انرژی‌های نوین در دریا

انرژی و نحوۀ استحصال آن همواره جزو دغدغه‌های انسان بوده است. اصلی‌‌ترین منبع انرژی حال حاضر در جهان، نفت و گاز است؛ اما انرژی حاصله چندان پاک نبوده و آلاینده‌های تولید شده در اثر سوختن آنها منجر به آسیب‌های زیست‌محیطی جبران ناپذیری شده‌اند. با پیشرفت تکنولوژی، بشر توانست به انرژی‌های تجدید‌پذیر(پاک) دست پیدا کند. ابزار استحصال این نوع انرژی، فضای زیادی را بر روی خشکی اشغال می‌کند، لذا عده‌ای پیشنهاد توسعه آن را در دریا‌ها دادند؛ چرا که هم شرایط مساعدتر و هم فضای بیشتری در اختیار مهندسان بود. در دریا، انرژی به سه دستۀ موج و جزر‌‌ و‌ مد، باد و خورشید تقسیم می‌شود که موج و باد نسبت به خورشید، مورد توجه بیشتری قرار گرفته‌اند. در ادامه ابتدا تاریخچۀ کوتاهی از انرژی موج و باد بیان می‌کنیم، سپس به سایر جنبه‌ها و معایب و مزایای آنها می‌پردازیم.

انرژی باد

تاریخچه

 اروپا اولین قاره‌ای بود که اقدام به استفاده از انرژی باد در دریا کرد. اولین توربین‌ها در سال 1991 در دانمارک نصب شدند. در سال 2009، ظرفیت نامی هر توربین 3 مگاوات بود که انتظار می‌رفت در سال‌های آینده به 5 مگاوات نیز افزایش پیدا کند. تا سال 2014، حدود 69 مزرعۀ توربین بادی در اروپا ساخته شده بود که هر کدام به‌طور سالانه 482 مگاوات برق تولید می‌کردند. انگلیس در این دوره بیشترین ظرفیت تولید برق را داشت. تا انتهای سال 2015، تعداد این مزارع به 84 رسید که ظرفیت تولیدی سالانۀ آنها در مجموع 11027 مگاوات بود.

   در خارج از اروپا، چین نیز برنامه داشت که تا پایان سال 2015، مزارعی به ظرفیت 5 گیگاوات را گسترش دهد. همچنین آنها پیش‌بینی کرده بودند که تا سال 2020 این مقدار به 30 گیگاوات افزایش پیدا می‌کند، اما به دلایلی چین نتوانست هدف خود را محقق کند و در سال 2014 تنها 565 مگاوات از برق تولیدی خود را توسط توربین‌ها استحصال می‌کرد. تا سال 2017، ظرفیت تولیدی مزارع توربین در جهان به مقدار 20 گیگاوات رسید که در سال 2018 یک جهش 4.3 گیگاوات در ظرفیت آنها رخ داد.

   پیشرفت‌ها در این حوزه ادامه داشتند تا اینکه در سال 2022 مجددا شاهد جهشی 8.8 گیگاواتی در ظرفیت این مزارع بودیم تا به ظرفیت 64.3 گیگاوات در سال برسند و بخش بزرگتری از بازار انرژی را به خود اختصاص دهند. اگر چه پیش‌بینی‌ها از افزایش این ظرفیت خبر می‌دهند اما نمی‌توان تأثیرات سیاست‌های جهانی را در نظر نگرفت. برای مثال اخیراً فعالیت یکی از پروژه‌های بزرگ این صنعت در آمریکا به دلیل سیاست‌های دولت ترامپ متوقف شده است.

انواع توربین بادی فراساحلی

همانند سکوهای نفتی، توربین‌های بادی فراساحلی نیز به دو دستۀ ثابت و شناور تقسیم می‌شوند. توربین‌های ثابت برای عمق‌های کمتر از هفتاد_هشتاد متر استفاده شده که بر اساس نحوۀ قرارگیری بر بستر دریا به پنج نوع مونوپایل(Monopile)، ترایپاد(Tripod)، جکت(Jacket)، صندوقه هوا(Suction caisson) و ثقلی(Gravity base) تقسیم می‌شوند. توربین‌های شناور نیز انواع مختلفی دارند و تفاوت آنها در شکل پایه و نحوۀ اتصالشان به بستر دریا است.

مونوپایل(Monopile): این توربین‌ها توسط یک شمع که در بستر دریا کوبیده می‌شود، ثابت شده و تنها برای عمق‌های تا حداکثر سی متر قابل استفاده هستند.

ترایپاد(Tripod): این سازه‌ها همانند مونوپایل‌ها هستند با این تفاوت که به جای یک شمع، از سه شمع برای ثابت کردن توربین استفاده می‌شود. از مزایای این نوع سازه‌ها می‌توان به نصب آسان‌تر نسبت به مونوپایل‌ها، دسترسی به عمق بیشتر(شصت متر) و همینطور کاهش خطر واژگونی توربین اشاره کرد.

جکت(Jacket): پایۀ این توربین‌ها مانند سکوی جکت از یک خرپای سه بعدی تشکیل شده است که آن را برای استفاده در عمق بیشتر مناسب می‌کند.

صندوقۀ هوا(Suction caisson): صندوقه‌های هوا مخازنی سنگین و خالی هستند که ابتدا تحت وزن خود در بستر دریا رها می‌شوند و تا عمق مشخصی در خاک فرو می‌روند. سپس برای تثبیت آنها، شیر بالای مخزن را باز کرده و آب وارد‌شده را تخلیه می‌کنند تا داخل آنها خلا ایجاد شود و بیشتر در خاک بستر فرو بروند.

ثقلی(Gravity base): در این توربین‌ها از یک وزنۀ سنگین بتنی برای تثبیت توربین در بستر دریا استفاده می‌شود. این دسته توربین‌ها برای عمق‌های کمتر از بیست متر مورد استفاده قرار می‌گیرند.

مزایا و معایب

سرعت باد در دریا به دلیل عدم وجود مانع بسیار بیشتر از خشکی است. همچنین در بعد از ظهرها که میزان مصرف برق در شبکه بیشتر است، شدت باد نیز افزایش می‌یابد که این موضوع می‌تواند از پیچیدگی شبکه توزیع برق بکاهد. علاوه بر این، توربین‌ها در نزدیکی سواحل نصب می‌شوند که این اتفاق می‌تواند هزینۀ نصب خطوط انتقال برق را کاهش دهد. با این حال، توربین‌های فراساحلی معایب متعددی نیز دارند.

   نصب کردن توربین‌ها در دریا باعث می‌شود که سازه در معرض انواع عوامل محیطی مخرب مانند شوری، موج، پاشش آب و رطوبت دائمی قرار بگیرد. این عوامل مشکل‌ساز هستند و به مرور زمان می‌توانند باعث خوردگی و اکسید‌شدن سازه شوند و هزینه‌های تعمیر و نگهداری را افزایش دهند. همچنین نباید از هزینه‌ها و مشکلات نصب و انتقال توربین به دریا غافل شد. نصب توربین‌ها در دریا بسیار خطرناک‌تر و پرهزینه‌تر نسبت به خشکی است. گزارش‌ها نشان می‌دهند که تنها یک سوم تا یک دوم هزینه‌ها صرف ساخت توربین شده و سایر آن خرج فرآیند نصب و تعمیر و نگهداری می‌شود.

انرژی موج

تاریخچه

اولین ثبت‌ اختراع شناخته شده برای استخراج انرژی از اقیانوس، در سال 1799 در پاریس توسط پیر-سیمون جیرا و پسرش ثبت شد. یک دستگاه اولیه حدود سال 1910 توسط Bochaux-Praceique ساخته شد تا انرژی خانه‌اش را در رویان فرانسه تأمین کند. به‌نظر می‌رسد این نخستین دستگاه تولید انرژی از نوع ستون آب نوسانی بوده ‌است. از سال 1855 تا 1973 تنها در بریتانیا 340 ثبت‌اختراع انجام شد.

   پیگیری مدرن انرژی موج با آزمایش‌های یوشیو ماسودا دردهه 1940 انجام شد. او مفاهیم مختلفی را آزمایش کرد و صدها دستگاه ساخت که برای تأمین برق چراغ‌های ناوبری به‌کار رفتند. بحران نفت در 1973 علاقه به انرژی موج را دوباره برانگیخت. برنامه‌های توسعۀ قابل ‌توجهی توسط دولت‌ها در چند کشور، به ‌ویژه در بریتانیا، نروژ و سوئد آغاز شدند. پژوهشگران بار دیگر پتانسیل امواج برای استخراج انرژی را بررسی کردند، از جمله افرادی چون استیفن سالتر، یوهانس فالنس، کل بودال، مایکل ای. مک‌کورمیک و .....

   اختراع سال ۱۹۷۴ سالتر به «اردک سالتر» معروف شد و بعدها «اردک ادینبورگ» نام گرفت. در آزمایش‌های مقیاس کوچک، بدنۀ منحنی‌شکل این اردک می‌تواند نود درصد حرکت موج را دریافت کند و از آنچه که دریافت کرده، نود درصد را به برق تبدیل نماید که در مجموع بازدهی معادل 81 درصد را نتیجه می‌دهد. در دهۀ هشتاد چند نمونۀ اولیه نسل اول آزمایش شدند؛ اما با کاهش قیمت نفت، تأمین مالی پروژه‌های انرژی موج کاهش یافت. بعدها تغییرات اقلیمی بار دیگر این حوزه را فعال کرد.

انواع مبد‌ل‌های انرژی موج

در ادامه به توضیح برخی ابزارهای استحصال برق از انرژی موج می‌پردازیم.

بویۀ جاذب(Point absorber buoy): این بویه‌ها توسط یک کابل به ژنراتور متصل هستند و حرکت عمودی ناشی از موج را به حرکت دوار شفت ژنراتور تبدیل می‌کنند.

تضعیف‌کنندۀ موج(Wave attenuator): تضعیف‌کننده‌های موج؟! از چند صفحۀ شناور تشکیل شده‌اند که توسط مفاصل متحرک با یکدیگر ارتباط پیدا می‌کنند. این تضعیف کننده‌ها بر روی موج سوار شده و با انتقال حرکات آن به پمپ‌های هیدرولیکی، برق تولید می‌کنند.

تبدیل‌کنندۀ نوسانی حرکت افقی موج(Oscillating wave surge converter): این دستگاه از صفحه‌ای تشکیل شده که توسط یک مفصل به بستر دریا متصل می‌شود و توانایی حرکت نوسانی حول اتصال را دارد.

ستون آب نوسانی(Oscillating water column): این دستگاه از استوانه‌ای تشکیل شده که یک انتهای آن باز بوده و به آب اجازه می‌دهد تا آزادانه در داخل آن حرکت کند. در بالای این استوانه، توربینی قرار دارد که با حرکت هوا کار می‌کند. حال، با ورود موج از پایین استوانه، هوا فشرده شده و به بالا حرکت می‌کند و باعث چرخش توربین می‌شود.

مزایا و معایب

مزایای این روش از استخراج انرژی عبارت‌اند از: دسترسی آسان به منبع انرژی و کوتاه‌تر شدن مسیر کابل‌ها برای ساکنان سواحل، پتانسیل بالا برای تولید برق، قابلیت محاسبه و پیش‌بینی و ابعاد کوچکتر نسبت به توربین‌های بادی. از معایب انرژی موج می‌توان به خطر گرفتار شدن ارگانیسم‌های دریایی در داخل ابزار، ایجاد صدا و میدان مغناطیسی که می‌تواند بر روی جهت‌یابی آبزیان تأثیر بگذارد، هزینه‌های بالای نصب، تعمیر و نگهداری و همچنین تکنولوژی‌های پیچیده در این صنعت اشاره کرد.

انرژی‌های فراساحلی در ایران

متأسفانه علی‌رغم اینکه کشور ما دسترسی وسیعی به مرزهای آبی دارد، اما هیچگونه سرمایه‌گذاری مناسبی در این حوزه برای اجرای طرح‌های ارائه شده وجود ندارد چرا که ما در زمینۀ انرژی همچنان وابسته به نفت و آب هستیم. با توجه به ناترازی‌های اخیر در حوزۀ انرژی، امید است که در آینده شاهد فعالیت بیشتری در زمینۀ انرژی‌های تجدید‌پذیر بالاخص انرژی‌های فراساحلی باشیم.