نیروی برق‌آبی (به انگلیسی: Hydroelectricity) یا هیدروالکتریسیته اصطلاحی است که به انرژی الکتریکی تولیدی از نیروی آب اطلاق می‌شود. در سال ۲۰۰۳هیدروالکتریسیته نزدیک به ۷۱۵۰۰۰مگاوات یا ۱۹٪ (۱۶٪از کل انرژی الکتریکی تولیدی جهان را پوشش می‌داده که این نسبت به سرعت در حال گسترش است. نیروی برق‌آبی همچنین ۶۳٪از انرژی الکتریکی تولیدی از منابع تجدیدپذیر را شامل می‌شود. درسال میلادی ۲۰۱۰کل انرژی الکتریکی از منابع تجدیدپذیر ۳٫۴۲۷٬۰۰۰مگاوات بوده است. پیش بینی می‌شود که تا سال ۲۰۲۵سالیانه به طور متوسط ۳٫۱درصد به تولید انرژی الکتریکی از منابع تجدیدپذیر افزوده شود.

نکات کلیدی :

نیروگاه ابی – کاربرد – مزایا و معایب

مقدمه

نیرو گاه های آبی انرِژی ذخیره شده آب در ارتفاع بالا را با استفاده از توربین های آبی به انرژی الکتریکی تبدیل می کنند. در این نیروگاه ها ابتدا انرژی پتانسیل به انرزی جنبشی و سپس انرزی جنبشی به انرژی الکتریکی تبدیل می شود.

نیروگاه آبی (Hydropower) نیاز به سوخت ندارند و به لحاظ حفظ محیط زیست و ذخایر آبی، یاری رسان هستند. در کنار آن، تجربه نشان داده است که پرداختن به تبعات صنعت سدسازی می تواند منافع دراز مدت کشور را تامین کنددرتضمین کند. نیروگاه های برق آبی در کنترل فرکانس شبکه نقش مؤثری دارند، با توجه به معضل تغییر فرکانس در شبکه کشور، وجود این نیروگاه ها در کنترل فرکانس مفید است.نیروگاه های برق آبی، انرژی مورد نیاز خود را برای تولید برق از جریان آب رودخانه ها یا کانال های انتقال آب تأمین می کنند. حدود ۲۶هزار مگاوات ظرفیت تولید برق آبی در ایران وجود دارد که بخش عمده آن از حوزه رودهای کارون، کرخه و دز تأمین می شود.در نیروگاه ها ی برق آبی جریان آب و یا انرژی پتانسیل آب پشت سدها و آب بند هامی باشد . نیروگاه های جریان رودخانه ای و نیروگاه برق وآب از این نوع نیروگاه ها هستند . از انرژی موجود در جریان آب رودخانه ها می توان در چرخاندن پره های یک توربین آبی برای تولید انرژی مکانیکی (و پس از آن تولید انرژی الکتریکی توسط ژنراتورها ) بهره جست.همچنین با ایجاد سدها وذخیره سازی آب رودخانه ها در پشت این سدها می توان از انرژی پتانسیل نهفته در آب پشت سد (برای به چرخش در آوردن توربین ها) نیز استفاه نمود.در سیستم تولید برق میتوان برای تامین بار پیک متوسط و پایه و یا ترکیبی از بارها از نیروی آب استفاده کرد، که این عملیات تناوبی را می توان با افزودن آب به سیستم انجام داد. به منظور به حد اقل رساندن هزینه بهره برداری از سیستم بهترین زمان برای استفاده از نیروگاه آبی زمان پیک بار است. با مقایسه انجام شده در ایالت متحده در سال1982 دیده شده که اگر از نیروگاه آب در زمان پیک استفاده کنیم حدود1100000دلار صرفه جویی خواهیم داشت.(البته در این مقایسه فقط هزینه بهره برداری درنظرگرفته شده است)

معیارهای انتخاب محل نیروگاه

1.موجود بودن مقادیر عظیم انرژی آبی.

2.انتخاب محل مناسب برای ساخت سد (وجود کوه های بلند و مقاوم در دو طرف آن)

3.استحكام قوی فونداسیون محل سد همراه با صرف حداقل هزینه.

4.سطح آب نبایستی از حداقل مقدار مورد نیاز پائین تر بیاید.

5.محل مورد نظر از لحاظ دستیابی بایستی سهل الوصول باشد.

6.جریان آب در پریودهای مختلف مناسب باشد.

7.منابع محلی شن و ماسه و مصالح ساختمانی در دسترس باشد.

اجزای نیروگاه آبی

برای آنکه بتوان از آب برق گرفت سه جزاصلی باید تامین شوند :

1. فشار یا ارتفاع آب 2. یک مجرا برای انتقال آب 3. نیروگاه

که برای در اختیارداشتن این سه جزبخش های زیر مورد نیاز است.

1. سد: دوعمل اصلی انجام می دهند:

الف)تامین ارتفاع برای چرخاندن توربین

ب) تامین مخزنی که یک الگوی مصرف روزانه یا فصلی را پاسخگو باشد.

نیروگاه ها را می توان برای سدهای ساخته شده و یا در حال ساخت طراحی کرد، که در این صورت باید دقت شود تا مشکلی برای پایداری سد پیش نیاید.

2. مخزن: فضای پشت سد را مخزن می گویند و ظرفیت مخزن حجم آبی است که پشت آن جمع شده ، که شامل دو بخش زنده و مرده است.

بخش زنده: بخشی است که قابل دسترسی برای رفع نیاز هاست.

بخش مرده: بخشی است که قابل دسترسی نمی باشد و شامل رسوبات می شود.

نیروگاهای دائمی مخزن ندارند.

3. آبگیر: سازه ی آبگیر آب را مستقیما از مخزن گرفته و به لوله های تحت فشارهدایت می کنند و از شیرها برای کنترل جریان آب به سمت توربین استفاده می شود.

آشغال گیرهایی برای جلوگیری ازورود مواد خارجی به مجرای آن نصب می شود. اگر نیروگاه کنار سد ساخته شود آبگیرآن بخشی از سد است اما وقتی نیروگاه کنار سد نیست باید یک آبگیرمستقل برای آنساخته شود.

4. لوله های تحت فشار : این مجرا آب را از آبگیر گرفته و به سمت توربین منتقل می کند. وقتی نیروگاه بخشی از سد باشد این مجرا یک مسیر ساده از میان سد می باشد و در جایی که نیروگاه از سد فاصله داشته باشد یک لوله یا تونل مورد نیاز است.

5. مخزن تعادل: مخازن تعادل در آبگذر ها بدین منظور قرار داده می شود تا اثرات ضربه قوچ راکاهش دهد. اثرضربه قوچ به صورت موج هایی در لوله تحت فشار بین مخزن و توربین می باشد.

مخازن تعادل اغلب در طرح هایی بافشار آبی متوسط و زیاد ضروری است. بخصوص در جاه هایی که فاصله نیروگاه ومخزن زیاد باشد.

6. موتورخانه : ازتوربین ها و واحدهای تولید نیرو و وسایل کنترل و وسایل جانبی و گاهی ساختمان ها و محوطه سرویس محافظت می کند.

طبقه بندی نیروگاه های آبی

تمام نیروگاه های آبی نیاز به سد دارند. سد مقادیر زیادی آب پشت خود ذخیره می کندحوضچه سد معمولا آب پشت خود را برای پریود هفته ای نگهداری می کنند. مراحل تولید برق در مسیر جریان آب صورت می گیرد و در نهایت در پائین سد

تولید برق می شود.

نیروگاه های آبی به دو روش طبقه بندی می شوند:

روش اول

1. نیروگاه های آبی بدون نیاز به حوضچه

در این حالت جریان آب با فشار متناسب به سمت توربین هدایت می شود. بنابراین هیچ نوع کنترلی روی مسیر جریان آب وجود ندارد. قدرت خروجی چنین توربین هایی در فصول پرآب زیاد است. بخاطر عدم اطمینان و کنترل مناسب بر روی چنین نیروگاه هائی کمتر از آن ها استفاده می شود.

2. نیروگاه های آبی همراه با حوضچه پشت سد

در این حالت میزان جریان تنظیم شده ای از آب وارد توربین می شود. در این صورت قدرت خروجی چنین نیروگاه هائی در سال نوسان کمتری دارد(Low Fluctuation).

3. نیروگاه های پیک بار

این نیروگاه ها معمولا بصورت طراحی ذخیره پمپی هستند. آب در ارتفاع پائین توسط پمپ به محل ذخیره آن در ارتفاع بالا پمپ شده و در هنگام فرستادن آب به سمت توربین جاری می شود. موتور(برای پمپ) و ژنراتور (برای تولید انرژی از توربین) هر دو به یک محور متصل اند.

2.روش دوم

1. نیروگاه آبی با ارتفاع زیاد High Head

هر گاه سدی با ارتفاع زیاد در دسترس باشد با جمع آوری آب در پشت سر می توان آن را از طریق تونل به اتاق شیر هدایت کرد و سپس از طریق لوله آن را به اتاق تولید برق فرستاد، این لوله ها در مسیر طولانی بوده وحجم زیادی از آب را انتقال می دهند.

تانک ضربه ای محفظه ای روباز است و در ابتدای لوله قرار دارد. در هنگامی که آب زیاد است پره های ثابت توربین فرمان بسته شدن را دریافت کنند تا فشار سنگین آب باعث صدمه رسیدن به پره ها نشود.

2.نیروگاه آبی با ارتفاع متوسط Medium Head

در این حالت جریان آب برای استفاده در اتاق برق از طریق مسیر باز عبور می کند. توربین مورد استفاده در این حالت از نوع فرانسیس Francis می باشد.

3.نیروگاه آبی با ارتفاع کم Low Head

در این حالت جریان مۆثری از رودخانه به سمت توربین ها و اتاق تولید برق هدایت می شود. در این نیروگاه 2 تا 3 توربین نوع Kaplan استفاده می شود.

تنها عیب این تاسیسات کم بودن سطح و جریان ورودی به توربین است، برای از بین بردن این عیب یک جریان اضافی و موجی از آب ایجاد می شود.

مزایای نیروگاه های آبی

1. ساختمان آن ساده و مقاوم بوده و نیاز به نگهداری کمتری دارد.

2. با وجود متغییر بودن مفدار آب، پاسخ مناسبی می دهد.

3. برای ساخت آن نیاز به متخصصین زیادی است اما در نگهداری آن تعداد بسیار کمی لازم است.

4. سوختی لازم ندارد.

5. راندمان آن با گذشت زمان کاهش نمی یابد.

6. آلودگی محیطی ندارد.

7. از آب می توان پس از راه انداختن توربین در مصارف دیگر استفاده کرد.

معایب نیروگاه های آبی

1. هزینه ساختمان و نیروگاه آن بالا است.

2. هزینه خطوط انتقال در آن زیاد است.

3.در فصول خشک مدت خروجی آن تحت تاثیر قرار می گیرد.

4.باعث تغییرات زیادی در تبدیلات اکولوژی سیستم در ایجاد دریاچه مصنوعی پشت سد می شود.

نیروگاه های آبی در ایران

پر ظرفیت ترین نیروگاه های آبی ایران
نام	مکان	ظرفیت (MW)	تاریخ شروع به کار
سد کارون –3	خوزستان	2280	2005
سد شهید عباسپور	خوزستان	2000	1976
سد مسجد سلیمان	مسجد سلیمان	2000	2002
سد دز	خوزستان	520	1963
سد کارون -4	چهارمحال بختیاری	1000	2010

نیروگاه های آبی در حال ساخت
نام	مکان	ظرفیت (MW)	تاریخ شروع به کار
سد بختیاری	لرستان	1500	2016
سد رودبار لرستان	لرستان	450	2012
سد گتوند علیا	خوزستان	2500	2015
سد خرسان– 3	چهارمحال بختیاری	315	2014
سد گتوند سفلا	خوزستان	1000	2012
سد دره تخت-1	در حال بررسی	680
سد دره تخت-2	در حال بررسی	900
سد میکرو	در حال بررسی	227
سد سررود	در حال بررسی	65
سد تاریک	در حال بررسی	2.8
سد تنظیمی زاینده رود	اصفهان	8.5

بحث و بررسی و نتیجه گیری

امروزه نیروگاه‌های حرارتی و آبی بیشترین سهم را در تولید برق جهان دارند. هر چند مشکلات و محدودیت‌های تولید برق در نیروگاه‌های حرارتی (با سوخت فسیلی یا هسته‌ای) و به لحاظ مسائل تکنولوژیک، رعایت ضوابط و معیارهای زیست‌محیطی، محدودیت منابع و...، موجب شده است که در حال حاضر گرایش عمومی تولید برق در جهان، بیشتر متوجه احداث نیروگاه‌های برق آبی شود. این در حالی است که به دلیل بسیاری از مشکلات، احداث نیروگاه‌های حرارتی امروز از توجیه کافی برخوردار نیست و البته این نیروگاه‌های هسته‌ای هستند که می‌روند یکه‌تاز عرصه تولید برق در جهان شوند. بر اساس اطلاعات موجود، در سال‌های ۱۹۸۵تا ۱۹۹۶، رشد مصرف منابع انرژی در جهان برای انرژی هسته‌ای ۵۶درصد، گاز طبیعی ۴/۲۶درصد، برق آبی ۴/۲۵درصد، نفت ۱/۱۵درصد و زغال سنگ ۳/۵درصد بوده است. هر چند تولید برق از طریق نیروگاه‌های هسته‌ای رویکردی ایده‌آل است اما در نهایت این نیروگاه‌های برق آبی هستند که به عنوان یکی از مهم‌ترین منابع تامین انرژی در جهان مورد توجه جدی قرار گرفته و برای آن سرمایه‌گذاری می‌شود.

تولید برق در نیروگاه‌های برق آبی از مزایایی برخوردار است که شاید بتوان گفت همین مزایا موجب شده است تا این روش تولید از مزیت نسبی برخوردار بوده و در جهان به ویژه در کشورهایی که از منابع آب نسبتا قابل توجهی برخوردارند مورد استقبال قرار گیرد. عمر مفید این نیروگاه‌ها بیش از ۵۰سال می‌باشد و تا ۱۰۰سال هم می‌رسد و در مقایسه با عمر نیروگاه‌های بخاری (حدود ۲۵تا ۳۰سال) بسیار زیاد است.

از آنجا که برای تولید انرژی چرخشی توربین، نیازی به سوخت نیست بنابراین هزینه عملکرد نیروگاه بسیار کم است. به علاوه با توجه به عدم نیاز به سوخت، به مخزن‌های ذخیره سوخت هم نیازی نیست. این در حالی است که ضمن پایداری بالای این نیروگاه‌ها هزینه نگهداری آنها نیز در مقایسه با نیروگاه‌های حرارتی پایین است. در عین حال که بازده نیروگاه در گذر زمان تغییر نمی‌کند. البته در کنار مزایای این دست از نیروگاه‌ها نباید از معایب آنها چشم پوشید. به‌رغم آنکه هزینه نگهداری این نیروگاه‌ها پایین است اما با توجه به اینکه برای نصب نیروگاه‌های برق آبی نیاز به احداث سد می‌باشد در نتیجه، هزینه ثابت این نیروگاه‌ها بسیار زیاد است؛ زیرا برای ساختن سد، ابتدا باید مسیر آب منحرف شده، سپس سد مناسب ایجاد شود که هزینه عمرانی این سدها بسیار زیاد است. با توجه به اینکه تولید این نیروگاه‌ها بستگی به میزان آب پشت سد دارد، در نتیجه در سال‌های کم‌آبی، تولید این نیروگاه‌ها با مشکل همراه خواهد بود. به خصوص در کشور ما که در منطقه خشک واقع است و در عین حال منابع آب سدها غالبا به صورت سیلابی تامین می‌شود و نه یخچالی، نیروگاه‌های برق آبی می‌توانند با مشکلات جدی در زمان‌های کمبود آب و خشکسالی مواجه باشند. از آنجا که مدت‌زمان ساخت سد و نیروگاه‌های آبی در مقایسه با دیگر نیروگاه‌ها بسیار زیاد است برای برنامه‌ریزی‌های کوتاه‌مدت انرژی، مناسب نیست و می‌تواند به عنوان روشی که در برنامه‌ریزی‌های بلندمدت مفید فایده است، کاربری داشته باشد.

تولید انرژی در نیروگاه‌های برق آبی، بدون احداث سد روی رودخانه‌ها غیرممکن است. در ایران نیز در یک بازه زمانی نسبتا طولانی در سال‌های پس از جنگ و دوران سازندگی احداث نیروگاه‌های برق آبی در دستور کار قرار گرفته است. ظرفیت بالقوه و عملی تولید انرژی برق آبی در ایران، ۵۰میلیارد کیلووات ساعت در سال است که می‌تواند ۶۰درصد برق مورد نیاز فعلی کشور را تامین کند. بر اساس مطالعات انجام شده، حوضه آبریز کارون با ۳۰میلیارد کیلووات ساعت در سال، حوضه آبریز دز با ۹میلیارد کیلووات ساعت در سال و حوضه آبریز کرخه با شش میلیارد کیلو وات ساعت در سال، بیشترین امکانات تولید برق آبی را دارا می‌باشند و پنج میلیارد کیلووات ساعت باقیمانده آن مربوط به سایر حوضه‌هاست.