توليد الكهرباء من الماء.. تقنيات بسيطة تحمي العالم من آثار تغير المناخ

دعت العديد من التقارير المعنية بالطاقة إلى ضرورة التوسع في مشروعات توليد الكهرباء من الماء، باعتبارها أحد مصادر الطاقة المتجددة والنظيفة التي تعوّل عليها العديد من دول العالم في تأدية دور رئيس نحو خفض الانبعاثات وتحقيق الحياد الكربوني.

وعلى الرغم من التحديات التي تواجهها الطاقة الكهرومائية أو ما يُعرب بتوليد الكهرباء من الماء، جراء التغيرات المناخية، التي تدفع إلى تنامي الجفاف حول العالم، استحوذت الطاقة الكهرومائية على 37% (1.2 تيراواط) من سعة الطاقة المتجددة المركبة عالميًا (3.37 تيراواط)، بنهاية 2022، وفق تقديرات الوكالة الدولية للطاقة المتجددة (آيرينا).

وطالبت آيرينا بمضاعفة السعة بحلول عام 2050، من أجل تحقيق الهدف المناخي والوصول إلى الحياد الكربوني وفق اتفاق باريس للمناخ.

وعلى الرغم من الدور المهم لتوليد الكهرباء من الماء في تلبية الطلب المتزايد على الكهرباء، وتأديتها دورًا مهمًا في تأمين احتياجات العديد من دول العالم، خاصة النامية منها، فإن آليات توليد الكهرباء من الماء تثير حيرة العديد من غير المتخصصين.

إنتاج الطاقة الكهرومائية

عادةً، تقع محطات توليد الكهرباء من الماء على مصدر المياه أو بالقرب منه، ويحدد حجم تدفق الماء والتغير في الارتفاع -أو الانخفاض، وغالبًا ما يُشار إليه بالرأس- من نقطة إلى أخرى كمية الطاقة المتاحة في نقل المياه.

وعمومًا كلما زاد تدفق المياه وارتفاع الرأس، زادت الكهرباء التي يمكن أن تنتجها محطة الطاقة الكهرومائية، وفق إدارة معلومات الطاقة الأميركية.

وفي محطات الطاقة الكهرومائية، يتدفق الماء عبر أنبوب، أو فتحات السدود، ثم يندفع باتجاه التوربين ويدفعها لتدوير مولد لإنتاج الكهرباء.

كيفية توليد الكهرباء من الماء؟

يحتاج أي نظام لتوليد الكهرباء من الماء إلى توربين أو مضخة أو عجلة مائية لتحويل طاقة المياه المتدفقة إلى طاقة دورانية، التي تُحوّل إلى كهرباء.

وعادة ما تتكوّن أنظمة الطاقة الكهرومائية من هذه المكونات:

• نقل المياه؛ قناة أو خط أنابيب أو خط أنابيب مضغوط لنقل المياه.
• التوربينات أو المضخة أو العجلة المائية؛ لتحويل طاقة المياه المتدفقة إلى طاقة دورانية.
• المولد لتحويل الطاقة الدورانية إلى كهرباء.
• منظم من أجل التحكم في المولد.
• الأسلاك لتوصيل الكهرباء ونقلها.

الطاقة الكهرومائية لا تتطلب بالضرورة سدًا كبيرًا، إذ يمكن أن تستعمل بعض محطات الطاقة الكهرومائية قناة صغيرة لتوجيه مياه النهر عبر التوربينات.

وفي حالة السد الكهرومائي، تُستعمل المياه المتدفقة مصدرًا للطاقة لتشغيل التوربين، والسدود بها ممرات خاصة للمياه، وتنحدر هذه الممرات إلى أسفل لتكوين تدفق للمياه المتساقطة.

وعندما يسقط الماء أسفل الممر، يُوجّه عبر مراوح التوربين، وتعمل قوة المياه المتدفقة على تشغيل التوربين، ويدوّر التوربين العمود المعدني في المولد الكهربائي، الذي يولّد الكهرباء من الماء.

جريان المياه في الأنهار

يؤدي جريان المياه في الأنهار دورًا رئيسًا في توليد الكهرباء من الماء، إذ تمارس قوة تيار النهر ضغطًا على التوربينات، وقد يكون للمنشآت كالسدود التي يجرى تنفيذها على مجاري الأنهار دور لتحويل تدفق المياه إلى التوربينات المائية.

كما تؤدي أنظمة التخزين دورًا مهمًا، إذ تُجمع المياه في الخزانات التي أنشأتها السدود على الجداول والأنهار، ويجري إطلاقها من خلال التوربينات المائية حسب الحاجة لتوليد الكهرباء.

وغالبًا ما تمتلك معظم منشآت توليد الكهرباء من الماء -محطات الطاقة الكهرومائية- سدودًا وخزانات لتخزين المياه يجري من خلالها التحكم في تدفق المياه على التوربينات.

ويمكن لنوع آخر من محطات الطاقة الكهرومائية -يُسمى محطة التخزين بالضخ- تخزين الكهرباء، إذ تُرسل الطاقة من شبكتها إلى المولدات الكهربائية، وتدوّر المولدات بعد ذلك التوربينات للخلف، ما يجعل التوربينات تضخ المياه من نهر أو خزان سفلي إلى خزان علوي، إذ تُخزن الكهرباء، وتُطلق المياه من الخزان العلوي مرة أخرى إلى أسفل النهر أو الخزان السفلي، ويؤدي هذا إلى تدوير التوربينات للأمام، وتنشيط المولدات لإنتاج الكهرباء.

أحيانًا يجري توفير الكهرباء اللازمة للضخ عن طريق التوربينات المائية أو أنواع أخرى من محطات الطاقة، بما في ذلك الوقود الأحفوري أو محطات الطاقة النووية، وعادةً ما تُضخ المياه للتخزين عندما يكون الطلب على الكهرباء وتكاليف التوليد، أو عندما تكون أسعار الكهرباء بالجملة منخفضة نسبيًا وتطلق المياه المخزنة لتوليد الكهرباء خلال أوقات ذروة الطلب على الكهرباء عندما تكون أسعار الكهرباء بالجملة مرتفعة نسبيًا.

وبحسب إدارة معلومات الطاقة الأميركية، تستعمل الأنظمة الكهرومائية التي تُخزن بالضخ عمومًا قدرًا أكبر من الكهرباء لضخ المياه إلى خزانات تخزين المياه العلوية مقارنةً بالمياه المخزنة، ومن ثم مرافق الضخ والتخزين لديها صافي أرصدة سالبة لتوليد الكهرباء.

دورة المياه

تعتمد الطاقة الكهرومائية على دورة المياه، إذ يُعد فهم دورة المياه أمرًا مهمًا لفهم كيفية توليد الكهرباء من الماء، وتتكون دورة الماء حسب إدارة معلومات الطاقة الأميركية من 3 خطوات:

• تعمل الطاقة الشمسية على تسخين المياه على سطح الأنهار والبحيرات والمحيطات، ما يؤدي إلى تبخر المياه.
• يتكثّف بخار الماء في شكل غيوم ويسقط كتساقط المطر والثلج.
• يتجمع هطول الأمطار في الجداول والأنهار، التي تصب في المحيطات والبحيرات، إذ تتبخر وتبدأ الدورة مرة أخرى.

وأشارت إدارة معلومات الطاقة إلى أن كمية الأمطار التي تصب في الأنهار والجداول في منطقة جغرافية تحدد كمية المياه المتاحة لتوليد الكهرباء من الماء والمعروفة بـ"الطاقة الكهرومائية"، إذ يمكن أن تكون للتغيرات الموسمية في هطول الأمطار والتغيرات طويلة الأجل في أنماط هطول الأمطار، مثل حالات الجفاف، تأثيرات كبيرة على توافر إنتاج الطاقة الكهرومائية.

تاريخ الطاقة الكهرومائية

يُعد توليد الكهرباء من الماء واحدة من أقدم مصادر الطاقة لإنتاج الطاقة الميكانيكية والكهربائية، كما أنها أكبر مصدر لإجمالي توليد الكهرباء من مصادر الطاقة المتجددة في العالم حتى الآن وظلت كذلك في أميركا حتى عام 2019.

ومنذ آلاف السنين، استعمل الناس الطاقة الكهرومائية لقلب عجلات المجذاف على الأنهار لطحن الحبوب، وقبل توفر الطاقة البخارية والكهرباء في الولايات المتحدة، كانت مصانع الحبوب والأخشاب تعمل بالطاقة الكهرومائية مباشرة.

وكان أول استعمال صناعي للطاقة الكهرومائية لتوليد الكهرباء من الماء في الولايات المتحدة خلال عام 1880 لتشغيل 16 مصباحًا من مصابيح قوس الفرشاة في مصنع ولفيرين للكراسي في غراند رابيدز بولاية ميشيغان.

وافتتحت أول محطة للطاقة الكهرومائية في الولايات المتحدة لبيع الكهرباء على نهر فوكس بالقرب من أبليتون، ويسكونسن، في 30 سبتمبر/أيلول 1882.

محطات الطاقة الكهرومائية في أميركا

هناك نحو 1450 محطة طاقة مائية تقليدية و40 محطة طاقة مائية للتخزين بالضخ تعمل في الولايات المتحدة، وتُعد أقدم منشأة طاقة مائية عاملة في الولايات المتحدة هي محطة وايتينج في وايتينج بولاية ويسكونسن، التي بدأت العمل في عام 1891 ويبلغ إجمالي طاقتها نحو 4 ميغاواط.

ويُنتج معظم الطاقة الكهرومائية في الولايات المتحدة في السدود الكبيرة على الأنهار الرئيسة، وقد بُني معظم السدود الكهرومائية قبل منتصف السبعينيات من قبل الوكالات الحكومية الفيدرالية.

وتُعد أكبر منشأة للطاقة الكهرومائية في الولايات المتحدة، وأكبر محطة للطاقة الكهربائية في الولايات المتحدة من ناحية القدرة على التوليد، هي سد جراند كولي المائي على نهر كولومبيا في واشنطن بقدرة توليد إجمالية تبلغ 6 آلاف و765 ميغاواط.

وتقول إدارة معلومات الطاقة الأميركية إن للناس تاريخًا طويلًا في استعمال قوة المياه المتدفقة في الجداول والأنهار لإنتاج الطاقة الميكانيكية.

وكانت الطاقة الكهرومائية أحد المصادر الأولى للطاقة المستعملة لتوليد الكهرباء، وحتى عام 2019، كان توليد الكهرباء من الماء أكبر مصدر لإجمالي توليد الكهرباء السنوية المتجددة في الولايات المتحدة.

وفي عام 2022، شكّلت الطاقة الكهرومائية نحو 6.2% من إجمالي توليد الكهرباء في الولايات المتحدة، ونحو 28.7% من إجمالي توليد الكهرباء المتجددة.

سوق الطاقة الكهرومائية

كانت تقارير الطاقة الكهرومائية الصادرة مؤخرًا عن وكالة الطاقة الدولية، قد توقعت تباطؤ نمو سعة الطاقة الكهرومائية عالميًا خلال العقد الحالي (2030)، إذ من المتوقع أن تشهد زيادة 17% -ما يعادل 230 غيغاواط- بقيادة كل من الصين والهند وتركيا وإثيوبيا.

وحافظت الطاقة الكهرومائية على الحصة الأكبر من إجمالي قدرة توليد الكهرباء المتجددة العالمية عند 1.250 تيراواط، بعد زيادة قدرها 21 غيغاواط، خلال العام الماضي (2022).

وتسهم الطاقة الكهرومائية في تلبية غالبية الطلب على الكهرباء في 28 اقتصادًا ناشئًا وناميًا، بإجمالي عدد سكان قدره 800 مليون نسمة.

تنبيه.. جرى تحديث هذا التقرير في 18 أكتوبر/تشرين الأول 2023.

موضوعات متعلقة..

• الطاقة الكهرومائية.. تقرير أسترالي يراها فرصة ذهبية لتحقيق الحياد الكربوني
• آيرينا: الطاقة الكهرومائية أكبر مصدر لـ"الكهرباء النظيفة" في العالم
• مطالب دولية بالاستثمار في الطاقة الكهرومائية بدلًا من بطاريات التخزين التقليدية

اقرأ أيضًا..

• ما هو الفحم؟.. 10 محاور تسرد قصة حياة الوقود المنبوذ بيئيًا (تقرير)
• ما هو منتدى الدول المصدرة للغاز؟
• ما هي الطاقة النووية؟