التحديات التي تواجه المياه في توليد الطاقة الكهربائية
ي الطاقة الكهربائية التي يستفاد في توليدها من الطاقة المائية الكامنة. وهي بذلك تعد من أشكال الطاقة النظيفة الصديقة للبيئة والمستخدمة في نطاق عالمي واسع.
الطاقة الكهرومائية عبارة عن ثلاث كلمات، وهم الطاقة الكهربائية المائية، حيث تم تركيب لفظا الكهربائية والمائية، في لفظ منحوت ليصبح اللفظ الكهرومائية.
هناك تنوع كبير من محطات الطاقة الكهرومائية اعتمادا على تكوين المجرى المائي، والتضاريس، وارتفاع الشلال:محطات نقل الطاقة عن طريق ضخها، و تديرها العنفات في المصب في أوقات الاستهلاك المرتفع، وضخ المياه في المنبع خلال ساعات *محطة توليد طاقة المد والجزر، توجيه تيارات المد و الجزر اعتمادا على طبيعة السد (السدود، الوزن، الدعامات،الأرض،المحمول ...): سقوط مرتفع أو متوسط أو منخفض، وتستخدم ثلاثة أنواع رئيسية من التوربينات (المراوح او العنفات) على التوالي: بيلتون (Pelton)، فرانسيس (Francis)أو كابلان (Kaplan)
تعتمد طريقة التوليد على تحويل طاقة الوضع للمياه إلى طاقة حركية أولا حيث ينهدر الماء من عالي ليدير توربينا ، فيدير بدوره مولد كهربائي وينتج لنا طاقة كهربائية. تعتمد كمية الطاقة المنتجة على كمية الماءالمارة بالثانية وعلى ارتفاع الماء ، فكلما زاد معدل كمية الماء المار في التوربين زادت الطاقة المنتجة، وكلما زاد ارتفاع الماء زادت الطاقة الناتجة أيضا ، ومعامل التناسب هو عجلة الجاذبية الأرضية كما سنراه هنا.
ولتوليد الكهرباء من طاقة وضع الماء يستلزم الآتي :طاقة الوضع = كتلة × الجاذبية الأرضية × ارتفاع
حيث: نقيس الكتلة بالكيلوجرام
- والجاذبية : 81 .9 متر/ مربع الثانية
- الارتفاع : بالمتر (ارتفاع منسوب الماء بالنسبة للتوربين)
مخطط توضيحي للتوربين ومولد الكهرباء.يعتمد مردود هذه العملية على كفاءة تدوير العنفات, ومقدار الطاقة المهدورة بالاحتكاك خلال التدوير.تستعمل تقنيات أخرى في توليد الطاقة الكهرَمائية، كاستخدام طاقة المياه الحركية في الأمواج مثلا أو طاقة المد والجزر.
في المعادلة المذكورة اعلاه لا تقل شيئا عن المعدل الزمني لانهيار المياه ، وهذا لا بد من أخده في الحسبان حيث يمكن لكمية الماء أن تنهدر خلال ثانية واحدة أو خلال شهر مثلا ، فيكون معدل إنتاج الكهرباء أيضا مختلفا.
وعمليا يستخدم المهندسون معادلة تشبه المعادلة السابقة تاخذ معدل تدفق المياه في الثانية ، كما تأخذ في الحسبان كفاءة عمل التوربين والمحول الكهربائي.
تعتمد قدرة محطة توليد مائية "P" على تدفق الماء "Q" (بالمتر المكعب في الثانية) وارتفاع تدفق الماء "h" بالمتر وكفاءة "η" التوربين والمولد الكهربائي والمحول الكهربائي في تحويل طاقة الحركة إلى طاقة كهربائية.
وبالنسبة إلى الكفاءة فهي تحتسب بالتقريب بنحو 85% بالنسبة لمحطات القوى المائية ، كما يفضل المهندسون حسبا تدفق الماء بالمتر مكعب/ثانية Q من الماء بدلا من كيلوجرام/ثانية ، فتكون معادلة القدرة كالآتي وهي تأخذ في الاعتبار كفاءة التوربين والمولد الكهربائي "η" ، كالآتي :
حيث : g عجلة الجاذبية الأرضية ، و"ρ" كثافة الماء كيلوجرام/متر
وحسبنا هذا الثابت بوحدة كيلو نيوتن /متر مكعب من أجل حساب معدل تدفق الماء Q بالمتر مكعب/ثانية ، ونحسب الارتفاع بالمتر ، فنحصل على القدرة الكهربائية الناتجة بالكيلوواط)
مثال:
في توربين سد مائي يبلغ ارتفاعه 6 متر يمر ماء بحجم 20 متر مكعب/ثانية. بالتعويض عن تلك القيم في معادلة القدرة نحصل على قدرة المحطة :
أي أن قدرة المحطة تبلغ 1020 كيلوواط
أي تبلغ 1.02 ميجاواط
وتختلف قدرة كل سد مائي في توليد الكهرباء بحسب أرتفاع منسوب الماء فيه وكمية الماء التي تندفع في التوربين أو التوربينات وكفاءة التوربين والمحول الكهربائي ، كما تقول لنا معادلة القدرة. أكبر محطة لتوليد الكهرباء من سد مائي هي 18.000 ميجاواط وتوجد في الصين الشعبية.
تتميز محطات القوى التي تنتج الكهرباء من ماء السدود بدرجة كفاءة عالية. فكفاءة التوربينات والمولدات الكهربائية قد تصل إلى 90% في تحويل طاقة الحركة (اندفاع الماء) إلى طاقة كهربائية.
سد الصين العظيم
تقدر حصة الطاقة الكهرمائية بنسبة 19 بالمئة من إنتاج الطاقة الكهربائية العالمي(المصدر: الويكي الفرنسية). وتكمن أهميتها في أنها من مصادر الطاقة المتجددة, والأقل خطرا على البيئة مقارنة بمعامل الكهرباء الحرارية التي تعمل بالوقود العضوي (فحم, نفط...) أو النووي.
و بشكل عام، تعتبر عملية توليد هذا النوع من الطاقة عالية المردود، إذ يصل مردودها إلى نسبة 80% - 90% وأكثر.
أكبر قدرة لمحطة توليد مائية موجودة حاليا تصل إلى 18 جيجاواط (سد الصين العظيم).
الطريقة الوحيدة المستعملة حاليا في خزن الطاقة الكهربائية، والتي تتناسب مع الكميات الهائلة من الطاقة المخزَّنة والمسترجعة، هي طريقة ضخ المياه إلى خزان علوي عند توفر فائض من الإنتاج ثم استعمال هذه المياه المخزنة لتولد الطاقة عند ذروة الطلب. وهذه الدورة يمكن أن تكون يومية أو أسبوعية أو فصلية. وتسمى بتقنية الطاقة الكهرمائية بالضخ والتخزين