الطاقة الكهرومائية الصغيرة

الطاقة الكهرومائية الصغيرة هي توليد الطاقة الكهرومائية على نطاق أصغر مقارنةً بالطاقة الكهرومائية التقليدية واسعة النطاق. تختلف التعريفات الدقيقة من بلد لآخر، ولكن مشاريع الطاقة الكهرومائية الصغيرة (SHP) عادةً ما تكون أقل من 50 ميغاواط (MW)، ويمكن تقسيمها حسب الحجم إلى "ميني" (أقل من 500  كيلوواط)، و" ميكرو " (أقل من 100  كيلوواط)، و" بيكو " (أقل من 10  كيلوواط). ^{[ 1 ]} تُعدّ أقصى قدرة لتوليد الطاقة العامل الأساسي في تصنيف مشاريع الطاقة الكهرومائية الصغيرة. أما عوامل أخرى مثل ارتفاع السد، وارتفاع السد المائي ، ومساحة الخزان، وهياكل المخرج، وإجراءات التشغيل، فلا تخضع لمعايير موحدة ضمن هذا التصنيف.

شهدت مشاريع الطاقة الكهرومائية الصغيرة نموًا سريعًا خلال العقدين الماضيين. ويمكن لتسريع إجراءات الترخيص أن يُسهّل تطويرها ومساهمتها في توليد الطاقة الموزعة ضمن شبكة الكهرباء الإقليمية. ويمكن إنشاء هذه المشاريع في مناطق معزولة يصعب فيها ربطها بشبكة الكهرباء الوطنية، أو في مناطق لا توجد بها شبكة وطنية. وتُنتج هذه المشاريع طاقةً على نطاق مناسب للاستخدام المحلي، مما يُعزز استقلال الطاقة. وتواجه المناطق الريفية تحديات في دمج مشاريع الطاقة الكهرومائية الصغيرة نظرًا لغياب الاهتمام السياسي، ونقص البيانات الدقيقة، وعدم استدامة التمويل. ^{[ 2 ]}

لم تُفهم الآثار الاجتماعية والبيئية الدقيقة لمحطات الطاقة الكهرومائية الصغيرة بشكل كامل بعد. ولا تشترط العديد من الدول إجراء تقييمات للأثر البيئي للمنشآت الصغيرة. ^{[ 3 ]}

يختلف استخدام مصطلح "الطاقة الكهرومائية الصغيرة" اختلافًا كبيرًا حول العالم. ففي الهند، تُصنّف مشاريع الطاقة الكهرومائية التي تصل قدرتها إلى 25 ميغاواط ضمن مشاريع الطاقة الكهرومائية الصغيرة. ^{[ 4 ]} وفي كاليفورنيا ، تُصنّف محطات توليد الطاقة الكهرومائية التي تقل قدرتها القصوى عن 30 ميغاواط ضمن فئة المحطات الصغيرة، وهي مؤهلة للإدراج في معيار محفظة الطاقة المتجددة للولاية . ^{[ 5 ]} ويتراوح الحد الأقصى عادةً بين 10 و30 ميغاواط، ويصل إلى 50 ميغاواط في كندا والصين وباكستان والولايات المتحدة.

يمكن تطبيق تصاميم مشاريع متنوعة لمشاريع الطاقة الكهرومائية ذات القدرات المتشابهة. تستخدم بعض مشاريع الطاقة الكهرومائية الصغيرة نظام جريان النهر . ^{[ 6 ]} بينما تستخدم مشاريع أخرى، مثل سد البوابة الحديدية ، أنظمة حجز المياه التي تنطوي على عيوب الخزانات . بالنسبة للمستثمرين والبيئيين وصناع السياسات، تُعتبر مشاريع الطاقة الكهرومائية الصغيرة أكثر جدوى عندما يكون تأثيرها البيئي ضئيلاً وتحقق ربحًا متوقعًا بعد الإنشاء. ^{[ 7 ]}

المزايا والعيوب

تشمل المزايا الرئيسية لتطوير الطاقة الكهرومائية الصغيرة انخفاض تكاليف الإنشاء وإمكانية الاستغناء عن شبكات الكهرباء المركزية. أما النقاط الخلافية في هذا المجال فتتضمن قضايا العدالة البيئية ، والرقابة التنظيمية، والآثار البيئية.

في العديد من المجتمعات التي تفتقر إلى الكهرباء الأساسية، تُعدّ الطاقة الكهرومائية الصغيرة مصدرًا موثوقًا للكهرباء اللامركزية . ولا تتطلب مشاريع الطاقة الكهرومائية الصغيرة دائمًا دعمًا حكوميًا كبيرًا، كما أن الثغرات في الحوكمة تسمح بإنشائها بسهولة نسبية. ^{[ 8 ]} ونظرًا لهذه الثغرات في السياسات، فإن الطاقة الكهرومائية الصغيرة، باعتبارها استراتيجية متجددة للتخفيف من آثار تغير المناخ، قد تؤثر سلبًا على سبل عيش السكان المحليين في غياب سياسات تراعي احتياجات المجتمع. ^{[ 9 ]}

لا تزال الآثار البيئية لمشاريع الطاقة الكهرومائية الصغيرة غير مدروسة بشكل كافٍ. وفي مشاريع تصميم جريان الأنهار ، تتمثل أكبر الأضرار التي تلحق بالأنظمة المائية في تغيير نظام التدفق، وفقدان تماسك النهر وترابطه، وتدهور الموائل الذي يؤثر على الأسماك واللافقاريات الكبيرة. ^{[ 10 ]}

بين عامي 2005 و2010، خططت الصين لتزويد 10,000 قرية إضافية بالكهرباء ضمن برنامجها لتزويد القرى بالكهرباء ، بما في ذلك استثمارات إضافية في محطات الطاقة الكهرومائية الصغيرة والطاقة الشمسية الكهروضوئية . ^{[ 11 ]} وبحلول عام 2010، بلغ عدد محطات الطاقة الكهرومائية الصغيرة في الصين 45,000 محطة، لا سيما في المناطق الريفية، تنتج 160 تيراواط/ساعة سنويًا. ^{[ 12 ]} وقد وُجد أن أكثر من 50% من إمكانات الطاقة الكهرومائية الصغيرة في العالم موجودة في آسيا؛ ومع ذلك، أشار تقرير إلى أنه "من الممكن في المستقبل تحديد المزيد من إمكانات الطاقة الكهرومائية الصغيرة في كل من قارتي أفريقيا والأمريكتين". ^{[ 13 ] [ 14 ] [ 15 ]}

تزخر جبال وغابات كولومبيا البريطانية المطيرة في كندا بالعديد من المواقع الملائمة لتطوير الطاقة الكهرومائية. إلا أن المخاوف البيئية المتعلقة بالخزانات الكبيرة بعد ثمانينيات القرن الماضي أوقفت بناء سدود جديدة. وكان الحل لمواجهة الطلب المتزايد هو منح عقود لمنتجي الطاقة المستقلين ، الذين أنشأوا 100 مشروع لتوليد الطاقة الكهرومائية الجارية بقدرة أقل من 50 ميغاواط. يتفاوت إنتاج الطاقة بدون خزانات بشكل كبير، لكن السدود التقليدية القديمة تحتفظ بالمياه أو تطلقها لتوزيع الإنتاج على مدار العام. في عام 2014، أنتج هؤلاء المنتجون المستقلون 18000 غيغاواط/ساعة من قدرة إنتاجية تبلغ 4500 ميغاواط. ^{[ 16 ]}

اعتبارًا من عام 2022، بلغت القدرة العالمية (للمشاريع التي لا تتجاوز 10 ميغاواط) حوالي 79.0 غيغاواط، حيث تستحوذ الصين على أكثر من 53% من القدرة المركبة لمحطات الطاقة الكهرومائية الصغيرة في العالم. ووفقًا لهذا التعريف (أقل من أو يساوي 10 ميغاواط)، زادت القدرة المركبة لمحطات الطاقة الكهرومائية الصغيرة بنسبة 11% في الأمريكتين بين عامي 2019 و2022. ونظرًا للاختلافات المحلية في تعريفات محطات الطاقة الكهرومائية الصغيرة، فمن المرجح أن تكون القدرة المركبة لهذه المحطات في جميع أنحاء العالم أعلى من هذه الأرقام. وتشهد دول مثل الصين والهند والبرازيل توسعًا ملحوظًا في قدرتها على توليد الطاقة الكهرومائية الصغيرة في القرن الحادي والعشرين. ^{[ 17 ]} وتُعد قارات آسيا وأفريقيا والأمريكتين من أكثر المناطق واعدة لنمو الطاقة الكهرومائية الصغيرة. ^{[ 18 ]}

يمكن اعتبار دواليب المياه الخشبية على ضفاف الأنهار من أوائل الأمثلة على "الطاقة الكهرومائية الصغيرة". ^{[ 19 ]} وحتى القرن السابع عشر، كانت كفاءة دواليب المياه تقارب 70%. ومع ذلك، مع ازدياد الحاجة إلى توليد الطاقة، تم التخلي تدريجياً عن مشاريع الطاقة الكهرومائية الصغيرة لصالح السدود الكبيرة التي تستخدم توربينات مصممة حديثاً. ^{[ 17 ]}

يتجه التوجه البيئي في القرن العشرين نحو الابتعاد عن إنشاء محطات الطاقة الكهرومائية واسعة النطاق، وذلك نتيجةً لتزايد الوعي بالمشاكل البيئية المرتبطة بالسدود. ومن الأمثلة على مشاريع هدم السدود السابقة مشروع ترميم نهر إيلوا وحركة إزالة السدود عن نهر كلاماث في الولايات المتحدة. وقد هدم كلا المشروعين سدودًا ذات قدرات توليد طاقة أقل من 30 ميغاواط.

الطاقة الكهرومائية هي توليد الطاقة الكهربائية من حركة المياه. تتطلب محطة الطاقة الكهرومائية تدفقًا ثابتًا للمياه وارتفاعًا مناسبًا لسقوطها، يُسمى الارتفاع . في محطة نموذجية، تُضخ المياه من خزان عبر أنبوب إلى توربين . يتسبب تدفق المياه عبر التوربين في دوران مولد كهربائي ، محولًا الحركة إلى طاقة كهربائية.

يمكن إنشاء مشاريع الطاقة الكهرومائية الصغيرة من خلال إعادة تطوير السدود القائمة التي يكون غرضها الأساسي التحكم في الفيضانات أو الري. كما يمكن إعادة تطوير مواقع الطاقة الكهرومائية القديمة مع إعادة استخدام حقوق المياه، مما يوفر استثمارات كبيرة في تقنيات التركيب مثل أنابيب التوربينات. ^{[ 20 ]} أي من هاتين الميزتين الموفرتين للتكاليف تجعل العائد على الاستثمار في موقع صغير للطاقة الكهرومائية مجديًا للغاية لاستخدام المواقع القائمة.

تُعد البرازيل دولة أخرى تستثمر بكثافة في الطاقة الكهرومائية الصغيرة. وتتبوأ البرازيل مكانة رائدة في مجال توليد الطاقة الكهرومائية، إذ تحتل المرتبة الثالثة عالميًا من حيث القدرة المركبة للطاقة الكهرومائية بواقع 79 جيجاواط، بعد الولايات المتحدة التي تبلغ قدرتها 100 جيجاواط، والصين التي تتصدر القائمة بقدرة 171 جيجاواط. ^{[ 21 ]} ويجري حاليًا إنشاء 51 مشروعًا جديدًا للطاقة الكهرومائية الصغيرة في البرازيل حتى عام 2024.

تقدم العديد من الشركات مجموعات مولدات توربينية قياسية تتراوح قدرتها التقريبية بين 200  كيلوواط و10 ميغاواط. تُسهّل هذه المجموعات المتكاملة (من الماء إلى الكهرباء) تخطيط وتطوير الموقع، إذ يتولى مورد واحد معظم توريد المعدات. وبفضل تقليل تكاليف الهندسة غير المتكررة وتوزيع تكلفة التطوير على وحدات متعددة، تنخفض تكلفة هذه الأنظمة المتكاملة. وفي حين تُستخدم غالبًا المولدات التزامنية القادرة على تشغيل المحطة بشكل مستقل، يمكن لمحطات الطاقة الكهرومائية الصغيرة المتصلة بشبكة كهربائية استخدام مولدات حثية اقتصادية لتقليل تكلفة التركيب وتبسيط التحكم والتشغيل.

لا تحتوي مشاريع الطاقة الكهرومائية الصغيرة التي تعتمد على جريان النهر على سد تقليدي مع خزان، بل على هدّ لتشكيل حوض تجميع لتحويل مياه المدخل إلى التوربين. تتدفق المياه غير المستخدمة ببساطة فوق الهدّ، وقد لا يتسع حوض التجميع إلا ليوم واحد فقط، وهو ما لا يكفي لفصول الصيف الجافة أو فصول الشتاء المتجمدة التي قد يتوقف فيها توليد الطاقة. ويُفضّل أن يكون مدخل المياه في بحيرة قائمة.

تم تطوير أنظمة "الطاقة المائية الدقيقة" المعيارية لقنوات الري . ^{[ 22 ]} " قامت مناطق الري في جميع أنحاء الولايات المتحدة بتركيب محطات توليد الطاقة عند نقاط التحويل ونقاط السقوط داخل القناة، والتي تُستخدم تقليديًا لقياس التدفق، وذلك لتثبيت منسوب المياه في المنبع وتبديد الطاقة حيث يوجد تغير كبير في الارتفاع في جميع أنحاء نظام القناة." ^{[ 23 ]}

تتبنى دول مثل الهند والصين سياسات داعمة للطاقة الكهرومائية الصغيرة، وتسمح الإجراءات التنظيمية ببناء السدود والخزانات. أما في أمريكا الشمالية وأوروبا، فإن الإجراءات التنظيمية طويلة ومكلفة للغاية بحيث لا تسمح ببناء سد وخزان لمشروع صغير.

تتميز مشاريع الطاقة الكهرومائية الصغيرة عادةً بإجراءات بيئية وترخيصية أسرع، ونظرًا لأن المعدات تُنتج عادةً بكميات كبيرة، وموحدة ومبسطة، كما أن أعمال الإنشاءات المدنية محدودة، يمكن تطوير هذه المشاريع بسرعة كبيرة. ويُسهّل صغر حجم المعدات نقلها إلى المناطق النائية التي تفتقر إلى طرق برية أو سكك حديدية جيدة.

يعتمد أحد مقاييس تقليل الأثر البيئي للبحيرات والخزانات على التوازن بين تدفق المياه وإنتاج الطاقة. يُسهم تقليل تحويلات المياه في الحفاظ على النظام البيئي للنهر، ولكنه يُقلل من عائد الاستثمار في نظام الطاقة الكهرومائية . لذا، يجب أن يُراعي تصميم نظام الطاقة الكهرومائية التوازن بين الحفاظ على صحة مجرى النهر والجدوى الاقتصادية.

يُعدّ قرب مشروع الطاقة الكهرومائية الصغيرة من شبكة الكهرباء الوطنية أحد العوامل التي تُوازن بين عائد الاستثمار والاعتبارات البيئية. فكلما كان المشروع أكثر عزلة، كان إنشاؤه أكثر فعالية من حيث التكلفة. ^{[ 24 ]}

يختلف الدعم الحكومي لمشاريع الطاقة الكهرومائية الصغيرة من بلد لآخر. ففي اليابان، تدعم الحكومة سياسات الطاقة المتجددة من خلال تشجيع تطوير مشاريع الطاقة الكهرومائية الصغيرة المجتمعية، مع توفير تعريفات تغذية عالية وأسعار فائدة منخفضة للقروض. ^{[ 25 ]} وفي عام 2022، حظر برلمان البوسنة والهرسك مشاريع الطاقة الكهرومائية الصغيرة التي تصل قدرتها الإنتاجية إلى 10 ميغاواط/ساعة، مُعللاً ذلك بتأثيرها السلبي على البيئة. ^{[ 26 ]} وقد أدى عدم اتساق تعريفات الطاقة الكهرومائية الصغيرة، وقلة الأبحاث المتعلقة بتأثيراتها الاجتماعية والبيئية، إلى تباين في السياسات وقرارات الترخيص. ولا تشترط نحو ثلثي الدول إجراءات ترخيص بيئي رسمية لإنشاء وتشغيل مشاريع الطاقة الكهرومائية الصغيرة. ^{[ 27 ]}

في الهند، لا تتطلب محطات الطاقة الكهرومائية الصغيرة التي تقل قدرتها عن 25 ميغاواط إجراء تقييم للأثر البيئي ، وإنما يُكتفى بإعداد تقرير مفصل للمشروع. توفر هذه التقارير معلومات أساسية لصناع السياسات والقرارات، مما يُسرّع من وتيرة تطوير مشاريع الطاقة الكهرومائية الصغيرة. ولا تتطلب عمليات التخطيط والموافقة بموجب تقارير المشروع المفصلة في الهند إشراك المجتمع المحلي أو التشاور معه. ^{[ 28 ]}

تُقام العديد من مشاريع الطاقة الكهرومائية الصغيرة في المناطق الريفية أو المعزولة جغرافيًا حيث يكون ربطها بشبكات الكهرباء الوطنية مكلفًا. على سبيل المثال، تستخدم المناطق الريفية في الهند أو غيرها من البلدان التي تتمتع بأنظمة مائية جارية الطاقة الكهرومائية الصغيرة لتوفير مصدر متجدد للطاقة دون الحاجة إلى الربط بالشبكة الوطنية. ^{[ 29 ]} وقد نوقشت مسألة العدالة البيئية لمشاريع الطاقة الكهرومائية الصغيرة على نطاق واسع في آسيا والأمريكتين.

لا تزال الآثار البيئية لمشاريع الطاقة الكهرومائية الصغيرة غير مدروسة بشكل كافٍ؛ وتعتمد هذه الآثار على تصميم كل مشروع على حدة. ويمكن أن تؤدي التغيرات في الدورات الهيدرولوجية لمنطقة ما إلى فقدان تماسك الأنهار وترابطها، مما يساهم في تدهور الموائل وفقدان التنوع البيولوجي للأسماك واللافقاريات الكبيرة. ^{[ 35 ]} كما قد تعيق السدود الصغيرة وما يترتب عليها من تحويل للمياه حركة الأسماك، وتساهم في انبعاثات غاز الميثان من الكتلة الحيوية المتحللة. ^{[ 36 ] [ 37 ]}

تُقام أحيانًا عدة مشاريع صغيرة لتوليد الطاقة الكهرومائية على أجزاء من الأنهار، إلا أن الأبحاث التي تناولت آثار هذه المشاريع المتعددة في منطقة واحدة قليلة. ففي الهند، لا تُؤخذ الآثار التراكمية لمشاريع الطاقة الكهرومائية الصغيرة المتعددة في الحسبان قبل منح تراخيص تطوير الطاقة الكهرومائية. ^{[ 38 ]} وفي الصين، وجد الباحثون أن تأثير ترابط الأنهار على نهر يضم 31 مشروعًا صغيرًا لتوليد الطاقة الكهرومائية يفوق بكثير الآثار المرتبطة بنهر يضم 4 مشاريع أكبر حجمًا. ^{[ 39 ]}

ركزت الدراسات السابقة حول استدامة الطاقة الكهرومائية على تقديرات انبعاثات غازات الاحتباس الحراري، والتي عادةً ما تكون أقل من أنظمة الطاقة التقليدية أو المتجددة الأخرى. ولا تأخذ تقييمات الاستدامة في الحسبان في كثير من الأحيان معايير إضافية، مثل الآثار البيئية، واستخدام الأراضي، والتكاليف الاجتماعية، والآثار الثقافية. ^{[ 37 ]} ومع تهديد تغير المناخ لاستقرار تدفقات الأنهار الموسمية، تبقى كفاءة واستدامة محطات الطاقة الكهرومائية الصغيرة لتوليد الطاقة غير معروفة. ^{[ 40 ]}

أفريقيا

• Zengamina ، محطة بقدرة 700  كيلوواط في كاليني هيل ، منطقة موينيلونغا في شمال غرب زامبيا . 2008

آسيا

• مشروع مينفالام الكهرومائي الصغير، ^{[ 41 ]} مقاطعة بالاكاد ، ولاية كيرالا ، الهند. ^{[ 42 ]}
• مشروع مجتمع باريو عسل وأرور ليون المائي الصغير، ^{[ 43 ]} مرتفعات كيلابيت ، ساراواك ، ماليزيا . 2009
• محطة أمبانجال الصغيرة للطاقة الكهرومائية، كيانجان ، إيفوجاو ، الفلبين (2010) ^{[ 44 ]}
• محطة أسيغا ريفر الصغيرة للطاقة الكهرومائية، سانتياغو ، أغوسان ديل نورتي ، الفلبين (2019) ^{[ 45 ]}
• محطة بالونج بونج الصغيرة للطاقة الكهرومائية، باتو ، كاتاندوانيس ، الفلبين (1983) ^{[ 46 ]}
• محطة كانتينجاس الصغيرة لتوليد الطاقة الكهرومائية، سان فرناندو ، رومبلون ، الفلبين (2009) ^{[ 47 ]}
• محطة الليكود الصغيرة للطاقة الكهرومائية، أسيبولو وكيانغان، إيفوغاو، الفلبين (2015) ^{[ 48 ]}
• محطة باتان الجديدة للطاقة الكهرومائية، نيو باتان ، دافاو دي أورو ، الفلبين (2018) ^{[ 49 ]}
• محطة سان لويس الصغيرة لتوليد الطاقة الكهرومائية، سان لويس ، أورورا ، الفلبين (2011) ^{[ 50 ]}
• محطة فيلاسيجا الصغيرة للطاقة الكهرومائية، بوجاسونج ، أنتيك ، الفلبين (2016) ^{[ 51 ]}
• مشروع باكباتان للطاقة الكهرومائية، محطة بقدرة 2.82 ميغاواط على قناة باكباتان في مقاطعة باكباتان ، باكستان 2015

أوروبا

• مشروع الوديان الخضراء، ^{[ 52 ]} منتزه بريكون بيكونز الوطني ، ويلز. فائز مشترك بجائزة قدرها 300 ألف جنيه إسترليني ^{[ 53 ]} في تحدي بيج جرين تشالنج 2009. ^{[ 54 ]}
• سانت كاترين، موقع تابع للصندوق الوطني للتراث بالقرب من ويندرمير ، ويستمورلاند ، المملكة المتحدة.

أمريكا الشمالية

• محطة أميس لتوليد الطاقة الكهرومائية ، كولورادو ، الولايات المتحدة الأمريكية. ضمن قائمة إنجازات معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات (IEEE).
• محطات تشايلدز-إيرفينغ الكهرومائية ، أريزونا ، الولايات المتحدة. ١٩١٦. تم إيقاف تشغيلها الآن.
• شلالات سنوكوالمي ، واشنطن ، الولايات المتحدة الأمريكية. 1957
• ماليبو هايدرو ، كولومبيا البريطانية ، كندا. 2005
• محطة مينيهيك لتوليد الطاقة الكهرومائية ، نيوفاوندلاند ولابرادور ، كندا. 1954
• تُعدّ شركة كلاودوركس إنرجي واحدة من بين العديد من شركات إنتاج الطاقة المستقلة التي قامت ببناء مشاريع في مقاطعة كولومبيا البريطانية بكندا.

• توليد الكهرباء
• الطاقة الكهرومائية
• الطاقة الكهرومائية ذات الارتفاع المنخفض
• طاقة كهرومائية صغيرة تصل إلى 100  كيلوواط
• طاقة كهرومائية صغيرة تصل إلى 5  كيلوواط
• الطاقة الكهرومائية عبر القنوات
• المركز الدولي للطاقة الكهرومائية الصغيرة