انتظار می رود که در سال ۲۰۴۰ تولید انرژی از طریق نیروگاه های بادی دریایی ۱۵ برابر شود. با گسترش نیروگاه های بادی دریایی جلوی انتشار ۵ تا ۷ میلیارد تن کربن دی اکسید که منشأ آن نیروگاه های تولید برق در سراسر دنیا هستند گرفته خواهد شد.
به گزارش مارین نیوز، مفهوم انرژی بادی استفاده از باد به منظور تأمین نیروی مکانیکی لازم برای به کار انداختن ژنراتورهای الکتریکی یا اموری سنتی مثل آسیاب کردن محصولات کشاورزی و پمپاژ آب است. این تبدیل انرژی از طریق توربین های بادی که در مزارع بادی یا همان نیروگاه های بادی نصب شده اند صورت می گیرد. برای بهره برداری از این منبع انرژی تجدیدپذیر نیروگاه های بادی هم در خشکی و هم در دریا مستقر و به یک شبکه انتقال برق متصل می شوند. نیروگاه های بادی واقع در خشکی منبع انرژی ارزان تری نسبت به نیروگاه هایی هستند که انرژی خود را از گاز یا زغال تأمین می کنند، اما بادی که بر فراز دریا جریان دارد مداوم تر، یکنواخت تر و قدرتمند تر است و توربین های واقع در دریا کمتر چشم انداز طبیعت را نازیبا می کنند. علی رغم وجود این مزایا، مشکلی که در راه اندازی نیروگاه های بادی در میان آب ها وجود دارد بالا بودن هزینه های ساخت و نگهداری آنها است.
نیروگاه های بادی دریایی
در حال حاضر انرژی بادی حاصل از نیروگاه های دریایی تنها 0/3 درصد در تولید برق جهانی سهیم است، اما این پتانسیل را دارد که به بزرگ ترین و تنها منبع تأمین انرژی الکتریکی اروپا تبدیل شود. انتظار می رود که در سال ۲۰۴۰ تولید انرژی از طریق نیروگاه های بادی دریایی ۱۵ برابر شود. "آژانس بین المللی انرژی (IEA)" با همکاری "کالج سلطنتی لندن" با استفاده از داده های ماهواره ای، یک جدول اطلاعاتی از سرعت و کیفت باد در امتداد صدها هزار کیلومتر از خطوط ساحلی دنیا فراهم کرده است تا مناطقی که برای توسعه تولید برق مهم و مناسب هستند را شناسایی کنند.
کشورهای اروپایی و چین در گذار به عصر استفاده بیشتر از انرژی باد مصمم هستند، بطوریکه طبق سیاست گذاری ها و نرخ های کنونی ظرفیت استفاده از انرژی توربین های بادی دریایی در اروپا تا سال ۲۰۴۰ از ۲۰ گیگا وات به ۱۳۰ گیگا وات افزایش خواهد یافت. در مورد چین این جهش از ۴ گیگا وات در زمان فعلی به ۱۱۰ گیگا وات خواهد رسید؛ این به معنی سبقت گرفتن از انگلستان است که بزرگ ترین تأسیسات تولید انرژی از نیروگاه های بادی را در دنیا دارد.
در دهه اخیر، بهره برداری از انرژی بادی و خورشیدی تحولی بزرگ در ابداعات فناورانه به وجود آورده است و نقشی کلیدی در کاهش هزینه های تولید انرژی داشته است. دست کم ۱۵۰ پروژه جدید به منظور تولید انرژی از نیروگاه های بادی دریایی تا پنج سال آینده برنامه ریزی شده اند. در سال ۲۰۱۸ زمین آلوده ترین وضعیت حاصل از انتشار گازهای آلاینده را که ناشی از سوختن گاز و زغال سنگ برای تأمین انرژی برق بوده تجربه کرده است. با گسترش نیروگاه های بادی دریایی جلوی انتشار ۵ تا ۷ میلیارد تن کربن دی اکسید که منشأ آن نیروگاه های تولید برق در سراسر دنیا هستند گرفته خواهد شد. همچنین با اتکای کمتر به سوخت های فسیلی آلودگی هوا کمتر و ایمنی در تولید و مصرف انرژی بیشتر خواهد شد.
سوخت های فسیلی که برای تولید الکتریسیته استفاده می شوند انتشار دهنده یک سوم میزان گازهای گلخانه ای هستند و بنابراین در ایجاد تغییرات آب و هوایی و به خطر انداختن سلامتی انسان ها، جانوران و گیاهان تا حد زیادی دخالت دارند. همچنین، منبع اصلی انتشار آلاینده هایی مثل گوگرد دی اکسید، اکسیدهای نیتروژن (NOx) و ذرات معلقی هستند که باعث بروز مشکلات تنفسی، آسیب دیدگی ریوی و مرگ و میر زودرس می شوند. مجمع بین المللی تغییرات اقلیمی اعلام کرده است که به منظور کاهش وخیم ترین اثرات بحران آب و هوایی، استفاده از سوخت های فسیلی با هدف کاهش انتشار گازهای کربنی که انسان ها مسبب آن هستند باید تا سال ۲۰۳۰ به میزان ۴۵ درصد کاهش یابد. طبق مطالعات جدیدی که در دانشگاه هاروارد انجام شده، بمنظور دست یابی به بهترین وضعیت در سلامتی انسان ها و دیگر جانداران و برخورداری از بزرگ ترین مزایای انرژی تجدیدپذیر، توربین های بادی باید در نیمه شمال غربی ایالات متحده و صفحه های خورشیدی باید در محدوده "گریت لیکز" این کشور و مناطق میانی اقیانوس اطلس نصب شوند. مزایایی که با وجود توربین های بادی از بالارفتن کیفیت هوا حاصل می شود شامل کاهش مرگ و میر نا به هنگام، کاهش اثرات منفی خشکسالی، کاهش رخدادهای آب و هوایی نامطلوب، جلوگیری از بالا آمدن آب دریاها، همچنین جلوگیری از جا به جایی مهاجرین، از هم گسیختگی زمین های کشاورزی و بروز بیماری های مرتبط با آب و هوا است. پژوهشگران چنین برآورد می کنند که فوایدی که سلامتی مردم جهان از آنها برخوردار می شود و اثرات مثبتی که بر اقلیم وارد می شوند از هزینه های نصب توربین های بادی و صفحه های خورشیدی بیشتر هستند.
انرژی بادی و حیات وحش
تعامل انرژی باد با حیات وحش از موضوع هایی است که بر اهمیت بهره برداری از این انرژی تجدیدپذیر می افزاید. به همین دلیل یکی از پروژه های تعیین شده در این راستا بررسی تأثیر استفاده از انرژی باد بر زندگی گونه های جانوری حساس و زیستگاه های آنها است. بدین ترتیب امکان حفاظت بهتر از اکوسیستم هایی که حیات را روی زمین پا بر جا نگه می دارند فراهم می شود. انرژی بادی، همانند دیگر منابع انرژی می تواند بر برخی گونه های جانوری تأثیر بگذارد. توربین های بادی در خشکی بر زندگی بعضی از پرندگان و خفاش ها اثر می گذارند. در مورد بیشتر گونه های پرندگان آوازه خوان در ایالات متحده کاهش جمعیت به دلیل برخورد با توربین های بادی مشاهده نشده است. تعداد برخوردهای آنها کمتر از 0/01 درصد از مقیاس کل جمعیتشان گزارش شده است، اما جمعیت گروه هایی از خفاش های درختی مهاجر بیشتر در معرض خطر هستند. این که چرا برخی از گونه ها نسبت به توربین های بادی از گونه های دیگر آسیب پذیرتر و حساس تر هستند مستلزم انجام مطالعات بیشتر است. بدین ترتیب، مطابق با علل آن، فناوری ها و استراتژی هایی طراحی خواهند شد تا اثرات آسیب رسان توربین ها بر آنها کاهش پیدا کنند.
همچنین، لازم است پژوهش های بیشتری انجام شوند تا روشن شود آیا توربین های نصب شده در دریا زندگی جانوران دریایی و صنعت ماهیگیری را در معرض خطر قرار می دهند یا خیر. مطالعات نشان داده اند که توربین های بادی که در محل مناسب و به درستی نصب شده اند و عملکردشان مطابق با توصیه های دولتی و به گونه ای است که آسیب کمتری به حیات وحش برسد از هر منبع تولید انرژی دیگری با محیط زیست سازگارتر هستند. در آمریکای شمالی، تغییرات اقلیمی بزرگ ترین تهدید برای پرندگان محسوب می شوند، اما اگر انرژی بادی جایگزین منابع انرژی آسیب رسان شود می توان به از بین رفتن یا دست کم خفیف تر شدن این تهدید امیدوار بود. البته راهکار‌هایی مثل استقرار نیروگاه های بادی دور از زیستگاه گونه های در معرض خطر، خاموش کردن توربین ها در زمان های مشخص برای کاهش آسیب به پرندگان و کاربرد فناوری ها و تکنیک هایی مثل فناوری یادگیری ماشین که می تواند گونه های مشخصی را شناسایی کند یا فناوری هایی که برخی گونه ها را با تولید نور و صدا از محل دور می کند در حال حاضر به کار گرفته می شوند.
ساخت توربین ها و نیروگاه های بادی بهتر
پژوهشگران "دانشگاه آرهوس" در دانمارک و "دانشگاه دورام" در انگلستان با استفاده از شبیه سازی های عددی با رزولوشن بالا نوعی دینامیک سیالات برای توربین های بادی چند روتوره مدل سازی کرده اند. توربین های بادی که دارای چهار روتور روی یک پایه هستند چندین مزیت دارند.
یک توربین بادی از بادی که در جریان است انرژی دریافت می کند، اما زمانی که باد از میان پره های توربین عبور می کند، منطقه ای ایجاد می شود که در آن سرعت باد کمتر اما تلاطم آن بیشتر است. توربین بادی دیگری که در فاصله کمی از این توربین قرار دارد به چند طریق تحت تأثیر تلاطم جریان باد آن قرار می گیرد. نخست این که انرژی کمتری تولید می کند و دوم این که وزن ساختاری آن افزایش می یابد.
پژوهشگران دریافته اند که جریان های باد در ناحیه پره های توربین در توربین های چند روتوره سریع تر نیرو می گیرد و تلاطم آنها کمتر می شود. این بدان معنی است که با وجود چند روتور در یک توربین، توربینی که در مجاورت آن قرار دارد انرژی بیشتری تولید می کند و کمتر متحمل فشار وزن خود می شود، چون تلاطم باد هم کمتر می شود. بنابراین، یک توربین بادی چند روتوره با ایجاد تلاطم کم تر و بازیابی سریع تر قدرت باد، بازده انرژی بیشتری خواهد داشت. اهمیت این ساختار با در نظر گرفتن این که امروزه توربین های بادی بزرگ تر و در نتیجه گران قیمت تری ساخته می شوند دوچندان می شود. مهندسین می توانند مقدار انرژی تولید شده خروجی را با افزایش قطر پره های روتور افزایش دهند، اما ساختن پره های بزرگی به قطر ۱۵۰ متر کار دشواری است. به علاوه، مواد اولیه بیشتری برای ساخت آنها مورد نیاز است، حمل آنها مشکل است، گران قیمت تر هستند و بالاخره هزینه تعمیر و نگهداری آنها بیشتر است. ساخت یک توربین چهار روتوره حدود ۱۵ درصد ارزان تر از یک توربین تک روتوره تمام می شود. مزیت دیگر آن این است که اگر یکی از روتورها از کار بیافتد، مابقی توربین بر خلاف توربین های بادی معمولی همچنان به چرخش خود و تولید انرژی ادامه می دهد. همچنان که توربین های پیشرفته تری ساخته می شوند، نیروگاه های بادی نیز توسعه پیدا می کنند. مثال بارز آن ساخت بزرگ ترین نیروگاه بادی دریایی در آب های سواحل انگلستان توسط شرکت برق اسکاتلندی "اس اس ای (SSE)" و شرکت نروژی "اکینور (Equinor)" است. این دو شرکت سه پروژه بزرگ با ظرفیت 3/6 گیگا وات را اجرا خواهند کرد که پیش بینی می شود انرژی مورد نیاز 4/5 میلیون خانوار انگلیسی را تأمین کنند. نخستین تولید انرژی این نیروگاه برای سال ۲۰۲۳ برنامه ریزی شده است. شرکت اس اس ای مسئولیت ساخت نیروگاه بادی را بر عهده می گیرد و شرکت اکینور گرداننده آن خواهد بود.
چالش های بهره برداری از انرژی بادی
مهار کردن انرژی بادی هم از لحاظ زمانی و هم از لحاظ مکانی با چالش های علمی همراه است. اما انجام پژوهش های لازم و موفقیت در کنترل و بهره برداری بهینه از این انرژی آن را به اصلی ترین منبع انرژی آینده تبدیل خواهد کرد. با کاربرد فناوری های نوآورانه در ساخت و ارتقای توربین های بادی می توان انرژی الکتریسیته ارزان قیمت را در اختیار نسل آینده قرار داد.
بیشتر مردم تصور می کنند چون دهه ها است که توربین های بادی در حال کار کردن هستند، جایی برای ارتقای آنها وجود ندارد. اما چنین نیست و ابداعات زیادی می توان در بهتر شدن کارایی آنها ایجاد کرد. این امر نیازمند فعالیت دانشمندان و پژوهشگران در مقیاس جهانی است. در سال ۲۰۱۷ بیش از ۷۰ کارشناس انرژی بادی از ۱۵ کشور مختلف گرد هم آمدند تا درباره سیستم الکتریسته ای برای آینده بیاندیشند که در آن نیروی باد، نیاز جهانی به انرژی پاک را برطرف می کند. این دانشمندان سرانجام به این نتیجه رسیدند که در پژوهش های مربوط به انرژی بادی سه چالش عمده وجود دارد و از میان برداشتن آنها بر عهده جامعه علمی است. نخستین چالش داشتن اطلاعات تکمیلی و به روز شده از منبع باد و مسیر جریان آن در ناحیه ای از جو است که در آن نیروگاه های بادی تولید برق بتوانند بهترین عملکرد را داشته باشند. دومین چالش توجه به دینامیک ساختاری و ایمنی توربین ها است که تا به امروز بزرگ ترین ماشین های چرخان دنیا شناخته شده اند. بالاخره، سومین چالش طراحی و راه اندازی نیروگاه هایی است که مواردی مثل کنترل مبتکرانه فرکانس و تنظیم ولتاژ باعث افزایش انرژی تولید شده نیروگاه شوند. برای مثال، استفاده از تکنیک های کلان داده (big data) و اعمال آنها روی اطلاعات دریافتی از حسگرهایی که روی توربین های سراسر نیروگاه نصب می شوند کمک می کند تا انرژی بادی بیشتری جذب شود، هزینه ها کاهش یابند و عملکرد توربین ها بهینه سازی شود.
طراحی توربین های بادی برای کاهش تلفات پرندگان
از یک سو پیش بینی می شود که تا سال ۲۰۵۰ توربین های بادی ۲۰ درصد از انرژی برق جهان را تأمین کنند اما از سویی دیگر، گسترش سریع نیروگاه های بادی اثرات نامطلوبی روی پرندگان دارد که نمی توان آنها را نادیده گرفت. متأسفانه پژوهش های کمی در این زمینه انجام شده اند و نتایج به دست آمده متناقض هستند. در مطالعه جدیدی که پژوهشگران دانشگاه ایلینوی انجام داده اند اطلاعات جامعی درباره تأثیر توربین های بادی بر جمعیت پرندگان به دست آمده است.
اگرچه یکی از نتایج این مطالعه این بود که توربین های بادی تأثیری منفی بر برخی گونه های پرندگان در حال زاد و ولد می گذارند اما راه هایی برای کاهش این اثرات پیشنهاد شد که شامل ایجاد تغییر در طراحی توربین های بادی و محل قرارگیری آنها است. آنها پی بردند که به ازای هر توربینی که در فاصله ۴۰۰ متری زیستگاه پرندگان نصب شده است، ۳ پرنده جان خود را از دست می دهند. آنها اطلاعات جمع آوری شده از توربین های بادی، پرندگان زاد و ولد کننده، میزان استفاده از زمین و آب و هوا را در طول شش سال بررسی کردند. اطلاعات شامل ۱۶۷۰ توربین بادی و ۸۶ مسیر دیده بانی پرندگان از سال ۲۰۰۸ تا ۲۰۱۴ بود.
آنها مسیرهای پرواز پرندگانی که نزدیک به توربین ها پرواز می کردند را به آنهایی که در فاصله دورتری بودند مقایسه کردند. بدین طریق، راحت تر توانستند به تأثیر توربین ها بر پرندگان پی ببرند. آنها در روش خود از مجموعه داده های زیاد در یک بازه زمانی طولانی تر استفاده کردند که این باعث شد اطلاعات دقیق تری به دست آید. همچنین دریافتند که اندازه توربین های بادی و طول پره های آنها در این امر دخیل هستند. مطالعات انجام شده دیگر نشان دادند که ارتفاع توربین ها در کاهش جمعیت پرندگان اثرگذار است. اما این مطالعه ارتفاع توربین ها را جداگانه مد نظر قرار داده است و نشان می دهد که طول پره ها عامل مهم تری است. به دلیل این که تلفات پرندگان با افزایش فاصله توربین ها رابطه معکوس دارد، پژوهشگران معتقدند که باید توربین های بادی را در خارج از یک منطقه حائل ۱۶۰۰ متری که زیستگاه پرتراکم جمعیت پرندگان است نصب کرد. توصیه دیگر آنها ساخت توربین های بلندتر با پره های کوتاه تر است.
نیروگاه های بادی پرنده
یک شرکت سوئدی به نام TwingTec در راستای ساخت توربین ها و نیروگاه های بادی بهتر، سال گذشته نمونه اولیه یک وسیله پرنده به نام T28 را ساخت که می توان آن را یک نیروگاه بادی پرنده به شمار آورد. T28 که مجموع طول بال هایش ۳ متر است از پایگاه خود بلند شد و در مدت ۳۰ دقیقه پرواز در هوا توانست انرژی الکتریکی تولید کند.
اکنون تیم سازنده در حال ساختن نمونه بعدی، یعنی T29 هستند که قرار است طبق برنامه ریزی های انجام شده در نوامبر ۲۰۱۹ برای مدت طولانی تری به پرواز در آید. این نیروگاه بادی نوظهور نه فقط با کمک روتورهای کوچک خود به طور خودکار از زمین بلند می شود و فرود می آید، بلکه می تواند تا ۱۰ کیلو وات نیروی الکتریکی تولید و آن را به شبکه دریافت انرژی منتقل کند. طراحی و ساخت وسیله هایی مثل T29 می تواند نوید بخش ساخت کایت های تولید کننده انرژی در آینده باشد. اکنون در اروپا ۱۰ شرکت نوبنیان و چندین تیم دانشگاهی و فنی در حال ابداع راه حل هایی برای تولید انرژی با این شیوه هستند.
