انرژی تجدید پذیر — از صفر تا صد

وقتی بنزین خودرویمان تمام می‌شود، به پمپ بنزین می‌رویم و مخزن را پر می‌کنیم. این کار ساده است. اما این ترس وجود دارد که تا ابد نمی‌توانیم این کار را انجام دهیم، زیرا سوخت زمین در حال اتمام است. اغلب انرژی مورد استفاده ما از سوخت‌های فسیلی مانند نفت، گاز و زغال سنگ حاصل به دست می‌آید که به تدریج در حال از بین رفتن هستند. علاوه بر این، این سوخت‌ها موجب آلودگی هوا و تولید دی اکسید کربن می‌شوند که مهم‌ترین عامل در گرمایش جهانی یا همان گرم شدن زمین است. اگر بخواهیم حیات خود را به همان شیوه قبل ادامه دهیم، باید به منابع سوخت تمیزتر و سبزتر که «انرژی تجدید پذیر» (Renewable Energy) نامیده می‌شوند روی بیاوریم. در این آموزش، مطالب خلاصه و عمومی را درباره انرژی تجدید پذیر بیان می‌کنیم.

انرژی تجدید پذیر چیست؟

به طور کلی، منابع انرژی (کل انرژی در دسترس برای استفاده) به دو دسته سوخت‌های فسیلی و انرژی تجدید پذیر تقسیم می‌شوند:

• سوخت‌های فسیلی منابعی مانند نفت، گاز، زغال سنگ و.. هستند. این منابع طی صدها میلیون سال از وقتی گیاهان و موجودات دریایی پوسیده، فسیل و زیر زمین دفن شده و سپس با فشار و گرمای درونی زمین فشرده شده‌اند به دست آمده‌اند. سوخت های فسیلی حدوداً 80 تا 90 درصد از انرژی جهان را تأمین می‌کنند.

فیلم آموزش طراحی و شبیه سازی نیروگاه خورشیدی با نرم افزار PVSOL در فرادرس

کلیک کنید

• انرژی تجدیدپذیر به معنای انرژی حاصل از باد، امواج اقیانوس، انرژی خورشیدی، زیست‌توده (گیاهانی که به ویژه برای انرژی پرورش می‌یابند) و غیره است. این انرژی به این دلیل تجدیدپذیر نامیده می‌شود که در تئوری، هرگز به پایان نمی‌رسد. منابع تجدیدپذیر در حال حاضر حدود 10 تا 20 درصد از انرژی جهان را تأمین می‌کنند.

تفاوت سوخت‌های فسیلی و انرژی تجدید پذیر چیست؟

در تئوری، مقدار سوخت‌های فسیلی محدود و انرژی تجدیدپذیر بی‌پایان است. با این حال، این کل داستان نیست. خوشبختانه سوخت‌های فسیلی دائماً تشکیل می‌شوند. هر روز یک بار نفت جدید از گیاهان قدیمی و موجودات مرده ساخته می‌شود. اما متأسفانه ما از سوخت‌های فسیلی بسیار سریع‌تر از آنچه که ایجاد می‌شوند، استفاده می‌کنیم. تقریباً 400 میلیون سال طول کشیده است تا سوخت‌های فسیلی یک سیاره تشکیل شود. اما بشر چیزی در حدود 80 درصد از کل سوخت‌های فسیلی زمین را تنها در 60 سال از 1960 تا 2020 استفاده کرده‌ است. وقتی می‌گوییم سوخت‌های فسیلی، مانند نفت، «تمام می‌شوند»، در واقع منظورمان این است که تقاضا از عرضه بیشتر خواهد شد. نقطه‌ای که در آن استفاده از نفت بسیار گران‌تر از منابع سوخت‌های تجدیدپذیر جایگزین خواهد شد.

فیلم آموزش سلول خورشیدی پروسکایتی – جامع و کاربردی در فرادرس

کلیک کنید

همان‌طور که منابع سوخت فسیلی دقیقاً محدود نیستند، انرژی تجدید پذیر نیز کاملاً نامحدود نیست. بدین صورت که تقریباً تمام اَشکال انرژی تجدیدپذیر در نهایت از خورشید به وجود می‌آیند و این منبع عظیم انرژی، خود روزی از بین می‌رود. خوشبختانه، این اتفاق تا چند میلیارد سال رخ نخواهد داد، بنابراین به اندازه کافی منطقی است که بتوان از انرژی تجدید پذیر به عنوان انرژی نامحدود نام برد.

کشورهای مختلف انرژی خود را از سوخت‌های متفاوت دریافت می‌کنند. همان‌طور که انتظار می‌رود، در خاورمیانه، اعتماد بیشتری به نفت وجود دارد، در حالی که در آسیا، زغال سنگ از اهمیت بیشتری برخوردار است.

در نمودار بالا می‌بینیم که حدود 80 درصد از انرژی ایالات متحده هنوز از سوخت‌های فسیلی (از 84 درصد در سال 2008 و از سال 2014 تقریباً بدون تغییر) حاصل می‌شود، در حالی که باقیمانده آن از منابع تجدیدپذیر و هسته‌ای است. با نگاهی به منابع تجدیدپذیر به تنهایی، در نمودار نوار سمت راست، می‌بینیم که برق‌آبی و زیست‌توده سهم زیادی را تأمین می‌کنند. انرژی بادی و خورشیدی تقریباً بیش از یک ‌چهارم انرژی تجدیدپذیر ایالات متحده را تأمین می‌کنند و به طور پیوسته اهمیتشان افزایش می‌یابد؛ اکنون انرژی خورشیدی 6 درصد از کل انرژی تجدید پذیر ایالات متحده (از 4 درصد در سال 2014) را فراهم می‌کند، در حالی که انرژی بادی 21 درصد (از 18 درصد در سال 2014) را تأمین می‌کند. منابع تجدیدپذیر از 7 درصد به 11 درصد از کل از سال 2008 افزایش یافته است.

توجه کنید که این نمودارها کل انرژی و نه فقط برق را در بر می‌گیرند.

انواع مختلف انرژی تجدید پذیر

تقریباً هر منبع انرژی که سوخت فسیلی نیست، نوعی انرژی تجدیدپذیر است. در ادامه انواع اصلی انرژی تجدید پذیر آورده شده است.

فیلم آموزش طراحی نیروگاه خورشیدی فتوولتائیک با پی وی سیست PVsyst در فرادرس

کلیک کنید

انرژی خورشیدی

تا زمانی که خورشید شعله‌ور است (تقریباً 4٫4 میلیارد سال دیگر)، قادر خواهیم بود از نور و گرمای آن استفاده کنیم. ما معمولاً از انرژی خورشیدی به دو روش بسیار متفاوت استفاده می‌کنیم: الکتریکی و حرارتی. توان الکتریکی خورشیدی (که گاهی به آن انرژی خورشیدی اکتیو یا فعال نیز می‌گویند) به معنای گرفتن نور خورشید و تبدیل آن به الکتریسیته در سلول‌های خورشیدی (که به صورت الکترونیکی کار می‌کنند) است. این فناوری به عنوان فتوولتائیک (فتو معادل نور، و ولتائیک معادل الکتریکی) نیز شناخته می‌شود. بنابراین فتوولتائیک یا PV به معنای برق حاصل از نور است. توان حرارتی خورشیدی (که گاهی به آن انرژی پسیو یا غیرفعال خورشیدی یا بهره پسیو خورشیدی نیز گفته می‌شود) به معنای جذب گرمای خورشید در سیستم های آب گرم خورشیدی یا استفاده از آن برای گرم کردن ساختمان‌ها با پنجره‌های بزرگ شیشه‌ای است.

انرژی بادی

بسته به جایی که در آن زندگی می‌کنید، احتمالاً در سال‌های اخیر توربین‌های بادی را در چشم‌اندازهای طبیعی مشاهده کرده‌اید. به عنوان مثال، تعداد زیادی از آن‌ها در ایالات متحده و اروپا وجود دارد. توربین هر دستگاهی است که انرژی جنبشی را از یک سیال متحرک (مایع یا گاز) خارج کرده و آن را به شکل دیگری تبدیل می‌کند. آسیاب‌های بادی، بر اساس این ایده، صدها سال است که به طور گسترده مورد استفاده قرار می‌گیرند. در یک توربین بادی مدرن‌، یک پره چرخان بزرگ (شبیه به پیشران هواپیما) در باد می‌چرخد و یک ژنراتور برق نصب شده در محفظه موتور (پوشش فلزی) را در پشت می‌چرخاند. تقریباً چند هزار توربین بادی نیاز است تا به اندازه یک نیروگاه بزرگ سوخت فسیلی توان تولید کنیم. انرژی بادی در واقع نوعی انرژی خورشیدی است، زیرا هنگامی که خورشید قسمت‌های مختلف سیاره ما را با اندازه‌های مختلف گرم می‌کند و باعث حرکت حرکات عظیمی در سطح آن می‌شود، بادها ایجاد می‌شوند.

انرژی برق آبی یا هیدروالکتریک

هیدرو (Hydro) به معنای آب است، بنابراین برق‌آبی به معنای تولید برق با استفاده از آب است، البته نه از خود آب، بلکه از انرژی جنبشی موجود در یک رودخانه یا جریان آب. رودخانه‌ها زندگی خود را در زمین مرتفع آغاز می‌کنند و به تدریج در سرازیری به سمت دریا می‌روند. با قرار دادن سد در راه آن‌ها، می‌توانیم دریاچه‌های بزرگی ایجاد کنیم که به آرامی از توربین‌های آب تخلیه می‌شوند و در اثر چرخش توربین‌ها برق تولید می‌کنند. چرخ‌های آبی مورد استفاده در دوران قرون وسطی برای آسیاب‌ها نمونه اولیه نیروگاه آبی بود. آسیاب‌های بادی را می‌توان به عنوان انرژی هیدرومکانیکی توصیف کرد، زیرا قدرت آب به دستگاه‌های متشکل از سیستم پیچیده چرخ‌ها و چرخ‌دنده‌ها منتقل می‌شود. مانند انرژی بادی، انرژی برق‌آبی، به صورت غیرمستقیم، نوع دیگری از انرژی خورشیدی است، زیرا این انرژی خورشید است که چرخه آب را هدایت می‌کند و بی‌وقفه مبادله آب بین اقیانوس‌ها و رودخانه‌ها در سطح زمین و جوّ بالاتر از آن را انجام می‌دهد.

انرژی اقیانوس

اقیانوس‌ها دارای پتانسیل وسیع و استفاده نشده‌ای هستند که می‌توان از سه طریق از آن‌ها بهره برد: انرژی موج، انرژی کشندی و انرژی حرارتی.

• انرژی موج از دستگاه‌های مکانیکی استفاده می‌کند که به جلو و عقب یا به سمت بالا و پایین تکان می‌خورند تا انرژی جنبشی را از امواج در حال حرکت گرفته و آن را به برق تبدیل کنند. انرژی موج چندین دهه است شناخته شده و از آن استفاده می‌شود.
• انرژی کشندی یا جزر و مد سدهای كوچكی هستند كه در میان رودخانه‌ها ساخته شده‌اند (نقاط ساحلی كه رودخانه‌ها به دریا می‌پیوندند و بالعكس). با حرکت جزر و مد به جلو و عقب، آن‌ها حداقل دو بار در روز مقدار زیادی آب داخل و خارج از رودخانه‌ها جابه‌جا می‌کنند. یک سد با توربین‌های ساخته شده در آن می‌تواند انرژی جزر و مد را هنگام حرکت به جلو و عقب جذب کند. معروف‌ترین نیروگاه کشندی جهان، «نیروگاه کشندی رانس» (Rance Tidal Power Station) در فرانسه است.
• انرژی حرارتی در واقع بهره‌برداری از اختلاف دمای آب گرم سطح اقیانوس‌ها و آب سرد در عمق‌های دیگر است. در نوعی از انرژی حرارتی به نام تبدیل انرژی حرارتی اقیانوس (OTEC)، آب سطح گرم‌تر به بالای یک ستون غول‌پیکر (شاید به ارتفاع 450 متر یا 1500 فوت) جریان دارد که به صورت عمودی در چند مایلی دریا نصب شده است. این در حالی است که آب خنک‌تر به پایین جریان می‌یابد. قبل از اینکه آب خنک و بازیافت شود، آب گرم توربین را می‌چرخاند و برق تولید می‌کند. تخمین زده می‌شود که انرژی گرمایی کافی در اقیانوس‌ها برای تأمین نیازهای بشر وجود دارد، اگرچه در حال حاضر، مقدار کمی از آن بازیابی می‌شود.

زیست‌توده

زیست‌توده یک کلمه مدرن است که در واقع به معنای گیاهان یا سایر موجوداتی است که یک بار زندگی می‌کنند و از بین می‌روند و از آن‌ها به عنوان سوخت استفاده می‌شود (مخصوصاً مواردی که به همین دلیل پرورش می‌یابند). چوبی که توسط مردم یک کشور آفریقایی جمع‌آوری می‌شود زیست‌توده است. زیست‌سوخت‌هایی مانند اتانول که برای ساخت دیزل موتور خودروها استفاده می‌شود نیز زیست‌توده است. همچنین، کود مرغ که برای آتش در نیروگاه‌ها به کار می‌رود زیست‌توده است. نکته جالب در مورد زیست‌توده این است که نوعی انرژی تجدید پذیر است. بدین ترتیب که گیاهان با استفاده از نور خورشید رشد می‌کنند، آن‌ها این انرژی را به انرژی شیمیایی تبدیل و در ریشه، شاخه و برگ خود ذخیره می‌کنند. سوزاندن زیست‌توده بیشترِ انرژی را به عنوان گرما آزاد می‌کند که می‌توانیم از آن برای گرم کردن خانه‌ها، تولید برق و سوخت وسایل نقلیه استفاده کنیم.

زیست‌توده به سه دلیل اصلی از نظر زیست‌محیطی و پایداری از سوخت‌هایی مانند زغال سنگ برتری دارد:

۱. برخلاف زغال سنگ (که میلیون‌ها سال طول می‌کشد تا از از بقایای گیاهان تشکیل شود)، زیست‌توده بسیار سریع تولید می‌شود و به راحتی می‌توانیم گیاهان یا درختان جدیدی پرورش دهیم تا جایگزین آن‌هایی شوند که بریده یا سوزانده شده‌اند (به عبارت دیگر زیست‌توده می‌تواند واقعاً پایدار باشد).

۲. گیاهان به همان اندازه که در هنگام رشد دی اکسید کربن هوا را جذب می‌کنند، در هنگام سوختن آن را آزاد می‌کنند، بنابراین در تئوری هیچ دی اکسید کربن خالص آزاد نشده و سوختن زیست توده مشکلی بر گرم شدن کره زمین نمی‌افزاید. به همین دلیل است که گاهی زیست‌توده را به عنوان یک فرم کربن خنثی از انرژی می‌شناسند. در تئوری می‌توان گفت که در عمل پرورش، برداشت و حمل زیست‌توده ممکن است از انرژی استفاده کند (تراکتورها یا کامیون‌هایی که با نفت کار می‌کنند ممکن است درگیر این کار شوند) و منافع کلی محیط زیست را کاهش می‌دهد. همچنین، درختان جوان به اندازه درختان مسن‌تری قطع می‌شوند که دی اکسید کربن جذب نمی‌کنند.

۳. زیست‌توده اغلب به راحتی از زباله‌ها تولید می‌شود. سوزاندن چیزی مانند ضایعات چوب یا کود مرغ نه تنها به ما انرژی می‌دهد، بلکه باعث کاهش زباله‌هایی می‌شود که باید آن‌ها را دفع کنیم.

انرژی زمین‌گرمایی

ممکن است گاهی زمین را یک مکان بسیار سرد احساس کنیم، اما در داخل، یک توده سنگ ذوب شده است. برای مثال پوشش زیرین زمین در دمای حدود 4500 درجه سانتی‌گراد (8000 درجه فارنهایت) قرار دارد. با استفاده از فناوری‌هایی مانند پمپ‌های حرارتی، که آب سرد را به عمق زمین هدایت می‌کنند و در برگشت آب گرم را حمل می‌کنند، می‌توان این انرژی زمین‌گرمایی را بسیار آسان دریافت کرد. کل منابع زمین‌گرمایی زمین معادل با انرژی حدود 25000 نیروگاه بزرگ است.

انرژی هسته‌ای

انرژی هسته‌ای متعارف تجدیدپذیر نیست. این انرژی با تقسیم اتم‌های بزرگ و ناپایدار یک عنصر شیمیایی به نام اورانیوم که به طور طبیعی وجود دارد ایجاد می‌شود. از آنجا که اورانیوم در اکثر نیروگاه‌های هسته‌ای مصرف می‌شود و قبل از انجام این کار باید زمین را حفر کرد، اَشکال سنتی شکافت هسته‌ای (اصطلاح علمی برای تقسیم اتم‌های بزرگ) را نمی‌توان به عنوان انرژی تجدید پذیر در نظر گرفت. دانشمندان امیدوارند در آینده نوعی جایگزین برای انرژی هسته‌ای به نام همجوشی هسته‌ای (تولید انرژی با پیوستن اتم‌های کوچک) ایجاد کنند، که این انرژی پاک‌تر، ایمن‌تر و واقعاً تجدیدپذیر خواهد بود.

پیل سوختی

اگر بخواهید از یک انرژی تجدیدپذیر در خودرو استفاده کنید، باید موتورهای بنزینی یا دیزلی را با موتور برقی تعویض کنید. رانندگی با اتومبیل برقی لزوماً شما را دوستدار محیط زیست نمی‌کند. اگر باتری‌ها را در خانه شارژ کنید و برق مورد استفاده شما از یک نیروگاه زغال سنگ تولید شود، چه می‌گویید؟ یکی از راه‌‌حل‌ها، تعویض باتری‌ها با یک پیل سوختی است که کمی شبیه به باتری است و به طور مداوم با استفاده از مخزن گاز هیدروژن برق تولید می‌کند. به دست آوردن هیدروژن از آب با استفاده از الکترولیزر ارزان و آسان است. پیل‌های سوختی کم‌صدا و قدرتمند هستند و هیچ‌گونه آلودگی ایجاد نمی‌کنند. احتمالاً بدترین ویژگی پیل‌های سوختی خروج بخار از اگزوز آن‌ها است!

چگونه می‌توانیم از انرژی تجدیدپذیر بیشتر استفاده کنیم؟

اگر بخواهیم با استفاده بیشتر از انرژی تجدیدپذیر کره زمین را تغییر دهیم، بهترین روش برای انجام این کار چیست؟ با توجه به اینکه مقدار زیادی برای کسب انرژی هزینه می‌کنیم، باید سعی کنیم آن پول را به جایی هدایت کنیم که بیشترین تأثیر را داشته باشد. در ادامه، چند نکته ساده آورده شده است.

فیلم آموزش باتری های لیتیومی – جامع و با نکات مهم در فرادرس

کلیک کنید

تغییر تأمین‌کننده

اگر بیشتر انرژی خود را از برق دریافت می‌کنید، می‌توانید تأمین‌کننده (یا تعرفه) را به یکی از انرژی‌های تجدیدپذیر رایج تغییر دهید. البته بعضی اوقات این کار کمتر از آن چیزی است که به نظر می‌رسد. اگر تأمین‌کننده شما به طور عمده نیروگاه‌های برق‌آبی را اداره می‌کند و شما تعرفه برق معمولی آن را به تعرفه سبز تغییر دهید، آیا در حال افزایش میزان انرژی سبز در جهان هستید یا به راحتی به شرکتی پول می‌دهید که دقیقاً همان کاری که انجام می‌دهد که قبلاً انجام می‌داد؟ گزینه بهتر این است که تأمین‌کننده خود را به یک تأمین‌کننده کوچک تغییر دهید که توربین‌های بادی جدید یا نیروگاه‌های خورشیدی احداث می‌کند. به این ترتیب، شما به این شرکت کمک می‌کنید تا در انرژی تجدید پذیر بیشتری سرمایه‌گذاری کند و به نجات جهان از سوخت‌های فسیلی کمک کند.

تولید برق

اگر پول بیشتری برای هزینه کردن دارید، می‌توانید با نصب چیزی مانند پنل‌های فتوولتائیک، سیستم آب گرم خورشیدی یا پمپ حرارتی منبع زمین، مقداری از انرژی خود را تأمین کنید. از آنجا که از انرژی کمتری از نیروگاه‌ها مصرف می‌کنید، از این طریق با صرفه‌جویی در هزینه به محیط زیست نیز کمک خواهید کرد. هرچند، سرمایه گذاری اولیه برای تبدیل خانه به یک خانه سازگار با محیط زیست می‌تواند پرهزینه باشد.

استفاده بیشتر با استفاده کمتر

ساده‌ترین راه برای نجات این سیاره استفاده عالمانه از منابع است. اگر نمی‌توانید راهی برای استفاده از انرژی تجدیدپذیر بیشتر پیدا کنید، هنوز هم می‌توانید از انرژی معمولی (سوخت‌های فسیلی) کمتری استفاده کنید. کارآمدتر بودن بسیار سریع و آسان است و اغلب هزینه‌ای ندارد. برای مثال هزینه‌ای ندارد که خودروی خود را با یک دوست به اشتراک بگذارید یا از اتوبوس و قطار استفاده کنید که اغلب موجب صرفه‌جویی در هزینه و همچنین صرفه‌جویی در مصرف انرژی می‌شود. عایق‌بندی حرارتی خانه نیز یکی دیگر از راه‌های خوب صرفه‌جویی در مصرف انرژی (و پول) با هزینه کم یا بدون هزینه است. همچنین، خاموش کردن ترموستات (و پوشیدن یک لباس گرم‌تر) کاری است که هر کس می‌تواند بدون صرف هزینه آن را انجام دهد. سعی کنید از لامپ‌های کم‌مصرف (چراغ‌های LED از CFLها کارآمدتر و امروزه نیز ارزان هستند) و از پایش انرژی استفاده کنید تا به شما در اندازه‌گیری و کاهش هزینه مصرف لوازم کمک کند.

اگر این مطلب برای شما مفید بوده است، آموزش‌های زیر نیز به شما پیشنهاد می‌شوند:

• مجموعه آموزش‌های مهندسی برق
• آموزش آشنایی با تکنولوژی نیروگاه های بادی، آبی، بیوماس و امواج
• مجموعه آموزش‌های مهندسی مکانیک
• آموزش پیل‌های سوختی – مفاهیم و ساختار
• انرژی الکتریکی چیست؟ — از صفر تا صد
• انواع اینورترهای خورشیدی — به زبان ساده
• محاسبه قیمت برق از روی قبض — به زبان ساده

^^