محطة توليد الطاقة

جزء من سلسلة عن
هندسة الطاقة
تحويل الطاقة الكهربائية
محول الجهد تحويل الطاقة الكهربائية محطة تحويل التيار المستمر عالي الجهد محول تيار متردد إلى تيار متردد محول تيار مستمر إلى تيار مستمر مقوم العاكس
البنية التحتية للطاقة الكهربائية
نظام الطاقة الكهربائية محطة توليد الطاقة الشبكة الكهربائية موصل كهربائي الاستجابة للطلب
مكونات أنظمة الطاقة الكهربائية
الوحدة الرئيسية للحلقة عاكس الشبكة تخزين الطاقة بسبار قناة الحافلات إعادة الإغلاق مرحل الحماية
ف ت هـ

محطة الطاقة ، والتي يشار إليها أيضًا باسم محطة توليد الطاقة أو محطة توليد الكهرباء ، هي منشأة صناعية لتوليد الطاقة الكهربائية . ترتبط محطات الطاقة عمومًا بشبكة كهربائية .

تحتوي العديد من محطات الطاقة على مولد واحد أو أكثر، وهي عبارة عن آلة دوارة تحول الطاقة الميكانيكية إلى طاقة كهربائية ثلاثية الطور . وتؤدي الحركة النسبية بين المجال المغناطيسي والموصل إلى توليد تيار كهربائي .

تتنوع مصادر الطاقة المستخدمة لتشغيل المولدات بشكل كبير. تحرق معظم محطات الطاقة في العالم الوقود الأحفوري مثل الفحم والنفط والغاز الطبيعي لتوليد الكهرباء. تشمل مصادر الطاقة منخفضة الكربون الطاقة النووية واستخدام مصادر الطاقة المتجددة مثل الطاقة الشمسية وطاقة الرياح والطاقة الحرارية الأرضية والطاقة الكهرومائية .

في أوائل عام 1871، اخترعت المخترعة البلجيكية زينوب جرام مولدًا قويًا بما يكفي لإنتاج الطاقة على نطاق تجاري للصناعة. ^[1]

في عام 1878، صمم ويليام اللورد أرمسترونج محطة للطاقة الكهرومائية وبناها في كراجسايد بإنجلترا . وقد استخدمت المياه من البحيرات الموجودة في ممتلكاته لتشغيل دينامو سيمنز . وكانت الكهرباء تزود الإضاءة والتدفئة وتنتج الماء الساخن وتشغل المصاعد وكذلك الأجهزة الموفرة للعمالة والمباني الزراعية. ^[2]

في يناير 1882 ، تم بناء أول محطة طاقة عامة تعمل بالفحم في العالم ، وهي محطة إديسون الكهربائية ، في لندن، وهو مشروع توماس إديسون نظمه إدوارد جونسون . كانت غلاية بابكوك آند ويلكوكس تعمل على تشغيل محرك بخاري بقوة 93 كيلو وات (125 حصانًا) كان يقود مولدًا يزن 27 طنًا (27 طنًا طويلًا). وقد وفر هذا الكهرباء للمباني في المنطقة التي يمكن الوصول إليها من خلال قنوات القنطرة دون حفر الطريق، وهو احتكار شركات الغاز. وشمل العملاء معبد المدينة وأولد بيلي . وكان أحد العملاء المهمين الآخرين هو مكتب التلغراف التابع لمكتب البريد العام ، ولكن لم يكن من الممكن الوصول إليه من خلال قنوات القنطرة. رتب جونسون لتمديد كابل الإمداد من الأعلى، عبر حانة هولبورن ونيوجيت . [ ^3]

في سبتمبر 1882 في نيويورك، أنشأ إديسون محطة بيرل ستريت لتوفير الإضاءة الكهربائية في منطقة جزيرة مانهاتن السفلى. ظلت المحطة تعمل حتى دمرها حريق في عام 1890. استخدمت المحطة محركات بخارية ترددية لتشغيل مولدات التيار المستمر. وبسبب توزيع التيار المستمر، كانت منطقة الخدمة صغيرة، ومحدودة بانخفاض الجهد في المغذيات. في عام 1886، بدأ جورج وستنجهاوس في بناء نظام تيار متناوب يستخدم محولًا لزيادة الجهد للنقل لمسافات طويلة ثم يخفضه مرة أخرى للإضاءة الداخلية، وهو نظام أكثر كفاءة وأقل تكلفة ومماثل للأنظمة الحديثة. انتهت حرب التيارات في النهاية لصالح توزيع التيار المتردد واستخدامه، على الرغم من استمرار بعض أنظمة التيار المستمر حتى نهاية القرن العشرين. كانت أنظمة التيار المستمر ذات دائرة نصف قطرها ميل (كيلومتر) أو نحو ذلك أصغر حجمًا بالضرورة وأقل كفاءة في استهلاك الوقود وأكثر كثافة في العمل من محطات توليد التيار المتردد المركزية الأكبر حجمًا.

استخدمت أنظمة التيار المتردد مجموعة واسعة من الترددات اعتمادًا على نوع الحمل؛ حيث تستخدم أحمال الإضاءة ترددات أعلى، وتفضل أنظمة الجر وأنظمة الأحمال الثقيلة للمحركات الترددات المنخفضة. تحسنت اقتصاديات توليد الطاقة في المحطات المركزية بشكل كبير عندما تم تطوير أنظمة الإضاءة والطاقة الموحدة، التي تعمل بتردد مشترك. يمكن لمحطة التوليد نفسها التي تغذي الأحمال الصناعية الكبيرة أثناء النهار، أن تغذي أنظمة السكك الحديدية للركاب أثناء ساعة الذروة ثم تخدم أحمال الإضاءة في المساء، وبالتالي تحسين عامل تحميل النظام وتقليل تكلفة الطاقة الكهربائية بشكل عام. كانت هناك العديد من الاستثناءات، حيث تم تخصيص محطات التوليد للطاقة أو الإضاءة عن طريق اختيار التردد، وكانت مغيرات التردد الدوارة والمحولات الدوارة شائعة بشكل خاص لتغذية أنظمة السكك الحديدية الكهربائية من شبكة الإضاءة والطاقة العامة.

خلال العقود القليلة الأولى من القرن العشرين، أصبحت المحطات المركزية أكبر، باستخدام ضغوط بخارية أعلى لتوفير كفاءة أكبر، والاعتماد على الترابطات بين محطات التوليد المتعددة لتحسين الموثوقية والتكلفة. سمح نقل التيار المتردد عالي الجهد بنقل الطاقة الكهرومائية بشكل ملائم من الشلالات البعيدة إلى أسواق المدينة. سمح ظهور التوربينات البخارية في خدمة المحطات المركزية، حوالي عام 1906، بتوسع كبير في سعة التوليد. لم تعد المولدات مقيدة بنقل الطاقة عبر الأحزمة أو السرعة البطيئة نسبيًا للمحركات الترددية، ويمكن أن تنمو إلى أحجام هائلة. على سبيل المثال، خطط سيباستيان زياني دي فيرانتي لما سيكون عليه محرك بخاري ترددي تم بناؤه على الإطلاق لمحطة مركزية جديدة مقترحة، لكنه ألغى الخطط عندما أصبحت التوربينات متاحة بالحجم اللازم. يتطلب بناء أنظمة الطاقة من المحطات المركزية مزيجًا من المهارة الهندسية والذكاء المالي على قدم المساواة. يشمل رواد توليد المحطات المركزية جورج وستنجهاوس وصامويل إنسول في الولايات المتحدة، وفيرانتي وتشارلز هيسترمان ميرز في المملكة المتحدة، والعديد من الآخرين ^[5] . ^{[ بحاجة لمصدر ]}

في محطات الطاقة الحرارية، يتم إنتاج الطاقة الميكانيكية بواسطة محرك حراري يحول الطاقة الحرارية ، غالبًا من احتراق الوقود ، إلى طاقة دورانية. تنتج معظم محطات الطاقة الحرارية البخار، لذلك يطلق عليها أحيانًا محطات الطاقة البخارية. لا يمكن تحويل كل الطاقة الحرارية إلى طاقة ميكانيكية، وفقًا للقانون الثاني للديناميكا الحرارية ؛ لذلك، هناك دائمًا حرارة مفقودة للبيئة. إذا تم استخدام هذه الخسارة كحرارة مفيدة، للعمليات الصناعية أو التدفئة المركزية ، يشار إلى محطة الطاقة باسم محطة توليد الطاقة المشتركة أو محطة الحرارة والطاقة المشتركة. في البلدان التي يكون فيها التدفئة المركزية شائعة، توجد محطات حرارية مخصصة تسمى محطات الغلايات الحرارية فقط . تستخدم فئة مهمة من محطات الطاقة في الشرق الأوسط حرارة المنتجات الثانوية لتحلية المياه .

إن كفاءة دورة الطاقة الحرارية محدودة بأقصى درجة حرارة للسائل العامل المنتج. والكفاءة ليست دالة مباشرة للوقود المستخدم. ففي ظل نفس ظروف البخار، تتمتع محطات الطاقة العاملة بالفحم والنووي والغاز بنفس الكفاءة النظرية. وبشكل عام، إذا كان النظام يعمل باستمرار (الحمل الأساسي)، فسوف يكون أكثر كفاءة من النظام الذي يتم استخدامه بشكل متقطع (الحمل الأقصى). وتعمل التوربينات البخارية عمومًا بكفاءة أعلى عند تشغيلها بكامل طاقتها.

بالإضافة إلى استخدام الحرارة المرتجعة في التدفئة المركزية أو الصناعية، فإن إحدى الطرق لتحسين الكفاءة الكلية لمحطة الطاقة هي الجمع بين دورتين ترموديناميكيتين مختلفتين في محطة ذات دورة مركبة . وفي أغلب الأحيان، تُستخدم غازات العادم من توربينات الغاز لتوليد البخار لغلاية وتوربين بخاري. ويؤدي الجمع بين دورة "علوية" ودورة "سفلية" إلى إنتاج كفاءة كلية أعلى مما يمكن لأي دورة أن تحققه بمفردها.

في عام 2018، خططت شركة Inter RAO UES وشبكة الكهرباء الحكومية لبناء محطة طاقة حرارية بقدرة 8 جيجاوات، ^[7] وهو أكبر مشروع بناء محطة طاقة تعمل بالفحم في روسيا . ^[8]

• قد تستخدم محطات الطاقة التي تعمل بالوقود الأحفوري أيضًا مولد توربيني بخاري أو في حالة محطات الطاقة التي تعمل بالغاز الطبيعي قد تستخدم توربين احتراقي . تنتج محطة الطاقة التي تعمل بالفحم الحرارة عن طريق حرق الفحم في غلاية بخارية. يدفع البخار توربينًا بخاريًا ومولدًا ينتج الكهرباء بعد ذلك . تشمل نفايات الاحتراق الرماد وثاني أكسيد الكبريت وأكاسيد النيتروجين وثاني أكسيد الكربون . يمكن إزالة بعض الغازات من مجرى النفايات لتقليل التلوث.
• تستخدم محطات الطاقة النووية ^[9] الحرارة المتولدة في قلب المفاعل النووي (بفضل عملية الانشطار ) لإنشاء البخار الذي يعمل بعد ذلك على تشغيل توربين بخاري ومولد. يتم إنتاج حوالي 20 بالمائة من توليد الكهرباء في الولايات المتحدة بواسطة محطات الطاقة النووية.
• تستخدم محطات الطاقة الحرارية الأرضية البخار المستخرج من الصخور الساخنة الموجودة تحت الأرض. يتم تسخين هذه الصخور عن طريق تحلل المواد المشعة في قلب الأرض. ^[10]
• يمكن تشغيل محطات الطاقة التي تعمل بالكتلة الحيوية باستخدام نفايات قصب السكر ، أو النفايات الصلبة البلدية ، أو غاز الميثان الموجود في مكبات النفايات ، أو أشكال أخرى من الكتلة الحيوية .
• في مصانع الصلب المتكاملة ، يعتبر غاز عادم الفرن العالي وقودًا منخفض التكلفة، على الرغم من انخفاض كثافة الطاقة.
• في بعض الأحيان، يتم تركيز الحرارة المهدرة من العمليات الصناعية بما يكفي لاستخدامها في توليد الطاقة، وعادةً في غلاية بخارية أو توربين.
• تستخدم محطات الطاقة الشمسية الحرارية ضوء الشمس لغلي الماء وإنتاج البخار الذي يدير المولد.
• يمكن لمحطات الطاقة الهيدروجينية استخدام الهيدروجين الأخضر الناتج عن التحليل الكهربائي للمساعدة في تحقيق التوازن بين العرض والطلب من مصادر الطاقة المتجددة المتغيرة . ^[11]

المحرك الرئيسي هو آلة تقوم بتحويل الطاقة من أشكال مختلفة إلى طاقة حركة.

• تستخدم محطات التوربينات البخارية الضغط الديناميكي الناتج عن تمدد البخار لتدوير شفرات التوربين. وتستخدم جميع محطات الطاقة غير الكهرومائية الكبيرة تقريبًا هذا النظام. ويتم إنتاج حوالي 90 بالمائة من إجمالي الطاقة الكهربائية في العالم من خلال استخدام التوربينات البخارية. ^[12]
• تستخدم محطات توربينات الغاز الضغط الديناميكي الناتج عن الغازات المتدفقة (الهواء ومنتجات الاحتراق) لتشغيل التوربين مباشرة. يمكن لمحطات توربينات الاحتراق التي تعمل بالغاز الطبيعي (والوقود النفطي) أن تبدأ العمل بسرعة وبالتالي تُستخدم لتوفير الطاقة "الذروة" خلال فترات الطلب المرتفع، وإن كان ذلك بتكلفة أعلى من المحطات ذات الأحمال الأساسية. قد تكون هذه وحدات صغيرة نسبيًا، وأحيانًا غير مأهولة تمامًا، ويتم تشغيلها عن بُعد. كانت المملكة المتحدة رائدة في هذا النوع، وكانت برينستون ^[13] أول محطة في العالم، وتم تشغيلها في عام 1959.
• تحتوي محطات الدورة المركبة على توربين غازي يعمل بالغاز الطبيعي، وغلاية بخارية وتوربين بخاري يستخدمان غاز العادم الساخن من توربين الغاز لإنتاج الكهرباء. وهذا يزيد بشكل كبير من الكفاءة الإجمالية للمحطة، والعديد من محطات الطاقة الأساسية الجديدة هي محطات دورة مركبة تعمل بالغاز الطبيعي.
• تُستخدم محركات الاحتراق الداخلي الترددية لتوفير الطاقة للمجتمعات المعزولة، وكثيرًا ما تُستخدم في محطات توليد الطاقة الصغيرة. كما تستخدمها المستشفيات والمباني المكتبية والمصانع وغيرها من المرافق الحيوية لتوفير الطاقة الاحتياطية في حالة انقطاع التيار الكهربائي. وعادةً ما يتم تشغيلها باستخدام زيت الديزل والنفط الثقيل والغاز الطبيعي وغاز مكبات النفايات .
• تعد التوربينات الدقيقة ومحرك ستيرلينج ومحركات الاحتراق الداخلي الترددية حلولاً منخفضة التكلفة لاستخدام الوقود البديل، مثل غاز مكبات النفايات وغاز الهضم من محطات معالجة المياه والغاز العادم من إنتاج النفط. ^{[ بحاجة لمصدر ]}

تشمل محطات الطاقة التي يمكن إرسالها (مجدولة) لتوفير الطاقة لنظام ما ما يلي:

• تعمل محطات الطاقة ذات الحمل الأساسي بشكل مستمر تقريبًا لتوفير ذلك المكون من حمل النظام الذي لا يتغير خلال يوم أو أسبوع. يمكن تحسين محطات الحمل الأساسي بشكل كبير لخفض تكلفة الوقود، ولكنها قد لا تبدأ أو تتوقف بسرعة أثناء التغيرات في حمل النظام. تشمل أمثلة محطات الحمل الأساسي محطات توليد الطاقة الحديثة الكبيرة التي تعمل بالفحم والطاقة النووية، أو محطات الطاقة الكهرومائية ذات إمداد متوقع من المياه.
• تلبي محطات الطاقة التي تعمل عند ذروة الحمل اليومي، والذي قد يكون لمدة ساعة أو ساعتين فقط كل يوم. وفي حين أن تكاليف التشغيل الإضافية لها تكون دائمًا أعلى من محطات الحمل الأساسي، إلا أنها ملزمة بضمان أمان النظام أثناء ذروة الحمل. وتشمل محطات الطاقة التي تعمل عند ذروة الحمل توربينات غازية ذات دورة بسيطة ومحركات احتراق داخلي ترددية، والتي يمكن تشغيلها بسرعة عند توقع ذروة النظام. كما يمكن تصميم محطات الطاقة الكهرومائية للاستخدام في ذروة الحمل.
• تستطيع محطات توليد الطاقة التي تتبع الأحمال أن تتبع اقتصاديًا الاختلافات في الأحمال اليومية والأسبوعية، بتكلفة أقل من محطات الذروة وبمرونة أكبر من محطات الحمل الأساسي.

تشمل المحطات غير القابلة للتوزيع مصادر مثل طاقة الرياح والطاقة الشمسية؛ وفي حين يمكن التنبؤ بمساهمتها على المدى الطويل في إمداد النظام بالطاقة، إلا أنه على المدى القصير (يوميًا أو كل ساعة) يجب استخدام طاقتها كما هي متاحة نظرًا لعدم إمكانية تأجيل التوليد. قد تكون الترتيبات التعاقدية ("الأخذ أو الدفع") مع منتجي الطاقة المستقلين أو ربط النظام بشبكات أخرى غير قابلة للتوزيع فعليًا. ^{[ بحاجة لمصدر ]}

تنتج جميع محطات الطاقة الحرارية طاقة حرارية مهدرة كمنتج ثانوي للطاقة الكهربائية المفيدة المنتجة. وتساوي كمية طاقة الحرارة المهدرة أو تتجاوز كمية الطاقة المحولة إلى كهرباء مفيدة ^{[ بحاجة لتوضيح ]} . ويمكن لمحطات الطاقة التي تعمل بالغاز أن تحقق كفاءة تحويل تصل إلى 65%، بينما تحقق محطات الفحم والنفط حوالي 30-49%. وتنتج الحرارة المهدرة ارتفاعًا في درجة الحرارة في الغلاف الجوي، وهو صغير مقارنة بالارتفاع الناتج عن انبعاثات الغازات المسببة للانحباس الحراري من نفس محطة الطاقة. تستخدم أبراج التبريد الرطبة ذات السحب الطبيعي في العديد من محطات الطاقة النووية ومحطات الطاقة الكبيرة التي تعمل بالوقود الأحفوري هياكل كبيرة تشبه المدخنة الزائدة (كما هو موضح في الصورة على اليمين) والتي تطلق الحرارة المهدرة إلى الغلاف الجوي المحيط عن طريق تبخر الماء.

ومع ذلك، فإن أبراج التبريد الرطبة الميكانيكية المستحثة أو القسرية في العديد من محطات الطاقة الحرارية الكبيرة ومحطات الطاقة النووية ومحطات الطاقة التي تعمل بالوقود الأحفوري ومصافي البترول ومصانع البتروكيماويات ومحطات الطاقة الحرارية الأرضية والكتلة الحيوية والنفايات تستخدم مراوح لتوفير حركة الهواء إلى الأعلى عبر المياه الهابطة وليست هياكل تشبه المدخنة الزائدية. عادةً ما تكون أبراج التبريد المستحثة أو القسرية عبارة عن هياكل مستطيلة الشكل تشبه الصندوق مملوءة بمادة تعزز اختلاط الهواء الصاعد والمياه الهابطة. ^{[14] [15]}

في المناطق التي يكون فيها استخدام المياه محدودًا، قد يكون من الضروري استخدام برج تبريد جاف أو مشعات مبردة بالهواء مباشرة، نظرًا لأن التكلفة أو العواقب البيئية المترتبة على الحصول على مياه تعويضية للتبريد التبخيري ستكون باهظة. تتمتع هذه المبردات بكفاءة أقل واستهلاك أعلى للطاقة لتشغيل المراوح، مقارنة ببرج التبريد التبخيري الرطب النموذجي. ^{[ بحاجة لمصدر ]}

يمكن لمحطات الطاقة استخدام مكثف مبرد بالهواء، تقليديًا في المناطق ذات إمدادات المياه المحدودة أو الباهظة الثمن. تخدم المكثفات المبردة بالهواء نفس الغرض الذي يخدمه برج التبريد (تبديد الحرارة) دون استخدام الماء. تستهلك طاقة مساعدة إضافية وبالتالي قد يكون لها بصمة كربونية أعلى مقارنة ببرج التبريد التقليدي. ^{[ بحاجة لمصدر ]}

غالبًا ما تفضل شركات الكهرباء استخدام مياه التبريد من المحيط أو البحيرة أو النهر أو بركة التبريد بدلاً من برج التبريد. يمكن لنظام التبريد أحادي المرور أو مرة واحدة أن يوفر تكلفة برج التبريد وقد يكون له تكاليف طاقة أقل لضخ مياه التبريد عبر المبادلات الحرارية للمحطة . ومع ذلك، يمكن للحرارة المهدرة أن تسبب تلوثًا حراريًا أثناء تصريف المياه. تم تصميم محطات الطاقة التي تستخدم المسطحات المائية الطبيعية للتبريد بآليات مثل شاشات الأسماك ، للحد من دخول الكائنات الحية إلى آلات التبريد. هذه الشاشات فعالة جزئيًا فقط ونتيجة لذلك تقتل محطات الطاقة مليارات الأسماك والكائنات المائية الأخرى كل عام. ^{[16] [17]} على سبيل المثال، يقتل نظام التبريد في مركز إنديان بوينت للطاقة في نيويورك أكثر من مليار بيضة ويرقة سمك سنويًا. ^[18] هناك تأثير بيئي آخر وهو أن الكائنات المائية التي تتكيف مع مياه التصريف الأكثر دفئًا قد تصاب إذا أغلقت المحطة في الطقس البارد ^{[ بحاجة لمصدر ]} .

يعد استهلاك المياه في محطات الطاقة قضية ناشئة. ^[19]

في السنوات الأخيرة، تم استخدام مياه الصرف الصحي المعاد تدويرها، أو المياه الرمادية ، في أبراج التبريد. ومن بين هذه المرافق محطتي توليد الطاقة كالباين ريفرسايد وكالباين فوكس في ويسكونسن بالإضافة إلى محطة توليد الطاقة كالباين مانكاتو في مينيسوتا . ^{[ بحاجة لمصدر ]}

يمكن لمحطات الطاقة توليد الطاقة الكهربائية من مصادر الطاقة المتجددة .

في محطة الطاقة الكهرومائية يتدفق الماء عبر التوربينات باستخدام الطاقة الكهرومائية لتوليد الطاقة الكهرومائية . يتم التقاط الطاقة من قوة الجاذبية للمياه التي تسقط عبر أنابيب المياه إلى توربينات المياه المتصلة بالمولدات . كمية الطاقة المتاحة هي مزيج من الارتفاع وتدفق المياه. يمكن بناء مجموعة واسعة من السدود لرفع مستوى المياه وإنشاء بحيرة لتخزين المياه . يتم إنتاج الطاقة الكهرومائية في 150 دولة، حيث تولدت منطقة آسيا والمحيط الهادئ 32 في المائة من الطاقة الكهرومائية العالمية في عام 2010. تعد الصين أكبر منتج للطاقة الكهرومائية، حيث بلغ إنتاجها 721 تيراواط ساعة في عام 2010، وهو ما يمثل حوالي 17 في المائة من استخدام الكهرباء المحلية. ^{[ بحاجة لمصدر ]}

يمكن تحويل الطاقة الشمسية إلى كهرباء إما مباشرة في الخلايا الشمسية ، أو في محطة الطاقة الشمسية المركزة من خلال تركيز الضوء لتشغيل محرك حراري. ^[20]

تحول محطة الطاقة الشمسية الكهروضوئية ضوء الشمس إلى كهرباء تيار مباشر باستخدام التأثير الكهروضوئي . تقوم العاكسات بتحويل التيار المباشر إلى تيار متناوب للاتصال بالشبكة الكهربائية. لا يستخدم هذا النوع من المحطات آلات دوارة لتحويل الطاقة. ^[21]

تستخدم محطات الطاقة الحرارية الشمسية إما أحواضًا مكافئة أو مرايا هليوستات لتوجيه ضوء الشمس على أنبوب يحتوي على سائل نقل الحرارة، مثل الزيت. ثم يستخدم الزيت الساخن لغلي الماء وتحويله إلى بخار، والذي يدير توربينًا يدير مولدًا ^{كهربائيًا .} يستخدم برج الطاقة الحرارية الشمسية المركزي مئات أو آلاف المرايا، حسب الحجم، لتوجيه ضوء الشمس على جهاز استقبال أعلى البرج. تُستخدم الحرارة لإنتاج البخار لتشغيل التوربينات التي تدير المولدات الكهربائية ^.

يمكن استخدام توربينات الرياح لتوليد الكهرباء في المناطق ذات الرياح القوية والمستقرة، وأحيانًا في عرض البحر . وقد تم استخدام العديد من التصميمات المختلفة في الماضي، ولكن تقريبًا جميع التوربينات الحديثة التي يتم إنتاجها اليوم تستخدم تصميمًا ثلاثي الشفرات في اتجاه الريح. ^[22] توربينات الرياح المتصلة بالشبكة التي يتم بناؤها الآن أكبر بكثير من الوحدات التي تم تركيبها خلال السبعينيات. وبالتالي فهي تنتج الطاقة بشكل أرخص وأكثر موثوقية من النماذج السابقة. ^[23] مع التوربينات الأكبر حجمًا (بترتيب ميغاواط واحد)، تتحرك الشفرات بشكل أبطأ من الوحدات الأقدم والأصغر حجمًا، مما يجعلها أقل تشتيتًا بصريًا وأكثر أمانًا للطيور. ^[24]

تشير الطاقة البحرية أو الطاقة البحرية (يشار إليها أحيانًا أيضًا باسم طاقة المحيط أو قوة المحيط ) إلى الطاقة التي تحملها أمواج المحيط والمد والجزر والملوحة واختلاف درجات حرارة المحيط . تخلق حركة المياه في محيطات العالم مخزونًا هائلاً من الطاقة الحركية أو الطاقة المتحركة. يمكن تسخير هذه الطاقة لتوليد الكهرباء لتشغيل المنازل ووسائل النقل والصناعات.

يشمل مصطلح الطاقة البحرية طاقة الأمواج - الطاقة المستمدة من الأمواج السطحية، وطاقة المد والجزر - المستمدة من الطاقة الحركية للمسطحات المائية المتحركة الكبيرة. طاقة الرياح البحرية ليست شكلاً من أشكال الطاقة البحرية، حيث تستمد طاقة الرياح من الرياح ، حتى لو تم وضع توربينات الرياح فوق الماء.

تحتوي المحيطات على كمية هائلة من الطاقة وهي قريبة من العديد من التجمعات السكانية إن لم يكن معظمها. تتمتع طاقة المحيطات بإمكانية توفير كمية كبيرة من الطاقة المتجددة الجديدة في جميع أنحاء العالم. ^[25]

تُسمى طاقة تدرج الملوحة بالتناضح المتأخر للضغط. في هذه الطريقة، يتم ضخ مياه البحر إلى غرفة ضغط تكون عند ضغط أقل من الفرق بين ضغوط المياه المالحة والمياه العذبة. كما يتم ضخ المياه العذبة إلى غرفة الضغط من خلال غشاء، مما يزيد من حجم الغرفة وضغطها. ومع تعويض فروق الضغط، يتم تدوير توربين لتوليد الطاقة. تدرس شركة المرافق النرويجية Statkraft هذه الطريقة على وجه التحديد، والتي حسبت أنه سيكون متاحًا ما يصل إلى 25 تيراوات في الساعة / سنة من هذه العملية في النرويج. قامت Statkraft ببناء أول نموذج أولي لمحطة طاقة تناضحية في العالم على مضيق أوسلو والتي تم افتتاحها في 24 نوفمبر 2009. ومع ذلك، في يناير 2014، أعلنت Statkraft عدم الاستمرار في هذا المشروع التجريبي. ^[26]

يمكن إنتاج طاقة الكتلة الحيوية من احتراق المواد الخضراء المهدرة لتسخين الماء وتحويله إلى بخار وتشغيل توربين بخاري. يمكن أيضًا معالجة الطاقة الحيوية من خلال مجموعة من درجات الحرارة والضغوط في تفاعلات التغويز أو التحلل الحراري أو التحميص . اعتمادًا على المنتج النهائي المطلوب، تخلق هذه التفاعلات منتجات أكثر كثافة في الطاقة ( الغاز الاصطناعي ، وحبيبات الخشب ، والفحم الحيوي ) والتي يمكن بعد ذلك تغذيتها في محرك مصاحب لإنتاج الكهرباء بمعدل انبعاثات أقل بكثير مقارنة بالحرق المفتوح. ^{[ بحاجة لمصدر ]}

من الممكن تخزين الطاقة وإنتاج الطاقة الكهربائية في وقت لاحق كما هو الحال في محطة الطاقة الكهرومائية المخزنة بالضخ ، وتخزين الطاقة الحرارية ، وتخزين طاقة دولاب الموازنة ، ومحطة طاقة تخزين البطاريات وما إلى ذلك.

إن التخزين بالضخ هو أكبر شكل من أشكال تخزين الكهرباء الزائدة في العالم، وهو عبارة عن محطة طاقة كهرومائية عكسية. وهي مستهلك صافٍ للطاقة ولكنها توفر التخزين لأي مصدر للكهرباء، وتعمل على تنعيم فترات الذروة والانخفاض في العرض والطلب على الكهرباء بشكل فعال. تستخدم محطات التخزين بالضخ عادة الكهرباء "الفائضة" خلال فترات الذروة لضخ المياه من خزان أدنى إلى خزان أعلى. ولأن الضخ يتم "خارج أوقات الذروة"، فإن الكهرباء تكون أقل قيمة من أوقات الذروة. وتأتي هذه الكهرباء "الفائضة" الأقل قيمة من طاقة الرياح غير المنضبطة ومحطات الطاقة الأساسية مثل الفحم والطاقة النووية والطاقة الحرارية الأرضية، والتي لا تزال تنتج الطاقة في الليل على الرغم من انخفاض الطلب للغاية. وخلال ذروة الطلب في النهار، عندما تكون أسعار الكهرباء مرتفعة، يتم استخدام التخزين للطاقة في أوقات الذروة ، حيث يُسمح للمياه في الخزان العلوي بالتدفق مرة أخرى إلى خزان أدنى من خلال توربين ومولد. وعلى عكس محطات الطاقة التي تعمل بالفحم، والتي قد تستغرق أكثر من 12 ساعة لبدء التشغيل من البرودة، يمكن تشغيل مولد الطاقة الكهرومائية في بضع دقائق، وهو أمر مثالي لتلبية الطلب على الحمل الأقصى. يوجد مخططان كبيران لتخزين المياه بالضخ في جنوب أفريقيا، مخطط تخزين المياه بالضخ في بالمييت وآخر في دراكنزبرج، مخطط تخزين المياه بالضخ في إنجولا .

تُقاس الطاقة المولدة بواسطة محطة توليد الطاقة بمضاعفات الواط ، عادةً ميغاواط (10 ⁶ واط) أو جيجاواط (10 ⁹ واط). تختلف محطات توليد الطاقة بشكل كبير في السعة اعتمادًا على نوع محطة توليد الطاقة والعوامل التاريخية والجغرافية والاقتصادية. تقدم الأمثلة التالية إحساسًا بالحجم.

تقع العديد من أكبر مزارع الرياح البرية العاملة في الصين. اعتبارًا من عام 2022، أصبحت مزرعة الرياح Roscoe أكبر مزرعة رياح برية في العالم، حيث تنتج 8000  ميجاوات من الطاقة، تليها مزرعة Zhang Jiakou (3000 ميجاوات). اعتبارًا من يناير 2022، أصبحت مزرعة الرياح Hornsea في المملكة المتحدة أكبر مزرعة رياح بحرية في العالم بقدرة 1218 ميجاوات، تليها مزرعة الرياح Walney في المملكة المتحدة بقدرة 1026 ميجاوات.

في عام 2021، زادت القدرة المركبة لمحطات الطاقة في جميع أنحاء العالم بمقدار 347 جيجاوات. ارتفعت قدرات محطات الطاقة الشمسية وطاقة الرياح بنسبة 80٪ في عام واحد. ^[27]  اعتبارًا من عام 2022 ^[تحديث]، فإن أكبر محطات الطاقة الكهروضوئية في العالم يقودها منتزه بهادلا الشمسي في الهند، بقدرة 2245 ميجاوات.

محطات الطاقة الحرارية الشمسية في الولايات المتحدة لها الإنتاج التالي:

محطة إيفانباه للطاقة الشمسية هي الأكبر في البلاد بإنتاج يبلغ 392 ميجاوات

يمكن لمحطات الطاقة الكبيرة التي تعمل بالفحم والطاقة النووية والطاقة الكهرومائية أن تولد مئات الميجاواط إلى عدة جيجاواط. إليك بعض الأمثلة:

تبلغ القدرة المقدرة لمحطة كويبيرج للطاقة النووية في جنوب أفريقيا 1860 ميجاواط .

تبلغ القدرة المقدرة لمحطة الطاقة التي تعمل بالفحم في راتكليف أون سوار في المملكة المتحدة 2 جيجاواط.

تبلغ قدرة محطة سد أسوان لتوليد الطاقة الكهرومائية في مصر 2.1 جيجاوات.

تبلغ قدرة محطة توليد الطاقة الكهرومائية سد الخوانق الثلاثة في الصين 22.5 جيجاواط.

يمكن لمحطات الطاقة التي تعمل بالتوربينات الغازية أن تولد عشرات إلى مئات الميجاواط. ومن الأمثلة على ذلك:

محطة توليد الطاقة ذات الدورة البسيطة أو الدورة المفتوحة (OCGT) في إنديان كوينز ، الواقعة في كورنوال بالمملكة المتحدة، تحتوي على توربين غازي واحد وتبلغ قدرتها 140 ميجاوات.

محطة ميدواي للطاقة ، وهي محطة طاقة تعمل بتوربينات الغاز ذات الدورة المركبة (CCGT) في كينت بالمملكة المتحدة، وتحتوي على توربينين غازيين وتوربين بخاري واحد، وتبلغ قدرتها 700 ميغاواط. ^[28]

السعة المقدرة لمحطة الطاقة هي تقريبًا الحد الأقصى للطاقة الكهربائية التي يمكن لمحطة الطاقة إنتاجها. يتم تشغيل بعض محطات الطاقة بسعتها المقدرة تقريبًا طوال الوقت، كمحطة طاقة لا تتبع الأحمال الأساسية ، باستثناء أوقات الصيانة المجدولة أو غير المجدولة.

ومع ذلك، فإن العديد من محطات الطاقة عادة ما تنتج طاقة أقل بكثير من قدرتها المقدرة.

في بعض الحالات، تنتج محطة توليد الطاقة طاقة أقل بكثير من قدرتها المقدرة لأنها تستخدم مصدر طاقة متقطع . يحاول المشغلون سحب أقصى قدر من الطاقة المتاحة من محطات توليد الطاقة هذه، لأن تكلفتها الهامشية تساوي الصفر عمليًا، ولكن الطاقة المتاحة تتفاوت على نطاق واسع - على وجه الخصوص، قد تكون صفرًا أثناء العواصف الشديدة في الليل.

في بعض الحالات ينتج المشغلون طاقة أقل عمدًا لأسباب اقتصادية. قد تكون تكلفة الوقود لتشغيل محطة طاقة تتبع الأحمال مرتفعة نسبيًا، وتكلفة الوقود لتشغيل محطة طاقة في ذروة الذروة أعلى من ذلك - لديهم تكاليف هامشية عالية نسبيًا. يبقي المشغلون محطات الطاقة مغلقة ("الاحتياطي التشغيلي") أو تعمل عند الحد الأدنى من استهلاك الوقود ^{[ بحاجة لمصدر ]} ("الاحتياطي الدوار") معظم الوقت. يزود المشغلون المزيد من الوقود لمحطات الطاقة التي تتبع الأحمال فقط عندما يرتفع الطلب فوق ما يمكن أن تنتجه المحطات الأقل تكلفة (أي محطات الطاقة المتقطعة ومحطات الحمل الأساسي)، ثم يزودون المزيد من الوقود لمحطات الطاقة التي تبلغ ذروتها فقط عندما يرتفع الطلب بشكل أسرع مما يمكن لمحطات الطاقة التي تتبع الأحمال متابعته.

لا يتم بالضرورة تسليم كل الطاقة المولدة من محطة توليد الطاقة إلى نظام التوزيع. تستخدم محطات توليد الطاقة عادةً أيضًا بعض الطاقة نفسها، وفي هذه الحالة يتم تصنيف ناتج التوليد إلى توليد إجمالي وتوليد صافٍ .

إجمالي التوليد أو الناتج الكهربائي الإجمالي هو إجمالي كمية الكهرباء المولدة بواسطة محطة طاقة على مدى فترة زمنية محددة. ^[29] يتم قياسه عند محطة التوليد ويتم قياسه بالكيلووات في الساعة (kW·h) أو ميغاوات في الساعة (MW·h) أو ^[30] جيجاوات في الساعة (GW·h) أو بالنسبة لأكبر محطات الطاقة تيراوات في الساعة (TW·h). ويشمل الكهرباء المستخدمة في الأجهزة المساعدة للمحطة وفي المحولات. ^[31]

التوليد الإجمالي = التوليد الصافي + الاستخدام داخل المصنع (المعروف أيضًا بالأحمال الداخلية)

التوليد الصافي هو كمية الكهرباء التي تولدها محطة الطاقة والتي يتم نقلها وتوزيعها لاستخدام المستهلك. التوليد الصافي أقل من إجمالي توليد الطاقة الإجمالي حيث يتم استهلاك بعض الطاقة المنتجة داخل المحطة نفسها لتشغيل المعدات المساعدة مثل المضخات والمحركات وأجهزة مكافحة التلوث. ^[32] وبالتالي

صافي التوليد = التوليد الإجمالي − الاستخدام داخل المصنع ( المعروف أيضًا باسم الأحمال الداخلية)

This section does not cite any sources. Please help improve this section by adding citations to reliable sources. Unsourced material may be challenged and removed. (July 2021) (Learn how and when to remove this message)

يتولى طاقم التشغيل في محطة الطاقة عدة مهام. فالمشغِّلون مسؤولون عن سلامة أطقم العمل التي تقوم بشكل متكرر بإصلاح المعدات الميكانيكية والكهربائية. كما يقومون بصيانة المعدات من خلال عمليات التفتيش الدورية وتسجيل درجات الحرارة والضغوط وغيرها من المعلومات المهمة على فترات منتظمة. والمشغلون مسؤولون عن بدء تشغيل المولدات وإيقافها حسب الحاجة. وهم قادرون على مزامنة وضبط خرج الجهد للجيل المضاف مع النظام الكهربائي الجاري، دون إزعاج النظام. ويجب أن يكونوا على دراية بالأنظمة الكهربائية والميكانيكية لاستكشاف المشكلات في المنشأة وإصلاحها وإضافة المزيد من الموثوقية إليها. ويجب أن يكون المشغلون قادرين على الاستجابة لحالات الطوارئ ومعرفة الإجراءات المتبعة للتعامل معها.

• نظام التعريف لمحطات الطاقة (KKS)
• أكبر محطات توليد الطاقة في العالم ^{[مغتصبة]}
• قاعدة بيانات انبعاثات الكربون من محطات الطاقة في جميع أنحاء العالم (مراقبة الكربون من أجل العمل: CARMA)
• قياس الناتج الصافي مقابل الناتج الإجمالي أرشيف من الأصل (pdf) في 21 أكتوبر 2012
• قياس توليد الطاقة مؤرشفة من الأصل (pdf) في 2 أكتوبر 2012