المعرفة الأساسية بالتنمية البشرية واستغلال موارد الطاقة الكهرومائية

1. موارد الطاقة المائية
يعود تاريخ التطور البشري واستغلال موارد الطاقة الكهرومائية إلى العصور القديمة. ووفقًا لتفسير قانون الطاقة المتجددة لجمهورية الصين الشعبية (الذي حررته لجنة العمل القانوني التابعة للجنة الدائمة للمجلس الوطني لنواب الشعب)، فإن تعريف الطاقة المائية هو: حرارة الرياح والشمس تُسبب تبخر الماء، وبخار الماء يُشكل المطر والثلج، وهطول الأمطار والثلوج يُشكل الأنهار والجداول، وجريان الماء يُنتج طاقة تُسمى طاقة الماء.
يتمثل المحتوى الرئيسي لتنمية موارد الطاقة الكهرومائية المعاصرة واستغلالها في تطويرها واستغلالها، ولذلك تُستخدم عادةً مصطلحات مثل موارد الطاقة المائية، والطاقة الهيدروليكية، والطاقة الكهرومائية كمرادفات. إلا أن موارد الطاقة الكهرومائية في الواقع تشمل نطاقًا واسعًا من الموارد، مثل الطاقة الحرارية المائية، والطاقة الكهرومائية، والطاقة المائية، وطاقة مياه البحر.

(1) موارد المياه والطاقة الحرارية
تُعرف موارد المياه والطاقة الحرارية عمومًا باسم الينابيع الساخنة الطبيعية. في العصور القديمة، بدأ الناس في استخدام موارد المياه والحرارة من الينابيع الساخنة الطبيعية مباشرةً لبناء الحمامات، والاغتسال، وعلاج الأمراض، وممارسة الرياضة. كما يستخدم الناس المعاصرون موارد المياه والطاقة الحرارية لتوليد الطاقة والتدفئة. على سبيل المثال، بلغ إنتاج الطاقة الكهرومائية في أيسلندا 7.08 مليار كيلوواط/ساعة في عام 2003، منها 1.41 مليار كيلوواط/ساعة تم توليدها باستخدام الطاقة الحرارية الأرضية (أي موارد الطاقة الحرارية المائية). وقد استخدم 86% من سكان البلاد الطاقة الحرارية الأرضية (موارد الطاقة الحرارية المائية) للتدفئة. وقد تم بناء محطة يانغ باجينغ للطاقة بسعة مثبتة تبلغ 25000 كيلوواط في شيزانغ، والتي تستخدم أيضًا الطاقة الحرارية الأرضية (موارد الطاقة المائية والحرارية) لتوليد الكهرباء. ووفقًا لتوقعات الخبراء، يمكن أن تصل الطاقة منخفضة الحرارة (باستخدام المياه الجوفية كوسيط) التي يمكن أن تجمعها التربة على عمق 100 متر تقريبًا في الصين كل عام إلى 150 مليار كيلوواط. في الوقت الحاضر، تبلغ القدرة المركبة لتوليد الطاقة الحرارية الأرضية في الصين 35300 كيلووات.
(2) مصادر الطاقة الهيدروليكية
تشمل الطاقة الهيدروليكية الطاقة الحركية والطاقة الكامنة للماء. في الصين القديمة، استُخدمت موارد الطاقة الهيدروليكية للأنهار المضطربة والشلالات على نطاق واسع في بناء آلات مثل النواعير المائية، وطواحين المياه، وطواحين المياه المستخدمة في الري المائي، ومعالجة الحبوب، وتقشير الأرز. في ثلاثينيات القرن التاسع عشر، طُوّرت محطات هيدروليكية واستُخدمت في أوروبا لتوفير الطاقة للصناعات الكبرى مثل مطاحن الدقيق، ومصانع القطن، والتعدين. تُعدّ توربينات المياه الحديثة، التي تُشغّل مضخات الطرد المركزي المائية مباشرةً لتوليد قوة الطرد المركزي لرفع المياه والري، بالإضافة إلى محطات ضخ المطرقة المائية التي تستخدم تدفق المياه لتوليد ضغط المطرقة المائية وتشكيل ضغط مائي مرتفع لرفع المياه والري، جميعها تطويرًا واستغلالًا مباشرًا لموارد الطاقة المائية.
(3) مصادر الطاقة الكهرومائية
في ثمانينيات القرن التاسع عشر، عندما تم اكتشاف الكهرباء، تم تصنيع المحركات الكهربائية على أساس النظرية الكهرومغناطيسية، وتم بناء محطات الطاقة الكهرومائية لتحويل الطاقة الهيدروليكية لمحطات الطاقة الكهرومائية إلى طاقة كهربائية وتسليمها للمستخدمين، مما أدى إلى فترة من التطوير القوي والاستخدام لموارد الطاقة الكهرومائية.
تُسمى موارد الطاقة الكهرومائية التي نشير إليها الآن عادةً بالموارد الكهرومائية. فبالإضافة إلى موارد مياه الأنهار، تحتوي المحيطات أيضًا على كميات هائلة من طاقة المد والجزر والأمواج والملح ودرجة الحرارة. وتشير التقديرات إلى أن موارد الطاقة الكهرومائية للمحيطات العالمية تبلغ 76 مليار كيلوواط، أي أكثر من 15 ضعف الاحتياطيات النظرية للطاقة الكهرومائية النهرية البرية. من بينها، تبلغ طاقة المد والجزر 3 مليارات كيلوواط، وطاقة الأمواج 3 مليارات كيلوواط، وطاقة فرق درجة الحرارة 40 مليار كيلوواط، وطاقة فرق الملح 30 مليار كيلوواط. في الوقت الحاضر، لم تصل سوى تكنولوجيا تطوير واستخدام طاقة المد والجزر إلى مرحلة عملية يمكن تطويرها على نطاق واسع في استخدام موارد الطاقة الكهرومائية البحرية من قبل البشر. ولا يزال تطوير واستخدام مصادر الطاقة الأخرى بحاجة إلى مزيد من البحث لتحقيق نتائج رائدة في الجدوى التقنية والاقتصادية وتحقيق التطوير والاستخدام العملي. إن تطوير واستخدام طاقة المحيطات الذي نشير إليه عادةً هو في الأساس تطوير واستخدام طاقة المد والجزر. يُسبب انجذاب القمر والشمس لسطح البحر تقلبات دورية في منسوب المياه، تُعرف باسم المد والجزر. يُشكل هذا التقلب طاقة المد والجزر. ونظريًا، طاقة المد والجزر هي طاقة ميكانيكية تُولّدها تقلبات مستويات المد والجزر.
ظهرت طواحين المد والجزر في القرن الحادي عشر، وفي أوائل القرن العشرين، بدأت ألمانيا وفرنسا في بناء محطات طاقة المد والجزر الصغيرة.
تشير التقديرات إلى أن طاقة المد والجزر القابلة للاستغلال في العالم تتراوح بين مليار و1.1 مليار كيلوواط، ويبلغ توليدها السنوي حوالي 1240 مليار كيلوواط/ساعة. وتبلغ الطاقة الإنتاجية المُركّبة لموارد طاقة المد والجزر القابلة للاستغلال في الصين 21.58 مليون كيلوواط، ويبلغ توليدها السنوي 30 مليار كيلوواط/ساعة.
أكبر محطة طاقة مدية في العالم حاليًا هي محطة رين الفرنسية، بطاقة إنتاجية تبلغ 240,000 كيلوواط. أما أول محطة طاقة مدية في الصين، وهي محطة جيتشو في مقاطعة غوانغدونغ، فقد بُنيت عام 1958 بطاقة إنتاجية تبلغ 40 كيلوواط. أما محطة تشجيانغ جيانغشيا للطاقة المدية، فقد بُنيت عام 1985، بطاقة إنتاجية إجمالية تبلغ 3,200 كيلوواط، لتحتل المرتبة الثالثة عالميًا.
علاوة على ذلك، تبلغ احتياطيات طاقة الأمواج في محيطات الصين حوالي 12.85 مليون كيلوواط، وطاقة المد والجزر حوالي 13.94 مليون كيلوواط، وطاقة فرق الملح حوالي 125 مليون كيلوواط، وطاقة فرق درجة الحرارة حوالي 1.321 مليار كيلوواط. باختصار، يبلغ إجمالي طاقة المحيطات في الصين حوالي 1.5 مليار كيلوواط، وهو ما يزيد عن ضعف الاحتياطي النظري للطاقة الكهرومائية للأنهار البرية والبالغ 694 مليون كيلوواط، ويحمل آفاقًا واسعة للتطوير والاستغلال. في الوقت الحاضر، تستثمر دول العالم بكثافة في البحث عن أساليب تكنولوجية لتطوير موارد الطاقة الهائلة الكامنة في المحيطات والاستفادة منها.
2. مصادر الطاقة الكهرومائية
تشير موارد الطاقة الكهرومائية عمومًا إلى استخدام الطاقة الكامنة والحركية لتدفق مياه الأنهار لتصريف العمل ودفع دوران المولدات الكهرومائية لتوليد الكهرباء. يتطلب توليد الطاقة من الفحم والنفط والغاز الطبيعي والطاقة النووية استهلاك موارد وقود غير متجددة، بينما لا يستهلك توليد الطاقة الكهرومائية موارد المياه، بل يعتمد على طاقة تدفق الأنهار.
(1) موارد الطاقة الكهرومائية العالمية
يبلغ إجمالي احتياطيات موارد الطاقة الكهرومائية في الأنهار في جميع أنحاء العالم 5.05 مليار كيلوواط، مع توليد طاقة سنوي يصل إلى 44.28 تريليون كيلوواط / ساعة؛ وتبلغ موارد الطاقة الكهرومائية القابلة للاستغلال فنياً 2.26 مليار كيلوواط، ويمكن أن يصل توليد الطاقة السنوي إلى 9.8 تريليون كيلوواط / ساعة.
في عام ١٨٧٨، شيدت فرنسا أول محطة طاقة كهرومائية في العالم بطاقة مُركّبة بلغت ٢٥ كيلوواط. وحتى الآن، تجاوزت الطاقة الكهرومائية المُركّبة عالميًا ٧٦٠ مليون كيلوواط، مع توليد طاقة سنوي يبلغ ٣ تريليونات كيلوواط/ساعة.
(2) موارد الطاقة الكهرومائية في الصين
تُعدّ الصين من أغنى دول العالم بموارد الطاقة الكهرومائية. ووفقًا لأحدث مسح لموارد الطاقة الكهرومائية، تبلغ الاحتياطيات النظرية من طاقة مياه الأنهار في الصين 694 مليون كيلوواط، ويبلغ معدل توليد الطاقة النظري السنوي 6.08 تريليون كيلوواط/ساعة، محتلةً بذلك المرتبة الأولى عالميًا من حيث الاحتياطيات النظرية للطاقة الكهرومائية. تبلغ القدرة الإنتاجية الفنية لموارد الطاقة الكهرومائية في الصين 542 مليون كيلوواط، بمعدل توليد طاقة سنوي يبلغ 2.47 تريليون كيلوواط/ساعة، والقدرة الإنتاجية الاقتصادية 402 مليون كيلوواط، بمعدل توليد طاقة سنوي يبلغ 1.75 تريليون كيلوواط/ساعة، وكلاهما في المرتبة الأولى عالميًا.
في يوليو 1905، تم بناء أول محطة للطاقة الكهرومائية في الصين، وهي محطة غويشان للطاقة الكهرومائية في مقاطعة تايوان، بسعة مركبة تبلغ 500 كيلو فولت أمبير. في عام 1912، تم الانتهاء من أول محطة للطاقة الكهرومائية في البر الرئيسي الصيني، محطة شيلونغبا للطاقة الكهرومائية في كونمينغ بمقاطعة يونان، لتوليد الطاقة، بسعة مركبة تبلغ 480 كيلووات. في عام 1949، بلغت القدرة المركبة للطاقة الكهرومائية في البلاد 163000 كيلووات؛ وبحلول نهاية عام 1999، تطورت إلى 72.97 مليون كيلووات، لتحتل المرتبة الثانية بعد الولايات المتحدة وتحتل المرتبة الثانية في العالم؛ بحلول عام 2005، بلغ إجمالي القدرة المركبة للطاقة الكهرومائية في الصين 115 مليون كيلووات، لتحتل المرتبة الأولى في العالم، حيث تمثل 14.4٪ من القدرة المركبة للطاقة الكهرومائية القابلة للاستغلال و20٪ من إجمالي القدرة المركبة لصناعة الطاقة الوطنية.
(3) خصائص الطاقة الكهرومائية
تتجدد الطاقة الكهرومائية باستمرار مع الدورة الهيدرولوجية للطبيعة، ويمكن للبشر استخدامها باستمرار. وكثيرًا ما يُستخدم مصطلح "لا تنضب" لوصف تجدد الطاقة الكهرومائية.
لا تستهلك الطاقة الكهرومائية الوقود ولا تنبعث منها مواد ضارة أثناء الإنتاج والتشغيل. كما أن تكاليف إدارتها وتشغيلها، وتكاليف توليد الطاقة، وتأثيرها البيئي أقل بكثير من تكاليف توليد الطاقة الحرارية، مما يجعلها مصدر طاقة خضراء منخفض التكلفة.
تتميز الطاقة الكهرومائية بأداء تنظيمي جيد، وسرعة تشغيل، وتلعب دورًا هامًا في تقليل ذروة الاستهلاك في شبكة الكهرباء. كما أنها سريعة وفعالة، مما يقلل من خسائر الطاقة في حالات الطوارئ والحوادث، ويضمن سلامة إمدادات الطاقة.
الطاقة الكهرومائية والطاقة المعدنية هما نوعان من الطاقة الأولية القائمة على الموارد، والتي تُحوّل إلى طاقة كهربائية وتُسمى طاقة ثانوية. يُعدّ تطوير الطاقة الكهرومائية مصدرًا للطاقة يُكمّل تطوير الطاقة الأولية وإنتاج الطاقة الثانوية في آنٍ واحد، حيث يقوم بوظيفتين أساسيتين هما بناء الطاقة الأولية وبناء الطاقة الثانوية؛ إذ لا يتطلب استخراج المعادن ونقلها وتخزينها عمليةً واحدةً للطاقة، مما يُخفّض تكاليف الوقود بشكل كبير.
سيُغيّر إنشاء الخزانات المائية لتطوير الطاقة الكهرومائية البيئة البيئية للمناطق المحلية. فمن جهة، يتطلب غمر بعض الأراضي، مما يؤدي إلى تهجير السكان؛ ومن جهة أخرى، يُمكنه استعادة المناخ المحلي للمنطقة، وخلق بيئة بيئية مائية جديدة، وتعزيز بقاء الكائنات الحية، وتسهيل السيطرة على الفيضانات البشرية، والري، والسياحة، وتطوير النقل البحري. لذلك، ينبغي عند تخطيط مشاريع الطاقة الكهرومائية مراعاة تقليل الآثار السلبية على البيئة، حيث أن مزايا تطوير الطاقة الكهرومائية تفوق عيوبه.
بفضل مزايا الطاقة الكهرومائية، تتبنى دول العالم الآن سياسات تُعطي الأولوية لتطويرها. في تسعينيات القرن الماضي، شكّلت الطاقة الكهرومائية 93.2% من إجمالي القدرة المركبة للبرازيل، بينما تجاوزت هذه النسبة 50% في دول مثل النرويج وسويسرا ونيوزيلندا وكندا.
وفي عام 1990، بلغت نسبة توليد الطاقة الكهرومائية إلى الكهرباء القابلة للاستغلال في بعض بلدان العالم 74% في فرنسا، و72% في سويسرا، و66% في اليابان، و61% في باراجواي، و55% في الولايات المتحدة، و54% في مصر، و50% في كندا، و17.3% في البرازيل، و11% في الهند، و6.6% في الصين خلال نفس الفترة.