کتاب انرژی برقابی

عنوان کتاب: انرژی برقابی

مترجم: محمدرضا جلالی

 

کتاب انرژی برقابی نوشته‌ی پاول بریز،  به بررسی تاریخچه این نوع انرژی و تولید جهانی آن و انواع نیروگاه‌های برقابی می‌پردازد. همچنین انواع توربین‌های برقابی را معرفی کرده و ساختار آن‌ها را توضیح می‌دهد.

انرژی برقابی، به عنوان یکی از منابع تولید برق، سال‌هاست که مطرح شده ‌است. وجود تاریخچه استفاده از انرژی جنبشی و همچنین پتانسیل آب در آسیاب‌های آبی باعث شد که از همان ابتدای مطرح شدن انرژی الکتریسیته، استفاده از انرژی آب و تبدیل آن به انرژی برق به ذهن بشر خطور کند. چرخاب‌ها به عنوان شکل اولیه توربین‌ها، امکان تبدیل انرژی آب به انرژی مکانیکی را ایجاد می‌کردند. با این حال لازم بود ابزار دیگری برای تبدیل انرژی مکانیکی به الکتریسیته اختراع شود که با استفاده از خاصیت مغناطیسی کشف شده توسط فارادی، دینام الکتریکی به عنوان اولین ماشین ژنراتور توسط زیمنس در قرن نوزدهم ساخته شد.

 

قسمتی از کتاب را باهم می خوانیم:

 

تاریخچه برقابی

تاریخچه توان آبی به شکلی غیر قابل انکار وابسته به چرخاب‌ها است حتی با ‌این وجود که نوع قدیمی‌ آنها به جای آنکه از آب به عنوان منبع انرژی مکانیکی استفاده نمایند، اغلب با انسان و یا حیوان حرکت کرده و عموما برای بالا کشیدن آب استفاده می‌شدند. با‌ این حال برخی از چرخاب‌های قدیمی‌ همچون چرخ نوریا از جریان آب هم برای چرخاندن چرخ و هم برای بالا کشیدن آب در قالب جام‌های متصل به محیط چرخ استفاده می‌کردند.‌ این نوع از چرخاب‌ها از پیش از 600 تا 700 سال قبل از میلاد در امپراطوری روم استفاده می‌شده‌اند.

قدیمی‌ترین کاربرد چرخاب‌ها ممکن است به پیش از 4000 سال قبل از میلاد بازگردد. کتیبه‌های بابلی نشان می‌دهند که ماشین‌های آبیاری در منطقه بین‌النهرین در همین حدود زمانها استفاده می‌شده‌است که ‌البته ‌اثبات‌ این که چرخاب‌ها در‌این زمینه کاربرد داشته‌اند ممکن نیست. همچنین اشاره‌های مختصری به ‌استفاده ‌از چرخاب‌ها در سامریا (جنوب بین النهرین) وجود دارد که‌البته تفسیر دقیق آن ممکن نیست.

شواهد روشن‌تری از چرخاب‌ها در ترجمه عربی قرن نهم رساله “فیلو اهل بیزانتیوم” به نام “پنوماتیکا” وجود دارد که‌ این رساله به حدود 220 تا 240 سال قبل از میلاد باز می‌گردد. علاوه بر آن، گزارش شده‌است که مهرداد ششم پادشاه پنتوس در شمال آناتولی در 71 سال قبل از میلاد در قصر خود چرخابی داشته‌است. شواهد دیگری نیز از پاپیروس‌های مصری قرن دوم و سوم قبل از میلاد و از نقاشی‌های مقبره‌های مصری در اسکندریه مربوط به قرن دوم قبل از میلاد وجود دارد. همچنین نوشته‌هایی از قرن اول قبل از میلاد از مهندس معمار رومی‌ به نام ویتروویوس شامل توضیحات روشن‌تری از یک چرخاب عمودی است که همان چرخ نوریا است.

چین در دوران سلسله‌ هان که در سال نهم میلادی به پایان رسید اختراعات اولیه‌ای را به چشم دید. اولین شواهد نوشتاری چینی در “گفتمان جدید استاد هوان” حاوی اطلاعاتی در مورد چرخاب‌ها در قرن اول میلادی است.‌ در آنجا نیز همچون سایر موارد، کاربرد چرخاب‌ها برای بالا کشیدن آب جهت آبیاری و نیز مصارف انسانی بوده‌است. با ‌این حال با آغاز هزاره ‌اول میلادی، کاربردهای آسیاب کردن و تامین توان لازم برای چکش‌های سنگ شکن نیز مورد استفاده قرار گرفته‌است.

تمدن‌های اولیه شناخته شده ‌از سه نوع چرخاب استفاده می‌کردند: چرخاب افقی، چرخاب عمودی زیرگرد و چرخاب عمودی روگرد.‌این چرخاب‌ها به صورت شماتیک در شکل 1-1 الی 1-3 نمایش داده شده‌است. چرخ افقی با یک شفت عمودی می‌تواند مستقیما سنگ آسیاب را بچرخاند اما در شکل ساده خود بازده کمتری نسبت به چرخ‌های عمودی دارد. منشا اولیه هر کدام از ‌این چرخ‌ها مشخص نبوده و همه ‌انواع آنها در سراسر دنیا مشاهده می‌گردد. شواهدی بیانگر آن است که چینی‌ها چرخ‌های افقی را بیشتر ترجیح می‌دادند در حالیکه در خاور میانه و اروپا عمدتا از چرخ‌های عمودی استفاده می‌شده‌است. با ‌این حال قدیمی‌ترین نشانه‌های مربوط به چرخ‌های افقی نیز در خاورمیانه بوده و همچنین چرخ‌های عمودی قدیمی ‌نیز در چین یافت شده‌است.

در طول دو قرن اول هزاره ‌اول، آسیابهای بزرگ بر پایه توان آبی در اروپا و آسیا توسعه داده شدند. یکی از بزرگترین آسیابهای کشف شده در سال 1940 در باربگال نزدیک آرلسدر فرانسه بوده که از 16 چرخاب روگرد تشکیل شده‌است. آسیابهای بزرگی نیز در چین در همین دوران ساخته شده‌اند که‌ از توان آب برای خورد کردن سنگهای معدنی استفاده می‌کردند. همچنین در اروپا و خاورمیانه ‌اغلب از ‌این چرخ‌ها همچون چرخ‌هایی که با نیروی انسانی و یا حیوانی حرکت می‌کردند برای بالا کشیدن آب استفاده می‌شد. چین در هزاره ‌اول بسیار بیش از اروپا متکی به توان آبی بوده‌است. پس از سقوط امپراطوری روم استفاده ‌از چرخاب‌ها در مناطق اشغال شده قبلی رفته رفته کاهش یافت.

استفاده‌ از چرخاب‌ها در اروپا در دوران قرون وسطی مجددا شروع به رشد کرد. دلیل اصلی آن روشن نیست گرچه فرضیه‌های مختلفی من جمله کاهش جمعیت بر اثر طاعون و عدم وجود نیروی انسانی برای چرخاندن چرخ‌ها عنوان شده‌است. با‌ این حال سوابق تاریخی رشد سریع تعداد آسیابها را در‌ این دوران نشان می‌دهد. آماری از قرن دهم انگلستان تعداد آسیابها را کمتر از 100 عدد گزارش کرده‌است. کتاب مساحی انگلستان در سال 1086 میلادی، 5624 آسیاب آبی را فهرست نموده‌است. داستان مشابهی در فرانسه وجود دارد جایی که در قرن یازده 14 آسیاب گزارش شده و در قرن 13‌ این مقدار به نزدیک به 200 آسیاب رسیده‌است. در‌ این دوره همچنین اولین آسیاب جذر و مدی ساخته شده‌است. استفاده‌ از توان آب برای آسیابها، برش چوب و خورد کردن زیتون از قرن دوازده به بعد در اروپا رونق گرفت.

تاریخ نوین برقابی، با انتشار کتاب “معماری هیدرولیکی” بین سالهای 1737 تا 1753 توسط مهندس فرانسوی برنارد فارست دبلیدو آغاز می‌گردد.‌ این کتاب حاوی توضیحات لازم در خصوص هر دو ماشین هیدرولیکی افقی و عمودی است. انقلاب صنعتی در قرن هجدهم در انگلیس با توان هیدرولیکی آغاز شد. به تدریج توان بخار جایگزین آن گردید اما استفاده‌ از وسایل متحرک با توان آبی همچنان در قرن نوزدهم نیز ادامه یافت. در قرن نوزدهم بود که توان آب اولین بار برای تولید برق استفاده گردید و نیروگاه برقابی متولد شد.

پیشرفت‌ها در درک فن‌آوری‌های هیدرولیکی،‌ این چرخاب‌ها را در قالب توسعه کارایی به سوی ابزارهایی رهنمون شد که‌ امروزه به نام توربین‌های آبی یا برقابی شناخته می‌شوند. اولین دستگاهی که ‌این نام را یدک می‌کشید “توربین فورنیرون” بود که توسط مهندس فرانسوی “بنو فورنیرون” طراحی گردید. اولین واحد آن 6 اسب بخار (4.5 کیلووات) قدرت داشت که در سال 1827 ساخته شد اما تا سال 1837 وی یک توربین 45 کیلوواتی با قابلیت 2300 دور در دقیقه و راندمان 80% طراحی نمود. ‌این طرح که برای یک نیروگاه برقابی در پای آبشار نیاگارا در سال 1895 به کار گرفته شد تا به ‌امروز همچنان در حال استفاده‌است.

در ادامه، طرح‌های دیگری ارائه شدند. در سال 1849 یک مهندس آمریکایی به نام جیمز فرانسیس توربین واکنشی فرانسیس را توسعه داد که یکی از پر کاربرد ترین انواع توربین در نیروگاه‌های برقابی است. در سال 1889 مهندس آمریکایی دیگری به نام لستر آلن پلتون، طرح توربین پلتونرا به ثبت رساند که ‌امروزه در سطح وسیعی برای نیروگاه‌های برقابی با هد زیاد استفاده می‌شود. توربین کاپلان، یک توربین پروانه‌ای با تیغه‌های قابل تنظیم، در سال 1913 توسط یک دانشمند اتریشی به نام ویکتور کاپلانساخته شد. همه‌ آنچه که مورد نیاز بود آن بود که یکی از‌این توربین‌ها با یک ژنراتور الکتریکی، که خود یک ابزار جدید انقلابی بود، متصل شود تا عصر الکتریسیته‌ آغاز شود.

این گام توسط یک مهندس پیشتاز انگلیسی به نام ویلیام آرمسترانگ برداشته‌شد، کسی که در سال 1878 اولین نیروگاه برق را در منزل خود در کراگساید نورثومبریا ساخته و بهره‌برداری نمود. آرمسترانگ از یک توربین آبی که با جریان رودخانه‌ای که در املاک خود داشت می‌چرخید استفاده نمود تا یک دینام زیمنس، دستگاهی که جریان برق مستقیم تولید می‌کند، را بچرخاند.‌ این نیروگاه ‌اولین بار برای روشنایی در کراگساید استفاده شد اما بعداً استفاده‌های دیگری داشت.

دیگر پیشرفت‌های اولیه شامل دو نیروگاه آمریکایی بود که از دینام‌هایی که توسط توربین‌های آبی می‌چرخیدند استفاده شده بود. اولی در سال 1880 در گراند رپیدز میشیگان بود که برای روشنایی یک سالن تئاتر و فروشگاه جلوی آن استفاده می‌شد و نیروگاه مشابه دوم در سال 1881 در آبشار نیاگارا در نیویورک بود که کاربردی برای روشنایی خیابان داشت. در سال 1882 یک تولید کننده کاغذ، اچ جی راجرز، یک نیروگاه در اپلتون ویسکانسین ساخت که روشنایی لازم برای منزل و کارخانه کاغذش تامین می‌نمود. ‌این نیروگاه خروجی‌ای معادل 12.5 کیلوات داشت. تا سال 1889 تخمین زده شده بود که تعداد نیروگاه‌های برقابی در آمریکا به 200 عدد برسد. تمامی ‌این نیروگاه‌های اولیه جریان برق مستقیم تولید می‌کردند. اولین نیروگاه برقابی با جریان متناوب در آمریکا، نیروگاه ردلندز در کالیفرنیا بود که در سال 1893 به بهره‌برداری رسید.

استفاده ‌از نیروگاه‌های برقابی به سرعت گسترش می‌یافت. یک نیروگاه عمومی ‌در سال 1895 در استرالیا ساخته شد. در سال 1905 یک نیروگاه با ظرفیت تولید 500 کیلووات در نزدیکی تایپه ساخته شد که پس از آن به سرعت ساخت مشابه آن در چین دنبال گردید. در‌ این بین، پیشرفت سریع آن در آمریکای شمالی، با ساخت سد هوور که در سال 1936 با ظرفیتی معادل 1,345 مگاوات ساخته شد، ادامه داشت. پس از آن در قرن قبل سرعت رشد به سمت آسیا و آمریکای جنوبی رفت. بزرگترین دو نیروگاه برقابی در دست بهره‌برداری تا کنون سد سه دره در چین با ظرفیتی معادل 22,500 مگاوات و سد اتایپو در مرز بین برزیل و پاراگوئه با ظرفیتی معادل 14,000 مگاوات هستند که به ترتیب در سال 2008 و 1984 به بهره‌برداری رسیده‌اند.

 

تولید جهانی برقابی

برقابی مهمترین منبع تجدپذیر الکتریسیته در دنیا است. از آغاز آن در اواخر قرن نوزدهم، تامین کننده بخش عمده‌ای از نیروی برق در جهان بود. جزئیاتی از تولید برقابی در نیمه ‌اول قرن بیستم در دسترس نیست اما گزارش IEA نشان می‌دهد که بین سال 1970 تا 2015 سهم برقابی بین 20.3% و 15.4% از کل تولید برق دنیا بوده‌است. تولید نیروگاه‌های برقابی به دلیل وابستگی به میزان بارش، نامنظم بوده و برخی سالها بیشتر و برخی دیگر کمتر است. با‌ این حال، سهم آن در تولید جهانی الکتریسیته در 60 سال اخیر به تدریج کاهش یافته هرچند مقدار تولید آن افزایش داشته‌ است.

ارقام میزان تولید بر اساس اطلاعات BP نشان می‌دهد که در سال 1965 تولید برقابی معادل 920 تراوات ساعت بوده‌است. بر پایه ‌ارقام IEA نشان داده شده در جدول 1-1 میزان تولید تا سال 1973 به 1,296 تراوات ساعت افزایش یافته‌است. از آن پس، تولید سال به سال عموماً افزایش یافته هرچند همانگونه که پیش از بیان شد سالهایی که بارش کمتر بوده تولید نیز کاهش داشته‌است. روند پیوسته تولید برقابی از سال 2004 تا 2014 نیز در جدول 1-1 نمایش داده شده‌است. همانگونه که مشاهده می‌گردد، تولید در سال 2004 معادل 2,808 تراوات ساعت بوده که بیش از دو برابر تولید در سال 1973 است. تا سال 2006 کل تولید جهانی برقابی 3,121 تراوات ساعت بوده و ‌این میزان تا سال 2010 به 3,516 تراوات ساعت رسیده‌است. در سال 2015 کل تولید برقابی 3,978 تراوات ساعت بوده‌است. ارقام جداگانه‌ای از BP بیانگر آن است که میزان تولید برقابی در سال 2016 به 4,000 تراوات ساعت افزایش یافته‌است. (مترجم: بر اساس آخرین گزارش IEA تولید در سال 2016 و 2017 به ترتیب 4,054 و 4,082 تراوات ساعت بوده‌است. همچنین بر اساس آخرین گزارشات IHA این مقدار برای سال 2018 و 2019 به ترتیب 4,200 و 4,306 تراوات ساعت ثبت شده‌است.)

با وجودی که بسیاری از کشورهای دنیا ظرفیت تولید انرژی برقابی را دارند اما تولید جهانی عموماً توسط تعداد کم تولید کننده‌های بسیار بزرگ انجام می‌شود. از ابتدای قرن بیست و یکم بزرگترین تولید کننده چین بوده که ظرفیت تولید خود را شدیداً در سالهای اخیر افزایش داده‌است. در سال 2015‌ این کشور 1,130 تراوات ساعت از انرژی خود را به شکل برقابی تولید کرده که 28.4% از کل تولید جهانی بوده‌است (جدول 1-2). بزرگترین تولید کننده بعدی کشور کانادا است که در سال 2015 معادل 381 تراوات ساعت خروجی داشته که 9.6% از تولید جهانی بوده‌است. پس از آنها، برزیل با 360 تراوات ساعت،‌ ایالات متحده آمریکا با 271 تراوات ساعت چهار کشور برتر دنیا را تشکیل می‌دهند که جمعا 53.8% از کل تولید برقابی دنیا در سال 2015 را داشته‌اند.

سایر کشورها هر کدام سهمی‌کمتر از 5% از تولید جهانی را داشته‌اند. مهمترین آنها روسیه با 170 تراوات ساعت (4.3%)، نروژ با 139 تراوات ساعت (3.5%)، هند با 138 تراوات ساعت (3.5%)، ژاپن با 91 تراوات ساعت، سوئد با 75 تراوات ساعت و ونزوئلا با 75 تراوات ساعت هستند. 28.8% از تولید جهانی نیز در سایر کشورها پخش شده‌است.

جدول 1-3 ارقام ظرفیت نصب برقابی را در دنیا نشان می‌دهد. بر اساس گزارش IHA‌، این مقدار معادل 1،307،935 مگاوات در انتهای سال 2019 بوده‌است. در جدول 1-3 توزیع ‌این مقدار در مناطق مختلف نشان داده شده‌است. آسیای شرقی و اقیانوسیه، عمدتا در چین، بزرگترین مقدار منطقه‌ای معادل 486،754 مگاوات ظرفیت نصب برقابی در پایان سال 2019 را دارا بوده‌اند. اروپا دومین منطقه با ظرفیتی معادل 251،405 مگاوات است و آمریکای شمالی و مرکزی با فاصله ‌اندک با میزان 204،350 مگاوات پشت سر آن واقع شده‌است. آمریکای جنوبی با 176،270 مگاوات و آسیای مرکزی و جنوبی با 151،850 مگاوات در رتبه‌های بعدی قرار دارند. آفریقا کمترین ظرفیت را در پایان سال 2019 با میزان 37،297 مگاوات داشته‌است.

در جدول 1-4، 20 کشور برتر بر اساس ظرفیت نصب برقابی در سال 2019 (بهنگام شده توسط مترجم بر اساس آخرین گزارش IHA) نمایش داده شده‌اند. ترتیب آنها کم و بیش همان ترتیب جدول 1-2 بوده و تنها جای برخی کشورها جابجا شده‌است که نشان دهنده آن است که میانگین تولید بر هر مگاوات از کشوری به کشور دیگر (و همچنین از سالی به سال دیگر) تغییر می‌نماید. چین با 356،400 مگاوات ظرفیت نصب شده در پایان سال 2019 در صدر قرار داشته و برزیل با 109،058 مگاوات و ‌ایالات متحده با 102،753 مگاوات در رده‌های بعدی قرار دارند. کانادا با 81،386 مگاوات ، هند با 50،071 مگاوات و ژاپن با 49،905 مگاوات به همراه روسیه و نروژ هر کدام به ترتیب 49،859 و 32،671 مگاوات در ادامه رده بندی قرار دارند. سایر کشورها در جدول کشورهای اروپایی ترکیه، فرانسه،‌ ایتالیا، اسپانیا، سویس، سوئد و اتریش هستند. از آمریکا نیز ونزوئلا، مکزیک و کلمبیا و از آسیا کشور ویتنام و ایران قرار دارند.

نهایتا در جدول 1-5 مقادیر ظرفیت نصب نیروگاه‌های تلمبه‌ای ذخیره‌ای بر حسب مناطق مختلف ارائه شده‌است. نیروگاه برقابی تلمبه‌ای ذخیره‌ای یک فن آوری مهم ذخیره ‌انرژی است که ‌اجازه می‌دهد مقادیر زیادی از انرژی الکتریکی ذخیره شده و در زمان‌های نیاز مجدداً به شبکه بازگردد. بسیاری از ‌این نوع نیروگاه‌ها پیش از ‌این برای پشتیبانی نیروگاه‌های هسته‌ای ساخته شده‌اند به ‌این خاطر که نیروگاه‌های هسته‌ای اغلب در شرایط کارکرد حداکثری خود در طول زمان می‌توانند کارایی بیشتری داشته باشند. بنابراین زمانی که در شب تقاضا کاهش می‌یابد، انرژی اضافه تولیدی از ‌این نیروگاه‌ها برای استفاده در روز بعد در نیروگاه‌های تلمبه‌ای ذخیره‌ای ذخیره می‌گردد. اخیراً ذخیره ‌انرژی به عنوان روشی برای تعادل در تولید و استفاده‌ از منابع متناوب تجدیدپذیر در شبکه بسیار اهمیت یافته‌است.

در پایان سال 2019 کل ظرفیت نیروگاه‌های تلمبه‌ای ذخیره در دنیا معادل 157,994 مگاوات بوده‌است. شرق آسیا و اقیانوسیه با 68,254 مگاوات بیشترین ظرفیت را داشته و در ادامه ‌اروپا با 54,876 مگاوات و آمریکای شمالی و مرکزی با 23,032 مگاوات قرار دارند. سه منطقه دیگر در جدول هر کدام مقادیری کمتر از 10,000 مگاوات دارند.

مترجم: بر اساس گزارش IHA 2020 کل ظرفیت نصب نیروگاه‌های برقابی تا پایان سال 2019 در ایران 12,169 مگاوات بوده که 1,040 مگاوات آن ظرفیت نیروگاه تلمبه‌ای ذخیره‌ای (سیاه بیشه) است. کل تولید انرژی برقابی در ایران نیز 28.60 تراوات ساعت بوده است.

 

فصل دوم

منابع برقابی، محل‌ها و انواع نیروگاه‌های برقابی

انرژی‌ای که در نیروگاه برقابی از آب گرفته شده و به‌ الکتریسیته تبدیل می‌شود یک انرژی پتانسیل بوده که به تبع ارتفاع در آب وجود دارد. ‌این ارتفاع (تراز) عموماً از تراز دریاهای آزاد که پایین ترین ترازی است که معمولا جریان آب رودخانه‌ها به آن می‌پیوندند محاسبه می‌شود. انرژی موجود در توده آب جریان یافته در رودخانه، همچنان که به پایین تپه‌ها جریان می‌یابد، آزاد می‌گردد.‌ این انرژی عموماً به شکل‌های مختلفی در جریان آب به سمت پائین دست مستهلک شده، همچنان که به شکل انرژی جنبشی باعث حرکت آب می‌شود. آشفتگی، فرسایش، صدا و حمل ذرات رسوب شواهدی از استهلاک ‌این انرژی هستند. یک توربین آبی می‌تواند بخشی از‌ این انرژی را جذب کرده و از آن برای تولید برق استفاده نماید.

تراز اولیه آبی که به سمت پائین‌دست جریان دارد ناشی از انرژی خورشید است که سطح آب را در مناطقی مانند دریاها و دریاچه‌ها گرم کرده و باعث تبخیر آب و ورود آن به شکل بخار آب به جو می‌شود. به محض آنکه ‌انرژی خورشیدی سطح آب را گرم کرده و تبخیر می‌نماید بخار آب به سمت بالا حرکت کرده و در جو شکل ابر به خود می‌گیرد. حرکات و تغییرات فشار درون جو باعث جابجایی ابرها در کل کره زمین شده و بخش زیادی از آب درون آن به شکل باران به سطح زمین باز می‌گردد.‌ این باران منبعی است که پیکره‌های آبی روی زمین را تغذیه نموده و انرژی‌ای را ‌ایجاد می‌نماید که در نیروگاه‌های برقابی مورد بهره‌برداری قرار می‌گیرد. بنابراین، نهایتا می‌توان برقابی را به شکلی از انرژی خورشیدی منظور نمود.

چه میزان انرژی ناشی از جریان آب به سمت پائین‌دست یک منطقه و یا یک پیکره آبی در دسترس است؟ جواب مقدار متنابهی است اما تعیین دقیق آن بسیار مشکل است. دو روش ممکن وجود دارد: روش بالا به پایین و پائین به بالا روش پائین به بالا تمامی‌آبراهه‌های موجود در یک منطقه را بررسی نموده و میزان انرژی‌ای که می‌توان از آنها گرفت را تعیین می‌نماید و سپس تمامی‌ آنها را با هم جمع می‌زند. روش بالا به پایین مشخص می‌نماید که چه میزان باران در منطقه می‌بارد و سعی در تخمین انرژی پتانسیل موجود در آن در زمان رسیدن به سطح زمین دارد.

زمانی که به منابع به صورت جهانی نگاه می‌کنیم، روش معمول، استفاده ‌از روش بالا به پائین است. استفاده ‌از‌ این روش می‌تواند مقادیر متفاوت فراوانی را حاصل نماید. اولین آن، پتانسیل نظری ناخالص برقابی در یک منطقه، کشور و یا جهان است. پتانسیل نظری ناخالص برقابی در یک منطقه توسط انجمن انرژی جهانی (WEC) به عنوان “پتانسیل انرژی سالیانه موجود در یک کشور به شرطی که تمامی ‌جریان‌های طبیعی در مسیر رسیدن به دریا و یا تراز نهایی خروجی از مرز کشور با راندمان 100% از توربین عبور نمایند” تعریف شده‌است. انرژی موجود تابعی از توده‌ آب و فاصله ‌ارتفاعی است که بر روی سطح زمین طی می‌نماید. انجام محاسبات با تراز نهایی دریا مقدار انرژی موجود را حداکثر خواهد کرد. ‌این محاسبات چندان ساده نبوده و تنها می‌تواند تخمینی در کنار سایر مقادیر برآوردی باشد. در حالیکه خود WEC نیز در استفاده ‌احتیاطی از‌ این مقادیر هشدار داده‌است.

جدول 2-1 شامل مقادیر ظرفیت نظری ناخالص برقابی برای مناطق مختلف دنیا است که توسط WEC منتشر شده‌است. بر اساس ‌این مقادیر، آسیا بیشترین پتانسیل با 16,618 تراوات ساعت در سال را داشته و پس از آن آمریکای جنوبی (7,541 تراوات ساعت در سال)، آمریکای شمالی (5,511 تراوات ساعت در سال)، اروپا (4,419 تراوات ساعت در سال) و آفریقا (3,909 تراوات ساعت در سال) قرار دارند. پتانسیل خاور میانه (690 تراوات ساعت در سال) و اقیانوسیه (654 تراوات ساعت در سال) بسیار محدود هستند.

بر اساس مقادیر جدول 2-1، کل پتانسیل نظری ناخالص برقابی در دنیا معادل 39,842 تراوات ساعت در سال است. مراجع دیگر نیز تخمین‌هایی زده‌اند. به عنوان مثال، مطالعه صورت گرفته توسط یوروالکتریک که در سال 2000 منتشر گردید پتانسیل کل دنیا را 51,000 تراوات ساعت در سال پیشنهاد نموده‌است. به عنوان یک مبنای مقایسه، کل تولید الکتریسیته جهانی در سال 2015 بر اساس گزارش معادل 24,255 تراوات ساعت بوده‌است.

دلایل فنی، اقتصادی و محیط زیستی بسیاری برای‌ اینکه هیچگاه این پتانسیل ناخالص محقق نشود وجود دارد. برخی از آبهای جاری در دسترس نیستند، برخی دیگر در مناطقی قرار دارند که ساخت نیروگاه‌های برقابی می‌تواند مخرب باشد و مهار برخی دیگر نیز بسیار دشوار است. مقادیر ستون دوم، ظرفیت قابل بهره‌برداری فنی برقابی، مقادیر قابل تحقق هستند. ‌اینها مقادیر ظرفیت‌های قابل بهره‌برداری برقابی با استفاده ‌از فن‌آوری‌های موجود بوده که ‌اغلب بر اساس بازدید محلی تخمین زده شده‌است. ظرفیت‌های قابل بهره‌برداری فنی برقابی در مناطق مختلف در جدول 2-1 نشان داده شده‌است. ‌این مقادیر به صورت عمده‌ای کوچکتر از ظرفیت‌های نظری ناخالص هستند. در آسیا، ظرفیت فنی قابل بهره‌برداری معادل 5,590 تراوات ساعت بوده که 34% از ظرفیت نظری ناخالص آن است. ظرفیت‌های فنی در سایر مناطق نیز در مقایسه با ظرفیت‌های ناخالص بسیار کوچکتر هستند. کل پتانسیل فنی قابل بهره‌برداری جهانی معادل 15,955 تراوات ساعت بوده که تقریبا 40% کل پتانسیل نظری را تشکیل می‌دهد.

از آنجایی‌که توسعه برخی از محل‌های با قابیلت فنی برقابی بسیار می‌تواند پر هزینه باشد،‌ این هزینه‌ها ممکن است که ظرفیت بالقوه را خیلی کاهش دهند. برای احتساب آن، مقادیر سومی ‌از ظرفیت بالقوه با عنوان ظرفیت اقتصادی قابل بهره‌برداری برقابی معرفی می‌گردد. کل ظرفیت اقتصادی قابل بهره‌برداری جهانی در حدود 13,100 تراوات ساعت در سال تخمین زده می‌شود. همچنان می‌توان قیود دیگری برای توسعه، همچون معیار‌های محیط زیستی و یا سایر محدودیت‌ها، تعریف نمود. مقدار نهایی از پتانسیل برقابی، ظرفیت قابل بهره‌برداری برقابی، منعکس کننده‌ این محدودیت‌ها است. کل پتانسیل برقابی قابل بهره‌برداری جهانی در حدود 10,480 تراوات ساعت در سال است.

همانگونه که در فصل اول عنوان شد، کل تولید برقابی دنیا در سال 2015 معادل 3,978 تراوات ساعت بوده که در حدود 38% از پتانسیل قابل بهره‌برداری است. بر‌این اساس، تقریبا بیش از 60% از پتانسیل قابل بهره‌برداری برای توسعه آتی باقیمانده‌است. با وجودی‌که ‌این تخمین‌ها راهنمای مفیدی هستند، با ‌این حال ‌این اعداد می‌بایست تنها به عنوان یک تقریب مد نظر قرار گیرند چرا که هیچ اجماع عمومی ‌در مورد چگونگی تعیین‌ این مقادیر وجود ندارد.

راهنمای مفید دیگر برای پتانسیل برقابی مناطق، نگاهی به سطح برقابی بهره‌برداری شده و یا سهمی ‌از پتانسیل فنی برقابی در مناطق است که تا کنون به بهره‌برداری رسیده‌است. بر اساس مقادیر پتانسیل فنی قابل بهره‌برداری نشان داده شده در جدول 2-1، توسعه یافته ترین منطقه، اروپا با 26% از پتانسیل فنی قابل بهره‌برداری است. اروپائیان یکی از اولین بهره‌برداران از پتانسیل برقابی بودند و با تقریبی می‌توان گفت که بهترین محل‌های برقابی موجود خود را تا کنون استفاده نموده‌اند. با‌ این حال مقادیر نشان می‌دهند که پتانسیل‌های عمده‌ای برای مهار کردن هنوز باقی مانده‌اند. آمریکای شمالی و مرکزی با 22%، منطقه توسعه یافته دیگر است. آمریکای جنوبی و اقیانوسیه به ترتیب 20% و 21% از پتانسیل فنی خود را به بهره‌برداری رسانده‌اند در حالیکه آسیا تنها 13% ، خاورمیانه 10% و آفریقا 5% را بهره‌برداری کرده‌اند. ‌این مقادیر نشان می‌دهند که هنوز پتانسیل برقابی بسیار زیادی در مناطق مختلف دنیا برای ساخت وجود دارد. در حالیکه آفریقا منطقه‌ای است که بسیار با مقادیر پتانسیل خود فاصله دارد. با توجه به مشکلات اقتصادی و توسعه‌ای بسیار در کشورهای آفریقایی، برقابی می‌تواند به عنوان یک فرصت بزرگ شناخته شود.

تحلیل دیگری از پتانسیل برقابی جهانی در دانشگاه صنعتی دلفت انجام شده‌است. نتایج نشان می‌دهد که بیش از مقادیر عنوان شده فوق در گزارش WEC، می‌تواند پتانسیل قابل بهره‌برداری وجود داشته باشد. در ‌این مطالعات از تصاویر ماهواره‌ای و مدلهای کامپیوتری برای تخمین کل ظرفیت برقابی جهانی استفاده شده‌است.‌ این مطالعات ظرفیت‌های برقابی‌ای را آشکار کرد که در پتانسیلهای فنی برقابی اشاره شده فوق، به جهت دسترسی سخت به‌ آن مناطق، منظور نشده‌است. مقادیر حاصل از ‌این تحلیل در جدول 2-2 ارائه شده‌است.

مقادیر ارائه شده در جدول 2-2 به جای تولید انرژی، ظرفیت برقابی هستند. به‌ این ترتیب،‌ این مقادیر، پتانسیل‌های جهانی متفاوتی را نشان می‌دهند. بر اساس ‌این تحلیل، آسیا بیشترین ظرفیت را معادل 13,700 گیگاوات دارا است. ظرفیت بالقوه در سایر مناطق بسیار کمتر است. ‌این مقدار در آفریقا 2,115 گیگاوات، در آمریکای شمالی 2,038 گیگاوات، در آمریکای جنوبی 1,251 گیگاوات و در اروپا 792 گیگاوات است. اقیانوسیه نیز به جهت گستره خشکی محدودتر، کمترین پتانسیل را معادل 52 گیگاوات دارا است. یک دیدگاه ویژه حاصل از ‌این تحلیل، شناخت پتانسیل‌های برقابی وسیع در برخی از کشورها من جمله کلمبیا، میانمار، اندونزی و ماداگاسکار است. مجدداً به جهت مقایسه ‌اشاره می‌گردد که کل ظرفیت نصب برقابی جهان در انتهای سال 2019 بر اساس گزارش IHA معادل 1,308 گیگاوات بوده‌است.