انرژی جزر و مد دریا
قدرت طاهری– انرژی جزر و مدی نوعی انرژی تجدیدپذیر است که از نیروهای گرانشی وارد شده توسط ماه و خورشید بر اقیانوس‌های زمین تولید می‌شود و منجر به بالا و پایین آمدن آب (جزر و مد) می‌شود. این منبع انرژی قابل پیش‌بینی و همیشگی، قرن‌هاست که مورد استفاده قرار گرفته است و کاربردهای تاریخی آن به قرون وسطی، به‌ویژه در اروپا برمی‌گردد، جایی که آسیاب‌های جزر و مدی حرکات جزر و مد را به توان مکانیکی برای آسیاب کردن غلات تبدیل می‌کردند.
پتانسیل تولید برق در قرن نوزدهم پدیدار شد اما پذیرش گسترده آن محدود بوده است و تا اوایل قرن بیست‌ویکم، تنها تعداد انگشت شماری از نیروگاه‌های جزر و مدی در سطح جهان فعال هستند.
انرژی جزر و مدی چندین مزیت قابل‌توجه دارد از جمله پاکیزگی زیست‌محیطی، راندمان بالای انرژی و قابلیت پیش‌بینی در مقایسه با سایر منابع تجدیدپذیر مانند انرژی باد و خورشید است. این انرژی به دلیل تولید صفر گازهای گلخانه‌ای در طول بهره‌برداری در تلاش برای کاهش تغییرات آب‌وهوایی سهم عمده دارد. علاوه بر این، سیستم‌های انرژی جزر و مدی می‌توانند به دلیل چگالی بالای آب، برق بیشتری در واحد سطح تولید کنند که آنها را به گزینه‌ای جذاب برای تولید انرژی در مکان‌های جغرافیایی مناسب تبدیل می‌کند.
با این حال با وجود مزایای آن، توسعه انرژی جزرومدی با چالش‌های قابل‌توجهی روبه‌رو است، از جمله هزینه‌های اولیه بالا، مکان‌های مناسب محدود و اثرات زیست‌محیطی بالقوه بر اکوسیستم‌های دریایی که می‌تواند منجر به مخالفت عمومی و موانع نظارتی شود.
وضعیت کنونی انرژی جزر و مدی با پیشرفت‌های تکنولوژیکی و تمایل به استفاده از پتانسیل آن مشخص می‌شود. تا سال ۲۰۲۰، ظرفیت جهانی انرژی جزر و مدی تقریبا ۵۳۰ مگاوات بود و کشورهایی مانند بریتانیا، فرانسه و کانادا در توسعه پروژه‌های جزر و مدی پیشرو بوده‌اند.
ابتکارات در حال انجام با هدف بهبود دوام اقتصاد انرژی جزر و مدی از طریق فناوری‌های نوآورانه و سیاست‌های حمایتی آن را به عنوان یک بازیگر کلیدی در گذار به سیستم‌های انرژی پاک و کمک به کاهش وابستگی به سوخت‌های فسیلی تبدیل کرده است. با این وجود، آینده انرژی جزر و مدی همچنان مشروط به غلبه بر چالش‌های اقتصادی، فنی و زیست‌محیطی برای دستیابی به اجرای گسترده‌تر در چشم‌انداز انرژی جهانی است.
تاریخچه
انرژی جزر و مدی دارای تاریخچه طولانی است و استفاده از آن برای تولید برق به قرون وسطی در اروپا باز می‌گردد. آسیاب‌هایی که از انرژی جزر و مد استفاده می‌کردند، معمولا در بریتانیا، فرانسه، ایرلند و در امتداد سواحل شرقی ایالات متحده تا اواسط قرن نوزدهم یافت می‌شدند.
سازوکار این آسیاب‌ها شامل مهار آب ورودی در حوضچه‌های ذخیره بزرگ بود که با عقب‌نشینی جزرومد، چرخ‌های آبی را می‌چرخاند و به طور موثری غلات را با استفاده از نیروی مکانیکی آسیاب می‌کرد. اولین نمونه‌های مستند از آسیاب‌های جزرومدی به دوران روم باز می‌گردد که نشان‌دهنده اهمیت تاریخی این منبع انرژی است. در قرن نوزدهم مفهوم تولید برق از حرکات جزر و مدی در اروپا و ایالات متحده شروع شد. این نشان‌دهنده تغییر قابل‌توجه استفاده صرفا مکانیکی از انرژی جزرومد به توسعه سیستم‌های تولید برق بود. با وجود این نوآوری اولیه، پذیرش گسترده انرژی جزرومد جهت تولید برق برای سال‌های زیادی محدود باقی ماند. تا سال ۲۰۱۱ تنها چهار نیروگاه در سراسر جهان به طور فعال از نیروی جزر و مد، برق تولید می‌کردند که بزرگ‌ترین آنها در رودخانه رانس در فرانسه قرار داشت و ۲۴۰مگاوات برق تولید می‌کرد. دیگر ایستگاه‌های قابل‌توجه عبارت بودند از: رودخانه آناپولیس در نوا اسکوشیا، کانادا (تا ۲۰مگاوات)، کیسلایا گوبا در روسیه (۱ تا ۲ مگاوات) و Xiamen در چین (تا ۳ مگاوات). ظرفیت جهانی برای انرژی اقیانوسی که شامل انرژی جزر و مدی می‌شود، به صورت افزایشی بوده در سال ۲۰۲۰ به ۵۳۵مگاوات رسید. در دوران معاصر توسعه فناوری‌های انرژی جزر و مد اتفاق افتاده است. پروژه‌های در حال انجام در کشورهای مختلف، از جمله تاسیسات در مقیاس کوچک در اسکاتلند و اسپانیا با هدف مهار موثرتر انرژی جزر و مد، منعکس‌کننده شناخت روزافزون پتانسیل آن به عنوان یک منبع انرژی تجدیدپذیر است. با ادامه تکامل فناوری، انرژی جزر و مد همچنان یک راه‌حل کم‌استفاده اما امیدوارکننده برای تامین نیازهای روبه رشد بخشی از انرژی جهان و در عین حال به حداقل رساندن اثرات زیست‌محیطی است.
انرژی جزر و مد چگونه کار می‌کند؟
انرژی جزر و مد از طریق بالا و پایین آمدن طبیعی جزر و مد اقیانوس‌ها مهار می‌شود، فرآیندی که توسط نیروهای گرانشی وارد شده توسط ماه و خورشید بر زمین هدایت می‌شود، این انرژی را می‌توان با استفاده از فناوری‌های مختلف از طریق سدهای جزر و مدی، توربین‌های جزر و مد و تالاب‌های جزر و مد، جذب و به الکتریسیته تبدیل کرد.
سدهای جزر و مدی
سدهای جزر و مدی سازه‌هایی شبیه به سد هستند که در عرض رودخانه‌ها، خلیج‌ها یا خورهای جزرومدی ساخته می‌شوند. آنها یک حوضچه جزرومدی ایجاد می‌کنند و به آب اجازه می‌دهند در طول جزر و مد بالا و پایین آمده و از طریق توربین‌ها وارد و خارج شود.
با بالا آمدن جزر و مد، دریچه‌های سد باز می‌شوند تا حوضچه پر شود. هنگامی که جزر و مد فروکش می‌کند، دریچه‌ها بسته می‌شوند و آب از طریق توربین‌ها آزاد می‌شود و در هر دو جهت برق تولید می‌کند. این عملکرد دوطرفه راندمان انرژی را افزایش می‌دهد و از حرکت مداوم آب بهره می‌برد.
توربین‌های جزر و مدی
برخلاف سدها، توربین‌های جزر و مدی مشابه توربین‌های بادی زیرآب عمل می‌کنند. آنها در مناطقی با جریان‌های جزر و مدی قوی قرار می‌گیرند و مستقیما انرژی جنبشی آب متحرک را برای تولید برق مهار می‌کنند. طراحی توربین‌های جزر و مدی به آنها اجازه می‌دهد تا در هنگام جریان آب بر روی آنها در طول جزر و مد، بچرخند و برق تولید کنند.
تالاب‌های جزر و مدی
تالاب‌های جزر و مدی شامل ساخت دیوارها برای محصور کردن جزئی از یک منطقه ساحلی و ایجاد یک حوضچه جزر و مدی است. توربین‌های تعبیه شده در داخل تالاب، انرژی جنبشی آب را در طول جزر و مد ورودی جذب می‌کنند و با عقب‌نشینی جزر و مد، برق تولید می‌کنند. هدف این فناوری ایجاد تعادل بین تولید انرژی و به حداقل رساندن اختلال در اکوسیستم محلی است.
قابلیت پیش‌بینی و اطمینان
یکی از مهم‌ترین مزایای انرژی جزر و مد، قابلیت پیش‌بینی آن است. برخلاف انرژی باد یا خورشید، الگوهای جزر و مدی از یک چرخه منظم و پیوسته و از تکرار ماه‌ها پیروی می‌کنند و امکان پیش‌بینی دقیق تولید انرژی را فراهم می‌کنند. این قابلیت اطمینان، انرژی جزر و مدی را به یک منبع برق پایدار و قابل اعتماد تبدیل می‌کند و به یک شبکه انرژی انعطاف‌پذیرتر کمک می‌کند.
انرژی جزر و مدی به عنوان یک منبع انرژی تجدیدپذیر، مزایای متعددی را ارائه می‌دهد که آن را از سایر گزینه‌ها مانند انرژی بادی و خورشیدی متمایز می‌کند.
سازگار با محیط‌زیست
یکی از مهم‌ترین مزایای انرژی جزر و مد، پاک بودن آن است. انرژی جزر و مد یک منبع سبز است که در طول بهره‌برداری، گازهای گلخانه‌ای یا سایر آلاینده‌ها را منتشر نمی‌کند و آن را به یک عامل حیاتی در مبارزه با تغییرات آب‌وهوایی تبدیل می‌کند. به این ترتیب، به کاهش انتشار کربن کمک می‌کند و اثرات مصرف سوخت‌های فسیلی بر محیط‌زیست را کاهش می‌دهد.
ثبات و قابلیت پیش‌بینی
برخلاف انرژی بادی و خورشیدی که به دلیل شرایط آب‌وهوایی متغیر می‌توانند متناوب و غیرقابل پیش‌بینی باشند، انرژی جزر و مد بسیار پایدار است. چرخه‌های جزر و مد بالا و پایین را می‌توان به طور دقیق برای سال‌ها یا حتی دهه‌ها پیش‌بینی کرد. این قابلیت اطمینان، منبع تغذیه ثابتی را تضمین می‌کند و انرژی جزر و مد را به یک گزینه جذاب برای تامین نیازهای انرژی پایه تبدیل می‌کند.
فراوانی و پایداری
انرژی جزر و مدی یک منبع تجدیدپذیر است که تا زمانی که خورشید و ماه وجود دارند، تمام نشدنی است. این دائمی بودن در تضاد شدید با سوخت‌های فسیلی است که محدود هستند و در نهایت تمام می‌شوند. در دسترس بودن انرژی جزر و مدی آن را به یک گزینه پایدار برای تولید انرژی بلندمدت تبدیل می‌کند.
راندمان بالای انرژی
چگالی آب که تقریبا ۸۳۰ برابر بیشتر از هواست، به سیستم‌های انرژی جزر و مدی اجازه می‌دهد تا در مقایسه با سیستم‌های بادی به اندازه مشابه، انرژی بیشتری تولید کنند. این راندمان به خروجی انرژی بالاتر در واحد سطح تبدیل می‌شود و تاسیسات انرژی جزر و مدی را در عین حال که قادر به تولید مقادیر قابل‌توجهی الکتریسیته هستند، صرفه‌جویی در فضا می‌کند.
توجیه اقتصادی
در حالی که هزینه‌های اولیه نصب سیستم‌های انرژی جزر و مد می‌تواند بالا باشد، هزینه‌های نگهداری پس از استقرار زیرساخت نسبتا پایین است. فناوری مورد استفاده در تولید انرژی جزر و مد در مقایسه با سیستم‌های سوخت فسیلی سنتی، قطعات متحرک کمتری دارد که منجر به هزینه‌های عملیاتی پایین‌تر در بلندمدت می‌شود. علاوه بر این، پیشرفت در فناوری به بهبود مقرون به صرفه بودن و کارایی پروژه‌های انرژی جزر و مدی ادامه می‌دهد.
پتانسیل تولید انرژی در مقیاس بزرگ
انرژی جزر و مد این پتانسیل را دارد که به طور قابل‌توجهی در تامین انرژی جهانی نقش داشته باشد. مطالعات نشان می‌دهد که مناطق خاصی (خلیج کوک) می‌توانند مقادیر قابل‌توجهی از انرژی جزر و مدی را مهار کنند که قادر به تامین انرژی هزاران خانه است و همزمان انتشار کربن شبکه را تا درصد قابل‌توجهی کاهش می‌دهد. این نشان می‌دهد که انرژی جزر و مدی ظرفیت ایفای نقش مهمی در گذار به سیستم‌های انرژی پاک‌تر را دارد.
معایب انرژی جزر و مدی
انرژی جزر و مدی با وجود مزایای خود به عنوان یک منبع انرژی تجدیدپذیر، معایب قابل‌توجهی را ارائه می‌دهد که باید در نظر گرفته شوند.
محدودیت‌های جغرافیایی و فنی
یکی از چالش‌های اصلی مرتبط با انرژی جزر و مدی، تعداد محدود مکان‌های مناسب برای ساخت سدهای جزر و مدی و سایر زیرساخت‌هاست. بیشتر مکان‌های مناسب اغلب از نظر جغرافیایی محدود هستند و اجرا در مقیاس بزرگ را دشوار و به طور بالقوه از نظر اقتصادی غیرممکن می‌کنند. علاوه بر این، تاسیسات انرژی جزر و مدی معمولا به دلیل هزینه‌های بالای ساخت و نگهداری به سرمایه‌گذاری اولیه قابل‌توجهی نیاز دارند. هزینه تراز شده انرژی (LCOE) برای انرژی جزر و مدی در مقیاس تجاری بین ۱۳۰ تا ۲۸۰دلار در هر مگاوات ساعت است که آن را به طور قابل‌توجهی گران‌تر از سایر منابع انرژی تجدیدپذیر مانند باد و خورشید می‌کند.
نگرانی‌های زیست‌محیطی
ساخت و بهره‌برداری از سیستم‌های انرژی جزرومدی نیز می‌تواند منجر به اختلالات اکولوژیکی شود. این تاسیسات ممکن است اکوسیستم‌های دریایی را مختل کند، الگوهای مهاجرت گونه‌های مختلف دریایی را تحت‌تاثیر قرار داده و منجر به از بین رفتن زیستگاه‌ها شود. اثرات مشاهده شده بر جانوران دریایی شامل خطرات برخورد با دستگاه‌های جزرومدی و تغییرات در هیدرودینامیک است که می‌تواند رفتارهای طبیعی و زیستگاه‌ها را مختل کند. علاوه بر این، دینامیک رسوبات می‌تواند تغییر کند و منجر به مشکلات احتمالی کیفیت آب شود زیرا خاک در مناطقی که جریان آب محدود است، جمع می‌شود.
محدودیت‌های عملیاتی
تولید انرژی جزر و مدی ذاتا متناوب است زیرا فقط می‌تواند در طول چرخه‌های جزر و مد خاص، به طور کلی حدود ۱۰ساعت در روز برق تولید کند. این محدودیت، قابلیت اطمینان کلی انرژی جزر و مد را به عنوان یک منبع تغذیه مداوم کاهش می‌دهد، به خصوص زمانی که با سایر منابع تجدیدپذیر مانند باد یا خورشید مقایسه شود که متغیرتر هستند اما می‌توانند در طیف وسیع‌تری از شرایط برق تولید کنند. در نتیجه، اتکا به انرژی جزر و مد ممکن است به طور کامل نیازهای انرژی مناطق بدون منابع انرژی مکمل را برآورده نکند.
چالش‌های اجتماعی-اقتصادی
هزینه بالای پروژه‌های انرژی جزر و مدی همراه با محدودیت‌های جغرافیایی و نگرانی‌های زیست‌محیطی، می‌تواند منجر به موانع اجتماعی، اقتصادی برای توسعه آن شود. جوامع ممکن است با تخریب زیستگاه، قطعه‌قطعه شدن حیات‌وحش و آسیب‌های احتمالی به حیوانات دریایی مواجه شوند و مخالفت‌های محلی قابل‌توجهی را با پروژه‌های انرژی جزر و مدی ایجاد کنند. این عوامل می‌توانند چشم‌انداز نظارتی را پیچیده کرده و پیشرفت انرژی جزر و مدی را کند کنند.
وضعیت فعلی انرژی جزر و مد
انرژی جزر و مدی در حالی که به عنوان یک منبع تجدیدپذیر امیدوارکننده شناخته می‌شود، در مقایسه با سایر اشکال انرژی مانند انرژی بادی و خورشیدی، در مراحل توسعه خود باقی مانده است. از سال ۲۰۲۰ ظرفیت جهانی انرژی جزر و مدی تقریبا ۵۳۰مگاوات بود که عمدتا از طریق سدهای جزرومدی تولید می‌شود و ژنراتورهای جریان جزرومدی هنوز در استقرار تجاری در حال ظهور هستند. کشورهایی مانند بریتانیا، فرانسه، کانادا و کره‌جنوبی در خط مقدم توسعه پروژه‌های انرژی جزرومدی بوده‌اند و از دامنه‌های جزر و مدی قابل‌توجه خود بهره برده‌اند.
فناوری‌های انرژی جزر و مد
فناوری‌های انرژی جزر و مدی عمدتا به سه نوع طبقه‌بندی می‌شوند: دامنه جزر و مدی، جریان جزرومدی و اشکال ترکیبی. فناوری‌های دامنه جزرومدی، انرژی پتانسیل ایجاد شده توسط اختلاف ارتفاع بین جزر و مد بالا و پایین را مهار می‌کنند، در حالی که فناوری‌های جریان جزر و مدی از انرژی جنبشی آب در حال حرکت بهره می‌برند. با وجود پتانسیل خود، هزینه‌های اولیه بالا و هزینه‌های نگهداری مداوم تا حدی به دلیل محیط خورنده دریایی، چالش‌هایی را برای پذیرش گسترده ایجاد کرده است.
چالش‌های اقتصادی و جغرافیایی
امکان‌سنجی اقتصادی انرژی جزر و مدی همچنان یک نگرانی حیاتی است، به طوری که هزینه‌ها از ۱۳۰ تا ۲۸۰دلار در هر مگاوات ساعت متغیر است که به طور قابل‌توجهی بالاتر از انرژی بادی است که به طور متوسط حدود ۲۰ دلار در هر مگاوات ساعت است. این هزینه‌های بالا به زنجیره تامین محدود برای فناوری‌های جزر و مدی نسبت داده می‌شود که هنوز قادر به تولید انبوه قطعات لازم نیست، همراه با مهندسی پیچیده‌ای که برای نیروگاه‌های جزر و مدی مورد نیاز است. علاوه بر این، محدودیت‌های جغرافیایی مانع از ایجاد سایت‌های انرژی جزرومدی می‌شود زیرا مکان‌های مناسب کمیاب هستند و ممکن است اکوسیستم‌های دریایی محلی را مختل کنند.
تحولات مداوم
تلاش‌های قابل‌توجهی برای پیشبرد فناوری‌های انرژی جزر و مدی در حال انجام است. در ولز، یک مدل هیدرودینامیکی جزر و مدی ملی در حال توسعه است تا مناطق بهینه استخراج انرژی جزرومدی را شناسایی کند، با برنامه‌هایی برای یک مطالعه امکان‌سنجی دقیق برای نیروگاه‌های بالقوه در مقیاس تجاری. ایالات متحده نیز سرمایه‌گذاری در فناوری‌های انرژی جزر و مدی و امواج را آغاز کرده است که با سرمایه‌گذاری ۲۷میلیون دلاری تحقیق و توسعه که توسط وزارت انرژی اعلام شده نشان داده شده است. پروژه‌هایی مانند توربین O2 در اسکاتلند که انتظار می‌رود ۲۰۰۰ خانه را برای ۱۵ سال آینده تامین کند، نشان‌دهنده نوآوری‌های مداوم در این بخش است.
چشم‌اندازهای آینده
انرژی جزر و مدی به عنوان یک منبع انرژی پاک و تجدیدپذیر، فرصتی را برای کاهش اتکا به سوخت‌های فسیلی و کاهش تغییرات آب‌وهوایی ارائه می‌دهد. با تولید تنها ۰۵/۰ پوند CO2 در هر کیلووات ساعت انرژی جزر و مدی، در مقایسه با انتشار بسیار بالاتر از زغال‌سنگ و گاز طبیعی، گذار به انرژی جزر و مدی می‌تواند نقش حیاتی در کاهش ردپای کربن ایفا کند. با این حال این فناوری باید بر موانع اقتصادی و لجستیکی غلبه کند تا به قابلیت حیات تجاری دست یابد و نقش برجسته‌تری در چشم‌انداز انرژی جهانی ایجاد کند.
آینده انرژی جزر و مد
آینده انرژی جزر و مدی به عنوان یک منبع انرژی پایدار و تجدیدپذیر نویدبخش است. پیشرفت‌ها در فناوری همچنان به افزایش کارایی و قابلیت اطمینان سیستم‌های انرژی جزر و مدی ادامه می‌دهد و آنها را از نظر اقتصادی مقرون به صرفه‌تر می‌کند. محققان بر روی توسعه دستگاه‌هایی تمرکز می‌کنند که ضمن به حداقل رساندن اثرات زیست‌محیطی، جذب انرژی را به حداکثر می‌رسانند که برای رشد این بخش بسیار مهم است.
امکان‌سنجی اقتصادی
امکان‌سنجی اقتصادی پروژه‌های انرژی جزر و مدی به دلیل کاهش هزینه‌های نصب و افزایش کارایی در حال بهبود است. در حالی که سرمایه‌گذاری‌های اولیه می‌تواند قابل‌توجه باشد. سیاست‌های حمایتی و نوآوری‌های تکنولوژیکی، انرژی جزر و مدی را با سایر منابع تجدیدپذیر رقابتی‌تر می‌کند. علاوه بر این، سیستم‌های انرژی جزر و مدی معمولا پس از استقرار، هزینه‌های عملیاتی پایینی دارند و قابلیت حیات بلندمدت آنها را به عنوان یک منبع تغذیه قابل‌توجه افزایش می‌دهند.
ملاحظات زیست‌محیطی
برای به حداقل رساندن اثرات زیست‌محیطی، انتخاب دقیق محل و طراحی پروژه ضروری است. این شامل در نظر گرفتن توزیع حیات وحش دریایی، مسیرهای مهاجرت و انجام ارزیابی‌های کامل اثرات زیست‌محیطی است. مطالعات اخیر بر اهمیت تحقیقات و نظارت مداوم برای درک و کاهش اثرات بالقوه بلندمدت بر اکوسیستم‌های دریایی تاکید دارند. ادغام موفقیت‌آمیز پروژه‌های انرژی جزرومدی با تلاش‌های حفاظت از محیط‌زیست، کلید دستیابی به پذیرش عمومی و تایید نظارتی برای توسعه‌های آینده خواهد بود.
ادغام با سایر منابع تجدیدپذیر
آینده انرژی جزر و مد نیز در پتانسیل آن برای ادغام با سایر منابع تجدیدپذیر مانند انرژی بادی و خورشیدی نهفته است. سیستم‌های انرژی تجدیدپذیر ترکیبی می‌توانند قابلیت اطمینان و انعطاف‌پذیری بیشتری را ارائه دهند، ترکیب انرژی را متنوع کرده و به یک شبکه برق پایدارتر می‌توانند کمک کنند. فناوری‌های شبکه هوشمند نقش حیاتی در این ادغام ایفا خواهند کرد و امکان مدیریت کارآمد منابع انرژی مختلف و افزایش کارایی کلی توزیع انرژی را فراهم می‌کنند.
پتانسیل جهانی
در سطح جهانی پتانسیل انرژی جزر و مدی همچنان بسیار زیاد است به طوری که تخمین زده می‌شود می‌تواند تا ۵۰۰گیگاوات برق تامین کند که معادل بخش قابل‌توجهی از ظرفیت‌های فعلی سوخت فسیلی است. از آنجایی که کشورهای سراسر جهان به دنبال انتقال به سیستم‌های انرژی پاک‌تر برای مبارزه با تغییرات آب‌وهوایی هستند، انرژی جزرومدی فرصتی را نشان می‌دهد که می‌تواند زیرساخت‌های انرژی موجود را تکمیل کرده و به امنیت انرژی کمک کند.
* پژوهشگر انرژی‌های تجدیدپذیر
