سوخت‌های فسیلی هنوز هم منبع اصلی تامین انرژی در جهان به شمار می‌روند، اما با افزایش جمعیت و روند صنعتی شدن زندگی، نیاز به انرژی به طور قابل توجهی بیشتر شده است. این در حالی است که منابع فسیلی محدود بوده و مشکلاتی نظیر گرمایش زمین، آلودگی هوا و آب و تهدید سلامت انسان‌ها را به همراه دارند.
به همین دلیل، توجه جهانی به سمت استفاده از انرژی تجدیدپذیر جلب شده است. کشورهایی مانند آلمان، انگلستان، ایالات متحده، چین، هند و بسیاری دیگر در این حوزه پیشرفتهای قابل توجهی داشته‌اند و در تلاش برای کاهش وابستگی به سوخت‌های فسیلی هستند.
در این مقاله، به بررسی منابع انرژی‌های تجدیدپذیر و تجدیدناپذیر و نقش آنها در تولید برق خواهیم پرداخت. همراه ما باشید تا با این منابع انرژی بیشتر آشنا شوید.
مشکلات و اثرات منفی روش‌های سنتی تولید برق
افزایش جمعیت جهانی، تامین برق را به یکی از بزرگ‌ترین چالش‌ها تبدیل کرده است. نیروگاه‌های برق عمدتاً به سوخت‌های فسیلی مانند زغال سنگ، نفت و گاز طبیعی وابسته‌اند و ۸۲ درصد انرژی آنها از این منابع تامین می‌شود. اما این سوخت‌ها مشکلات متعددی را به وجود آورده‌اند.
اولاً، سوخت‌های فسیلی منابع تجدیدپذیر نیستند و جایگزینی آنها میلیون‌ها سال طول می‌کشد. دوماً، انتشار گازهای گلخانه‌ای از آنها به تخریب لایه اوزون، افزایش دمای زمین و ذوب شدن یخچال‌های طبیعی منجر شده است. همچنین، تولید گازهای مضری مانند کربن مونوکسید و دی اکسید گوگرد توسط این سوخت‌ها، بارش باران‌های اسیدی و آلودگی محیط زیست را به همراه دارد.
اهمیت تأمین پایدار انرژی الکتریکی
کارخانه‌های صنعتی از ارکان اصلی در رشد تولید و اشتغال به شمار می‌روند و تأمین پایدار انرژی برای آنها اهمیتی کلیدی دارد. صنعت برق، به عنوان زیرساختی اساسی، نقشی حیاتی در گسترش اقتصادی و افزایش رفاه اجتماعی ایفا می‌کند.
برق به دلیل قابلیت استفاده از فناوری‌های پیشرفته و سازگاری با محیط زیست، گزینه‌ای مناسب برای تأمین انرژی در بسیاری از بخش‌هاست. با این حال، دستیابی به تأمین پایدار برق بدون ارتقای زیرساخت‌های اقتصادی و حفاظت از محیط زیست ممکن نیست.
توسعه و استفاده از انرژی‌های تجدیدپذیر، همراه با صرفه‌جویی در مصرف انرژی، می‌تواند مصرف سوخت‌های فسیلی را کنترل کرده و آلودگی‌های زیست‌محیطی را کاهش دهد. در عصر حاضر، تأمین پایدار انرژی و حفظ محیط زیست به عنوان دو هدف اساسی، نه تنها در سطح ملی بلکه در مقیاس جهانی مورد توجه قرار گرفته‌اند.
انرژی تجدیدپذیر چیست؟
انرژی تجدیدپذیر به منابعی از انرژی گفته می‌شود که به‌صورت طبیعی و در مدت زمان کوتاهی جایگزین می‌شوند. این نوع انرژی‌ها عمدتاً مستقیم یا غیرمستقیم از انرژی خورشید منشأ می‌گیرند. از جمله این انرژی‌ها می‌توان به انرژی خورشیدی، باد، زیست‌توده، زمین‌گرمایی و انرژی آبی اشاره کرد.
یکی از مزایای بزرگ انرژی‌های تجدیدپذیر این است که این منابع انرژی هیچ‌گونه آلودگی برای محیط‌زیست ایجاد نمی‌کنند و به همین دلیل به‌عنوان «انرژی‌های پاک» معروف هستند.
منابع انرژی تجدیدپذیر
در این بخش به بررسی منابع انرژی‌های پاک و تجدیدپذیر با تمرکز بر انرژی خورشیدی می‌پردازیم و نقش آن را در تولید برق مرور می‌کنیم.
انرژی خورشیدی: منبعی بی‌پایان و پاک
انرژی خورشیدی یکی از بزرگ‌ترین منابع انرژی تجدیدپذیر در جهان است که به‌دلیل پاک بودن، هزینه کم و دسترسی گسترده در سراسر زمین، جایگاه ویژه‌ای در تأمین انرژی دارد. برق خورشیدی به‌طور عمده در نیروگاه‌های خورشیدی تولید می‌شود که این نیروگاه‌ها به دو نوع اصلی تقسیم می‌شوند:
نیروگاه‌های فتوولتائیک (Photovoltaic)
نیروگاه‌های حرارتی خورشیدی
نیروگاه Photovoltaic
در نیروگاه‌های فتوولتائیک، از سلول‌های خورشیدی فتوولتائیک استفاده می‌شود که ساختاری از نیمه‌رساناها با دو لایه نوع n و p دارند. هنگامی که نور خورشید به لایه n برخورد می‌کند، الکترون‌ها آزاد شده و به سمت لایه p حرکت می‌کنند، که این فرآیند منجر به تولید جریان الکتریکی می‌شود.
این فناوری بیشترین بهره‌وری را در مناطقی با تابش مستقیم نور خورشید دارد. به‌عنوان مثال، یک نیروگاه خورشیدی که در مساحتی معادل یک کیلومتر مربع ساخته شود، می‌تواند سالانه حدود 100 تا 300 گیگاوات‌ساعت انرژی تولید کند؛ رقمی که با تولید سالانه یک نیروگاه 50 مگاواتی سوخت فسیلی برابری می‌کند.
استفاده از انرژی خورشیدی به‌عنوان یک منبع تجدیدپذیر و پاک، گامی موثر در کاهش وابستگی به سوخت‌های فسیلی و حفاظت از محیط‌زیست است. این فناوری، به‌ویژه در مناطقی با تابش مستقیم خورشید، پتانسیل بالایی برای تأمین انرژی مورد نیاز انسان دارد.
نیروگاه حرارتی خورشیدی (Solar Thermal Energy)
نیروگاه‌های خورشیدی حرارتی (Solar Thermal Power Plants) انرژی گرمایی خورشید را در سیالاتی با نقطه جوش پایین مانند روغن‌های مخصوص ذخیره می‌کنند. این سیالات در لوله‌های جاذب حرارت با دمایی حدود ۴۰۰ درجه سانتیگراد جریان می‌یابند و در مبدل‌های حرارتی آب را به بخار تبدیل می‌نمایند.
بخار تولید شده، توربین‌ها را به حرکت درآورده و ژنراتورهای متصل به این توربین‌ها انرژی مکانیکی را به برق تبدیل می‌کنند. این فرآیند در نیروگاه‌های خورشیدی حرارتی به تصویر کشیده شده است.
انرژی باد (Wind Energy)
انرژی باد که یکی از منابع انرژی پاک محسوب می‌شود، از حرکت هوای گرم و سرد در نزدیکی سطح زمین به وجود می‌آید. این حرکت ناشی از گرم شدن هوا توسط انرژی خورشید و تفاوت چگالی هوای گرم و سرد است. از دیرباز، انرژی باد برای به حرکت درآوردن کشتی‌ها و پمپاژ آب در آسیاب‌های بادی به کار گرفته می‌شد. امروزه با استفاده از توربین‌های بادی، انرژی باد به برق تبدیل می‌شود. این فرآیند در شکل ۴ نشان داده شده است.
انرژی برق‌آبی (Hydroelectricity)
انرژی برق‌آبی یکی از روش‌های تولید برق است که از نیروی آب بهره می‌برد. جزر و مد دریاها، جریان رودخانه‌ها، آب پشت سدها و امواج اقیانوس‌ها از منابعی هستند که می‌توانند این نوع انرژی را تأمین کنند. در این فرآیند، انرژی جنبشی آب باعث چرخش توربین‌های نیروگاه‌های برق‌آبی می‌شود و این حرکت مکانیکی به تولید انرژی الکتریکی منجر می‌گردد.
علاوه بر این، استفاده از نیروی امواج اقیانوس و جزر و مد نیز یکی دیگر از روش‌های تولید برق از آب است. در تصویر ۵، نمونه‌ای از بهره‌گیری از انرژی موج‌های اقیانوسی برای تولید برق را مشاهده می‌کنیم. این فناوری‌ها از ظرفیت بالای منابع آبی برای تولید انرژی پاک بهره می‌برند.
انرژیی جریان اقیانوسی (Marine Current Power)
انرژی حرارتی دریاها و اقیانوس‌ها به‌عنوان یکی از منابع تجدیدپذیر و پاک مورد توجه قرار گرفته است. این فناوری از اختلاف دمای میان آب‌های سطحی گرم و آب‌های سرد عمق دریا بهره می‌برد. در این فرآیند، چرخه‌ای ترمودینامیکی با راندمانی نه‌چندان بالا ایجاد شده و از آن برای تولید برق از طریق حرکت ژنراتور استفاده می‌شود.
انرژی زمین‌گرمایی (Geothermal Energy)
یکی از منابع انرژی تجدیدپذیر و پاک، انرژی زمین‌گرمایی است که از گرمای درونی زمین بهره می‌برد. این انرژی از طریق چشمه‌های آب‌گرم، آتشفشان‌ها یا حفر چاه‌های عمیق استخراج می‌شود و می‌توان آن را برای گرم کردن آب در صنایع یا تولید برق به کار گرفت.
نیروگاه‌های زمین‌گرمایی با استفاده از بخار و آب‌های داغ طبیعی که از اعماق زمین به سطح می‌رسند، توربین‌ها را به حرکت درآورده و برق تولید می‌کنند. مزیت اصلی این انرژی در میان منابع تجدیدپذیر، پراکندگی و دسترسی آسان آن در نقاط مختلف جهان است.
انرژی بیومَس
زیست‌توده یا بیومس، از نخستین منابع انرژی مورد استفاده بشر بوده است. در گذشته، چوب به‌عنوان مهمترین منبع زیست‌توده برای پخت‌وپز و ایجاد گرما به کار می‌رفته است.
سایر منابع بیومس شامل محصولات کشاورزی، ضایعات، پسماندهای جنگل‌داری، مواد آلی زباله‌های شهری و صنعتی و حتی گاز متان استخراج‌شده از محل‌های دفن زباله می‌شود. عملکرد نیروگاه زیست‌توده شباهت زیادی به نیروگاه‌های سوخت فسیلی دارد؛ در این فرآیند، انرژی شیمیایی سوخت زیستی به گرما و سپس به انرژی حرکتی تبدیل شده و از طریق چرخش توربین‌ها برق تولید می‌شود.
انرژی زیست‌توده کاربردهای گسترده‌ای دارد؛ از تولید برق گرفته تا تأمین سوخت خودروها و حتی روشنایی خیابان‌ها.
مزایای انرژی تجدیدپذیر
مزایای انرژی‌های تجدیدپذیر نسبت به منابع انرژی سنتی قابل توجه است. در ادامه به برخی از این برتری‌ها اشاره می‌کنیم:
پایداری و محیط زیست
انرژی تجدیدپذیر به دلیل ماهیت تجدیدپذیری، تأثیرات زیست‌محیطی کمتری دارد. همچنین، میزان آلاینده‌های ناشی از این انرژی‌ها، حتی در منابعی مانند بیومس و زمین‌گرمایی، بسیار کمتر از سوخت‌های فسیلی است.
دسترسی آسان
در مناطقی که به شبکه برق دسترسی ندارند یا در شرایط اضطراری مانند بلایای طبیعی، استفاده از انرژی‌های تجدیدپذیر راهکاری اقتصادی و سریع است. به‌عنوان مثال، پنل‌های خورشیدی با هزینه کم و زمان نصب کوتاه، می‌توانند برق مورد نیاز را تأمین کنند.
کاهش هزینه‌ها
تولید برق در نیروگاه‌های فسیلی به منابعی همچون گاز طبیعی و زغال سنگ نیاز دارد که برای بسیاری از کشورها پرهزینه است. در مقابل، انرژی‌های تجدیدپذیر با هزینه‌های نگهداری کمتر و دسترسی آسان‌تر، گزینه‌ای به‌صرفه‌تر محسوب می‌شوند.
چالش‌ها و راهکارهای پیش روی توسعه انرژی‌های تجدیدپذیر
انرژی‌های تجدیدپذیر نسبت به تکنولوژی‌های تولید دیگر ساختاری متفاوت دارند. توسعه این نوع انرژی‌ها نیاز به سرمایه‌گذاری اولیه بالا دارد، اما هزینه‌های نگهداری و تعمیر آنها پایین است. از آنجا که منابع انرژی‌های پاک اغلب در مناطق دور افتاده واقع شده‌اند، احداث خطوط انتقال نیرو برای نیروگاه‌های تجدیدپذیر ضروری است که این موضوع هزینه‌های تولید نیرو را افزایش می‌دهد.
در ایران، مشکلات خاصی در پروژه‌های توسعه انرژی‌های تجدیدپذیر وجود دارد که مانع رشد آنها می‌شود. برخی از این مشکلات عبارتند از:
هزینه‌های بالای تولید برق در مقایسه با منابع سنتی
نبود قوانین ملی و محلی برای حمایت از منابع تجدیدپذیر
فقدان مدیریت کارآمد نیروی انسانی متخصص در سازمان‌های انرژی
ضعف در انتقال تکنولوژی حتی در قراردادهای بین‌المللی
کمبود توسعه آموزش عالی و رشته‌های مرتبط با انرژی‌های نو
نبود برنامه‌های آموزشی و دوره‌های فنی‌حرفه‌ای در زمینه انرژی‌های تجدیدپذیر
ضعف آگاهی مدیران و برنامه‌ریزان از انرژی‌های نو
نبود قوانین مالیاتی بر آلاینده‌های زیست‌محیطی منابع انرژی متعارف
در نتیجه، برای پیشرفت در این حوزه، باید به رفع این چالش‌ها توجه ویژه‌ای شود.
جمع‌بندی
در این مطلب به اهمیت گسترش انرژی‌های پاک پرداخته شد. سپس انواع منابع انرژی تجدیدپذیر و تجدیدناپذیر بررسی گردید و به مزایا و معایب استفاده از انرژی‌های تجدیدپذیر در صنعت اشاره شد. همچنین ظرفیت‌های کشور در بهره‌برداری از منابع انرژی پاک و موانع و چالش‌های موجود در این مسیر مورد تحلیل قرار گرفت.
