◄ انرژی موجی چیست؟

بخش 24 از سلسله مقاله های مربوط به موضوع «انرژی های تجدید پذیر در حمل‌ و‌ نقل» هفته گذشته منتشر شد، بخش 25  آن در ادامه می آید.

انرژی موجی

اتحادیه اروپا در چارچوب راهبردهای انرژی و در سند بسته اقدامات خود موسوم به «انرژی پاک برای همه اروپایی‌ ها» اولویت های انرژی جهت انتقال به اقتصادی بدون کربن، ایمن و رقابت‌ پذیر را ترسیم نموده است. پس از رهنمود مزبور، در این سند به امر بهره‌ گیری یکی از گسترده‌ترین و مهمترین منابع انرژی در دسترس بشر یعنی امواج ساحلی پرداخته شده است. به منظور راستی‌ آزمایی سطح بهره‌ وری مناسب این روش، بندر هراکلیون در جزیره کِرِت یونان، برای اجرای مطالعات مربوطه برگزیده شد که نتیجه مطالعات امیدوار کننده بوده است.

انجام مطالعات متعدد درباره قابلیت های بهره‌ برداری از انرژی امواج اقیانوس طی یک دهه اخیر، توجهات زیادی را به این نوع انرژی جلب کرده است. بر اثر نتایج مطالعات ارزنده درباره انواع سیستم های مبدل انرژی موج (Wave Energy Converter systems, WEC ) روند آتی توسعه این حوزه، طراحی و بهبود یافته است.

چگالی آب دریا 832 بار بیشتر از هواست و اثرگذاری جریان آبی با سرعت 8 کیلومتر بر ساعت، همتای وزش بادی با سرعت 350 کیلومتر بر ساعت است. بر مبنای همین چگالی بالای آب دریا، توربین های آبی بسیار کوچکتر از مشابه بادی هستند. فناوری های متعددی در زمینه انرژی موج وجود دارند که به نوع جذب انرژی، عمق آب و محل استقرار تجهیزات (در خط ساحل، آب های نزدیک ساحل، آب های دورتر از ساحل) وابسته‌ اند. به سبب قابلیت های بزرگتر انرژی امواج آب های عمیق‌تر نسبت به انرژی امواج نزدیک ساحل، میزان جذب انرژی بیشتری قابل حصول است. انرژی موج در آب های دور از ساحل به عمق‌ هایی اطلاق می شود که بیش از 25 متر باشند. در این حالت وسایل مربوطه توسط طناب هایی به بستر دریا وصل می شوند. یکی از معایب این سیستم مشکل وصل نمودن کابل های برق به ساحل است. در حالی که وسایل انرژی موج در آب های کمتر از 25 متر، به راحتی به بستر دریا مهار شده و ثبات مورد نیاز عملیاتی را تضمین می کنند. اما در آب های نزدیک ساحل، گستره طول امواج محدود می شود، امواج می شکنند و با بستر دریا اصطکاک برقرار می نمایند. ضمن اینکه پس از برخورد با ساحل بر می گردند و در نتیجه مقدار ذخیره انرژی موج های ساحلی را تحلیل می برند. در عوض انتقال کابل های برق به ساحل آسان تر صورت می پذیرد و تجهیزات گرانبها نیز در ساحل و دور از آبهای متلاطم نصب می گردند که ضمن کاهش استهلاک، به راحتی و با هزینه هایی به مراتب کمتر، امر عملیات تعمیرات و نگهداری بر روی آنها انجام می پذیرد.       

 عوامل اصلی که نشانگر مناسب بودن یک کشور یا منطقه برای استفاده از انرژی موجی است، تعداد روزهای مواج، ارتفاع و حجم موج ها می باشد. معمولاً قدرت موج یک محل بر حسب میانگین سالانه کیلووات به ازای هر متر امواج سنجیده می شود. البته میانگین قابلیت جذب انرژی موج توسط تجهیزات مختلف، عملا بسیار کمتر از آن است. بهترین آب و هوا با میانگین سالانه سطوح قدرت بین 20 تا 70 کیلووات بر متر امواج در مناطق معتدل (بین 30 تا 60 درجه عرض جغرافیایی کشورهایی چون شیلی، کانادا، انگلیس، ایرلند، استرالیا، زلاند نو، آمریکا و پرتغال) وجود دارد. کشور ایران در بین 25 تا 45 درجه شمالی از خط استوا واقع است. ولی احتمالا منطقه برخوردار از امواج مناسب در ایران، سواحل اقیانوسی دریای عمان (از بندرعباس تا گوادر) است. سواحل مکران دارای امواج پرقدرت در اغلب روزهای طول سال است و زمینه مناسبی برای بهره گیری از انرژی موجی فراهم می کند.  

در واقع انرژی موجی نوعی انرژی بادی دریایی است که بر اثر برخورد باد با آب دریا، تولید می گردد. همچون انرژی بادی، میزان انرژی موجی به شرایط زمانی و مکانی وابسته است. اما قدرت پیش بینی میزان انرژی موجی از انرژی بادی افزونتر است و تا 5 روز قبل، قابل اندازه گیری نسبی است. خاطر نشان می سازد، قدرت موجی که در فواصل دور دریا یا اقیانوس ایجاد می گردد و مدت ها بعد به ساحل  می رسد، ممکن است که با میزان باد ساحلی هماهنگی نداشته باشد. امواج با نزدیک شدن به ساحل بر اثر شکستن و اصطکاک با بستر دریا انرژی خود را از دست می دهند. البته در هوای نامساعد، میزان انرژی امواج ساحلی به قدر کافی بالا می رود. برای انتخاب یک منطقه برای سرمایه گذاری در این زمینه، می بایست آمارهای تاریخچه متغیرهای وزش باد و بالا آمدن امواج در یک مدل ریاضی قرارداده شوند تا کارکرد اقتصادی انرژی بادی منطقه برآورد گردد. فعلاً نحوه بهره‌ گیری از انرژی های موجی در مراحل اولیه پژوهشی قرار دارند و تعداد کمی از پروژه ها به شکل تجاری در آمده‌اند و صرفاً در برخی از کشورهای پیشرفته راه اندازی شده‌اند.

مبدل های انرژی موجی (Wave Energy Converters, WEC)، تجهیزاتی هستند که انرژی نهفته در امواج سطحی دریاها را جذب می کنند. انرژی موجی به روش های بسیار گوناگونی قابل تبدیل شدن به انرژی های دیگر از جمله برق است. امر نصب و راه اندازی تجهیزات در مقیاس چند مگاوات در ساحل (که مساحت بزرگی را اشغال میکند)، ممکن است که با اموری چون حمل و نقل مسافری و باری دریایی، ماهیگیری، مناطق تفریحی یا حفاظت شده تداخل داشته باشد. به هنگام نصب و راه اندازی نیروگاه موجی و همچنین متعاقبا نگهداری و تعمیرات تجهیزات مزبور، شناورهای ویژه ای طی مدتهای طولانی بخشی از سواحل را اشغال می کنند. به همین منظور برای کاستن از هزینه های نصب و نگهداری، طراحانِ تجهیرات انرژی موجی، بر آسان‌تر و ساده‌تر کردن کاربری و تعمیرات آنها کار می کنند.

از طرف دیگر تأسیسات مربوطه باید در مقابل موج های سهمگین و شرایط طوفانی دوام بیاورند. یکی از سازوکارها، کشیدن تجهیزات به ساحل توسط یدک‌کش ها در این هنگام است. بعضی دیگر، تجهیزات گرانبهای ویژه تبدیل قدرت را در ساحل نصب می کنند تا از آسیب دیدن در هوای نامساعد و هزینه های تعمیرات مربوطه بکاهند. هزینه های نیروی کار ماهر و شناورهای مجهز برای انجام امور تعمیرات و نگهداری، بخش مهمی از هزینه های طول عمر مفید انواع تأسیسات انرژی موجی را به خود اختصاص می دهند که باید در مقایسه بین انواع تجهیزات مربوطه، مد نظر قرار گیرند. مسائل مجوزهای قانونی و مقبولیت ساکنان محلی نیز از اهمیت برخوردار‌ند. کشورهای صنعتی مختلف با سرمایه گذاری در این زمینه، خواهان پیشتازی در طراحی، ساخت و بهره برداری از انرژی موجی هستند. همان طور که در صنعت انرژی بادی، پس از مدت های طولانی و انجام تجربیات علمی، بالاخره توربین های افقی سه پره ای بر دیگر فناوری های مشابه غلبه نمود، انتظار اینست که در مورد تأسیسات انرژی موجی نیز روند شناخت بهترین وسایل مربوطه، همان گونه به سرعت صورت پذیرد.    

 از جمله مبدل های انرژی موجی (WEC) می توان از 6 نوع متفاوت زیر نام برد:

تجهیزات تضعیف‌گر‌ (attenuators):

این وسیله چهار قسمتی در سطح امواج شناور می شود و با تغییر شکل یافتن آن در طول و به موازات جهت جبهه موج، انرژی جذب می گردد. بر اثر بالا و پایین رفتن سه مفصل، پمپ های جابجاگر مثبت (positive displacement pump, PCM) به کار می افتند. بدین ترتیب توسط بهره‌گیری از ژنراتورهای هیدرولیکی و القایی، انرژی موجی به برق تبدیل و توسط کابل به ساحل منتقل می شود. این نوع وسایل که معمولاً توسط مهارهایی به کف دریا متصل و تثبیت می گردند، عموماً در آب های عمیق به کار گرفته می شوند (تصویر زیر). از شرکت های معتبر سازنده این نوع تجهیزات (Plamis) است.

 تجهیزات جذب‌ کننده نقطه ای (point absorbers):

این وسیله نیز که در سطح آب قرار می گیرد، از نوع متقارن محوری است و لذا انرژی موجی را در همه جهت ها جذب می کند (تصویر زیر). قسمت شناور آن با حرکت موج به بالا و پایین می رود. به منظور تبدیل قدرت یا خروجی قدرت، تجهیزات جذب نقطه ای در طرح های متنوع رقابتی عرضه می شوند. معمولا قطر شناور 6 متر، عمق آب در حدود 30 متر است.

شناور به همراه موج به بالا و پایین حرکت می کند و پیستونی مملو از آب را تحت فشار قرار داده و به وسیله آن یک پمپ آب (از جنس فولاد تقویت شده قالبی) را به حرکت در می آورد. این پمپ، فشار آب را تقویت می کند و یک انباشتگر (accumulator)، نیروی خروجی را متوازن کرده و فشار انتهایی را به یک توربین وارد می آورد. در این مرحله پس از تولید برق توسط ژنراتور متصل به توربین، خروجی توسط یک مبدل برق به ولتاژ دلخواه ارتقا داده می شود.

در بعضی موارد به جای تبدیل مستقیم انرژی توسط ژنراتور خطی زیر دریا،  ابتدا آب پرفشار به سمت وسایل هیدروالکتریک ساحلی منتقل شده و در آنجا به برق تبدیل می شود. از جمله شرکت های بزرگ سازنده این نوع وسایل انرژی موجی می توان از (Power Buoy) و (Wave Bob) نام برد.

در شکل زیر یک نوع وسیله جذب کننده نقطه ای دیده می شود که هزینه های نگهداری آن نسبتا کمتر از موارد مشابه است.

مبدل های موج نوسانی اوجی (oscillating wave surge converters):

این وسیله دارای یک بازوی صفحه ای است که از یک طرف (در بستر دریا)، دارای یک زیر ساخت لولایی ثابت است و از طرف دیگر آزاد می باشد تا با حرکت آب، به جلو و عقب حرکت کند. همچنان که امواج به ساحل نزدیک می شوند، آب های کم عمق ساحلی موجب تبدیل حرکت دورانی ذرات آب به حرکت طولی می گردند. با استفاده از هر دو حرکت دورانی و طولی نوسانی، این وسیله بخش مهمی از انرژی اوج گیرنده را جذب می کند و باعث به جلو و عقب راندن یک پیستون هیدرولیکی و به تبع آن حرکت یک موتور هیدرولیکی و یک ژنراتور می گردد. ماهیت امواج اوج گیرنده باعث می شود که با پی سازی و تثبیت تجهیزات مزبور در بستر دریا، از آنها در آبهای کم عمق بهره گیری گردد. از معروف ترین برندهای سازنده چنین تجهیزاتی شرکت (Oyster) است.    

تجهیزات ستون های آب نوسانی (oscillating water columns):

این نوع تجهیزات  در سواحل کم عمق و دارای امواج کم انرژی‌تر نصب می شوند و از تغییرات حجم هوای نیمه شناور در دریا، انرژی جذب می کنند. بدین ترتیب که امواج از زیر یک نوع پیستون ویژه پر از هوا عبور می کنند و هوای درون پیستون را به سمت پایین یا بالا حرکت می دهند. این کار موجب به چرخش در آمدن یک توربین هوایی در هر دو جهت می شود (تصویر زیر). متعاقبا توربین، ژنراتور برقی را به حرکت در می آورد. تجهیزات مزبور در آب های عمیق‌ تر هم کاربری دارند، ولی ترجیحا آنها را در سواحل یا در کنار موج‌شکن ها نصب می کنند. بدین ترتیب تجهیزات گرانبهای مبدل انرژی از آثار منفی طوفان ها در امان مانده و عملیات تعمیر و نگهداری آنها بسیار کم هزینه‌ تر می شوند. از معروفترین شرکت های سازنده این نوع تجهیزات (Limpel) و (Oceanlinx) می باشند.    

تجهیزات سرریز موج (overtopping devices):

این وسیله در نزدیکی سواحلی با امواجی بلند، به کار می رود.  چنین تجهیزاتی از سازوکار ارتفاع امواج برای سرریز شدن بر روی دیواره یک مخزن و پُر کردن آن و سپس برگرداندن آب ها سرریزی از میان یک توربین به سمت دریا استفاده می شود.

در مسیر برگشت آب، توربین به حرکت در می آید و انرژی جنبشی به برق تبدیل می شود (تصویر سمت راست زیر). وسیله مزبور کل انرژی امواج را می گیرد و پس از آن به سمت ساحل، موجی وجود نخواهد داشت. این تجهیزات قابل پیاده سازی در آب های عمیق‌ تر نیز می باشند.

اولین بار مرحله آزمایش آن در جزیره کرت به مورد اجرا گذارده شد که نتایج امیدوار کننده ای داشته است. میزان بازدهی آن 13 درصد برآورد می شود که نسبتا مناسب است. یک نمونه دیگر نیز وجود دارد که در کنار موج شکنها نصب می گردد. امواج با پر کردن مخزن و حرکت افقی در یک مجرا، توربین را به حرکت در می آورند (تصویر سمت چپ زیر). در مطالعات اخیر که در مورد تجهیزات منصوب در یک موج شکن 100 متری انجام شده ، کارکرد انرژی خروجی سالانه به تقریب 2 گیگاوات ساعت گردیده است.

مبدل های انرژی سرریز موج به دلیل بهره‌ گیری از تأسیسات و سازه های موجود ساحلی، از مزیت بزرگی برخوردارند. زیرا ضمن کاهش حجم سرمایه‌گذاریها و هزینه های جاری، سازوکارهای تعمیرات و نگهداری را هم بسیار آسانتر می کنند. یکی مهمترین سازندگان تجهیزات سرریز موج، شرکت (Wave Dragon) است. 

  مبدل شناور فشار افتراقی (submerged pressure differential):

تجهیزات مزبور معمولا در نزدیکی مناطق ساحلی و بر بستر دریا نصب می شوند. حرکت امواج سبب بالا و پایین رفتن آب و به همراه آن شناورها می گردند. چندین پمپ پیستونی در بستر 20 متری دریا نصب می گردند. هر یک از این پمپ ها به یک شناور متصل می شوند. موج ها باعث بالا و پایین رفتن شناورها شده و پیستون ها را به حرکت در می آورند. با به حرکت در آمدن پیستون ها، آب دریا به داخل لوله ها پمپ می گردند. آب پرفشار پس رسیدن به تأسیسات سطح زمین، یک توربین را به حرکت در می آورد و توسط آن برق تولید می شود. آب کم فشار خروجی، دوباره به دریا بازگردانده می شود (تصویر زیر).  

مبدل انرژی لوله ای bulge  energy converter)):

این وسیله از یک یا چند لوله لاستیکی بسیار انعطاف پذیر و پر از هوا (یا مایع) به طول 30 متر و عرض 20 متر ساخته شده و در عمق 3 متری کار گذاشته می شود. در هر دو سر لوله، یک وسیله جذب نیرو موجی (power take-off, PTO ) شامل یک پیستون و سیلندر نصب می شود. لوله توسط مهارهایی به بستر دریا متصل می گردد. هر گاه موج از روی این سیستم عبور ‌کند، اجزای انطاف‌پذیر لاستیکی به بالا و پایین حرکت داده می شوند. در واقع با حرکت امواج، جریان هوا (یا مایع) درون لوله به سمت دو سر و سپس به سمت وسط آن روان می شود. جریان هوا (یا مایع) موجب به حرکت درآمدن یک توربین بزرگ می شود.

اصولاً یکی از چالش های انرژی موجی، تعیین بهترین  محل نصب است. طبق مطالعات آژانس انرژی تجدیدپذیر وابسته به سازمان ملل (IRENA)، و اطلاعات گردآوری شده از 100 پروژه پایلوت سراسر جهان، اموری چون انجام نصب، عملیات، نگهداری و لنگراندازی، قریب 41 درصد از هزینه های طول عمر پروژه های انرژی موجی را در بر می گیرند. از ابتکارات جدید استفاده دوگانه از انرژی خورشیدی یا بادی به همراه انرژی موجی است. شراکت انرژی های بادی یا خورشیدی بخشی از این هزینه ها را پوشش می دهد. استفاده از پانل های خورشیدی شناور از ابتکاراتی است که به چالش های چندگانه فنی روبروست.

کشور انگلستان در زمینه جذب انرژی های موجی دریای شمال سرمایه گذاری های زیادی کرده است. یک شرکت پرتغالی با استفاده از تجهیزات ساخت سوئد، میزان انرژی قابل قبولی استحصال کرده است. شرکت کورپاور اوشن (CorePower Ocean) سوئدی ادعا کرده وسیله ای همچون پمپ طبیعی (قلب) ساخته که با یک دهم اندازه، 5 برابر سایر سیستم های رقیب انرژی تولید می کند. این سیستم 300 کیلوواتی که دارای 9 متر قطر و 60 تن وزن است، علاوه بر هوای آرام در شرایط طوفانی هم کار می کند.

انرژی جزرومدی

یک نوع انرژی دیگر نیز حاصل فرایند حرکت عمودی و افقی جزر و مد آب دریاها و اقیانوس ها وجود دارد که بر اثر اعمال جاذبه کره ماه بر روی آب های سطحی ایجاد می گردد. میزان توان جریان آب به مکان‌نمایی منطقه وابسته است، زیرا در مکان هایی چون دماغه، تنگه، مصب و خور، شدت جریان آب بزرگتر بوده و انرژی بیشتری قابل استحصال می باشد.

بر اثر بالا و پایین رفتن آب دریا یا اقیانوس، آب از مسیر این گونه مجاری بزرگ طبیعی (به صورت رفت و برگشت) عبور می کند و با استفاده از انرژی جذرومدی، توربین های ویژه به کار انداخته می شوند. برخی از توربین ها به گونه ای ساخته می شوند که با تغییر جهت آب، پره ها تغییر زاویه یافته و در هر دو جهت حرکت می کنند. حسب شدت جریان آب درون مجرای طبیعی، توربین ها حدود 12 تا 18 دور در دقیقه می چرخند. انرژی توربین از طریق یک جعبه دنده به ژنراتور منتقل می شود. هر چه فاصله ارتفاع سطح آب در دو حالت جذر و مد زیادتر باشد، انرژی بالاتری قابل استحصال می شود. طبعاً سواحل کنار اقیانوس ها و حتی دریاها، اختلاف سطح جذر و مد بیشتری از سواحل دریاچه های بسته دارند. در بعضی نقاط اختلاف سطح آب در دو حالت جذر یا مد  به 17 متر می رسد.

سه نوع مختلف انرژی جذرومدی وجود دارد: 

سد بندی جذرومدی (Barrages)

 معمولی ترین روش، سدبندی در مصب رودخانه ها یا خورها است. در میان سد چندین توربین کار گذارده می شود. بر اثر ایجاد اختلاف بین آب سطح دریا و پشت سد، این توربین ها به حرکت در می آیند. با بستن مسیر آب، نیمی از توربینها در زمان مد و نیمی دیگر در حالت جذر به کار می افتند.

حوضچه های جذرومدی(Tidal Lagoons)

 با احداث یک حوضچه مصنوعی در کنار ساحل یا کمی دورتر از آن، می توان از اختلاف ارتفاع بین سطح آب در دو حالت جذر و مد بهره‌ گیری کرد. در تصاویر شماتیک زیر یک حوضچه و مراحل ایجاد اختلاف سطح و جریان جابجایی آب نشان داده شده است.

 جریان جذرومدی آب (Tidal Stream)

 همواره جریان جذرومدی به ویژه در کف سواحل دماغه ها و تنگه ها وجود دارد. از این جریان قوی رفت و آمد سریع آب که بر اثر جذرومد ایجاد می شود، می توان بهره‌برداری کرد. (تصاویر زیر).

 انواع وسایل جذب انرژی جذرومدی در قالب توربین افقی (تصاویر بالا)، توربین عمودی (تصویر سمت راست زیر) و در سایر اشکال نظیر مارپیچی و ورقه پهن افقی متصل به یک دسته  (همچون دم یک وال) ساخته می شوند.

در همین زمینه یک توربین نمونه آزمایشی جزر‌و‌مدی ساخت اسکاتلند در ژاپن نصب و راه اندازی شده است. این توربین نسبتا کوچک در 10 روز اول کار خود، 10 مگاوات ساعت برق تولید کرده است. قرار است شرکت میتسویی او.اس.کِی. با شرکت (Bombora Wave) در این زمینه سرمایه‌گذاری کنند.

کشور ژاپن در نظر دارد تا سال 2030 بین 22 تا 24 درصد از انرژی مصرفی خود را از انرژی های تجدیدپذیر تأمین کند، تا نسبت به سال 2013، حدود 26 درصد کمتر آلودگی ایجاد کند. ضمن اینکه تا سال 2050 به موازنه صفر برساند.

(این نوشتار ادامه دارد)

* مشاور انجمن صنفی شرکت‌های حمل و نقل ریلی و خدمات وابسته