مقدمه:
در پی وقوع مشکلات عدیده نظیرگرمایش کره زمین، تغییرات آب و هوایی، تولید زیاد از حد گاز CO2 و وابستگی شدید اقتصادی دولتها به انرژی فسیلی و همچنین محدود بودن این نوع انرژی، دانشمندان و محققینِ سراسر جهان را بر‌آن داشته است تا گزینه‌های جدیدی از انرژی را یافته و جایگزین انرژی فسیلی کنند. گروهی از این انرژی‌های جایگزین (نوین)، انرژی‌های بی‌پایان نام دارند.  مهمترین خصوصیات این نوع انرژی‌ها، تمیز (آلوده نکردن محیط زیست)، تجدید شدنی و ارزان بودن آنها است. از این دسته انرژی‌های می‌توان به انرژی‌های خورشیدی، باد، آب و هسته‌ی کره‌ی زمین اشاره کرد.

همانطور که می‌دانیم ۷۰ درصد کره‌ی زمین را آب فراگرفته و در این میان اقیانوس‌ها بعنوان منابع بی‌پایان انرژی سالها است که توجه بسیاری از دانشمندان و محققان را در زمینه انرژی به خود جلب کرده‌اند. تا به امروز پروژه‌های تحقیقاتی زیادی برای تولید الکتریسته از انرژی اقیانوس‌ها به انجام رسیده که برخی از آنها تا مرحله‌ی تولید برق در سطح انبوه هم پیشرفته است. کلاً انرژی‌های موجود در اقیانوس را می‌توان به انواع زیر تقسیم‌بندی کرد:

۱- انرژی موج
۲- انرژی جزر و مد
۳- انرژی جریانهای آب در اعماق اقیانوس
۴- انرژی حاصل از پدیده اُسموز

انرژی موج:
موج دریا به عنوان یک منبع دائمی انرژی، همان قدر که دارای قدرت تخریبی بالایی می‌باشد، می‌تواند برای تولید انرژی برق مفید باشد. موج  بر اثر وزش باد بر سطح دریا تولید و در هنگام برخورد با خشکی مقدار زیادی انرژی آزاد می‌کند. با کنترل انرژی آزاد شده می‌توان مقدار زیادی الکتریسیته تولید کرد. انرژی پتانسیل موجود در هر دوره از موج بستگی به ارتفاع و دوره‌ی تناوب آن دارد و واحد آن برابر است با کیلووات بر متر. بطور مثال موج‌های تقریباً بلند دارای ارتفاع ۱۵ متر و دوره تناوب ۱۵ ثانیه هستند که تقریباً مقدار ۱۷۰۰ کیلووات بر متر انرژی پتانسیل در خود دارند.

کشورهای همجوار اقیانوس‌ها همواره با مشکل موج‌های مخرب مواجه بوده‌اند. برای حل این مشکل و مهار انرژی آزاد شده حاصل از برخورد موج‌ها، از سد‌های بزرگ موج شکن استفاده شد. بعدها پروژه تحقیقاتی برای تبدیل این سد‌های بزرگ به نیروگاه‌های تولید برق به مرحله اجرا در آمد.

طرز کار این نوع نیروگاه (Oscillating Water Column –OWC) به این صورت می‌باشد که داخل دیواره سد، مخزن بزرگی وجود دارد. این مخزن دارای دو دریچه است که یکی از آنها به دریا مرتبط می‌باشد و دریچه دیگر که پره‌های توربین نیز در داخل آن طراحی شده در سقف این مخزن قرار دارد. در هنگام برخورد موج به دیواره سد، آب با فشار زیاد وارد مخزن شده و باعث فشرده شدن هوای داخل مخزن می‌شود. هوای فشرده شده از طریق دریچه دیگر آزاد می‌شود. انرژی آزاد شده حاصل از تخلیه‌ی هوای فشرده شده باعث چرخش پره‌های توربین می‌شود. در هنگام برگشت آب هم به دلیل کم شدن فشار هوای داخل مخزن، هوا از بیرون به داخل کشیده می‌شود و توربین را در جهت مخالف به حرکت در‌می‌آورد. به این نوع توربین، توربین دو طرفه می‌گویند که قادر به تولید برق در دو جهت چرخش می‌باشد. برای به حرکت درآوردن توربین می‌توان از سیال‌های دیگر مانند روغن (هیدرولیک) نیز استفاده کرد.

از پروژه‌هایی که در این زمینه ساخته شده‌اند می‌توان به نیروگاه تولید برق (Limpet) در ساحل غربی اسکاتلند نام برد. این نیروگاه در سال ۲۰۰۰ به بهربرداری رسید. انرژی پتانسیل موج در این منطقه بطور متوسط بین ۱۵ تا ۲۵ کیلووات بر متر است. مخزن این نیروگاه دارای دو توربین به ظرفیت ۲۵۰ کیلووات می‌باشد. این نیروگاه توانایی تامین برق مصرفی ۳۰۰ خانه را دارد.

انواع دیگری از نیروگاه تولید برق توسط انرژی موج به تازگی طراحی شده‌اند. این نیروگاه‌ها در فاصله چند کیلومتری از ساحل و به طور شناور روی آب نصب می‌شوند و از خاصیت بالا و پایین رفتن سطح آب دریا بر اثر موج، برای تولید برق استفاده می‌کنند. از طرحهای مختلف می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
۱- Pelamis
2- McCabe wave pump
3- Archimedes wave swing
4- Nodding Duck
5- IPS Buoy

انرژی جزر و مد:
یکی دیگر از منابع انرژی قابل استفاده در اقیانوس‌ها، پدیده جزر و مد است. این پدیده بر اثر جاذبه ماه و خورشید بر کره زمین بطور متناوب اتفاق می‌افتد و باعث افزایش یا کاهش سطح آب دریا می‌شود. این انرژی به دو صورت، پتانسیل و جنبشی قابل استفاده است. در مورد استفاده از انرژی جنبشی پدیده جزر و مد در قسمت جریان‌های آب در اعماق اقیانوس توضیح داده خواهد شد.
نیروگاه تولید برق از پدیده جزر و مد، شامل سَدی است که خاصیت جدا کنندگی بین دو سطح آب را دارد. بعنوان مثال دهانه ورودی رودخانه‌ها به دریا محل مناسبی برای ساختن اینگونه سدها می‌باشد. در پایین سد دریچه‌هایی برای ارتباط دو سطح آب در نظر گرفته شده. درون این دریچه‌ها توربین‌های تولید برق قرار دارند.

طرز کار این نیروگاه را می‌توان به چهار مرحله تقسیم بندی کرد. مرحله اول، آب دریا در حال بالا رفتن است و دریچه‌ها در این مرحله بسته می‌مانند. مرحله دوم، دریچه‌ها باز می‌شوند و بدلیل وجود اختلاف سطح، آب با فشار وارد قسمت دیگر می‌شود، در نتیجه توربین را به چرخش در‌آورده می‌شوند. مرحله سوم آب دریا شروع به پایین رفتن می‌کند و دریچه‌ها بسته نگه داشته می‌شوند. در مرحله آخر دریچه‌ها برای بار دوم باز می‌شوند و آب ذخیره در پشت سد به دریا می‌ریزند.

یک نمونه از این گونه نیروگاه‌ها، نیروگاه (Rance) بر روی دهانه‌ی رودخانه‌ی (Rance) واقع در شمال فرانسه است. طول سد این نیروگاه در حدود یک کیلومتر می‌باشد. اولین تلاشها برای ساختن این نیروگاه در سال ۱۹۲۱ آغاز شد و دلیل آن اختلاف زیاد بین جزر و مد دریا در این منطقه بود. در سال ۱۹۶۷ این نیروگاه به بهربرداری رسید. نیروگاه (Rance) دارای ۲۴ توربین است و دارای ظرفیت ۲۴۰۰۰۰ کیلووات می‌باشد. از دیگر کشورهایی که دارای این گونه نیروگاه هستند می‌توان به  انگلیس، کانادا، چین و نروژ اشاره کرد.

انرژی جریانهای آب در اعماق اقیانوس
جریانهای دریایی، جریانهایی هستند که باعث جابجایی آبهای اقیانوس می‌شوند. این جریانها می‌توانند تا هزاران کیلومتر ادامه داشته باشند و تاثیر بسزایی در تغییرات آب و هوایی قاره‌ها و بخصوص کشورهای مجاور با آنها دارند. بعنوان مثال آب و هوای جزیره هاوایی (Hawaiian) بعلت وجود جریانهای دریایی کالیفرنیا کمی سردتر از مناطق دیگر استوایی می‌باشد.

جریانهای اقیانوس‌ها به دو دسته تقسیم می‌شوند، جریانهای سطح آب و جریانهای زیر آب. جریانهای سطح آب بر اثر وزش باد بر اقیانوس تشکیل می‌شوند. جریانهای زیر آب می‌توانند دلایل مختلفی نظیر اختلاف چگالی، جزر و مد و اختلاف حرارتی داشته باشند. به همین جهت آنها را به نام رودخانه‌های زیر دریایی می‌نامند. واحد اندازه‌گیری این جریان‌ها (SV) می‌باشد که برابر است با ۱۰۶ مترمکعب جریان در ثانیه.

دلایل استفاده از این نوع انرژی وابستگی آن به جاذبه کره زمین و نه به تغییرات جوی ( به عبارتی دائمی و قابل پیش‌بینی بودن) و همچنین میانگین شدت جریان بالای آن در مقایسه با انرژی باد است. از مشکلات موجود برای استفاده از این نوع انرژی، تعیین محل دقیق جریان‌های دائمی و یکنواخت( با حداقل سرعت ۲ تا ۳ متر بر ثانیه) است که با استفاده از روشهای جدید مانند رادارهای اکوستیک تا حدود زیادی آسان شده. تا کنون حدود ۱۰۰ منطقه‌ی مناسب در اروپا برای استفاده از این نوع انرژی شناسایی شده است.

در سال ۲۰۰۳ نیروگاه تحقیقاتی تولید جریان برق (SeaFlow) به ظرفیت ۳۰۰ کیلووات (قابلیت تامین برق مصرفی ۱۲۰ خانه) در انگلیس راه‌اندازی شد. تکنولوژی استفاده شده در این نیروگاه تقریباً شبیه به نیروگاه‌های بادی می‌باشد با این تفاوت که پره‌های توربین در این نوع از نیروگاه کوچکتر در نظر گرفته شده‌اند و آن هم به دلیل چگالی بالای جریان آب نسبت به هوا است. قطر ستون اصلی این نیروگاه ۲ متر و طول آن به بیش از ۴۲ متر می‌رسد. وزن این ستون برابر است با ۸۰ تُن و پایه‌ی آن در ته دریا بتن ریزی می‌شود. توربین و اتاقک کنترل روی این ستون نصب می‌شوند. برای تولید برق، توربین تا ارتفاع ۱۱ متر زیر آب می‌رود. از دیگر توانایی‌های این توربین تغییر جهت در زاویه مخالف برای حداکثر استفاده از جریان آب است.

بزودی نیروگاه دیگری با ظرفیت ۱٫۲ مگاوات (SeaGen) به بهربرداری می‌رسد. این نیروگاه دارای دو توربین همزمان بر روی ستون اصلی می‌باشد.

انرژی حاصل از پدیده اُسموز
یکی دیگر از راه‌های تولید برق، استفاده از انرژی حاصل از پدیده بیولوژیکی اُسموز است. جذب مایع با غلظت پایین توسط مایع دیگر با غلظت بالا به وسیله‌ی یک دیواره جدا کننده‌ی سلولی (بیولوژیکی) را پدیده اُسموز می‌نامند. بطور مثال جذب آب توسط ریشه گیاهان یا جذب مواد غذایی توسط رگهای همه از این نوع پدیده هستند.

اولین نظریه استفاده از پدیده اُسموز در صنعت تولید برق در دهه‌ی هفتاد مطرح گردید. طرح مورد نظر به این صورت می‌باشد که در مخزن بزرگی با یک دیواره‌ی جدا کننده سلولی (بیولوژیکی) در وسط، آب شیرین و آب نمک (آب دریا) وارد می‌شود. دیواره جدا کننده به صورتی طراحی شده که اجازه عبور مولکول‌های نمک را از درون خود نمی‌دهد ولی در عین حال دارای قابلیت بالایی برای عبور مولکول‌های آب می‌باشد. به دلیل پدیده اُسموز آب نمک، آب شیرین را به داخل خود جذب می‌کند. و بر اثر جذب آب شیرین حجم آب نمک زیاد شده و با فشار به بیرون رانده می‌شود. انرژی حاصل از فشار تولید شده توانایی چرخاندن توربین را دارد.

در نیروگاه‌ تولید برق از این نوع انرژی، از ترکیب آب دریا و آب رودخانه استفاده می‌شود. یکی از مشکلات موجود در استفاده از این نوع انرژی احتیاج به غلظت بالای نمک حل شده در آب است. دلیل آن هم این است که مقدار بزرگی فشار تولید شده متناسب است با مقدار غلظت آب نمک.

روش کار این نیروگاه به این ترتیب است که آب دریا و رودخانه پس از عبور از صافی وارد سیلندرهای بزرگی می‌شوند که به طور موازی به هم متصل هستند. در داخل این سیلندرها آب نمک و آب شیرین توسط دیواره سلولی (بیولوژیکی) از هم جدا می‌شوند. آب نمک خروجی از سیلندرها با فشار وارد کانال توربین می‌شود و آن را به چرخش در می‌آورد. بری جلوگیری از کم شدن غلظت نمک در آب نمک، باید آب دریا بطور دائم در داخل سیلندرها در جریان باشد.
نیروگاهای ساخته شده از این نوع، بیشتر تحقیقاتی و با ظرفیت پایین می‌باشند. یکی از مشکلات موجود در ساخت این نوع نیروگاه، تکنولوژی طراحی دیواره‌ی سلولی جدا کننده است. در حال حاضر یک متر مکعب از دیواره‌های سلولی توانایی تولید ۵ وات برق را دارا می‌باشند.
یک شرکت مهندسی در نروژ در حال بررسی روی طرح ساخت یک نیروگاه با ظرفیت ۲۵ مگاوات در این کشور است. برای تولید این مقدار انرژی حدود ۵ میلیون مترمربع دیواره‌ی سلولی لازم می‌باشد. این شرکت در تلاش است تا با بهینه‌سازی دیواره‌های سلولی، حجم نیروگاه را تا حد ممکن کاهش دهد.

با توجه به پروژه‌های اجراش شده در این زمینه و پتانسیل موجود در اقیانوس‌ها، هنوز احتیاج به صرف زمان و پیشرفت تکنولوژی است تا از انرژی پتانسیل موجود در اقیانوس در سطح انبوه بتوان بهره‌برداری کرد.

منابع:

۱- Encyclopedia of the Oceans
Dorrik Stow, ISBN 0-19-860687-7, OXFORD university press, 2004
2- INTERNATIONAL ENERGY AG E N C Y | I E A
DTI report number FES-R-132
AEAT report number AEAT/ENV/1054
3- THE MARINE CURRENT POWER PROJECT AT THE SWEDISH
CENTER FOR RENEWABLE ELECTRIC ENERGY CONVERSION
Erik Segergern, Karin Nilsson, Jan Sundberg and Martin Leijon
4- Ocean Energy
Marten Grabbe Urban Lundin and Mats Leijon
Department of Electricity and Lightning Research
Uppsala University
Sweden
5- http://www.wavegen.co.uk
6- http://en.wikipedia.org
7- http://www.sciencenews.org/articles/20010414/bob12.asp
8- http://www.marineturbines.com
9- http://www.eon.com/