معرفی انرژی تجدیدپذیر؛ راهکاری پایدار برای آینده

به گزارش تجارت امروز؛ در دنیای امروز با افزایش نگرانی‌ها درباره تغییرات اقلیمی و کاهش منابع سوخت‌های فسیلی، توجه به انرژی تجدیدپذیر بیش از هر زمان دیگری اهمیت یافته است. این منابع پاک و پایان‌ناپذیر مانند انرژی خورشیدی، بادی، آبی، زیست‌توده و زمین‌گرمایی می‌توانند جایگزینی مناسب برای سوخت‌های فسیلی باشند و به کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای کمک کنند. بسیاری از کشورها در حال سرمایه‌گذاری گسترده در این حوزه هستند تا علاوه بر حفظ محیط زیست، امنیت انرژی خود را نیز تأمین کنند. در این مقاله به معرفی انواع انرژی‌های تجدیدپذیر، مزایای آن‌ها و نقش آن‌ها در آینده پرداخته می‌شود.

معرفی انرژی تجدیدپذیر

انرژی تجدیدپذیر که به آن انرژی نوشدنی نیز گفته می‌شود (به انگلیسی: Renewable energy) نوعی انرژی مفید است که از منابعی به دست می‌آید که در مقیاس زمانی انسانی به‌طور طبیعی تجدید می‌شوند. این منابع شامل نور خورشید، باد، باران، جزر و مد، امواج و انرژی زمین‌گرمایی می‌شوند که اغلب کربن خنثی بوده و تأثیرات زیست‌محیطی کمتری نسبت به سوخت‌های فسیلی دارند.

در مقابل سوخت‌های فسیلی مانند زغال‌سنگ و نفت با سرعتی بسیار بیشتر از میزان تجدید خود مصرف می‌شوند و انتشار کربن بالایی دارند. سه منبع اصلی انرژی‌های تجدیدپذیر عبارتند از باد، خورشید و برق آبی که نقش مهمی در تأمین انرژی جهانی دارند. این نوع انرژی در چهار حوزه اساسی مورد استفاده قرار می‌گیرد: تولید برق، گرمایش و سرمایش، حمل‌ونقل و تأمین انرژی برای مناطق دورافتاده.

طبق گزارش REN21 در سال ۲۰۱۷، انرژی‌های تجدیدپذیر در سال‌های ۲۰۱۵ و ۲۰۱۶ به‌ترتیب ۱۹.۳٪ از کل مصرف انرژی و ۲۴.۵٪ از تولید برق جهان را به خود اختصاص داده‌اند. این میزان شامل ۸.۹٪ زیست‌توده سنتی، ۴.۲٪ انرژی گرمایی (مانند زیست‌توده مدرن، زمین‌گرمایی و انرژی خورشیدی)، ۳.۹٪ برق آبی و ۲.۲٪ انرژی حاصل از باد، خورشید و سایر منابع زیستی است.

سرمایه‌گذاری جهانی در فناوری‌های انرژی تجدیدپذیر در سال‌های اخیر رشد چشمگیری داشته است، به‌طوری که در سال ۲۰۱۵ بیش از ۲۸۶ میلیارد دلار و در سال ۲۰۱۷ حدود ۲۷۹.۸ میلیارد دلار در این حوزه سرمایه‌گذاری شده است. چین با ۱۲۶.۶ میلیارد دلار، آمریکا با ۴۰.۵ میلیارد دلار و اروپا با ۴۰.۹ میلیارد دلار از بزرگ‌ترین سرمایه‌گذاران این حوزه هستند. همچنین، صنایع مرتبط با انرژی‌های تجدیدپذیر بیش از ۱۰.۵ میلیون شغل در سراسر جهان ایجاد کرده‌اند که بیشترین فرصت‌های شغلی در حوزه فتوولتائیک خورشیدی بوده است.

سیستم‌های انرژی تجدیدپذیر به‌طور مداوم در حال بهبود کارآمدتر شدن و کاهش هزینه هستند. در سال ۲۰۱۹، بیش از دو سوم ظرفیت برق تازه نصب‌شده در جهان متعلق به انرژی‌های تجدیدپذیر بوده است. بسیاری از کشورها از جمله ایسلند، نروژ و پاراگوئه، تمام برق خود را از منابع تجدیدپذیر تأمین می‌کنند و برخی دیگر نیز اهدافی برای دستیابی به ۱۰۰٪ انرژی تجدیدپذیر تعیین کرده‌اند.

برخلاف منابع فسیلی که در نقاط خاصی از جهان متمرکز هستند، منابع انرژی تجدیدپذیر در سراسر مناطق مختلف جهان توزیع شده‌اند. گسترش استفاده از این منابع نه‌تنها امنیت انرژی را افزایش می‌دهد، بلکه به کاهش تغییرات اقلیمی و رشد اقتصادی پایدار نیز کمک می‌کند. نظرسنجی‌های بین‌المللی نشان می‌دهند که حمایت گسترده‌ای از توسعه انرژی‌های خورشیدی و بادی در سراسر جهان وجود دارد.

علاوه بر پروژه‌های عظیم، فناوری‌های تجدیدپذیر برای مناطق روستایی و کشورهای در حال توسعه نیز بسیار مفید هستند، زیرا برق حاصل از این منابع می‌تواند جایگزینی پاک و کارآمد برای انرژی‌های سنتی باشد. با توسعه زیرساخت‌های تجدیدپذیر و افزایش استفاده از برق در بخش‌های مختلف، بهره‌وری انرژی بهبود یافته و وابستگی به منابع آلاینده کاهش می‌یابد.

انرژی آبی

تا پایان سال ۲۰۱۹ ظرفیت برق آبی تجدیدپذیر در سطح جهانی به ۱۱۹۰ گیگاوات رسید. از آنجا که آب حدود ۸۰۰ برابر چگال‌تر از هوا است، حتی جریان‌های ضعیف آب یا یک موج متوسط دریایی می‌توانند مقدار زیادی انرژی تولید کنند. انواع مختلفی از انرژی آبی وجود دارد: سد سه‌دره در چین یکی از بزرگترین سدهای برق‌آبی است که از گذشته با ساخت مخازن و سدهای بزرگ تأمین می‌شد و هنوز هم در کشورهای در حال توسعه محبوب است. بزرگ‌ترین سدها شامل سد سه‌دره (۲۰۰۳) در چین و سد ایتایپو (۱۹۸۴) در مرز برزیل و پاراگوئه هستند.

نیروگاه‌های برق‌ آبی کوچک معمولاً حداکثر ۵۰ مگاوات برق تولید می‌کنند و بیشتر در رودخانه‌های کوچک یا به‌عنوان سازه‌هایی کم‌تأثیر در رودخانه‌های بزرگتر ساخته می‌شوند. چین بزرگ‌ترین تولیدکننده برق آبی در جهان است و بیش از ۴۵۰۰۰ نیروگاه برق‌آبی کوچک دارد.

نیروگاه‌ های جریانی روزمینی از رودخانه‌ها انرژی می‌گیرند بدون آنکه نیاز به ساخت یک مخزن بزرگ باشد. آب معمولاً از طریق کانال‌ها، لوله‌ها یا تونل‌ها در امتداد دره رودخانه منتقل می‌شود تا زمانی که از کف دره بالاتر برود، سپس می‌توان آن را برای چرخاندن توربین آزاد کرد. یکی از مثال‌های بزرگ این نوع نیروگاه‌ها سد چیف جوزف در رودخانه کلمبیا در ایالات متحده است. بسیاری از این نیروگاه‌ها، مانند نیروگاه‌های برق‌آبی میکرو یا پیکو برای تولید برق در مقیاس کوچک طراحی شده‌اند.

در سطح جهانی برق آبی در ۱۵۰ کشور تولید می‌شود. در سال ۲۰۱۰، منطقه آسیا و اقیانوسیه ۳۲٪ از تولید برق آبی جهان را به خود اختصاص داد. در کشورهایی که بیشترین درصد برق خود را از انرژی‌های تجدیدپذیر تأمین می‌کنند، ۵۰ کشور بزرگترین سهم خود را از طریق برق آبی تأمین می‌کنند. چین، با تولید ۷۲۱ تراوات ساعت برق آبی در سال ۲۰۱۰، بزرگترین تولیدکننده برق آبی در جهان است که این مقدار تقریباً ۱۷٪ از مصرف برق خانگی چین را پوشش می‌دهد.

در حال حاضر سه ایستگاه برق آبی بزرگتر از ۱۰ گیگاوات در جهان وجود دارد: سد سه‌دره در چین، سد ایتایپو در مرز برزیل و پاراگوئه و سد گوری در ونزوئلا.

انرژی موج، که از انرژی امواج سطح اقیانوس و انرژی جزر و مد که از حرکت جزر و مد استفاده می‌کند، از دیگر منابع برق آبی با پتانسیل بالای کاربرد در آینده هستند. با این حال هنوز به‌طور گسترده در تجارت استفاده نمی‌شوند. یکی از پروژه‌های نمایشی در ساحل ماین توسط شرکت انرژی تجدیدپذیر اقیانوس اجرا می‌شود که برق جزر و مدی را از خلیج فاندی، جایی با بالاترین جریان جزر و مد در جهان استخراج می‌کند. همچنین تبدیل انرژی حرارتی اقیانوس که از اختلاف دما میان آب‌های سطحی سردتر و گرمتر استفاده می‌کند، در حال حاضر از نظر اقتصادی قابل توجیه نیست.

انرژی خورشیدی

انرژی خورشیدی که شامل نور تابشی و گرمای خورشید است، از طریق مجموعه‌ای از فناوری‌های در حال تکامل از جمله گرمایش خورشیدی، فتوولتائیک، انرژی خورشیدی متمرکز (CSP)، فتوولتائیک متمرکز (CPV)، معماری خورشیدی و فتوسنتز مصنوعی مورد بهره‌برداری قرار می‌گیرد. بسته به نحوه جذب، تبدیل و توزیع انرژی خورشیدی، این فناوری‌ها به طور کلی به دو دسته خورشیدی منفعل و خورشیدی فعال تقسیم می‌شوند.

روش‌ های خورشیدی منفعل شامل جهت‌ دهی مناسب ساختمان‌ها به سمت خورشید، انتخاب موادی با جرم حرارتی مناسب یا ویژگی‌های پراکندگی نور و طراحی فضاهایی است که به‌طور طبیعی موجب جریان هوا می‌شوند. از سوی دیگر، فناوری‌های خورشیدی فعال شامل انرژی حرارتی خورشیدی برای گرمایش با استفاده از کلکتورهای خورشیدی و برق خورشیدی است که در آن نور خورشید به برق تبدیل می‌شود. این فرآیند می‌تواند مستقیماً با استفاده از فتوولتائیک (PV) یا به‌طور غیرمستقیم با استفاده از انرژی خورشیدی متمرکز (CSP) انجام گیرد.

یک سیستم فتوولتائیک با بهره‌گیری از اثر فوتوالکتریک نور خورشید را به جریان الکتریکی مستقیم (DC) تبدیل می‌کند. فناوری فتوولتائیک خورشیدی به صنعتی چند میلیارد دلاری با رشد سریع تبدیل شده و بهبود بیشتر مقرون‌به‌صرفه بودن آن همچنان ادامه دارد. این فناوری همراه با انرژی خورشیدی متمرکز (CSP)، از پتانسیل بالایی در میان دیگر فناوری‌های تجدیدپذیر برخوردار است. در سیستم‌های CSP، از عدسی‌ها یا آینه‌ها و سیستم‌های ردیابی برای متمرکز کردن نور خورشید به یک پرتو باریک استفاده می‌شود. نخستین نیروگاه‌های خورشیدی متمرکز تجاری در دهه ۱۹۸۰ توسعه یافتند و سیستم CSP-استرلینگ بالاترین بازده را در میان تمام فناوری‌های انرژی خورشیدی دارد.

در سال ۲۰۱۱، آژانس بین‌المللی انرژی تأکید کرد که «توسعه فناوری‌های انرژی خورشیدی مقرون‌به‌صرفه، پاک و پایان‌ناپذیر، منافع بلندمدتی خواهد داشت. این فناوری‌ها بر اساس یک منبع بومی، نامحدود و بیشتر مستقل از واردات، امنیت انرژی کشورها را تقویت کرده و به افزایش پایداری، کاهش آلودگی، کاهش هزینه‌های مرتبط با تغییرات آب و هوایی و پایین نگه داشتن قیمت سوخت‌های فسیلی کمک خواهد کرد. این مزایا جهانی هستند و باید هزینه‌های اضافی مشوق‌های استقرار اولیه و سرمایه‌گذاری‌های یادگیری به‌طور گسترده به اشتراک گذاشته شوند.»

در ایتالیا بیشترین نسبت برق خورشیدی در جهان تأمین می‌شود. در سال ۲۰۱۵، خورشید ۷.۷٪ از تقاضای برق این کشور را تأمین کرد. همچنین، در سال ۲۰۱۷، پس از یک سال رشد سریع دیگر، انرژی خورشیدی تقریباً ۲٪ از انرژی جهانی، معادل ۴۶۰ تراوات ساعت برق، تولید کرد.

انرژی زمین‌گرمایی (ژئوترمال)

انرژی زمین‌گرمایی با دمای بالا از انرژی حرارتی تولیدشده و ذخیره‌شده در درون زمین به‌دست می‌آید. این انرژی حرارتی، انرژی تعیین‌کننده دمای ماده است و از فرآیندهای مختلف درون زمین ناشی می‌شود. انرژی زمین‌گرمایی به‌طور عمده از شکل‌گیری اولیه سیاره و واپاشی رادیواکتیو مواد معدنی درون زمین نشأت می‌گیرد. این فرآیندها گرمایی تولید می‌کنند که به‌طور پیوسته از هسته زمین به سطح آن هدایت می‌شود، و این انتقال گرما به‌وسیله گرادیان زمین‌گرمایی صورت می‌گیرد که تفاوت دما بین هسته و سطح زمین را نشان می‌دهد.

گرمای مورد استفاده برای تولید انرژی زمین‌گرمایی می‌تواند از اعماق مختلف زمین، حتی نزدیک به هسته آن که عمقی حدود ۶۴۰۰ کیلومتر دارد، استخراج شود. در هسته زمین، دما ممکن است به بیش از ۵۰۰۰ درجه سلسیوس برسد. این گرما به سنگ‌های اطراف منتقل شده و باعث ذوب شدن برخی از سنگ‌ها می‌شود که معمولاً به آن‌ها ماگما گفته می‌شود. ماگما به دلیل سبک‌تر بودن نسبت به سنگ‌های جامد به سمت بالا حرکت می‌کند و در این فرآیند، سنگ‌ها و آب‌های پوسته زمین را گرم می‌کند، گاهی تا دماهای بالای ۳۷۱ درجه سلسیوس.

ژئوترمال دما پایین به استفاده از پوسته خارجی زمین به‌عنوان یک باتری حرارتی برای تولید انرژی حرارتی تجدیدپذیر برای گرمایش و سرمایش ساختمان‌ها و مصارف صنعتی اشاره دارد. در این سیستم‌ها یک پمپ حرارتی زمین‌گرمایی و مبدل حرارتی زمینی با هم کار می‌کنند تا انرژی گرمایی را به داخل زمین (برای خنک کردن) و خارج از زمین (برای گرم کردن) منتقل کنند. این سیستم‌ها به‌طور فصلی عمل کرده و انرژی را در طول سال برای تأمین نیازهای گرمایشی و سرمایشی به‌طور مؤثری استفاده می‌کنند.

ژئوترمال دما پایین یا GHP (Ground-Source Heat Pump) به‌عنوان یک فناوری تجدیدپذیر، اهمیت فزاینده‌ای پیدا کرده است. این سیستم‌ها نه‌تنها مصرف انرژی برای گرمایش و سرمایش را کاهش می‌دهند، بلکه به تسطیح منحنی تقاضای برق کمک کرده و از افزایش نیاز به برق در زمان‌های اوج مصرف (پیک برق) در تابستان و زمستان می‌کاهند. به همین دلیل، استفاده از GHP به‌عنوان یک اولویت ملی در بسیاری از کشورها در حال توسعه است و این روند با ارائه مشوق‌های مالیاتی و تمرکز بر جنبش‌های انرژی صفر در حال گسترش است.

انرژی زیستی

زیست‌توده به مواد زیستی گفته می‌شود که از موجودات زنده یا به‌تازگی زنده استخراج شده‌اند. این اصطلاح بیشتر به گیاهان یا مواد مشتق شده از گیاهان اطلاق می‌شود که به‌طور خاص زیست‌توده لیگنوسلولزیک نامیده می‌شوند. به‌عنوان منبع انرژی، زیست‌توده می‌تواند به‌طور مستقیم از طریق سوزاندن برای تولید گرما استفاده شود یا پس از تبدیل به انواع مختلف سوخت‌های زیستی، به‌طور غیرمستقیم مورد استفاده قرار گیرد. تبدیل زیست‌توده به سوخت‌های زیستی می‌تواند از روش‌های مختلفی مانند روش‌های حرارتی، شیمیایی و بیوشیمیایی انجام شود.

چوب هنوز بزرگ‌ترین منبع باقی‌مانده از زیست‌توده است. این شامل بقایای جنگل مانند درختان مرده، شاخه‌ها و کنده‌ها، شاخه‌های هرس‌شده درختان باغ‌ها، تراشه‌های چوب و حتی زباله‌های شهری می‌شود. در تعریفی دیگر، زیست‌توده شامل مواد گیاهی یا جانوری است که می‌توانند به الیاف یا دیگر مواد شیمیایی صنعتی مانند سوخت‌های زیستی تبدیل شوند. زیست‌توده صنعتی می‌تواند از انواع مختلف گیاهان مانند میسکانتوس، کنف صنعتی، ذرت، صنوبر، بید، سورگوم، نیشکر و بامبو تولید شود.

انرژی گیاهی از محصولاتی تولید می‌شود که به‌طور خاص برای استفاده به‌عنوان سوخت پرورش یافته‌اند و در ازای انرژی ورودی کمی برای هر هکتار، زیست‌توده زیادی تولید می‌کنند. دانه‌ها را می‌توان برای تولید سوخت‌های مایع وسایل نقلیه استفاده کرد، در حالی که کاه می‌تواند برای تولید گرما یا برق سوزانده شود. زیست‌توده گیاهی همچنین می‌تواند از طریق فرآیندهای شیمیایی مختلف از سلولز به گلوکز تجزیه شود و سپس قند حاصل به‌عنوان سوخت زیستی نسل اول مورد استفاده قرار گیرد.

زیست‌توده را می‌توان به انواع دیگر انرژی‌های قابل استفاده مانند گاز متان یا سوخت‌های ترابری مانند اتانول و بیودیزل تبدیل کرد. زباله‌های پوسیده، زباله‌های کشاورزی و انسانی همگی گاز متان آزاد می‌کنند که به آن‌ها گاز دفن زباله یا بیوگاز گفته می‌شود. محصولاتی مانند ذرت و نیشکر می‌توانند تخمیر شده و سوخت‌های ترابری مانند اتانول تولید کنند. بیودیزل نیز می‌تواند از محصولات غذایی باقی‌مانده مانند روغن‌های گیاهی و چربی‌های جانوری تولید شود. علاوه بر این، زیست‌توده به مایعات BTL و اتانول سلولزی نیز تحت تحقیق و توسعه است.

تحقیقات زیادی در مورد سوخت جلبک یا زیست‌توده حاصل از جلبک‌ها انجام شده است. جلبک‌ها یک منبع غیرغذایی هستند و می‌توانند ۵ تا ۱۰ برابر بیشتر از گیاهان کشاورزی زمینی مانند ذرت و سویا تولید شوند. پس از برداشت، جلبک‌ها می‌توانند تخمیر شده و سوخت‌های زیستی مانند اتانول، بوتانول، متان، بیودیزل و حتی هیدروژن تولید کنند.

زیست‌توده مورد استفاده برای تولید برق در مناطق مختلف تفاوت دارد. در ایالات متحده، محصولات جانبی جنگلی مانند بقایای چوب رایج هستند. در کشورهای دیگر مانند موریس و جنوب شرقی آسیا، از زباله‌های کشاورزی مانند بقایای نیشکر و پوسته برنج استفاده می‌شود. در انگلستان، از بقایای دامداری مانند فضله مرغ برای تولید انرژی استفاده می‌شود.

زیست‌سوخت‌ها به انواع سوخت‌هایی اطلاق می‌شود که از زیست‌توده تولید می‌شوند و شامل سوخت‌های جامد، مایع و گاز هستند. سوخت‌های زیستی مایع شامل بیواتانول و بیودیزل و سوخت‌های زیستی گازی شامل بیوگاز، گاز محل دفن و گاز مصنوعی هستند. بیواتانول از تخمیر اجزای قند موجود در مواد گیاهی تولید می‌شود و عمدتاً از محصولات شکر و نشاسته مانند ذرت، نیشکر و به‌تازگی سورگوم شیرین ساخته می‌شود. سورگوم شیرین به‌ویژه برای کشت در شرایط دیم مناسب است و به‌طور خاص در مناطق خشک آسیا و آفریقا برای تولید سوخت، غذا و خوراک دام مورد توجه قرار گرفته است.