منابع انرژی — علوم تیزهوشان هفتم (استعداد درخشان)

منابع انرژی (علوم تیزهوشان هفتم)

انرژی را از کجا می‌آوریم؟ اگر سوخت‌های فسیلی تمام شوند چه می‌شود؟ چرا هوا گرم‌تر می‌شود؟ این فصل منابع انرژی را دسته‌بندی می‌کند و مزایا، معایب و محاسبه‌هایشان را می‌سنجد.

منابع انرژی در تاریخ

پیش از انقلاب صنعتی انسان فقط چوب، نیروی خودش و حیوانات را داشت. با کارخانه‌ها و شهرهای بزرگ و کشتی و قطار بخار، چوب کافی نبود و به زغال‌سنگ و سپس نفت روی آورد. اگر خورشید طلوع نکند، دما می‌افتد، گیاهان غذا نمی‌سازند، باد و باران که از گرمای خورشید می‌آیند متوقف می‌شوند و ماه هم دیده نمی‌شود، چون نورش بازتاب نور خورشید است. خورشید منبع نهایی تقریباً همهٔ انرژی روی زمین است؛ حتی سوخت‌های فسیلی نور ذخیره‌شدهٔ میلیون‌ها سال پیش‌اند.

دسته‌بندی منابع

• تجدیدناپذیر: زغال‌سنگ، نفت، گاز طبیعی (فسیلی) و اورانیوم. مقدارشان محدود است و در زمان کوتاه جایگزین نمی‌شوند.
• تجدیدپذیر: خورشید، باد، آب (برق‌آبی)، زمین‌گرمایی، زیست‌توده و جزر و مد. طبیعت پیوسته آنها را دوباره می‌سازد.

سوخت‌های فسیلی

بقایای گیاهان و جانوران در میلیون‌ها سال زیر رسوب، فشار و دمای زیاد زغال‌سنگ، نفت و گاز شدند و به همین دلیل «فسیلی»اند. مزایا: انرژی زیاد و متمرکز، حمل آسان، فناوری آماده و ارزانی. معایب: جایگزینی بسیار کند (ما در چند قرن مصرف می‌کنیم)، توزیع نابرابر در جهان، آلودگی محیط (مثل $\text{SO}_2$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی و ذرات معلق) و گرمایش زمین. هر لیتر بنزین حدود $2.3\,\text{kg}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی $\text{CO}_2$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی تولید می‌کند. خودروی ۸ لیتر در ۱۰۰ کیلومتر که سالی ۱۵۰۰۰ کیلومتر برود، $1200\,\text{L}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی می‌سوزاند و $1200\times2.3=2760\,\text{kg}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی یعنی حدود ۲٫۸ تن $\text{CO}_2$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی می‌سازد؛ برای یک میلیون خودرو حدود ۲٫۸ میلیون تن. مسیر آینده: کاهش وابستگی با بهره‌وری بیشتر، انرژی‌های تجدیدپذیر، بازیافت، حمل‌ونقل عمومی، خودروی برقی و ذخیرهٔ انرژی.

مصرف‌کنندگان انرژی

در کشور صنعتی امروز: صنعت ۳۳٪، حمل‌ونقل ۲۸٪، مسکونی ۲۱٪ و تجاری ۱۸٪ (جمع ۱۰۰٪). مسکونی: گرمایش، پخت‌وپز، روشنایی و لوازم برقی؛ تجاری: ادارات و فروشگاه‌ها؛ صنعت: کوره و کارخانه؛ حمل‌ونقل: خودرو، قطار، هواپیما. پیش از انقلاب صنعتی بیشتر انرژی صرف گرمایش و کشاورزی می‌شد؛ بعد سهم صنعت و حمل‌ونقل بالا رفت. اگر مصرف کل ۱۰۰۰ واحد باشد، سهم صنعت ۳۳۰ و حمل‌ونقل ۲۸۰ واحد است. مصرف سرانه به صنعتی بودن، آب‌وهوا، ثروت، قیمت و دسترسی به انرژی و فرهنگ مصرف بستگی دارد. نفت در خاورمیانه و چند منطقه دیگر متمرکز است ولی مصرف زیاد در مناطق صنعتی است، پس تجارت جهانی نفت شکل گرفته؛ این همان توزیع غیریکسان است.

گرمایش زمین

بخشی از گرمای رسیده به زمین به صورت پرتو فروسرخ بازمی‌گردد و گازهای گلخانه‌ای مثل $\text{CO}_2$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی، $\text{CH}_4$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی، بخار آب و $\text{N}_2\text{O}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی آن را به دام می‌اندازند. بدون اثر گلخانه‌ای طبیعی دمای میانگین زمین حدود $-18\,^\circ\text{C}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی می‌بود، اما اکنون حدود $+15\,^\circ\text{C}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی است؛ پس اثر طبیعی برای حیات لازم است. مشکل از سوزاندن سوخت فسیلی و قطع جنگل پدید می‌آید که اثر را تشدید می‌کند. نمودار کتاب از حدود $13.5\,^\circ\text{C}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی در ۱۸۷۰ به $14.4\,^\circ\text{C}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی در ۲۰۰۰ می‌رسد: افزایش $0.9\,^\circ\text{C}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی در ۱۳۰ سال، یعنی حدود $0.007\,^\circ\text{C}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی در سال؛ بعد از ۱۹۷۰ شیب تندتر است و نمودار نوسان دارد ولی روند کلی صعودی است. پیامدها: ذوب یخچال‌ها و بالا آمدن دریا، تغییر الگوی بارش، رخدادهای شدید جوی، آسیب به کشاورزی و منابع آب، تهدید زیستگاه‌ها، اسیدی شدن اقیانوس‌ها و مهاجرت.

انرژی خورشیدی

زمین در هر ثانیه حدود $174\times10^{15}\,\text{J}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی یعنی $1.74\times10^{17}\,\text{W}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی از خورشید می‌گیرد. در یک ساعت $1.74\times10^{17}\times3600\approx6.3\times10^{20}\,\text{J}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی می‌رسد که تقریباً با مصرف یک سال کل بشر برابر است. با فرض مصرف میانگین برق جهان $3\times10^{12}\,\text{W}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی و ۴۰ وات برق متوسط از هر مترمربع، مساحت لازم $\frac{3\times10^{12}}{40}=7.5\times10^{10}\,\text{m}^2$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی یعنی ۷۵۰۰۰ کیلومتر مربع است؛ کمتر از یک درصد صحرای آفریقا. اما کشورها این کار را نمی‌کنند: هزینهٔ بالا، دشواری و هدررفت انتقال برق، نیاز به ذخیره برای شب، مسائل سیاسی و امنیتی، اثر گرد و غبار و گرما بر پنل‌ها و دشواری هماهنگی بین‌المللی. خورشیدی و بادی را در ابعاد کوچک هم می‌توان در محل تولید کرد و هدررفت شبکهٔ توزیع را کم کرد.

پنل $1.6\,\text{m}^2$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی با تابش $1000\,\text{W/m}^2$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی و بازده ۱۸٪ توان $288\,\text{W}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی دارد و در ۵ ساعت $1.44\,\text{kWh}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی می‌دهد؛ خانه‌ای با مصرف $10\,\text{kWh}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی در روز به حدود ۷ پنل نیاز دارد.

انرژی بادی و ذخیره

توربین بادی انرژی جنبشی باد را با پره و ژنراتور به برق تبدیل می‌کند. توربین $2\,\text{MW}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی با ضریب ظرفیت ۳۰٪ در سال $2\times0.3\times8760=5256\,\text{MWh}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی می‌دهد که برای حدود ۱۷۵۰ خانهٔ ۳۰۰۰ کیلووات‌ساعتی کافی است. ایراد اصلی خورشیدی و بادی ثابت نبودن است، در حالی که نیاز به انرژی همیشگی است. راه‌های ذخیره: باتری، نیروگاه تلمبه‌ای-ذخیره‌ای، ذخیرهٔ گرما در مخزن آب داغ، هیدروژن و هوای فشرده.

نیروگاه تلمبه‌ای-ذخیره‌ای

در ساعات کم‌مصرف (شب) برق اضافی پمپ‌ها را می‌چرخاند و آب را از مخزن پایین به بالا می‌برد؛ انرژی الکتریکی به پتانسیل گرانشی تبدیل می‌شود. در ساعات پرمصرف آب سرازیر می‌شود، توربین و ژنراتور برق می‌سازند (پتانسیل ← جنبشی ← الکتریکی). مثل باتری بزرگ تعادل تولید و مصرف را برقرار می‌کند و با خورشیدی و بادی هماهنگ است؛ نمونهٔ ایران در سیاه‌بیشه با توان ۱۰۴۰ مگاوات است. برای ذخیرهٔ $1\,\text{MWh}=3.6\times10^9\,\text{J}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی در اختلاف ارتفاع $500\,\text{m}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی: $m=\frac{3.6\times10^9}{10\times500}=7.2\times10^5\,\text{kg}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی یعنی $720\,\text{m}^3$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی آب، و با هدررفت ۲۵٪ حدود $960\,\text{m}^3$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی.

سوخت زیستی و گرم‌کن خورشیدی

سوخت زیستی هم هنگام سوختن $\text{CO}_2$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی می‌دهد، اما گیاه در رشد همان مقدار را از هوا جذب کرده و اگر دوباره کاشته شود، چرخه بسته و خالص $\text{CO}_2$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی جو تقریباً ثابت است؛ ولی کربن فسیلی میلیون‌ها سال حبس بوده و سوزاندنش کربن تازه وارد جو می‌کند. شرط کاشت دوباره مهم است.

گرم‌کن خورشیدی: کلکتور سیاه با پوشش شیشه‌ای گرما را جذب و آب لوله‌ها را گرم می‌کند؛ آب گرم سبک‌تر در بالای مخزن جمع می‌شود و آب سرد از پایین به کلکتور برمی‌گردد؛ دیگ کمکی در روز ابری آب را گرم می‌کند. کلکتور $2\,\text{m}^2$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی با تابش $700\,\text{W/m}^2$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی و بازده ۵۰٪ توان $700\,\text{W}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی دارد و گرم کردن $100\,\text{kg}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی آب به اندازهٔ $30\,^\circ\text{C}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی با $Q=100000\times4.2\times30=12600000\,\text{J}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی حدود ۵ ساعت طول می‌کشد.

کاهش مصرف و آینده

در نقشهٔ انرژی مدرسه مصرف‌کنندگان (لامپ، شوفاژ، رایانه) را مشخص و جایگزین پیشنهاد می‌کنیم: LED، نور روز، عایق پنجره، چراغ خورشیدی، خاموش کردن وسایل و سنسور حرکتی. تعویض ۲۰ لامپ ۶۰ واتی با ۹ واتی در ۸ ساعت از $9.6\,\text{kWh}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی به $1.44\,\text{kWh}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی می‌رسد و روزانه $8.16\,\text{kWh}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی صرفه‌جویی می‌دهد. پروژه‌های کلاس: اجاق خورشیدی با ناودان فویلی، خودروی سلول خورشیدی، مدل نیروگاه آبی و تلمبه‌ای، توربین بادی و ماکت زمین‌گرمایی.

موانع انرژی نو: قیمت فناوری و ارزانی نفت و گاز در ایران، از دست رفتن شغل‌های صنایع فسیلی، آسیب‌های محیطی حتی برای تجدیدپذیر (صدای توربین، سد) و تردید برخی دربارهٔ علت گرمایش. مناظره: فسیلی ارزان، پایدار و آماده است؛ تجدیدپذیر پاک، پایان‌ناپذیر و در حال ارزان شدن است. کاهش مصرف و ساخت منابع پاک هر دو لازم‌اند.

مثال‌های تمرینی و نکته‌های حل

• اگر مصرف انرژی کشوری $500$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی واحد باشد، سهم صنعت (۳۳٪) برابر $500\times0.33=165$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی واحد است.
• پنل $2\,\text{m}^2$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی با تابش $1000\,\text{W/m}^2$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی و بازده ۲۰٪ توان $2\times1000\times0.2=400\,\text{W}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی دارد.
• توربین $1.5\,\text{MW}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی با ضریب ظرفیت ۴۰٪ در سال $1.5\times0.4\times8760=5256\,\text{MWh}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی انرژی می‌دهد.
• برای گرم شدن $100\,\text{g}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی آب به اندازهٔ $40\,^\circ\text{C}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی با کلکتور $0.25\,\text{m}^2$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی، تابش $800\,\text{W/m}^2$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی و بازده ۵۰٪، توان $0.25\times800\times0.5=100\,\text{W}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی و انرژی $Q=100\times4.2\times40=16800\,\text{J}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی است، پس $t=\frac{16800}{100}=168$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی ثانیه یعنی حدود ۲٫۸ دقیقه.
• در یک سال تحصیلی ۱۸۰ روزه، صرفه‌جویی لامپ $8.16\times180\approx1469\,\text{kWh}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی است.
• در نقشهٔ انرژی مدرسه، مکان، وسیله، نوع انرژی، تجدیدپذیر بودن و جایگزین پیشنهادی را در جدول می‌نویسیم؛ همهٔ مصرف‌های مدرسه که از برق شبکه می‌آیند عمدتاً تجدیدناپذیرند، چون نیروگاه‌ها بیشتر فسیلی‌اند.
• دو راه ذخیرهٔ انرژی خورشیدی: باتری و ذخیرهٔ گرما در مخزن آب داغ؛ برای برق، نیروگاه تلمبه‌ای.
• برای رسیدن به آینده‌ای بهتر، فقط جایگزین کردن منبع کافی نیست؛ کاهش مصرف و بهره‌وری همان‌قدر مؤثر و معمولاً ارزان‌تر است.
• نمودار دما را همیشه با روند بلندمدت بخوان، نه با تغییر سال‌به‌سال؛ گرمایش زمین یعنی روند کلی صعودی، نه اینکه هر سال از سال قبل گرم‌تر باشد.

در پروژهٔ اجاق خورشیدی، صفحهٔ مقوایی خمیده به شکل ناودان با فویل آلومینیوم پوشانده می‌شود و سوسیس یا لولهٔ آب در راستای کانون قرار می‌گیرد؛ نور در کانون متمرکز می‌شود و دما بالا می‌رود. سطح را صاف نگه دار و همیشه رو به خورشید بچرخان.

اشتباه‌های رایج