الطاقة المتجددة : نظام عالمي جديد للطاقة آخذ في التشكل
جددت قمة العمل المناخي في سبتمبر أيلول 2019 التعهد بالعمل على حصر الزيادة في درجة الحرارة في العالم في درجتين مئويتين في خلال أقل من 12 سنة قادمة، وربما إلى 1.5 درجة وفق أحدث الدراسات العلمية مقارنة مع المستويات التي كانت سائدة قبل الثورة الصناعية في القرن الثامن عشر.
ويشكل التحول للطاقة المتجددة ورفع كفاءة استهلاك الطاقة في جميع مجالات استخدامات الطاقة محور الإرتكاز في استراتيجية تحقيق أهداف القمم المناخية للحد من التغير المناخي.
ويشهد العالم تطوراً في استخدام الطاقة المتجددة في مجال الطاقة الكهربائية، حيث أن ثلثي الطاقة الإنتاجية المضافة (64%) في عام 2018 جاءت من الطاقة المتجددة.
وساهمت الطاقة المتجددة بنسبة 10.6% من مصادر الطاقة الكلية . وساهمت الطاقة المتجددة بنسبة 26% من الطاقة الكهربائية باستخدام الطاقة المائية والشمسية والرياحية لعام 2018. وساهمت الطاقة المتجددة بنسبة 10% للتدفئة والتبريد، وبنسبة 3.3% للنقل وفق تقرير حالة الطاقة لعام 2019. وكان متوسط نسبة النمو في استخدام الطاقة المتجددة 4.5% خلال العقد الأخير.
توقعات استخدامات الطاقة المتجددة
تتوزع استخدامات الطاقة في العالم على 51% لأغراض التبريد والتدفئة، و32% لأغراض النقل و17% لإنتاج الكهرباء (شكل استخدامات الطاقة). ويساهم الوقود الإحفوري بنسبة 79.7% في إنتاج وسائل الطاقة المختلفة. وتساهم الطاقة المتجددة بنسبة 10.6%، . بينما تساهم الطاقة النووية بنسبة 2.2% والطرق التقليدية بنسبة 7.5% .
وتساهم الطاقة المتجددة في إنتاج 10% من الطاقة المستخدمة في التبريد والتدفئة، و 3.3% من الطاقة المستخدمة في النقل و 26% من الطاقة المستخدمة في إنتاج الكهرباء (شكل نسبة الطاقة المتجددة). ويبين شكل استخدامات الطاقة المتجددة مصادر توليد الطاقة الكهربائية.
وتتوقع الوكالة الدولیة للطاقة المتجددة أن تصبح الكهرباء المزود الرئيسي للطاقة (بدلاً من حرق الوقود) في العالم، وأن ترتفع حصة الكهرباء من أقل من 20% في عام 2019 إلى 50% من الإستهلاك الكلي للطاقة في عام 2050، وأن يتم إنتاج طاقة الكهرباء من مصادر متجددة بنسبة 86%. وسيكون من شأن ذلك، زيادة استهلاك الكهرباء لأكثر من الضعف في مجالات في النقل والصناعة، وهذا من شأنه خفض انبعاثات الكربون بنسبة 75%.
وتوقعت الوكالة الدولية للطاقة المتجددة أن تتركز زيادة إنتاج الطاقة الكهربائية على الطاقة الشمسية وطاقة الرياح، وأن يرتفع إنتاج الكهرباء بالمتوسط من الطاقة الشمسية بنسبة 7.93% خلال الفترة 2010-2050 (من 17 إلى 360 جيجاوات)، وأن يرتفع إنتاج الكهرباء بالمتوسط من طاقة الرياح بنسبة 5.25% خلال الفترة 2010-2050 (من 31 إلى 240 جيجاوات).
وتوقعت الوكالة الدولية للطاقة المتجددة زيادة عدد السيارات الكهربائية من اقل من 0.5 مليون إلى اكثر من بليون (1.17 بليون) بحلول عام 2050، وانخفاض استهلاك الفحم الحجري بنسبة 85% و الوقود بنسبة 75% والغاز بنسبة 32%، وخفض انبعاثات الكربون بنسبة 75%.
وذهبت توقعات دراسة أجريت في جامعة ستاتفورد في سبتمبر 2017 إلى أبعد من ذلك. فقد توصلت استنتاجات دراسة قامت بها الجامعة إلى أنه بحلول عام 2050، سيتم إنتاج طاقة الكهرباء من مصادر متجددة بشكل كامل في 139 دولة في العالم (من بين 196 دولة)، وهذه الدول مسؤولة عن أكثر من 99% من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون.
وتوقعت دراسة ستانفورد أن تسهم الطاقة الشمسية بنسبة 31% وطاقة الرياح بنسبة 37% والطاقة المائية بنسبة 4% والطاقة الشمسية في المنازل 15% والطاقة الشمسية في مؤسسات الأعمال التجارية 11%، وتتوزع بقية النسبة على طاقة الأمواج والطاقة الحرارية.
وجاءت توقعات دراسة جامعة ستانفورد، بتأثيرات أكثر تفاؤلاً وإيجابية للتحول إلى استخدام الكهرباء (بدلاًعن الوقود):
– خفض احتياجات الطاقة في هذه الدول (139 دولة) بنسبة تقارب 60% نتيجة التوسع وتحسن كفاءة استخدام الكهرباء في جميع المجالات في الصناعة والنقل والتدفئة، وأن استهلاك الطاقة الكهربائية سينخفض إلى 42% من مستوياتها الحالية (2017).
– الحد من الحوادث المرتبطة بصناعة النفط والغاز ومن أضرار التلوث على صحة وحياة ملايين البشر،
– خفض انبعاثات ثاني اوكسيد الكربون لما يقارب الصفر وبالتالي الحد من العوامل المرتبطة بالتغير المناخي وتكاليفها الباهظة،
– خلق ملايين فرص العمل الجديدة، فضلاً عن تعويض الفرص الضائعة نتيجة توقف استخدام الوقود الكربوني،
– خفض تكاليف إنتاج الطاقة واستقرار أسعارها وخفض تكاليف العناية الصحية، وتمكين ملايين الفقراء من الحصول على الكهرباء بتكلفة مناسبة.
مواضيع ذات صلة
العالم العربي | بلاد الشمس والرياح … في انتظار طفرة في الطاقة المتجددة (2)
الطاقة المتجددة| الريادة في الطاقة الخضراء في المغرب (3)
الطاقة المتجددة| ريادة المغرب في تقنيات الطاقة الخضراء عربياً وإفريقياً (4)
الطاقة المتجددة | الشمس الساطعة تولد طفرة في الطاقة في الجزيرة العربية (5)
الطاقة المتجددة| مصر العربية تدخل ساحة الكهرباء النظيفة بمشاريع كبيرة (6)
الطاقة المتجددة| الطاقة النظيفة في الأردن (7)
الطاقة المتجددة في موريتانيا | دور ريادي في الطاقة النظيفة في القارة الإفريقية (8)
الطاقة المتجددة : مصادر الطاقة
الطاقة الكهرومائية
الطاقة الكهرومائية Hydropower هي الطاقة المستمدة من تدفق المياه، والتي استخدمت منذ أكثر من ألفي عام من اليونانيين القدماء لتشغيل عجلات مطاحن الحبوب. و تعتبر الطاقة المائية من بين أقل الوسائل تكلفة لتوليد الكهرباء.
وتكتسب المشاريع الصغيرة أهمية كبيرة للمجتمعات في المناطق النائية التي يصعب ربطها بالشبكات الوطنية للكهرباء لارتفاع التكلفة وكذلك، كخيار صديق للبيئة.
وتشكل الطاقة الكهرومائية 15.8% من إجمالي إنتاج الطاقة الكهربائية العالمية.
وتنتج النرويج 99 ٪ من الكهرباء من الطاقة المائية، وتضم الصين أكبر محطة للطاقة الكهرومائية في العالم هي سد الأخاديد الثلاثة في الصين، وتنتج 22 جيجاوات، وهو ما يكفي لتوفير ما بين 70 مليون إلى 80 مليون أسرة. وتنتج البرازيل %61 من احتياجاتها من الكهرباء من الطاقة المائية، وكندا 58%، والصين وروسيا 17% والهند 10% والولايات المتحدة 7%.
ويقوم المبدأ الأساسي للطاقة الكهرومائية على استخدام المياه لإدارة التوربينات. وتُركب وحدات توليد الكهرباء تحت مساقط المياه في السدود العالية لتحويل الطاقة الكامنة في المياه المتساقطة إلى طاقة حركية وإدارة التوربينات. وينتج عن إدارة محاور المولدات في مجال مغناطيسي عالي في المولد إلى توليد الطاقة الكهربائية بالحث المغناطيسي، وتُنْقلْ الطاقة الكهربائية المولدة إلى شبكة التغذية الكهربائية.
وتقام محطات التوليد على بحيرات السدود . وتعتمد كمية الطاقة المنتجة على كمية المياه المتساقطة بالثانية بتأثير الجاذبية الأرضية وارتفاع منسوب المياه. وكلما زاد معدل كمية المياه المتساقطة على التوربين وزاد ارتفاع موقع تساقط المياه، وزادت كفاءة تدوير العنفات وقلت الطاقة المهدورة بالاحتكاك خلال التدوير؛ زادت الطاقة المنتجة.
وتتميز الطاقة المائية لتوليد الكهرباء بقلة التكلفة وسهولة تخزينها وتوزيعها وكونها صديقة للبيئة، إذ لا تطلق ثاني أكسيد الكربون أو ملوثات كما يحدث بالنسبة لمحطات توليد الكهرباء التي تحرق الوقود الأحفوري مثل الفحم أو الغاز الطبيعي. لكن الطاقة المائية لا تخلو آثار على البيئةنتيجة سد وتحويل الممرات المائية الكبيرة و أضرارها على الأجناس والأنواع المائية المختلفة، ونظامها البيئي.
الطاقة الكهروميكانيكية : طاقة الرياح
يضم حقل الرياح مجموعة من عنفات الرياح الكبيرة في حقل واحد لاستخدامها في إنتاج الكهرباء، ولذلك كثيراً ما تسمى بمزارع الرياح Wind Farms. ويتم إنشاء تلك العنفات بأعداد كبيرة على مساحات واسعة من الأرض لإنتاج كمية كبيرة من الكهرباء.
وقد قفز حجم إنتاج الكهرباء من طاقة الرياح من 8 جيجاوات (GW) في عام 1997 إلى 564 جيجاوات في عام 2018 ، وفقًا لآخر بيانات IRENA.
وقد شكلت طاقة الرياح 5.5٪ من الكهرباء المولدة من مصادر الطاقة المتجددة وفي عام 2016.
وتصمم عنفات الرياح الكبيرة الشائعة الإستخدام في إنتاج الكهرباء من محور أفقي دوار بثلاث شفرات موجهة عكس اتجاه الريح للاستفادة بشكل أكبر من الريح . وتُحمَل المروحة على هيكل محرك (مولد كهربائي) على قمة برج عالي أو عمود أنبوبي طويل. وتصنع شفرات العنفات بحيث تكون صلبة جدا لتحمل الرياح العنيفة والقوية، ولها سرعات عالية قد تبلغ 320 كم في الساعة ويصل طولها إلى 40 م أو أكثر، ويصل ارتفاع الأبراج الفولاذية إلى 90 م . وهناك عنفات بشفرة أو شفرتين، وأخرى تدور على محور عمودي.
وتستخدم الرياح لإنتاج الكهرباء باستخدام الطاقة الحركية الناتجة عن الهواء المتحرك. ويتم تحويل الطاقة الحركية إلى طاقة كهربائية باستخدام توربينات الرياح أو أنظمة تحويل طاقة الرياح. فعندما تمر الرياح على الشفرات تجعل المروحة تدور، وتؤدي الحركة الدائرية للأجزاء الميكانيكية (الشفرات) في عنفات الرياح، إلى إدارة محور أو عمود متصل بالمولد الكهربائي، وتتحول الطاقة الحركية للرياح في مجال مغناطيسي إلى طاقة كهربائية، ولذلك تدعى بالطاقة الكهروميكانيكية أو الكهرومغناطيسية.
وقد تستخدم الطاقة الحركية الدائرية لتشغيل الآلات مباشرة، لطحن الحبوب أو ضخ المياه وتدعى حينئذ بالطاحونة الهوائية أو بالمضخة الهوائية أو يجري تخزينها في بطاريات لاستعمالها حسب الحاجة إليها.
وتتضمن العنفة ناقل للحركة (علبة سرعة) تسمح بنقل حركة العنفة من 22 دورة بالدقيقة للمروحة إلى ما يصل إلى 1500 دورة أو أكثر للمولد. كما يتضمن هيكل العنفة (القمرة) مقياس لسرعة الرياح وكابح للحركة ونظام للتحكم بحركة الشفرات حسب اتجاه الرياح وفي مدى سرعة رياح 13 -88 كم في الساعة. وينتقل التيار الكهربائي المولد عبر كابلات داخل البرج إلى بوابة الربط ومحطة التحويل للشبكة الكهربائية.
وتعتمد كمية الطاقة الكهربائية المنتجة من عنفة الرياح على سرعة الرياح وتصميم الشفرات وحجم التوربينات وطول ريشها. وكانت قدرة التوربينات النموذجية تبلغ 0.05 ميجاوات (MW) وقطرها الدوار 15 متراً حتى عام 1985. وتمتلك مشاريع طاقة الرياح الجديدة توربينات بأقطار دوارة تصل إلى 164 متر، وبطاقة توربينية تبلغ حوالي 2 ميجاوات في البحر و 3 إلى 5 ميجاوات في الحقول الأرضية، وقد تصل إلى 8 ميجاوات.
وتزيد كمية الطاقة المولدة في المناطق ذات سرعات الرياح العالية، وتزداد سرعة الرياح مع الارتفاع عن سطح الأرض وفي المناطق النائية. والرياح البحرية أكثر تواتراً وقوة من الرياح البرية، إلا أن تكاليف إنشاء حقول إنتاج الطاقة البحرية وتشغيلها وصيانتها عالية. وعندما تتضاعف سرعة الرياح ، تزداد إمكانات طاقة الرياح بمقدار ثمانية أضعاف.
ولا يكون إنتاج الطاقة من عنفات الرياح متواصلاً، ولذلك يمكن الاستفادة من الإنتاج عن طريق ربطها بشكل مباشر بالشبكة العمومية للكهرباء أو تركيب بطاريات لتخزين تلك الطاقة والاستفاده منها على مدى زمني أطول.
الطاقة الشمسية : الطاقة الكهروضوئية
يتم توليد الطاقة الشمسية بطريقتين رئيسيتين:
– استخدام الألواح الضوئية Photovoltaics (PV) (الشائع تسميتها بالخلايا الشمسية solar cells . وتتكون الألواح من خلايا إلكترونية لتحويل الطاقة الشمسية (ضوء الشمس Photons) مباشرة إلى طاقة كهربائية.
وتعتمد كمية الطاقة المنتجة على شدة الإضاءة، وتستخدم مباشرة لأغراض انارة المنازل والمباني أو الشوارع أو لتشغيل مضخات المياه أو الآلات الحاسبة، أو يجري تخزينها في بطاريات لتنظيم استخدامها حسب الحاجة للتدفئة والتبريد وتحلية المياه والإنارة.
يبلغ عمر الألواح الشمسية حوالي 30 عامًا، ويعد استخدامها وسيلة فعالة لتشغيل شبكات صغيرة لتوفير الكهرباء للأفراد والمجتمعات التي تعيش بعيداً عن خطوط نقل الطاقة الوطنية، خاصة في البلدان النامية التي تتمتع بموارد طاقة شمسية ممتازة، مثل الدول العربية. وقد هبطت تكلفة تصنيع الألواح الشمسية بشكل كبير في العقد الماضي، مما يجعلها أرخص أشكال الكهرباء، ولذلك، فإن الألواح الضوئية من أسرع تقنيات الطاقة المتجددة نمواً..
ومن أهم الدول في إنتاج الطاقة الكهروضوئية باستخدام الألواح الشمسية في عام 2018 الصين (32% من الطاقة العالمية) والولايات المتحدة (12%) واليابان (10%) وألمانيا (8%) والهند (6%) وتمثل معاُ ثلثي طاقة الإنتاج العالمية. وتغطي الطاقة الشمسية 7-8% من احتياجات استهلاك الطاقة في ألمانيا واليابان وإيطاليا واليونان والتشيلي في عام 2018. وتغطي بلجيكا (والإتحاد الأوروبي عموماً) والهند وأستراليا 4- 6% من من احتياجات استهلاك الطاقة من الطاقة الكهروضوئية. وتغطي الصين والولايات المتحدة والمملكة المتحدة وتركيا 3-4% في عام 2018، وتغطي بقية الدول أقل من 2% من احتياجات استهلاك الطاقة الكهربائية.
– الطاقة الشمسية المركزة (CSP) Concentrating solar power: وتستند هذه الطريقة في توليد الكهرباء على تركيز الطاقة الحرارية المنعكسة من مرايا شمسية إلى أبراج رفيعة ومرتفعة مملوءة بالماء لتسخين السائل وتوليد البخار، والذي يستخدم في إدارة التوربينات البخارية لتوليد الكهرباء.
ومن بين مزايا تكنولوجيا الطاقة الشمسية المركزة إمكانية تخزين الطاقة الحرارية المركزة في محطة الطاقة الشمسية الكهروضوئية في وحدات مجهزة بأملاح منصهرة واستخدامها لتوليد الكهرباء عند غياب ضوء الشمس.
وقد شكلت الطاقة الشمسية 2.4٪ من توليد الطاقة الكهربائية العالمي في عام 2018. وكان من أكثر دول العالم لتوليد كهرباء بطريقة الطاقة الشمسية المركزة أسبانيا وأمريكا وجنوب إفريقيا والمغرب والهند في عام 2018.
الطاقة الحيوية
الكتلة الحيوية هي وقود من أصل طبيعي، والذي يستخدم المادة العضوية كمصدر للطاقة من خلال حرق الأخشاب والنفايات الحيوانية والنباتية والفحم التقليدي لأغراض الطبخ والتدفئة، وتمثل قرابة 8% من إجمالي استخدامات الطاقة في العالم. ولذلك تسمى الطاقة المنتجة مع الكتلة الحيوية الطاقة الحيوية Bioenergy.
ويمكن أن تأتي المادة العضوية من مخلفات الإنتاج، أو من محاصيل منتجة لأغراض إنتاج الطاقة الحيوية. وتشمل تقنيات الطاقة الحيوية الحديثة أنواع الوقود الحيوي السائلة المنتجة من التكرير الحيوي لمخلفات نباتية سكرية مثل القصب أو العنب لإنتاج الإيثانول والبيوديزل، أو الغاز الحيوي الناتج عن التحلل اللاهوائي للمخلفات الحيوانية والنباتية المطمورة.
وقد شكلت الطاقة الحيوية 2.2٪ من توليد الطاقة الكهربائية العالمي في عام 2018. وتعتبر البرازيل رائدة في مجال الوقود الحيوي السائل ولديها أكبر أسطول من المركبات التي تعمل بالوقود الحيوي، وتتنافس مع الولايات المتحدة في قيادة الإنتاج العالمي.
الطاقة الحرارية الأرضية
الطاقة الحرارية الأرضية Geothermal energy هي الحرارة المستمدة من باطن الأرض، والتي تستخدم في إدارة التوربينات لتوليد الكهرباء. ويحمل الماء و/ أو البخار الطاقة الحرارية الأرضية إلى سطح الأرض. وحسب خصائص هذه المياه ودرجة حرارتها، يمكن استخدام الطاقة الحرارية الأرضية لأغراض التدفئة والتبريد أو توظيفها لتوليد الكهرباء النظيفة.
ويغطي هذا المصدر المتجدد حصة كبيرة من الطلب على الكهرباء في بلدان مثل أيسلندا والسلفادور ونيوزيلندا وكينيا والفلبين وأكثر من 90٪ من الطلب على التدفئة في أيسلندا.
طاقة المحيط
تستخدم طاقة المحيط Ocean energy الحركية في الأمواج البحرية وطاقة المد والجزر والتيارات البحرية وطاقة التدرج الملحي، الناتجة عن اختلاف تركيزات الملح والطاقة الناتجة من الفرق في درجة الحرارة بين مياه البحر الدافئة السطحية ومياه البحر الباردة على عمق 800-1000 م في إدارة التوربينات لتوليد طاقة كهرومائية. ولا تزال تقنيات المحيطات الواعدة في مرحلة البحث والتطوير وغير متوفرة تجاريًا . وقد شكلت الطاقة الحرارية الأرضية وطاقة المحيط 0.4 ٪ من توليد الطاقة الكهربائية العالمي في عام 2018.
المصادر