منابع انرژی
در یک نگاه کلى، منابع انرژى را مى توان به دو دستهٔ تجدید پذیر و تجدید ناپذیر تقسیم بندى کرد که در ادامه به بررسى هریک خواهیم پرداخت.
منابع انرژى تجدید ناپذیر
انرژى هاى تجدید ناپذیر تنها یک بار قابلیت مصرف دارند و منابع آنها محدود است و پس از مدتى تمام مى شوند. سوخت هاى فسیلى و سوخت هاى هسته اى از جملهٔ این منابع محسوب مى شوند که در زیر به شرح آنها خواهیم پرداخت.
1- سوخت هاى فسیلى: میلیون ها سال طول مى کشد تا تنه هاى پوسیدهٔ درختان یا باقى ماندهٔجانوران در زیر گِل و لاى، تحت فشار و دماى مناسب، به زغال سنگ یا نفت و گاز تبدیل شود.از مجموعهٔ این مواد که سوخت هاى فسیلى نامیده مى شوند مى توان در صنایع پالایش و پتروشیمى هزاران مادهٔ مفید همچون قطران )از زغال سنگ(، بنزین، نفت سفید، نفت گاز، روغن موتور، رنگ،کود شیمیایى، دارو، پلاستیک و حتى غذا به دست آورد.مهم ترین مشکل سوخت هاى فسیلى آلوده کردن محیط زیست ناشى از تولید گازهاى مضراست که باعث گرم شدن زمین مى شوند. مقدار این سوخت ها، به ویژه نفت، محدود SO و 2 CO مانند 2است که با توجه به آهنگ مصرف کنونى و بنابر پیش بینى هاى انجام شده، در چند دههٔ آینده منابع آن به اتمام مى رسد.
2- سوخت هاى هسته اى: بر اثر شکسته شدن هستهٔ برخى اتم هاى سنگین مانند اورانیم و توریم انرژى بسیار زیادى آزاد مى شود. این واکنش را شکافت هسته اى مى نامند. همچنین بر اثر جوش خوردن هستهٔ اتم هاى سبک مانند هیدروژن و تشکیل هسته هاى اندکى سنگین تر چون هلیم نیز انرژى بسیار زیادى آزاد مى شود. این واکنش که همجوشى هسته اى نامیده مى شود همان واکنشى است که در ستارگان و خورشید صورت مى گیرد و انرژى لازم براى تداوم زندگى بر روى کرهٔ زمین را فراهم مى سازد. در واقع بیشتر انرژى مورد نیاز ما را واکنش هاى هسته اى با مصرف سوخت هاى هسته اى تأمین مى کنند. اکنون در بیشتر کشورهاى توسعه یافته و معدودى از کشورهاى در حال توسعه از شکافت هسته اى در راکتورها براى تولید انرژى الکتریکى و تأمین برق مورد نیاز استفاده مى شود. در این نیروگاه ها به جاى زغال سنگ، نفت، یا گاز از مادهٔ شکاف ت پذیرى مانند اورانیوم براى تولید گرما و به راه انداختن توربین بخار استفاده مى شود. انرژى حاصل از این واکنش هزاران بار بیشتر از انرژى ناشى از سوزاندن سوخت هاى فسیلى است.
در کشور ما ایران نیز از ده ها سال قبل برنامه هاى جامعى براى تولید انرژى الکتریکى از طریق نیروگاه هاى هسته اى انجام شده و ساخت و راه اندازى نیروگاه هسته اى بوشهر بخش کوچکى از این برنامه هاست. به جهت اهمیت راهبردى فناورى هاى نو و از جمله فناورى هسته اى در دنیاى امروز، مدیران ارشد کشور در دو دههٔ اخیر تمرکز بیشترى روى توسعهٔ این گونه فناورى ها گذاشته اند؛ به طورى که در زمینهٔ تولید سوخت هسته اى هم اینک بخشى از این برنامه ها به نتیجه رسیده و امروزه ایران در ردهٔ چند کشور معدودى است که فناورى غنى سازى اورانیوم را به جهت استفاده در مصالح صلح آمیز در اختیار دارد. نیروگاه هاى هسته اى آلاینده هایى چون SO2 و CO2 تولید نمى کنند و درنتیجه مسائل زیست محیطى ناشى از کار آنها کمتر از نیروگاه هاى با سوخت فسیلى است. البته بر اثر شکافت هسته اى مواد پسماند پرتوزایى تولید مى شود که با دور ریزى درست و ایمن آنها مى توان مسائل زیست محیطى ناشى از این نیروگاه ها را بسیار کم کرد. همچنین طراحى صحیح و مناسب نیروگاه هاى هسته اى خطر ناشى از حوادث آنها را کمینه مى سازد.
مسائل زیست محیطى ناشى از همجوشى هسته اى بسیار کمتر از واکنش شکافت هسته اى است. اما واکنش های آن در دماهاى بسیار زیاد انجام می شوند که طراحى نیروگاه هاى مربوطه را به فناورى بسیار پیشرفته اى نیازمند مى سازد. این امید وجود دارد که در آینده با غلبه بر مشکلات مربوط به طراحى این نیروگاه ها، همجوشى هسته اى علاوه بر ستارگان و خورشید، چشمهٔ مهم تولید انرژى بر روى زمین نیز بشود.
منابع انرژى تجدید پذیر
منابع انرژى تجدیدپذیر تمام نمى شوند و معمولاً آلودگى به وجود نمى آورند. برخى از این منابع عبارت اند از: انرژى خورشیدى، انرژى باد، انرژى امواج دریا، انرژى هیدروالکتریک (برق آبى)، انرژى زمین گرمایى، سوخت هاى گیاهى (بیومَس) که به اختصار به شرح هریک مى پردازیم.
1- انرژى خورشیدى: مقدار کل انرژى اى که زمین از خورشید دریافت مى کند بسیار زیاد و در هر ثانیه معادل انرژى حاصل از سوختن 3 میلیون تن بنزین است. تقریباً نیمى از این انرژى به سطح زمین و آب اقیانوس ها مى رسد و خاک و آب و هواى زمین را گرم مى کند و مقدارى از آن بر اثر فتوسنتز به صورت انرژى شیمیایى جذب گیاهان و سبب رشد آنها مى شود. از نور خورشید براى گرم کردن، خشک کردن و حتى آتش زدن از زمان هاى گذشته استفاده می شده ولى بهره بردارى به روش هاى جدید، در چند دههٔ اخیر معمول شده است.
راحت ترین راه بهره گیرى انرژى خورشیدى، در آب گرم کن هاى با دماى کم است. در این وسیله از صفحه هاى خورشیدى به عنوان وسیلهٔ تبدیل انرژى استفاده مى شود که نور خورشید را به انرژى گرمایى تبدیل مى کند . از این وسیله براى تولید آبِ گرم خانگى با دماى حدود
70 درجه ی سانتی گراد استفاده مى شود.
از انرژى خورشیدى مى توان براى تولید دماهاى زیاد، تا 3000 درجه ی سانتی گراد و بالاتر، نیز بهره گرفت. در این مورد از آینه هاى مقعّر بزرگ (کورهٔ خورشیدى) براى متمرکزکردن پرتوهاى خورشید در ناحیه اى کوچک استفاده مى شود . این انرژى را مى توان براى تبدیل آب به بخار، براى به راه انداختن توربین یک نیروگاه برق به کار برد.
روش دیگر بهره گیرى از انرژى خورشیدى، به کاربردن سلول هاى خورشیدى است که نور خورشید را مستقیماً به الکتریسیته تبدیل مى کنند. با اتصال تعداد زیادى از این سلول ها مى توان انرژى لازم را براى دستگاه هاى برقى، مخابراتى و ماهواره ها تأمین کرد. می توان از این سلول ها براى تولید انرژى الکتریکى در مقیاس کوچک و براى نواحى دورافتاده بهره گرفت. به تازگى با گسترش فنّاورى ساخت این سلول ها مى توان آنها را براى تولید برق در مقیاس بزرگ نیز به کار گرفت به طورى که یک نیروگاه تولید الکتریسیته از این نوع در شیراز به نام نیروگاه خورشیدى شیراز ساخته شده است. همچنین طرح هاى بسیارى براى خودروهاى سبک به مرحلهٔ اجرا درآمده است که در آنها با استفاده از انرژى خورشیدى حرکت ایجاد می شود . هم اکنون روشنایى برخى از پارک ها و حتى چراغ هاى احتیاط و راهنماى خیابان ها در شهرهاى مختلف ایران توسط سلول هاى خورشیدى تأمین مى گردد.
2- انرژى باد: انرژی باد مانند سایر منابع انرژی تجدیدپذیر از نظر جغرافیایی گسترده و در عین حال به صورت پراکنده و تقریباً همیشه در دسترس است. بیشترین منابع انرژی باد در نواحی ساحلی و کوهستانی واقع شده اند. بهره برداری از انرژی باد توسط توربین های بادی تفکری بسیار قدیمی است. کاربرد آسیاب های بادی پیش از قرن دهم میلادی در ایران معمول بوده و در قرن هیجدهم در اروپا گسترش فراوان داشته است. آسیاب های بادی با استفاده از انرژی باد سنگ های آسیاب را می چرخانند و بدین وسیله دانه های غلات را خرد می کنند. آسیاب های بادی خواه به صورت قدیمی یا به صورت جدید با اصول یکسانی کار می کنند. پره های آسیاب )توربین بادی( پیچش خاصی دارند که وقتی باد به آنها برخورد می کند آسیاب یا توربین را می چرخاند در این عمل سرعت باد کند می شود. و انرژی باد باعث چرخش توربین می گردد.
امروزه از انرژی باد بیشتر برای تولید انرژی الکتریکی استفاده می شود . چرخش توربین باد باعث چرخش قسمت چرخندهٔ (روتور) مولد برق می شود و بدین ترتیب انرژی الکتریکی تولید می گردد.
براساس پیش بینی های صورت گرفته توسط انجمن جهانی انرژی باد، این انرژی تا سال 2020 قادر به تأمین دست کم ١2 % از برق مصرفی جهان خواهد بود. همچنین ظرفیت نصب شده جهانی در این سال به حداقل ١500 گیگاوات خواهد رسید. به طور کلی با استفاده از انرژی باد به عنوان یک منبع انرژی در درازمدت می توان دوبرابر مصرف انرژی الکتریکی فعلی جهان را تأمین کرد.
از مزایای بهره برداری از انرژی باد می توان به موارد زیر اشاره کرد :
١ عدم نیاز توربین های بادی به سوخت، که در نتیجه از میزان مصرف سوخت های فسیلی
می کاهد.
2 رایگان بودن انرژی باد
3 کمتر بودن نسبی قیمت انرژی حاصل از باد نسبت به انرژی های فسیلی
4 عدم نیاز به آب
5 کم بودن آلودگی زیست محیطی آن نسبت به سوخت های فسیلی
3- انرژى امواج دریا: افت و خیز امواج دریا را مى توان به کمک نوعى مبدل به انرژى لازم براى به کار انداختن مولدهاى برق تبدیل کرد. هرچند این کار مشکل است و تولید الکتریسیته در مقیاس بزرگ با این روش تا آینده اى نزدیک عملى نخواهد بود، ولى اکنون دستگاه هاى کوچکى از این نوع در تأمین انرژى لازم براى مردمانى به کار می رود که در جزیره ها زندگى مى کنند. در شکل زیر طرحى از چگونگى مهار انرژى امواج دریا را مشاهده می کنید .
4- انرژى برق آبی (هیدروالکتریک) : در مناطقی که بارش سالانهٔ آنها زیاد است و یا رودخانه های پرآبی دارند با ساخت سد و احداث دریاچه های مصنوعی آب را ذخیره می کنند تا هم مصرف آب در طول سال مدیریت شود و هم انرژی الکتریکی تولید شود . آب از دریچه های روی دیوارهٔ سد خارج می شود و در مسیر کانالی حرکت می کند که به همین منظور ساخته شده است.
با پایین آمدن آب از کانال انرژی پتانسیل گرانشی آن به انرژی جنبشی تبدیل می شود. در پایین کانال آب با برخورد به پره های توربین آنها را می چرخاند. چرخش توربین باعث چرخیدن قسمت چرخندهٔ مولد جریان برق (روتور) و تولید انرژی الکتریکی می شود .
نیروگاه های برق آبی از منبع انرژی ای استفاده می کنند که در صورت مصرف نشدن هدر می رود.
علاوه بر آن موجب آلودگی محیط زیست هم نمی شوند.
امروزه حدود 20 درصد از انرژی الکتریکی تولید شده در جهان برق آبی است. این سهم در ایران حدود ١0 درصد است.
5- انرژى زمین گرمایى: انرژى زمین گرمایى به گرماى موجود در زیر سطح کرهٔ زمین گفته مى شود. مقدار این انرژى به مراتب بیشتر از مصرف فعلى انرژى در جهان است، ولى تولید آن، به جز در نواحى اى که به عنوان محل آتش فشان یا زلزله شناخته مى شوند، بسیار کم است.
براى استفاده از انرژى زمین گرمایى ، آب سرد را از طریق مجرایى به طرف صخره هاى داغ، در عمق زمین مى فرستند و آن را از طریق مجرایى دیگر به صورت آب گرم و یا بخار خارج مى کنند. از این آب گرم و یا بخار مى توان براى گرم کردن خانه ها و به کارانداختن یک توربین
بخار مولد برق استفاده کرد. انرژى زمین گرمایى درصورتى تجدید پذیر محسوب مى شود که انرژى برداشت شده بیش از انرژى اى که از طریق مرکز زمین(این انرژى، براثر واکنش هاى هسته اى به صورت پیوسته تولید مى شود) جایگزین مى شود نباشد و همچنین مقدار آب تزریق شده و آب خارج شده برابر باشد.
ج( زیست توده )بیومَس(: زیست توده همهٔ اجزای قابل تجزیهٔ زیستی از محصولات و زایدات کشاورزی، صنایع جنگلی و سایر صنایع مرتبط، فاضلاب ها و زباله های شهری و صنعتی است. تفالهٔ دانه های روغنی و کاه، ضایعات کشاورزی مانند نیشکر و چغندر، فضولات حیوانی، فاضلاب ها و زباله های شهری، پسماندهای صنایع غذایی،چوبی و جنگلی و … از جمله منابع زیست توده هستند.
انرژی زیست توده، بعد از انرژی خورشیدی بالاترین پتانسیل انرژی را دارد و در حال حاضر بالاترین سهم مصرف را در میان انرژی های تجدیدپذیر به خود اختصاص داده است. منابع انرژی حاصل از زیست توده می تواند مانند برق و یا حامل های انرژی چون سوخت های گازی و مایع نیاز بخش های مختلف جامعهٔ بشری را تأمین کند. منابع زیست توده حاوی ترکیبات آلی با مولکول های درشت زنجیرند. این مولکول ها در طی فرایندهای هضم )مدفون در زمین، داخل مخازن مخصوص و یا رها شده در طبیعت( شکسته و به مولکول های ساده تبدیل می شوند. محصول نهایی این فرایند،
گازی قابل اشتعال به نام بیوگاز است. این گاز شامل دوجزء عمدهٔ متان و دی اکسیدکربن است. این مخلوط گازی با ارزش حرارتی 40 تا ٧0 درصد ارزش حرارتی گاز طبیعی، می تواند به شکل های مختلف مورد استفاده قرار گیرد .
گفته می شود محمدبن حسین عاملی معروف به شیخ بهایی جزء نخستین کسانی بوده که از بیوگاز حاصل از زیست توده (فاضلاب حمام) استفاده کرده و آن را به عنوان سوخت یک حمام در اصفهان به کار برده است.
امروزه سوخت های زیستی مایع مانند بیواتانول، بیومتانول و بیودیزل در کشورهای زیادی مورد توجه و استفاده قرار گرفته اند. در کشور برزیل بخش زیادی از مصارف بنزین و گازوئیل با این سوخت های جدید جایگزین شده است و در برخی از کشورها از این سوخت به عنوان ماده افزودنی
به بنزین به عنوان جایگزین سرب برای بهسوزی و … استفاده می شود.
چ( هیدروژن:امکان دسترسی به انرژی های نو و تجدیدپذیر در هر زمان و مکانی وجود ندارد. می توان با استفاده از منابع انرژی نو و همین طور با استفاده از منابع انرژی فسیلی، هیدروژن تولید کرد. یکی از راه های تولید هیدروژن الکترولیز آب به وسیلهٔ جریان الکتریکی است. هیدروژن
از فراوان ترین عناصر موجود در سطح زمین است. هیدروژن تولید شده را به شکل های مختلفی مثل گاز یا مایع ذخیره و به محل مصرف منتقل می کنند. به این ترتیب هیدروژن به عنوان یک واسطه عمل می کند که انرژی را از منابع انرژی نو یا منابع انرژی فسیلی می گیرد و به محل مصرف می رساند. در محل مصرف، می توان هیدروژن را به عنوان سوخت در موتورهای احتراق داخلی سوزاند، یا از آن در پیل های سوختی استفاده کرد. پیل سوختی هیدروژن و اکسیژن را مصرف و با یک واکنش شیمیایی الکتریسیته تولید می کند . پیل های سوختی و موتورهای احتراقی که هیدروژن مصرف می کنند آلاینده های شیمیایی و آلودگی زیست محیطی ندارند، بنابراین هیدروژن را یک حامل انرژی پاک می نامند. در چنین پیل های سوختی برخلاف باموها مادامی که به آنها سوخت رسانده شوند از کار نمی افتند و نیاز به شارژ مجدد ندارند.
در این پیل سوختی، اتم های هیدروژن به یون های هیدروژن
و الکترون شکسته می شوند. یون های هیدروژن به غشاء نفوذ کرده و به
سمت کاتد می روند، اما الکترون ها نمی توانند از غشاء عبور کنند و مجبور
به طی مدار خارجی می شوند که همین باعث تولید جریان الکتریکی می شود.
8 بهینه سازی مصرف انرژی
مصرف روز افزون و بى رویهٔ انرژى، به خصوص سوخت هاى فسیلى، مسایل و مشکلات فراوانى را براى انسان و محیط زیست کرهٔ زمین به وجود آورده است. لازم است این مشکلات را بشناسیم و روش هاى برطرف کردن آن مسایل و بهترین راه مصرف انرژى را بیابیم تا زندگى انسان دوام یابد و توسعهٔ پایدار صورت گیرد. هر گونه مصرف انرژى در نهایت صرف گرم کردن محیط مى شود. به عنوان مثال یک خودرو در حال حرکت را در نظر بگیرید. خودرو در اثر احتراق بنزین انرژى جنبشى کسب مى کند. در اثر احتراق موتور گرم مى شود. براى خنک کردن موتور از آبى استفاده مى شود که به دور آن مى گردد. آب نیز در رادیاتور به وسیلهٔ جریان هوا خنک مى شود و درنتیجه هوا را گرم مى کند. انرژى جنبشى نیز در اثر اصطکاک با سطح جاده و ترمز کردن به انرژى درونى تبدیل مى شود و صرف گرم کردن محیط مى شود. بنابراین در یک سفر که از یک محل به محل دیگرى مى رویم، بیشتر انرژى شیمیایى بنزین به روش های مختلف صرف گرم کردن محیط مى شود. به عنوان یک مثال دیگر، مى توان نیروگاهى را در نظر گرفت که با نوعی سوخت فسیلى کار مى کند. مقدارى از انرژى شیمیایى سوخت در این نیروگاه به انرژى الکتریکى تبدیل مى شود و بقیه به روشی که
گفته شد، صرف گرم کردن محیط مى شود. انرژى الکتریکى از طریق شبکهٔ سراسرى برق به خانه ها منتقل و در آنجا براى مقاصد گوناگون به کار گرفته مى شود. بخشى از این انرژى صرف روشنایى منزل مى شود. انرژى نورانى توسط دیوارها و وسیله هاى موجود در اتاق جذب و باعث گرم تر شدن فضاى اتاق مى شود. بخشی دیگر، صرف راه اندازى وسیله هاى برقى مى شود که در نهایت آنها نیز محیط را گرم می کنند. به این ترتیب می بینیم که در زنجیرهٔ تبدیل منابع انرژی همواره در انتها به نوعی از انرژی می رسیم ، که در عمل غیرقابل استفاده و موجب گرم شدن محیط است.
باید دانست که، با توجه به توسعهٔ اقتصادى کشورها، مصرف انرژى در حال افزایش است و برآورد شده است که در هر 10 سال مصرف انرژى دو برابر مى شود. اما چون بیشتر انرژى ها از سوخت هاى فسیلى تأمین مى شود که منابع محدودى دارند )پیش بینى مى شود که ذخیره هاى نفت خام تا چند دههٔ دیگر پایان مى یابد( مصرف سوخت هاى فسیلى انواع آلودگى ها را ب ه همراه مى آورد که به شدت براى شهروندان زیان آور
است و باعث تشدید بعضى بیمارى ها مى شود. صرفه جویى و استفادهٔ بهینه از منابع انرژى ضرورى است. با استفا دهٔ بیشتر از وسیله هاى نقلیهٔ عمومى، به جاى استفاده از وسایل شخصى، مى توان در جهت کاهش مصرف سوخت و کاهش آلودگى هوا گام برداشت. همچنین با عایق بندى بهتر ساختمان ها مى توان مصرف انرژى براى گرم و یا سرد کردن ساختمان ها را کاهش داد که در این باره در مطالب بعدی وبسایت فیزیک برای زندگی صحبت خواهیم کرد. مورد صرفه جویى در مصرف انرژى الکتریکى را نیز مورد بحث قرار مى دهیم.
با ما همراه باشید ... / فیزیک برای زندگی
