فصل 09 (علوم تجربی هفتم)
زندگی امروز ما بدون انرژی نمی‌چرخد: روشنایی، حمل‌ونقل، صنعت، کشاورزی و ارتباطات همه به انرژی نیاز دارند. به همین دلیل دسترسی به منابع انرژی و استفادهٔ درست از آنها یکی از نشانه‌های مهم توسعه‌یافتگی هر کشور است. نکتهٔ کلیدی فصل: منبع اصلی تقریباً همهٔ انرژی‌هایی که بشر مصرف میکند خورشید است — چه مستقیم (انرژی خورشیدی) و چه غیرمستقیم (سوخت فسیلی، باد، موج، سوخت زیستی).
دو دستهٔ بزرگ منابع انرژی
| ویژگی | تجدیدناپذیر | تجدیدپذیر |
|---|---|---|
| جایگزینی | جایگزین نمی‌شود | پیوسته جایگزین میشود |
| زمان تشکیل | میلیونها سال | همیشه در دسترس |
| آلودگی | معمولاً بالا | ناچیز یا صفر |
| نمونه | نفت، گاز، زغالسنگ، هستهای | خورشیدی، بادی، آبی، زمین‌گرمایی، زیستی |
در سال ۱۴۰۰ نزدیک به ۹۰ درصد انرژی مصرفی جهان از منابع تجدیدناپذیر تأمین شده است.
منابع تجدیدناپذیر
سوختهای فسیلی سوخت‌هایی‌اند که از بقایای جانداران و گیاهانِ میلیونها سال پیش ساخته شده‌اند:
ادامهٔ فرمول را افقی ببینسه نوع اصلی آنها: نفت خام (پس از پالایش به بنزین، نفت سفید، گازوئیل و سوخت هواپیما تبدیل میشود)، گاز طبیعی (بیشتر برای گرمایش) و زغالسنگ (بیشتر در نیروگاه برق).
زنجیرهٔ تبدیل انرژی در نیروگاه فسیلی:
ادامهٔ فرمول را افقی ببینمزیتها: ذخایر بزرگ، انرژی زیاد در حجم کم، زیرساخت آمادهٔ انتقال. معایب: محدود بودن، آزاد شدن ادامهٔ فرمول را افقی ببین و گازهای مضر (گرمایش جهانی)، آلودگی هوا و آب و خاک.
گرمایش جهانی یعنی انباشت ادامهٔ فرمول را افقی ببین و گازهای دیگرِ حاصل از سوختن سوخت فسیلی در جو، که دمای متوسط زمین را بالا میبرد.
آمار جالب انتقال نفت در ایران: روزانه بیش از ۳۳۰ میلیون لیتر مواد نفتی از راه ۱۴۰۰۰ کیلومتر خط لولهٔ زیرزمینی جابه‌جا میشود. اگر به‌جای آن تانکرهای ۲۰۰۰۰ لیتری به کار می‌رفت، روزانه ۱۶۵۰۰ تانکر لازم بود.
سوخت هستهای: اتم‌های سنگین (مثل اورانیوم) به اتم‌های سبک‌تر تبدیل میشوند و انرژی گرمایی زیادی آزاد میکنند. بقیهٔ زنجیره مثل نیروگاه فسیلی است؛ فقط منبع گرما فرق دارد.
بازده نیروگاه فسیلی و هستهای: از هر ۱۰۰ واحد انرژی ورودی، ۳۵ واحد برق میشود و ۶۵ واحد به شکل گرما تلف میشود. از آن ۳۵ واحد، ۷ واحد در خطوط انتقال از دست می‌رود و ۲۸ واحد به محل مصرف می‌رسد. همین اعداد نشان می‌دهند چرا صرفه‌جویی در برق این‌قدر مهم است.
منابع تجدیدپذیر
این منابع پیوسته در دسترس‌اند، زمین را آلوده نمی‌کنند و باعث گرمایش جهانی نمیشوند. سرمایه‌گذاری جهانی روی آنها از ۳۳ میلیارد دلار در ۱۳۸۳ به ۳۶۰ میلیارد دلار در ۱۳۹۷ رسید.
۱) خورشیدی: دو راه بهره‌برداری دارد — صفحه‌های خورشیدی (فتوولتاییک) که نور را مستقیم به برق تبدیل میکنند، و آب‌گرم‌کن خورشیدی که با لوله‌های تیره‌رنگ گرما را میگیرد. بازدهٔ صفحه‌های خورشیدی معمولاً فقط ۲۰ درصد است. کاربردها: ماشین‌حساب، چراغ راهنمایی، ماهواره، بام ساختمان.
۲) باد: باد یعنی هوای در حرکت، که از گرم شدن نابرابر سطح زمین به وجود می‌آید:
ادامهٔ فرمول را افقی ببینایرانیان باستان آسیای بادی را برای آرد کردن گندم و بالا کشیدن آب اختراع کردند. بزرگ‌ترین نیروگاه بادی ایران نزدیک منجیل با توان ۱۰۰ مگاوات است.
۳) موج دریا: باد روی سطح آب می‌وزد و موج میسازد؛ هرچه باد پرانرژی‌تر، موج بزرگ‌تر. زنجیره: خورشید ← باد ← موج ← توربین ویژه ← برق.
۴) زمین‌گرمایی: انرژی گرمایی ذخیره‌شده در سنگ‌های داغ اعماق زمین، به‌ویژه در نواحی آتش‌فشانی. نشانه‌هایش چشمهٔ آب گرم و آب‌فشان است. با حفر چاه و پمپ کردن آب، بخار داغ به توربین می‌رسد. نخستین نیروگاه زمین‌گرمایی ایران در استان اردبیل، دامنهٔ کوه سبلان ساخته شد.
۵) سوخت زیستی (بیومس): از فتوسنتز گیاهان به دست می‌آید و تنها منبع تجدیدپذیری است که انرژی خورشیدی را ذخیره میکند. سه شکل دارد: جامد (چوب و زغال)، مایع (تفالهٔ نیشکر) و گاز. زیستگاز وقتی تولید میشود که پسماند کشاورزی در شرایط بی‌هوازی (بدون هوا) بماند؛ گزینهٔ خوبی برای مناطق روستایی است.
۶) برق‌آبی: آب پشت سد ارتفاع دارد، پس انرژی پتانسیل گرانشی دارد که با توربین و ژنراتور برق میشود. به آن «پاک» می‌گویند چون هیچ سوختی نمی‌سوزد. بزرگ‌ترین نمونهٔ ایران، کارون ۳ با ۸ واحد ۲۸۵ مگاواتی (مجموعاً ۲۲۸۰ مگاوات) است.
مقایسهٔ کلی منابع
| منبع | نوع | منشأ | آلودگی | وضعیت در ایران |
|---|---|---|---|---|
| نفت و گاز | تجدیدناپذیر | فسیلی | بالا | ذخایر غنی |
| هستهای | تجدیدناپذیر | اورانیوم | کم (ولی زبالهٔ پرتوزا) | در حال توسعه |
| خورشیدی | تجدیدپذیر | خورشید | صفر | در حال گسترش |
| بادی | تجدیدپذیر | خورشید (غیرمستقیم) | صفر | ناچیز |
| برق‌آبی | تجدیدپذیر | خورشید (غیرمستقیم) | صفر | نسبتاً خوب |
| زمین‌گرمایی | تجدیدپذیر | گرمای درون زمین | صفر | سبلان |
| زیستی | تجدیدپذیر | خورشید (با فتوسنتز) | کم | مناطق روستایی |
تله‌های رایج
سوخت زیستی شبیه سوخت فسیلی نیست؛ تفاوت در زمان تشکیل است: فسیلی از میلیونها سال پیش، زیستی از گیاهانِ همین امروز.
فقط انرژی خورشیدی به خورشید مربوط نیست؛ بادی، موجی و برق‌آبی هم منشأ خورشیدی غیرمستقیم دارند. تنها زمین‌گرمایی استثناست، چون از گرمای درونی زمین می‌آید.
بازدهٔ ۳۵٪ یعنی «نابود شدن» انرژی نیست؛ طبق قانون پایستگی انرژی، آن ۶۵ واحد فقط به شکل گرمای پراکنده و غیرقابل‌استفاده آزاد میشود.
انرژی هستهای با اینکه آلودگی هوای کمی دارد، تجدیدناپذیر است؛ «آلودگی کم» و «تجدیدپذیر بودن» دو معیار جداگانه‌اند.
برق‌آبی «پاک» است اما بی‌اثر نیست؛ «پاک» فقط یعنی سوختی نمی‌سوزد و گاز آلاینده آزاد نمی‌شود. سدسازی همچنان می‌تواند اکوسیستم رودخانه و مسیر ماهیان مهاجر را تغییر دهد.
زیستگاز و گاز طبیعی هر دو گاز سوختنی‌اند اما یکی نیستند: گاز طبیعی سوخت فسیلیِ تجدیدناپذیر است، زیستگاز از تجزیهٔ پسماند کشاورزیِ امروز به دست می‌آید و تجدیدپذیر است.
نمونه سؤال
سؤال ۱. کدام‌یک از منابع انرژی زیر تجدیدپذیر است؟
۱) زغالسنگ
۲) گاز طبیعی
۳) انرژی زمین‌گرمایی
۴) اورانیوم
پاسخ: گزینهٔ ۳. زغالسنگ و گاز طبیعی سوخت فسیلی‌اند و اورانیوم سوخت نیروگاه هستهای است؛ هر سه تجدیدناپذیرند چون دوباره تشکیل شدنشان میلیونها سال طول می‌کشد. انرژی زمین‌گرمایی از گرمای پیوستهٔ اعماق زمین می‌آید و همیشه در دسترس است.
سؤال ۲. چرا انرژی باد را «انرژی خورشیدی غیرمستقیم» می‌نامند؟ زنجیرهٔ علت و معلول را توضیح بده.
پاسخ: گام ۱: خورشید سطح زمین را نابرابر گرم میکند. گام ۲: هوای بالای نقاط گرم‌تر سبک میشود و بالا می‌رود. گام ۳: هوای سردتر و سنگین‌تر جای آن را میگیرد. گام ۴: همین جابه‌جایی هوا «باد» است. چون علت اولیهٔ تشکیل باد گرمای خورشید است، به آن انرژی خورشیدی غیرمستقیم می‌گویند.
جمع‌بندی
پرسش اصلی این فصل ساده است: انرژی ما از کجا می‌آید و آیا پایدار است؟ حدود ۹۰٪ انرژی جهان از منابع تجدیدناپذیر می‌آید که هم محدودند و هم آلاینده. راه‌حل، گذار به منابع تجدیدپذیر است. ایران با پتانسیل بالا در همهٔ این منابع، هنوز در این مسیر عقب است.