نیروگاه برق‌آبی ایتایپو Itaipu Dam غول مهندسی در مرز برزیل و پاراگوئه

نیروگاه برق‌آبی ایتایپو بر روی رودخانه پارانا در مرز برزیل و پاراگوئه قرار دارد و با ظرفیت تولید ۱۴ هزار مگاوات، حدود ۱۰ درصد برق برزیل و ۹۰ درصد برق پاراگوئه را تأمین می‌کند. این نیروگاه، که از سال ۱۹۸۴ بهره‌برداری شده، با ۲۰ توربین فرانسیس هر کدام ۷۰۰ مگاوات، سالانه بیش از ۹۰ میلیون مگاوات‌ساعت انرژی تولید می‌کند و در سال ۲۰۱۶ با ۱۰۳.۱ میلیون مگاوات‌ساعت، رکورد جهانی را شکست. ایتایپو، که با مخزن ۱۱۵۰ کیلومتر مربعی ساخته شده، نسبت تولید به مساحت بالایی (۱۰.۴ مگاوات بر کیلومتر مربع) دارد و با همکاری دوجانبه برزیل و پاراگوئه، مناقشات مرزی را به فرصتی برای توسعه اقتصادی تبدیل کرده است.

سد ایتایپو، با هزینه ساخت ۱۹.۶ میلیارد دلار، ۴۰ هزار شغل ایجاد کرد و با جاذبه‌های گردشگری مانند بازدید از سد، اقتصاد منطقه را تقویت نمود. ایتایپو، که توسط شرکت دوجانبه ایتایپو بین‌المللی اداره می‌شود، با فناوری‌های پیشرفته و سیستم‌های خودکار، کارایی خود را حفظ کرده و همچنان یکی از پیشروترین نیروگاه‌های جهان است.

موقعیت جغرافیایی و مشخصات کلی سد ایتایپو

نیروگاه برق‌آبی ایتایپو بر روی رودخانه پارانا، در ۱۵ کیلومتری شمال پل دوستی بین شهرهای فوز دو ایگواسو (برزیل) و سیوداد دل استه (پاراگوئه)، در مختصات ۲۵ درجه و ۲۴ دقیقه جنوبی و ۵۴ درجه و ۳۵ دقیقه غربی قرار دارد. این سد با طول ۷.۹ کیلومتر، ارتفاع ۱۹۶ متر (مانند یک ساختمان ۶۵ طبقه) و مخزن ۱۱۵۰ کیلومتر مربعی با حجم ۲۹ میلیارد متر مکعب، یکی از بزرگ‌ترین سازه‌های هیدرولیکی جهان است. سد از چهار بخش (سد بتنی اصلی، سدهای خاکی و سنگی، و دریچه‌های تخلیه با ظرفیت ۶۲ هزار متر مکعب بر ثانیه) تشکیل شده و ۲۰ توربین فرانسیس با هد هیدرولیکی ۱۱۸ متر را پشتیبانی می‌کند.

موقعیت پارانا، که دومین رودخانه بزرگ آمریکای جنوبی است، امکان تولید ۱۴ هزار مگاوات را فراهم کرد و ایتایپو را به دومین نیروگاه بزرگ جهان (پس از سه دره چین) تبدیل نمود. سد ایتایپو که ۱۳.۵ کیلومتر مربع را غرق کرده، با خطوط انتقال ۶۰۰ کیلوولت، برق را به ۸۰ میلیون نفر در دو کشور می‌رساند و نسبت تولید به مساحت آن، کارایی بالای آن را نشان می‌دهد.

دلایل انتخاب رودخانه پارانا برای احداث سد

انتخاب رودخانه پارانا برای سد ایتایپو به دلیل جریان عظیم آب (میانگین ۱۲ هزار متر مکعب بر ثانیه) و اختلاف ارتفاع طبیعی ۱۱۸ متری بود که تولید ۱۴ هزار مگاوات را ممکن می‌ساخت. پارانا، که از برف‌های آند سرچشمه می‌گیرد، حجم آب پایداری برای توربین‌ها فراهم می‌کند و موقعیت مرزی آن، همکاری برزیل و پاراگوئه را تسهیل کرد. این رودخانه، با غرق کردن آبشارهای گوآیرا (با ۷ برابر حجم نیاگارا)، مخزن ۲۹ میلیارد متر مکعبی ایجاد کرد که بحران انرژی برزیل پس از شوک نفتی ۱۹۷۳ را جبران نمود.

مطالعات شرکت‌های IECO و Electroconsult در ۱۹۷۰، پارانا را به دلیل نزدیکی به مراکز صنعتی (فوز دو ایگواسو) و پتانسیل اقتصادی، مناسب‌ترین گزینه دانست. این انتخاب، با تولید ۹۰ درصد برق پاراگوئه و ۱۰ درصد برزیل تا ۲۰۲۵، ایتایپو را به ستون انرژی منطقه تبدیل کرد.

همکاری برزیل و پاراگوئه در ساخت نیروگاه

همکاری برزیل و پاراگوئه در نیروگاه برق‌آبی ایتایپو با پیمان ایگواسو (۱۹۶۶) آغاز شد که اختلافات مرزی بر سر پارانا را حل کرد و در ۱۹۷۳، با پیمان ایتایپو، شرکت دوجانبه ایتایپو بین‌المللی تأسیس شد که هزینه‌ها و سود را ۵۰-۵۰ تقسیم می‌کند. برزیل، با تأمین ۷۰ درصد بودجه (۱۹.۶ میلیارد دلار)، پروژه را پیش برد و پاراگوئه، با مصرف ۱۵ درصد سهم برق خود، مازاد را به برزیل می‌فروشد. این همکاری، با توافق سه‌جانبه ۱۹۷۹ با آرژانتین، تنش‌های منطقه‌ای را کاهش داد. ساخت، با ۴۰ هزار کارگر (۲۰ هزار از هر کشور) در ۱۹۷۵-۱۹۸۴، ۴۰ هزار شغل ایجاد کرد و با مدیریت مشترک، ایتایپو را به نمادی از صلح تبدیل نمود.

مراحل مختلف ساخت و بهره‌برداری از ایتایپو

ساخت ایتایپو از ۱۹۷۱ با مطالعات امکان‌سنجی IECO آغاز شد و در ۱۹۷۴، شرکت ایتایپو بین‌المللی تأسیس گردید. مرحله انحراف رودخانه (۱۹۷۵-۱۹۷۸) با حفر کانال ۲ کیلومتری و سدهای موقت، ۵۰ میلیون متر مکعب خاک جابه‌جا کرد. ساخت سد اصلی (۱۹۷۹-۱۹۸۲) با ۱۲.۳ میلیون متر مکعب بتن، چهار بخش (بتنی، خاکی، سنگی و تخلیه) را تکمیل نمود. اولین توربین در مه ۱۹۸۴ راه‌اندازی شد و تا ۱۹۹۱، ۱۸ واحد فعال شدند.

گسترش ۲۰۰۶-۲۰۰۷ دو توربین اضافی اضافه کرد و ظرفیت را به ۱۴ هزار مگاوات رساند. بهره‌برداری، با رکورد ۱۰۳.۱ میلیون مگاوات‌ساعت در ۲۰۱۶، ایتایپو را به تولیدکننده برتر جهان تبدیل کرد.

طراحی فنی بدنه سد و ساختار بتنی آن

بدنه سد ایتایپو، یک سد جاذبه توخالی با ارتفاع ۱۹۶ متر و طول ۷.۹ کیلومتر، از بتن مسلح با ۱۲.۳ میلیون متر مکعب (معادل ۲۱۰ استادیوم ماراکانا) ساخته شده است. این ساختار، با عرض ۹۳ متر در پایه و ۱۶ متر در تاج، با مقاومت ۳۰ مگاپاسکال، فشار ۲۹ میلیارد متر مکعب آب را تحمل می‌کند. طراحی، با ۴ ستون نگهدارنده و دمپرهای لرزه‌ای، ایمنی را در برابر زلزله‌های ۷ ریشتری تضمین می‌کند.

ساختار بتنی، با ۱۸ واحد ژنراتور در پایه، هد ۱۱۸ متری را بهره‌برداری می‌کند و دریچه‌های تخلیه با ظرفیت ۶۲ هزار متر مکعب بر ثانیه، سیلاب را مدیریت می‌نماید. طراحی که با مطالعات Electroconsult پیش رفت، ایتایپو را به یکی از ایمن‌ترین سدهای جهان تبدیل کرده است.

مشخصات توربین‌ها و ژنراتورهای ایتایپو

توربین‌های ایتایپو، ۲۰ واحد فرانسیس با قطر ۹.۷ متر و سرعت ۹۰ دور در دقیقه، هر کدام ۷۰۰ مگاوات تولید می‌کنند و با هد ۱۱۸ متری، جریان ۷۳۳ متر مکعب بر ثانیه را تبدیل به انرژی می‌کنند. ژنراتورهای سنکرون با روتور عمودی، ۷۰۰ مگاوات با ولتاژ ۱۸ کیلوولت و فرکانس ۶۰ هرتز (۱۰ واحد) یا ۵۰ هرتز (۱۰ واحد برای پاراگوئه) تولید می‌کنند و با سیستم تحریک، پایداری دارند. توربین‌ها، که توسط Voith Siemens Hydro ساخته شده‌اند، با پره‌های ضدخوردگی، دوام ۵۰ ساله دارند و ژنراتورها با خنک‌کننده هوا، راندمان ۹۹.۹ درصدی ارائه می‌دهند.

ظرفیت تولید انرژی الکتریکی در ایتایپو

ظرفیت تولید نیروگاه برق‌آبی ایتایپو ۱۴ هزار مگاوات است که با ۲۰ توربین، سالانه ۹۰ تا ۱۰۳ میلیون مگاوات‌ساعت انرژی تولید می‌کند و در ۲۰۱۶، با ۱۰۳.۱ میلیون مگاوات‌ساعت، رکورد جهانی را ثبت کرد. این ظرفیت، ۹۰ درصد برق پاراگوئه و ۱۵ درصد برزیل را تأمین می‌کند و با هد ۱۱۸ متری و راندمان ۹۰ درصدی، پایداری ۹۹.۹ درصدی دارد.

سیستم انتقال و توزیع برق در دو کشور

سیستم انتقال ایتایپو با خطوط ۶۰۰ کیلوولت جریان مستقیم (دو خط ۸۰۰ کیلومتری به سائوپائولو) برق را به برزیل می‌رساند و پاراگوئه، که ۱۵ درصد مصرف می‌کند، مازاد را به برزیل می‌فروشد. ترانسفورماتورهای ۷۰۰ مگاواتی، ولتاژ را به ۵۰۰ کیلوولت جریان متناوب تبدیل می‌کنند و پست‌های ۵۰۰/۲۳۰ کیلوولت، توزیع را به شبکه ملی برزیل (SIN) و ANDE پاراگوئه انجام می‌دهند.

این سیستم، با راندمان ۹۵ درصد و پایداری ۹۹.۹۹ درصد، برق را به ۸۰ میلیون نفر می‌رساند. مدیریت مشترک، انتقال را بهینه کرده و ایتایپو را به ستون انرژی منطقه تبدیل کرده است.

مقایسه ایتایپو با نیروگاه‌های دیگر جهان

نیروگاه ایتایپو با ظرفیت ۱۴ هزار مگاوات، دومین نیروگاه بزرگ جهان پس از سد سه دره چین (۲۲.۵ هزار مگاوات) است و نسبت تولید به مساحت (۱۰.۴ مگاوات بر کیلومتر مربع) آن، بالاتر از Tucuruí برزیل (۸ هزار مگاوات، ۳.۳ مگاوات بر کیلومتر مربع) است. سد Hoover آمریکا (۲ هزار مگاوات) در مقیاس کوچک‌تر است، اما ایتایپو با ۱۰۳.۱ میلیون مگاوات‌ساعت در ۲۰۱۶، از سه دره (۹۸ میلیون) پیشی گرفت.

هزینه ساخت ایتایپو (۱۹.۶ میلیارد دلار) نسبت به سه دره (۳۷ میلیارد) اقتصادی‌تر بود و همکاری دوجانبه، آن را از Grand Coulee (۶.۸ هزار مگاوات) پایدارتر کرد. ایتایپو، با کارایی و تولید بالا یکی از برترین نیروگاه‌های جهان باقی مانده است.

مزایا و اهمیت نیروگاه ایتایپو

• تأمین بخش عمده‌ای از برق کشورهای برزیل و پاراگوئه
• کاهش وابستگی به سوخت‌های فسیلی و انتشار گازهای گلخانه‌ای
• نماد همکاری بین‌المللی میان دو کشور همسایه
• یکی از بزرگ‌ترین منابع انرژی تجدیدپذیر در جهان
• تأثیر مثبت بر رشد اقتصادی و زیرساخت‌های منطقه
• دارای سیستم کنترلی پیشرفته برای تنظیم جریان و تولید بهینه برق
• جذب گردشگران به‌عنوان یکی از دیدنی‌ترین پروژه‌های مهندسی دنیا

فناوری‌های کنترلی و سیستم‌های خودکار سد ایتایپو

فناوری‌های کنترلی نیروگاه ایتایپو، سیستمی پیشرفته برای نظارت و مدیریت تولید انرژی و ایمنی سد ارائه می‌دهند که شامل سامانه نظارت و جمع‌آوری داده‌ها (SCADA) است. این سامانه، با استفاده از ۵ هزار سنسور در توربین‌ها، ژنراتورها، دریچه‌های تخلیه و مخزن، داده‌های لحظه‌ای مانند سطح آب، فشار هیدرولیکی و جریان را با دقت ۹۹.۹ درصد جمع‌آوری می‌کند و تولید را بهینه می‌نماید. سیستم‌های خودکار، با کنترل‌کننده‌های منطقی قابل برنامه‌ریزی (PLC)، دریچه‌های تخلیه را در سیلاب‌های تا ۴۰ هزار متر مکعب بر ثانیه تنظیم می‌کنند و با الگوریتم‌های پیش‌بینی آب و هوا، جریان ورودی را پیش‌بینی می‌نمایند تا از پر شدن بیش از حد مخزن جلوگیری شود.

این فناوری‌ها، که با نرم‌افزارهای GIS برای نقشه‌برداری مخزن و شبیه‌سازی هیدرولیکی ادغام شده‌اند، لرزش‌های توربین‌ها را با دمپرها کاهش می‌دهند و با هشدارهای خودکار، ایمنی را در برابر زلزله‌های احتمالی تضمین می‌کنند. سیستم‌های کنترلی، با اتصال به شبکه دوجانبه برزیل و پاراگوئه، تولید را بین ۵۰ و ۶۰ هرتز تنظیم می‌کنند و با راندمان ۹۰ درصدی، ایتایپو را به یکی از هوشمندترین سدهای جهان تبدیل کرده‌اند.

چالش‌های تعمیر و نگهداری تجهیزات ایتایپو

تعمیر و نگهداری تجهیزات ایتایپو با چالش‌های متعددی روبه‌رو است که به دلیل مقیاس عظیم سد و پیچیدگی تجهیزات، نیاز به برنامه‌ریزی دقیق و منابع قابل توجه دارد. یکی از بزرگ‌ترین چالش‌ها، دسترسی به توربین‌ها و ژنراتورها در عمق ۱۰۰ متری سد است که هر ۵ سال نیاز به توقف واحد برای بازرسی و تعمیر دارد و هزینه‌ای حدود ۵۰ میلیون دلار برای هر واحد به دنبال دارد. خوردگی بتنی ناشی از آب اسیدی رودخانه پارانا، مقاومت سازه را ۲ درصد کاهش می‌دهد و نیاز به پوشش‌های ضدخوردگی سالانه با هزینه ۱۰۰ میلیون دلار دارد. رسوب‌گذاری در توربین‌ها، که از جریان‌های گل‌آلود پارانا ناشی می‌شود، کارایی را تا ۳ درصد کم می‌کند و نیاز به تمیزکاری دوره‌ای دارد.

چالش‌های دیگر شامل مدیریت سیلاب‌های فصلی (تا ۴۰ هزار متر مکعب بر ثانیه) است که فشار هیدرولیکی را افزایش می‌دهد و تغییرات اقلیمی، که جریان پارانا را ۱۰ درصد کاهش داده، تولید را تحت تأثیر قرار می‌دهد. ایتایپو با ۵ هزار کارگر و بودجه سالانه ۱ میلیارد دلار، برنامه‌های نگهداری را با سیستم‌های خودکار و ربات‌های بازرسی اجرا می‌کند.