انرژی باد و عملکردها و تاثیرهای اقتصادی آن بر تولید برق

استفاده از انرژیهای تجدیدپذیر و بهره‌گیری از انرژی باد برای تولید الكتریسیته از جمله مباحث مهمی است كه سبب حفظ محیط زیست و استفاده موثرتر از انرژیهای نو در عرصه صنعت برق كشور خواهد شد.
در مقاله زیر كه به وسیله نرگس احتشامی كارشناس دفتر بودجه شركت برق منطقه‌ای اصفهان تهیه و تنظیم شده، ضمن شناساندن انرژی باد و كاركردهای آن به مزایای استفاده از این انرژی در تولید الكتریسیته تاكید شده است.
عرضه و تقاضای انرژی در جهان به صورت یكی از مسائل روز درآمده است. انرژی‌های فسیلی مانند نفت، گاز و ذغال سنگ روزی تمام خواهند شد و با پایان یافتن آنها چرخ تمدن بشری كه بستگی مستقیم به انرژی دارد متوقف خواهد گشت. این مساله موجب شده كه كشورهای توسعه یافته صنعتی با جدیت هرچه بیشتر استفاده از سایر انرژی‌های تجدیدپذیر موجود در طبیعت مانند انرژی خورشید، باد، گرمای درون زمین و جزر و مد را مورد توجه قرار دهند. هم‌اكنون پیشرفت‌های زیادی درمورد استفاده از انرژی باد حاصل شده است. انرژی باد اغلب در دسترس بوده و هیچ نوع آلودگی برجای نمی‌گذارد و می‌تواند از نظر اقتصادی نیز در درازمدت قابل مقایسه با سایر منابع انرژی باشد.
● انرژی باد چیست؟
انرژی باد، انرژی حاصل از هوای متحرك است. هنگامی كه تابش خورشید به طور نامساوی به سطوح ناهموار زمین می‌رسد سبب ایجاد تغییر دما و فشار می‌شود و در اثر این تغییرات باد بوجود می‌آید. همچنین اتمسفر كره زمین به دلیل حركت وضعی زمین، گرما را از مناطق گرمسیری به مناطق قطبی انتقال می‌دهد كه این امر نیز باعث به وجود آمدن باد می‌شود. جریان اقیانوسی نیز به صورت مشابه عمل كرده و عامل ۳۰ درصد انتقال حرارت كل در جهان است. در مقیاس جهانی این جریانات آتمسفری به صورت یك عامل قوی جهت انتقال حرارت و گرما عمل می‌كنند. دوران كره زمین نیز می‌تواند در برقراری الگوهای نیمه دائم جریانات سیاره‌ای در اتمسفر، انرژی مضاعف ایجاد كند.
● تاریخچه استفاده از انرژی باد
انسان از زمان‌های بسیار دور، انرژی باد را به شیوه‌های مختلف به كار گرفته است. ایرانیان اولین كسانی بودند كه در حدود ۲۰۰ سال قبل از میلاد مسیح برای آردكردن غلات از آسیابهای بادی استفاده كرده‌اند. همچنین مصریان باستان از نیروی باد برای راندن كشتی‌های خود روی رودخانه نیل بهره برده‌اند. در قرن هفدهم میلادی، مردم هلند طرح پایه آسیابهای بادی را بهبود دادند. همین امر باعث شد تا این كشور در زمره غنی‌ترین و صنعتی‌ترین كشورهای اروپا قرار گیرد. برخی از كشورها از آسیاب‌های بادی را برای آسیاب گندم و ذرت، پمپ كردن آب و قطع درختان استفاده كرده‌اند. در آغاز قرن بیستم اولین توربین‌های بادی سریع و مدرن ساخته شد. امروزه فعال‌ترین كشورها در این زمینه آلمان، ایتالیا، آمریكا، دانمارك و هند هستند.
● مزایای استفاده از انرژی باد
مزایای استفاده از انرژی باد به شرح زیر است:
▪ عدم نیاز توربین‌های بادی به سوخت كه در نتیجه از میزان مصرف سوخت‌های فسیلی می‌كاهد
▪ رایگان بودن انرژی باد
▪ توانایی تأمین بخشی از تقاضای انرژی برق
▪ كمتر بودن نسبی قیمت انرژی حاصل از باد در بلندمدت
▪ تنوع بخشیدن به منابع انرژی و ایجاد سیستم پایدار انرژی
▪ نیازنداشتن به آب
▪ نیاز نداشتن به زمین زیاد برای نصب
▪ ایجاد اشتغال
▪ نداشتن آلودگی زیست محیطی
● ناكارآمدیهای استفاده از انرژی باد
▪ اثر منظره‌ای:
یكی از بزرگترین موانع بهره‌برداری از نیروی باد مسأله تأثیر زیست محیطی آن است. بسیاری از مردم می‌‌گویند مولدهای بادی از نظر ظاهری ناخوشایند بوده و پر سروصدا هستند به ویژه به دلیل اینكه در نواحی زیبای خارج از مناطق شهری قرار دارند. اما باید گفت مولدی كه سوخت آن ذغال سنگ است، مسلماً پر سر و صداتر و زشت‌تر از دكلهای آسیاب بادی خواهد بود. صدای متوالی توربین‌های دكلهای آسیاب بادی برای كسانی كه در نزدیكی آنها زندگی می‌كنند، یك موضوع مهم به شمار می‌رود. اكنون صدای این مولدها به كمك فناوری چرخ دنده‌ها و توربین‌های سه تیغه‌ای قابل كنترل است.
▪ پرندگان:
فعالیت توربین‌های بادی ممكن است به پرندگان صدمه بزند كه می‌تواند به صورت كشته شدن پرندگان در نتیجه برخورد با برج یا پره‌های روتور و یا از طریق بهم خوردگی تولید مثل یا استراحتگاه پرندگان در مجاورت توربین ظاهر شود.
▪ صدا:
مزاحمتی كه صدای تولیدی به وسیله توربین‌های بادی ایجاد می‌كند شاید مهمترین عامل محدودكننده نصب توربین‌های بادی در مجاورت نواحی مسكونی است. انتشار صوت توربین‌های بادی از اجزای مكانیكی و آیرودینامیكی حاصل می‌شود. سهم آیرودینامیكی صدای تولیدشده تابعی از سرعت باد است.
▪ تداخل مخابراتی:
توربین‌های بادی برای امواج الكتریسیته در محیط ایجاد مزاحمت می‌كند. این امواج ممكن است كه تحت تأثیر توربین‌های بادی منعكس، پخش و یا شكسته شده برای ارتباطات مخابراتی راه دور ایجاد تداخل كنند.
▪ ایمنی:
حوادث مرتبط با توربین‌های بادی نادر بوده اما مانند سایر فعالیت‌های صنعتی پیش می‌آیند. در اكثر موارد این حوادث زمانی پیش آمده‌اند كه تكنسین‌ها سعی كرده‌اند كه توربین‌های بادی را متوقف كنند.
انواع توربین‌های بادی: توربین‌های بادی مدرن را می توان به دو گروه تقسیم كرد:
۱) توربین‌های بادی با محور افقی
۲) توربین‌های بادی با محور عمودی
توربین‌های بادی خانگی از یك موتور، یك ژنراتور، و معمولاً یك دنباله تشكیل شده است. در اثر عبور باد از روی پره‌ها، روتور، انرژی جنبشی باد را گرفته و به حركت چرخشی تبدیل می‌كند و ژنراتور را به چرخش درمی‌آورد. روتور می‌تواند دو پره یا سه پره داشته باشد. روتور سه پره متداول‌تر است. مقدار انرژی، كه توربین می‌تواند تولید كند در درجه اول بستگی به قطر روتور دارد. اسكلت توربین متشكل از یك میله محوری محكم است كه روتور، ژنراتور و دنباله روی آن نصب شده است. وظیفه دنباله این است كه جهت توربین را همیشه سمت باد نگه دارد. توربین بادی یك كیلوواتی می‌تواند نیازهای یك خانه با مصرف ۳۰۰ كیلووات ساعت در ماه را در منطقه‌ای كه سرعت متوسط سالیانه باد ۵/۲۲ كیلومتر بر ساعت است، تأمین كند.
می‌توان از توربین‌های بادی با كاركردهای مستقل استفاده كرد و یا می‌توان آنها را به یك ”شبكه قدرت تسهیلاتی“ وصل كرد یا حتی می‌توان با یك سیستم سلول خورشیدی تركیب كرد. عموماً از توربین‌های مستقل برای پمپاژ آب یا ارتباطات استفاده می‌كنند، هرچند كه درمناطق بادخیز مالكان خانه‌ها و كشاورزان نیز می‌توانند از توربین‌ها برای تولید برق استفاده نمایند.
در مقیاس كاربردی انرژی باد، معمولاً تعداد زیادی توربین را نزدیك به یكدیگر می‌سازند و بدین ترتیب یك مزرعه بادگیر را تشكیل می‌دهند.
● انواع كاربرد توربین‌های باد:
الف) كاربردهای غیرنیروگاهی شامل: پمپ‌های بادی آبكش برای تأمین آب آشامیدنی حیوانات در مناطق دور افتاده و آبیاری در مقیاس كم است. آبكشی از عمق كم جهت پرورش آبزیان، تأمین آب مصرفی خانگی، كاربرد توربینهای بادی كوچك به عنوان تولیدكننده برق، تأمین برق جزیره‌های مصرف و شارژ باتری از دیگر كاربردهای غیرنیروگاهی توربین بادی است.
▪ كاربردهای نیروگاهی:
نیروگاههای بادی منفرد برای تأمین انرژی الكتریكی واحدهای مسكونی، تجاری، صنعتی و یا كشاورزی و مزارع برق بادی به منظور تأمین بخشی از تقاضای انرژی برق شبكه به كار گرفته می‌شود.
▪ بررسی اقتصادی استفاده از انرژی باد:
امروزه فن‌آوری استفاده از انرژی باد در بسیاری از كشورها در دسترس بوده و ارزانترین راه برای تهیه الكتریسیته از مشتقات انرژی خورشید تشخیص داده شده است. بهای انرژی تولیدشده به عوامل محیطی و عملی و نیز نوع ماشین به كار گرفته شده بستگی دارد. با بررسی‌های مختلفی كه در زمینه قیمت استفاده از انرژی باد انجام گرفته است، نشان می‌دهد كه گرچه هزینه ماشینهای بادی با بزرگی و نیز ازدیاد توان تخمینی آنها افزایش می‌یابد، ولی بهای هر كیلو وات انرژی آنها كاهش پیدا می‌كند. لازم به یادآوری است كه در انتخاب دستگاه‌های بزرگ محدودیت‌هایی وجود دارد. مثلاً اگر سرعت انتهایی پره ماشین بادی به حد سرعت صورت و یا بیشتر برسد سبب گرم شدن و فرسودگی و ازكارافتادن سریع ماشین می‌شود، علاوه بر اینكه باید سعی شود تا ماشین‌های بادی هزینه اصلی (هزینه ساخت روتور، دكل و ...) كمتری داشته باشند و باید در محل‌هایی نیز كه باد قابل ملاحظه‌ای دارند نصب شوند و ماشین برای سرعت باد عملی تنظیم شده باشد. تهیه ماشینی كه برای تمام سرعت‌های باد كار كند، گرانتر تمام می‌شود. ماشین‌های معمولی بادی اصولاً برای جلوگیری از مصرف سوخت‌های دیگر در ایام وزش باد به كار می‌روند و همراه با سایر دستگاه‌های تولید انرژی نیز از آنها استفاده می‌شود. اگر از ماشین‌ بادی به صورت تنها منبع انرژی استفاده شود، باید دستگاه‌های ذخیره انرژی در كنار ماشین‌های بادی بكار گرفته شوند. با اضافه كردن دستگاه‌های ذخیره، بهای برق تولیدی ممكن است به مراتب افزایش یابد.در ضمن هزینه تولید برق از انرژی باد در دو دهه گذشته به طور قابل ملاحظه‌ای كاهش یافته است. برق تولیدشده به وسیله انرژی باد در سال ۱۹۷۵ میلادی، ۳۰ سنت برای هر كیلووات ساعت بوده اما اكنون به كمتر از ۵ سنت رسیده است. توسعه توربین‌های جدید قیمت را نیز كمتر خواهند كرد. همچنین در دنیا ۵ كشور آلمان، آمریكا، اسپانیا، دانمارك و هند پیشتاز دیگران هستند و كل ظرفیت نصب توربین‌های بادی در دنیا تا پایان سال ۲۰۰۴ میلادی برابر ۶۱۶/۴۷ گیگاوات است.
در ضمن كل سرمایه در گردش صنعت انرژی باد جهان در سال ۲۰۰۲ میلادی برابر با ۱۳۸۱ خورشیدی برابر ۷ میلیارد یورو بوده است. قیمت سرمایه‌گذاری انرژی باد در حدود ۱۰۰۰ دلار بر كیلووات برآورد می‌شود كه در حدود ۷۵۰ دلار آن به هزینه تجهیزات و بقیه به هزینه‌های آماده كردن سایت و نصب و راه‌اندازی مرتبط می‌شود. در چند سال اخیر با بزرگترشدن سایر توربین‌های تجاری، قیمت سرمایه‌گذاری آنها كاهش یافته است. صنعت انرژی باد، منافع اقتصادی و اجتماعی مختلفی را به همراه دارد كه از جمله مهمترین آنها عبارتند نداشتن هزینه‌های اجتماعی: این هزینه‌ها در تمام گزینه‌های متعارف انرژی (فسیلی) وجود دارند، لیكن به رغم مبالغ قابل توجه آنها معمولاً در بررسی‌های اقتصادی لحاظ نمی‌شوند. انجمن انرژی باد جهان (wwEa) این هزینه‌ها را به كوه یخی تشبیه كرده است كه حجم عظیم و ناپیدای آن در زیر آب قرار می‌گیرد.
▪ كاهش اتكاء به منابع انرژی وارداتی:
این مسأله یكی از مهمترین دلایل رویكرد كشورهای صنعتی به انرژی تجدیدپذیر و انرژی باد است، لیكن در كشورهای تولیدكننده نفت نظیر ایران نیز از جنبه دیگری می‌توان به آن نگریست و آن افزایش فرصت صادرات است.
▪ تقویت ساختار اجتماعی و اقتصادی مناطق روستایی:
به دلیل ماهیت انرژی باد كه به تولید غیرمتمركز و اغلب به نقاط دورافتاده و روستایی می‌پردازد، توسعه این صنعت چه در كشورهای سرمایه‌داری و پیشرفته و چه در كشورهای در حال توسعه تحولات و پیشرفت‌های آشكاری را در مناطق روستایی به دنبال خواهد داشت.
▪ اشتغال‌زایی:
ایجاد شغل این صنعت در میان دیگر صنایع انرژی از همه بیشتر است. در اروپا نصب یك مگاوات برق بادی برای ۱۵ الی ۱۹ نفر شغل ایجاد می‌كند كه این رقم در كشورهای در حال توسعه به راحتی می‌تواند دوبرابر شود. در سال ۲۰۰۰ میلادی كه ظرفیت نصب شده برق بادی در اروپا در حدود ۸۰۰۰ مگاوات بود، بیش از نیم میلیون نفر در این صنعت به كار اشتغال داشتند.
جوانب اقتصادی انرژی باد برای كاربردهای مختلف كاملاً متفاوت هستند. بالاترین سهم انرژی جهانی متعلق به توربین‌های بادی متصل به شبكه خواهد بود.
▪ هزینه‌های تولید انرژی باد:
هزینه‌های تولید انرژی به وسیله یك سیستم توربین بادی از طریق مواردی نظیر كل هزینه سرمایه‌گذاری، عمر مفید سیستم، هزینه‌های بهره‌برداری نگهداری، رژیم باد، راندمان انرژی توربین بادی و دسترسی فنی به سیستم مورد نظر تعیین می‌شود.
▪ هزینه‌های سرمایه‌گذاری:
كل هزینه‌های سرمایه‌گذاری توربین‌های بادی را می توان به هزینه‌های مختلف مانند هزینه ساخت (تحویل در كارخانه)، هزینه‌های زیربنایی نصب مانند فونداسیون، كارهای ساختمانی، مهندسی و هزینه‌های اتصال به شبكه تقسیم كرد. ارتباط بین این هزینه‌ها در كشورهای مختلف به وضوح متفاوت است و به عوامل مختلفی مانند شرایط خاك و فاصله تا شبكه بستگی دارد.
▪ عمر مفید سیستم:
برای بررسی‌های اقتصادی توربین‌ها اغلب یك عمر مفید اقتصادی ۲۰ ساله‌ای درنظر گرفته می‌‌شود. كه با عمر مفید طراحی سیستم برابر است. با این وجود باید توجه كرد كه عمر مفید تثبیت‌شده بهترین توربین‌ها در حال حاضر ۱۰ تا ۱۵ سال است.
هزینه‌های بهره‌برداری و نگهداری (O&M): هزینه‌های O&M سالیانه اغلب به صورت درصدی از كل هزینه‌های سرمایه‌گذاری یا هزینه‌های تولید برق در هر كیلووات ساعت درنظر گرفته می‌شوند.
▪ رژیم باد:
از آنجایی كه ظرفیت انرژی باد متناسب است با v۳ (V سرعت باد) است بنابراین انتخاب مكان‌هایی كه در آنها سرعت متوسط سالیانه باد تا حد امكان زیاد بوده و وزش باد مداوم در ساعات مصرف پیك برق به كرات صورت می‌گیرد، بسیار مهم است. برای اینكه بتوان ارزش بكارگیری باد در سیستم مصرف انرژی را محاسبه كرد باید وابستگی زمانی رژیم باد را هم بدانیم. وزش ثابت و مداوم، تغییرات روزانه و تلاطم منبع باد می‌تواند از همان اهمیت میانگین سالیانه سرعت باد برخوردار باشد.
▪ كارایی انرژی یك سیستم:
عموماً برای سهولت در مقایسه انرژی خروجی سیستم‌های توربین بادی بر منبای سالیانه بیان می‌شوند. میانگین خروجی به ازای هر متر مربع مساحت جاروشده در سال را می‌توان با عبارت زیر بیان كرد:
E=b(V۳) kwh/m۲/yr
در اینجا b فاكتور كارایی و v سرعت متوسط سالیانه باد است. فاكتور b را می‌توان به كیفیت كارایی توربین بادی قلمداد كرد. به هر حال b به سرعت میانگین سالیانه باد و توزیع سرعت باد و توزیع سرعت باد وابسته است. بنابراین b در سراسر جهان ثابت نیست.
▪ در دسترس بودن فنی سیستم:
در دسترس بودن سیستم (فنی)، كسری از زمان در سال است كه توربین به طور بالقوه می‌تواند انرژی تولید كند. یك توربین بادی ممكن است كه به دلیل فعالیت‌های مربوط به تعمیر یا خرابی‌های غیرقابل پیش‌بینی یا حادثه، در دسترس نباشد. ارقام قابل اعتماد درمورد در دسترس بودن انواع گوناگون توربین‌های بادی تنها موقعی قابل ارائه است كه این ارقام بر مبنای تجربیات متعدد توربین بادی و در طول فعالیت چندین ساله تهیه شده باشند. در حال حاضر تنها آمریكا و دانمارك دارای تجربه كافی هستند كه می‌توانند چنین اطلاعاتی را تهیه و در اختیار بگذارند.
زمانی كه در دسترس بودن یك توربین بادی مورد ارزیابی قرار می‌گیرد، باید پیشرفتی كه در بهبود توربین حاصل شده را نیز به طور همزمان بررسی كرد.
▪ ارزش انرژی باد:
ارزش انرژی باد به كاربرد انرژی و هزینه گزینه‌های دیگر برای پوشش همان كاربرد، وابسته است. بر طبق بیان شركت‌های تولید برق، این ارزش را می‌توان به صورت هزینه‌های سوخت، ظرفیت و انتشاراتی كه در صورت كاربرد انرژی باد از آنها پیشگیری خواهد شد، تعریف كرد. به طور كلی میزان درك و دریافت اجتماعی از این ارزش، معادل صرفه‌جویی خالص در كل هزینه‌های اجتماعی است.
▪ صرفه‌جویی در سوخت:
زمانی كه انرژی باد به یك سیستم تولید برق متصل می‌شود، برق تولیدی به وسیله انواع دیگر واحدهای مولد برق را كاهش می‌دهد. بنابراین در مصرف سوخت صرفه‌جوئی حاصل می‌شود. مقدار و نوع سوخت فسیلی كه صرفه‌جویی می‌شود، به تركیب تولیدكنندگان برق در حال و آینده بستگی دارد. از طرف دیگر، صرفه‌جویی در سوخت بستگی به مشخصات واحدهای تولیدی و به میزان نفوذ انرژی باد در كل سیستم تولید برق دارد.
▪ صرفه‌جویی در ظرفیت:
به دلیل متغیربودن سرعت باد، انرژی باد اغلب به عنوان یك منبع انرژی كه دارای ارزش ظرفیتی نیست، قلمداد می‌شود لیكن در واقع، سهم انرژی بادی در قابلیت اعتماد كل سیستم تولید برق، صفر نیست. این احتمال وجود دارد زمانی كه نیروگاههای برق متعارف در دسترس نیستند، نیروگاههای بادی در دسترس باشد.
البته این احتمال برای یك نیروگاه بادی كمتر از واحد متعارف است، اما نشان‌دهنده این است كه انرژی باد دارای یك اعتبار ظرفیتی محدودی است. اعتبار ظرفیتی را می‌توان با بررسی قابلیت اعتماد كل سیستم محاسبه كرد و برای تعیین قابلیت اعتماد كل سیستم می‌توان از روشهای آماری و با محاسبه حداقل ظرفیت مورد نیاز یا بدون احتساب توربین‌های بادی در سیستم تولید انرژی استفاده كرد. اعتبار ظرفیتی انرژی بادی برای سیستم‌های تولید انرژی متفاوت تعیین شده‌اند.
▪ صرفه‌جویی در انتشارات:
به هنگام عملكرد عادی توربین‌های بادی، هیچگونه انتشار در هوا، آب و خاك به وجود نمی‌آید. تقریباً در تمام سیستم‌های تولید برق، این انتشارات به دلیل سوزاندن سوخت‌های فسیلی به وجود می‌آید. این بدان معنی است كه به ازای هر Gwh انرژی كه به وسیله توربین‌های بادی تولید می‌شود، قدری صرفه‌جویی در مصرف سوخت فسیلی حاصل شده و در ضمن از انتشار مقدار معین آلودگی نیز جلوگیری می‌شود. میزان انتشار پیشگیری شده به تركیب واحدهای مولد برق در منطقه مربوطه و نیز اقداماتی كه در جهت كاهش انتشارات انجام می‌شود، وابسته است.
▪ هزینه‌های صرفه‌جویی شده سوخت، ظرفیت و انتشارات:
برپایه هزینه‌های صرفه‌جویی شده در سوخت، ظرفیت و انتشارات می‌توان میزان هزینه‌های صرفه‌جویی شده را كه با بهره‌برداری از انرژی باد حاصل می‌شود، محاسبه كرد. برطبق نظر سازمان تأمین انرژی این محاسبات بیانگر ارزش انرژی بادی هستند.
معمولاً فقط صرفه‌جویی در انتشارت را نیز می‌توان به هزینه‌های صرفه‌جویی شده تبدیل كرد. در برخی از مطالعات، این هزینه‌های صرفه‌جویی شده را با تحقیق درمورد هزینه زیانهای وارده به گیاهان، جانوران، مصالح ساختمانی و انسانها در اثر بارش بارانهای اسیدی، افزایش اثرات گلخانه‌ای و ... تخمین می‌زنند. در بعضی مطالعات دیگر، صرفه‌جویی در هزینه‌ها را با ارزیابی هزینه اعمال روشهای اضافی كاهش انتشارات در نیروگاههای متعارف، برای تحقق همان مقدار كاهش انتشارات كه از بهره‌برداری انرژی بادی حاصل می‌شود، محاسبه می‌كنند.

منابع:
محمود ثقفی. (۱۳۸۴). انرژی‌های تجدیدپذیر نوین. انجمن انرژی ایران و مركز مطالعات انرژی ایران. دانشگاه تهران
محمود، ثقفی. (۱۳۷۲). انرژی باد و كاربرد آن در كشاورزی. دانشگاه تهران.
معاونت امور انرژی، دفتر انرژی‌های نو وزارت نیرو (۱۳۷۸). مجموعه مقالات سمینار مشترك انرژی‌های نو ایران و ژاپن.
جواد، نصیری. (۱۳۷۵). منابع انرژی تجدیدپذیر نوین. دفتر انرژی‌های نو وزارت نیرو.

منبع : ماهنامه پیک برق