انرژی آب (Energy Water)
نمونه ای از یک سد

تاريخچه
چرخ آبي، دستگاهي است كه استخراج انرژي از يك سيستم را ميسر مي‎سازد. به عنوان مثال اگر دستگاهي را به محور چرخ آبي كه در مسير آب در حال سرازير شدن كه از انرژي پتانسيل بالا به انرژي پانسيل پايين منتقل مي‎شود متصل كنيم، مي‎توانيم از انرژي جنبشي آن براي انجام كار استفاده نمائيم. در واقع چرخ آبي اولين دستگاهي بود كه عملاً بشر را از اتكاء به ماهيچه‎هايش يا به بيگاري گرفتن حيوانات براي انجام كار، رها نمود. اطلاعي از زمان و مكان پيدايش چرخ‌هاي آبي در دست نيست و حتي اطلاعي از اينكه چه شخصي باعث پيشرفت و توسعه آن شد نيز وجود ندارد. حدوداً 300 سال قبل از ميلاد، مصارف ديگري از چرخ آبي مي‎شد.

آنها،‌ با طناب به سطل‌هايي براي بالا آوردن آب وصل مي‎شدند كه از آن براي مصارف خانگي و يا آبياري زمين‌هاي كشاورزي استفاده مي‎شد. اين، ساده‎ترين و ابتدائي‎ترين كاربرد چرخ آبي بود، ‎Noria، چرخ پره‎دار ساده‎اي بود كه با جريان آب رودخانه، حركت مي‎كرد و به شتر در مديترانه رواج داشت. ‎Noria چندان عمري نداشت زيرا بلافاصله چرخ ديگري كه در پايين به شرح آن مي‎پردازيم، بوجود آمد.

علت پيدايش اين چرخ جديد،‌ به خاطر نياز ‎Noria به ذخيره زياد آب بود. تا صد قبل از ميلاد، چرخ‌هاي آبي در چندين نواحي دنيا از جمله شمال يونان، تركيه و هند براي آسياب كردن غلات و استخراج روغن از زيتون، كاربرد داشتند. اين چرخ‌ها، معروف به چرخ‌هاي افقي مي‎باشند و ميله عمودي نصب شده بر روي آن، مستقيماً سبب حركت سنگ آسياب مي‎شود. چرخ‌هاي افقي هم مشكلات و معضلاتي را با خود به همراه داشتند.

از جمله آن كه بايد مجهز به نوعي مجرا يا كانال باشند كه موجب انتقال آب به يك طرف چرخ و نهايتاً چرخاندن چرخ شود. از اين‎رو، چرخ‌هاي افقي در نهرها كه شدت جريان آب در آن شديد مي‎باشد (نظير نواحي كوهستاني شمال تركيه و يونان) كارآيي داشتند. لازم به ذكر است كه سرعت سنگ آسياب، دقيقاً برابر سرعت چرخ آبي و سرعت چرخ آبي هم بسته به سرعت جريان آب مي‎باشد. چرخ افقي گاهي اوقات با نام ‎Norse wheel شناخته مي‎شود.

و اولين دستگاه قابل استفاده در منزل بود. در آن زمان غلات با آسياب‌هاي دستي آرد مي‎شدند. زنان مجبور به انجام اين كار بودند و زمان زيادي از وقت آنها بدين كار سپري مي‎شد. اين دستگاه شرايط فوق را تغيير داد. مسئله فوق ممكن است از دو ديدگاه، چندان جالب نباشد. اما مسئله‎اي براي ماشيني شدن كارها و رهايي از كار پرزحمت آسياب كردن غلات با دست شد. قديمي‎ترين چرخ آبي در كابريا ‎cabria از سواحل جنوبي درياي سياه، پيدا شد.

انرژي جنبشي انرژی آب
براي درك و روشن شدن، مطلب را با مثال ساده‎اي آغاز مي‎كنيم. اگر در حال عبور از نهر آبي باشيم، اين حس در ما ايجاد مي‎شود كه آب در جهت خلاف پاهاي ما به شدت عبور مي‎كند. در نهرهايي كه جريان آب در آنها تند باشد بايد مراقب باشيم كه شدت (فشار) آب باعث افتادن ما نشود. همين‎طور كشش و فشار امواج را هنگام گذر از كنار دريا حس مي‎كنيم.

گاهي اوقات هنگام نزديك شدن امواج،‌ مي‎توانيم سريع پاهايمان را كنار بكشيم، يقيناً اگر در زير يك آبشار باشيم، فشار آب را روي بدنمان احساس مي‎كنيم. اگر اندكي اين چرخ را در نحري كه آب در آن جريان دارد،‌ داخل كنيم. جريان آب در جهت خلاف آن بر آن فشار مي‎آورد، درست همانند زماني كه ما داخل آب هستيم شويم. فشار آب موجود در جهت فاضلاب فقط يك پدال (پرگا)، موجب چرخش چرخ مي‎شود.

اگر محور چرخ را به يك دستگاه وصل كنيم قادر به انجام كار مفيد، نظير آسياب كردن غلات مي‎باشيم. پايه و اساس چرخ آبي، درك مفهوم فوق مي‎باشد.
حال، مشاهده‎اي مرتبط در اين زمينه را در نظر مجسم سازيد: زماني كه داخل يك استخر يا حوض مخصوص شنا ايستاده‎ايم و يا در حال گذشتن از آن هستيم، هيچ نگران اين قضيه نيستيم كه جريان آب موجب عدم تعادل و نهايتاً افتادن ما شود. مشابه آن در مورد چرخ آبي هم صدق مي‎كند. قرار دادن چرخ آبي در استخر شنا، مانع حركت چرخ مي‎شود.

به تفاوتي بين شرايط فعلي و شرايطي كه قبلاً راجع به آن بحث شد، وجود دارد؟ در استخر شنا با حوض، جريان آب، ثابت و يا اينكه خيلي كند مي‎باشد. تنها آب جريا (متحرك) باعث هل دادن و به حركت درآوردن ما و همين‎طور باعث چرخاندن، چرخ آبي مي‎شود. به حركت درآمدن ما و چرخ آبي، بيانگر انجام كار مي‎باشد.

تنها آب جاري،‌ توان انجام كار را دارد. مطلب فوق مبين اين مسئله است كه آب جاري (آبي كه داراي حركت باشد) داراي نوعي انرژي مي‎باشد. همان‎طوري كه قبلاً گفته شد، اگر چرخ آبي را به يك دستگاه مكانيكي وصل كنيم، دستگاه قادر به انجام كار نظير: آسياب كردن فلات يا اره كردن چوب مي‎باشد. تعميم عبارت فوق بيان اين مطلب است كه:
«انرژي جنبشي، باعث انجام كار مي‎شود».

انرژي پتانسيل انرژی آب
استفاده از يك چرخ آبي را در نظر مجسم سازيد، ‌با در نظر گرفتن مزيت آبشار و انرژي جنبشي آبي كه از آن سرازير مي‎شود، چرخ‎هاي چرخ‎دنده مي‎چرخد و كار انجام مي‎گيرد. حجمي از آب را در نقطه ‎A در نظر بگيريد، آيا آن مقدار از آب قادر به انجام كار مي‎باشد؟ خير؟ (حداقل، حالانه)، حجم آب در آن نقطه، فاقد انرژي جنبشي مي‎باشد. البته بايد بر اين مسئله واقف باشيم كه آب در نقطه ‎A انرژي جنبشي ندارد اما پتانسيل كسب انرژي جنبشي را دارد.

براي درك مطلب فوق مي‎توانيم بگوئيم كه آب در نقطه ‎A داراي انرژي پتانسيل مي‎باشد. چه عاملي باعث سرازير شدن آب مي‎گردد؟ نيروي جاذبه زمين، آب را به مركز زمين مي‎كشد، بايد گفت كه آب در نقطه «A» انرژي پتانسيل جاذبه را دارا ميباشد.
اين انرژي، انرژي پتانسيل جاذبه نيتوني مي‎باشد كه باعث كشيده شدن اشياء به طرف مركز ثقل مي‎شود. حال سه نكته ديگر را به آن اضافه مي‎نمائيم. اولاً: انرژي پتانسيل به صورت بالقوه انرژي جنبشي مي‎باشد (يا انرژي پتانسيل قابل تبديل به انرژي جنبشي مي‎باشد).

ثانياً‌ در نقطه ‎B آب به پره‎هاي چرخ آبي ضربه مي‎زند و موجب انتقال انرژي جنبشي آب به چرخ و نهايتاً حركت چرخ كه همان انجام كار مي‎باشد مي‎شود. در واقع نقطه ‎B مكاني فعال است. تصور كنيد كه براي حجم آب در نقطه ‎C چه روي مي‎دهد؟
ممكن است اين‎طور در ذهن تداعي شود كه انرژي پتانسيل در نقطه ‎C به آخر مي‎رسد، ‌ در واقع آب هميشه، قدري انرژي پتانسيل جاذبه را دارا مي‎باشد مگر آنكه نقطه ‎C مركز ثقل زمين باشد. بيشترين و بالاترين ميزان انرژي پتانسيل در نقطة ‎A مي‎باشد. آب هنگام سرازير شدن از آبشار قدري از انرژي پتانسيل اش، به انرژي جنبشي تبديل مي‎شود و انرژي جنبشي آب در حال سرازير شدن از آبشار، قادر به انجام كارو چرخاندن چرخ آبي مي‎باشد.

چرخه ي توليد نيرو توسط انرژی آب

نمونه اي از توربين

مزايا و معايب

نيروي برق‌آبي با ايجاد انرژي الكتريكي بدون سوزاندن سوخت‌ها از ايجاد آلوده‌كننده‌هاي متصاعد شده از سوختن سوخت‌هاي فسيلي مانند دي‌اكسيد گوگرد، اسيد نيتريك، منواكسيد كربن، گرد و غبار و سرب (موجود در زغال سنگ) جلوگيري مي‌كند. همچنين هيدروالكتريسيته با از بين بردن ضرورت استفاده از سوخت‌هايي مانند زغال سنگ به طور غيرمستقيم خطرات ناشي از استخراج زغال سنگ را كاهش مي‌دهد.

اين نيروگاه‌ها زباله هسته‌اي توليد نمي‌كنند. همچنين خطرات مربوط به تماس با اورانيوم در معادن يا نشت مواد هسته‌اي را نيز ندارند و برعكس اورانيوم در اين دسته از نيروگاه‌ها از انرژي‌هاي تجديد پذيري استفاده مي‌شود. در مقايسه با مولدهاي بادي، منابع انرژي در نيروگاه‌هاي آبي خيلي قابل پيش‌بيني‌تر هستند. همچنين اين نيروگاه‌ها مي‌توانند ضريب بار شبكه را بهبود دهند و در زمان نياز شروع به توليد انرژي الكتريكي كرده و به اين ترتيب موجب تعديل شبكه در طول ساعات پيك شوند.

برعكس نيروگاه‌هاي گرمايي در نيروگاه‌هاي آبي زمان زيادي صرف مطالعات مربوط به سد مي‌شود. معمولاً براي انجام دقيق محاسبات، داده‌هاي حدود ۵۰ سال از رفتارهاي رودخانه براي انتخاب بهترين مكان احداث سد و روش ساخت آن لازم است. برعكس نيروگاه‌هايي كه از سوخت‌ها براي تامين انرژي استفاده مي‌كنند، مكان‌هاي مناسب براي احداث نيروگاه‌هاي آبي محدود هستند. همچنين بيشتر نيروگاه‌هاي آبي از مراكز تجمع جمعيت دور هستند و بايد براي انتقال آنها نيز هزينه‌اي صرف كرد. از ديگر ضعف‌هاي اين نيروگاه وابستگي شديد به ميزان آب ورودي است و از آنجايكه ميزان آب پشت سد به بارش‌ها وابسته‌است و در صورتيكه كه ميزان بارش برف و باران كاهش يابد ميزان توليد انرژي الكتريكي نيز كاهش مي‌يابد.

از ديگر سو آب ذخيره شده در پشت يك سد در واقع مي‌تواند بخشي از امكانات مربوط به ورزش‌هاي آبي باشد و به اين ترتيب مي‌تواند به جاذبه‌اي براي گردشگران تبديل شود. در برخي از كشورها از اين آب براي پرورش موجودات آبزي مانند ماهي‌ها استفاده مي‌شود به اين ترتيب كه در برخي سدها محيط‌هاي خاصي براي پرورش موجودات آبزي اختصاص يافته كه هميشه از نظر داشتن آب پشتيباني مي‌شوند. از معايب اين نوع انرژي مي توان به، جابجايي جمعيت ساكن در مناطق زير آب رفته توسط آب پشت سد است.

اين مناطق ممكن است شامل مناطقي باشد كه از نظر فرهنگي يا اعتقادي داراي ارزش بالايي هستند و بدين ترتيب دلبستگي زيادي بين مردم ساكن با منطقه و آن منطقه خاص وجود دارد و به اين ترتيب با بالا آمدن آب اين مكان‌هاي تاريخي يا فرهنگي از بين خواهند رفت.

مسائل اقتصادي انرژی آب
بيشترين مزيت استفاده از نيروگاه‌ها آبي عدم نياز به استفاده از سوخت‌ها و در نتيجه حذف هزينه‌هاي مربوط به تامين سوخت است. درواقع هزينه انرژي الكتريكي توليدي در يك نيروگاه آبي تقريباً از تغييرات قيمت سوخت‌هاي فسيلي نظير نفت، گاز طبيعي و زغال سنگ مصون است. همچنين عمر متوسط نيروگاه‌هاي آبي در مقايسه با نيروگاه‌هاي گرمايي بيشتر است، به طوري كه عمر برخي از نيروگاه‌هاي آبي كه هم‌اكنون در حال استفاده هستند به ۵۰ تا ۱۰۰ سال پيش بازمي‌گردد.

هزينه كار اين نيروگاه‌ها در حالي كه به صورت خودكار عمل كنند كم است و بجز در موارد اضطراري به پرسنل زيادي در نيروگاه نياز نخواهد بود. در موقعيت‌هايي كه استفاده از سد چندين هدف را پوشش مي‌دهد، ساخت يك نيروگاه آبي هزينه نسبتاً كمي را به هزينه‌هاي ساخت سد اضافه مي‌كند. ايجاد يك نيروگاه همچنين مي‌تواند هزينه‌هاي مربوط به ساخت سد را جبران كند. براي مثال هزينه ناشي از ساخت سد «Three Gorges» كه بزرگ‌ترين سد جهان است با فروش انرژي الكتريكي توليدي در سد در طول ۵ تا ۷ سال جبران شده ‌است.

آمار در جهان و ايران

مسائل محيط زيست انرژی آب
پروژه‌هاي احداث سد معمولاً با تغييرات زيادي در اكوسيستم منطقه احداث سد همراه هستند. براي مثال تحقيقات نشان مي‌دهد كه سدهاي ساخته شده در كرانه‌هاي اقيانوس اطلس و اقيانوس آرام در آمريكاي شمالي از ميزان ماهي‌هاي قزل‌آلاي رودخانه‌ها به شدت كاسته‌است و اين به دليل جلوگيري سد از رسيدن ماهي‌ها به بالاي رودخانه براي تخم‌گذاري است و اين درحالي است كه براي عبور اين ماهي‌ها به بالاي رودخانه محل‌هاي خاصي در سد در نظرگرفته شده‌است.

همچنين ماهي‌هاي كوچك در طول مهاجرت از رودخانه به دريا در بين توربين‌ها آسيب مي‌بينند كه براي رفع اين عيب نيز در قسمتي از سال ماهي‌ها را با قايق‌هاي كوچك به پايين رودخانه مي‌برند. با تمام فعاليت‌هايي كه براي ايجاد محيط مناسب براي ماهي‌ها انجام مي‌شود بازهم با ساخت سد از ميزان ماهي‌ها كاسته مي‌شود. در كشورهايي مانند ايالات متحده بستن مسير مهاجرت ماهي‌ها و ديگر موجودات آبزري به وسيله سد ممنوع است و حتماً بايد براي عبور آنها تمهيداتي انديشيده شود. به اين ترتيب در برخي موارد سدها مي‌توانند واقعاً براي ماهي‌ها آسيب رسان باشند كه نمونه‌اي از آنها سد مارموت (Marmot Dam) در ايالات متحده‌است كه عمليات حذف آن در ۲۰ اكتبر ۲۰۰۷ به پايان رسيد. پس از تخريب اين سد رودخانه براي اولين بار پس از۱۰۰ سال جريان آزاد خود را آغاز كرد. عمليات حذف اين سد بزرگ‌ترين عمليات حذف سد در ايالات متحده بود.

ايجاد سدها معمولاً باعث به وجود آمدن تغييراتي در قسمت‌هاي پاييني رودخانه مي‌شوند. آب خروجي از توربين‌ها معمولاً حامل مقدار كمتري از رسوبات است و اين خود باعث پاك شدن بستر رودخانه و از بين رفتن حاشيه‌هاي رودخانه مي‌شود. به دليل اينكه توربين‌ها معمولاً به نوبت كار مي‌كنند نوساناتي در جريان آب خروجي ايجاد مي‌شود كه شدت فرسايش بستر رودخانه را افزايش مي‌دهد.

همچنين ظرفيت اكسيژن حل شده در آب به دليل كار توربين‌ها كاهش مي‌يابد چراكه آب خروجي توربين‌ها معمولاً گرمتر از آب ورودي آنهاست كه اين خود مي‌تواند جان برخي گونه‌هاي حساس را به خطر بياندازد. برخي ديگر از سدها براي افزايش ارتفاع فشار مسير رودخانه را منحرف كرده و باعث عبور آب از مناطق پر شيب‌تر مي‌شوند و به اين ترتيب مسير قبلي رودخانه را خشك مي‌كنند. براي مثال در رودخانه‌هاي تپاكو (Tekapo) و پوكاكي (Pukaki) از اين روش استفاده شده‌است كه نه تنها موجب به خطر افتادن برخي گونه‌هاي موجودات آبزي شده بلكه پرندگان مهاجر منطقه را نيز به شدت در خطر قرار داده‌ است.

بازگشت به صفحه اصلی

گردآوری:گروه تی وی تی کام