انرژی
خوشبختانه، بيشترممالك جهان به اهميت و نقش منابع مختلف انرژي، به ويژه انرژي هاي تجديدپذير(نو) در تأمين نيازهاي حال وآينده پي برده وبه طور گسترده، در توسعه بهره برداري از اين منابع لايزال، تحقيقات وسيع و سرمايه گذاري هاي اصولي مي كنند. با توجه به اين گونه گرايش هاي اساسي و فزاينده در زمينه استفاده از انرژي هاي تجديدپذير و فناوري هاي مربوط در كشورهاي صنعتي و درحال توسعه در ايران نيز لازم است راهبردها و برنامه هاي زيربناي و اصولي تدوين شود.
گرايش جهاني در توجه به بهره برداري از انرژي هاي تجديد پذير و پيامدهاي زيست محيطي ايجاب كرده كه سازمان ها و مراكز متعددي در ايران، علاقمند به اجراي پروژهايي در اين زمينه باشند، هر چند اين گونه فعاليت ها لازم و مؤثراست، ولي آيا اين اقدامات طبق برنامه ريزي و تحقيقات اصولي در سطح ملي انجام مي گيرند يا اين را انفعالي وبه صورت پراكنده، تفويض مستقل و سيلقه اي اجرا مي كنند. بدين ترتيب است كه هنوز بسياري از چالش ها و سؤال ها در توجيه و دفاع از توسعه بهره برداري از انرژي هاي تجديدپذير در ايران، بدون جواب مانده اند.
انتظار مي رود با توسعه بهره برداري از انرژي هاي پاك در جمهوري اسلامي ايران، طبق نتايج ارائه شده دراين رساله و برمبناي راهبردي وبرنامه اي مدون بتوان بسياري از چالش ها را شناسايي و راهكارهاي مناسب را انتخاب و تبيين نمود. اميد است روند كاري ارائه شده بتواند به ابهامات و سؤالهاي مهمي چون:
1- ميزان پتانسيل هر يك از حامل هاي انرژي تجديدپذير در ايران؛
2- شناسايي وانتخاب مناطق مناسب(سايت يابي)؛
4- توجيه اقتصادي با توجه با عوامل گوناگون مطروحه؛
6- برنامه اي مدون جهت توسعه فناوري هاي مربوط در ايران؛
اهميت موضوع
امروزه تبعات مداخله انسان در محيط زيست بيش از هر زماني متجلي شده است. مفهوم توسعه با رعايت حفاظت از محيط طبيعي و زيست محيط مترادف است و درشاخص هاي اقتصادي حساب هاي ملي، همچون توليد ناخالص داخلي، ملحوظ نمودن منابع طبيعي و زيست محيطي نيز مطرح است.
انرژي، يك نياز اساسي براي استمرار توسعه اقتصادي، تدارك و تأمين رفاه وآسايش زندگي بشري است. در حال حاضر، مصرف انرژي جهان Gtoelyr 10(معادل 10 ميليارد تن نفت خام درسال) بوده و پيش بيني شود كه اين ارقام در سال 2010 و 2020 به ترتيب به 12 و 14 Gtoelyr افزايش يابد اين ارقام نشان مي دهند كه ميزان مصرف انرژي جهان درقرن آينده عظيم بوده و بالطبع، اين سؤال مهم مطرح است كه آيا منابع انرژي هاي فسيلي در قرن آينده جوابگوي نياز انرژي جهان براي بقا، تكامل و توسعه خواهند بود؟ حداقل به سه دليل عمده، جواب اين سؤال منفي است وبايد منابع جديد انرژي را جانشين منابع قديم كرد. اين دلايل عبارتند از: محدوديت و در عين حال مرغوبيت انرژي هاي فسيلي كه ازنظر منطقي كاربردهاي بهتر از احتراق دارند و همچنين مسائل ومشكلات زيست محيطي، به طوري كه امروزه حفظ سلامت اتمسفر، ازمهم ترين پيش شرط هاي توسعه اقتصادي پايدار جهاني به شمارمي آيد.
آلاينده هاي ناشي از احتراق و افزايش غلظت دي اكسيدكربن در اتمسفر و پيامدهاي آن، جهان را باتغييرات برگشت ناپذير وتهديد آميزي مواجه ساخته است. افزايش دماي كره زمين، تغييرات آب وهواي، بالا آمدن سطح درياها و درنهايت، تشديد منازعات بين المللي، از جمله اين پيامدها محسوب مي شوند. از سوي ديگر، اتمام قريب الوقوع منابع فسيلي و پيش بيني افزايش قيمت، سياست گذاران را به پيشنهاد موازين و سياست هايي براي كنترل محيط زيست و پژوهشگران را به توسعه منابع با آلودگي كمتر وتجديدپذيري كه توان بالقوه اي براي جانشيني با سيستم انرژي كنوني دارند، ترغيب مي كند.
كليه انرژي هاي تجديد پذير، روزبه روز سهم بيشتري در سيستم تأمين انرژي جهان به عهده مي گيرند. اين منابع، امكان پاسخ گويي همزمان به هردو شكل اساسي منابع فسيلي را نويد مي دهند. انرژي هاي تجديدپذير، اساساً با طبيعت سازگاز بوده و آلودگي ندارند و چون تجديدپذيرند پاياني براي آنها وجود ندارد. ويژگي هاي ديگر اين منابع، پراكندگي و گستردگي آنها در تمام جهان، نياز به فناوري پايين تر، انرژي هاي تجديدپذير را - به ويژه براي كشورهاي در حال توسعه - ازجاذبه بيشتري برخوردار كرده هم ازاين رو، در برنامه ها وسياست هاي بين المللي، از جمله در برنامه هاي سازمان ملل متحد، در راستاي توسعه پايدار جهاني، نقش ويژه اي به منابع تجديدپذير انرژي محول شده است. اما سازگار كردن منابع تجديدپذير؛ با سيستم كنوني مصرف انرژي جهان، هنوز با مشكلاتي همراه است كه براي حل آنها، حجم مهمي از تحقيقات علمي جهان را در دهه هاي اخير به خود اختصاص داده است.
با توجه به فناوري كنوني بشر، انرژي هسته اي و انرژي برق آبي، دو نوع انرژي جانشين براي سوخت فسيلي مي باشند. گفتني است كه پتانسيل برق آبي در جهان محدود بوده واز طرف ديگر انرژي اتمي نيز، تقريباً در تمامي اروپا، ساخت نيروگاه هاي اتمي متوقف شده است. كشور ايران از لحاظ منابع مختلف انرژي، يكي از غني ترين كشورهاي جهان محسوب مي شود و از يك سو داراي منابع گسترده فسيلي نفت وگاز است و از سوي ديگر، داراي پتانسيل فراوان انرژي هاي تجديدپذير، همچون باد، ژئوترمال، خورشيدي و... مي باشد. اما ايران، كشور كم آبي است و نيروگاه هاي آبي بزرگ، داراي پتانسيل محدودي هستند. لذا در چشم انداز دراز مدت جانشين ديگري غير از تجديدپذيري به عنوان منبع انرژي ديده نمي شود.
از منظري ديگر، هر انرژي به لحاظ فناوري ساخت وبهره برداري، مسائل زيست محيطي، ويژگي هاي فني، امكان دستيابي، توزيع جغرافيايي و ساير ويژگي ها، داراي مشخصه هاي خاص خود است. بنابراين، تنوع استفاده از انرژي هاي مختلف، كشور را به لحاظ تأمين انرژي در وضعيت مطمئن تري قرار خواهد داد ولازم است فناوري آنها در كشورايجاد شود. البته، فناوري كه به ميزان زيادي متكي به صنعت، مواد اوليه منابع داخلي است خودبخود، محتاج ارز خارجي كمتري است و از سوي ديگر، فرصت هاي اشتغال و افزايش توليد داخلي را هموار مي سازد. براي رسيدن به اين هدف ها، لازم است نظام قيمت گذاري انواع حامل هاي انرژي، با توجه به هزينه واقعي آنها اصلاح شده و اقدامات اساسي جهت تشويق سرمايه گذاري بخش خصوصي صورت گيرد.
چشم انداز انرژي و محيط زيست جهان تا سال 2030 آب وهواي زمين درنتيجه فعاليت هاي انسان، به ويژه در بخش انرژي، تغييرات بسياري يافته است، عمده تغييرات آب وهوايي و زيست محيطي در جهان در سال هاي اخير را مي توان به شرح زير خلاصه كرد:
- ميزان انتشارCO2 در، 200 سال گذشته 31 درصد افزايش يافته است.
- ميزان انتشارCH4 از سال 1800 به دو برابر افزايش يافته است.
- دهه 1990 به احتمال زياد گرم ترين دهه در 100 سال گذشته بوده است.
- تعداد روزهاي سرد سال، تقريباً براي تمام نواحي زمين درقرن گذشته كاهش يافته است.
- در اثر افزايش نزولات جوي در عرصه هاي جغرافيايي مياني و بالا شاهد سيل وطوفان هاي عظيم و افزون بوده ايم.
- از دهه 1950 تاكنون، در تابستان يخ هاي درياي شمال تا 40 درصد نازك تر و 10 تا 15 درصد كم عرض تر شده اند.
- فصل رويش تا حدود 1 تا 4 روز در هر دهه، در عرض 40 سال گذشته طولاني تر شده اند. - پرندگان، گياهان، حشرات وماهيان به طرف قطب ها وعرض هاي بالاتر تغيير مكان داده اند. پيش بيني مي شود بيش از 60 درصد افزايش مصرف انرژي پايه در جهان در دوره زماني 2000 تا 2030 ناشي از رشد تقاضاي انرژي در كشورهاي در حال توسعه، به ويژه آسيا خواهد بود. طبق پيش بيني هاي انجام شده توسط آژانس بين المللي انرژي، براساس سناريوي ادامه روند موجود1، تقاضاي جهاني براي انرژي پايه، بين سال هاي 2000 تا 2030 با ميانگين نرخ رشد 7/1 درصد درسال به 3/15 ميليارد تن معادل نفت خواهد رسيد، اين امر، به معني افزايش 67 درصدي مصرف انرژي پايه، معدل 1/6 ميليارد تن معادل نفت نسبت به سطح مصرف كنوني ظرف 30 سال آينده است.
در30 سال آينده ميزان انتشار دي اكسيدكربن در اثر توليد و مصرف انرژي، با آهنگي سريع تراز رشد مصرف انرژي پايه، افزايش خواهد يافت. ميزان انتشار آن بين سال هاي 2000 تا 2030 با رشد يكنواخت 8/1 درصد در سال، درنهايت به 38 ميليارد تن در سال خواهد رسيد كه به منزله 70 درصد افزايش نسبت به ميزان انتشار سالانه كنوني است. دو سوم اين افزايش ناشي ازمصرف دركشورهاي درحال توسعه خواهد بود و بخش توليد نيرو و حمل ونقل، بيش از 75 درصد افزايش انتشار دي اكسيدكربن را موجب خواهند شد ومكان جغرافيايي رشد انتشار دي اكسيدكربن از كشورهاي صنعتي به كشورهاي درحال توسعه منتقل خواهد شد.
تقسيم بندي انواع انرژي
انرژي، استعداد و توانايي انجام كار را بيان مي كند، انرژي شكل هاي مختلفي دارد كه عبارتند از:
انرژي مكانيكي، انرژي زمين گرمايي، شيميايي، الكتريكي، تابشي و انرژي اتمي،كه همه انواع انرژي مي توانند به همديگر تبديل شوند. به طور كلي وبه لحاظ اقتصادي كه موضوع اصلي چگونگي استفاده از انواع انرژي مي باشد، انرژي
در جهان به چهار گروه عمده زير تقسيم مي شود:
الف: انرژي هاي آلوده كننده وتجديد ناپذير؛
ج: انرژي هاي بدون آلودگي وتجديد ناپذير؛
اهميت توجه به انرژي هاي پاك
امروزه انرژي هاي نو به رغم ناشناخته ماندن، به سرعت درحال گسترش و نفوذ است و غفلت از آن، غيرقابل جبران خواهد بود، انرژي خورشيدي، بادي، آبي، بيوماس، بيوگاز وانرژي زمين گرمايي از عمده ترين منابع انرژي هاي پاك مي باشند. وقوع سه عامل در سال 1995 ميلادي، سبب ايجاد نقطه عطفي براي انرژي هاي تجديد پذير، به خصوص انرژي باد شده است.
- نخست، تغييرات آب وهوايي بر اثر انباشت گازهاي گلخانه اي در جو؛
- سوم، گشوده شدن چشم انداز نويد بخشي در مورد انرژي هاي تجديد پذير بود كه با صراحت از سوي كارشناسان اعلام شد.
در ايران، وجود زمينه مناسب اقليمي و تابش آفتاب در بيشتر مناطق و در اكثر فصول سال، همچنين وجود پستي وبلندي ها در مسير نهرهاي آب، داشتن مناطق واجد پتانسيل بالاي باد و قابليت هاي توليد انرژي زمين گرمايي، زمينه لازم و مناسبي را براي استفاده و گسترش انرژي هاي نو و پاك فراهم آورده است. در اين راستا، با توجه به افزايش توان مهندسي كشور در ساخت نيروگاه هاي برق آبي، در سال هاي اخير، اميداست استفاده از پتانسيل هاي برق آبي به يك اولويت در ساخت نيروگاه هاي جديد تبديل شود در سال 1381، ظرفيت نيروگاه هاي آبي كشور به 10 درصد كل ظرفيت نصب شده، توليد برق كشور رسيد.
با اين وجود، ايران در راه بكارگيري انرژي هاي نو با موانع عمده واساسي مواجه است. يكي از اين موانع، وجود نفت ارزان و منابع غني هيدروكربني در كشور است. نبود شناخت از انرژي هاي نو و مجهول ماندن مزاياي آن توسط مردم ومسئولان از ديگر موانع دستيابي به انرژي هاي نو، نبود توجيه اقتصادي، علي الخصوص در اين برهه زماني است.
انرژي هاي پاك: انرژي برق آبي
انرژي خورشيدي
حدود دو دهه پس از ورود سلول هاي فتوولتائيك به عرصه عمومي توليد انرژي، ارتباط تنگاتنگ سياست و منابع انرژي موجب شد تا ديگرجايي براي بحث توجيه اقتصادي يافتن براي روي آوردن به سمت بهره گيري از انرژي خورشيد و توليدي الكتريسته نماند. در ايران، چون ايران روي كمربند خورشيدي جهان قرار گرفته است و يكي از كشورهايي است كه از تابش نور خورشيد با قدرت و توان مطلوب برخوردار بوده و از مناطق بسيار مستعد براي بهره گيري از اين انرژي است، به طوري كه ميزان تابش متوسط روزانه آفتاب به 4 كيلووات ساعت بر متر مربع مي رسد و متوسط تعداد ساعات آفتابي، از 2800 ساعت درسال بيشتر است. البته، مقادير ذكر شده به طور متوسط بيان شده اند و در شهرهاي كويري كشور همچون يزد، ساعات آفتابي به 3200 ساعت نيز مي رسد. با توجه به اين كه، ايران كشور كوهستاني است كه اكثر نقاط آن در ارتفاعي بالاتراز 1000 متر از سطح دريا واقع شده اند توان دريافتي از تابش نور خورشيد آن بيشتر خواهد بود.
گفتني است كه مصرف انرژي هاي تجديد پذير ايران پايين بوده و از اين رو، هنوزانرژي خورشيدي رسماً تجاري نشده است. مناطقي كه پتانسيل بالايي براي انرژي خورشيدي دارند؛ عبارتند از: شيراز، تهران، خراسان، يزد و سمنان. طرح هاي خورشيدي شامل نيروگاه دريافت كننده مركزي، سهموي خطي، سيستم فتوولتائيك و آبگرمكن هاي خورشيدي مي باشند.
بررسي امكان استفاده از انرژي خورشيدي از ديدگاه اقتصادي
هر چند هزينه استفاده از انرژي خورشيدي بسيار بالاست، ولي امروزه در سياست گذاري ها فقط هزينه سيستم هاي خورشيدي در نظر گرفته نمي شود، بلكه فوايد حاصل از بكارگيري آنها، مانند كاهش آلودگي محيط زيست نيز مدنظر قرار مي گيرد، با وجود تمام مسائلي كه مطرح مي شود، مي توان مناطقي از كشور را يافت كه استفاده از انرژي خورشيدي در آنها توجيه اقتصادي دارد. به عنوان نمونه، استفاده ازسلول هاي خورشيدي در مناطق دور دست رامي توان در عرض چند سال به قيمت روز رساند. با توجه به فناوري هاي موجود و وسعت استفاده از انرژي خورشيدي در دنيا، به نظر مي آيد در بخش هايي مانند گرمايش ساختمان ها، توليد آب گرم، طبخ غذا، خشك كن ها وآب شيرين كن ها، اين انرژي مي تواند با انرژي هاي رايج رقابت كند. تحقيقات انجام شده نشان مي دهد كه درحال حاضر، ساخت نيروگاه هاي مستقل خورشيدي به صرفه نيست بلكه نيروگاه هاي چرخه تركيبي، همچون خورشيدي- گازي يا خورشيدي- بخاري بسيار اقتصادي خواهند بود.
انرژي باد
در چند سال گذشته، ميانگين رشد سالانه انرژي باد در دنيا حدود 30 درصد گزارش شده است كه بيشترين نرخ رشد را درميان ساير منابع انرژي در دنيا برخوردار است. كل ظرفيت برق بادي در جهان در سال 2001 به 24000 مگا وات رسيد. اروپا در حال حاضر؛ بيش از 70 درصد از برق بادي جهان را توليد مي كند و حدود دو سوم از ظرفيت هاي اضافه شده توليد در سال 2001، به كشورهاي اروپايي اختصاص دارد. در حال حاضر، مزرعه هاي بادي در آمريكا حدود 10 ميليارد كيلو وات ساعت در سال برق توليد مي كنند كه از نظر ملاحظات زيست محيطي و مبارزه با توليد گازهاي گلخانه اي، اين ميزان انرژي باد مي تواند سالانه از انتشار 5/7 ميليون تن دي اكسيد كربن جلوگيري كند.
استفاده از انرژي برق در ايران در پروژه «تعيين پتانسيل باد درايران»، 26 منطقه كشور شامل 45 سايت مورد مطالعه قرار گرفت كه براساس نتايج اين پروژه، ايران كشوري با باد متوسط است، ولي برخي از مناطق آن، داراي باد مناسب و مداومي براي توليد برق مي باشند. توان بالقوه انرژي باد در سايت هاي مطالعه شده حدود 6500 مگا وات بوده و اكثر نقاط داراي پتانسيل، در مناطق شرقي كشور واقع شده اند.
در ميان انواع انرژي هاي تجديد پذير، انرژي باد هزينه سرمايه گذاري اوليه كمتري دارد. با بهبود فناوري، افزايش توربين ها و رفع محدوديت ها، كاهش چشمگيري در اين هزينه متصور است. در حال حاضر، برق توليدي از سوخت هاي فسيلي، ارزان تر از برق توليدي از توربين هاي بادي است. كه هزينه بهره برداري از انرژي باد حدود 85 درصد در طول 20 سال گذشته كاهش نشان مي دهد.
انرژي زمين گرمايي (ژئوترمال)
انرژي زمين گرمايي، از حرارت حاصل از تجزيه مواد راديواكتيو، هسته مذاب كره زمين، كوه زايي و واكنش هاي درون زمين سرچشمه مي گيرد. تقريباً در همه جا، در قسمت هاي كم عمق زمين و يا در 10 فوت بالاتر از سطح زمين درجه حرارت تقريباً يكنواخت باقي مي ماند و بين 50 تا 60 درجه فارنهايت (10 تا 16 درجه سانتيگراد) مي باشد. چشمه هاي آب گرم، نمونه هايي از انرژي زمين گرمايي هستند، آب توسط سنگ هاي زيرزمين گرم مي شوند و سپس در سطح زمين جريان مي يابند. حدود بيست كشور از اين انرژي براي گرم كردن خانه ها، آب و يا براي توليد الكتريسيته استفاده مي كنند در حال حاضر بازده كلي اين سيستم كمتراز يك درصد از انرژي مورد نياز جهان است.
درسال 2000 حجم توليد برق و حرارت از انرژي زمين گرمايي در جهان 65/49261 گيگاوات ساعت برق بوده است.
انرژي زيست توده
گونه هاي مختلفي از انرژي، سوخت هاي منابع جامد وگازي، حرارت، موادشيميايي و ديگر مواد را مي توان به وسيله فناوري هاي بيو انرژي، از منابع گياهي- جانوري تجديدپذير به دست آورد. تحقيقات وگسترش فناوري هاي اين نوع سوخت در سه حوزه اصلي صورت مي پذيرد: توليد سوخت، پيدا كردن كاربردهاي آن، ايجاد كردن زيرساخت هاي مناسب توزيع زيست توده، چهارمين منبع بزرگ انرژي در جهان بوده و حدود 14 درصد انرژي جهان را فراهم مي كند و زيست توده يا بيوماس، اصطلاحي است كه براي توصيف يك رشته از محصولاتي كه از فرآيند نورساخت(فتوسنتز) به دست مي آيد، به كار مي رود. كاربرد اقتصادي بسيار رايج انرژي زيست توده، استفاده از مواردي است كه براي منظورهاي ديگر جمع آوري شده اند، نظير پس مانده هاي حاصل از كشاورزي، غذا و ضايعات شهري.
انرژي هاي دريايي
درياها با فرآيندهاي مختلف فيزيكي، انرژي را دريافت و ذخيره نموده وسپس آن را از دست مي دهند. اين انرژي به صورت موج، جزر ومد، اختلاف درجه حرارت و اختلاف غلظت نمك دراعماق مختلف آب دريا وجود دارد كه مي توان از هر يك از آنها بهره برداري كرد. انرژي امواج دريا عبارت است از: انرژي مكانيكي منتقل شده از باد كه امواجي با پريود كوتاه، آن را به صورت انرژي پتانسيل و جنبشي در خود ذخيره مي كنند. انرژي موج حاصله در مناطق ساحلي در حدود 2 تا 3 ميليون مگاوات برآورد مي شود.
هيدروژن و پيل سوختي
هيدروژن عمده ترين گزينه مطرح به عنوان حامل جديد انرژي است. فراواني، سهولت توليد از آب، مصرف تقريباً منحصربه فرد و سودمندي زيست محيطي ذاتي هيدروژن، از جمله ويژگي هايي است كه آن را از ديگر گزينه هاي مطرح، متمايز مي كند.
استفاده از پيل هاي سوختي (Fuel Cell)، جهت تأمين هم زمان الكتريسيته و حرارت به روش الكتروشيميايي است. در اين روش، كه به عبارتي مي توان آن را عمل الكتروليز معكوس قلمداد كرد، انرژي شيميايي ذخيره شده در سوخت هاي فسيلي، بدون احتراق استخراج مي شوند. اين سيستم ها در مقايسه با ساير روش ها، از كارآيي زيادي برخوردار هستند و آلودگي كمي توليد مي كنند. پيل هاي سوختي، راه حل مناسبي براي مشكلات مختلف مربوط به انرژي هستند. هيدروژن را مي توان با استفاده از انواع منابع انرژي اوليه توليد كرد و درتمام موارد و كاربردهاي سوخت هاي فسيلي مورد استفاده قرار داد. هيدروژن، به ويژه، منابع تجديدپذير انرژي را تكميل مي كند و آنها را در هرمحل و هر زمان به صورتي مناسب در دسترس قرار داده و در اختيار مصرف كننده مي گذارد. هيدروژن در مقايسه با سوخت هاي ديگر مي تواند با راندمان بالاتر و احتراق بسيار نيز، به ساير اشكال انرژي تبديل شود.
سيستم انرژي هيدروژني به دليل استقلال از منابع اوليه انرژي، سيستمي دايمي و پايدار، فنا ناپذير، فراگير و تجديدپذير است. ازاين رو، پيش بيني مي شود كه در آينده اي نه چندان دور، توليد و مصرف هيدروژن به عنوان حامل انرژي، برسراسر اقتصاد جهان سرايت كرده و «اقتصاد هيدروژن» تثبيت شود.
نتيجه گيري
آمارها، گوياي آن است كه بزرگ ترين عامل انهدام و آلودگي محيط زيست درميان عوامل انسان ساخت، عبارت است از توليد، تبديل ومصرف انواع انرژي، اين درحالي است كه نه تنها مصرف انرژي درجهان در سطح ثابتي باقي نخواهد ماند، بلكه پيش بيني ها، حاكي ازافزايش مصرف آن در سال هاي آتي ناشي از افزايش جمعيت، ميل به رفاه و افزايش توليد ناخالص سرانه در جهان كه پيش بيني مي شود تا سال 2020 به حدود متوسط 7000 دلار يعني، تقريباً 75 درصد بيش از سال 1890 باشد.
پيامد مصرف اين ميزان انرژي، افزايش ميزان انتشار دي اكسيد كربن از 9/5 گيگا تن كربن در سال 1990 به 4/8 در 2020 خواهد بود. انتشار گازهاي آلايندهSOX وNOX را بايد به اين ميزان اضافه كرد. مطالعات وتجربيات نشان مي دهد كه دو راه حل اصلي براي تعديل اين مشكل وجود دارد:
- افزايش بازده مصرف انرژي
- افزايش سهم انرژي هاي تجديد پذير در تركيب انرژي جهان.
انرژي هستهاي از معدن تا نيروگاه
استفاده از انرژي هستهاي براي توليد برق روشي پيچيده اما كارامد براي تامين انرژي مورد نياز بشر است. به طور كلي براي بهرهبرداري از انرژي هستهاي در نيروگاههاي هستهاي، از عنصر اورانيوم غني شده به عنوان سوخت در راكتورهاي هستهاي استفاده ميشود كه ماحصل عملكرد نيروگاه، انرژي الكتريسته است. عنصر اورانيوم كه از معادن استخراج ميشود به صورت طبيعي در راكتورهاي نيروگاهها قابل استفاده نيست و به همين منظور بايد آن را به روشهاي مختلف به شرايط ايده عال براي قرار گرفتن درون راكتور آماده كرد. اورانيوم يكي از عناصر شيميايي جدول تناوبي است كه نماد آن Uو عدد اتمي آن ۹۲است. اين عنصر داراي دماي ذوب هزار و ۴۵۰درجه سانتيگراد بوده و به رنگ سفيد مايل به نقرهاي، سنگين، فلزي و راديواكتيو است و به رغم تصور عام، فراواني آن در طبيعت حتي از عناصري از قبيل جيوه، طلا و نقره نيز بيشتر است.
عنصر اورانيوم در طبيعت داراي ايزوتوپهاي مختلف از جمله دو ايزوتوپ مهم و پايدار اورانيوم ۲۳۵و اورانيوم ۲۳۸است. براي درك مفهوم ايزوتوپهاي مختلف از هر عنصر بايد بدانيم كه اتم تمامي عناصر از سه ذره اصلي پروتون، الكترون و نوترون ساخته ميشوند كه در تمامي ايزوتوپهاي مختلف يك عنصر، تعداد پروتونهاي هسته اتمها با هم برابر است و تفاوتي كه سبب بوجود آمدن ايزوتوپهاي مختلف از يك عنصر ميشود، اختلاف تعداد نوترونهاي موجود در هسته اتم است. به طور مثال تمامي ايزوتوپهاي عنصر اورانيوم در هسته خود داراي ۹۲ پروتون هستند اما ايزوتوپ اورانيوم ۲۳۸در هسته خود داراي ۱۴۶نوترون ( (۹۲+۱۴۶=۲۳۸و ايزوتوپ اورانيوم ۲۳۵داراي ۱۴۳نوترون( (۹۲+۱۴۳=۲۳۵در هسته خود است.
اورانيوم ۲۳۵مهمترين ماده مورد نياز راكتورهاي هستهاي(براي شكافته شدن و توليد انرژي) است اما مشكل كار اينجاست كه اورانيوم استخراج شده از معدن تركيبي از ايزوتوپهاي ۲۳۸و ۲۳۵بوده كه در اين ميان سهم ايزوتوپ ۲۳۵بسيار اندك(حدود ۰/۷درصد) است و به همين علت بايد براي تهيه سوخت راكتورهاي هستهاي به روشهاي مختلف درصد اوانيوم ۲۳۵را در مقايسه با اورانيوم ۲۳۸بالا برده و بسته به نوع راكتور هستهاي به ۲تا ۵درصد رساند و به اصطلاح اورانيوم را غنيسازي كرد.
درون راكتورهاي هستهاي، هسته اورانيوم ۲۳۵به صورت كنترل شده شكسته شده كه در اين فرايند مقداري جرم به انرژي تبديل ميشود. همين انرژي سبب ايجاد حرارت(اغلب از اين حرارت براي تبخير آب استفاده ميشود) و در نتيجه چرخيدن توربينها و در نهايت چرخيدن ژنراتورهاي نيروگاه و توليد برق ميشود.
در نيروگاههاي غير هستهاي، از سوزاندن سوختهاي فسيلي از قبيل نفت و يا زغال سنگ براي گرم كردن آب و توليد بخار استفاده ميشود كه يك مقايسه ساده ميان نيروگاههاي هستهاي و غير هستهاي، صرفه اقتصادي قابل توجه نيروگاههاي هستهاي را اثبات ميكند.
به طور مثال، براي توليد ۷۰۰۰مگاوات برق حدود ۱۹۰ميليون بشكه نفت خام مصرف ميشود كه استفاده از سوخت هستهاي براي توليد همين ميزان انرژي ساليانه ميلونها دلار صرفه جويي به دنبال دارد و به علاوه ميزان آلايندگي زيست محيطي آن نيز بسيار كمتر است.
كافي است بدانيم كه مصرف اين ۱۹۰ميليون بشكه نفت خام براي توليد ۷۰۰۰مگاوات برق، ۱۵۷هزار تن گاز گلخانهاي دي اكسيد كربن، ۱۵۰تن ذرات معلق در هوا، ۱۳۰تن گوگرد و ۵تن اكسيد نيتروژن در محيط زيست پراكنده ميكند كه نيروگاههاي هستهاي اين آلودگيها را ندارند. پس از آشنايي با مفاهيم كلي انرژي هستهاي و مزاياي آن، ابتدا با مراحل مختلف چرخه سوخت هستهاي آشنا ميشويم و سپس نحوه استفاده از سوخت هستهاي درون راكتور را مرور ميكنيم.
چرخه سوخت هستهاي عبارت است از: -۱فراوري سنگ معدن اورانيوم -۲ تبديل و غنيسازي اورانيوم -۳توليد سوخت هستهاي -۴بازفرآوري سوخت مصرف شده.
در حال حاضر چند كشور صنعتي جهان هر كدام در يك، چند و يا همه چهار مرحله ياد شده از چرخه سوخت هستهاي فعاليت ميكنند.
هم اكنون به لحاظ صنعتي، كشورهاي فرانسه، ژاپن، روسيه، آمريكا و انگليس داراي تمامي مراحل چرخه سوخت هستهاي در مقياس صنعتي هستند و در مقياس غيرصنعتي، كشورهاي ديگري مثل هند نيز به ليست فوق اضافه ميشوند.
كشورهاي كانادا و فرانسه در مجموع داراي بزرگترين كارخانههاي تبديل اورانيوم(مرحله پيش از غنيسازي ) هستند كه محصولات آنها شامل UO3,UO2,UF6 غني نشده ميباشد و پس از آنها به ترتيب كشورهاي آمريكا، روسيه و انگلستان قرار دارند. در زمينه غنيسازي نيز، دو كشور آمريكا و روسيه داراي بزرگترين شبكه غنيسازي جهان هستند.
آمريكا هم اكنون بزرگترين توليدكننده سوخت هستهاي(مرحله بعد از غني سازي) در جهان است و پس از آمريكا، كانادا توليدكننده اصلي سوخت هستهاي در جهان محسوب ميشود. پس از آمريكا و كانادا، كشورهاي انگليس، روسيه، ژاپن، فرانسه، آلمان، هند، كره جنوبي و سوئد از توليدكنندگان اصلي سوخت هستهاي جهان هستند. آمريكا بيشترين سهم بازفراوري سوخت مصرف شده هستهاي در جهان را داراست و پس از آن فرانسه، انگليس، روسيه، هند و ژاپن قرار دارند. درحال حاضر بين كشورهاي جهان سوم، هندوستان پيشرفتهترين كشور در زمينه دانش فني چرخه سوخت هستهاي است.
چرخه سوخت هستهاي: …………….
-۱استخراج اوانيوم از معدن و تهيه كيك زرد(مرحله فراوري سنگ معدن اورانيوم) عنصر اورانيوم در طبيعت به صورت تركيبات شيميايي مختلف از جمله اكسيد اورانيوم، سيليكات اورانيوم و يا فسفات اورانيوم و به صورت مخلوط با تركيباتي از عناصر ديگر يافت ميشود.در ميان كشورهاي مختلف جهان، استراليا داراي بزرگترين معادن اورانيوم است و كشورهاي قزاقستان، كانادا، آفريقاي جنوبي، ناميبيا، برزيل و روسيه نيز از معادن بزرگي برخوردارند.
مواد معدني حاوي اورانيوم با استفاده از روشهاي معدنكاوي زيرزميني و يا روزميني استخراج شده و سپس طي فرايندهاي مكانيكي و شيميايي موسوم به “آسياب كردن” و “كوبيدن” از ديگر عناصر جدا ميشوند.
اورانيوم پس از استخراج تفكيك، كوبيده، خرد و به شكل پودر درآمده و سپس براي توليد ماده موسوم به “كيك زرد” ( (YellowCakeمورد استفاده قرار مي گيرد.
كيك زرد در واقع محصول فراوري سنگ معدن ارونيوم است و به تركيباتي از اورانيوم گفته ميشود كه ناخالصيهاي معدني آن به ميزان زيادي گرفته شده و حاوي ۷۰تا ۹۰درصد اكسيد اورانيوم از نوع U3O8است.
-۲فراوري كيك زرد و توليد هگزافلوريد اورانيوم و آغاز غنيسازي (مرحله تبديل و غنيسازي ) كيك زرد در اين مرحله هنوز داراي ناخالصيهايي است كه توسط روشهاي مختلف اين ناخالصيها كاسته شده و پس از طي فرايندهاي شيميايي نسبتا پيچيده، از شكل معدني U3O8به UO3(تري اكسيد اروانيوم) و سپس UO2(دي اكسيد اورانيوم) در ميآيد كه اين تركيب آخر نيز به دو روش موسوم به روش تر و روش خشك براي توليد ماده مورد نياز در فرايند غنيسازي، يعني هگزافلوريد اورانيوم( (UF6به كار گرفته ميشود. در صنعت به اين دليل عنصر اورانيوم را به صورت تركيب هگزافلوريد اورانيوم( (UF6در ميآورند كه ماده مذكور بهترين تركيب اورانيوم براي استفاده در روشهاي مهم غنيسازي اورانيوم محسوب ميشود. در روشهاي مرسوم غنيسازي اورانيوم، بايد از حالت گازي تركيبات اين عنصر استفاده كرد و هگزافلوريد اورانيوم در دماي ۵۶درجه سانتيگراد به راحتي تصعيد شده و از حالت جامد به حالت گاز در ميآيد كه اين گاز براي دستيابي به درصد بالاتر ايزوتوپ ۲۳۵اورانيوم، قابل غنيسازي است.
پس از مراحل استخراج اورانيوم، توليد كيك زرد و در نهايت هگزافلوريد اورانيوم، نوبت به غنيسازي اين عنصر ميرسد.
روشهاي مختلف غنيسازي ………………….
به طور كلي اورانيوم را به چندين روش مختلف ميتوان غنيسازي كرد كه اين روشها عبارتند از: “سانتريفوژ گازي”، “پخش گازي”(،(Gaseous Diffusion “جداسازي اكلترومغناطيسي”، “تبادل شيميايي”(،(Chemical Exchange “فتويونيزاسيون و فتوديساسيون ليزري”، “نازل جداسازي”((Separation Nazzle و “جداسازي ايزوتوپ رزونانس سيكلوتروني”. از بين تمامي اين روشها هماكنون تنها دو روش “سانتريفوژگازي” و “پخش گازي” است كه در مقياس تجاري اهميت داشته و كاربردهاي عملي وسيع پيدا كردهاند .
در غنيسازي اورانيوم به روش مرسومتر “سانتريفوژ گازي”، در عمل هگزافلوريد اورانيوم ( (UF6را وارد دستگاه سانتريفوژ با سرعت دوران بسيار بالا ميكنند. در سرعت دوراني بسيار زياد، آن دسته از مولكولهاي هگزافلوريد اورانيوم كه اورانيوم موجود در آنها از نوع ايزوتوپ ۲۳۵است از آنجا كه در مقايسه با مولكولهاي هگزافلوريد اورانيوم با ايزوتوپ اورانيوم ۲۳۸جرم كمتري دارند، در نزديك محور سانتريفوژ تراكم بيشتري نسبت به ناحيه خارجي دستگاه پيدا كرده و در مقابل مولكولهاي سنگينتر هگزا فلوريد اورانيوم ۲۳۸در ناحيه خارجي تراكم بيشتري نسبت به ناحيه نزديك محور پيدا ميكنند .
بدين ترتيب گاز هگزافلوريد اورانيومي كه از نزديك محور دستگاه سانتريفوژ گرفته ميشود از نظر درصد اورانيوم ۲۳۵از غني شدگي بيشتري نسبت به نواحي ديگر سانتريفوژ برخوردار است. در اين روش براي رسيدن به درصد مورد نياز اورانيوم ۲۳۵بايد مرحله به مرحله از تعداد بسيار زياد سانتريفوژ به صورت زنجيرهاي استفاده كرد.
روش “سانتريفوژ گازي” براي غنيسازي اورانيوم به دو علت در مقايسه با روش “پخش گازي” از مزاياي بيشتري برخوردار است. اول آنكه اين روش كارايي بيشتري داشته و دوم آنكه انرژي لازم در اين روش غنيسازي حدود يك دهم مقدار انرژي لازم در غنيسازي با “پخش گازي” براي حصول همان ميزان محصول ميباشد.
اين عوامل باعث شده كه غنيسازي اورانيوم به روش سانتريفوژ هزينه كمتري را شامل شده و اقتصاديتر باشد.البته بايد به خاطر داشت كه هزينه تعميرات و نگهداري تجهيزات مورد استفاده در غنيسازي به روش سانتريفوژ اندك نيست.
-۳توليد سوخت هستهاي(تبديل UF6غني شده به UO2غني شده): برخي انواع راكتورهاي ميتوانند به طور مستقيم از هگزافلوريد اورانيوم غني شده به عنوان سوخت هستهاي استفاده كنند اما براي تهيه سوخت هستهاي بسياري انواع ديگر راكتورها لازم است كه هگزافلوريد اورانيوم غني شده را به شكل به اصطلاح “ميلههاي سوختي” از دي اكسيد اورانيوم غني شده( (UO2و يا در موارد معدود، به اورانيوم غني شده فلزي( (Uتبديل كرد.
تبديل UF6غني شده به UO2غني شده نيز خود به دو روش شيميايي موسوم به خشك و تر انجام ميگيرد كه پرداختن بدانها از حوصله اين بحث خارج است.
در پايان اين مرحله سوخت هستهاي آماده قرارگرفتن در راكتور و آغاز توليد انرژي است. حال كه سوخت هستهاي با درصد مورد نياز اورانيوم ۲۳۵(حدود ۲تا ۵ درصد) به منظور استفاده در راكتور هستهاي آماده شد، عملكرد يك راكتور هستهاي را نيز به صورت خلاصه بررسي ميكنيم.
عملكرد راكتور هسته اي …………………
همانطور كه گفتيم، سوخت هستهاي شامل اورانيوم ۲۳۸و اورانيوم ۲۳۵ است كه درصد اورانيوم ۲۳۵با روشهاي غنيسازي از حدود ۰/۷درصد در وضعيت طبيعي به حدود ۲تا ۵درصد در وضعيت غني شده افزايش يافتهاست. به زبان ساده، درون يك راكتور هستهاي اورانيوم ۲۳۵به صورت كنترل شده توسط نوترونها بمباران ميشود. برخورد نوترونها به هسته اتم اورانيوم ۲۳۵سبب شكست اين هسته شده كه نتيجه شكست مذكور توليد انرژي و توليد نوترونهاي بيشتر است.
كنترل اين نوترونهاي پر انرژي حاصل شده ضروري است زيرا ميتوانند درون راكتور طي يك فرايند زنجيرهاي سبب شكست هستههاي بيشتر اورانيوم ۲۳۵ و بروز حادثه شوند. براي كاهش انرژي نوترونهاي آزاد شده و جذب آنها از مواد نرمكننده (از قبيل آب سبك، آب سنگين، گرافيت) و ميلههاي مهار كننده(از قبيل كاديوم و يا بور) درون راكتور استفاده ميشود.
البته تعدادي از اين نوترونها نيز پس از شكست هسته اورانيوم ، ۲۳۵با هسته اورانيوم ۲۳۸برخورد كرده و سبب پيدايش ايزوتوپ جديد و ناپايداري از اورانيوم به نام اورانيوم ۲۳۹ميشوند كه خود اين ماده نيز در نهايت به يك عنصر راديواكتيو ديگر به نام پلوتونيوم ۲۳۹بدل ميشود. پلوتونيوم ۲۳۹ همانند اورانيوم ۲۳۵خود ميتواند به عنوان سوخت هستهاي مجددا مورد استفاده قرار بگيرد.
انرژي آزاد شده به صورت گرما در پي شكست هسته اورانيوم ۲۳۵درون راكتور، توسط مواد خنككننده و به منظور به حركت در آوردن توربينهاي توليد برق، به خارج از راكتور منتقل ميشود. اين مواد خنككننده يا انتقالدهنده انرژي حرارتي(از قبيل گاز دي اكسيي كربن، آب، آبسنگين، گاز هليم و يا سديم مذاب)، پس از انتقال انرژي به بيرون از راكتور و خنك شدن مجددا به داخل راكتور برمي گردند و اين فرايند به صورت مداوم براي توليد برق ادامه مييابد.
سوخت مصرف شده در راكتور در پايان كار حاوي حدود ۹۵درصد اورانيوم ،۲۳۸حدود يك درصد اورانيوم ۲۳۵شكافته نشده، حدود يك درصد پلوتونيوم و حدود سه درصد مواد پرتوزاي حاصل از شكافته شدن اورانيوم ۲۳۵و همچنين عناصر فوق سنگين بوجود آمده درون راكتور است. اين سوخت مصرف شده معمولا در تجهيزات دوبارهسازي به سه جزء اصلي اورانيوم، پلوتونيوم و پس ماندهاي پرتوزا تقسيم ميشود.
به لحاظ تاريخي اولين راكتور هستهاي در آمريكا و به منظور استفاده در زير دريائيها ساختهشد. ساخت اين راكتور پايه اصلي و استخوان بندي تكنولوژي فعلي نيروگاههاي هستهاي از نوع PWRرا تشكيل ميدهد. پس از آن شركت جنرال الكتريك موفق به ساخت راكتورهايي از نوع BWRگرديد اما اولين راكتوري كه منحصرا جهت توليد برق مورد استفاده قرار گرفت توسط شوروي سابق و در ژوئن ۱۹۵۴در “آبنينسك” نزديك مسكو احداث گرديد كه بيشتر جنبه نمايشي داشت.
توليد الكتريسيته از راكتورهاي هستهاي در مقياس صنعتي در سال ۱۹۵۶ در انگلستان آغاز شد. تا سال ۱۹۶۵روند ساخت نيروگاههاي هستهاي از رشد محدودي برخوردار بود اما طي دو دهه ۱۹۶۶تا ۱۹۸۵جهش زيادي در ساخت نيروگاههاي هستهاي بوجود آمد. اين جهش طي سالهاي ۱۹۷۲تا ۱۹۷۶كه بطور متوسط هر سال ۳۰نيروگاه شروع به ساخت ميكردند، بسيار زياد و قابل توجه است. پس از دوره جهش فوق يعني از سال ۱۹۸۶تاكنون روند ساخت نيروگاهها كاهش يافته بطوريكه هم اكنون بطور متوسط ساليانه كار ساخت ۴راكتور هسته اي آغاز ميشود.
در سالهاي گذشته گسترش استفاده از انرژي هستهاي براي توليد برق در كشورهاي مختلف روندهاي گوناگوني داشتهاست. به عنوان مثال كشور انگليس تا سال ۱۹۶۵پيشرو در ساخت نيروگاههاي هستهاي بود، اما پس از آن تاريخ ساخت نيروگاه هستهاي در اين كشور كاهش يافت. برعكس كشور آمريكا كه تا اواخر دهه ۱۹۶۰تنها ۱۷نيروگاه هستهاي داشت در طول دهههاي ۱۹۷۰و ۱۹۸۰بيش از ۹۰نيروگاه هستهاي ديگر ساخت. هم اكنون كشور فرانسه ۷۵درصد از برق مورد نياز خود را توسط نيروگاههاي هستهاي توليد ميكند كه از اين بابت در صدر كشورهاي جهان قرار دارد.
گرچه ساخت نيروگاههاي هستهاي و توليد برق هستهاي در جهان از رشد انفجاري اواخر دهه ۱۹۶۰تا اواسط ۱۹۸۰برخوردار نيست اما كشورهاي مختلف همچنان درصدد تامين انرژي مورد نياز خود از طريق انرژي هستهاي هستند. طبق پيش بينيهاي به عمل آمده روند استفاده از برق هستهاي تا دهههاي آينده همچنان روند صعودي خواهد داشت و در اين زمينه، منطقه آسيا و اروپاي شرقي به ترتيب مناطق اصلي جهان در ساخت نيروگاه هستهاي جديد خواهند بود.
منبع:http://peud.mihanblog.com/
منبع : سايت علمی و پژوهشي آسمان--صفحه اینستاگرام ما را دنبال کنیداين مطلب در تاريخ: سه شنبه 15 دی 1394 ساعت: 9:54 منتشر شده است
برچسب ها : انرژی,