نسل تازه تجدیدپذیرها؛ وقتی دریا به نیروگاه برق تبدیل می‌شود

به گزارش خبرنگار مهر؛ این حوزه طیفی از سامانه‌های متنوع، شامل موارد زیر را در بر می‌گیرد:

• مبدل‌های انرژی امواج که حرکت سطحی آب را به برق تبدیل می‌کنند.
• سامانه‌های جزر و مدی که از جریان‌های ناشی از تغییر سطح دریا بهره‌برداری می‌کنند.
• مبدل‌های جریان‌های عمیق اقیانوسی که بر پایداری جریان‌های بزرگ‌مقیاس متکی هستند.
• نیروگاه‌های مبدل انرژی حرارتی اقیانوسی (OTEC) که از اختلاف دمای میان آب‌های سطحی گرم و آب‌های عمقی سرد برق تولید می‌کنند.

به عقیده کارشناسان، اهمیت این فناوری‌ها تنها در ظرفیت فنی آن‌ها خلاصه نمی‌شود، بلکه نقش بالقوه فناوری‌های مذکور در معماری آینده انرژی جهانی است که می‌تواند توازن میان منابع تجدیدپذیر را بازتعریف کند. نکته حائز اهمیت آن که جمهوری اسلامی ایران نیز با برخورداری از نوار ساحلی گسترده در حاشیه دریای عمان و خلیج فارس، امکان استفاده از این فناوری برای مقابله با بحران ناترازی انرژی را دارد.

هرچند این فناوری‌ها هنوز در مراحل ابتدایی تجاری‌سازی قرار دارند و هزینه‌های سرمایه‌گذاری، نصب و بهره‌برداری آن‌ها نسبت به سایر انرژی‌های تجدیدپذیر بالاتر است، اما بر اساس برآوردهای آژانس بین‌المللی انرژی (IEA)، در صورت توسعه کامل، می‌توانند تا سال ۲۰۵۰ منجر به کاهش سالانه حدود ۵۰۰ میلیون تن انتشار دی‌اکسیدکربن شوند. علاوه بر این، این فناوری‌ها برای جزایر و مناطق ساحلی که دسترسی به شبکه‌های برق پایدار ندارند، می‌توانند منبعی حیاتی و مطمئن برای تأمین انرژی پاک به شمار آیند.

ماهیت و سازوکار فناوری انرژی اقیانوسی

انرژی اقیانوسی بر پایه بهره‌برداری از حرکت مکانیکی، وضعیت فیزیکی و حتی ویژگی‌های شیمیایی آب دریا تولید می‌شود. در ایالات متحده، منابع اصلی تولید نوع انرژی، شامل امواج سطحی ناشی از باد، جریان‌های جزر و مدی حاصل از جاذبه ماه و خورشید، جریان‌های اقیانوسی بزرگ‌مقیاس مانند گلف استریم و همچنین اختلاف دمایی میان لایه‌های سطحی و عمقی دریا می‌شود. بر اساس تخمین‌های آزمایشگاه ملی انرژی‌های تجدیدپذیر ایالات متحده (NREL)، ظرفیت بالقوه منابع انرژی اقیانوسی ایالات متحده معادل بیش از نیمی از کل برق تولیدی این کشور در سال ۲۰۱۹ است؛ ظرفیتی که اگر به‌طور کامل توسعه یابد، می‌تواند سهمی تعیین‌کننده در گذار انرژی ایفا کند.

به زعم بسیاری از متخصصان، اهمیت این فناوری در این است که از منابع نسبتاً پایدار و قابل پیش‌بینی استفاده می‌کند و برخلاف باد یا خورشید، کمتر تحت تأثیر نوسانات کوتاه‌مدت قرار می‌گیرند. از همین روی، استفاده اولیه از این فناوری‌ها عمدتاً برای تأمین برق پایدار در جوامع دورافتاده، پشتیبانی از فعالیت‌های فراساحلی مانند آبزی‌پروری و کشتیرانی و همچنین واحدهای نمک‌زدایی آب آشامیدنی پیش‌بینی شده است؛ حوزه‌هایی که نیاز به منبع انرژی مطمئن و محلی دارند.

در ابعاد فناورانه، مبدل‌های انرژی امواج می‌توانند با استفاده از حرکت سطحی آب به‌عنوان پیستون و هدایت جریان هوا در یک محفظه برای چرخاندن توربین، برق تولید کنند. برخی دیگر از سامانه‌های امواج، از شناورهای بزرگ یا بویه‌های متصل به ژنراتورها استفاده می‌کنند که با حرکات رفت‌وبرگشتی ناشی از امواج، جریان الکتریکی تولید می‌کنند. علاوه بر این، مبدل‌های جزر و مدی از جریان‌های افقی ناشی از تغییرات سطح دریا بهره‌برداری می‌کنند و اغلب شباهت زیادی به توربین‌های بادی زیرسطحی دارند، با این تفاوت که طراحی آن‌ها باید در برابر فشار آب و خوردگی مقاوم باشد.

همچنین فناوری‌های نوینی مانند «بادبادک‌های جزر و مدی» نیز در این زمینه طراحی شده‌اند که با حرکت کنترل‌شده در مسیرهای ثابت زیر سطح آب و استفاده از بالک‌ها و سطوح کنترلی، سرعت جریان مؤثر بر پره‌های توربین را چند برابر کرده و انرژی بیشتری استخراج می‌کنند.

از سوی دیگر، در حوزه جریان‌های اقیانوسی غیر جزر و مدی نیز طرح‌هایی مشابه در مقیاس جهانی در حال توسعه هستند که می‌توانند از جریان‌های پایدار و پرانرژی مانند گلف استریم برق تولید کنند. در مقابل، نیروگاه‌های مبدل انرژی حرارتی اقیانوسی (OTEC) با استفاده از اختلاف دمای میان آب گرم سطحی و آب سرد اعماق اقیانوس، فرآیند تبخیر و میعان سیالات را مدیریت کرده و برق تولید می‌کنند. این نیروگاه‌ها به‌طور معمول نیازمند زیرساخت‌های عظیم، لوله‌کشی‌های بسیار بلند و مقاوم و سرمایه‌گذاری کلان هستند و به همین دلیل عمدتاً در مقیاس‌های آزمایشی یا پژوهشی فعال هستند.

وضعیت بلوغ فناوری

بر اساس برآوردهای صورت گرفته، فناوری‌های تولید انرژی مبتنی بر امواج و جزر و مدی هنوز در مراحل آغازین تجاری‌سازی قرار دارند و می‌توان گفت در مرحله گذار از نمونه‌سازی‌های آزمایشگاهی به مقیاس صنعتی هستند. در حالی که طراحی مبدل‌های جزر و مدی به‌تدریج به سمت استانداردسازی و همگرایی پیش می‌رود و اغلب حول محور توربین‌های زیرآبی با محور افقی یا عمودی متمرکز شده است، فناوری مبدل‌های امواج همچنان با تنوع طرح‌ها، از بویه‌های شناور گرفته تا سامانه‌های محفظه‌ای و شناورهای خطی، روبه‌روست و این تنوع باعث شده مسیر همگرایی آن‌ها کندتر باشد.

نیروگاه‌های مبدل انرژی حرارتی اقیانوسی و فناوری‌های مبتنی بر جریان‌های اقیانوسی نیز در حال حاضر بیشتر در ابعاد کوچک و آزمایشی فعال هستند و جز چند واحد محدود از جمله یکی از سه نیروگاه فعال مبدل انرژی حرارتی اقیانوسی جهان در هاوایی، هنوز به مقیاس صنعتی گسترده نرسیده‌اند.

افزون بر این، برخی کشورها مانند ژاپن و کره جنوبی نیز پروژه‌های پایلوت در زمینه جریان‌های اقیانوسی را آغاز کرده‌اند. با وجود این، روند سرمایه‌گذاری‌های دانشگاهی و دولتی و ایجاد کنسرسیوم‌های تحقیقاتی بین‌المللی نشان می‌دهد که در صورت کاهش ریسک سرمایه‌گذاری، ارتقای زنجیره تأمین و رفع موانع زیرساختی، چشم‌انداز رشد و تجاری‌سازی این فناوری‌ها در دهه‌های آینده روشن خواهد بود. همین وضعیت ابتدایی، می‌تواند نقطه ورود مناسبی برای کشورهای جهان در راستای کسب برتری فناورانه و تعریف افق بلندپروازانه صادرات فناوری در آینده نیز باشد.

فرصت‌ها

مقابله با تغییرات اقلیمی: بر اساس گزارش آژانس بین‌المللی انرژی (IEA)، توسعه انرژی اقیانوسی می‌تواند سالانه حدود نیم میلیارد تن انتشار کربن را تا میانه قرن حاضر کاهش دهد؛ رقمی که معادل حذف میلیون‌ها خودرو بنزینی از چرخه مصرف جهانی است و نقش مهمی در تحقق اهداف زیست محیطی و کربن‌زدایی ایفا می‌کند.

تولید پایدار و قابل پیش‌بینی برق: برخلاف انرژی خورشیدی و بادی که به‌شدت وابسته به شرایط جوی و فصلی هستند، الگوهای جزر و مد و بخش قابل‌توجهی از جریان‌های اقیانوسی دارای دوره‌های زمانی منظم و قابل پیش‌بینی‌اند. این ویژگی موجب می‌شود که انرژی اقیانوسی بتواند به‌عنوان یک منبع پایدار و مکمل، به تثبیت شبکه‌های برق و کاهش نوسانات تولید سایر منابع تجدیدپذیر کمک کند.

پشتیبانی از فعالیت‌های فراساحلی: انرژی اقیانوسی می‌تواند به‌طور مستقیم نیازهای صنایع دریایی مانند آبزی‌پروری صنعتی، ناوبری هوشمند، سامانه‌های نظارتی دریایی و حسگرهای اقیانوسی را تأمین کند. با جایگزینی باتری‌های دارای عمر کوتاه و ژنراتورهای دیزلی پرهزینه با این فناوری، دامنه فعالیت و پایداری سامانه‌های فراساحلی به شکل محسوسی افزایش می‌یابد.

پشتیبانی از جوامع ساحلی و جزیره‌ای: این فناوری‌ها می‌توانند انرژی پایدار، محلی و غیرمتمرکز را برای تولید برق و آب آشامیدنی فراهم آورند. چنین نقشی برای جوامعی که دسترسی محدودی به شبکه‌های برق سراسری دارند حیاتی است و موجب کاهش وابستگی به ژنراتورهای دیزلی پرهزینه، آلاینده و آسیب‌پذیر در برابر اختلالات زنجیره تأمین می‌شود.

تاب‌آوری در بحران‌ها: دستگاه‌های انرژی اقیانوسی که در موج‌شکن‌ها یا سازه‌های حفاظتی تعبیه شده‌اند، می‌توانند در شرایط بحران همچون طوفان یا سونامی همچنان فعال باقی بمانند. توانایی آن‌ها در تأمین همزمان برق اضطراری و آب آشامیدنی از طریق سامانه‌های نمک‌زدایی، آن‌ها را به ابزاری ارزشمند برای مدیریت بحران و افزایش تاب‌آوری اجتماعی و زیربنایی تبدیل می‌کند.

چالش‌ها

با وجود ظرفیت‌های بالقوه، توسعه انرژی اقیانوسی با موانع متعددی روبه‌روست که ماهیتی فنی، اقتصادی، نهادی و زیست‌محیطی دارند. هزینه‌های بالای نصب، تعمیر و نگهداری به دلیل شرایط سخت اقیانوسی، خوردگی ناشی از فعالیت در آب شور و ضرورت استفاده از مواد مقاوم، در کنار دشواری اتصال این سامانه‌ها به شبکه‌های برق سراسری، سرمایه‌گذاری در این بخش را پرریسک جلوه می‌دهد.

همچنین زیرساخت‌های لازم برای تولید، حمل‌ونقل و استقرار تجهیزات در اعماق دریا و همچنین زنجیره تأمین اختصاصی این صنعت هنوز به بلوغ نرسیده و این امر مانعی جدی برای تجاری‌سازی و کاهش هزینه‌ها محسوب می‌شود. افزون بر این، چارچوب‌های مقرراتی پیچیده و چندلایه در مدیریت فضاهای ساحلی و فراساحلی که متولیان متعدد ملی و محلی در آن نقش دارند، فرآیند صدور مجوز برای فعالیت‌های این حوزه را زمان‌بر و پرهزینه کرده و ریسک حقوقی و اداری پروژه‌ها را افزایش داده است.

علاوه بر این، از منظر زیست‌محیطی نیز نگرانی‌هایی همچون احتمال برخورد گونه‌های دریایی با توربین‌های زیرآبی، ایجاد نویزهای صوتی و مغناطیسی، تغییر الگوهای مهاجرت آبزیان و تغییر ساختار زیستگاه‌های دریایی در این طرح‌ها مطرح است که نیازمند پژوهش‌های گسترده‌تر، پایش‌های بلندمدت و ارائه استانداردهای سختگیرانه حفاظتی است.

جمع‌بندی

در نهایت می‌توان نتیجه گرفت که فناوری‌های تجدیدپذیر مبتنی بر اقیانوس ظرفیت بالقوه‌ای برای تبدیل‌شدن به یکی از ارکان اصلی نظام انرژی پاک جهانی دارند. هرچند این فناوری‌ها هنوز در مرحله بلوغ کامل قرار ندارند و با چالش‌های اقتصادی، فنی و زیست‌محیطی متعددی مواجه هستند، اما روند تحولات فناورانه، افزایش تقاضا برای انرژی‌های پایدار و فشار سیاست‌های اقلیمی بین‌المللی، نویدبخش تسریع مسیر توسعه آن‌هاست.

در واقع، آینده انرژی اقیانوسی نه تنها به سیاست‌گذاری‌های هوشمندانه برای کاهش ریسک سرمایه‌گذاری، بلکه به ایجاد مشوق‌های اقتصادی، اصلاح چارچوب‌های حقوقی، تقویت زنجیره‌های تأمین و تعمیق همکاری‌های بین‌المللی در حوزه تحقیق و توسعه بستگی دارد. افزون بر این، به عقیده کارشناسان، یکپارچه‌سازی این فناوری‌ها با سامانه‌های ذخیره‌سازی انرژی، شبکه‌های هوشمند و راهکارهای کربن‌زدایی، نقشی کلیدی در ارتقای تاب‌آوری و رقابت‌پذیری آن‌ها در بازار جهانی ایفا خواهد کرد.