ความรู้พื้นฐานเกี่ยวกับการพัฒนาของมนุษย์และการใช้ประโยชน์จากทรัพยากรพลังงานน้ำ

1. ทรัพยากรพลังงานน้ำ
ประวัติศาสตร์การพัฒนาและการใช้ประโยชน์จากทรัพยากรพลังงานน้ำของมนุษย์นั้นย้อนกลับไปถึงสมัยโบราณ ตามคำอธิบายประกอบกฎหมายพลังงานหมุนเวียนแห่งสาธารณรัฐประชาชนจีน (เรียบเรียงโดยคณะทำงานด้านกฎหมายของคณะกรรมการประจำสภาประชาชนแห่งชาติ) นิยามของพลังงานน้ำคือ ความร้อนจากลมและแสงแดดทำให้เกิดการระเหยของน้ำ ไอน้ำกลายเป็นฝนและหิมะ การตกของฝนและหิมะกลายเป็นแม่น้ำและลำธาร และการไหลของน้ำก่อให้เกิดพลังงาน ซึ่งเรียกว่าพลังงานน้ำ
เนื้อหาหลักของการพัฒนาและการใช้ประโยชน์ทรัพยากรพลังงานน้ำในปัจจุบันคือการพัฒนาและการใช้ประโยชน์ทรัพยากรพลังงานน้ำ ดังนั้นผู้คนจึงมักใช้คำว่าทรัพยากรพลังงานน้ำ ทรัพยากรพลังงานไฮดรอลิก และทรัพยากรพลังงานไฟฟ้าพลังน้ำเป็นคำที่มีความหมายเหมือนกัน อย่างไรก็ตาม ในความเป็นจริง ทรัพยากรพลังงานน้ำครอบคลุมเนื้อหาที่หลากหลาย เช่น ทรัพยากรพลังงานความร้อนจากน้ำ ทรัพยากรพลังงานน้ำ ทรัพยากรพลังงานน้ำ และทรัพยากรพลังงานจากน้ำทะเล

(1) ทรัพยากรน้ำและพลังงานความร้อน
แหล่งพลังงานน้ำและความร้อนเป็นที่รู้จักกันทั่วไปในชื่อน้ำพุร้อนธรรมชาติ ในสมัยโบราณ ผู้คนเริ่มใช้ประโยชน์จากน้ำและความร้อนของน้ำพุร้อนธรรมชาติโดยตรงเพื่อสร้างห้องอาบน้ำ อาบน้ำ รักษาโรค และออกกำลังกาย ปัจจุบันผู้คนก็ใช้ประโยชน์จากน้ำและพลังงานความร้อนเพื่อผลิตกระแสไฟฟ้าและให้ความร้อนเช่นกัน ตัวอย่างเช่น ประเทศไอซ์แลนด์มีการผลิตไฟฟ้าพลังน้ำ 7.08 พันล้านกิโลวัตต์ชั่วโมงในปี 2546 ซึ่ง 1.41 พันล้านกิโลวัตต์ชั่วโมงนั้นผลิตจากพลังงานความร้อนใต้พิภพ (เช่น แหล่งพลังงานความร้อนจากน้ำ) ร้อยละ 86 ของประชากรในประเทศใช้พลังงานความร้อนใต้พิภพ (แหล่งพลังงานความร้อนจากน้ำ) เพื่อการทำความร้อน โรงไฟฟ้าหยางปาจิงที่มีกำลังการผลิตติดตั้ง 25,000 กิโลวัตต์ที่สร้างขึ้นในซีจางก็ใช้พลังงานความร้อนใต้พิภพ (แหล่งพลังงานความร้อนจากน้ำ) ในการผลิตไฟฟ้าเช่นกัน จากการคาดการณ์ของผู้เชี่ยวชาญ พลังงานอุณหภูมิต่ำ (โดยใช้น้ำใต้ดินเป็นตัวกลาง) ที่สามารถเก็บรวบรวมได้จากดินในระดับความลึกเกือบ 100 เมตรในประเทศจีนในแต่ละปีนั้นสามารถสูงถึง 150 พันล้านกิโลวัตต์ ปัจจุบัน กำลังการผลิตไฟฟ้าจากพลังงานความร้อนใต้พิภพที่ติดตั้งในประเทศจีนอยู่ที่ 35,300 กิโลวัตต์
(2) แหล่งพลังงานไฮดรอลิก
พลังงานน้ำประกอบด้วยพลังงานจลน์และพลังงานศักยภาพของน้ำ ในจีนโบราณ ทรัพยากรพลังงานน้ำจากแม่น้ำที่ไหลเชี่ยว น้ำตก และลำธาร ถูกนำมาใช้ประโยชน์อย่างกว้างขวางในการสร้างเครื่องจักร เช่น กังหานน้ำ โรงสีน้ำ และโรงสีน้ำ เพื่อใช้ในการชลประทาน การแปรรูปธัญพืช และการสีข้าว ในช่วงทศวรรษ 1830 สถานีพลังงานน้ำถูกพัฒนาและนำมาใช้ในยุโรปเพื่อผลิตพลังงานสำหรับอุตสาหกรรมขนาดใหญ่ เช่น โรงสีแป้ง โรงงานปั่นฝ้าย และเหมืองแร่ กังหานน้ำสมัยใหม่ที่ขับเคลื่อนปั๊มน้ำแบบแรงเหวี่ยงโดยตรงเพื่อสร้างแรงเหวี่ยงสำหรับการสูบน้ำและการชลประทาน รวมถึงสถานีสูบน้ำแบบค้อนน้ำที่ใช้การไหลของน้ำเพื่อสร้างแรงดันค้อนน้ำและสร้างแรงดันน้ำสูงสำหรับการสูบน้ำและการชลประทาน ล้วนเป็นการพัฒนาและการใช้ประโยชน์จากทรัพยากรพลังงานน้ำโดยตรง
(3) แหล่งพลังงานไฟฟ้าพลังน้ำ
ในช่วงทศวรรษ 1880 เมื่อมีการค้นพบไฟฟ้า มอเตอร์ไฟฟ้าถูกผลิตขึ้นโดยอาศัยทฤษฎีแม่เหล็กไฟฟ้า และโรงไฟฟ้าพลังน้ำถูกสร้างขึ้นเพื่อแปลงพลังงานน้ำจากสถานีผลิตไฟฟ้าพลังน้ำให้เป็นพลังงานไฟฟ้าและส่งไปยังผู้ใช้ ซึ่งเป็นการเริ่มต้นยุคแห่งการพัฒนาและการใช้ประโยชน์จากทรัพยากรพลังงานน้ำอย่างคึกคัก
ทรัพยากรพลังงานน้ำที่เรากำลังกล่าวถึงในตอนนี้ มักเรียกว่าทรัพยากรพลังงานไฟฟ้าพลังน้ำ นอกเหนือจากทรัพยากรน้ำในแม่น้ำแล้ว มหาสมุทรยังประกอบด้วยพลังงานจากน้ำขึ้นน้ำลง คลื่น ความเค็ม และอุณหภูมิจำนวนมหาศาล มีการประมาณการว่าทรัพยากรพลังงานไฟฟ้าพลังน้ำในมหาสมุทรทั่วโลกมีถึง 76 พันล้านกิโลวัตต์ ซึ่งมากกว่าปริมาณสำรองตามทฤษฎีของพลังงานไฟฟ้าพลังน้ำจากแม่น้ำบนบกถึง 15 เท่า ในจำนวนนี้ พลังงานจากน้ำขึ้นน้ำลงมี 3 พันล้านกิโลวัตต์ พลังงานจากคลื่น 3 พันล้านกิโลวัตต์ พลังงานจากความแตกต่างของอุณหภูมิ 40 พันล้านกิโลวัตต์ และพลังงานจากความแตกต่างของความเค็ม 30 พันล้านกิโลวัตต์ ในปัจจุบัน มีเพียงเทคโนโลยีการพัฒนาและการใช้ประโยชน์จากพลังงานน้ำขึ้นน้ำลงเท่านั้นที่ได้ก้าวไปสู่ขั้นที่สามารถนำไปพัฒนาในวงกว้างเพื่อใช้ประโยชน์จากทรัพยากรพลังงานไฟฟ้าพลังน้ำในทะเลได้ การพัฒนาและการใช้ประโยชน์จากแหล่งพลังงานอื่นๆ ยังคงต้องการการวิจัยเพิ่มเติมเพื่อให้ได้ผลลัพธ์ที่ก้าวล้ำในด้านเทคนิคและเศรษฐกิจที่เป็นไปได้ และเพื่อให้บรรลุการพัฒนาและการใช้ประโยชน์ในทางปฏิบัติ การพัฒนาและการใช้พลังงานจากมหาสมุทรที่เรามักกล่าวถึงนั้น ส่วนใหญ่แล้วคือการพัฒนาและการใช้พลังงานจากน้ำขึ้นน้ำลง แรงดึงดูดของดวงจันทร์และดวงอาทิตย์ต่อผิวน้ำทะเลของโลกทำให้ระดับน้ำเปลี่ยนแปลงเป็นระยะๆ ซึ่งเรียกว่าน้ำขึ้นน้ำลง การเปลี่ยนแปลงของน้ำทะเลก่อให้เกิดพลังงานน้ำขึ้นน้ำลง โดยหลักการแล้ว พลังงานน้ำขึ้นน้ำลงคือพลังงานกลที่เกิดจากการเปลี่ยนแปลงของระดับน้ำขึ้นน้ำลง
โรงสีพลังงานน้ำขึ้นน้ำลงปรากฏขึ้นในศตวรรษที่ 11 และในช่วงต้นศตวรรษที่ 20 เยอรมนีและฝรั่งเศสเริ่มสร้างโรงไฟฟ้าพลังงานน้ำขึ้นน้ำลงขนาดเล็ก
มีการประเมินว่าพลังงานจากกระแสน้ำขึ้นลงที่สามารถนำมาใช้ประโยชน์ได้ทั่วโลกมีอยู่ระหว่าง 1 พันล้านถึง 1.1 พันล้านกิโลวัตต์ โดยมีกำลังการผลิตไฟฟ้าต่อปีประมาณ 1,240 พันล้านกิโลวัตต์ชั่วโมง ขณะที่ทรัพยากรพลังงานจากกระแสน้ำขึ้นลงที่สามารถนำมาใช้ประโยชน์ได้ของจีนมีกำลังการผลิตติดตั้งอยู่ที่ 21.58 ล้านกิโลวัตต์ และมีกำลังการผลิตไฟฟ้าต่อปีอยู่ที่ 30 พันล้านกิโลวัตต์ชั่วโมง
ปัจจุบันโรงไฟฟ้าพลังงานน้ำขึ้นน้ำลงที่ใหญ่ที่สุดในโลกคือโรงไฟฟ้าพลังงานน้ำขึ้นน้ำลงแรนส์ในประเทศฝรั่งเศส มีกำลังการผลิตติดตั้ง 240,000 กิโลวัตต์ โรงไฟฟ้าพลังงานน้ำขึ้นน้ำลงแห่งแรกในประเทศจีนคือโรงไฟฟ้าพลังงานน้ำขึ้นน้ำลงจี้โจวในมณฑลกวางตุ้ง สร้างขึ้นในปี 1958 มีกำลังการผลิตติดตั้ง 40 กิโลวัตต์ ส่วนโรงไฟฟ้าพลังงานน้ำขึ้นน้ำลงเจียงเซี่ยในมณฑลเจ้อเจียง สร้างขึ้นในปี 1985 มีกำลังการผลิตติดตั้งรวม 3,200 กิโลวัตต์ ครองอันดับสามของโลก
นอกจากนี้ ในมหาสมุทรของจีน พลังงานคลื่นมีปริมาณสำรองประมาณ 12.85 ล้านกิโลวัตต์ พลังงานน้ำขึ้นน้ำลงประมาณ 13.94 ล้านกิโลวัตต์ พลังงานจากความแตกต่างของความเค็มประมาณ 125 ล้านกิโลวัตต์ และพลังงานจากความแตกต่างของอุณหภูมิประมาณ 1.321 พันล้านกิโลวัตต์ โดยสรุปแล้ว พลังงานจากมหาสมุทรทั้งหมดในจีนมีปริมาณประมาณ 1.5 พันล้านกิโลวัตต์ ซึ่งมากกว่าสองเท่าของปริมาณสำรองทางทฤษฎีของพลังงานน้ำจากแม่น้ำบนบกที่ 694 ล้านกิโลวัตต์ และมีศักยภาพในการพัฒนาและใช้ประโยชน์อย่างกว้างขวาง ปัจจุบัน ประเทศต่างๆ ทั่วโลกกำลังลงทุนอย่างหนักในการวิจัยวิธีการทางเทคโนโลยีเพื่อพัฒนาและใช้ประโยชน์จากทรัพยากรพลังงานมหาศาลที่ซ่อนอยู่ในมหาสมุทร
2. แหล่งพลังงานไฟฟ้าพลังน้ำ
โดยทั่วไปแล้ว พลังงานไฟฟ้าพลังน้ำหมายถึงการใช้พลังงานศักยภาพและพลังงานจลน์ของกระแสน้ำในแม่น้ำเพื่อส่งพลังงานและขับเคลื่อนการหมุนของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าพลังน้ำเพื่อผลิตกระแสไฟฟ้า การผลิตไฟฟ้าจากถ่านหิน น้ำมัน ก๊าซธรรมชาติ และพลังงานนิวเคลียร์ต้องใช้เชื้อเพลิงที่ไม่สามารถนำกลับมาใช้ใหม่ได้ ในขณะที่การผลิตไฟฟ้าพลังน้ำไม่ใช้ทรัพยากรน้ำ แต่ใช้พลังงานจากกระแสน้ำในแม่น้ำ
(1) ทรัพยากรพลังงานไฟฟ้าพลังน้ำทั่วโลก
ปริมาณสำรองพลังงานน้ำในแม่น้ำทั่วโลกมีทั้งหมด 5.05 พันล้านกิโลวัตต์ โดยมีกำลังการผลิตไฟฟ้าต่อปีสูงถึง 44.28 ล้านล้านกิโลวัตต์ชั่วโมง และปริมาณพลังงานน้ำที่สามารถนำมาใช้ประโยชน์ได้ทางเทคนิคมี 2.26 พันล้านกิโลวัตต์ โดยมีกำลังการผลิตไฟฟ้าต่อปีสูงถึง 9.8 ล้านล้านกิโลวัตต์ชั่วโมง
ในปี ค.ศ. 1878 ฝรั่งเศสได้สร้างโรงไฟฟ้าพลังน้ำแห่งแรกของโลกด้วยกำลังการผลิตติดตั้ง 25 กิโลวัตต์ จนถึงปัจจุบัน กำลังการผลิตไฟฟ้าพลังน้ำทั่วโลกมีมากกว่า 760 ล้านกิโลวัตต์ โดยมีการผลิตไฟฟ้าต่อปีถึง 3 ล้านล้านกิโลวัตต์ชั่วโมง
(2) ทรัพยากรพลังงานน้ำของจีน
จีนเป็นหนึ่งในประเทศที่มีทรัพยากรพลังงานน้ำที่อุดมสมบูรณ์ที่สุดในโลก จากการสำรวจทรัพยากรพลังงานน้ำล่าสุด พบว่าปริมาณสำรองพลังงานน้ำในแม่น้ำของจีนตามทฤษฎีอยู่ที่ 694 ล้านกิโลวัตต์ และกำลังการผลิตไฟฟ้าตามทฤษฎีต่อปีอยู่ที่ 6.08 ล้านล้านกิโลวัตต์ชั่วโมง ซึ่งครองอันดับหนึ่งของโลกในด้านปริมาณสำรองพลังงานน้ำตามทฤษฎี นอกจากนี้ กำลังการผลิตที่สามารถนำมาใช้ประโยชน์ได้ทางเทคนิคของทรัพยากรพลังงานน้ำของจีนอยู่ที่ 542 ล้านกิโลวัตต์ โดยมีกำลังการผลิตไฟฟ้าต่อปีอยู่ที่ 2.47 ล้านล้านกิโลวัตต์ชั่วโมง และกำลังการผลิตที่สามารถนำมาใช้ประโยชน์ได้ทางเศรษฐกิจอยู่ที่ 402 ล้านกิโลวัตต์ โดยมีกำลังการผลิตไฟฟ้าต่อปีอยู่ที่ 1.75 ล้านล้านกิโลวัตต์ชั่วโมง ซึ่งทั้งสองอย่างนี้ครองอันดับหนึ่งของโลกเช่นกัน
ในเดือนกรกฎาคม ค.ศ. 1905 โรงไฟฟ้าพลังน้ำแห่งแรกของจีน คือ โรงไฟฟ้าพลังน้ำกุ้ยซาน ในมณฑลไต้หวัน ถูกสร้างขึ้นด้วยกำลังการผลิตติดตั้ง 500 กิโลโวลต์แอมป์ ในปี ค.ศ. 1912 โรงไฟฟ้าพลังน้ำแห่งแรกในจีนแผ่นดินใหญ่ คือ โรงไฟฟ้าพลังน้ำชิหลงปา ในเมืองคุนหมิง มณฑลยูนนาน ได้สร้างเสร็จสมบูรณ์เพื่อผลิตกระแสไฟฟ้า ด้วยกำลังการผลิตติดตั้ง 480 กิโลวัตต์ ในปี ค.ศ. 1949 กำลังการผลิตติดตั้งของพลังน้ำในประเทศอยู่ที่ 163,000 กิโลวัตต์ ภายในสิ้นปี ค.ศ. 1999 กำลังการผลิตได้พัฒนาขึ้นเป็น 72.97 ล้านกิโลวัตต์ รองจากสหรัฐอเมริกาและอยู่ในอันดับที่สองของโลก ภายในปี ค.ศ. 2005 กำลังการผลิตติดตั้งรวมของพลังน้ำในจีนได้ถึง 115 ล้านกิโลวัตต์ อยู่ในอันดับที่หนึ่งของโลก คิดเป็น 14.4% ของกำลังการผลิตพลังน้ำที่สามารถนำมาใช้ได้ และ 20% ของกำลังการผลิตติดตั้งทั้งหมดของอุตสาหกรรมพลังงานของประเทศ
(3) ลักษณะเฉพาะของพลังงานไฟฟ้าพลังน้ำ
พลังงานน้ำสามารถเกิดขึ้นใหม่ได้เรื่อยๆ ตามวัฏจักรของน้ำในธรรมชาติ และมนุษย์สามารถนำมาใช้ได้อย่างต่อเนื่อง ผู้คนมักใช้คำว่า "ไม่มีวันหมด" เพื่ออธิบายถึงความสามารถในการหมุนเวียนของพลังงานน้ำ
พลังงานไฟฟ้าพลังน้ำไม่ใช้เชื้อเพลิงหรือปล่อยสารอันตรายในระหว่างการผลิตและการดำเนินงาน ต้นทุนการจัดการและการดำเนินงาน ต้นทุนการผลิตไฟฟ้า และผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมนั้นต่ำกว่าการผลิตไฟฟ้าจากพลังงานความร้อนมาก ทำให้เป็นแหล่งพลังงานสีเขียวต้นทุนต่ำ
พลังงานน้ำมีประสิทธิภาพในการควบคุมที่ดี เริ่มต้นใช้งานได้อย่างรวดเร็ว และมีบทบาทในการลดภาระสูงสุดของระบบส่งไฟฟ้า ช่วยลดการสูญเสียพลังงานในสถานการณ์ฉุกเฉินและอุบัติเหตุได้อย่างรวดเร็วและมีประสิทธิภาพ และรับประกันความปลอดภัยในการจ่ายพลังงาน
พลังงานน้ำและพลังงานจากแร่ธาตุจัดเป็นพลังงานปฐมภูมิที่อาศัยทรัพยากร ซึ่งจะถูกแปลงเป็นพลังงานไฟฟ้าและเรียกว่าพลังงานทุติยภูมิ การพัฒนาพลังงานน้ำเป็นแหล่งพลังงานที่ดำเนินการทั้งการพัฒนาพลังงานปฐมภูมิและการผลิตพลังงานทุติยภูมิไปพร้อมกัน มีฟังก์ชันคู่คือการสร้างพลังงานปฐมภูมิและการสร้างพลังงานทุติยภูมิ ไม่จำเป็นต้องมีกระบวนการสกัด ขนส่ง และจัดเก็บแร่ธาตุพลังงานแยกต่างหาก ซึ่งช่วยลดต้นทุนเชื้อเพลิงได้อย่างมาก
การสร้างอ่างเก็บน้ำเพื่อพัฒนาพลังงานน้ำจะเปลี่ยนแปลงสภาพแวดล้อมทางนิเวศวิทยาของพื้นที่นั้นๆ ในด้านหนึ่ง จำเป็นต้องมีการจมอยู่ใต้น้ำในบางพื้นที่ ส่งผลให้ต้องมีการย้ายถิ่นฐานของผู้คน ในอีกด้านหนึ่ง มันสามารถฟื้นฟูสภาพภูมิอากาศในระดับจุลภาคของภูมิภาค สร้างสภาพแวดล้อมทางน้ำใหม่ ส่งเสริมการอยู่รอดของสิ่งมีชีวิต และอำนวยความสะดวกในการควบคุมน้ำท่วม การชลประทาน การท่องเที่ยว และการพัฒนาการขนส่งทางน้ำ ดังนั้น ในการวางแผนโครงการพลังงานน้ำ ควรพิจารณาโดยรวมถึงการลดผลกระทบเชิงลบต่อสภาพแวดล้อมทางนิเวศวิทยาให้เหลือน้อยที่สุด และการพัฒนาพลังงานน้ำมีข้อดีมากกว่าข้อเสีย
เนื่องจากข้อดีของพลังงานน้ำ ประเทศต่างๆ ทั่วโลกจึงเริ่มนำนโยบายที่ให้ความสำคัญกับการพัฒนาพลังงานน้ำมาใช้ ในช่วงทศวรรษ 1990 พลังงานน้ำคิดเป็น 93.2% ของกำลังการผลิตติดตั้งทั้งหมดของบราซิล ในขณะที่ประเทศต่างๆ เช่น นอร์เวย์ สวิตเซอร์แลนด์ นิวซีแลนด์ และแคนาดา มีสัดส่วนพลังงานน้ำมากกว่า 50%
ในปี 1990 สัดส่วนของการผลิตไฟฟ้าพลังน้ำต่อปริมาณไฟฟ้าที่สามารถนำมาใช้ประโยชน์ได้ในบางประเทศทั่วโลก มีดังนี้ ฝรั่งเศส 74% สวิตเซอร์แลนด์ 72% ญี่ปุ่น 66% ปารากวัย 61% สหรัฐอเมริกา 55% อียิปต์ 54% แคนาดา 50% บราซิล 17.3% อินเดีย 11% และจีน 6.6% ในช่วงเวลาเดียวกัน