تعد الطاقة المائية من أقدم مصادر الطاقة المتجددة. أكثر من 70 في المائة من مساحة سطح الأرض عبارة عن ماء ، وهناك كمية كبيرة من الطاقة المخزنة في تلك المياه يمكننا تسخيرها لتوليد الكهرباء.
تعريف الطاقة المائية
الطاقة المائية هي الطاقة المولدة من الماء. يأتي في أشكال عديدة ، من جريان النهر إلى التخزين بالضخ إلى طاقة الأمواج. الطاقة المائية هي واحدة من أقدم مصادر الطاقة المتجددة لتوليد الكهرباء (المعروفة باسم الطاقة المائية) ، ولا تزال اليوم أكبر مصدر فردي لتوليد الكهرباء المتجددة في الولايات المتحدة.
يتم قياس كمية الطاقة الكامنة التي يحملها بعض جسم الماء المخزن باستخدام فرق الارتفاع بين سباق الرأس وسباق الذيل ، والمعروف باسم الرأس الهيدروليكي. اليوم ، يأتي 16٪ من الكهرباء في العالم من منشآت الطاقة المائية ، بينما كانت القيم في أوائل القرن العشرين أعلى بكثير. في بعض البلدان حول العالم ، الطاقة الكهرومائية هي النوع الرئيسي للكهرباء المستخدمة.
كيف تعمل الطاقة المائية
بغض النظر عن الآلية الدقيقة وراء كل مصدر فردي للطاقة المائية ، فإن المبدأ الأساسي للطاقة المائية هو أنه يمكننا استخدام المياه المتحركة لتدوير التوربينات وتوليد الكهرباء.
القوة الدافعة وراء معظم تطبيقات الطاقة الكهرومائية هي دورة المياه. تتكاثف المياه المتبخرة من الأنهار والبحيرات والمحيطات في الغلاف الجوي وتعود إلى سطح الأرض كترسيب يتدفق عبر الجداول والأنهار. يحتوي هذا الماء المتحرك على طاقة يمكن تسخيرها لتوليد الطاقة المائية عن طريق تدوير التوربينات. تجلب محطة كهرومائية نموذجية المياه المتدفقة عبر أنبوب (يُعرف باسم penstock) يوجه الماء إلى التوربينات. تجبر هذه المياه المتدفقة التوربينات على تدوير مولد وإنتاج كهرباء قابلة للاستخدام.
يمكننا أيضًا تسخير الطاقة المائية من مصادر مثل المد والجزر (طاقة المد والجزر) وأمواج المحيط (طاقة الأمواج). هذه المصادر لا تعتمد على دورة المياه بشكل مباشر. بدلاً من ذلك ، تأتي طاقة المد والجزر وطاقة الأمواج من قوة الجاذبية للقمر والرياح التي تهب عبر سطح المحيط ، على التوالي.
إقرأ ايضا:
دور الطاقة المائية اليوم
وفقًا لإدارة معلومات الطاقة (EIA) ، شكلت الطاقة المائية حوالي سبعة بالمائة من إجمالي توليد الكهرباء في الولايات المتحدة في عام 2018. اعتادت الطاقة المائية أن تكون مصدر الطاقة المتجددة المهيمن للكهرباء في البلاد ، ولكن مع استمرار نمو تقنيات مثل الرياح والطاقة الشمسية في شعبية ، انخفضت الحصة الإجمالية للطاقة المائية من مزيج الكهرباء بمرور الوقت.
أنواع الطاقات المائية
نحن نسخر الطاقة الكامنة للمياه بعدة طرق:
1. محطات تخزين الطاقة المائية
ربما يكون أكثر أنواع الطاقة المائية شهرة وتميزًا هو تخزين الطاقة المائية. تتضمن محطة تخزين الطاقة الكهرومائية سد نهر وإنشاء خزان يخزن كميات كبيرة من المياه. تتسرب المياه من الخزان خلف السدود وتتدفق عبر التوربينات وتدورها وتنتج الكهرباء. توفر محطات الطاقة المائية التخزينية حملاً أساسيًا ثابتًا إلى حد ما لإنتاج الكهرباء ، مما يعني أنها يمكن أن توفر طاقة ثابتة نسبيًا ولديها أيضًا القدرة على تلبية ذروة الطلب على الكهرباء من خلال السماح بمزيد من المياه من خلال أنظمة التوربينات في فترة زمنية قصيرة. على العكس من ذلك ، يمكن إغلاق محطة تخزين الطاقة المائية تمامًا في أوقات انخفاض الطلب على الكهرباء. يعتبر سد هوفر في ولاية نيفادا مثالاً بارزًا لمحطة تخزين الطاقة الكهرومائية: فهي قادرة على إنتاج أكثر من 4.5 مليار كيلوواط / ساعة من الكهرباء سنويًا ، وهو ما يكفي لتزويد أكثر من 430 ألف منزل بالكهرباء لمدة عام.
2. محطات ضخ الطاقة المائية للتخزين
على غرار أنظمة تخزين الطاقة المائية ، تعتمد الطاقة الكهرومائية للتخزين التي يتم ضخها على المياه المتدفقة عبر التوربينات من خزان على ارتفاع عالٍ إلى نقطة إطلاق منخفضة الارتفاع. يتمثل الاختلاف بين التخزين والتخزين بالضخ في أن أنظمة التخزين التي يتم ضخها تشمل مضخات تنقل المياه احتياطيًا إلى خزان الارتفاع الأعلى. في أوقات ذروة الطلب على الكهرباء ، يتم إعادة ضخ المياه من خلال التوربينات لتلبية طلب المستهلكين المرتفع.
محطات توليد الطاقة المائية التي يتم تخزينها بالضخ هي مستهلكات صافية للكهرباء - وذلك لأن ضخ المياه احتياطيًا إلى ارتفاع عالٍ يستهلك طاقة أكثر مما يمكن أن يولده نفس الحجم من المياه للتدفق عبر التوربينات. ومع ذلك ، فإن محطات التخزين التي يتم ضخها تحقق أرباحًا صافية عن طريق بيع الكهرباء إلى الشبكة خلال أوقات ذروة الاستخدام عندما تكون الكهرباء أغلى من المعتاد. يتم ضخ المياه مرة أخرى إلى ارتفاعات عالية خلال أوقات خارج الذروة بتكلفة أقل ، مما يجعل أنظمة التخزين التي يتم ضخها ذات قيمة للشبكة الكهربائية بشكل عام.
2. الطاقة الكهرومائية الجارية في النهر
يستخدم نظام الطاقة الكهرومائية الجارية في النهر أيضًا الطاقة الموجودة في مياه النهر المتدفقة لتوليد الكهرباء. ومع ذلك ، على عكس أنظمة الطاقة المائية للتخزين والتخزين بالضخ ، فإن محطات الطاقة المائية الجارية في النهر تنطوي على سعة تخزين قليلة جدًا أو معدومة. في كثير من الأحيان في نظام جريان النهر ، يتم تحويل المياه بعيدًا عن القناة الرئيسية للنهر من خلال نظام التوربينات ثم إعادتها إلى القناة الرئيسية في اتجاه مجرى النهر. هذه الأنظمة غير قادرة عادةً على توليد الكهرباء بنفس مستوى أنظمة التخزين ، ولكن غالبًا ما يكون لها تأثير بيئي أقل من الأنظمة التي تتضمن إنشاء سدود للأنهار.
4. طاقة المد والجزر
تسمح لنا القوى الأخرى إلى جانب دورة المياه بالتقاط الطاقة من نقل المياه. ترتفع محيطات الأرض وتنخفض في دورات المد والجزر على مدار اليوم بسبب جاذبية القمر ، وتستخدم هذه الحركة لتوليد الكهرباء. تأتي أنظمة طاقة المد والجزر في عدة أشكال بما في ذلك توربينات المد والجزر و "القناطر" ، وهي هياكل مماثلة للسدود. من المزايا المهمة لقوة المد والجزر موثوقيتها: المد والجزر دورية للغاية ويمكن التنبؤ بها بدقة. حاليًا ، تعد طاقة المد والجزر مصدرًا غير شائع للكهرباء ، وهناك عدد قليل جدًا من التركيبات النشطة حول العالم.
5. طاقة الأمواج
عندما تهب الرياح عبر سطح المياه المفتوحة ، تنتقل الطاقة إلى الماء ، وتشكل موجات تحتوي على طاقة. هناك العديد من التقنيات قيد التطوير لتسخير طاقة الأمواج ، ولكن مثل طاقة المد والجزر ، فإن طاقة الأمواج ليست تقنية شائعة لتوليد الكهرباء حتى الآن.