توليد الكهرباء

نبذة تاريخية

أصبحت محطات الطاقة المركزية عملية اقتصادياً مع تطور طرق النقل الكهربي للتيار المتردد، وذلك باستخدام المحولات الكهربية لنقل الكهرباء عند جهد عالي مع فقدان بسيط للطاقة. وتقوم محطات الطاقة المركزية بتوليد الكهرباء منذ عام 1881. وكانت أول محطة لتوليد الطاقة الكهربائية تعتمد على الطاقة المائية أو على الفحم، العالم اليوم يعتمد بشكل رئيسي على الفحم والطاقة النووية والغاز الطبيعي والطاقة الكهرومائية، وتوربينات الرياح، والبترول، مع كمية صغيرة من الطاقة يتم توليدها من الطاقة الشمسية وطاقة المد والجزر ، ومصادر الطاقة الحرارية الأرضية.
وقد اعتمدت عملية توزيع الكهرباء بشكل ملحوظ على استخدام خطوط وأعمدة الكهرباء.

التوليد المشترك للطاقة

التوليد المشترك للطاقة يستعيد الحرارة في هيئة ماء ساخن أو بخار أو غيره.
ويناسب مثلا البخار المستعاد من عنفات الغاز بغرض التسخين في العمليات الصناعية، مثل تجفيف الورق، أو تقطير النفط في مصفاة أو لتدفئة المباني. قبل انتشار محطات توليد الكهرباء المركزية على نطاق واسع كان من الشائع أن تقوم الصناعات، والفنادق الكبيرة والمباني التجارية بتوليد الطاقة الخاصة بها، وتقوم باستخدام البخار منخفض الضغط المستنفد لأغراض التدفئة. استمر استخدام ذلك الأسلوب لسنوات عديدة حتى بعد أن أصبحت المحطات المركزية شائعة ومازال يستخدم في العديد من الصناعات.

المحركات الترددية

مولدات الكهرباء الصغيرة غالباً ما تعمل بواسطة محركات ترددية تحرق الديزل، أو الغاز الحيوي أو الغاز الطبيعي. وغالباً ما تستخدم محركات الديزل في التوليد الاحتياطي للكهرباء، وعادة ما يكون ذلك عند جهود كهربية منخفضة. ومع ذلك فأن غالبية شبكات الكهرباء الكبيرة تستخدم مولدات الديزل أيضاً، ويتم توفيرها في الأساس كاحتياطي للطوارئ في منشأت معينة مثل المستشفيات، وأيضاً لتغذية الشبكة بالطاقة خلال ظروف معينة. وغالباً ما يتم حرق الغاز الحيوي حيثما يتم إنتاجه، مثل مواقع طمر النفايات أو محطات معالجة مياه الصرف الصحي، بواسطة محرك متردد أو ميكروتوربين، وهو عبارة عن توربين غازي صغير.

ألواح الخلايا الشمسية

تقوم الألواح الضوئية بتحويل ضوء الشمس مباشرة إلى كهرباء بعكس فكرة عمل مُركزات الحرارة الشمسية المذكورة أعلاه. وبالرغم من أن ضوء الشمس وفير ومجاني، إلا أن إنتاج الكهرباء الشمسية على نطاق واسع لا يزال في العادة أكثر تكلفة من الطاقة المولدة ميكانيكياً بسبب تكلفة الألواح. ولكن مع ذلك، تكلفة خلايا السليكون الشمسية منخفضة-الكفاءة كانت تقل مع الوقت وأصبحت "الخلايا متعددة الوصلات" ذات كفاءة التحويل المقاربة ل30٪ متاحة الآن تجارياً. وقد تم استعراض خلايا ذات كفاءة تحويل أكثر من 40٪ في النظم التجريبية. وحتى وقت قريب، كانت الخلايا الكهروضوئية الأكثر استخداماً في المواقع النائية التي لا يمكن فيها الوصول إلى شبكة كهرباء تجارية، أو كمصدر تكميلي للكهرباء في المنازل الفردية والشركات. التطورات الحديثة في كفاءة تصنيع الألواح الضوئية والتكنولوجيا الكهروضوئية، جنباً إلى جنب مع الدعم المدفوع بواسطة المهتمين بالبيئة، ادى إلى تسارع نمو الألواح الشمسية بشكل كبير. السعة المُرَكَبَة للكهرباء الشمسية في العالم تنمو بنسبة 40٪ سنوياً بفضل الزيادات الحادثة في ألمانيا واليابان وكاليفورنيا ونيو جيرسي.

طرق توليد أخرى

ولقد تمت دارسة وتطوير العديد من التكنولوجيات الأخرى لتوليد الطاقة. "التوليد ذو الحالة الصلبة" (بالإنجليزية: Solid-state generation) (بدون أجزاء متحركة) هو موضع اهتمام خاصة في التطبيقات المحمولة. ويهيمن على هذا المجال إلى حد كبير الأجهزة الكهروحرارية، على الرغم من أن النظم الثرميونية (أيونية حرارية) والكهروضوئية الحرارية قد تطورت كذلك. في العادة، يتم استخدام الأجهزة الكهروحرارية عند درجات حرارة اقل من النظم الثرميونية والكهروضوئية حرارية. وتستخدم الأجهزة الكهرضغطية لتوليد الطاقة من الاجهاد الميكانيكي، لا سيما في عملية "حصاد الطاقة". المولدات البيتافلطائية هي نوع آخر من مولدات الطاقة ذات الحالة الصلبة التي تنتج الكهرباء من الاضمحلال الإشعاعي. وقد تمت دراسة الهيدروديناميكية المغنطيسية القائمة على السوائل لتوليد الطاقة كوسيلة لاستخراج الطاقة الكهربائية من المفاعلات النووية، وأيضاً من أنظمة احراق الوقود الأكثر شيوعاً. في النهاية، الطاقة التناضُحية هي أيضاً فرضية أخرى يمكن دراستها واستغلالها في الأماكن التي يندمج عندها الماء المالح بالماء الحلو (مثل دلتا الأنهار، ...).
توليد الكهرباء الكهروكيميائية مهم أيضاً في التطبيقات المحمولة والنقالة. حالياً، معظم الطاقة الكهروكيميائية تأتي من خلايا كهروكيميائية مغلقة ("بطاريات")، والتي يمكن القول عنها أنها تُستَخدم أكثر كأنظمة تخزين منها كأنظمة توليد؛ ولكن الأنظمة الكهروكيميائية المفتوحة، والمعروفة باسم خلايا الوقود، قد خضعت لقدر كبير من البحوث والتنمية في السنوات القليلة الماضية. خلايا الوقود يمكن استخدامها لاستخراج الطاقة أما من الوقود الطبيعي أو من الوقود المولف (الهيدروجين الالكتروليتي في الأساس ) وهكذا يمكن أن ينظر لها باعتبارها إما أنظمة توليد أو أنظمة تخزين اعتماداً على استخدامها.

اقتصاديات توليد وإنتاج الكهرباء

اختيار وسائط إنتاج الكهرباء وجدواها الاقتصادية يختلف وفقاً لحجم الطلب على الكهرباء والمنطقة التي يراد ايصال الكهرباء لها. محطات الطاقة الكهرومائية ومحطات الطاقة النووية، ومحطات الطاقة الحرارية ومصادر الطاقة المتجددة لها ايجابيات وسلبيات، والاختيار فيما بينها يعتمد على متطلبات الطاقة المحلية والتقلبات في حجم الطلب على الكهرباء.
الطاقة الحرارية تكون اقتصادية في المناطق ذات الكثافة الصناعية العالية، حيث أن الطلب العالى على الكهرباء في تلك المناطق لا يمكن تحقيقه بواسطة مصادر الطاقة المتجددة. وتأثير التلوث يقل أيضاً في تلك المناطق حيث أن الصناعات عادة ما تقع بعيداً عن المناطق السكنية. ويمكن لتلك المحطات أيضاً تحمل الاختلاف في الحمل والاستهلاك عن طريق إضافة المزيد من الوحدات أو انقاص إنتاج بعض الوحدات مؤقتاً.
محطات الطاقة النووية يمكن أن تنتج كمية كبيرة من الطاقة من وحدة واحدة. ومع ذلك، فقد أثار الكوارث الأخيرة في اليابان مخاوف بشأن سلامة الطاقة النووية.
وتنتشر محطات توليد الطاقة الكهرومائية في المناطق التي تكون فيها الطاقة الكامنة من المياه المتدفقة قابلة لتسخيرها لتحريك التوربينات وتوليد الطاقة. وهي ليست مصدراً اقتصادياً لإنتاج الكهرباء حيثما يختلف الحمل الكهربى أكثر من اللازم خلال دورة الإنتاج السنوية لأن القدرة على وقف تدفق المياه محدودة.
مصادر الطاقة المتجددة الأخرى غير الطاقة الكهرمائية (الطاقة الشمسية، وطاقة الرياح، وطاقة المد والجزر، وغيرها) مكلفة في الإنتاج حالياً، ولكن تكلفة إنتاجها تنخفض مع التقدم في التكنولوجيا. العديد من الحكومات في جميع أنحاء العالم تقدم إعانات لتعويض ارتفاع تكلفة انتاج الكهرباء من الطاقة المتجددة وجعل إنتاجها مجدي اقتصادياً.
إذا كانت أسعار الغاز الطبيعي أقل من 3 دولارات لكل مليون وحدة حرارية بريطانية، فان توليد الكهرباء من الغاز الطبيعي يكون أرخص من توليد الطاقة عن طريق حرق الفحم.

الإنتاج حسب البلد

لقد كانت الولايات المتحدة منذ فترة طويلة أكبر منتج ومستهلك للكهرباء، حيث تبلغ حصتها العالمية 25٪ على الأقل في عام 2005، تليها الصين، اليابان، روسيا، والهند.
اعتباراً من يناير 2010، كان إجمالي توليد الكهرباء لأكبر دولتين مولدتين على النحو التالي، الولايات المتحدة الأمريكية: 3992,000,000,000 كيلووات في الساعة (3992 تيراوات في الساعة) والصين: 3715,000,000,000 كيلووات في الساعة (3715 تيراوات في الساعة).

استهلاك المياه

معظم محطات الطاقة الحرارية واسعة النطاق تستهلك كميات كبيرة من المياه لأغراض التبريد وتعويض مياه الغلايات - 1 لتر / كيلو واط ساعة لأنظمة تبريد التمرير-الأحادي (التبريد النهري على سبيل المثال)، و 1.7 لتر / كيلو واط ساعة للتبريد بواسطة أبراج التبريد  استخراج المياه لاستخدامها كمياه للتبريد يمثل حوالي 40٪ من إجمالي رصيد عمليات استخراج المياه في أوروبا، على الرغم من أن معظم تلك المياه يتم إرجاعها إلى مصدرها، ولو أنها تكون أدفأ قليلاً من ذى قبل. أنظمة التبريد المختلفة لديها معدلات لاستهلاك المياه مختلفة مقابلة لخصائص عمليات الاستخراج. أبراج التبريد تقوم بسحب كمية صغيرة من المياه من البيئة وتقوم بتبخير أكثرها. أما نظم التمرير-الأحادي فتقوم بسحب كمية كبيرة من المياه ولكنها تقوم بإعادتها إلى البيئة على الفور، عند درجة حرارة أعلى.