ متر و ارتفاع زیر آب آن ۸ متر بود و یکی از بزرگترین سیستم‌های استخراج انرژی از امواج است. طراحی، ساخت و آزمایش این سیستم از سال ۱۹۸۹ تا سال ۲۰۰۳ به طول انجامید.
فناوری اژدهای موج
پروژه اژدهای موج (Wave Dragon) نمونه‌ای از طرح مفهومی نیروگاه هیدرولیک سرریز است. در این سیستم امواج با دو مانع شیب‌دار (به‌صورت V شکل) به سمت مرکز متمرکز می‌کند، در نتیجه امواج تقویت می‌شوند. از آنجا آب سرریزشده و توربین (توربین کم‌فشار) را به حرکت درمی‌آورد. پس از آن، آب به‌طور موقت در یک مخزن ذخیره می‌شود و دوباره به دریا برمیگردد. کل سیستم به عنوان یک نیروگاه دریایی شناور طراحی شده و به ساحل متصل نیست. نمونه اولیه در سال‌های ۲۰۰۳ تا ۲۰۰۷ در یک آبدره در شمال دانمارک آزمایش شد.
فناوری WaveRoller
بخش بزرگی از انرژی موج توسط حرکات آب زیر سطح آب منتقل می‌شود. فناوری‌های مختلف از این روش استفاده می‌کنند. WaveRoller شرکت فنلاندی AW-Energy از این فناوری برای استفاده از حرکت موج زیر آب در مجاورت ساحل استفاده می‌کند. در اعماق ۸ تا ۲۰ متری، صفحات فلزی عمودی متحرک، بر روی یک پنل فلزی نصب می‌شوند. جریان آب باعث می‌شود که این صفحات فلزی به عقب و جلو حرکت کنند.
یک سیستم هیدرولیکی در یک موتور هیدرولیکی باعث گشتاور و تولید انرژی الکتریکی می‌شود. انرژی برق از طریق کابل ارتباطی زیردریایی به شبکه برق متصل می‌شود. اولین نمونه از این نوع نیروگاه در سال ۲۰۱۲، در شمال بندر پنیچه در پرتغال به بهره‌برداری رسید. این نیروگاه شامل یک پنل (پلت فرم) با سه صفحه متحرک و ظرفیت تولید آن ۳۰۰ کیلووات است. در حال حاضر مجموعه‌ای از آزمایشات مختلف بر روی این فناوری در حال اجراست.
انرژی باد فرا ساحل
گاهی باد مورد نیاز در فراساحل به دست می‌آید که عمق آب عامل تعیین‌کننده هزینه‌ها است. عموماً تا ۴۰ کیلومتری ساحل می‌توان تأسیسات را برپا کرد. برآوردشده که توان باد فراساحلی حداقل ۲ برابر توان بادی روی خشکی هستند. تکنولوژی استخراج انرژی باد فراساحل کاملاً مهیا است ولی هزینه کار در فراساحل و انتقال انرژی به ساحل عموماً تولید برق را غیراقتصادی می‌نماید.
مزایا
- منابع بسیار گسترده
- ریسک پایین
- صدمه کمتر به زیستگاه‌های دریایی
- قابلیت پیش‌بینی نسبتاً دقیق باد جهت برنامه‌ریزی برای تزریق برق به شبکه
- عدم مزاحمت برای عموم مردم از نظر سر و صدا و نازیبایی محیطی
- قابلیت تبدیل انرژی به هیدروژن و انتقال راحت‌تر آن به ساحل
معایب
- ایجاد محدودیت دید، محدودیت مانور شناور و …
- هزینه اولیه بسیار زیاد
- برگشت سرمایه‌گذاری طولانی
- ناوبری و صیادی مشکل‌تر
- وضعیت آب و هوایی سخت در فراساحل
- هزینه تعمیر و نگهداری بالا
- نصب توربین‌های بزرگتر برای اقتصادی شدن
- هزینه‌های زیاد انتقال برق
بدون دیدگاه