محطات توليد الطاقة الكهرومائية

استخدم الإنسان منذ القدم الطاقة الناتجة عن المياه الجارية لإنتاج الطاقة، واستُخدمت طواحين المياه المركبة على مجاري الأنهار لطحن الحبوب منذ حوالي (2000) سنة، وحاليًا تعتبر الطاقة المائية من أكثر مصادر الطاقة المتجددة استخدامًا في توليد الكهرباء وتمثل %17 من الطاقة الكهربائية المنتجة في العالم و 70% من طاقة الكهرباء المتجددة الكلية، ومن المتوقع أن تزيد بنحو 3.1% كل عام على مدى السنوات الخمس والعشرين المقبلة. وهي أقل الطاقات تكلفة.

تأريخ الطاقة الكهرومائية

استخدمت البشرية الطاقة الكهرومائية منذ العصور القديمة، حيث استخدم الإغريق طاقة المياه المتساقطة لتدوير دواليب الماء التي نقلت طاقتها الميكانيكية إلى حجر طحن لتحويل القمح إلى دقيق منذ أكثر من 2000 عام. وفي القرن الثامن عشر الميلادي، تم استخدام الطاقة المائية الميكانيكية على نطاق واسع للطحن والضخ.

بدأ العصر الحديث لتنمية الطاقة الكهرومائية في عام 1870 عندما تم تركيب أول محطة للطاقة الكهرومائية في Cragside بإنجلترا. وبدأ الاستخدام التجاري للطاقة الكهرومائية في عام 1880 في Grand Rapids بولاية ميشيغان الأمريكية، حيث تم استخدام مولد مدار بواسطة توربين مائي لإضاءة مسرح.
كانت لمحطات الطاقة الكهرومائية المبكرة هذه قدرات صغيرة وفقًا لمعايير اليوم ولكنها كانت البداية في تطوير الطاقة الكهرومائية الحديثة.

تتراوح محطات الطاقة الكهرومائية في الحجم من بضع واط فقط للطاقة الكهرومائية إلى عدة غيغاواط أو أكثر للمشاريع واسعة النطاق. عادة ما تحتوي المشاريع الأكبر حجمًا على عدد من التوربينات، لكن المشاريع الأصغر قد تعتمد على توربين واحد فقط. أكبر محطة للطاقة الكهرومائية في العالم هي سد الممرات الثلاثة في الصين بقدرة 22.5 جيجاوات.

مكونات محطة التوليد الكهرومائية

تتألف محطة توليد الكهرباء المائية بصورة عامة من الأجزاء الرئيسية التالية.

1. السد Dam
2. الخزان Reservoir
3. المجرى المائل Penstock: وهو عبارة عن أنبوب كبير أو أكثر من أسفل السد إلى مدخل التوربين وتسيل المياه فيها بسرعة كبيرة يوجد فيها بوابات gates Control للتحكم في كمية المياه المارة.
4. التوربين Turbine: تكون التربينة والمولد عادة في مكان واحد مركبين على محور رأسي واحد
5. المولد Generator: ويركب المولد فوق التربينة وعندما تفتح البوابة في أسفل الأنابيب المائلة تتدفق المياه بسرعة كبيرة في تجاويف مقعرة فتدور بسرعة وتدير معها العضو الدوار في المولد حيث تتولد الطاقة الكهربية على أطراف هذا المولد.
6. أنبوب السحب outflow: بعد أن تعمل المياه المتدفقة في تدوير التربين فلابد من سحبها للخارج بسرعة ويسر حتى لا تعوق الدوران.
7. المعدات و الآلات المساعدة: مثل المضخات و المفاتيح ومعدات تنظيم سرعة الدوران.

كيف تعمل الطاقة الكهرومائية؟

يبنى سد على مجرى مائي، فيحجز الماء خلفه لتتكون بحيرة اصطناعية بسعة مائية كبيرة. وتمتلك المياه الموجودة على ارتفاع معين طاقة كامنة في موقعها، فإذا هبطت كمية المياه إلى ارتفاع أدنى، تحولت الطاقة الكامنة إلى طاقة حركية.

تحول المحطات الكهرومائية (Hydro-power Plant) الطاقة الحركية الناتجة عن تدفق الماء إلى طاقة كهربائية، وذلك باستغلال مصبات الشلالات أو بناء السدود لتخزين مياه الأنهار. تتدفق المياه عبر الممرات المخصصة لها داخل السد مرورا بتوربينات الماء. تحول التوربينات الطاقة الحركية للماء إلى قدرة ميكانيكية على شكل حركة دائرية. تنقل هده القدرة إلى المولد الكهربائي عبر المحاور المرتبطة مع التوربينات فتحولها بدورها إلى طاقة كهربائية

أقرأ ايضًا: أنواع محطات توليد الطاقة الكهربائية

تتميز هذه المحطات عموما بأنها تنتج طاقة نظيفة، وتستغرق عدة دقائق في الدخول على الشبكة (يمكن أن يرفع الإنتاج من 20MW إلى MW 150 مباشرة) لكن يعيبها أنها تحتاج إلى تكلفة إنشاء عالية، وأن عملها مرتبط بكمية المياه المتوفرة في السد،
وبالتالي فالذي يتحكم في عملها مؤثرات خارجية مثل منسوب المياه المنصرف وسقوط الأمطار.

مزايا محطة الطاقة الكهرومائية

1. تعتمد على المياه كمصدر طاقة وبالتالي لا يوجد تكلفة للوقود.
2. محطة الطاقة الكهرومائية موثوقة للغاية.
3. تكاليف الصيانة والتشغيل منخفضة للغاية.
4. كفاءة المحطة لا تتغير بمرور الزمن.
5. يستغرق تشغيل المحطة ومزامنتها بضع دقائق.
6. لا ينتج عنها مخلفات مثل الرماد وملوثات الجو.
7. بالإضافة إلى توليد الطاقة، تستخدم هذه المحطات أيضًا للتحكم في الفيضانات وأغراض الري.
8. لها عمر طويل نسبياً (100-125 سنة مقابل 20-45 سنة لمحطة حرارية).
9. تكلفة الأرض ليست مشكلة كبيرة لأن محطات الطاقة الكهرومائية تقع بعيدا عن المناطق الحضرية والمدن.

سلبيات محطات التوليد المائية

1. التكلفة الأولية للمحطة مرتفعة للغاية.
2. يستغرق إنشاء مثل هذه المحطات فترة طويلة.
3. تقع هذه المحطات عادة في مناطق جبلية بعيدة عن مركز التحميل، وتتطلب خطوط نقل طويلة لتوصيل الطاقة، وبالتالي فإن تكلفة خطوط النقل والخسائر فيها ستكون أكثر.
4. يعتمد توليد الطاقة بواسطة محطة الطاقة الكهرومائية على كمية المياه المتاحة والتي تعتمد بدورها على المطر.

ما هي تكلفة المحطة المائية؟

تكلفة انشاء محطة توليد الطاقة الكهرومائية تختلف من $1000 إلى $3500 لكل كيلوواط. وفيما يلي نسبة التكلفة لكل جزء في المحطة.

1. الخزان، السد، وما يتعلق بهما 35٪
2. التوربينات والمولدات 20٪
3. الأرض والمباني والأساسات 30٪
4. القواطع والأسلاك 5٪
5. الأرض المستخدمة للمحطة الكهربائية (Switchyard) 5٪
6. متفرقات 5٪

بينما تبلغ تكلفة الكهرباء في المحطة الكهرومائية بسعة أكبر من 10 ميغاواط من 3 إلى 5 سنتات دولار أمريكية لكل كيلوواط ساعي.

حساب الطاقة المائية المتوفرة

يمكن حساب القدرة النظرية المتاحة من المياه المتساقطة باستخدام الصيغة التالية:
القدرة (وات) = الارتفاع (م) × كمية التدفق (م/ث) × عجلة الجاذبية (9.81 م/ث²) × كثافة المياه (1000 كجم/م³) × كفاءة المحطة.

تعتمد كمية الطاقة الكهربية المولدة من المحطة الكهرومائية على عنصرين أساسيين هما: ارتفاع المياه خلف المحطة، ومعدل تدفق كمية المياه خلال التوربينات.
بالنسبة إلى الكفاءة فهي تبلغ تقريبًا 85% بالنسبة لمحطات الطاقة المائية. وتختلف قدرة كل سد مائي في توليد الكهرباء بحسب ارتفاع منسوب الماء فيه وكمية الماء التي تندفع في التوربين وكفاءة التوربين والمولد.