طرحی برای تولید انرژی پاک و جلوگیری از تبخیر آب

آناهیتا جمشیدنژاد

Anahita.jamshidnezhad@gmail.com

از مهم‌ترین معضلات کشور ما در زمینه مدیریت آب، تبخیر شدید آن از پشت سدها و انواع دیگر مخازن آب است. میزان تبخیر آب به عوامل متعددی از جمله ارتفاع مخزن آب از سطح دریا، دمای منطقه، میزان تابش مستقیم و غیرمستقیم خورشید و گستره سطح آب مخزن بستگی دارد. متاسفانه اندازه‌گیری‌های جامع و فراگیری در زمینه هدررفت آب در اثر تبخیر از مخازن پشت سدها وجود ندارد اما تمامی متخصصان، تصمیم‌گیران و دست‌اندرکاران متفق‌القولند که یکی از عمده‌ترین چالش‌های پیش‌رو در ایران که سدسازی‌های گسترده در سال‌های اخیر نیز به تشدید آن کمک کرده مساله تبخیر آب است. از جمله صحبت‌های وزیر نیرو که بیان کرد یکی از معضلات کشور، تبخیر شدید آب در پشت ۶۰۰ سد احداث شده است که برای رفع آن نیاز به اقدامات فناورانه داریم. در حال حاضر بسیاری از کشورها فناوری‌هایی را عرضه کرده‌اند که میزان تبخیر در منابع آبی را کاهش می‌دهد. به‌عنوان مثال تخمین زده می‌شود که از هشت میلیون مترمکعب حجم آب دریاچه چیتگر، سالانه ۲ میلیون مترمکعب آن تبخیر می‌شود. در مورد آب پشت بسیاری از سدهای ایران نیز مقادیر مشابهی از هدررفت آب گزارش شده است. اما راه‌حل چیست؟ برای جلوگیری از تبخیر شدید آب در کشور چه باید کرد؟ دکتر حمید پوران پژوهشگر ارشد محیط‌‌زیست در موسسه مطالعات خاورمیانه و آفریقا در دانشگاه لندن در سپتامبر گذشته/ اوایل مهرماه طرح اولیه جزیره‌های خورشیدی را برای استفاده در ایران به معاونت علمی و فناوری ریاست جمهوری دکتر ستاری در نیویورک ارائه کرده که مورد استقبال قرار گرفته است. این طرح که به تازگی در یکی از مخازن آب شهر لندن پیاده سازی شده است؛ هم از تبخیر آب جلوگیری و هم برق تولید می‌کند. با او که این طرح را برای منطقه احمدآباد مستوفی آماده کرده است گفت‌وگویی داشتیم که در ذیل می‌خوانید.

سالانه مقدار بسیار زیادی از آب پشت سدها و دریاچه‌های ایران تبخیر می‌شود. به‌عنوان مثال در دریاچه سد کرخه، سالانه حدود 400 میلیون مترمکعب آب یعنی دو برابر گنجایش اسمی سد کرج تبخیر می‌شود و به گفته یکی از کارشناسان «مجموع سدهای ساخته شده بین 5 تا 10 میلیارد متر مکعب بر میزان تبخیر سالانه کشور می‌افزایند». راه‌حل تبخیر شدید آب در ایران چیست؟

عمده‌ترین دلیل تبخیر بسیار زیاد از سطح مخازن آب در ایران، تابش شدید مستقیم و غیرمستقیم نور آفتاب است. ایران یکی از بالاترین میزان دریافت تشعشعات خورشیدی را در جهان دارد که این میزان به ۲۲۰۰ کیلووات ساعت در مترمربع در سال می‌رسد. واقع شدن در چنین منطقه جغرافیایی که معمولا ۳۰۰ روز کاملا آفتابی در طول سال را به همراه دارد؛ اگرچه کشور را با چالش عمده‌ای از جهت میزان تبخیر آب مواجه می‌کند اما ایران را به یکی از مستعدترین و با صرفه‌ترین مناطق دنیا برای به کار بردن انرژی خورشیدی تبدیل کرده است. بر اساس مطالعات دانشگاه استنفورد، ایران می‌تواند تا سال ۲۰۵۰ بیش از ۸۰ درصد انرژی مورد نیاز خود را از طریق انرژی خورشیدی تامین کند. اگرچه در ایران برخلاف بسیاری از کشورها مانند ژاپن و انگلستان زمین کافی برای ایجاد نیروگاه‌های خورشیدی وجود دارد اما در صورتی که بتوان این نیروگاه‌های خورشیدی را روی سطح مخازن باز نگهداری آب نصب کرد، نه تنها میزان قابل‌توجهی انرژی پاک تولید و از تولید گازهای گلخانه‌ای جلوگیری می‌شود؛ بلکه جلوی تبخیر مقادیر معتنابهی آب گرفته شده و حداقل بخشی از این مساله تهدیدکننده، به فرصت برای کشور تبدیل خواهد شد. بنابراین باید تهدید را به فرصت تبدیل کرد.

پس در واقع پوشش سطح آب به‌عنوان روشی برای جلوگیری از تبخیر است؟

بله؛ در ماه آگوست سال ۲۰۱۵ اعلام شد که بعد از چند سال تحقیق برای جلوگیری از تبخیر با استفاده از توپ‌های پلاستیکی این روش روی یکی از مخازن آب در شهر لس‌آنجلس به‌کار بسته شده است. مزیت اصلی این روش کاهش قابل‌ملاحظه میزان تبخیر و ماندگاری زیاد است و هزینه بسیار بالا برای هر توپ پلاستیکی و از بین بردن جلوه‌های بصری و زیبایی با قراردادن یک لایه پلاستیکی سیاه بر تمام سطح آب از نقاط ضعف آن به شمار می‌آید. ضمن اینکه تنها کارکرد آن جلوگیری از تبخیر است و هیچ درآمدزایی غیر از جلوگیری از هدررفت آب ندارد.

آیا شما پوشش سطح آب پشت سدها با ایجاد جزیره‌های خورشیدی روی آنها را به‌عنوان روشی بهینه برای مقابله با تبخیر آب در ایران می‌دانید؟

این روش به شکلی ساده اما نوآورانه است که البته به محاسبات و مدل‌سازی‌های دقیق احتیاج دارد؛ صفحات خورشیدی فتو ولتائیک بر روی پایه‌های شناور بر روی سطح آب قرار گرفته و نه تنها به میزان قابل‌توجهی از میزان تبخیر آب جلوگیری می‌کند بلکه با تولید انرژی پاک، درآمدزایی بسیار قابل‌توجهی نیز خواهد داشت.

این طرح پیش‌تر در کجا اجرا شده است؟

این طرح به تازگی روی یکی از مخازن آب شهر لندن اجرا شده که ظرفیت مقدار برق تولیدی توسط این جزیره خورشیدی/ مزرعه خورشیدی حدود ٦ مگاوات است. اما محاسبات انجام شده که در پروپوزال هم آمده برای ایران بسته به موقعیت جغرافیایی، تابش خورشید و عوامل دیگر، ۳۴۰ مگاوات ساعت است. یعنی یک نیروگاه ۲۰۰ کیلوواتی تقریبا با سطح ۲۰۰۰ مترمربع در منطقه مورد مطالعه با ظرفیت پیک ۲۰۰ کیلووات، ۳۴۰ مگاوات ساعت مستقیم خروجی دارد.

پیشنهاد شما برای اجرای این طرح در کدام منطقه از ایران است؟

در جلسه‌ای که در نیویورک برگزار شد ابتدا من چاه‌نیمه در زاهدان را پیشنهاد کردم. دکتر ستاری اطراف تهران از جمله سد کرج را مناسب‌تر دانستند. اما مکانی که مورد تایید قرار گرفته و طراحی آن تکمیل شده، یک استخر مصنوعی ذخیره آب در احمدآباد مستوفی در اطراف تهران است که برای جزیره خورشیدی با ظرفیت تولید ۲۰۰ کیلووات توسط معاونت علمی پیشنهاد شده است.

مقدار الکتریسیته ورودی به شبکه برق توسط این نیروگاه با توجه به محاسبات انجام شده که در پروپوزال آمده از جمله موقعیت جغرافیایی، تابش خورشید و عوامل دیگر، ۳۴۰ مگاوات ساعت در سال است. یعنی یک نیروگاه ۲۰۰ کیلوواتی تقریبا با سطح ۲۰۰۰ مترمربع در منطقه مورد مطالعه با ظرفیت پیک ۲۰۰ کیلووات، ۳۴۰ مگاوات ساعت در سال تولید برق با استفاده از انرژی‌های تجدیدپذیر خورشیدی دارد.

ویژگی این جزیره‌های خورشیدی چیست؟

در این روش از صفحات استاندارد فتوولتائیک (خورشیدی) استفاده می‌شود،این صفحات خورشیدی می‌توانند با استفاده از این روش روی انواع متفاوتی از مخازن طبیعی یا مصنوعی آب قرار بگیرند؛ از جمله مخازن آب شرب، دریاچه‌ها، کانال‌های آبرسانی کشاورزی، مخازن آب کشاورزی و دریاچه پشت سدها. این سیستم راهکاری ساده، قابل‌اتکا و کم‌هزینه را به‌عنوان آلترناتیوی برای نیروگاه‌های خورشیدی نصب شده روی زمین قرار می‌دهد که بخصوص برای صنایع و مناطقی کاربرد دارد که از مشکل کمبود آب و انرژی رنج می‌برند. یک نیروگاه شناور دارای عمر مفید ۲۵ سال است.

این روش با هر نوع زیرساخت و شبکه برقی سازگار است و می‌تواند بدون از بین بردن یا تغییر اجزای اولیه به تدریج و در طول زمان از مقیاس کوچک و آزمایشی به مقیاس بزرگ ارتقا داده شود؛ به عبارت دیگر اجزای تشکیل‌دهنده اولیه می‌توانند به راحتی بخشی از یک سیستم بزرگتر شوند.

ابزار و تجهیزات سنگین برای نصب آن مورد نیاز نیست. تمام مواد استفاده شده در آن قابل بازیافت است. تا حدود ۸۰ درصد تبخیر آب از سطحی که پوشیده شده است کاهش می‌یابد. با کاهش میزان تابش مستقیم خورشید میزان رشد آلگاها و جلبک‌ها را کاهش می‌دهد و به کیفیت آب مخازن آب شرب می‌افزاید و به این دلیل که نیاز به حفاری ندارد اثر زیست‌محیطی مخربی نداشته و آزمایش‌ها نشان می‌دهد که بر کیفیت آب مخزن بی‌تاثیر است. در مخازن آبی که دارای سطح وسیعی هستند و امواج آب شکل گرفته روی آن موجب خوردگی یا صدمه به ساختار مخزن می‌شود، این روش با کاهش میزان و شدت امواج، این مشکل را کاهش می‌دهد. این روش هزینه نگهداری بسیار اندکی دارد. با توجه به اثر خنک‌کنندگی آب و کاهش راندمان صفحات خورشیدی هنگام گرمای هوا، در این روش ۲۰ درصد بیش از نیروگاه‌های خورشیدی مشابه روی خشکی انرژی خورشیدی تولید می‌شود. با توجه به کنفرانس تغییر اقلیم در پاریس در سال ۲۰۱۵ و وجود مشوق‌های زیاد در جهت کاهش گازهای گلخانه‌ای و حرکت به سمت انرژی‌های پاک استفاده از جزیره‌های خورشیدی می‌تواند نه تنها در این زمینه موثر باشد بلکه مشکل تبخیر شدید آب را هم تا حد زیادی کاهش دهد.

لطفا در مورد ویژگی‌های فنی این صفحات خورشیدی نیز توضیح دهید.

در این طرح صفحات خورشیدی روی شناورسازهای پلاستیکی نصب می‌شوند. این شناورسازهای پلاستیکی از جنس پلی‌اتیلین با چگالی بالا هستندکه در مقابل خوردگی و از بین رفتن بر اثر تابش ممتد نور خورشید و اشعه ماورای بنفش مقاومند که باعث می‌شود طول عمر مفید این روش به بیش از ۲۵ سال برسد.

آزمایشات انجام گرفته در تونل باد در آزمایشگاه ملی فرانسه نشان داده که این سیستم شناورسازی در مقابل تندبادهایی با سرعت ۱۱۸ مایل بر ساعت یا ۱۹۰ کیلومتر بر ساعت مقاوم است که برای مخازن آب در مناطق بادخیز در ایران همچون چاه‌نیمه‌ در استان سیستان بسیار مناسب است. این سیستم به سرعت نصب می‌شود. مرکز مستقل کنترل کیفیت آب در انگلستان رسما تایید کرده است که استفاده از این روش روی مخازن ذخیره آب شرب بر کیفیت آب آشامیدنی هیچ تاثیر منفی ندارد.

برای به‌کار بستن این روش ابتدا صفحات خورشیدی بر روی شناورسازهای پلاستیکی نصب شده و پس از آنکه تعداد مناسبی از این شناورسازها به همراه صفحات خورشیدی آماده و به‌هم متصل شد، یک سکوی شناور را تشکیل می‌دهد که از طریق بکسل کردن و یدک‌کشی به منطقه موردنظر بر روی سطح دریاچه (مخزن آب) منتقل می‌شوند. بعد از انتقال به محل مد‌نظر این سکوی شناور از طریق لنگر در محل خود به‌صورت ایستا و ثابت نگه داشته و باعث می‌شود که بالا و پایین رفتن ارتفاع آب منجر به جابه‌جایی و حرکت از مکان خود نشود. روش ثابت نگه داشتن سکوهای شناور می‌تواند شامل انواع متفاوتی باشد؛ از جمله استفاده از مجموعه‌ای از اتصالات آلومینیومی که باعث اتصال جزیره با دیواره‌های مخزن/ دریاچه شده و وزن جزیره را به روشی پایدار توزیع می‌کند.

همین طور در برخی موارد با در نظر گرفتن تغییر ارتفاع آب، سکوی شناور از طریق کابل‌های فلزی به کف مخزن متصل می‌شود. در مواردی شناورسازهای اولیه و ثانویه (بدون قرار گرفتن صفحات خورشیدی روی آنها) در کنار جزیره‌ها نصب می‌شوند تا غوطه‌ورسازی و پایداری در مقابل امواج را افزایش دهند. اتصالات می‌تواند هم زمان به بدنه و کف مخزن با هدف مقاومسازی در مقابل جریان باد و زلزله صورت گیرد. همین طور استفاده از مجموعه‌ای از اتصالات که در کنار تثبیت مکان و پایدارسازی سکوی شناور به آن قابلیت سازگاری با تغییرات سطح و عمق آب را می‌دهد. در تمام این اتصالات از نوعی آلومینیوم که در مقابل خوردگی بسیار مقاوم است استفاده می‌شود.

آیا اجرای طرح آزمایشی نیروگاه خورشیدی شناور با ظرفیت 200 کیلووات توجیه اقتصادی دارد؟

براساس تخمین‌های موجود یک کیلووات(ظرفیت) نیروگاه خورشیدی در ایران می تواند تا ۲۰۰۰ کیلووات ساعت در سال برق تولید کند. که با شرایط جغرافیایی ایران سازگار بوده و به نوعی معادل کارکرد ۳۰۰ روز در سال و کمتر از ۷ ساعت در روز است. نکته بسیار قابل توجه در مورد جزیره‌های شناور خورشیدی قابلیت استفاده از آنها بر روی هر نوع مخزن آب فارغ از سطح و ابعاد آن است، در حالی‌که در سایر موارد از جمله در مورد توپ‌های پلاستیکی به‌کار بستن آنها به سبکی که دارای بازدهی مناسب باشند، تنها با ایجاد یک پوشش کامل و محصور کردن آنها امکان‌پذیر است. به عبارت دیگر توپ‌های پلاستیکی روی مخازن سدها یا کانال‌های کشاورزی قابل استفاده نیستند و با هدف به کار بستن روی مخازن محدود آب طراحی شده‌اند.

مقدار آب ذخیره شده به دلیل وجود پوشش جزیره‌های خورشیدی را چگونه محاسبه می‌کنید؟

ساده‌ترین روش برای تخمین میزان آب ذخیره شده استفاده از فرمول زیر است:

سطح پوشیده شده * عمق آب در زیر سطح پوشیده شده * ۰.۲ (میزان تخمینی تبخیر که در هر منطقه متفاوت است)) * ۰.۸ (ضریب جلوگیری از کاهش تبخیر آب به‌واسطه جزیره‌های خورشیدی) = حجم آب ذخیره شده اگر به‌عنوان مثال روی دریاچه سدی همچون کرخه که تخمین زده می‌شود در سال حدود ۴۰۰ میلیون متر مکعب تبخیر آب دارد،چند جزیره خورشیدی شناور با ظرفیت ۱۰ مگاوات نصب شوند (با در نظر گرفتن پوشش ۱۰ هکتاری و در حالی که عمق متوسط آب زیر سطح پوشیده شده ۲۰ متر فرض شود) نه تنها سودد‌هی قابل‌توجهی ایجاد شده است بلکه سالانه تا حدود ۳۲۰،۰۰۰ متر مکعب آب ذخیره شده و تبخیر نمی‌شود. در کنار همه موارد فوق نیروگاه‌های خورشیدی از پاک‌ترین انرژی‌های تجدیدپذیر است و ایران می‌تواند حدود ۸۰ درصد انرژی مورد نیاز خود را تا سال ۲۰۵۰ از طریق انرژی خورشیدی تامین کند بنابراین استفاده از نیروگاه‌های خورشیدی شناور یا جزیره‌های خورشیدی نه تنها در این زمینه بسیار سودمند است بلکه به کاهش یکی از تهدیدات عمده منابع آب در ایران که تبخیر شدید از پشت سدهاست نیز کمک می‌کند.