الفصل الأول

تمهيد

(١) الطاقة الشمسية

وفقًا للقياسات المُثبتة، يبلغ متوسط كثافة قدرة الإشعاع الشمسي خارج الغلاف الجوي للأرض مباشرةً 1366W/m2، والمعروف على نطاق واسع باسم «الثابت الشمسي». وتعريف المتر هو واحد على 10 مليون من خط زوال الأرض الممتد من القطب الشمالي إلى خط الاستواء؛ انظر الشكل ١-١. وهذا التعريف ما زال دقيقًا تبعًا للقياسات الحديثة؛ لذا فإن نصف قطر الأرض يساوي . إذن فالقدرة الإجمالية للإشعاع الشمسي التي تصل إلى الأرض هي:
(1-1)
عدد الثواني في اليوم هو 86400، وفي المتوسط، عدد الأيام في العام هو 365.2422. وهكذا يكون إجمالي طاقة الإشعاع الشمسي التي تصل إلى الأرض كل عام:
(1-2)
أو 5460000EJ/year. ولأخذ فكرة عن هذا المقدار من الطاقة، دعنا نقارنه بالاستهلاك العالمي السنوي للطاقة؛ انظر الشكل ١-٢. فيما بين عامي 2005 و2010، وصل الاستهلاك السنوي للطاقة للعالم بأسره إلى نحو 500EJ. وهكذا، فإن نسبة 0.01 بالمائة فقط من الطاقة الشمسية السنوية التي تصل إلى الأرض يمكنها أن تفي باحتياجات العالم كله من الطاقة.
fig1
شكل ١-١: الطاقة الشمسية السنوية التي تصل إلى سطح الأرض. يبلغ متوسط القدرة الشمسية على الأرض 1366W/m2. ويصل طول خط زوال الأرض، تبعًا لتعريف المتر، 10000000m. ويبلغ إجمالي الطاقة الشمسية التي تصل إلى سطح الأرض كل عام 5460000EJ.
fig2
شكل ١-٢: الاستهلاك العالمي للطاقة، فيما بين عامي 1980 و2030. المصدر: إدارة معلومات الطاقة، وهي الجهة التابعة للحكومة الأمريكية التي تقدم إحصائيات الطاقة الرسمية. التاريخ: «التقرير السنوي عن الطاقة الدولية لعام 2004» (مايو–يوليو 2006)، موقع الويب www.eia.doe.gov/iea. التوقعات: إدارة معلومات الطاقة، تقرير «توقعات الطاقة الدولية»، الصادر في عام 2007.
لا يصل كل الإشعاع الشمسي الساقط على الغلاف الجوي الأرضي إلى سطح الأرض. فنحو 30 بالمائة من الإشعاع الشمسي ينعكس في الفضاء. ونحو 20 بالمائة منه يُمتَص من جانب السُّحب والجزيئات في الهواء؛ انظر الفصل الخامس. فنحو ثلاثة أرباع سطح الأرض مسطحات مائية، ولكن حتى إذا كان بالإمكان استغلال 10 بالمائة فقط من إجمالي الإشعاع الشمسي، فإن 0.1 بالمائة منها فقط يمكنها أن تمد العالم بأسره بالطاقة.
من المثير للاهتمام أن نقارن الطاقة الشمسية السنوية التي تصل إلى الأرض بالاحتياطي الإجمالي المُثبت لأنواع الوقود الحفري المتعددة؛ انظر الجدول ١-١. توضح الأرقام أن الاحتياطيات الإجمالية المُثبتة للوقود الحفري تمثل نحو 1.4 بالمائة من الطاقة الشمسية التي تصل إلى سطح الأرض سنويًّا. في واقع الأمر، أمكن استغلال نسبة صغيرة فقط من الطاقة الشمسية. ويصل الاستهلاك السنوي الحالي للطاقة المولدة من الوقود الحفري إلى نحو 300EJ. وإذا استمر المستوى الحالي لاستهلاك الوقود الحفري، فإن الاحتياطي الإجمالي للطاقة المولدة منه سينفد في نحو مائة عام.
حاليًّا، لا يزال استخدام الطاقة المتجددة يمثِّل نسبة صغيرة من إجمالي الطاقة المستهلكة؛ انظر الجدول ١-٢. يوضح الشكل ١-٣ نسبة الأنواع المختلفة من الطاقة في الولايات المتحدة الأمريكية في عام 2006. ويمثل استخدام الطاقة الشمسية من خلال تقنية الخلايا الكهروضوئية 0.07 بالمائة فقط من إجمالي الطاقة المستهلكة. ولكن عالميًّا، تعد الطاقة الشمسية المولدة من الخلايا الكهروضوئية مصدر الطاقة الأسرع نموًّا. وكما سنحلل في الفصل الأول – قسم (٥-٤)، ستصبح تلك الطاقة يومًا ما المصدر السائد للطاقة. ويعرض الشكل ١-٤ تنبؤًا بهذا قام به الاتحاد الألماني لصناعة الطاقة الشمسية.
جدول ١-١: الاحتياطيات المُثبتة لأنواع الوقود الحفري المختلفة.*
النوع الكمية الطاقة عن كل وحدة الطاقة EJ
النفط الخام 1.65 × 1011 tons 4.2 × 1010J/ton 6930EJ
الغاز الطبيعي 1.81 × 1014m3 3.6 × 107J/m3 6500EJ
الفحم عالي الجودة 4.9 × 1011 tons 3.1 × 1010J/ton 15000EJ
الفحم منخفض الجودة 4.3 × 1011 tons 1.9 × 1010J/ton 8200EJ
الإجمالي 36600EJ
المصدر: «مراجعة بي بي الإحصائية للطاقة العالمية»، يونيو 2007، بريتش بتروليوم.
جدول ١-٢: مصادر الطاقة المتجددة.
النوع المتاح (EJ/year) المستهلك (EJ/year) نسبة الاستهلاك (بالمائة)
الطاقة الشمسية 2730000 0.31 0.0012
طاقة الرياح 2500 4.0 0.16
الطاقة الحرارية الأرضية 1000 1.2 0.10
الطاقة المائية 52 9.3 18
fig3
شكل ١-٣: استهلاك الطاقة في الولايات المتحدة الأمريكية في عام 2006. المصدر: «مراجعة الطاقة السنوية لعام 2006» الصادرة عن إدارة معلومات الطاقة. وحدة الطاقة في التقرير الأصلي هي الكواد، أي: نحو 1018J أو EJ. انظر الملحق أ. في عام 2006، كان إجمالي الطاقة المستهلكة في الولايات المتحدة الأمريكية 99.87 quad؛ أي، نحو 100EJ؛ لذا فإن قيمة الطاقة ﺑ EJ هي تقريبًا بالضبط نسبتها المئوية؛ وعليه فإن الطاقة الشمسية المتولدة من الخلايا الكهروضوئية تمثل فقط 0.07 بالمائة من إجمالي الطاقة المستهلكة في عام 2006.
تعد حتمية استبدال الطاقة الشمسية بالوقود الحفري في نهاية الأمر ببساطة؛ حقيقةً جيولوجية: فالاحتياطي الإجمالي القابل للاستخراج من النفط الخام متناهٍ. على سبيل المثال، كانت الولايات المتحدة الأمريكية أكبر منتجٍ للنفط في العالم فيما سبق. بحلول عام 1971، نفد نحو نصف احتياطي النفط الخام القابل للاستخراج في الولايات الأمريكية المتجاورة (أي: الثماني والأربعين ولاية ذات الحدود المشتركة). ومنذ ذلك الحين، بدأ ينخفض إنتاج النفط الخام في هذه المنطقة؛ ومن ثم تعين إنتاج النفط الخام من مناطق ذات ظروف جيولوجية وبيئية أكثر صعوبة، ولم يؤدِّ هذا إلى زيادة تكلفة التنقيب عن النفط وحسب، بل إلى زيادة كمية الطاقة المستخدمة لإنتاج النفط الخام أيضًا. ولتقييم مدى فائدة أي عملية إنتاج للطاقة، عادةً ما يُستخدم «عائد الطاقة على الطاقة المستثمرة»، الذي يُعرف أيضًا ﺑ «ميزان الطاقة»، وهذا تعريفه:

عائد الطاقة على الطاقة المستثمرة = عائد الاستثمار/الطاقة المستثمرة = الطاقة في وحدة من الوقود/الطاقة المطلوبة لإنتاجها

(1-3)
في ثلاثينيات القرن العشرين، وصلت قيمة عائد الطاقة على الطاقة المستثمرة لإنتاج النفط الخام إلى نحو 100. وفي عام 1970، كانت 25. وبالنسبة للتنقيب عن النفط في أعماق البحار، تكون القيمة نحو 10. أما عن النفط الصخري والغاز الصخري والنفط الرملي، فلها قيم أقل. فإذا قَلَّتْ هذه القيمة بالنسبة لأي عملية إنتاج لطاقة لتصل إلى نحو 1، فلا فائدة من الاستمرار فيها.
على الجانب الآخر، على الرغم من أن تكلفة الكهرباء المولدة من الشمس حاليًّا أكبر من تكلفة الكهرباء المولدة من أنواع الوقود الحفري، فإن التقنية الأولى في تطور مستمر وتكلفتها في انخفاض مستمر. وكما هو موضح في الفصل الأول – قسم (٥-٤)، في نحو عام 2015، ستكون تكلفة الكهرباء الشمسية أقل من تلك الخاصة بالكهرباء العادية، حتى نصل إلى «تكافؤ الشبكة». بعد ذلك، سيحدث نمو سريع في إنتاج الكهرباء الشمسية؛ ارجع للشكل ١-٤.
fig4
شكل ١-٤: اتجاه صناعة الطاقة في القرن الحادي والعشرين. مصدر المعلومات: الاتحاد الألماني لصناعة الطاقة الشمسية، عام 2007؛ انظر الموقع التالي: www.solarwirtschaft.de. إن القوة المحركة لثورة الطاقة في القرن الحادي والعشرين هي الاقتصاد؛ ونظرًا لأن المصادر الطبيعية الخاصة بالوقود الحفري والمواد النووية متناهية، فإن تكلفة إنتاجها ستزيد مع الوقت. أما عن طاقة الإشعاع الشمسي والمادة الخام المستخدمة في صنع الخلايا الشمسية والسيليكون، فهي غير قابلة للنفاد، كما أن إنتاج الخلايا الشمسية على نطاق واسع سيُخفِّض تكلفتها. وفي وقت ما، ستكون تكلفة الكهرباء المولدة من الشمس أقل من تلك الخاصة بالكهرباء التقليدية بحيث نصل إلى ما يُطلق عليه «تكافؤ الشبكة». في عام 2007، كان من المقدر أن يتحقق هذا التكافؤ فيما بين عامي 2020 و2030. وبعد ذلك، سيحدث توسُّع كبير في الطاقة المُولدة من الشمس. وتشير التطورات الأخيرة إلى أن هذا التكافؤ سيحدث في عام 2015. كما سيحدث الانتشار السريع لهذا النوع من الكهرباء في وقت سابق على ذلك المحدد في هذا التنبؤ الصادر في عام 2007. انظر الفصل الأول – قسم (٥-٤).

(٢) التحول عن النفط

مصادر الطاقة الحفرية، وبخاصة النفط، متناهية، ونفادها سيحدث عاجلًا أو آجلًا؛ لذا فإن التحول إلى الطاقة المتجددة حتمي. كان أول من أدرك تلك الحقيقة وقدرها كميًّا ماريون كينج هوبرت (1903–1989)، الخبير البارز في مجال صناعة النفط، ولكن رؤيته لم تقتصر فقط على صناعة النفط. في عام 2000، وإدراكًا من شركة بريتش بتروليوم بأن النفط سينفد في نهاية الأمر، غيرت اسمها إلى «بي بي» وهو اختصار لعبارة beyond petroleum وتعني «ما وراء النفط».
في عام 1956، قدم إم كينج هوبرت، كبير المستشارين بشركة شل، تقريرًا اقتُبس على نطاق واسع [40] اعتمد على البيانات المتاحة في ذلك الوقت، وتنبأ فيه بأن إنتاج النفط الخام في الولايات المتحدة الأمريكية سيصل إلى ذروته في نحو عام 1970، ثم سيبدأ في التراجع. وقد تعرضت تنبُّؤاته الجريئة والصحيحة لهجوم وسخرية كبيرين، لكن بعد ذلك ثبتت دقتها الشديدة وجدارتها بالتقدير. (جدير بالذكر أن معادلات نظرية هوبرت مشابهةٌ لمعادلات بيير فرانسوا فيرهلست التي وضعها في عام 1838 للتقدير الكمي لنظرية مالتوس عن النمو السكاني [85].)
بدأت نظريته باكتشاف أنه عند رسم الإنتاج التراكمي للنفط الخام على المحور السيني ، ونسبة معدل الإنتاج على على المحور الصادي في الولايات المتحدة الأمريكية، فإن الشكل البياني الناتج سيكون على شكل خط مستقيم؛ انظر الشكل ١-٥.
إن تقاطعَي الخط المستقيم مع محوري الإحداثيات هما كما يلي. التقاطع مع المحور السيني، ، هو الاحتياطي الإجمالي للنفط الخام القابل للاستخراج؛ لذا فالقيمة في الشكل ١-٥ هي 228 مليار برميل. أما عن التقاطع مع المحور الصادي، ، فله بُعدٌ خاصٌّ بالوقت المعكوس. فمعكوس هو قياس للفترة التي سينفد فيها النفط الخام؛ لذا فالقيمة في الشكل ١-٥ هي 0.0536/سنة. ويمكن تمثيل الخط المستقيم بالمعادلة التالية:
(1-4)
من ثَم، فإن العلاقة بين و هي:
(1-5)
بحيث إن هي الوقت، الذي يُعبَّر عنه عادة بالسنوات. وباستخدام معادلة 1-5، تصبح معادلة 1-4 معادلة تفاضلية عادية:
(1-6)
يمكن أن تتكامل معادلة 1-6 بسهولة كما يلي:
(1-7)
بحيث إن هو ثابت التكامل المطلوب تحديده. ومن معادلة 1-7، نصل إلى المعادلة التالية:
(1-8)
تحقق كل من الشرط الأول عندما يكون والشرط الأخير عندما يكون ؛ لذا يمكن من واقع البيانات التاريخية تحديد الوقت الذي سينفد فيه نصف النفط الخام، عندما تكون .
ويمكن الوصول إلى معدل الإنتاج باستخدام المعادلتين 1-5 و1-8، كما يلي:
(1-9)
تمثل معادلة 1-9 منحنى جرسي الشكل يتناسب مع عندما يكون ، انظر الشكل ١-٥(b). (جدير بالذكر هنا أن ) وهكذا، فإن هو أيضًا الوقت (العامُ) الخاص بمعدل الإنتاج الأقصى، . وكمية هي قياس لمعدل نفاد حقول النفط. في واقع الأمر، يمكن تحديد الوقت الذي عنده ينفد 90 بالمائة من النفط الخام من خلال معادلة 1-8، وذلك كما يلي:
(1-10)
وسيكون الناتج . أما الوقت الذي سينفد فيه 95 بالمائة منه، فهو .
fig5
شكل ١-٥: منحنى هوبرت. (a) في عام 1956، درس ماريون كينج هوبرت من شركة شل بيانات الإنتاج التراكمي للنفط الخام (المَقِيس بمليارات البراميل)، ، ومعدل إنتاجه، ، في الولايات المتحدة الأمريكية. واكتشف وجود ارتباط خطي بين و . نقلًا عن مرجع [21]. (b) يمكننا اشتقاق منحنى ﻟ في مقابل الوقت من العلاقة الخطية، منحنى هوبرت (معادلة 1-9). وتحدث ذروة الإنتاج في الوقت عندما ينفد نصف النفط الخام. وفي الوقت ، سينفد 90 بالمائة من النفط الخام القابل للاستخراج. وفي الوقت ، سينفد 95 بالمائة منه.
يوضح الشكل ١-٦ معدل إنتاج النفط الخام في الولايات المتحدة الأمريكية بدءًا من عام 1920 وحتى عام 2010. إن المنحنى الفراغي هو إسقاط مُعتمد على طريقة المربعات الصغرى على منحنى هوبرت؛ ارجع إلى المعادلة 1-9. تمثل ذروة الإنتاج التي حدثت في عام 1971 إنتاج النفط الخام للولايات الأمريكية الثمانية والأربعين ذات الحدود المشتركة (باستثناء ألاسكا وهاواي). وهناك ذروة أخرى في حدود عام 1989. وفي عام 1977، مرر الكونجرس الأمريكي قانونًا يقضي ببدء التنقيب عن النفط الخام في ألاسكا. ونظرًا لأن ألاسكا لم تنتج أي نفط خام قبل سبعينيات القرن العشرين، طبقًا لنظرية هوبرت، فيجب أن تُعامَل كحالة منفصلة تختلف عن حالة الولايات الثمانية والأربعين ذات الحدود المشتركة. وعند رسم بيانات إنتاج النفط الخام في ألاسكا التي نشرتها إدارة معلومات الطاقة، فيما عدا ما يتعلَّق بالأعوام الأقدم، يظهر أن هناك ارتباطًا خطيًّا دقيقًا جدًّا بين نسبة والإنتاج التراكمي ؛ انظر الشكل ١-٧. وفي هذا الرسم، يساوي 17.3 مليار برميل، و يساوي 0.1646 و يساوي 1989.38، وذلك تقريبًا في مايو من عام 1989. وباستخدام هذه المعاملات، أنشأنا منحنى هوبرت؛ انظر الشكل ١-٧(b). وكما هو موضح، فيما عدا ما يتعلَّق بالأعوام الأقدم، تتبع بيانات الإنتاج منحنى هوبرت على نحو دقيق جدًّا.
fig6
شكل ١-٦: معدل الإنتاج الأمريكي للنفط الخام. الدوائر: معدل الإنتاج الأمريكي الفعلي للنفط الخام. المصدر: إدارة معلومات الطاقة الأمريكية. المنحنى الفراغي: دالة هوبرت، باستخدام إسقاط مربعات صغرى على البيانات الفعلية. وترجع الزيادة المفاجئة في الإنتاج في عام 1977 والذروة الثانية في عام 1989 لإنتاج النفط في ألاسكا؛ انظر الشكل ١-٧.
fig7
شكل ١-٧: إنتاج النفط الخام في ألاسكا. (أ) نسبة في مقابل (المقيس بمليارات البراميل) بالنسبة لألاسكا. المصدر: إدارة معلومات الطاقة. (ب) منحنى هوبرت المُنشأ بناءً على ذلك. (لاحظ أن معدل الإنتاج مقيس بمليارات البراميل/سنة.) كما هو واضح، وفيما عدا ما يتعلَّق بالأعوام الأقدم، تتبع بيانات الإنتاج منحنى هوبرت على نحو دقيق جدًّا.
يمكن تقدير عام نفاد النفط الخام من خلال المعاملات؛ فبالنسبة للولايات المتحدة الأمريكية بأكملها، يساوي 0.0536. وهكذا يكون عام نفاد 95 بالمائة من نفطها الخام كما يلي:
(1-11)
وبالنسبة لألاسكا، يكون عام نفاد 95 بالمائة من نفطها الخام كما يلي:
(1-12)

إن تاريخ نفاد النفط الخام الخاص بألاسكا سابق على ذلك الخاص بالولايات المتحدة الأمريكية بأكملها، وعلى الرغم من أن النفط الخام في ألاسكا قد بدأ إنتاجه متأخرًا جدًّا عن الولايات الأمريكية الثمانية والأربعين ذات الحدود المشتركة، فإنه يُستخرَج من هناك على نحو أكبر بكثير مقارنةً بالولايات الأخرى.

ونظرًا لأن الدول المختلفة بدأت إنتاج النفط الخام في أوقات مختلفة، فهناك طريقة أفضل لتطبيق نظرية هوبرت التي تتمثَّل في تناول كل دولة على نحو منفرد؛ لقد أنتج هوبرت تقديرًا اعتمادًا على البيانات المتاحة في خمسينيات القرن العشرين بالنسبة للعالم ككل، وتنبَّأ بأن يبلغ إنتاج النفط الخام ذروته في العقد الأول من القرن الحادي والعشرين. وقد أتت التقديرات التي اعتمدت على بيانات أحدث بنتائج مشابهة، بل توضح البيانات الحديثة أن تلك الذروة قد حدثت بالفعل في واقع الأمر. وتَتبعُ عملية اكتشاف مصادر الطاقة غير المتجددة الأخرى — مثل الغاز الطبيعي والفحم — ونضوبها نمطًا مماثلًا. ومع تضاؤل المصادر، تزيد على نحو سريع التكاليف الهندسية والبيئية لاستكشاف أنواع الوقود الحفري. وكان التسرُّب النفطي في خليج المكسيك في عام 2010 بمنزلة جرس إنذار بأننا في القرن الحادي والعشرين يجب أن نجد ونستخدم مصادر الطاقة المتجددة بحيث تحل محل مصادر الطاقة الحفرية.

(٣) مصادر الطاقة المتجددة الأخرى

نظرًا لمحدودية احتياطي أنواع الوقود الحفري وتكلفة استخراجها واستخدامها، منذ بداية العصر الصناعي، جرى استكشاف مصادر الطاقة المتجددة. وعلى الرغم من أن الطاقة الشمسية تعد إلى حدٍّ بعيد أكبر مصدر للطاقة المتجددة، فإن مصادر الطاقة المتجددة الأخرى — بما في ذلك الطاقة المائية وطاقة الرياح والطاقة الحرارية الأرضية العميقة والضحلة — تُستغَل على نحو واسع. وكل مصادر الطاقة هذه، فيما عدا الطاقة الحرارية الأرضية العميقة، مشتقة من الطاقة الشمسية.

(٣-١) الطاقة الكهرومائية

الطاقة الكهرومائية مصدر معروف للطاقة. ومنذ أواخر القرن التاسع عشر، كانت تنتج كميات هائلة من الطاقة بأسعار منافسة، وحاليًّا تنتج نحو سدس إنتاج العالم من الكهرباء، أي أكثر من 90 بالمائة من الكهرباء التي تنتجها كل مصادر الطاقة المتجددة. وكما هو موضح في الشكل ١-٨، في الكثير من الدول، ينتج هذا النوع من الطاقة نسبة كبيرة من الكهرباء التي تولدها. على سبيل المثال، تنتج النرويج أكثر من 98 بالمائة من إنتاجها من الكهرباء بالطاقة المائية، وتنتج كل من البرازيل وأيسلندا وكولومبيا أكثر من 80 بالمائة من كهربتها من الطاقة المائية. ويعرض الجدول ١-٣ استخدام الطاقة المائية في مناطق متعددة من العالم.
جدول ١-٣: الطاقة المائية الإقليمية: المتاح والناتج.*
المنطقة الإنتاج (EJ/year) المتاح (EJ/year) النسبة المئوية للاستغلال
أوروبا 2.62 9.74 27
أمريكا الشمالية 2.39 6.02 40
آسيا 2.06 18.35 11
أفريقيا 0.29 6.80 4.2
أمريكا الجنوبية 1.83 10.05 18
أوقيانوسيا 0.14 0.84 17
العالم 9.33 51.76 18
المصدر: مرجع [14]، الفصل الخامس.
fig8
شكل ١-٨: النسبة المئوية لإنتاج الكهرباء من الطاقة المائية في دول متعددة. تنتج النرويج تقريبًا كل كهربتها من الطاقة المائية، وفي البرازيل وأيسلندا وكولومبيا، أكثر من 80 بالمائة من الكهرباء تُنتَج من خلال الطاقة المائية.
إن فيزياء الطاقة المائية بسيطة جدًّا. في أي نظام للطاقة المائية، من المهم معرفة «رأس الماء الفعلي» ارتفاع المسقط المائي بالمتر و«معدل التدفق»، أي معدل الماء المتدفق عبر التوربين، ، بالمتر المكعب في الثانية. والقدرة التي تحملها الكتلة المائية تكون كما يلي:
(1-13)
بحيث يكون g الذي يساوي 9.81 m/s2 هو تسارع الجاذبية. ولأن خطأ بنسبة 2 بالمائة يُعَد شيئًا لا يُذكر في عالم الهندسة، فدائمًا ما تكون g قيمتها بالتقريب 10 m/s2؛ لذا ﺑ kW، تكون المعادلة السابقة:
(1-14)
إن الآلة القياسية المستخدمة هنا هي توربين فرانسيس الذي اخترعه المهندس الأمريكي جيمس بي فرانسيس في عام 1848. وباستخدام هذه الآلة، تكون كفاءة تحويل الطاقة المائية إلى طاقة ميكانيكية عالية جدًّا. وفي ظل أفضل الظروف، تصل الكفاءة الإجمالية لتحويل الطاقة المائية إلى كهرباء لأكثر من 90 بالمائة، مما يجعل هذا التوربين من أكثر التوربينات كفاءة. وتكون الطاقة الكهربية المولدة من خلال النظام الكهرومائي هي:
(1-15)
هناك ميزة كبيرة للطاقة المائية تميزها عن مصادر الطاقة المتجددة الأخرى، ألا وهي أنها توفر آلية لتخزين الطاقة ذات كفاءة عالية جدًّا وثنائية الجانب. كما أن فَقْد الطاقة في عملية التخزين لا يُذكَر؛ لذا فمحطة الطاقة المائية إلى جانب الخزان يكونان معًا نظام تخزين طاقة فعالًا واقتصاديًّا جدًّا. ويعرض الشكل ١-٩ صورةً فوتوغرافيةً لواحدةٍ من كبرى محطات الطاقة المائية في العالم، محطة إيتايبو، التي تمد البرازيل بنحو 20 بالمائة من كهربتها.
fig9
شكل ١-٩: محطة إيتايبو للطاقة المائية على الحدود الواقعة بين البرازيل وباراجواي. بسعة تبلغ 14.0GW، تعد هذه المحطة واحدة من كبرى محطات الطاقة المائية وتنتج نحو 20 بالمائة من كهرباء البرازيل.

(٣-٢) طاقة الرياح

إن الطاقة الحركية في حيز من الهواء بكتلة وسرعة متجهة هي:
(1-16)
إذا كانت كثافة الهواء هي ، فإن كتلة الهواء المارَّةَ عبر سطح مساحة على نحو عمودي على السرعة المتجهة للرياح لكل وحدة زمنية هي:
(1-17)
إذن، فقدرة الرياح ، أو الطاقة الحركية للهواء المتحرِّك عبر مساحة لكل وَحْدةٍ زمنية هي:
(1-18)
في ظل الظروف القياسية (ضغط 1atm ودرجة حرارة 18 درجة مئوية)، تكون كثافة الهواء 1.225kg/m3. وإذا كانت سرعة الرياح 10m/s، فإن كثافة قدرة الرياح تكون:
(1-19)

إن لهذه الكثافة نفس القيمة الأسية التي لكثافة الطاقة الشمسية.

لكن كفاءة أي توربين رياح ليست عالية مثل كفاءة أي توربين مائي. ولأن سرعة الهواء المتجهة قبل الدوار، ، وسرعة الهواء المتجهة بعده، ؛ مختلفتان، انظر الشكل ١-١٠، فإن كتلة الهواء المارة عبر مساحة لكل وحدة زمنية تتحدد من خلال «متوسط سرعة الرياح» عند الدوار، وذلك كما يلي:
(1-20)
fig10
شكل ١-١٠: اشتقاق نظرية بيتس لتوربين الرياح. إن السرعة المتجهة للرياح قبل دوار التوربين هي ، وبعده ، كما أن السرعة المتجهة عند الدوار هي متوسط السرعة المتجهة وترتبط القدرة المنتجة من قبل الدوار بالفرق في الطاقة الحركية.

لذا فإن الطاقة الحركية التي يلتقطها الدوار أو فرق الطاقة الحركية هي:

(1-21)
بالجمع بين المعادلتين 1-20 و1-21، نحصل على تعبير عن قدرة الرياح التي يلتقطها الدوار:
(1-22)
وبإعادة ترتيب معادلة 1-22، يمكننا تعريف جزء قدرة الرياح التي يلتقطها الدوار، أو ما يطلق عليه «كفاءة الدوار»، كما يلي:
(1-23)

ومن ثَم، نصل إلى المعادلة التالية:

(1-24)
مع افتراض أن هي معدل سرعة الرياح بعد الدوار وقبله، فسنحصل على المعادلة التالية:
(1-25)
يتضح ارتباط كفاءة الدوار بمعدل السرعة في الشكل ١-١١. من الواضح أن القدرة القصوى تكون عندما يكون قيمته 1/3 بحيث تكون قيمتها 16/27، أي، 59.3 بالمائة. كان أول من توصل إلى هذه النتيجة هو ألبرت بيتس في عام 1919، وتُعرَف على نطاق واسع باسم نظرية بيتس أو حدِّ بيتس.
fig11
شكل ١-١١: كفاءة توربين الرياح. انظر المعادلة 1-26. كما هو واضح، الكفاءة القصوى هي 16/27، والتي تتحقق بمعدل سرعة .
هناك اختلاف في تقديرات قدرة الرياح المتاحة على مستوى العالم. يوضح تقدير متحفظ أن إجمالي قدرة الرياح المتاحة، 75TW، يُعد أكبر خمس مرات من إجمالي الطاقة المستهلكة في العالم. وعلى النقيض من الطاقة المائية، يُستخدَم حاليًّا جزء صغير فقط من قدرة الرياح، ولكن معدل الاستخدام في تزايد سريع جدًّا. ففيما بين عامَيْ 2000 و2009، زادت السَّعة الإجمالية تسعة أضعاف لتصل إلى 158.5GW. ويتوقع مجلس طاقة الرياح العالمي أنه بحلول عام 2014، ستصل سَعَة قدرة الرياح الإجمالية إلى 409GW.
نظرًا لحدوث نقص في مصادر الطاقة التقليدية في أواخر القرن التاسع عشر؛ فقد بدأت الدنمارك في تطوير طاقة الرياح وزادت وتيرة الإنتاج بعد أزمة الطاقة التي حدثت في سبعينيات القرن العشرين. لا تزال الدنمارك هي أكبر مُصنِّع لتوربينات الرياح بقيادة شركة فيستاس، وهي تولد 20 بالمائة من كهربتها من طاقة الرياح. ويوضح الشكل ١-١٢، صورة فوتوغرافية التقطها المؤلف في كوبنهاجن، أن حورية البحر الصغيرة تُحدق في مجموعة كبيرة من توربينات الرياح، لا في أمير الدنمارك.
fig12
شكل ١-١٢: توربينات الرياح في كوبنهاجن. صورة فوتوغرافية ملتقطة من قبل المؤلف في كوبنهاجن، الدنمارك، في عام 2006. وتمثال حورية البحر الصغيرة، وهو رمز قومي في الدنمارك، يُحدق في مجموعة كبيرة من توربينات الرياح، لا في أمير الدنمارك.
إلا أن نجاح الدنمارك في مجال طاقة الرياح ما كان ليتحقق لولا جيرانها: النرويج والسويد وألمانيا [45]. ونظرًا لأن طاقة الرياح متقطعة وغير منتظمة، فيجب توفير إمداد منتظم من الكهرباء من خلال نظام توليد طاقة سريع الاستجابة مزوَّد بإمكانية لتخزين الطاقة. لحسن الحظ، تقريبًا 100 بالمائة من الكهرباء التي تمتلكها النرويج مولدة من طاقة الرياح، وهناك خط ربط كهربي بين شبكتَي البلدين بطاقة توليد 1000MW. وفي فترات الرياح الشديدة، تُنقل الطاقة الإضافية المولدة في الدنمارك للشبكة الكهربية في النرويج. وباستخدام التوربين الانعكاسي، تُخزَّن الطاقة الكهربية الفائضة كطاقة وضع للماء في الخزانات. وفي عام 2005، زار المؤلف محطة تونستاد للطاقة المائية في النرويج في مساء يوم الأحد. وقد سألت مهندسًا نرويجيًّا عن السبب في توقف أكبر توربين، فشرح لي أن إحدى مهام هذه المحطة هي إمداد الدنمارك بالطاقة. وفي صباح يوم الاثنين، عندما بدأ الدنماركيون يحتسون قهوتهم ويتأهَّبون للعمل، بدأ هذا التوربين في العمل بأقصى سرعة له.

(٣-٣) الكتلة الحيوية والطاقة الحيوية

عبر آلاف السنين من التاريخ البشري، وحتى الثورة الصناعية عندما بدأ استخدام مصادر الوقود الحفري، كان الاستخدام المباشر للكتلة الحيوية المصدرَ الرئيسي للطاقة. فقد استُخدم الخشب والقش وروث الحيوانات في الطهي وتدفئة الأماكن، كما استُخدم الشمع (المصنوع من دهن الحوت) والزيت النباتي في الإضاءة، وقد كانت الطاقة الميكانيكية للخيول تُستحثُّ بإطعامها أنواعًا من الكتلة الحيوية. وفي الدول الأقل تقدُّمًا من العالم، لا يزال هذا الوضع هو السائد. وحتى في الدول المتقدمة، ما زال الاستخدام المباشر للكتلة الحيوية شائعًا جدًّا؛ على سبيل المثال، الحطب في المدافئ ومواقد حرق الخشب.

تُنشأ الكتلة الحيوية من خلال التمثيل الضوئي من ضوء الشمس. لمزيد من التفاصيل، انظر الفصل العاشر – قسم (١). وعلى الرغم من أن كفاءة التمثيل الضوئي تبلغ فقط نحو 5 بالمائة وأن أوراق الأشجار لا تغطي إلا نسبة مئوية ضئيلة، فمن المقدر أن يصل إجمالي الطاقة المخزنة حاليًّا في الكتلة الحيوية الأرضية إلى 25000EJ، التي تساوي تقريبًا محتوى الطاقة لاحتياطي الوقود الحفري المعروف في العالم؛ ارجع إلى الجدول ١-١. يبلغ محتوى الطاقة للإنتاج السنوي للكتلة الحيوية الأرضية نحو ستة أضعاف إجمالي الطاقة المستهلكة في العالم؛ انظر الجدول ١-٤.

حاليًّا، هناك صناعة راسخة تنتج وقودًا سائلًا مولدًا من الكتلة الحيوية للاستخدام في النقل. وهناك طريقتان تُستخدمان على نطاق واسع في هذا الإطار: إنتاج الإيثانول من السكر وإنتاج الديزل الحيوي من الزيت النباتي أو الحيواني.

جدول ١-٤: البيانات الأساسية للطاقة الحيوية.*
العنصر EJ/year TW
معدل تخزين الطاقة المولَّدة من الكتلة الحيوية الأرضية 3000 95
إجمالي الطاقة المستهلكة على مستوى العالم 500 15
استهلاك طاقة الكتلة الحيوية على مستوى العالم 56 1.6
استهلاك طاقة الكتلة الحيوية الغذائية على مستوى العالم 16 0.5
المصدر: مرجع [14]، ص107.

(أ) إنتاج الإيثانول من تخمُّر السكر

إن فن إنتاج النبيذ والمشروبات الكحولية من السكر من خلال عملية التخمُّر معروفٌ منذ آلاف السنين؛ فبفعل الإنزيمات الموجودة في بعض الخمائر، يتحوَّل السكر إلى إيثانول وثاني أكسيد الكربون:

(1-26)
وفي نهاية التفاعل، يمكن أن يبلغ تركيز الإيثانول ما بين 10 إلى 15 بالمائة في الخليط، وباستخدام نوعٍ خاصٍّ من الخميرة، يمكن أن يصل التركيز إلى 21 بالمائة، ثم يمكن حينها استخلاص الإيثانول عن طريق التقطير.
من أنجح الأمثلة على ذلك إنتاج الإيثانول من قصب السكر في البرازيل. هناك رقم مهم في صناعة الطاقة، ألا وهو «ميزان الطاقة»، أو عائد الطاقة على الطاقة المستثمرة، ارجع للمعادلة 1-3. وطبقًا لدراسات متعددة، يزيد ميزان الطاقة في البرازيل بالنسبة لإيثانول السكر عن 8، وهذا يعني أن إنتاج طاقة من الإيثانول تساوي 1J يتطلب استهلاك نحو 0.125J من الطاقة. كذلك، فإن تكلفة إنتاج جالون واحد من الإيثانول في البرازيل تصل إلى نحو 0.83 دولار، وهي أقل بكثير من تكلفة إنتاج جالون واحد من الجازولين. ويرجع هذا على الأقل جزئيًّا إلى مناخ وطوبوغرافيا ساو باولو، وهي ولاية تقع في جنوب شرق البرازيل، وهي منطقة مسطحة شبه استوائية تسقط عليها أمطار غزيرة. ومنذ ظهور السيارات المرنة الوقود في عام 2003 التي يمكنها بكفاءة استخدام مزيج من الجازولين والإيثانول بأي نسبة، زاد استهلاك الإيثانول على نحو كبير بسبب رخص ثمنه. وفي عام 2008، في حدَثٍ يُعد الأول من نوعه، حل الإيثانول محل الجازولين باعتباره أكثر أنواع وقود المحركات استخدامًا في البرازيل [49]. يعرض الشكل ١-١٣ صورة بانورامية لمحطة كوستا بينتو لإنتاج الإيثانول الموجودة في مدينة بيراسيكابا، بولاية ساو باولو. يوضِّح الجزء الأمامي من الصورة عملية استلام محصول قصب السكر، ويوجد على الجانب الأيمن من الجزء الخلفي منها وحدة التقطير التي يُنتَج فيها الإيثانول. وتُنتِج هذه الوحدة كل الكهرباء التي تحتاجها من مخلفات قصب السكر بعد استخلاص السكر منه، وتبيع الكهرباء الفائضة للمرافق العامة.
fig13
شكل ١-١٣: محطة كوستا بينتو لإنتاج إيثانول السكر. يوضِّح الجزء الأمامي للصورة عملية استلام محصول قصب السكر، في حين تظهر في الجانب الأيمن من الجزء الخلفي للصورة وحدة التقطير حيث يُنتَج الإيثانول. الصورة معروضة بإذن من ماريوردو.
على الرغم من أن الحكومة البرازيلية لا تدعم على نحو مباشر استخدام الإيثانول، فإنها تموِّل على نحو مستمر أبحاثًا لتحسين كفاءة عملية إنتاجه ومَيْكَنتها. وهذا عامل مهم لنجاح مشروع إنتاج إيثانول السكر في البرازيل. فمن عام 1975 وحتى عام 2003، زاد الإنتاج من 2m3/ha إلى 6m3/ha. ومؤخَّرًا، وصل الإنتاج، في ولاية ساو باولو، إلى 9m3/ha. ويوضِّح الشكل ١-١٤ الإنتاج السنوي للإيثانول الصالح كوقود في البرازيل من عام 1975 حتى عام 2010. وعلى الرغم من أن البرازيل تنتج حاليًّا أكثر من 50 بالمائة من الوقود المطلوب للسيارات الموجودة بها ونحو 30 بالمائة من الإيثانول المتداول حول العالم، فهي تستخدم فقط 1.5 بالمائة من أرضها المزروعة.
fig14
شكل ١-١٤: الإنتاج السنوي للإيثانول في البرازيل. المصدر: «الكتاب السنوي الإحصائي للطاقة الزراعية لعام 2009»، وزارة الزراعة والماشية والإمدادات، البرازيل.

(ب) إنتاج الديزل الحيوي من الزيت النباتي أو الدهن الحيواني

مثال آخر على استخدام الكتلة الحيوية لإنتاج وقود سائل هو إنتاج الديزل الحيوي من الزيت النباتي أو الدهن الحيواني. إن التركيب الكيميائي لجزيئات كل من الزيت النباتي والدهن الحيواني متطابق؛ فثلاثي الجليسريد يتكون من جزيء واحد من الجليسرول وثلاثة جزيئات من الحمض الدهني؛ انظر الشكل ١-١٥. إن الحمض الدهني هو حمض كربوكسيلي (يتميز بوجود المجموعة —COOH) ويحتوي على سلسلة هيدريد كربون طويلة وغير متفرعة، ومع استخدام أنواع مختلفة من الأحماض الدهنية، تُنتَج أنواعٌ مختلفة من ثلاثيات الجليسريد. وعلى الرغم من أن الزيت النباتي يمكن استخدامه في محركات الديزل مباشرةً، فإنه يمكن أن يدمِّرها بسبب حجم جزيئاته الكبير ونسبة اللزوجة العالية الناتجة عن ذلك، إلى جانب ميله لعدم الاحتراق الكامل. فالديزل الحيوي التجاري هو نتاج تفاعل ثلاثي الجليسريد والكحول، على وجه التحديد الميثانول أو الإيثانول، وباستخدام هيدروكسيد الصوديوم أو هيدروكسيد البوتاسيوم كمحفِّز، تحدث عملية أسترة تبادلية لثلاثي الجليسريد ليكوِّن ثلاثة إسترات صغيرة وجليسرينًا حرًّا؛ انظر الشكل ١-١٥. لا يمتزج الإستر مع الجلسرين، ووزنه النوعي (الذي يتراوح بالأساس بين 0.86g/cm3 و0.9g/cm3) أقل بكثير عن ذلك الخاص بالجلسرين (الذي يصل إلى 1.15g/cm3)؛ لذا فإن الديزل الحيوي يمكن بسهولةٍ فصلُه من مزيج الجليسرين والترسُّبات.
fig15
شكل ١-١٥: عملية إنتاج الديزل الحيوي. بمزج ثلاثي الجليسريد والكحول وباستخدام محفز، تحدث أسترة تبادلية لثلاثي الجليسريد ليكوِّن ثلاثة إسترات صغيرة وجليسرينًا حرًّا. والإستر، أو الديزل الحيوي، حجم جزيئاته أصغر كثيرًا، مما يوفر تزييتًا أفضل لأجزاء المحركات.
وهكذا، فإن حجم جزيئات الديزل الحيوي المُنتج أصغرُ بكثيرٍ من ثلاثيات الجليسريد، مما يوفِّر تزييتًا أفضل لأجزاء المحركات، كما أن طبيعته أفضل حتى من تلك الخاصة بزيت الديزل المشتق من النفط، فيما يتعلَّق بخواصه التزييتية وتقديره السيتاني، على الرغم من أن قيمته الحرارية أقل منه بنحو 9 بالمائة، كما أن له ميزة إضافية عليه وهي أنه لا يوجد به كبريت، وهو عنصرٌ يمثِّل خطرًا كبيرًا على البيئة موجود في زيت الديزل المشتق من النفط.
تعتمد تكلفة وإنتاجية الديزل الحيوي على نحو كبير على كمية وتكلفة المواد الخام التي يُصنع منها، فالشحم المعاد تدويره، مثل الزيت المستخدم في إنتاج البطاطس المحمرة والشحم المستخلص من مخلفات المطاعم، يُعد مصدرًا أساسيًّا للمواد الخام هذه. والمنتجات الفرعية لصناعة الغذاء، مثل دهن الخنزير ودهن الدجاج، التي عادةً ما تُعدُّ غير صحيةٍ بالنسبة للبشر، كثيرًا ما تُستخدم أيضًا، لكن هذه المصادر سهلة المنال غير متوفرة بكثرة؛ ومن ثَم فإن الزيت البكر يُعد هو القوام الأساسي للديزل الحيوي، وتختلف كمية وتكلفة الزيت البكر على نحو كبير من محصول لآخر؛ انظر الجدول ١-٥.
جدول ١-٥: ناتج الديزل الحيوي من المحاصيل المختلفة.*
بالنسبة للإيثانول m3/ha بالنسبة للديزل الحيوي m3/ha
بنجر السكر (فرنسا) 6.67 نخيل الزيت 4.75
قصب السكر (البرازيل) 6.19 جوز الهند 2.15
الذرة السكرية (الهند) 3.50 بذور اللفت 0.95
الذرة (الولايات المتحدة الأمريكية) 3.31 الفول السوداني 0.84
المصدر: مرجع [14]، الفصل الرابع.
يعرض الجدول ١-٥ عددًا من المحاصيل المستخدمة في إنتاج أنواع الوقود الحيوي، بما في ذلك تلك المستخدمة في إنتاج الإيثانول. إن اثنين منها عبارة عن جذور غنية بالسكر (بنجر السكر والذرة السكرية)، وحصاد تلك الجذور يحتاج لقدر أكبر بكثيرٍ من الطاقة ويحتاج لعِمالةٍ أكبر من حصاد قصب السكر؛ لذا فإن ميزان الطاقة (نسبة الطاقة المنتجة في مقابل الطاقة المطلوبة لإنتاجها) عادة ما تكون نحو 2، وهو ما يُعد أقل بكثير مما هو عليه الحال فيما يتعلَّق بقصب السكر، الذي يزيد عن 8. يكون ميزان الطاقة الخاص بالذرة أقل أيضًا (نحو 2)، لأن الخطوة الأولى تتمثَّل في تحويل نشا الذرة إلى سكر، الذي يتطلب طاقة وعمالة. لنخيل الزيت، وموطنه بالأساس أفريقيا، أعلى ناتج لكل وحدة مساحة من الأرض. تظهر صورة فوتوغرافية لثمرة نخيل الزيت في الشكل ١-١٦. يتراوح قطر الثمرة بوجه عام بين 3cm و5cm. إن نسبة 50 بالمائة من النسيج الرقيق للثمرة تتكون من زيت النخيل. تحتوي البذرة على نوع آخر من الزيت، وهو زيت بذرة النخيل، الذي يُعد مكونًا أساسيًّا في صناعة الصابون. وفي ظل الظروف المواتية، يمكن أن يصل بسهولة زيت النخيل الناتج إلى 5 ton/ha سنويًّا، مما يجعله يتفوَّق كثيرًا على أي مصدر آخر للزيت الصالح للأكل. ولأنه لا يحتوي على كوليسترول، فهو زيت طعام صحي. وحاليًّا يُعد هو الزيت النباتي الذي يحتل الصدارة في السوق العالمية (48000000 ton، أو 30 بالمائة من حصة السوق العالمية)، مع كون ماليزيا وإندونيسيا أكبر المنتجين له. وبخلاف الأنواع الأخرى من النباتات المنتجة للزيت (مثل فول الصويا وبذور اللفت) التي تُزرع سنويًّا، فإن نخيل الزيت أشجار كبيرة؛ انظر الشكل ١-١٧، بمجرد أن تُزرع، يمكنها أن تنتج الزيت لعقود عديدة.
fig16
شكل ١-١٦: ثمرة نخيل الزيت. من حيث الحجم والتركيب، تشبه هذه الثمرة ثمرة الخوخ أو البرقوق، لكن نسبة 50 بالمائة من نسيجها الرقيق تتكون من زيت نخيل. وزيت النخيل الناتج لكل وحدة مساحة من الأرض أكبر بكثير من أي مصدر آخر للزيت الصالح للأكل، كما أن البذرة غنية أيضًا بزيت ولكن من نوع مختلف؛ فزيت بذرة نخيل الزيت مكون مهم في صناعة الصابون.
fig17
شكل ١-١٧: نخيل الزيت البري في أفريقيا. يعد نخيل الزيت أشجارًا أصلية في أفريقيا والتي وفرت زيت النخيل لقرون عديدة. هذه صورة فوتوغرافية لنخيل الزيت البري التقطها ماركو شميت على منحدرات جبل كاميرون، الكاميرون، أفريقيا.

(٣-٤) الطاقة الحرارية الأرضية الضحلة

يمكن تعريف الطاقة الحرارية الأرضية بأنها الحرارة المخزنة في الأرض، لكنَّ هناك نوعين متمايزين من هذه الطاقة وذلك اعتمادًا على مصدرها؛ وهما: الطاقة الحرارية الأرضية الضحلة والعميقة. إن الطاقة الحرارية الأرضية الضحلة هي الطاقة الشمسية المخزنة في الأرض، التي سنصِفُ أصلها في الفصل الخامس – قسم (٤). تكون درجة الحرارة بوجه عام هنا أقل أو أعلى بنحو 10 درجات مئوية عن تلك الخاصة بسطح الأرض. والاستخدام الرئيسي لهذه الطاقة يتمثَّل في تحسين كفاءة المدفأة الكهربية ونظام التبريد الكهربي (مكيف الهواء) باستخدام مِضخَّة حرارية أو مبرد يعمل بانضغاط البخار. أما عن الطاقة الحرارية الأرضية العميقة، فهي الحرارة المخزَّنة في لب ودثار كوكب الأرض. ويمكن أن تصل درجة الحرارة هنا إلى مئات الدرجات المئوية، ويمكن استخدام تلك الحرارة في توليد الكهرباء وتدفئة مساحة كبيرة. وفي هذا القسم، سنركِّز على الطاقة الحرارية الأرضية الضحلة، في حين سنعرض للطاقة الحرارية الأرضية العميقة في القسم التالي.
يظهر النمط العام لتوزيع درجة الحرارة تحت الأرض في الشكل ١-١٨. ففي عمق كبير، على سبيل المثال، من 20m إلى 30m تحت الأرض، تكون درجة الحرارة هي متوسط درجة الحرارة السنوي للسطح؛ على سبيل المثال، . وعلى السطح، تختلف درجة الحرارة باختلاف الفصول؛ ففي يناير تكون درجة الحرارة هي الأقل؛ على سبيل المثال، . في يوليو، تكون درجة الحرارة هي الأعلى؛ على سبيل المثال، . وهناك تفاوتات في درجة الحرارة حسب الوقت من اليوم، لكن عمق الاختراق صغير جدًّا. ونظرًا للسرعة المتناهية للتوصيل الحراري، فعند عمق معين، بوجه عام من −5m إلى −10m تحت السطح، تكون صورة درجة الحرارة «معكوسة». بعبارة أخرى، في الصيف تكون درجة الحرارة بعمق سبعة أمتار تحت الأرض أقل من المتوسط السنوي، والعكس صحيح بالنسبة للشتاء.
fig18
شكل ١-١٨: الطاقة الحرارية الأرضية الضحلة. هناك تفاوت موسمي في درجة الحرارة تحت الأرض. على السطح، تكون درجة الحرارة في الصيف أعلى بكثير من درجة الحرارة في الشتاء. وتحت الأرض على عمق عشرين مترًا، على سبيل المثال، تكون درجة الحرارة هي متوسط درجة الحرارة السنوي للسطح. وفي الصيف تكون درجة الحرارة تحت الأرض بعدة أمتار «أقل» من المتوسط السنوي، والعكس صحيح بالنسبة للشتاء. ويمكن استخدام الطاقة المخزنة في الأرض لتدفئة وتكييف المساحات مما يوفر كميات كبيرة من الطاقة.

إن الطاقة الشمسية المخزنة في الأرض عامة وموجودة بكميات كبيرة جدًّا. وفي أجزاء كثيرة من المنطقة المعتدلة، يمكن استخدام هذه الطاقة مباشرةً لتكييف المساحات. وبوضع نظم تبادل حراري تحت الأرض وتوجيه الهواء البارد عبر أنابيب إلى أماكن السكن، يمكن إنشاء نظام تكييف هواء بدون تكلفة تقريبًا في الطاقة. وفي المناطق التي يقترب فيها متوسط درجة الحرارة من الصفر أو يقل قليلًا عنها، يمكن استخدام الكهوف الموجودة تحت الأرض كمبردات، أيضًا بدون تكلفة تقريبًا في الطاقة.

يتمثل الاستخدام الرئيسي للطاقة الحرارية الأرضية الضحلة في نظم تدفئة وتكييف المساحات باستخدام مِضخَّة حرارية أو مبرد يعمل بانضغاط البخار، مع اعتبار المساحات الموجودة تحت الأرض كمخازن للحرارة. وسنعرض للتفاصيل في الفصل السادس.

(٣-٥) الطاقة الحرارية الأرضية العميقة

الأنواع المختلفة من مصادر الطاقة المتجددة المعروضة في الأقسام السابقة هي من مشتقات الطاقة الشمسية، لكن الطاقة الحرارية الأرضية العميقة هي مصدر الطاقة الرئيسي الوحيد الذي ليس مشتقًّا من الطاقة الشمسية. ففي الوقت الذي تكوَّنت فيه الأرض من غاز ساخن، جعلت طاقة الجاذبية والحرارة لُبَّ الأرض متوهجًا بالحرارة. وبعد تكوُّن الأرض، وفَّرت العناصر المشعة على نحوٍ مستمرٍّ الطاقة لإبقاء لب الأرض ساخنًا. ويعرض الشكل ١-١٩ مقطعًا عرضيًّا تخطيطيًّا للأرض. تنقسم قشرة الأرض، وهي طبقة باردة نسبيًّا من الصخور ذات كثافة منخفضة نسبيًّا (من 2g/cm3 إلى 3g/cm3)، إلى عدة «صفائح تكتونية». يختلف السُّمك من مكان لآخر، بدءًا من 0km وحتى نحو 30km. وتحت القشرة يوجد «الدثار»، وهي طبقة ساخنة نسبيًّا من الصخور المنصهرة جزئيًّا ذات كثافة عالية نسبيًّا (من 3g/cm3 إلى 5.5g/cm3). وهو يعد مخزنًا للحمم البركانية للأنشطة البركانية. وبدءًا من نحو 3000km لأسفل، يوجد لب الأرض، الذي يُعتقد أنه عبارة عن حديد ونيكل منصهرين، وهو الجزء صاحب الكثافة الأعلى (من 10g/cm3 إلى 13g/cm3).
fig19
شكل ١-١٩: الطاقة الحرارية الأرضية العميقة. إن أصل الطاقة الحرارية الأرضية العميقة هو لب الأرض. أولًا، أثناء تكوُّن الأرض، أنتج التقلص الجذبوي حرارة. بعد ذلك، وفرت التفاعلات النووية في الأرض الطاقةَ باستمرار. ونظرًا لسُمك الصفائح التكتونية، فإن الطاقة الحرارية الأرضية العميقة تكون اقتصادية فقط عند حواف تلك الصفائح أو بالقرب من البراكين.

إن المحتوى الحراري للدثار واللب هائل. نظريًّا، عند حفر بئر عميقة في الجزء الساخن من الأرض مع حقن الماء، يمكن إنتاج بخار فائق الحرارة يستطيع تشغيل التوربينات لإنتاج الكهرباء، لكن بوجه عام، هذه العملية باهظة التكاليف وشديدة الصعوبة على نحو غير معقول.

توجد أغلب محطات الطاقة الحرارية الأرضية الحالية بالقرب من حواف الصفائح التكتونية أو في مناطق بها براكين نشطة؛ حيث يكون سمك قشرة الأرض أقل من بضعة كيلومترات، ويكون الحفر للوصول إلى الصخور الساخنة أمرًا عمليًّا. ويوضح الشكل ١-٢٠ المناطق الأرضية التي يمكن استخراج طاقة حرارية أرضية عميقة منها.
حيث إن أيسلندا غنية بالبراكين النشطة، فلديها ميزة غير عادية فيما يتعلَّق باستخدام الطاقة الحرارية الأرضية العميقة. ففي عام 2008، أتى نحو 24 بالمائة من كهربتها من الطاقة الحرارية الأرضية وتمت تدفئة 87 بالمائة من مبانيها باستخدام نفس الطاقة. يعرض الشكل ١-٢١ صورة فوتوغرافية لمحطة نسجافلير للطاقة الحرارية الأرضية، التي تُعد ثاني أكبر محطة من هذا النوع في أيسلندا، بسعة قدرها 120MW.
fig20
شكل ١-٢٠: مناطق استخراج الطاقة الحرارية الأرضية العميقة. عند حواف الصفائح التكتونية والمناطق التي توجد بها براكين نشطة، يمكن استخدام الطاقة الحرارية الأرضية العميقة على نحو اقتصادي.
fig21
شكل ١-٢١: محطة نسجافلير للطاقة الحرارية الأرضية، أيسلندا. نظرًا لأن أيسلندا غنية بالبراكين النشطة، فلديها ميزة غير عادية فيما يتعلَّق باستخدام الطاقة الحرارية الأرضية العميقة. موضح بالصورة محطة نسجافلير للطاقة الحرارية الأرضية التي سعتها 120MW.

(٤) لمحة عن الخلايا الكهروضوئية الشمسية

من الواضح أن في النصف الأول من القرن الحادي والعشرين سينضب الوقود الحفري لدرجة أنه لن يمكنه سد حاجة المجتمع البشري من الطاقة. هناك أنواع متعددة من مصادر الطاقة المتجددة، العديد منها له عيوب، بما في ذلك الطاقة المائية وطاقة الرياح والطاقة الحرارية الأرضية. ويمكن للتطبيقات الحرارية الشمسية مثل سخانات الماء الشمسية أن تسدَّ جزءًا صغيرًا فقط من إجمالي الطلب على الطاقة، وتعد الخلايا الشمسية البديل الوحيد الواعد للوقود الحفري. وفي هذا القسم، سنلقي نظرة سريعة على المفاهيم الأساسية للخلايا الكهروضوئية الشمسية، وسنعرض التفاصيل في الفصول من الثاني حتى الرابع ومن السابع حتى العاشر.

(٤-١) ميلاد الخلايا الشمسية الحديثة

في عام 1953، دشنت مختبرات بيل مشروعًا بحثيًّا لإنتاج أجهزة لتوفير مصدر طاقة للأجزاء البعيدة من العالم، حيث لا تتوفر شبكة كهرباء. اقترح العالم الرائد داريل تشابن استخدام خلايا شمسية ووافق رؤساؤه على اقتراحه.
في ذلك الوقت، كان مفهوم التأثير الكهروضوئي في السيلينيوم، المكتشف في سبعينيات القرن التاسع عشر، قد أُضْفِيَت الصبغة التجارية عليه بالفعل في صورة جهاز لقياس شدة الإضاءة في التصوير الفوتوغرافي، ويعرض الشكل ١-٢٢(أ) مخططًا له. تُوضع طبقة من السيلينيوم على ركيزة من النحاس، ثم تُغطَّى بطبقة رقيقة شبه شفافة من الذهب. وعندما يُضاء الجهاز بالضوء المرئي، يُولَّد فرق جهد كهربي يُنتِج بدوره تيارًا كهربيًّا، وتعتمد شدة التيار الكهربي على شدة الضوء، وقد كان هذا جهازًا قياسيًّا في النصف الأول من القرن العشرين بالنسبة للمصورين الفوتوغرافيين لقياس ظروف الإضاءة، كما أنه أكثر متانة وسهولة في الاستخدام بكثير من المقاومات الضوئية لعدم وجود أجزاء متحرِّكة به وعدم احتياجه لبطارية.
fig22
شكل ١-٢٢: خلية شمسية مصنوعة من السيلينيوم وأخرى مصنوعة من السيليكون. (أ) اكتُشفَت الخلية الكهروضوئية المصنوعة من السيلينيوم في منتصف القرن التاسع عشر واستُخدمت لقياس شدة الإضاءة في التصوير الفوتوغرافي. (ب) اختُرعت الخلية الكهروضوئية المصنوعة من السيليكون في مختبرات بيل في عام 1954 باستخدام التقنية الخاصة بترانزستورات السيليكون.
بدأ تشابن تجربته باستخدام الخلايا الضوئية المصنوعة من السيلينيوم، ووجد أن كفاءتها، 0.5 بالمائة، قليلة جدًّا بحيث لا تستطيع توليد طاقة كافية للتطبيقات الهاتفية، ثم في ضربة حظ لا يمكن تصديقها، انضم إليه عالمان من مختبرات بيل، وهما كلفن فولر وجيرالد بيرسون، كانا يعملان في المشروع الرائد لتطوير ترانزستورات من السيليكون وعملوا معًا على تقنية السيليكون الناشئة لتصنيع الخلايا الشمسية؛ انظر الشكل ١-٢٣. وفي عام 1954، أُنشئت خلية شمسية بكفاءة تصل إلى 5.7 بالمائة [67]، وقُدِّمت للناس. ويعرض الشكل ١-٢٢(ب) مخططًا لها.
fig23
شكل ١-٢٣: مخترعو الخلايا الشمسية السيليكونية. من اليسار إلى اليمين: جيرالد بيرسون (1905–1987) وداريل تشابن (1906–1995) وكلفن فولر (1902–1994). في عام 1953، دشنت مختبرات بيل مشروعًا بحثيًّا لتوفير مصادر طاقة للأجزاء البعيدة من العالم، حيث لا تتوفر شبكة كهرباء. وفي عام 1954، وباستخدام التقنية الوليدة لصنع ترانزستورات من السيليكون، طوروا وقدموا أول خلية شمسية مصنوعة من السيليكون. والكفاءة المتحققة، 5.7 بالمائة، جعلت الخلية الشمسية مصدر طاقة مفيدًا. الصورة معروضة بإذن من مختبرات بيل التابعة لشركة إيه تي آند تي.
صُنعت الخلية الشمسية السيليكونية من بلورة واحدة من السيليكون. وباستخدام دقيق لعملية الإشابة، صُنعت وصلة . يكون الجانب من الوصلة رفيعًا جدًّا ومشوبًا بدرجة عالية للسماح للضوء بالانتقال للوصلة بدرجة قليلة جدًّا من التوهين، لكن التوصيل الكهربي الجانبي يكون كافيًا جدًّا لتجميع التيار للتماس الأمامي عبر مصفوفة من الأصابع الفضية. أما عن الجانب الخلفي من السيليكون، فهو مغطًّى بطبقة معدنية رقيقة، عادة من الألومنيوم. وقد بقي التركيب الأساسي للخلايا الشمسية السيليكونية كما هو دون تغيير حتى الآن.
أحدث الظهور الأول للخلية الشمسية في مدينة نيويورك ضجةً كبيرة، كانت تكلفة إنشاء مثل هذه الخلايا الشمسية عاليةً جدًّا. ومن منتصف خمسينيات القرن الماضي وحتى أوائل سبعينياته، كان البحث والتطوير في مجال الخلايا الكهروضوئية موجهًا بالأساس لتطبيقات الفضاء وطاقة الأقمار الصناعية. وفي عام 1976، أُنشئت وزارة الطاقة الأمريكية، وكذلك برنامج الخلايا الكهروضوئية. وبدأت وزارة الطاقة، إلى جانب العديد من المنظمات الدولية الأخرى، تمويل البحث في مجال الخلايا الكهروضوئية بمستويات ملحوظة، وسرعان ما أُنشئتْ صناعة الخلايا الشمسية الأرضية، وقد قلَّل التوفير الناجم عن الإنتاج واسع النطاق وكذلك التقدم التقني الحادث في المجال؛ من سعر الخلايا الشمسية على نحو كبير. ويعرض الشكل ١-٢٤ التطور السنوي لسعر ومعدل تركيب الخلايا الشمسية من عام 1980 حتى عام 2007.
fig24
شكل ١-٢٤: متوسط سعر ومعدل تركيب الخلايا الشمسية فيما بين عامي 1980 و2007. انخفض متوسط سعر الخلايا الشمسية بمقدار الثلثين من أكثر من 20$/Wp في عام 1980 إلى 6.5$/Wp في عام 1990. وقد زاد بانتظام معدل تركيب الخلايا الشمسية خلال تلك الفترة. المصدر: «صناعة الخلايا الكهروضوئية الشمسية»، تقرير «التوقعات العالمية» لعام 2008، مصرف دويتشه بنك.

(٤-٢) بعض المفاهيم عن الخلايا الشمسية

فيما يلي قائمة ببعض المصطلحات والمفاهيم الأساسية المتعلقة بالخلايا الشمسية:

(أ) ظروف الإضاءة القياسية

تُختبر كفاءة وقدرة خَرْج أي وحدة (أو خلية) شمسية في ظل الظروف القياسية التالية: شدة إضاءة مقدارها 1000W/m2، ودرجة حرارة محيطة 25 درجة مئوية، وطيف يرتبط بضوء الشمس الذي مر عبر الغلاف الجوي عندما كانت الشمس على ارتفاع 42 درجة من الأفق (حينها تكون كتلة الهواء 1.5، انظر ملحق الصور الشكل ١).

(ب) عامل الامتلاء

إن «فرق جهد الدائرة المفتوحة» هو فرق الجهد بين طرفي الخلية الشمسية في ظل ظروف الإضاءة القياسية عندما يكون للحمل مقاومة لامتناهية مفتوحة. في هذه الحالة، يكون التيار صفرًا. أما «تيار الدائرة الصغيرة» ، فهو تيار الخلية الشمسية في ظل ظروف الإضاءة القياسية عندما تكون مقاومة الحِمل صفرًا. في هذه الحالة، يكون فرق الجهد صفرًا. وباستخدام حمل مُقاوم ، سيكون فرق الجهد