إن الحاجة الملحة إلى التصدى للتغيرات المناخية العالمية وضمان الطاقة يجعلان فكرة إيجاد بدائل مطوره عن الوقود الأحفورى أمراً حاسماً وفيما يلى فكره عن هذه البدائل
فى الوقت الحاضر تزود مصادر الطاقات المتجددة مثل طاقة الكهرباء المتولده من الخلايا الكهروضوئية وطاقه الإيثانول بأقل من 7% من إستهلاك الولايات المتحدة. وإذا إستثنينا الطاقة الكهربائية المولدة من مساقط المياه.
فهى تزود بنسبة أقل من 4,5% وعلى الصعيد العالمى, فإن مصادر الطاقات المتجددة تزود فقط ما نسبته 3,5% من الكهرباء ونسبة أقل من وقود وسائل المواصلات.
غير أن تزايد هذه النسبة الصغيرة بالنسبة إلى الولايات المتحدة كما يبدو ضرورياً لإداره غازات الدفيئة, والعجز فى الميزانية التجارية والإعتماد على الموردين الأجانب يتضمن على الأقل ثلاثة معقدة وأوضح هذه ال هى كيف نحصل على الطاقة من الرياح والشمس والمحاصيل الزراعية بصورة إقتصادية. وبعد ذلك لابد من نقل الطاقة من الأماكن التى يتم جمعها فيها بسهولة, مثل المناطق الجنوبية الأمريكية المشمسة أو السهول المرتفعه التى تعصف بها الرياح, إلى أماكن يمكن إستخدامها فيها. والمكون الثالث هو تحويل الطاقة إلى أشكال ملائمة. والأكثر بروزاً فى هذا المكون الأخير هو الطاقة الكهربائية المستخدمة فى وسائل المواصلات التى يجب أن تزود بها السيارات والشاحنات إما عبر البطاريات أو ربما عبر طاقة الهيدروجين.
وفى بعض النواحى, يتقدم العمل فى هذا المجال بسرعة إلى الأمام, فقد كشفت دراسة حديثة بدعم من الأمم المتحدة أن الإستثمار العالمى للطاقات المتجددة بلغ 148,4 مليار دولار فى عام 2007 وهو أعلى بنحو 60% من عام 2006, غير أن توربينات جديده تعمل بالرياح وخلايا شمسية تضمان إلى البنية التحتية من مصانع الطاقة العاملة بحرق الفحم الحجرى, والتى يبدو أنها تعمل لساعات أكثر كل سنة وان عددها يتضاعف أيضاً.
وعلى الرغم من أن تكلفة الطاقة الشمسية وبصورة خاصة تكلفة طاقة الرياح قد إنخفضت إنخفاضاً كبيراً على مر السنوات القليله الماضية, فإنها لا تكون منافسة إلا إذا دعمت ماليا أو مولتها الدولة, يدفع قاطنوا المساكن فى الولايات المتحدة 11 سنتاً, فى المتوسط لكل كيلو وات/ ساعة للطاقة من مصادر خليطة تستخدم الفحم الحجرى والغاز الطبيعى والطاقة النووية وطاقة مساقط المياه غير أن تكلفة الطاقات المتجددة أعلى من ذلك بكثير.
وطبعاً تعامل جميع أشكال الطاقة معاملة الثواب والعقاب من الحكومات من حيث أنها كانت تؤمن العمل لعمال مناجم الفحم الحجرى أو تبرهن أن إنشطار الذرة هو مفيد إلى حد ما إلى جانب القنابل الذرية, ولكن فى كثير من الأماكن تحصل الطاقات المتجددة على شئ أفضل: وهى الحصص quotas فقد يساعد رفع أسعار الوقود التقليدى إلى رفع أسعار السوق للوصول إلى تكاليف الطاقات المتجددة.
وقد يساعد رفع سعر الكربون أيضاً, فكل ضريبة قدرها 10 دولارات على الطن الواحد من ثنائى أكسيد الكربون المنبعث من مصنع الطاقة الذى يعمل على الفحم الحجرى سترفع ثمن الكيلووات / ساعة بنحو ( بنس ) واحد ومع أن حجم التحويل هائل, فى محتوى الطاقة فإن إنتاج الفحم الحجرى هو أكبر بنحو 70 مرة من إنتاج طاقة الرياح, والأرقام بالنسبة إلى النفط والغاز الطبيعى هى بصورة مشابهة أكثر بكثير.
فى الصفحات التالية ملخص عن عناصر نظام طاقة من الطاقات مع إسهام كبير من الطاقات المتجددة والوسائل التى يمكن ان تتوافق فيما بينها.
الكاتب
MATTHEW L. WALD
مراسل فى مجلة نيويورك تايمز حيث غطى موضوعات الطاقة منذ عام 1979 فقد عالج موضوعات تكرير النفط وإنتاج الكهرباء والسيارات الكهربائية أو التى تسير بالطاقتين الكهربائية والبترول وتلوث الهواء ,يقيم حالياً فى واشنطن.
طاقة حرارة الشمس
فى طاقة حرارة الشمس, تركز مرآه مقعرة تتعقب حركة الشمس أثناء النهار( ضوء الشمس) لتسخين مائى زيتى أو مائى فى أنبوب أسود, يتلوى الأنبوب على مسافة أميال قبل الوصول إلى مبادل حراري يطلق البخار لتدوير توربين, والنظام يمكن أن يبنى كملحق لمصنع يعمل بالغاز الطبيعى, وبذلك يمكن للغاز أن ينتج البخار خلال الفترات الغائمة أو بعد مغيب الشمس, ويمكن لنماذج مستقبلية أن تحل الصوديوم المنصهر كمانع تشغيل, وهذا ما يتيح الوصول إلى درجات حرارة أعلى من دون الحاجة إلى دراجات أعلى من الضغط.
والشئ البديل هو برج الطاقة power tower الذى يشابه إلى حد ما برج الماء ولكنه يكون مملوءاً بالصوديوم المنصهر ومسخناً بمصفوفات كثيرة من المرايا, بعضها على مسافة كيلومتر. ويمكن أن يوصل الصوديوم إلى خزان معزول يمكنه أن يخزن كمية كافية من الحرارة لمتابعة التشغيل على مدار الساعة أو على الأقل خلال أوقات الحاجة إلى الطاقة.
حالة النظام: أنظمة المرايا المقعرة تجارية, ثم تفسير عمل أبراج الطاقة.
السعر: 19,9 – 28,1 سنت / لكل كيلووات / ساعة ( لنظام المرايا المقعرة ).
المزايا: يمكن أن يكون الأكثر فعالية لتخزين مصدر قابل للتجديد.
العيوب: يحتاج إلى أرض منبسطة, أفضل المصادر قد تكون بعيدة عن أماكن نقل الطاقة, يفسد البيئة الصحراوية البكر, ربما يحتاج إلى مياه تبريد يصعب وجودها فى الصحارى وهى المنلطق الأكثر سطوعاً.
تخزين وتحرير الطاقات المتجددة
طاقة تخزين الجليد
تبيع شركة آيس إنرجى ( طاقة الجليد) Ice Energy ومركزها كاليفورنيا أجهزه تنتج قوالب من الجليد فى الليل بحجم 500 جالون فى أقبية الأبنية. إن تصنيع الجليد فى الليل أسهل نت تصنيعه خلال النهار, لأن الحرارة فى الهواء الطلق حيث يجب أن تطلق الأجهزة الضاغطة للهواء الحرارة وهى بصورة عامة أخفض مما هى عليه فى وقت أبكر من النهار. ويستعمل الجليد الناتج لتبريد البناء خلال النهار. والنتيجة هى إستعمال الطاقة المنتجة فى الليل مثل الطاقة المولدة بطاقة الرياح, لتعمل عندما تكون الحاجة إليها ضرورية خلال النهار.
طاقة الحرارة الأرضية
بخلاف طاقة الرياح والطاقة الشمسية تعمل طاقة الحرارة الأرضية بحسب الحاجة. والحرارة موجودة فى باطن الأرض, يمكن الإعتماد عليها, هذا ما ذكره تشو ( مدير مختبر لورانس بيركلي الوطنى ومرشح الرئيس أوباما لوزارة الطاقة) تعمل المحطات على مدار الساعة.
لا يحتوى كل موقع على صخور حارة غير أن هاواى تولد ربع طاقتها بهذه الطريقة وتولد كاليفورنيا 6% تستخدم تجهيزات طاقة الكره الأرضية المياه الحارة والتى تتدفق لأعلى بنفسها غير ان مساحات واسعة من الولايات المتحدة تحتوى على صخور جافة وتتطلب كما يقول مؤيدوا النظام حقن المياه فقط عبر بئر عميقة, معظم الأنظمة تستخدم مبادلاً حرارياص لغلى المياه العذبة والحصول على البخار لتدوير التوربين.
حالة النظام: تجارى ولكن بشكل محدود.
السعر: 6,2 – 7,6 كيلووات ساعة.
المزايا: يعول على التزويد بصورة كافية, ليستخدم من أجل طاقة الحمولة الأساسية.
العيوب: يمكن أن يحوز بخار المياه الجوفية على مركبات خطرة تخرب المبادلات الحرارية, إذا جر إطلاقها ستلوث الجو؛ الموقع يكون منطقة فى الطبيعة وغالباً لا يتلائم مع وجود خطوط الطاقة.
تخزين وتحرير الطاقات المتجددة
بطاريات ثابتة
تبيع شركة VRB power system ومركزها فانكوفر بطاريات الجريان
Flower Batteries مع خزانات لتخزين مئات الجالونات من الإلكتروليتات يجرى
فى أحد الإتجاهين ويمتص النظام الطاقة, وفى الإتجاه الأخر يعود فيعطى الطاقة ثانية بكميات من الميجاوات/ ساعة.
يكلف تخزين الكيلووات / ساعة ما بين 500 و600 دولار, ويبلغ مردود الدورة ما بين 65 و 75% وهذا يعنى أن البطارية تفقد ما بين 25 و35 من الكهرباء المخزنة, هذا النظام سيرفع ثمن الكيلووات / ساعة المولد بالطاقة الشمسية بنسبة 50% أو أكثر.
إن توليد الكهرباء بطاقة الرياح هو من أكثر المصادر الواعدة وأكثرها تقدماً وربما أكثرها صعوبة من مصادر الطاقات المتجددة, فى عام 2007 ركب المصممون أكثر من 5,000 ميجاوات فى الولايات المتحدة, رفعت نقطة إنطلاق الإستثمار إلى 46% غير أن إسهام الكيلووات / ساعة كان محدوداً, لأنه على موقع جيد للرياح سينتج فقط نحو 28% من الطاقة التى ستتولد على مدار الساعة والشئ الأسوأ, تعمل الرياح أكثر ما يكون فى الليل عندما يكون الطلب منخفضاً.
إن التقانة تخفض التكاليف جزئياً يجعل آلات الرياح أكبر. وآخرها ستة ميكاوات ستشغل عدة مراكز تسوق, على آلة من الآلات بهذا الحجم, يبلغ طول كل شفرة نحو 65 مترا أى ما يعادل إتساع جناحى طائرة البوينج 747 والنماذج الجديدة فعالة جداً, تأسر نحو نصف طاقة الرياح التى تمر عبرها.
حالة النظام: تجارى يتنامى بسرعة.
السعر: 6,1 – 8,4 سنت / كيلووات ساعة.
( غير أن نقل الطاقة يمكن أن يرفع هذه الأسعار إلى قيم أعلى ).
المزايا: تقدم أكبر سعة لإنتاجية الطاقة, لا حاجة إلى مياه التبريد.
العيوب: يرتبط الإنتاج بصورة ضعيفة بالحمولة, البعض يعترض على مظهر وصوت الأجهزة وأبراج نقل الطاقة تهدد بعض الطيور, والخفافيش قد تتداخل موجاتها مع رادارات المراقبة الجوية.
تخزين وتحرير الطاقات المتجددة
الهواء المضغوط
فى عام 1999 إفتتحت شركة آلاباما التعاونية للطاقة Alabama Energy Cooperative محطة لتخزين الطاقة المولدة بالهواء المضغوط بإستخدام محطات تعمل بالفحم الحجرى التى لا تعمل عادة فى الليل, لضخ الهواء فى قبة محلية مجوفة بضغط أكثر من 1000 رطل لكل بوصة مربعة, وعند الحاجة إلى طاقة إضافية فى النهار يدخل الهواء المضغوط إلى توربين الإحتراق الذى يعمل بالغاز الطبيعى, وفى الحالة الإعتيادية, يضغط التوربين هوائه الخاص, وتتطلب معظم المولدات الفعالة فى الوقت الحاضر 6000 وحدة حرارية بريطانية ( Btu ) من الغاز الطبيعى لإنتاج كيلووات/ ساعة. وفى المقابل يخفف تخزين الهواء المضغوط كمية إستخدام الغاز الطبيعى بنسبة الثلث.
طاقة الرياح
نقل الكهرباء
تكون إدارة المصادر المتقطعة أقل صعوبة إذا كانت تغذى شبكة أكبر فمن الممكن أن نحصل من منطقة تتضمن 100 منشأة مبعثرة, ريحية أو شمسية, على سوية متوسطة من مستوى المدخلات, غير أنه لا يمكن للشبكة الحالية أن توصل معظم الطاقة المحولة عبر مسافات كبيرة ويمكن أن يكون الحل بحسب ما أعلنته وزارة الطاقة عام 2008, بمرحل Back bone جديد للشبكة عالى الفلطية أقرب ما يكون إلى شبكة الطرق السريعة بين الولايات, ويتضمن هذا المرحل نحو 19000 ميل من نقل الطاقة إضافة إلى 130 برجا بقيمة 2,6 مليون دولار للميل الواحد, ويمكن أن ترفع الفلطية إلى 765000 فولت وذلك لتخفيض ضياع الطاقة أثناء نقل الكهرباء بالكابلات وهذا النظام لا يتطلب تقانة جديدة وإنما يتطلب أمرين إثنين لا تمتلكهما الولايات المتحدة حالياً هما:
تعهد وطنى لدمج النظام الكهربائى على مستوى القارة, ودفع نحو 60 مليار دولار
لإنجازه.
تخزين وتحرير الطاقة المتجددة
خلايا الوقود
الكهرباء من أى مصدر, مثل المصدر الشمسى أو الريحى وحتى المصدر الفحمى الحجرى ويمكن أن تستعمل لتفكيك جزيئات الماء إلى مركباته الهيدروجين والأكسجين فى جهاز يدعى المحلل الكهربائى Electrolyzer .
ويمكن للهيدروجين أن يجرى عبر خلية وقود لتوليد الكهرباء والجانب السلبى فى خلايا الوقود هو أن تكلفتها مرتفعة بآلاف الدولارات لكل كيلووات/ من السعة, كما أن مردود الدورة round – trip عبر المحلل الكهربى إلى خلية الوقود وبعد ذلك العودة إلى التيار يكون أقل من 50% وهذا يعنى أنه من أجل كل 2 كيلووات/ ساعة خزنا فى البنك, يعود كيلووات/ واحد مرة ثانية.
توليد طاقة كهربائية
طاقة الأمواج البحرية
تنامى توليد الكهرباء بالطاقة المائية إلى الدرجة التى يمكن أن يصل إليها معطيا إهتمامات بيئية بالسدود المائية. غير أن شاطئ المحيط الهادئ الشمالى الغربى يمكن أن ينتج ما بين 40 و 70 كيلووات/ متر, بحسب وزارة الطاقة ومع ذلك يأتى إستثمار طاقة مياه المحيط بعد إستثمار طاقة الرياح والشمس وحرارة الأرض الجوفية وقام المخترعون بتصنيف براءات إختراع طاقة الأمواج خلال قرنين.
إحدى التقانات تقوم على تشييد عمود أسمنتى أو فولاذى مفتوح على المحيط وتحت مستوى سطح المياه ومغلق من القمة إن الإرتفاع والهبوط مع كل موجة يزيدان من ضغط الهواء وينقصان فى قمة العمود بصورة متناوبة وهذا ما يؤدى إلى دوران التوربين, وحديثاً دشنت شركة ويفجن Wavegen فى أسكتلندا مولداً كهربائياً بقوة 100 كيلووات يعتمد على هذا النظام وثمة تصميم آخر يستخدم طاقة رفع وخفض منصة عائمة.
حالة النظام: تم التأكد من فاعليته ولكن ليس فى ساعات الذروة.
السعر: من المبكر تقديره.
المزايا: عادة ما تكون خطوط نقل الطاقة قصيرة.
العيوب: تشييد بنى دائمة فى مناطق الأمواج القوية يكون مكلفاً.
وقود من مصادر الطاقات المتجددة لوسائل المواصلات
هناك ثلاث طرق لصنع وقود وسائل المواصلات السائلة من المصادر المتجددة الطريقة الأولى هى بكل بساطة حرق الزيوت النباتية فى محركات الديزل وغالباً ما يحرق زيت الصويا أو زيت النخيل, وليكون الزيت مرخصاً بإستعماله فى الولايات المتحدة, يجب أن يحول إلى مادة كيميائية تدعى إستر ester هذه العملية بسيطة غير أن مدى إستخدامها محدود والمبادرة بأكملها تتعلق بجدل الغذاء مقابل الوقود.
والطريقة الثانية بسيطة أيضاً وهى أن ندع الخمائر تهضم السكريات وتنتج الكحول, غير أن ذلك يكون محدوداً أيضاً فى مدى إستخدام هذه الطريقة ويضع محطة توزيع الوقود بالتنافس مع الأسواق فيما يتعلق بمحاصيل الحقول.
أن الأحجام الهائلة من السكريات ترتبط مع ذلك بالمحاصيل التى لا تؤكل وبجزء من النباتات التى لا يأكلها الإنسان والتى تنمو كمواد غذائية مثل تبن القمح وسوق وأغصان نبات الذرة, تحتوى هذه المواد السليلوزية على سكريات سداسية الكربون التقليدية وكذلك على سكريات خماسية الكربون لا تفككها الخمائر العادية, ولتفكيك هذه السكريات فيما يتعلق بالطريقة الثالثة يتم بإستخدام بعض النباتات فى مستوى إختبارى البخار أو الحموضة أو الإثنين معاً, وثمة إختيار أخر وهو إستخدام إنزيمات من جراثيم مبدلة جينياً أو من فطريات ولتحويل السكريات إلى وقود سائل يستخدم بعض الباحثين عمليات تحفيزية ويعتمد آخرون على الخمائر وغالباً ما تكون مبدلة جينياً أيضاً, إن بعضها تفكك ببساطة المواد السليلوزية إلى غاز وقود من أحادى أكسيد الكربون وهيدروجين ثم تحوله إلى جزيئات هيروكربونية مثل الإيثانول والكحولات والسوائل الأخرى وتتضمن المواد الخام كمية كبيرة من الحُتات, مثل الرقاقات ولحاء الأشجار ومخاريط الصنوبريات, وكميات من الورق والبلاستيك من النفايات المنزلية والفضلات الزراعية.
على الرغم من أن جميع هذه الطرائق قد بينت أنها تستخدم بنجاح فى المختبر فإن عملية التسويق التجارية الناجحة تبقى صعبة التحقيق ومع ذلك, تشجع الحوافز والحصص الجهود الكثيرة.
حالة النظام: يشق طريقه بجهد نحو عملية التسويق التجارية.
السعر: لم يحدد بعد, الهدف غير مؤكد بسبب أسعار البنزين والديزل ( المازوت ) المتقلبة إلى أبعد الحدود.
المزايا: إن بعض الوقود الحيوى فقير أو لا يحوى كربونا, يقلل الإعتماد على النفط المستورد عبر البحار.
العيوب: يضع بعض الوقود ضغوطاً ( أعباء ) على أسعار المواد الغذائية, إنتاج
الوقود الحيوى من الحبوب يتطلب كميات وفيرة من الوقود الأحفورى, وهكذا فإن
الطاقة الكلية والمزايا الكربونية قليلة, معظم الوقود الحيوى أقل كثافة طاقة من
البنزين منتجاً أميالاً أقل بالجالون الواحد.
تخزين وتحرير الطاقات المتجددة
بطاريات محركة للسيارات
يحتاج صانعوا السيارات إلى بطارية أيون- ليثيوم – تدوم 15 سنة إضافة إلى 5000 دورة شحن, أى أكثر بكثير من بطارية أيونات الليثيوم العادية فى أجهزة المستهلك الحالية, الهدف هو سعر 300 دولار لكل كيلووات/ ساعة قابل للإستعمال من التخزين للبطارية التى تشغل سيارة مسافة 40 ميلاً, على إفتراض بمعدل أكثر بقليل من 3 أميال بالكيلووات / ساعه.
توليد طاقة كهربائية
الطاقة الفوتوفلطية – الشمسية
الطاقة الفوتوفلطية – الشمسية
تدخل طبقتان من مواد شبه موصلة, واحدة تتضمن إلكترونات إضافية وآخرى تتضمن ثقوباً Holes إضافية معاً بين ألواح فوتوفلطية ( كهروضوئية ) Photovoltaic عندما تمتص المادة أشعة الشمس تتحرك الإلكترونات الزائدة من طبقة إلى آخرى, محدثة تياراً كهربائياً, لوحظ هذا الأثر قبل 169 سنة غير أن العلماء والمهندسين لا يزالون يعملون على تحسين فاعليته. وأول إستخدام عملى كان فى برنامج فضائى حيث إستعملت خلايا على نطاق واسع فى شبكة غير أن هذا النظام لا ينافس الآن الوقود الأحفورى وحتى مصادر الطاقات الأخرى المتجددة على الشبكة. يمكن أن تدمج فى مواد واجهة الأبنية, بتكلفة أقل.
حالة النظام: تجارى, ولكنه منافس فى ال الشبكية فقط عندما يطلب بالحصص أو يدعم بشكل قوى من قبل الحكومة.
السعر: 46,9 – 70,5 سنت / كيلووات /ساعة.
المزايا: من الممكن إستعماله فى مناطق المدينة المزدحمة كهربائياً, حيث لا يوفر فقط ثمن التوليد الكهربائى وإنما يوفر أيضاً ثمن تمديد خطوط جديدة لنقل الكهرباء: الإنتاج الذروى يوافق الحمل الذروى إلى أبعد الحدود, لا حاجة إلى ماء التبريد .
العيوب: إذا سألت عن التكلفة, لا يمكنك تحملها, الإنتاج صغير جداً.
