انواع روش های تولید انرژی الکتریکی( تولید برق)

انواع روش های تولید انرژی الکتریکی( تولید برق)

انواع روش‌های تولید انرژی الکتریکی یا انواع روش های تولید برق در سه دسته اصلی قرار می‌گیرند. در کشورهای مختلف بسته به شرایط موجود  از انواع منابع و فناوری‌های مختلف انرژی برای تولید برق استفاده می‌کنند.

• استفاده از سوخت‌های فسیلی (زغال سنگ، گاز طبیعی و نفت)
• استفاده از انرژی هسته‌ای
• استفاده از منابع انرژی تجدیدپذیر

در این میان بیشتر منابع تولید برق با توربین‌های بخار با استفاده از سوخت‌های فسیلی، انرژی هسته‌ای، زیست توده، زمین گرمایی و انرژی حرارتی خورشیدی تولید می‌شود.

سایر فن آوری‌های اصلی تولید برق شامل توربین‌های گازی، توربین‌های آبی، توربین‌های بادی و فتوولتائیک‌های خورشیدی و موتورهای احتراق داخلی گاز سوز می‌باشند. در ادامه به توضیح هر چه بیشتر روش های تولید برق می پردازیم.

استفاده از سوخت های فسیلی برای تولید انرژی الکتریکی :

در یک نیروگاه سوخت فسیلی از انرژی شیمیایی ذخیره شده در سوخت‌های فسیلی نظیر زغال سنگ، نفت کوره، گاز طبیعی یا شیست قیری به‌طور مداوم به انرژی گرمایی تبدیل می‌شود در واقع با سوزاندن این مواد انرژی تولید می شود. در یک نیروگاه بزرگ تولید برق، این سوخت ها را در حضور اکسیژن می سوزانند و از انرژی گرمایی تولید شده برای تولید بخار از آب استفاده می کنند. بخار تولید شده به دلیل داشتن انرژی بالا باعث به حرکت در آمدن توربین نیروگاه شده و در نهایت انرژی مکانیکی توسط ژنراتورهای الکتریکی به انرژی الکتریکی تبدیل می‌شود که به وسیله شبکه انتقال در یک پهنه جغرافیایی وسیع توزیع می‌شود. تقریباً تمام نیروگاه‌های سوخت فسیلی از بخار به عنوان سیال استفاده می‌کنند، اما در تکنولوژی توربین‌های گازی و موتورهای احتراق داخلی از بخار برای انتقال انرژی استفاده نمی گردد. براساس محل احتراق سوخت، موتورها را می توان به دو نوع طبقه بندی کرد.یکی موتور احتراق داخلی (ICE) و دیگری موتور احتراق خارجی است.

روش کار این موتورها به این شکل است که˛سوختی که در داخل سیلندرها محبوس می­شود منفجر شده

و باعث به حرکت در آمدن پیستون ها می شود.  موتورهای احتراق داخلی به دلیل داشتن آلودگی کمتر

به نسبت سایر نیروگاه ها و توربین های گازی از محبوبیت بیشتری برخوردارند و به علت آلودگي كمتر

و داشتن ابعاد کوچکتر و تولید صدای کمتر قابلیت نصب در محل های شهری را دارا می باشند.

مزایا استفاده از سوخت های فسیلی

– دسترسی پذیری بالا

– هزینه استفاده از سوخت های فسیلی و تجهیزات آن به نسبت سایر انرژی ها کمتر است

معایب استفاده از سوخت ها فسیلی

– سوخت های فسیلی یک منبع غیر قابل تجدید هستند و میلیون ها سال انتظار برای تشکیل ذخایر جدید زغال سنگ ، نفت و گاز طبیعی یک راه حل غیر واقعی است.

– ترکیبات ناشی از سوزاندن سوخت های فسیلی تقریباً مسئول سه چهارم میزان انتشار مواد آلاینده از فعالیت های انسانی در ۲۰ سال گذشته است.

نفت که یک سوخت فسیلی است منبع انرژی زمان ماست. ما نفت خام استخراج شده را به محصولات مختلف مانند بنزین ، سوخت جت ، گازوئیل و حتی پلاستیک ها تبدیل می کنیم . این سوخت فسیلی تجارت جهانی را ارتقا داده و پشتیبان بسیاری از بزرگترین نوآوری های تکنولوژیک و اجتماعی در عصر حاضر می باشد. با این حال ،  محیط زیست هزینه های گزافی را برای مصرف بی رویه ما از سوخت های فسیلی پرداخت می کند، آب و هوای ما با سرعتی بسیار زیاد در حال گرم شدن می­باشد که ممکن است عواقب جبران ناپذیری داشته باشد.

نشت نفت ، آسیب های زیست محیطی ، آلودگی و به خطر افتادن سلامتی انسان تنها برخی از تأثیرات منفی اکتشاف ، توسعه و استفاده از سوخت های فسیلی هستند.

وابستگی به نفت به عنوان یک منبع انرژی یک خطر واقعی برای امنیت ملی ، محیط زیست و اقتصاد ما است. در عوض ، ارتقا منابع انرژی تجدیدپذیر داخلی باعث ایجاد مشاغل سبز ، حفاظت از سلامتی خواهد شد. علاوه بر این ، استخراج نفت زیستگاه های طبیعی را از بین می برد و ساکنان را به خطر می اندازد. همچنین فرآیند تصفیه نیاز به استفاده از مواد شیمیایی سمی و مقادیر زیاد انرژی دارد که برای محیط زیست و افراد مضر هستند.

استفاده از انرژی هسته ای برای تولید انرژی الکتریکی

تولید برق با انرژی هسته ای نیاز به غنی سازی اورانیوم دارد که دانش این امر تنها در انحصار چند کشور می باشد. اساس کار نیروگاه های اتمی و نیروگاه های بخار تقریبا شبیه هم است. در نیروگاه اتمی به جای بویلر (دیگ بخار) از راکتور استفاده می شود. در نیروگاه هسته ای، هستۀ اتم تغییر ماهیت داده و از خود انرژی تولید می کند. در راکتور آب به وسیلۀ انرژی حاصل از واکنش های هسته ای گرم شده و بخار می شود و این بخار، توربین را به حرکت در آورده و الکتریسیته تولید می کند. 

راکتور هسته‌ای وسیله‌ای است که در آن فرآیند شکافت هسته ای بصورت کنترل شده انجام می‌گیرد. در طی این فرآیند انرژی زیادی آزاد می‌گردد به نحوی که مثلا در اثر شکافت نیم کیلوگرم اورانیوم انرژی معادل بیش از ۱۵۰۰ تن زغال سنگ بدست می‌آید. هم اکنون در سراسر جهان ، راکتورهای متعددی در حال کار وجود دارند که بسیاری از آنها برای تولید قدرت و به منظور تبدیل آن به انرژی الکتریکی ، پاره‌ای برای راندن کشتیها و زیردریائیها ، برخی برای تولید رادیو ایزوتوپوپها و تحقیقات علمی و گونه‌هایی نیز برای مقاصد آزمایشی و آموزشی مورد استفاده قرار می‌گیرند. در راکتورهای هسته‌ای که برای نیروگاه اتمی طراحی شده‌اند (راکتورهای قدرت) ، اتمهای اورانیوم و پلوتونیم توسط نوترونها شکافته می‌شوند و انرژی آزاد شده گرمای لازم را برای تولید بخار ایجاد کرده و بخار حاصله برای چرخاندن توربینهای مولد برق بکار گرفته می‌شوند.

یافتن راهی ارزان و ایمن برای انبار کردن زباله‌های هسته‌ای چالشی پراهمیت در زمینه چرخه سوخت هسته‌ای است زیرا این ضایعات تا ۱۰٬۰۰۰ سال نیز تشعشعات خطرناک دارند.

برنامه هسته‌ای ایران در دهه ۱۹۵۰ با کمک ایالات متحده به عنوان بخشی از برنامه «اتم برای صلح» آغاز شد. اما به دلیل مناقشات به وجود آمده بعد از انقلاب ایران مشکلاتی در زمینه بهره‌برداری آن رخ داد. در حال حاضر تنها نیروگاه اتمی ایران در بوشهر توسط روس‌ها راه‌اندازی شده‌است. در سپتامبر ۲۰۱۱ نیروگاه اتمی بوشهر به مدار تولید برق ایران وصل شد.

مزایای استفاده از نیروگاه هسته ای

۱ – اثر گلخانه ای ندارند و باعث باران اسیدی نمی شوند.

۲-  مقدار کمی سوخت قادر است مقدار قابل توجهی انرژی تولید کند.

۳ – نیروگاه های هسته ای در همه نوع شرایط آب و هوایی بخوبی کار میکنند.

۴- به منبع آب زیادی برای تخلیه گرما نیاز ندارد.

معایب نیروگاه های هسته ای

۱- تولید زباله های رادیواکتیو

۲-  ذخایر محدود سنگ اورانیوم

۳ – اگر امواج رادیو اکتیو در نیروگاه به دقت کنترل نشود میتوان منجر به آسیب به کارکنان نیروگاه و جمعیت اطراف شود و سبب بروز فاجعه در آن منطقه شود.

۴ – هزینه دفن زباله‌های هسته‌ای بسیار زیاد بوده و خطر نشت مواد رادیواکتیو از این زباله‌ها بسیار زیاد است.

۵ – زباله‌های هسته‌ای دفن شده در زمین یا اعماق دریاها هزاران سال برای محیط زیست آلوده کننده است.

استفاده از انرژی های تجدید پذیر برای تولید انرژی برق

به منظور کاهش تخریب محیط زیست و حفاظت بهتر از زیستگاه مسکونی استفاده از انرژی های تجدید پذیر مدت هاست که مطرح و عملیاتی شده است. انرژی های تجدیدپذیر همچون نیروی باد و تابش خورشید که در طبیعت هر روز تکرار و متولد می­شوند هستند.

منابع انرژی تجدیدپذیر پاک هستند و کمترین آسیب را به محیط زیست وارد می کنند. درعین حال این منابع، پایان ناپذیرند و  برای سالیان متمادی و نسل های بعدی قابل استفاده خواهند بود.
در ادامه، به معرفی انرژی های تجدیدپذیر می پردازیم:

انرژی خورشیدی

این انرژی می تواند به طور مستقیم از خورشید و حتی در آب و هوای ابری بدست بیاید. انرژی خورشیدی، در سطح جهان و بصورت گسترده برای تولید برق، گرما و شیرین سازی آب مورد استفاده قرار می گیرد. انرژی خورشیدی به دو روش اصلی تولید می شود:

    –    فتوولتائیک (PV)

فتوولتائیک که سلول های خورشیدی هم نامیده می شوند، دستگاه های الکترونیکی هستند که نور خورشید را مستقیما به الکتریسیته تبدیل می کنند. در حال حاضر، فتوولتائیک، یکی از سریعترین شتاب های رشد را در بین تکنولوژی های انرژی تجدیدپذیر دارد.
سیستم خورشیدی فتوولتائیک، می تواند در مقیاس های مختلف مانند مقیاس تجاری و یا در مقیاس کوچکتر و مصارف شخصی استفاده شود. این سیستم در مقایس کوچک، برای مردمی که در کنار خطوط انتقال زندگی نمی کنند روش بسیار مناسبی برای تامین برق است. علی الخصوص برای کسانی که در کشورهای در حال توسعه با تابش مناسب خورشید بسیار ایده آل است.

    –    نیروی خورشیدی متمرکز (CSP)

در این روش از آیینه برای متمرکز کردن پرتوی خورشید استفاده می شود. این پرتوها سیال را گرم کرده و با ایجاد بخار و به چرخش در آوردن توربین، الکتریسیته تولید می شود. از این روش برای تولید الکتریسیته در نیروگاه ها با مقیاس بزرگ استفاده می شود.
ظرفیت نصب شده برای تولید انرژی خورشیدی، تا پایان سال ۲۰۱۷، حدود ۳۹۰ هزار مگاوات است که تنها ۵ هزار مگاوات آن از نوع نیروی خورشیدی متمرکز است.
نیروگاه تنگر در چین، با ظرفیت ۱۵۴۷ مگاوات بزرگترین نیروگاه خورشیدی جهان است که در حال بهره برداری می باشد. در حال حاضر در کشور هند، نیروگاه پاوادا با ظرفیت ۲۰۰۰ مگاوات در حال احداث است که پس از بهره برداری، بزرگترین نیروگاه خورشیدی جهان خواهد بود.

انرژی بادی

قدیمی‌ترین روش استفاده از انرژی باد، به ایران باستان بازمی‌گردد. برای نخستین بار، ایرانیان موفق شدند با استفاده از نیروی باد، دلو یا چرخ چاه را به گردش درآورده و از چاه‌های آب خود، آب را به سطح مزارع برسانند. احتمالاً نخستین ماشین بادی توسط ایرانیان باستان ساخته شده‌است. 
امروزه انرژی بادی که از انرژی های تجدیدپذیر است شتاب رشد بالایی گرفته است. چرا که هزینه های آن در حال کاهش است. تولید برق بادی، تا سال ۲۰۱۸ به بیش از ۶۰۰ گیگا وات در جهان رسیده است.
توربین های بادی، انرژی جنبشی باد را به انرژی الکریسیته تبدیل می کنند. مقدار این انرژی تولید شده از باد به اندازه توربین ها و اندازه پره ها وابسته است. توربین های بادی بر اساس محور چرخش خود به دو نوع افقی و قائم دسته بندی می شوند. که برای مزارع بادی، محور افقی مرسوم تر است. این مزارع می توانند در خشکی (onshore) یا در دریا ها و اقیانوس ها (offshore) باشند.

از آنجایی که انرژی باد در زمستان (که در این فصل بهره‌وری انرژی خورشیدی کمتر است) با توجه به وزش باد بیشتر می‌باشد و همین وزش شدید باعث می‌شود که الکتریسیته بیشتری تولید گردد، بنابراین استفاده از انرژی باد در زمستان بسیار به صرفه است.

  نیروی برق آبی

انرژی برق آبی، انرژی است که از جریان آب بدست می آید. بیش از ۲۰۰۰ سال پیش، در یونان باستان، از این انرژی برای به حرکت درآوردن چرخ های بزرگ به منظور آسیاب کردن استفاده می شد. امروزه این روش یکی از ارزان قیمت ترین روش های تولید برق است و اغلب در صورت وجود امکان اجرای آن، به سایر روش های دیگر ترجیح داده می شود.
در این روش، از آب برای به چرخش درآوردن توربین استفاده می شود. نیروگاه های برق آبی در دو نوع با سد و بدون آن وجود دارند. سد های برق آبی با یک مخزن بزرگ می­توانند آب را برای مدت طولانی ذخیره کنند تا در صورت نیاز و در پیک مصرف برای تولید برق استفاده شود. در واقع می توان مخازن این سدها را یک باتری بزرگ در نظر گرفت که انرژی را در خود ذخیره کرده اند.
در نوع بدون سد و مخزن ذخیره، الکتریسیته در یک مقیاس کوچکتر و عموما با استفاده از تجهیزاتی که برای بهره برداری در رودخانه ها، بدون دخالت در جریان آب طراحی می شوند تولید می­گردد. به همین دلیل است که اکثر افراد، این روش را نسبت به روش استفاده از سد، گزینه سازگارتری با محیط زیست می­دانند.

انرژی زمین گرمایی

انرژی زمین گرمایی، حرارتی است که از زیر سطح زمین بدست می آید. آب و یا بخار، انرژی زمین گرمایی را به سطح زمین منتقل می کنند. بسته به مشخصات، انرژی زمین گرمایی می تواند برای اهداف گرمایشی و سرمایشی یا تولید برق پاک مورد استفاده قرار گیرد.

این منبع کلیدی انرژی، مقدار قابل توجهی از نیاز الکتریسیته کشورهایی مانند ایسلند، السالوادور، نیوزلند، کنیا و فیلیپین و بیش از ۹۰ درصد نیاز گرمایی ایسلند را پوشش می دهد. ایسلند پرچمدار استفاده از این انرژی است.

زیست انرژی

استفاده از زیست انرژی (Bioenergy) به دو دسته اصلی تقسیم می شود: سنتی و مدرن. استفاده سنتی، به سوزاندن زیست توده در اشکال چوب، لاشه حیوانات و زغال اشاره می کند. تکنولوژی زیست انرژی مدرن، شامل سوخت های زیستی مایع که از قارچ ها و دیگر گیاهان تولید می شود، پالایشگاه های زیستی، بیوگاز که از طریق هضم بی هوازی پسماند ها تولید می شود و دیگر تکنولوژی ها می باشد.

زیست توده پتانسیل زیادی برای افزایش و ارتقاء تامین انرژی در کشورهای پر جمعیت با افزایش تقاضا مانند برزیل، هند و چین را دارد. زیست توده می تواند بطور مستقیم برای گرمایش و یا تولید برق سوزانده شود یا می تواند به جایگزین نفت یا گاز تبدیل شود.

سوخت های زیستی مایع، به عنوان یک جایگزین تجدیدپذیر مناسب برای بنزین، بطور گسترده در بخش حمل و نقل استفاده می شود.
ظرفیت زیست انرژی تا پایان سال ۲۰۱۷ نزدیک به ۱۱۰ هزار مگاوات است که از این مقدار، حدود ۹۰ هزار سهم زیست توده، ۱۷ هزار مگاوات سهم بیوگاز و ۳ هزار سهم سوخت زیستی مایع است.

انرژی اقیانوس

جزر و مد، امواج و جریان ها می توانند برای تولید انرژی استفاده شوند. اگر چه هنوز در مراحل تحقیق و توسعه است و بصورت اقتصادی در دسترس نیست. فناوری های اقیانوس برای تولید انرژی در ادامه آمده است:

– انرژی موج

در این نوع از انرژی، مبدل ها، انرژی موجود در امواج اقیانوس ها را جذب کرده و با استفاده از آن ها الکتریسیته تولید می کنند. مبدل ها و روش های مختلفی بسته به فاصله از ساحل و سیستم های جذب انرژی برای تبدیل انرژی موج به الکتریسیته وجود دارد.

– انرژی جزر و مد

این انرژی بوسیله فناوری های دامنه ای که از یک مانع مانند سد برای بدست آوردن نیروی بین جزر و مد استفاده می کنند، فناوری های جریان جزرو مد یا روش های ترکیبی تولید می شود.

– انرژی گرادیان شوری

این انرژی از اختلاف غلظت نمک بدست می آید که هنگام ورود یک رودخانه به اقیانوس اتفاق می افتد. این پروژه ها از “اسموز معکوس” با آب شیرینی که درون یک غشاء جریان دارد تا فشار را در یک تانک آب نمک افزایش دهد و “الکترو دیالیز معکوس” با یونهای نمکی که از میان مخازن متناوب نمک و آب شیرین عبور می کند، استفاده می کنند.

انرژی حرارتی

تبدیل انرژی حرارتی اقیانوس، که از اختلاف دمای بین سطح گرم آب دریا و آب سردی که در عمق ۸۰۰ تا ۱۰۰۰ متر وجود دارد، برای تولید انرژی استفاده می کند.
همانطور که ذکر شد این پروژه ها در مراحل توسعه قرار دارند و تا کنون ۵۲۶ مگاوات ظرفیت از این نوع نصب شده است.

استفاده از انرژی های تجدیدپذیر در جهان روز به روز در حال گسترش است و امید آن می رود در کشور ما هم با پتانسیل های ویژه ای که در زمینه انرژی های تجدیدپذیر وجود دارد بتوان ظرفیت این انرژی ها را افزایش داد تا با توجه به مشکلاتی از قبیل تخریب محیط زیست و تغییرات اقلیمی، آینده ای بهتر رقم زد.