طرق توليد الكهرباء

طرق توليد الكهرباء

توليد الكهرباء من مصادر غير متجددة

تعرّف الطاقة غير المتجددة بأنّها الطاقة المنتَجة من مصادر قابلة للنفاذ أو تلك التي تحتاج لفترات زمنية طويلة جداً من أجل تجديدها، مثل الوقود الأحفوري الذي يحتاج إلى ملايين السنين لإعادة تجديده مرّةً أخرى؛ نظراً إلى أنّه يتكوّن بشكل أساسي من مادة الكربون التي تمتد فترة تكوّنها من 300-360 مليون سنة، كما يُعدّ الوقود الأحفوري مصدراً قيّماً للطاقة، فكلفة إنتاجه واستخراجه منخفضة نسبياً، كما أنّه يتميّز بسهولة التخزين والنقل من مكان لآخر، لكنّه في الوقت ذاته له تأثيرات سلبية على البيئة؛ فاحتراق جزئيات الوقود الأحفوري تُسبّب تلوّث الهواء والماء والتربة، وزيادة نسب ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي تُسبّب ما يُسمّى بالاحتباس الحراري وهو زيادة نسبة غازات الدفئية فوق معدّلاتها الطبيعية الضرورية للحياة. ومن أهم أشكال الطاقة غير المتجددة المستخدمة في توليد الكهرباء ما يأتي:

الفحم

يُستخدم الفحم في العديد من محطّات توليد الكهرباء لأنّه يتميّز بكفاءة عالية في إنتاج الكهرباء ، ويُشار إلى أنّ عمليات احتراق الفحم يجري تطويرها باستمرار للرفع من كفاءة احتراقه، فارتفاع كفاءة احتراقه يعني خفض نسبة الانبعاثات الكربونية في الجو، وتسمّى دورة توليد الطاقة الكهربائية باستخدام الفحم بدورة رانكين (بالإنجليزية: Rankine Cycle) وتتكوّن من أربعة أجزاء رئيسية كالآتي:

• المضخّة: (بالإنجليزية: Pump)، الجزء المسؤول عن ضخّ الماء باتجاه البويلر، ورفع ضغطه لقيمة ضغط مناسبة قبل دخوله في البويلر.
• المرجل: (بالإنجليزية: Boiler)؛ وهو وحدة الغليان في المحطّة، إذ يُسخّن الماء ويرفع حرارته ليُصبح بخار ماء فائق السخونة (بالإنجليزية: Super heated steam)، ويكتسب المرجل حرارته المرتفعة من احتراق الفحم المطحون، حيث يتمّ طحن الفحم وتحويله لمسحوق ناعم بهدف زيادة مساحة سطح الاحتراق وبالتالي زيادة سرعة الاحتراق، وفي أنظمة احتراق الفحم المسحوق (بالإنجليزية: Pulverised coal combustion) يتمّ نفخ الفحم المسحوق في غرفة الاحتراق الموجودة في المرجل وحرقه على درجات حرارة مرتفعة جداً، ممّا يؤدّي إلى تسخين الماء الموجود في غرفة المرجل وتحويله إلى بخار ماء ذي ضغطٍ عالٍ، ثمّ يسري البخار الناتج عبر أنابيب خاصة داخل المرجل حتّى يصل إلى التوربين.
• التوربين البخاري: (بالإنجليزية: Steam Turbine)؛ يدخل بخار الماء ذو الحرارة والضغط المرتفعين من المرجل باتجاه التوربين بفعل الضغط المرتفع، حيث يدفع بخار الماء شفرات التوربين ممّا يؤدّي إلى دورانها ودوران عمود الدوران المتّصل بها، وتُستخدم هذه الحركة في دوران ملفّ من الأسلاك الموصلة للكهرباء داخل مجالٍ مغناطيسيّ ممّا يؤدّي إلى تولّد الكهرباء حسب مبدأ الحث الكهرومغناطيسي.
• المكثّف: (بالإنجليزية: Condenser)؛ بعد خروج البخار من التوربين ينخفض ضغطه ويدخل للمكثّف ليتمّ تبريده ويعود لحالته السائلة قبل ضخّه مرّةً أخرى خلال الدورة، ولتبريد البخار تُستخدم مصادر مياه كالبحيرات أو الأنهار، حيث يتمّ ضخّ الماء منها باتجاه المكثّف وتعود لمصدرها بدرجة حرارة أعلى ممّا كانت عليه بمقدار 10-20 درجة مئوية، وفي حال عدم وجود مصدر مياه قريب لمحطات توليد الطاقة الكهربائية تُستخدم أبراج التبريد (بالإنجليزية: Cooling Tower) لتبريد بخار الماء.

الغاز الطبيعي

يُستخدم الغاز الطبيعي في العديد من المحطات الكهربائية كوقود للاحتراق، فمحطات الغاز الطبيعي تتمتّع بسهولة بنائها وكفاءة إنتاجها للكهرباء، كما أنّ احتراق الغاز الطبيعي يُنتج كميّات أقل من أكاسيد النيتروجين والكبريت والانبعاثات الأخرى الملوثة للهواء مقارنةً بنواتج احتراق الفحم، وتُقسم محطات الغاز الطبيعي إلى نوعين كالآتي:

• محطة الغاز البسيطة: (بالإنجليزية: Simple Cycle Gas Plant)؛ ولا يختلف مبدأ عملها عن محطة توليد الطاقة الكهربائية باستخدام الفحم، لكنّها تستخدم الغاز الطبيعي كوقود لتوليد الكهرباء.
• محطة الغاز المركّبة: (بالإنجليزية: Combined Cycle Plant)؛ تتكوّن محطّة الغاز المركّبة من وحدتين؛ وحدة غازية ووحدة بخارية، وتقوم فكرتها على الاستفادة من الطاقة الناتجة عن الغازات مرتفعة الحرارة الخارجة من الوحدة الغازية لإنتاج كميات إضافية من بخار الماء اللازم لتشغيل التوربين البخاري من خلال وحدة استعادة الطاقة (بالإنجليزية: Heat Recovery Steam Generator)، ممّا يزيد من قدرة التوربين على توليد الطاقة الكهربائية، وتتميّز هذه المحطّة بكفاءة مرتفعة تصل إلى 60% مقارنةً بالدورة البسيطة التي تصل كفاءتها إلى 34%.

الغاز والفحم

تُسمّى محطات توليد الكهرباء التي تستخدم الغاز والفحم معاً محطات التوليد المشترك (بالإنجليزية: Cogeneration Power plants)، وتتميّز بكفاءة عالية، وتقوم فكرتها على الاستفادة من بخار الماء الخارج من التوربين مباشرةً في تطبيقات صناعية تحتاج للحرارة بدلاً من تكثيفه وإخراجه كناتج لفقدان الحرارة من الدورة الأولى، فهي بذلك تُخفّف من الأعباء الاقتصادية وتُقلّل من تلوّث الهواء.

النفط

انخفض استخدام النفط في عمليات توليد الكهرباء بشكل ملحوظ في السنوات الأخيرة؛ لأنّ احتراقه يُسبّب العديد من الأضرار البيئية المختلفة سواء على الغلاف الجوي بانبعاثاته الضارة أو على مصادر المياه والأراضي الموجودة حول محطات التوليد، حيث إنّ مخلّفات النفط لا يُمكن استهلاكها أثناء الاحتراق بشكل كليّ ويُلقى جزء كبير منها كنفايات سامة وخطيرة، وهناك ثلاث تقنيات مستخدمة لتحويل النفط إلى كهرباء وهي كالآتي:

• حرق النفط لإنتاج الحرارة اللازمة لتسخين الماء لدرجات مرتفعة وتوليد بخار الماء.
• حرق النفط تحت ضغط مرتفع واستخدام الغازات المنبعثة لتدوير توربين توليد الكهرباء مباشرة.
• حرق النفط في توربين احتراق باستخدام حرارة الغازات، ثمّ تدوير هذه الغازات لتُسخّن الماء في المرجل لتشغيل التوربين الثاني، وتُستخدم هذه التقنية في الدورات المركّبة.

الديزل

تستخدم مادة الديزل كوقود لبعض محطات توليد الطاقة الكهربائية، فكفاءة إنتاج الكهرباء من الديزل أعلى من كفاءة إنتاجها من الفحم، كما أنّ محطات الديزل لا تحتاج لمساحات كبيرة لبنائها، وعادةً ما يتمّ استخدامها كمحطات احتياطية في حال انقطاع توليد الكهرباء من المحطّة الأساسية، ونظراً لارتفاع تكاليف مادة الديزل وارتفاع كلفة الصيانة للمحطة فإنّها لم تحظ بانتشار واسع كغيرها من أنواع محطات توليد الطاقة الكهربائية.

الطاقة النووية

تُستخدم الطاقة النووية الناتجة عن عملية الانشطار النووي في المفاعلات النووية في توليد الحرارة اللازمة لتوليد الكهرباء في المحطة، ولا يختلف مبدأ عمل محطات الطاقة النووية عن غيرها من المحطات باستثناء أنّ مصدر الحرارة في تسخين الماء وتحويله إلى بخار هو مفاعل الانشطار النووي، حيث تُستخدم مادة اليورانيوم كوقود في المفاعل النوويّ الذي يُنتج الحرارة اللازمة للتفاعلات الانشطارية، ثمّ يتمّ تبريده بسوائل تبريد واستخدام حرارته في أجزاء أخرى من المحطة النوويّة، ويجدر بالذكر أنّ الطاقة النووية توفّر ما نسبته 11% من الحاجة العالمية للكهرباء، وتُعدّ كلّ من بريطانيا وفرنسا من أكبر المنتجين لهذا النوع من الطاقة.

توليد الكهرباء من مصادر متجددة

يُطلق على الطاقة المتجددة مصطلح الطاقة البديلة؛ حيث إنّها تنتج عن مصادر قابلة للاستبدال والتجديد باستمرار، مثل: الطاقة الشمسية، وطاقة الرياح، وطاقة المياه، وطاقة الحرارة الأرضية، وغيرها، ومع بدايات القرن الحادي والعشرين شكّلت مصادر الطاقة المتجددة ما نسبته 20% من الاستهلاك العالمي للطاقة، إذ تتميّز الطاقة المتجددة بانخفاض انبعاثاتها الكربونية وبالتالي فإنّ استخدامها يُقلّل من تلوّث البيئة بشكل عام، ومن أبرز أشكال الطاقة المتجددة المستخدمة في توليد الكهرباء ما يأتي:

الطاقة الشمسية

تُعرّف الطاقة الشمسية بأنّها الطاقة الناتجة عن الشمس، وهي من أنظف مصادر الطاقة المتجددة وأهمّها، ولها استخدامات عديدة من أهمّها توليد الطاقة الكهربائية، وتسخين المياه، وتوفير الإضاءة، وغير ذلك،، ومن أشهر الأنظمة الشمسية التي تُستخدم في توليد الطاقة الكهربائية الخلايا الكهروضوئية التي تُحوّل الإشعاع الشمسي إلى طاقة كهربائية.

تُصنع الخلايا الكهروضوئية من مواد شبه موصلة كالسيليكون، بحيث تتمّ معالجته لتقترب نقاوته من 100% فيُسمّى حينها بسيليكون متعدد الكريستالات (بالإنجليزية: Polycrystalline Silicon) ويُصبح مظهره كريستالياً نقياً، ويتمّ حقنه بالبورون أو الفوسفور فتتكوّن خلايا بولي سيليكون من النوع (P) أو (N)، حيث إنّ خلاليا بولي سيليكون التي تمّ حقنها بمادة البورون تُمثّل النوع (P) وتحمل الشحنة الموجبة وخلايا بولي سيليكون التي تمّ حقنها بمادة الفسفور تُمثّل النوع (N) وتحمل الشحنة السالبة، ويتمّ تكوين الشرائح الكهروضوئية عن طريق صهر إحدى المادتين ثمّ طلاؤها بالمادة الأخرى لتنتج منطقة تقاطع بينهما تُسمّى (P-N)، وعند تعرّض الخلايا الكهروضوئية لأشعة الشمس المتمثّلة بالفوتونات الموجودة في الضوء تتحفّز الإلكترونات وتنتقل من الطرف السالب إلى الطرف الموجب مُشكّلةً دارة كهربائية تولّد تيار كهربائي.

طاقة الرياح

يتمّ توليد الكهرباء من طاقة الرياح باستخدام توربينات هوائية يتمّ تعليقها على ارتفاعات عالية عن مستوى سطح الأرض، بحيث تواجه حركة الرياح وتكون قادرةً على استغلال أكبر قدر من طاقة الرياح المواجهة لها، وتتكونّ هذه التوربينات من عدّة أجزاء رئيسية كما يأتي:

• شفرات التوربين: تكون مقابلةً للرياح ومُثبّتةً بزاوية محددة تؤدّي إلى دورانها، وتُمثّل شفرات التوربين مع مقدمّة التوربين الجزء الدوّار في التوربين الهوائي (بالإنجليزية: Rotor).
• عمود الدوران منخفض السرعة: (بالإنجليزية: Low speed shaft)؛ يدور هذا العمود مع الجزء الدوّار وبنفس سرعته ويكون متصلاً مع ناقل للحركة.
• ناقل الحركة: (بالإنجليزية: Gear Box)، تتمثّل وظيفته في رفع سرعة دوران عمود الدوران منخفض السرعة وذلك من خلال استخدام نظام من التروس يزيد السرعة.
• عمود الدوران مرتفع السرعة: (بالإنجليزية: High speed shaft)؛ يكون متّصلاً بناقل الحركة من أحد أطرافه ويدور بالسرعة التي سبّبها ناقل الحركة، أمّا طرفه الآخر فيدور داخل المولّد الكهربائي.
• المولّد الكهربائي: يتكوّن من جزأين رئيسيين هما: الجزء الدوّار ويتمثّل بعمود الدوران مرتفع السرعة، والجزء الثابت الذي يُمثّل مجالاً مغناطيسياً يدور داخله عمود الدوران ليُنتج طاقةً كهربائية.

أمّا باقي أجزاء التوربين الهوائي فهي أجزاء خاصة للتحكّم بالسرعة، والتوجيه، وأنظمة الحماية والتوقّف.

طاقة المياه

يتمّ توليد الكهرباء من طاقة المياه باستغلال قوة وسرعة تدفّق الماء من ارتفاعات عالية كمناطق الشلالات، فكلّما زاد ارتفاع مصدر المياه المتدفّقة زادت طاقتها الكامنة التي ستتحوّل إلى طاقة حركية تُستغل في تحريك شفرات توربينات مائية ضخمة وموصولة بمولّدات كهربائية، وتحتوي محطّات الطاقة الكهرومائية على خزّانات مياه وصمّامات للتحكّم في كميّة المياه المتدفّقة من الخزان، ويُمكن توظيف الطاقة الكهرومائية لتوليد الكهرباء بثلاث طرق كالآتي:

• تخزين المياه في سدود على ارتفاعات عالية، ثمّ فتح بوابات السدود واستغلال طاقة الوضع العالية عند تدفّق المياه في تشغيل التوربينات المائية ودوران شفراتها وتشغيل المولّد الكهربائيّ .
• استخدام سلسلة من القنوات لتوجيه تدفّق المياه من الأنهار لمواقع التوربينات المائية لتشغيلها.
• استخدام الكهرباء الناتجة من الطاقة الشمسية والرياح والطاقة النووية في ضخّ المياه لمواقع مرتفعة، وتخزينها هناك لاستخدامها عند الحاجة كطاقة كهرومائية، وتُعتبر هذه الطريقة طريقة تخزين للطاقة الكهربائية وتحويلها لطاقة وضع.

الكتلة الحيوية

تُعتبر الكتلة الحيوية (بالإنجليزية: Biomass) إحدى أشكال الوقود العضوي ومصدراً متجدداً للطاقة يُستخدم لتوليد الكهرباء، ومن الأمثلة عليها نشارة الخشب، وبعض أنواع المحاصيل الزراعية، وبعض النفايات العضوية، والأسمدة العضوية،إذ يتمّ حرق الكتلة الحيوية في محطات الطاقة الحيوية للحصول على الحرارة اللازمة لإنتاج البخار الذي يُشغّل التوربين البخاري لتوليد الكهرباء، ويتميّز احتراق الكتلة الحيوية بأنّ انبعاثاته أقلّ من انبعاثات الوقود الأحفوري فهي بذلك أقل ضرراً على البيئة.

الطاقة الحرارية الأرضية

تُعرّف الطاقة الحرارية الأرضية بأنّها الحرارة الموجودة داخل الأرض والتي تحملها المياه الساخنة أو بخار الماء إلى سطح الأرض، وللطاقة الحرارية الأرضية فوائد عديدة، مثل تطبيقات التدفئة والتبريد، إلى جانب اعتبارها شكلاً من أشكال الطاقة المتجددة المستخدمة في توليد الطاقة الكهربائية، وتعتمد محطات الطاقة الحرارية الأرضية على بخار الماء الناتج من مصادر المياه الساخنة في باطن الأرض، حيث إنّ هذا البخار يُحرّك التوربين البخاري في محطة التوليد وبالتالي يعمل المولّد الكهربائيّ لإنتاج الكهرباء، ولمحطات الطاقة الحرارية الأرضية ثلاثة أنواع مختلفة كما يأتي:

• محطات البخار الجاف: (بالإنجليزية: Dry Steam)؛ يتمّ ضخّ بخار الماء من مصادره في باطن الأرض مباشرةً إلى محطة الطاقة الكهربائية ليتمّ استخدامه في التوربين لتشغيل المولّد.
• محطات البخار الوامض: (بالإنجليزية: Flash Steam)؛ وهي محطات الطاقة الحرارية الأرضية الأكثر شيوعاً، حيث تستخدم خزانات مياه جوفية ذات درجات حرارة تزيد عن 182 درجة مئوية، إذ يتدفّق هذا الماء بسبب ضغطه المرتفع إلى سطح الأرض ممّا يُقلّل من ضغطه، فيغلي جزء منه ليتحوّل إلى بخار ماء يتمّ فصله عن الماء واستخدامه لتشغيل التوربين البخاري لتوليد الكهرباء، ثمّ إعادة المياه المتدفّقة إلى باطن الأرض لإحداث العملية السابقة باستمرار وجعلها مصدراً متجدداً للطاقة.
• محطّات ثنائية البخار: (بالإنجليزية: Binary Steam)؛ يتمّ استخدام الماء ذي درجات الحرارة المنخفضة نسبياً أيّ 107-182 درجة مئوية لتسخين سائل آخر عادةً ما يكون مركّباً عضوياً ذا درجة غليان منخفضة، ويتمّ تبخير هذا المائع في مُبادل حراريّ، وتُستخدم الحرارة الناتجة لتشغيل التوربين البخاري، ثمّ يعود الماء إلى باطن الأرض لإعادة تسخينه، ويبقى السائل مفصولاً عن الماء دون أيّ خلط بينهما.

توليد الطاقة الكهربائية

تتمثّل عملية توليد الكهرباء بتحويل الطاقة من مصادرها الأولية؛ كالوقود الأحفوري، وطاقة اليورانيوم، والطاقة الحركية للمياه والرياح، وغيرها من مصادر الطاقة الأولية إلى طاقة كهربائية يُمكن الاستفادة منها، ولكلّ نوع من مصادر الطاقة الأولية تقنيات خاصة يُمكن من خلالها توليد الطاقة الكهربائية، حيث يتمّ توليد الكهرباء في محطّات توليد بأنواعها المختلفة؛ كمحطات الفحم، ومحطات الغاز، ومحطات الطاقة النووية، ومحطات الطاقة المتجددة؛ كمحطات الطاقة الشمسية، ومحطات طاقة الرياح، ومحطات الطاقة الكهرومائية، ومحطات الكتلة الحيوية، ومحطات الطاقة الحرارية الأرضية، ولكلّ نوع من المحطات تقنية مختلفة عن الأخرى في إنتاج الطاقة الكهربائية.