ידע בסיסי בפיתוח אנושי וניצול משאבי אנרגיה הידרואלקטרית

1. משאבי אנרגיה למים
ההיסטוריה של פיתוח אנושי וניצול משאבי אנרגיה הידרואלקטרית מתחילה עוד בימי קדם. על פי פרשנות חוק האנרגיה המתחדשת של הרפובליקה העממית של סין (בעריכה של ועדת העבודה החוקית של הוועדה הקבועה של הקונגרס העממי הלאומי), הגדרת אנרגיית מים היא: חום הרוח והשמש גורם לאידוי המים, אדי מים יוצרים גשם ושלג, ירידת גשם ושלג יוצרת נהרות ונחלים, וזרימת המים מייצרת אנרגיה, הנקראת אנרגיית מים.
התוכן העיקרי של פיתוח וניצול משאבי אנרגיה הידרואלקטרית עכשוויים הוא פיתוח וניצול של משאבי אנרגיה הידרואלקטרית, ולכן אנשים בדרך כלל משתמשים במשאבי אנרגיית מים, משאבי אנרגיה הידרואלקטריים ומשאבי אנרגיה הידרואלקטריים כמילים נרדפות. עם זאת, במציאות, משאבי אנרגיה הידרואלקטרית כוללים מגוון רחב של תכנים כגון משאבי אנרגיה הידרו-תרמית, משאבי אנרגיה הידרואלקטרית, משאבי אנרגיה הידרואלקטרית ומשאבי אנרגיה מי ים.

(1) משאבי מים ואנרגיה תרמית
משאבי מים ואנרגיה תרמית ידועים בדרך כלל כמעיינות חמים טבעיים. בימי קדם, אנשים החלו להשתמש ישירות במשאבי המים והחום של מעיינות חמים טבעיים כדי לבנות מרחצאות, להתרחץ, לטפל במחלות ולהתאמן. אנשים מודרניים משתמשים גם במשאבי מים ואנרגיה תרמית לייצור חשמל וחימום. איסלנד, לדוגמה, יצרה אנרגיה הידרואלקטרית של 7.08 מיליארד קילוואט-שעה בשנת 2003, מתוכם 1.41 מיליארד קילוואט-שעה נוצרו באמצעות אנרגיה גיאותרמית (כלומר, משאבי אנרגיה תרמית של מים). 86% מתושבי המדינה השתמשו באנרגיה גיאותרמית (משאבי אנרגיה תרמית של מים) לחימום. תחנת הכוח יאנגבג'ינג עם קיבולת מותקנת של 25,000 קילוואט נבנתה בשיזאנג, המשתמשת גם באנרגיה גיאותרמית (משאבי אנרגיה של מים וחום) לייצור חשמל. על פי תחזית מומחים, האנרגיה בטמפרטורה נמוכה (שימוש במי תהום כמדיום) שניתן לאסוף על ידי הקרקע בטווח של כמעט 100 מטרים בסין מדי שנה יכולה להגיע ל-150 מיליארד קילוואט. נכון לעכשיו, כושר הייצור המותקן של אנרגיה גיאותרמית בסין עומד על 35,300 קילוואט.
(2) משאבי אנרגיה הידראולית
אנרגיה הידראולית כוללת את האנרגיה הקינטית והפוטנציאלית של מים. בסין העתיקה, משאבי האנרגיה ההידראולית של נהרות סוערים, מפלים ומפלים נוצלו באופן נרחב לבניית מכונות כגון גלגלי מים, טחנות מים וטחנות מים להשקיה, עיבוד תבואה וקליפת אורז. בשנות ה-30 של המאה ה-19 פותחו ונוצלו תחנות הידראוליות באירופה כדי לספק חשמל לתעשיות בקנה מידה גדול כמו טחנות קמח, טחנות כותנה וכרייה. טורבינות המים המודרניות המניעות ישירות משאבות מים צנטריפוגליות כדי לייצר כוח צנטריפוגלי להרמת מים והשקיה, כמו גם תחנות משאבה מסוג פטיש מים המשתמשות בזרימת מים כדי לייצר לחץ פטיש מים וליצור לחץ מים גבוה להרמת מים והשקיה, כולן פיתוח וניצול ישירים של משאבי אנרגיית מים.
(3) משאבי אנרגיה הידרואלקטרית
בשנות ה-80 של המאה ה-19, כאשר התגלה החשמל, יוצרו מנועים חשמליים על סמך תיאוריה אלקטרומגנטית, ונבנו תחנות כוח הידרואלקטריות כדי להמיר את האנרגיה ההידראולית של תחנות כוח הידרואלקטריות לאנרגיה חשמלית ולספק אותה למשתמשים, ובכך בישר תקופה של פיתוח וניצול נמרצים של משאבי אנרגיה הידרואלקטרית.
משאבי האנרגיה ההידרואלקטרית שאנו מתייחסים אליהם כעת נקראים בדרך כלל משאבים הידרואלקטריים. בנוסף למשאבי מי הנהרות, האוקיינוס ​​מכיל גם אנרגיית גאות ושפל, גלים, מלח וטמפרטורה עצומה. ההערכה היא שמשאבי האנרגיה ההידרואלקטרית האוקיינית העולמיים הם 76 מיליארד קילוואט, שהם יותר מפי 15 מהעתודות התאורטיות של אנרגיית נהרות יבשתית. ביניהם, אנרגיית גאות ושפל היא 3 מיליארד קילוואט, אנרגיית גלים היא 3 מיליארד קילוואט, אנרגיית הפרש טמפרטורה היא 40 מיליארד קילוואט, ואנרגיית הפרש מלח היא 30 מיליארד קילוואט. נכון לעכשיו, רק טכנולוגיית הפיתוח והניצול של אנרגיית גאות ושפל הגיעה לשלב מעשי שניתן לפתח בקנה מידה גדול בניצול משאבי אנרגיה הידרואלקטרית ימיים על ידי בני אדם. הפיתוח והניצול של מקורות אנרגיה אחרים עדיין דורשים מחקר נוסף כדי להשיג תוצאות פורצות דרך בהיתכנות טכנית וכלכלית ולהשיג פיתוח וניצול מעשיים. הפיתוח והניצול של אנרגיית האוקיינוס ​​​​שאליו אנו מתייחסים בדרך כלל הוא בעיקר פיתוח וניצול אנרגיית גאות ושפל. משיכת הירח והשמש לפני הים של כדור הארץ גורמת לתנודות תקופתיות במפלס המים, המכונות גאות ושפל באוקיינוס. תנודות מי הים יוצרות אנרגיית גאות ושפל. באופן עקרוני, אנרגיית גאות ושפל היא אנרגיה מכנית הנוצרת מתנודות בגובה פני השטח.
טחנות גאות ושפל הופיעו במאה ה-11, ובתחילת המאה ה-20 החלו גרמניה וצרפת לבנות תחנות כוח קטנות של גאות ושפל.
ההערכה היא כי אנרגיית הגאות והשפל הניתנת לניצול בעולם נעה בין מיליארד ל-1.1 מיליארד קילוואט, עם ייצור חשמל שנתי של כ-1240 מיליארד קילוואט-שעה. משאבי אנרגיית הגאות והשפל הניתנים לניצול בסין בעלי כושר ייצור מותקן של 21.58 מיליון קילוואט וייצור חשמל שנתי של 30 מיליארד קילוואט-שעה.
תחנת הכוח הגאות והשפל הגדולה בעולם כיום היא תחנת הכוח הגאות והשפל של רן בצרפת, עם קיבולת מותקנת של 240,000 קילוואט. תחנת הכוח הגאות והשפל הראשונה בסין, תחנת הכוח הגאות והשפל ג'יג'ואו בגואנגדונג, נבנתה בשנת 1958 עם קיבולת מותקנת של 40 קילוואט. תחנת הכוח הגאות והשפל ג'ג'יאנג ג'יאנגשיה, שנבנתה בשנת 1985, בעלת קיבולת מותקנת כוללת של 3,200 קילוואט, והיא מדורגת במקום השלישי בעולם.
בנוסף, באוקיינוסים של סין, עתודות אנרגיית הגלים הן כ-12.85 מיליון קילוואט, אנרגיית הגאות והשפל היא כ-13.94 מיליון קילוואט, אנרגיית הפרש המלח היא כ-125 מיליון קילוואט, ואנרגיית הפרש הטמפרטורה היא כ-1.321 מיליארד קילוואט. לסיכום, סך אנרגיית האוקיינוס ​​בסין הוא כ-1.5 מיליארד קילוואט, שהם יותר מפי שניים מהעתודה התיאורטית של 694 מיליון קילוואט של אנרגיית נהרות יבשתית, ויש לה סיכויים רחבים לפיתוח וניצול. כיום, מדינות ברחבי העולם משקיעות רבות במחקר גישות טכנולוגיות לפיתוח וניצול משאבי האנרגיה העצומים החבויים באוקיינוס.
2、 משאבי אנרגיה הידרואלקטרית
משאבי אנרגיה הידרואלקטרית מתייחסים בדרך כלל לשימוש באנרגיה הפוטנציאלית והקינטית של זרימת מי הנהר כדי לפרוק עבודה ולהניע את סיבובם של גנרטורים הידרואלקטריים לייצור חשמל. ייצור פחם, נפט, גז טבעי ואנרגיה גרעינית דורש צריכת משאבי דלק שאינם מתחדשים, בעוד שייצור חשמל הידרואלקטרי אינו צורך משאבי מים, אלא מנצל את אנרגיית זרימת הנהר.
(1) משאבי אנרגיה הידרואלקטרית עולמיים
סך עתודות משאבי האנרגיה ההידרואלקטרית בנהרות ברחבי העולם עומדות על 5.05 מיליארד קילוואט, עם ייצור חשמל שנתי של עד 44.28 טריליון קילוואט-שעה; משאבי האנרגיה ההידרואלקטרית הניתנים לניצול טכני עומדים על 2.26 מיליארד קילוואט, וייצור החשמל השנתי יכול להגיע ל-9.8 טריליון קילוואט-שעה.
בשנת 1878 בנתה צרפת את תחנת הכוח ההידרואלקטרית הראשונה בעולם עם קיבולת מותקנת של 25 קילוואט. עד כה, קיבולת הייצור ההידרואלקטרי המותקנת ברחבי העולם עלתה על 760 מיליון קילוואט, עם ייצור חשמל שנתי של 3 טריליון קילוואט שעה.
(2) משאבי האנרגיה ההידרואלקטרית של סין
סין היא אחת המדינות בעלות משאבי האנרגיה ההידרואלקטרית העשירים ביותר בעולם. על פי הסקר האחרון של משאבי אנרגיה הידרואלקטרית, עתודות האנרגיה התאורטיות של מי הנהרות בסין עומדות על 694 מיליון קילוואט, וייצור החשמל התאורטי השנתי עומד על 6.08 טריליון קילוואט-שעה, המדורגות במקום הראשון בעולם מבחינת עתודות תיאורטיות של אנרגיה הידרואלקטרית; כושר הניצול הטכני של משאבי האנרגיה ההידרואלקטרית של סין עומד על 542 מיליון קילוואט, עם ייצור חשמל שנתי של 2.47 טריליון קילוואט-שעה, וקיבולת הניצול הכלכלית עומדת על 402 מיליון קילוואט, עם ייצור חשמל שנתי של 1.75 טריליון קילוואט-שעה, שניהם מדורגים במקום הראשון בעולם.
ביולי 1905 נבנתה תחנת הכוח ההידרואלקטרית הראשונה של סין, תחנת הכוח ההידרואלקטרית גוישאן במחוז טייוואן, עם קיבולת מותקנת של 500 קילוואט. בשנת 1912 הושלמה בניית תחנת הכוח ההידרואלקטרית הראשונה ביבשת סין, תחנת הכוח ההידרואלקטרית שילונגבה בקונמינג, מחוז יונאן, לייצור חשמל, עם קיבולת מותקנת של 480 קילוואט. בשנת 1949, קיבולת הכוח המותקנת של אנרגיה הידרואלקטרית במדינה הייתה 1,63000 קילוואט; עד סוף 1999 היא התפתחה ל-72.97 מיליון קילוואט, שנייה רק ​​לארצות הברית ומדורגת במקום השני בעולם; עד שנת 2005, קיבולת הכוח המותקנת הכוללת של אנרגיה הידרואלקטרית בסין הגיעה ל-115 מיליון קילוואט, מדורגת במקום הראשון בעולם, המהווה 14.4% מקיבולת הכוח ההידרואלקטרית הניתנת לניצול ו-20% מסך הקיבולת המותקנת של תעשיית החשמל הלאומית.
(3) מאפייני אנרגיה הידרואלקטרית
אנרגיה הידרואלקטרית מתחדשת שוב ושוב עם המחזור ההידרולוגי של הטבע, וניתן להשתמש בה באופן רציף על ידי בני אדם. אנשים משתמשים לעתים קרובות בביטוי "בלתי נדלה" כדי לתאר את יכולת ההתחדשות של אנרגיה הידרואלקטרית.
אנרגיה הידרואלקטרית אינה צורכת דלק או פולטת חומרים מזיקים במהלך הייצור והתפעול. עלויות הניהול והתפעול שלה, עלויות ייצור החשמל וההשפעה הסביבתית שלה נמוכות בהרבה מאלה של ייצור חשמל תרמי, מה שהופך אותה למקור אנרגיה ירוק בעלות נמוכה.
לאנרגיית הידרואלקטרית יש ביצועי ויסות טובים, הפעלה מהירה, והיא ממלאת תפקיד של חילוץ שיא בהפעלת רשת החשמל. היא מהירה ויעילה, מפחיתה הפסדי אספקת חשמל במצבי חירום ותאונות, ומבטיחה את בטיחות אספקת החשמל.
אנרגיה הידרואלקטרית ואנרגיה מינרלית שייכות לאנרגיה ראשונית מבוססת משאבים, המומרת לאנרגיה חשמלית ונקראת אנרגיה משנית. פיתוח אנרגיה הידרואלקטרית הוא מקור אנרגיה המשלים בו זמנית הן פיתוח אנרגיה ראשונית והן ייצור אנרגיה משנית, עם פונקציות כפולות של בניית אנרגיה ראשונית והן בניית אנרגיה משנית; אין צורך בתהליך הפקה, הובלה ואחסון של מינרלי אנרגיה יחידים, מה שמפחית מאוד את עלויות הדלק.
בניית מאגרים לפיתוח אנרגיה הידרואלקטרית תשנה את הסביבה האקולוגית של אזורים מקומיים. מצד אחד, היא דורשת את הטביעה של חלק מהקרקע, וכתוצאה מכך עתיד של מהגרים להתגורר מחדש; מצד שני, היא יכולה לשקם את המיקרו-אקלים של האזור, ליצור סביבה אקולוגית מימית חדשה, לקדם את הישרדותם של אורגניזמים ולהקל על בקרת שיטפונות אנושית, השקיה, תיירות ופיתוח ספנות. לכן, בתכנון פרויקטים של אנרגיה הידרואלקטרית, יש לתת את הדעת הכוללת למזעור ההשפעה השלילית על הסביבה האקולוגית, ולפיתוח אנרגיה הידרואלקטרית יש יותר יתרונות מחסרונות.
בשל יתרונותיה של אנרגיית אנרגיה הידרואלקטרית, מדינות ברחבי העולם מאמצות כיום מדיניות המעניקה עדיפות לפיתוח אנרגיה הידרואלקטרית. בשנות ה-90, אנרגיה הידרואלקטרית היוותה 93.2% מסך כושר הייצור המותקן של ברזיל, בעוד שבמדינות כמו נורבגיה, שוויץ, ניו זילנד וקנדה היו שיעורי אנרגיה הידרואלקטרית מעל 50%.
בשנת 1990, שיעור ייצור החשמל ההידרואלקטרי בחשמל הניתן לניצול בכמה מדינות בעולם היה 74% בצרפת, 72% בשוויץ, 66% ביפן, 61% בפרגוואי, 55% בארצות הברית, 54% במצרים, 50% בקנדה, 17.3% בברזיל, 11% בהודו ו-6.6% בסין באותה תקופה.