إحداثيات:

الطاقة الكهرمائية (بالإنجليزية: Hydroelectricity) هي الكهرباء المنتجة من الطاقة المائية. في عام 2015، ولّدت الطاقة المائية 16.6% من إجمالي الكهرباء في العالم و70% من طاقة الكهرباء المتجددة الكلية، ومن المتسقط حتى تزيد بنحو3.1% جميع عام على مدى السنوات الخمس والعشرين المقبلة.

تُنتج الطاقة الكهرمائية في 150 دولة، إذ ولّدت منطقة آسيا والمحيط الهادئ 33% من الطاقة الكهرمائية العالمية في عام 2013. تُعتبر الصين أكبر منتج للطاقة الكهرمائية، إذ بلغ إنتاجها 920 تيراواط ساعي في عام 2013 ما يمثل 16.9% من استهلاك الكهرباء المحلي.

تُعد تكلفة الطاقة الكهرمائية منخفضة نسبيًا، الأمر الذي يجعلها مصدرًا تنافسيًا للكهرباء المتجددة. لا تستهلك المحطة المائية أيّ مياه، على عكس محطات الفحم أوالغاز. تبلغ التكلفة القياسية للكهرباء في محطة مائية بسعة أكبر منعشرة ميغاواط من ثلاثة إلىخمسة سنتات أمريكية لكل كيلوواط ساعي. نتيجة وجود سد وخزان؛ تُعد أيضًا مصدرًا مرنًا للكهرباء، إذ إذا الكمية التي تنتجها المحطة يمكن حتى تختلف صعودًا أوهبوطًا بشكل سريع جدًا (أقل من بضع ثوانٍ) للتكيف مع متطلبات الطاقة المتغيرة. بعد إنجاز بناء المجمع الكهرومائي، لا ينتج المشروع أيّ نفايات مباشرة، وعادة ماقد يكون ذا مستوى إنتاج للغازات الدفيئة أقل بكثير مقارنة بمحطات الطاقة الكهروضوئية ومحطات الطاقة التي تعمل بالوقود الأحفوري بالتأكيد، بيد أنه عند بناء المشاريع في مناطق الغابات المطيرة المنخفضة حيثقد يكون غمر جزء من الغابة أمرًا ضروريًا، فإنها تصدر عمليًا ما يصل إلى ثلاثة إلى أربعة أضعاف أكثر من الغازات الدفيئة.

أصل التسمية

الطاقة الكهرومائية تعبير عن ثلاث حدثات، وهم الطاقة الكهربائية المائية، حيث تم هجريب لفظا الكهربائية والمائية، في لفظ منحوت ليصبح اللفظ الكهرومائية.

محطات توليد الطاقة الكهرومائية المعتمدة

هناك تنوع كبير من محطات الطاقة الكهرومائية اعتمادا على تكوين المجرى المائي، والتضاريس، وارتفاع الشلال:

• المواقع الجبلية مع ازدياد كبير ولكن معدلات تدفق منخفضة؛
• المحطات متوسطة الحجم ذات التدفق العالي.
• المصانع في مجرى المياه، مع ازدياد منخفض (10-15 م) ولكن تدفق مهم جدا

محطات نقل الطاقة عن طريق ضخها، وتديرها العنفات في المصب في أوقات الاستهلاك المرتفع، وضخ المياه في المنبع خلال ساعات *محطة توليد طاقة المد والجزر، توجيه تيارات المد والجزر اعتمادا على طبيعة السد (السدود، الوزن، النادىمات، الأرض، المحمول...): سقوط مرتفع أومتوسط أومنخفض، وتستخدم ثلاثة أنواع رئيسية من التوربينات (المراوح أوالعنفات) على التوالي: بيلتون (Pelton)، فرانسيس (Francis)أوكابلان (Kaplan)

كيفية توليد الطاقة الكهرومائية

تعتمد كيفية التوليد على تحويل طاقة الوضع للمياه إلى طاقة حركية أولا حيث ينهدر الماء من عالي ليدير توربينا، فيدير بدوره مولد كهربائي وينتج لنا طاقة كهربائية. تعتمد كمية الطاقة المنتجة على كمية الماءالمارة بالثانية وعلى ازدياد الماء، فحدثا زاد معدل كمية الماء المار في التوربين زادت الطاقة المنتجة، وحدثا زاد ازدياد الماء زادت الطاقة الناتجة أيضا، ومعامل التناسب هوعجلة الجاذبية الأرضية كما سنراه هنا.

ولتوليد الكهرباء من طاقة وضع الماء يستلزم الآتي:

• يبنى سد على مجرى مائي، فيحجز الماء خلفه لتتكون بحيرة اصطناعية عالية بسعة مائية كبيرة. وتعتمد طاقة الوضع في ذلك الخزان الكبير على كمية المياه التي يحتويها (وبالتالي كتلتها) , وعلى ازدياد منسوب الماء، وعلى الجاذبية الأرضية، طبقا للمعادلة الرياضية:

طاقة الوضع = كتلة × الجاذبية الأرضية × ارتفاع

حيث: نقيس الكتلة بالكيلوجرام

- والجاذبية: 81 .9 متر/ مربع الثانية

- الارتفاع: بالمتر (ارتفاع منسوب الماء بالنسبة للتوربين)

• عند فتح المنفذ المائي في السد، تتدفق المياه بتأثير الجاذبية، وتتحول طاقة الوضع الكامنة في الماء إلى طاقة حركية. وإذا أهملنا مقاومة أنبوب تدفق المياه أثناء حركتها إلى التوربين يمكن القول حتى طاقة الوضع للماء تتحول بكاملها تقريبا إلى طاقة حركية تدير التوربين.
• يدير التوربين بدوره مولد الكهرباء في معمل التوليد وينشأ التيار الكهربائي.

يعتمد مردود هذه العملية على كفاءة تدوير العنفات، ومقدار الطاقة المهدورة بالاحتكاك خلال التدوير.

• في المولد الكهربائي تتحول طاقة التدوير الآلية بواسطة المجال المغناطيسي العالي الموجود به إلى توليد الطاقة الكهربائية بالحث المغناطيسي، تماما كما في مولد الدراجة (يسمى أحيانا "الدينامو") أوالسيارة.
• أخيرا تنقل الطاقة الكهربائية المولدة إلى شبكة التغذية بتوتر عال لتقليل الهدر الناجم عن مقاومة التيار الكهربائي في الأسلاك.

تستعمل تقنيات أخرى في توليد الطاقة الكهرَمائية، كاستخدام طاقة المياه الحركية في الأمواج مثلا أوطاقة المد والجزر.

قدرة محطة كهرمائية

في المعادلة المذكورة اعلاه لا تقل شيئا عن المعدل الزمني لانهيار المياه، وهذا لا بد من أخده في الحسبان حيث يمكن لكمية الماء حتى تنهدر خلال ثانية واحدة أوخلال شهر مثلا، فيكون معدل إنتاج الكهرباء أيضا مختلفا.

وعمليا يستخدم المهندسون معادلة تشبه المعادلة السابقة تاخذ معدل تدفق المياه في الثانية، كما تأخذ في الحسبان كفاءة عمل التوربين والمحول الكهربائي.

تعتمد قدرة محطة توليد مائية P على تدفق الماء Q (بالمتر المكعب في الثانية) وارتفاع تدفق الماء h بالمتر وكفاءة η التوربين والمولد الكهربائي والمحول الكهربائي في تحويل طاقة الحركة إلى طاقة كهربائية.

وبالنسبة إلى الكفاءة فهي تحتسب بالتقريب بنحو85% بالنسبة لمحطات القوى المائية، كما يفضل المهندسون حسبا تدفق الماء بالمتر مكعب/ثانية Q من الماء بدلا من كيلوجرام/ثانية، فتكون معادلة القدرة كالآتي وهي تأخذ في الاعتبار كفاءة التوربين والمولد الكهربائي η ، كالآتي:

${\displaystyle P=Q\cdot h\cdot 8,5\,\mathrm {kN /\mathrm {m ^{3$

حيث: g عجلة الجاذبية الأرضية ، وρ كثافة الماء كيلوجرام/متر³

(إشارة:(g • ρ • η ≈ 8,5 kN /M3)

وحسبنا هذا الثابت بوحدة كيلونيوتن /متر مكعب من أجل حساب معدل تدفق الماء Q بالمتر مكعب/ثانية، ونحسب الارتفاع بالمتر، فنحصل على القدرة الكهربائية الناتجة بالكيلوواط)

مثال:

في توربين سد مائي يبلغ ارتفاعهستة متر يمر ماء بحجم 20 متر مكعب/ثانية. بالتعويض عن تلك القيم في معادلة القدرة نحصل على قدرة المحطة:

P = 20 m³/s • 6 m • 8,5 kN/m³ = 1020 kW

أي حتى قدرة المحطة تبلغ 1020 كيلوواط

أي تبلغ 1.02 ميجاواط

وتختلف قدرة جميع سد مائي في توليد الكهرباء بحسب أرتفاع منسوب الماء فيه وكمية الماء التي تندفع في التوربين أوالتوربينات وكفاءة التوربين والمحول الكهربائي ، كما تقول لنا معادلة القدرة. أكبر محطة لتوليد الكهرباء من سد مائي هي 18.000 ميجاواط وتوجد في الصين الشعبية.

تتميز محطات القوى التي تنتج الكهرباء من ماء السدود بدرجة كفاءة عالية. فكفاءة التوربينات والمولدات الكهربائية قد تصل إلى 90% في تحويل طاقة الحركة (اندفاع الماء) إلى طاقة كهربائية.

الاستخدام العالمي ومزايا الطاقة الكهرَمائية

تقدر حصة الطاقة الكهرمائية بنسبة 19 بالمئة من إنتاج الطاقة الكهربائية العالمي(المصدر: الويكي الفرنسية). وتكمن أهميتها في أنها من مصادر الطاقة المتجددة، والأقل خطرا على البيئة مقارنة بمعامل الكهرباء الحرارية التي تعمل بالوقود العضوي (فحم، نفط...) أوالنووي.

وبشكل عام، تعتبر عملية توليد هذا النوع من الطاقة عالية المردود، إذ يصل مردودها إلى نسبة 80% - 90% وأكثر.

أكبر قدرة لمحطة توليد مائية موجودة حاليا تصل إلى 18 جيجاواط (سد الصين العظيم).

التخزين

الطريقة الوحيدة المستعملة حاليا في خزن الطاقة الكهربائية، والتي تتناسب مع الكميات الهائلة من الطاقة المخزَّنة والمسترجعة، هي طريقة ضخ المياه إلى خزان علوي عند توفر فائض من الإنتاج ثم استعمال هذه المياه المخزنة لتولد الطاقة عند ذروة الطلب. وهذه الدورة يمكن حتى تكون يومية أوأسبوعية أوفصلية. وتسمى بتقنية الطاقة الكهرمائية بالضخ والتخزين

الإمكانات المستقبلية

تُعد الإمكانات التقنية لتنمية الطاقة الكهرمائية في مختلف أنحاء العالم أعظم بكثير من الإنتاج العملي: إذ تبلغ نسبة الطاقة الكهرمائية المحتملة التي لم تُطوَّر 71% في أوروبا، و75% في أميركا الشمالية، و79% في أميركا الجنوبية، و95% في أفريقيا، و95% في الشرق الأوسط، 82% في آسيا والمحيط الهادئ. بسبب الوقائع السياسية لخزانات المياه الجديدة في الدول الغربية، والقيود الاقتصادية في العالم الثالث والافتقار إلى نظام نقل في المناطق غير المتقدمة، من المحتمل تنمية 25% من الإمكانيات المتبقية القابلة للاستغلال التقني قبل عام 2050، مع وجود الجزء الأكبر منها في منطقة آسيا والمحيط الهادئ. نجحت بعض البلدان إلى حد كبير بتنمية قدراتها في مجال الطاقة المائية، ولم يعد لديها سعة كافية للنمو: إذ تنتج سويسرا 88% من إمكاناتها، وتنتج المكسيك 80%

مراجع

انظر أيضا

• قائمة سدود كهرومائية عملاقة
• طاقة
• طاقة متجددة
• طاقة ريحية
• طاقة شمسية
• طاقة حيوية
• كتلة حيوية
• طاقة المد والجزر
• وحدة طاقة
• سياسة الطاقة الكهرومائية فى الولايات المتحدة