نیروگاه بادی فراساحلی: استفاده از انرژی بادی در دریا

نیروگاه‌های بادی فراساحلی، به‌عنوان یکی از پیشرفته‌ترین فناوری‌های انرژی تجدیدپذیر، نقش کلیدی در کاهش انتشار کربن و تأمین انرژی پاک ایفا می‌کنند. این نیروگاه‌ها با بهره‌گیری از بادهای قوی و پایدار دریاها، انرژی الکتریکی تولید می‌کنند که به شبکه‌های خشکی منتقل می‌شود. با توجه به افزایش تقاضای جهانی برای انرژی پایدار، نیروگاه‌های بادی فراساحلی در اروپا، آسیا و سایر مناطق به‌سرعت در حال گسترش هستند.

نیروگاه بادی فراساحلی چیست؟

نیروگاه بادی فراساحلی مجموعه‌ای از توربین‌های بادی است که در آب‌های دریایی، معمولاً در فاصله چند کیلومتری از ساحل، نصب می‌شوند. این نیروگاه‌ها از بادهای قوی‌تر و پایدارتر دریا برای تولید برق استفاده می‌کنند و نسبت به نیروگاه‌های خشکی کارایی بیشتری دارند. نیروگاه‌های فراساحلی شامل توربین‌های ثابت (fixed-bottom) در آب‌های کم‌عمق و توربین‌های شناور (floating) در آب‌های عمیق هستند. تا سال 2022، ظرفیت جهانی این نیروگاه‌ها به 64.3 گیگاوات رسیده بود که عمدتاً در اروپا و چین متمرکز است.

مراحل ساخت نیروگاه بادی در دریا

ساخت نیروگاه بادی فراساحلی شامل مراحل پیچیده‌ای است:

1. ارزیابی سایت: بررسی سرعت باد، عمق آب، و شرایط بستر دریا با استفاده از بویه‌های هواشناسی و داده‌های ماهواره‌ای
2. طراحی و مهندسی: طراحی توربین‌ها، فونداسیون‌ها (مانند مونوپایل یا جکت)، و سیستم‌های انتقال برق
3. ساخت و مونتاژ: تولید توربین‌ها و فونداسیون‌ها در خشکی و انتقال به دریا
4. نصب: استفاده از کشتی‌های تخصصی برای نصب فونداسیون‌ها، توربین‌ها، و کابل‌های زیر دریایی
5. اتصال به شبکه: راه‌اندازی ایستگاه‌های فراساحلی و کابل‌های صادراتی
6. آزمایش و بهره‌برداری: آزمایش سیستم‌ها و شروع تولید برق. این فرآیند ممکن است 5 تا 10 سال طول بکشد

مقایسه نیروگاه‌های بادی خشکی و فراساحلی

نیروگاه‌های بادی فراساحلی نسبت به خشکی مزایایی دارند: بادهای دریایی قوی‌تر (تا 30 کیلووات‌ساعت بر مترمربع) و پایدارتر هستند، که نیاز به تعداد کمتری توربین برای تولید انرژی مشابه را کاهش می‌دهد. نیروگاه‌های فراساحلی تأثیر بصری و صوتی کمتری بر جوامع محلی دارند. بااین‌حال، هزینه ساخت و نگهداری آنها دو تا سه برابر بیشتر است و نصب در محیط خشن دریا چالش‌برانگیزتر است. نیروگاه‌های خشکی نصب سریع‌تر و نگهداری آسان‌تری دارند اما با موانع زمینی و اعتراضات اجتماعی مواجه‌اند.

چالش‌های نصب توربین‌های بادی در دریا

نصب توربین‌های بادی در دریا با چالش‌های متعددی همراه است. امواج، بادهای شدید، و خوردگی ناشی از آب‌شور به تجهیزات فشار می‌آورد. در آب‌های عمیق‌تر از 60 متر، فونداسیون‌های ثابت غیراقتصادی هستند و نیاز به توربین‌های شناور است. نیاز به کشتی‌های تخصصی (با هزینه بیش از 100 میلیون دلار) و بندرهای مجهز. نصب باید در پنجره‌های آب‌وهوایی محدود انجام شود. سر و صدای نصب می‌تواند حیات دریایی را مختل کند. این چالش‌ها هزینه‌ها را افزایش داده و نیاز به برنامه‌ریزی دقیق دارند.

بزرگ‌ترین نیروگاه بادی فراساحلی جهان

بزرگ‌ترین نیروگاه بادی فراساحلی جهان، Dogger Bank در دریای شمال (بریتانیا)، است که در سه فاز A، B و C با ظرفیت کلی 3.6 گیگاوات در حال توسعه است. فاز A با 1.2 گیگاوات در سال 2023 شروع به تولید کرد و تا سال 2026 تکمیل می‌شود. این نیروگاه از توربین‌های Haliade-X 13 مگاواتی GE استفاده می‌کند که هر کدام می‌توانند 16,000 خانه را تأمین کنند. Dogger Bank سالانه 6 میلیون تن CO2 صرفه‌جویی کرده و برق 6 میلیون خانه را تأمین می‌کند.

مزایای زیست‌محیطی استفاده از نیروگاه‌های دریایی

نیروگاه‌های بادی فراساحلی مزایای زیست‌محیطی قابل‌توجهی دارند:

1. کاهش انتشار کربن: این نیروگاه‌ها هیچ گاز گلخانه‌ای تولید نمی‌کنند و جایگزین سوخت‌های فسیلی می‌شوند.
2. پایبندی کربنی کوتاه: دوره بازپرداخت کربن (5 تا 12 ماه) به دلیل تولید بالای انرژی کوتاه است.
3. ایجاد زیستگاه مصنوعی: فونداسیون‌ها به‌عنوان صخره‌های مصنوعی عمل کرده و تنوع زیستی دریایی را افزایش می‌دهند.
4. تأثیر کم بر چشم‌انداز: دوری از ساحل تأثیر بصری را کاهش می‌دهد.

این مزایا به مبارزه با تغییرات اقلیمی و اسیدی‌شدن اقیانوس‌ها کمک می‌کنند.

مقایسه با نیروگاه‌های بادی خشکی

نیروگاه بادی دریایی نسبت به خشکی انرژی بیشتری تولید می‌کنند (تا 4000 ساعت استفاده سالانه در مقابل 3000 ساعت). توربین‌های فراساحلی بزرگ‌تر (تا 15 مگاوات) و بلندتر (تا 260 متر) هستند، که کارایی را افزایش می‌دهد. بااین‌حال، هزینه‌های اولیه (40-50% برای توربین‌ها، 35-40% برای فونداسیون و کابل‌ها) و نگهداری (25-30% هزینه چرخه عمر) بالاتر است. نیروگاه‌های خشکی به دلیل دسترسی آسان‌تر و هزینه کمتر (حدود 15,000 دلار بر کیلووات) برای مناطق داخلی مناسب‌ترند.

فناوری‌های پیشرفته در توربین‌های بادی

فناوری‌های پیشرفته توربین‌های بادی فراساحلی شامل موارد زیر است:

• توربین‌های بزرگ‌تر: مدل‌هایی مانند Haliade-X 13 مگاوات با تیغه‌های 107 متری
• مواد جدید: استفاده از رزین‌های قابل‌بازیافت برای تیغه‌ها
• هوش مصنوعی و حسگرها: بهینه‌سازی زاویه تیغه‌ها و پیش‌بینی خرابی‌ها
• توربین‌های بدون تیغه: فناوری‌هایی مانند Vortex برای کاهش مرگ‌ومیر پرندگان
• رباتیک: استفاده از ربات‌ها برای بازرسی تیغه‌ها و قطعات زیرآبی. این فناوری‌ها هزینه انرژی (LCOE) را از 75 دلار بر مگاوات‌ساعت در 2021 به 53 دلار تا 2035 کاهش می‌دهند.

ساختار فنی یک نیروگاه بادی فراساحلی

یک نیروگاه بادی فراساحلی شامل اجزای زیر است. توربین شامل تیغه‌ها، هاب، و ناسل (حاوی ژنراتور و گیربکس). برج سازه‌ای که توربین را در ارتفاع بالا نگه می‌دارد. فونداسیون مونوپایل، جکت، یا شناور (مانند spar-buoy یا نیمه‌غوطه‌ور). کابل‌های آرایه توربین‌ها را به ایستگاه فراساحلی متصل می‌کنند. ایستگاه فراساحلی برق را جمع‌آوری و برای انتقال آماده می‌کند. کابل صادراتی برق را از طریق کابل‌های زیر دریایی به خشکی منتقل می‌کند. این اجزا برای مقاومت در برابر شرایط خشن دریایی طراحی می‌شوند.

نقش توربین‌های شناور در توسعه پروژه‌ها

توربین‌های شناور امکان نصب در آب‌های عمیق‌تر از 60 متر را فراهم می‌کنند، جایی که دوسوم منابع بادی فراساحلی جهان قرار دارند. فناوری‌های شناور شامل spar-buoy، نیمه‌غوطه‌ور، و tension leg platform است. پروژه‌هایی مانند Hywind (نروژ، 2.3 مگاوات) و WindFloat (پرتغال، 2 مگاوات) موفقیت این فناوری را نشان داده‌اند. شناورها هزینه‌های فونداسیون را کاهش داده و امکان نصب در مناطقی مانند سواحل غربی آمریکا یا مدیترانه را فراهم می‌کنند. بااین‌حال، هزینه‌های فعلی (207 دلار بر مگاوات‌ساعت) همچنان بالاست و نیاز به پیشرفت دارد.

هزینه‌های نصب و نگهداری تجهیزات

هزینه‌های نصب نیروگاه‌های فراساحلی شامل 40-50% برای توربین‌ها، 35-40% برای فونداسیون و کابل‌ها، و 15-20% برای نصب و مونتاژ است. کشتی‌های تخصصی نصب هزینه‌های بالایی (بیش از 100 میلیون دلار) دارند. هزینه‌های نگهداری (O&M) 25-30% از کل هزینه چرخه عمر را تشکیل می‌دهند و شامل تعمیرات، بازرسی با قایق یا هلیکوپتر، و تعویض قطعات است. هزینه‌های عملیاتی به 53% (نگهداری 38%، فعالیت‌های بندری 31%) تقسیم می‌شود. این هزینه‌ها تا سال 2035 با پیشرفت فناوری کاهش می‌یابد.

انتقال برق از دریا به شبکه سراسری

برق تولیدی توسط توربین‌ها از طریق کابل‌های آرایه به ایستگاه فراساحلی منتقل می‌شود، جایی که ولتاژ برای انتقال بهینه افزایش می‌یابد. کابل‌های صادراتی زیر دریایی (معمولاً HVDC برای مسافت‌های طولانی) برق را به ایستگاه خشکی می‌رسانند، که به شبکه سراسری متصل است. فناوری‌هایی مانند حفاری جهت‌دار افقی (HDD) تأثیرات زیست‌محیطی در سواحل را کاهش می‌دهند. در اروپا، پروژه‌هایی مانند Energy Islands شبکه‌های هیبریدی را برای اتصال چند کشور توسعه می‌دهند.

تأثیرات اکولوژیکی روی حیات دریایی

نیروگاه‌های فراساحلی تأثیرات اکولوژیکی متنوعی دارند: 1) سر و صدا: نصب فونداسیون‌ها (مانند شمع‌کوبی) می‌تواند به شنوایی نهنگ‌ها و دلفین‌ها آسیب برساند. 2) میدان‌های الکترومغناطیسی (EMF): کابل‌های زیر دریایی ممکن است جهت‌یابی ماهی‌ها را مختل کنند. 3) تغییر زیستگاه: فونداسیون‌ها زیستگاه‌های مصنوعی ایجاد می‌کنند اما ممکن است گونه‌های بومی را جابه‌جا کنند. 4) برخورد پرندگان: تیغه‌های توربین خطر برخورد برای پرندگان مهاجر دارند. مطالعات نشان می‌دهند تأثیرات محلی هستند، اما اثرات تجمعی نیاز به تحقیق بیشتر دارند.

پروژه‌های عظیم فراساحلی در اروپا و آسیا

در اروپا، پروژه‌هایی مانند Dogger Bank (3.6 گیگاوات، بریتانیا)، هورنسی 2 (1.4 گیگاوات، بریتانیا)، و Kaskasi (342 مگاوات، آلمان) پیشرو هستند. اروپا تا سال 2030 به 150 گیگاوات ظرفیت هدف‌گذاری کرده است. در آسیا، چین با 26 گیگاوات ظرفیت پیشتاز است و پروژه‌هایی مانند Chaozhou (43.3 گیگاوات برنامه‌ریزی‌شده) در حال توسعه‌اند. ژاپن و کره جنوبی نیز با تمرکز بر توربین‌های شناور در حال گسترش هستند. این پروژه‌ها از سرمایه‌گذاری‌های عظیم (مانند 10 میلیارد یورو از EIB در اروپا) بهره می‌برند.

پتانسیل ایران در انرژی بادی دریایی

ایران با خط ساحلی طولانی در خلیج‌فارس و دریای خزر پتانسیل قابل‌توجهی برای انرژی بادی فراساحلی دارد. خلیج‌فارس با عمق متوسط 50 متر برای فونداسیون‌های ثابت مناسب است، درحالی‌که دریای خزر با عمق بیشتر می‌تواند از توربین‌های شناور بهره ببرد. سرعت باد در مناطق ساحلی (تا 8 متر بر ثانیه) تولید انرژی پایدار را ممکن می‌کند. بااین‌حال، فقدان زیرساخت‌های بندری، فناوری بومی، و چارچوب‌های نظارتی توسعه را محدود کرده است. سرمایه‌گذاری خارجی و انتقال فناوری می‌تواند این پتانسیل را فعال کند.

خطرات طوفان و راه‌کارهای مقاوم‌سازی

طوفان‌ها و بادهای شدید خطر جدی برای نیروگاه‌های بادی فراساحلی هستند، زیرا می‌توانند توربین‌ها را تخریب کرده یا به فونداسیون‌ها آسیب برسانند. راه‌کارهای مقاوم‌سازی شامل:

• طراحی مقاوم: استفاده از مواد مقاوم در برابر خوردگی و فونداسیون‌های مستحکم
• سیستم‌های نظارتی: حسگرهای پیشرفته برای تشخیص ارتعاشات و خاموشی خودکار در طوفان
• مدل‌سازی آب‌وهوایی: استفاده از داده‌های ماهواره‌ای برای پیش‌بینی طوفان و برنامه‌ریزی نصب
• توربین‌های شناور: این توربین‌ها در برابر امواج مقاوم‌ترند

پروژه‌هایی مانند Kaskasi از این فناوری‌ها برای کاهش خسارات استفاده می‌کنند.

منبع: ابرار صنعتی