تحلیل نوآوری های اخیر در توسعه فناوری برق آبی

این یافته ها حاکی از آن است که اگرچه نیروگاه انرژی به سطح بالایی از بلوغ فناوری دست یافته است، اما پتانسیل قابل توجهی برای رویکردهای نوین در برنامه ریزی، طراحی و بهره برداری وجود دارد. روندهای نوظهور فناوری با هدف افزایش انعطاف پذیری، کارایی و مقرون به صرفه بودن نیروگاهها توسط مرکز تحقیقات مشترک کمیسیون اروپا بحث شد.
یافته های این رویداد اخیراً در Renewable and Sustainable Energy Reviews منتشر شده است، که در آن چالش های فنی موجود و شکاف دانش مربوط به توسعه بیشتر نیروگاه برق مورد بررسی قرار گرفته است. نویسندگان کوگیاس و همکاران می گویند که در مقایسه با دیگر منابع انرژی پاک مانند باد و خورشیدی، نیروگاه برق آبی به سطح بالایی از بلوغ فناوری رسیده است. آنها اظهار داشتند که فرصت های کمتری برای شناسایی و اجرای مفاهیم طراحی رادیکال وجود دارد که باعث تغییر در نحوه عملکرد فناوری برق آبی می شود. با این حال، پتانسیل قابل توجهی برای رویکردهای جدید در برنامه ریزی، طراحی و بهره برداری از یک نیروگاه برق آبی وجود دارد.

این مقاله به نوآوریهای اخیر در توسعه فناوری برق آبی می پردازد.
هر نوآوری با هدف افزایش بهره وری فناوری برق آبی، انعطاف پذیری بهره برداری، طول عمر و کاهش هزینه های نصب، بهره برداری و نگهداری آن انجام می شود. در واقع، پیشرفت فناوری باعث می شود تا نیروگاه برق آبی بتواند به تغییرات سیستم های برقی، بازارها و آب و هوا پاسخ دهد.

مقاله فعالیت های اخیر تحقیق و توسعه را شرح می دهد و فناوری ها و مفاهیم تحلیل شده را به شش گروه تقسیم می کند:

۱- تکنیک های پشتیبانی از بهره وری گسترده(wide-range) توربین های هیدرولیک:

تولید متغیر انرژی الکتریکی از منابع انرژی تجدید پذیر (RES)، مانند باد و خورشیدی، مستلزم آن است که توربینهای هیدرولیک در شرایط گسترده(wide-range) و متغیری کار کنند. استراتژی های کاهش تغییرات آب و هوایی نیاز به سهم بالایی از انرژی RES دارند که به نوبه خود مستلزم آن است که فناوری های جدید برق آبی انعطاف پذیری بیشتری را برای طیف گسترده ای از شرایط هیدرولیکی فراهم کنند.

برخی از برجسته ترین فناوری های انعطاف پذیر در دست توسعه شامل:
باله های تثبیت کننده(stabiliser fins)، دیافراگم قابل تنظیم(adjustable diaphragm) نصب شده در مخروط لوله پیش ساخته(draft tube cone)، شیارهای J (J-grooves) ، تزریق / پذیرش هوا، تزریق محوری آب(axial water injection) با سرعت بالا / پایین، تزریق مماسی آب(tangential water injection) در دیواره مخروطی و تزریق دو فاز هوا-آب در امتداد محور.

۲- ناپایداری در توربین های فرانسیس(Francis turbines) ایستگاه های ذخیره انرژی آب تلمبه ای(pumped hydro):

درک بهتر از شرایط کار گذرا از توربین های آبی ممکن است منجر به پیشرفت های بیشتر در طراحی های هیدرولیک و مکانیکی، پایداری دستگاه و قابلیت اطمینان شود. بررسی بیشتر کاویتاسیون(cavitation)، ارزشمند خواهد بود زیرا به نظر می رسد در فرآیندهای start-up و runaway نقش مهمی را ایفا می کند.

۳- دیجیتالی شدن بهره برداری نیروگاه برق آبی:

جمع آوری و پردازش داده های لحظه ای جهان برای تنظیم شرایط کار واقعی توربین های آبی می تواند خدمات پشتیبانی پیشرفته ای را برای شبکه برق، بدون به خطر انداختن قابلیت اطمینان و ایمنی ایستگاه ها، ارائه دهد.

هدف از فناوری نوظهور ارائه شده در مقاله، پشتیبانی از نیروگاه های برق آبی در تحقق الزامات EPS آینده است که با فعال کردن سریع ذخیره مهار سریع فرکانس(fast frequency containment reserve)، ذخیره ترمیم فرکانس (frequency restoration reserve) و شروع سیاه(black start) در مواقع اضطراری است.

تخمین زده می شود که با اجرای دیجیتالی شدن نیروگاه برق آبی، می توان ۴۲ TWh در کل به تولید انرژی برق آبی اضافه کرد. چنین افزایش می تواند منجر به پس انداز عملیاتی سالانه ۵ میلیارد دلار آمریکا و کاهش قابل توجه انتشار گازهای گلخانه ای شود.

۴- ژنراتورهای برق آبی با روتورهای جریان کنترل شده(current-controlled rotors):

الکترونیک قدرت مدرن با منبع تغذیه جریان کنترل شده، فرصت های جدیدی را برای کنترل ماشین های برقی فراهم می کند. ایده یک روتور مقطعی(segmented rotor) می تواند با ایده های جدید برای کاهش هزینه های سرمایه گذاری و نگهداری ترکیب شود.
مبدل های الکترونیکی قدرت همچنین امکانات جدیدی را برای ماشین های برقی باز می کند. چیزهای بیشتری برای کشف وجود دارد و انتظار می رود که ایده های جدید اتصال دستگاه های برقی با الکترونیک قدرت را تقویت کند.

۵-  تولید برق آبی سرعت متغیر(Variable speed hydropower generation)

ژنراتور برق آبی سرعت متغیر قبلا به عنوان بالاترین سطح آمادگی فناوری(technology readiness level) توصیف شده است. با این وجود، تنها چند واحد نیروگاه برق آبی سرعت متغیر (که بیشتر آنها واحدهای ذخیره آب تلمبه ای هستند) در حال کار هستند.

نویسندگان می گویند که دلایل کند بودن سرعت نصب به این دلیل است که معمولاً از زمان طرح مفهومی یک پروژه نیروگاه برق آبی تا بهره‌برداری مدت زیادی طول می کشد.

تحولات جدید اغلب طیف گسترده ای از نگرانی های زیست محیطی را ایجاد می کند و اینکه درآمد اضافی که یک نیروگاه نیروگاهی با سرعت متغیر می تواند در بازارهای برق و خدمات جانبی کسب کند، همیشه ارزش هزینه های اضافی لازم برای کارخانه با سرعت متغیر را ندارد.

علیرغم نکات فوق، نویسندگان می گویند که هنوز برخی چالش های فناوری باقی مانده است که با غلبه بر این ها، می توان به افزایش مزایای تولید نیروگاههای با سرعت متغیر کمک کرد. آنها دو چالش مهم را ذکر می کنند:

-بزرگ کردن دامنه عملکرد پایدار دستگاه های هیدرولیک به منظور بهره گیری کامل از عملکرد سرعت متغیر

-پیشرفت سیستم عایق کاری دستگاههای converter-fed

۶- مفاهیم جدید در ذخیره انرژی برق آبی:

افزایش روزافزون نفوز انرژی تجدید پذیر متغیر در سیستم های الکتریکی، باعث افزایش نوآوری در ذخیره انرژی می شود. حتی اگر ذخیره سازی تلمبه ای یک فناوری ذخیره انرژی بالغ است، برای پاسخ به نیازهای سریعتر و مکرر انتقال حالت یعنی از پمپ به توربین و برعکس، این تحول همچنان ادامه دارد.

به نظر نویسندگان، دو فناوری پیشرفته ذخیره سازی آب تلمبه ای وجود دارند که از پتانسیل قابل توجهی برخوردار هستند.

اینها سیستمهای ذخیره انرژی و نیروگاه برق آبی سریع(fast energy storage systems and hydropower) و دیگری ذخیره سازی انرژی آب تلمبه ای زیرابی(underwater pumped-hydro energy storage) است.

نیروگاه برق آبی -ذخیره انرژی آب تلمبه ای

نیروگاه برق آبی -ذخیره انرژی آب تلمبه ای زیر آبی

۷- فناوری های جدید در نیروگاه برق آبی مقیاس کوچک:

نیروگاه برق آبی مقیاس کوچک نقش مهمی در استراتژی های برق رسانی به روستاییان و شبکه های کوچک ایفا می کند. پتانسیل غیر قابل استفاده با اختلاف هد(head) پایین در رودخانه ها، کانال های آبیاری و آسیاب قدیمی وجود دارد. طرح های جدید ماشین های هیدرولیکی گرانشی (gravity hydraulic machines) و توربین ها (توربین های کم هد و توربین های hydrokinetic) و طراحی های پیشرفته و استراتژی های عملیاتی پمپ به عنوان توربین(PAT)، معرفی می شوند.

۸- فناوری های برق آبی دوستدار ماهی(Fish-friendly):

برخلاف توربین های معمولی، توربین های کم هد گرانشی(low head gravity turbines) دوستدار ماهی هستند. با این حال، این توربین ها می توانند فقط در مکانهایی با هد خیلی کم بکار می روند و بنابراین برای نیروگاه های برق آبی با هد بالا دو استراتژی تدوین شده است: امکانات عبور ماهی و توربین های دوستدار ماهی.

تلاش های علمی اخیر بر درک روابط بین محیط های هیدرولیک آشفته(turbulent hydraulic environments) و رفتار حیوانات در مسیرهای ماهی برای بهبود جذابیت، نزدیک شدن، ورود و عبور گونه های مختلف متمرکز شده است. در حالی که برای غلبه بر محدودیت های عبور ماهی، تلاش های اخیر تحقیق و توسعه بر پیشرفت توربین های دوستدار ماهی برای ایستگاه های آبی با هد نسبتاً بالاتر متمرکز شده است.

بر این اساس ، توربینAlden  و توربین Minimum Gap Runner معرفی شده است. توربین Alden بطور خاص با اختلاف هد تا ۲۵ متر کار می کند.

نیروگاه برق آبی دوستار ماهی

نردبان ماهی قزل آلا در سد Bonneville در رودخانه کلمبیا در ایالات متحده

نردبان ماهی برای نیروگاه برق آبی دوستار ماهی درLower Monumental

سایر رشته های علمی

در این مقاله در مورد چالش ها، روند نوآوری و فناوری های نوین که عمدتا پروژه های تحقیقاتی اروپا را پوشش می دهند، بحث می کنند.

آنها معتقدند که پیشرفتهای فناوری آینده در علوم زیست محیطی تأثیر مستقیمی در نحوه ارزیآبی اثر اکولوژیکی نیروگاههای برق آبی موجود و جدید خواهد داشت. تعریف روش های پیشرفته و دقیق تر برای ارزیآبی اثرات زیست محیطی مانند جریان های زیست محیطی، گام مهمی در جهت دستیآبی به یک کار دوستانه محیط زیست از نیروگاههای برق آبی است.

کوگیاس و همکاران می گویند: “درک بهتر تعامل آب با اکوسیستم های حاصل از فعالیت های تحقیقاتی در زمینه های آب و محیط زیست ممکن است به رفع برخی از محدودیت ها کمک کند و – حداقل تا حدی – از کاهش تأثیرات زیست محیطی حمایت کند.”

این بخش می تواند از پیشرفت های مربوط به جمع آوری داده های هیدرولوژی و تجزیه و تحلیل حوضه های رودخانه بهره مند شود. پیشرفت در برآورد زمان سفر آب، نفوذ آبهای زیرزمینی(groundwater infiltration) و تبخیر می تواند تأثیر مستقیمی در برنامه ریزی نیروگاه برق آبی داشته باشد.
شرایط آب و هوایی و تغییرات احتمالی آنها نیز بسیار مهم است زیرا در دسترس بودن آب در آینده یک پارامتر تعیین کننده برای پایداری اقتصادی یک نیروگاه برق آبی است.

نتیجه گیری

“پیشرفت در جزئیات، پالایش و صحت پروژه های اقلیمی نیز از انرژی برق آبی بهره مند می شود. کاهش یا حذف بخشی از عدم قطعیت از اهمیت بسیاری برخوردار است، به ویژه اینکه نیروگاه برق آبی یک فناوری با سرمایه اولیه بالاست. بنابراین روشن است که نقش آتی نیروگاه برق آبی تنها وابسته به پیشرفتهای تکنولوژیکی نیست که در تحلیل حاضر پوشش داده شده است. پیشرفت دانش در سایر رشته های علمی نیز مهم است. در دسترس بودن سبد فناوریهای مختلف و پیشرفته مطمئناً راه حلهایی را برای تعداد بیشتر کاربرد ها ایجاد می کند.”

۴ آگوست ۲۰۲۰