أساسيات الطاقة المتجددة: ما هي الكفاءة الكهربائية؟ وما هو معامل السعة؟

أساسيات الطاقة المتجددة: ما هي الكفاءة الكهربائية؟ وما هو معامل السعة؟ هل سبق لك أن خضت في محادثة مع أشخاص أخرين يتحدثون بنفس لغتك ومع ذلك لا تستطيع فهم ما يقولون؟ يُعزى السبب في ذلك إلى عدم المعرفة بالمصطلحات والمفاهيم الأساسية، لذلك في هذا المقال سنتطرق بشكل أوسع عن اللغة المستخدمة بشكل شائع في مجال الطاقة. إن فهم هذه المصطلحات لا يعني فقط أنك ستكون قادرًا على التحدث بنفس اللغة مثل الآخرين العاملين في مجال الطاقة، ولكن أيضًا يسمح لك بتحليل أفضل لما تقرأه وتسمعه عن أنظمة الطاقة والقدرة. سنتحدث في هذا المقال عن الطاقة ومفاهيم الكفاءة وأيضًا عن الكهرباء والانبعاثات.

ما هي القيمة الحرارية «calorific value»؟

تُعرف القيمة الحرارية بأنها مقدار الطاقة المنبعثة عند احتراق الوقود بالكامل ويُطلق عليها أيضًا حرارة الاحتراق. في بعض الأحيان قد يُعبر عنها إما بأعلى قيمة تسخين أو قل قيمة تسخين. ومع ذلك، فإن قيمة التسخين الأقل هي التي يجب استخدامها إذ أن قيمة التسخين الأعلى هي قيمة نظرية تهم بعض العلماء في أبحاثهم. تُقاس القيمة الحرارية كطاقة لكل كمية، غالبًا ميجا جول لكل كيلوغرام.

ما هي الكفاءة الكهربائية؟

يُستخدم مصطلح «الكفاءة-Efficiency» في أغلب المجالات وأيضًا في محادثاتنا اليومية ولكن عندما نتحدث عن الطاقة يكون لها معنى محدد. تُعرف الكفاءة على أنها نسبة العمل المفيد «Energy Output» الذي تقوم به آلة ما إلى إجمالي الطاقة المُنفقة أو الحرارة المأخوذة «Total Energy Input» ويُعبير عنها كنسبة مئوية. يمكن حسابها باستخدام وحدات الطاقة أو القدرة طالما أن الوحدات متشابهة.

معادلة حساب الكفاءة الكهربائية

ببساطة، يمكن تعريف الكفاءة على أنها مجموع الطاقة المفيدة الخارجة مقسومة على إجمالي الطاقة المفيدة الداخلة. على سبيل المثال، إذا أردنا حساب الكفاءة الكهربائية لمحطة طاقة حرارية، تُحسب الكفاءة بقسمة ناتج الطاقة الكهربائية على فترة زمنية معينة على إجمالي مدخلات الطاقة لنفس الفترة وضربها في 100. سواءً كانت محطة الطاقة الحرارية تعمل على الفحم أو الحرارة الشمسية، فالمعادلة الأساسية هي نفسها. ينبغي الانتباه أنك قد لا تجد دائمًا الأرقام بالشكل الذي تبحث عنه. فمثلًا إذا أردنا معرفة كفاءة محطة طاقة تستخدم 8000 طن من الفحم وتنتج كهرباء بمقدار 740 ميغاواط في اليوم؟ فكيف نحسب كفاءة هذه المحطة في هذه الحالة؟ حسنًا، عليك أولاً معرفة القيمة الحرارية للفحم، حتى تتمكن من ذلك احسب كمية الطاقة التي تدخل إلى محطة الطاقة. لذلك إذا استخدمنا قيمة حرارية للفحم تبلغ 22 جيجا جول / طن، فإننا نقول في يوم واحد:

8000 طن يوميًا مضروبًا في 22 جيجا جول للطن للحصول على 176000 جيجا جول (يوميًا) أو 176 تيراجول (يوميًا) –راجع المقال الأول لمعرفة التحويل بين البوادئ العددية.

ثم ننظر إلى مقدار الطاقة الكهربائية المُنتجة في اليوم الواحد وهي كما ذُكرت في السؤال 740 ميغاواط أو 740 ميغا جول / ثانية وهي معبر عنها بوحدات القدرة (الواط أو جول لكل ثانية) وللتحويل إلى وحدات الطاقة، نحتاج إلى الضرب في عدد الثواني في يوم واحد، وهو 86400 (24 ساعة مضروب في 60 دقيقة مضروب في 60 ثانية) ثم نحصل على 63936000 ميغا جول -هذا رقم يصعب الحديث عنه لذا سنسميه 63936 جيجا جول أو 63.9 تيراجول. الآن يمكننا أخيرًا حساب كفاءة تلك المحطة وذلك بقسمة الطاقة الخارجة على كمية الطاقة المستخدمة أو الداخلة بمعنى آخر نقسم 63.9 تيرا جول على 176 تيرا جول. ثم نضرب في 100 لنحصل على نسبة مئوية مقدارها 36٪. لكن ما معنى ذلك؟ معنى هذا أن هذه المحطة الحرارية ستستخدم حوالي ثلث الطاقة المُدخلة إليها وتحولها إلى كهرباء بينما بقية الطاقة 64% لن يتحول لطاقة مفيدة أي أنه عبارة عن مفاقيد للطاقة.

ما هي كفاءة دورة كارنو «Carnot efficiency»؟

اقترح العالم كارنو نظرية يمكن عن طريقها أن يعمل المحرك الحراري بشكل مثالي.  وتصّور كارنو  محركًا حراريًا «مثاليًا» يعمل بأعلى كفاءة ممكنة ويُعرف أيضًا باسم«دورة كارنو-Carnot Cycle». في هذا المحرك، تنتقل الحرارة من خزان ساخن إلى خزان بارد من خلال مجموعة مكابس أسطوانية، ما يحوّل جزءًا من الحرارة إلى طاقة حركية. نظرًا لأنه كان محركًا مثاليًا، لذا لم يكن هناك أي هدر في الحرارة نتيجةً للاحتكاك أو أية مفاقيد في تغير درجة حرارة الأجزاء الأخرى من المحرك. اقترح “كارنو” أن هذا المحرك لا يمكن أن يحقق كفاءة بنسبة 100٪، وأنه سيكون هناك دائمًا حد أعلى للكفاءة التي يمكنه تحقيقها. وذكرت نظريته: أنه لا يوجد محرك يعمل بين خزانين حراريين يمكن أن يكون أكثر كفاءة من محرك «Carnot» الذي يعمل بين تلك الخزانات نفسها.  تُخبرنا كفاءة كارنو بأقصى قدر ممكن من الكفاءة لنظام طاقة معين يحول الحرارة إلى عمل مفيد وتُحسب كفاءة كارنو بالمعادلة التالية:

حيث:

ηc: هي كفاءة كارنو
Tc: هي أبرد درجة حرارة في النظام (غالبًا حرارة البيئة المحيطة) وتُقاس بوحدة الكلفن
TH :هي أعلى درجة حرارة في النظام (غالبًا مصدر الحرارة) وتُقاس بوحدة الكلفن.

ما هو معامل السعة؟

«معامل السعة-Capacity factor» هو أحد الأرقام المفيدة في أنظمة الكهرباء. يعرف معامل السعة بأنه مقدار الكهرباء التي تولدها بالفعل مقارنة بما يمكن أن تولده إذا قمت بتشغيل مولد الكهرباء طوال الوقت. يمكن حساب عامل السعة بناء على وحدات الطاقة أو القدرة. الشيء الأكثر أهمية هو أن الطاقة أو القدرة المولدة يجب أن تكون خلال إطار زمني ثابت.  توجد العديد من العوامل التي تمنع محطة التوليد من التوليد بكامل طاقتها وقد تكون هذه العوامل خاضعة لسيطرة الإنسان، مثل خيار تقليل التوليد بناءً على تكاليف الوقود أو انخفاض الطلب على الطاقة أو قد تكون عوامل خارجة عن سيطرته مثل الظروف الجوية أو ضوء الشمس المتاح. بغض النظر عن السبب، يتم حساب عامل السعة باستخدام المعادلة أدناه.

الاحتباس الحراري

تُعرف غازات الاحتباس الحراري أو «الغازات الدفيئة-Greenhouse gas» بأنها غازات لها القدرة على حبس الحرارة في الغلاف الجوي. غالبًا ما يتم الحديث عن ثاني أكسيد الكربون كثيرًا ولكن هناك غازات أخرى مثل الميثان وأكسيد النيتروز وسادس فلوريد الكبريت والهيدروفلوروكربون ومركبات الكربون المشبعة بالفلور كلها غازات دفيئة. تحبس هذه الغازات الحرارة في غلافنا الجوي بنفس الطريقة التي يحبس بها الزجاج الحرارة في منزل زجاجي.

تعتمد كمية الحرارة التي يحبسها الغلاف الجوي على كمية كل غاز من غازات الدفيئة في الغلاف الجوي. نحن في الواقع بحاجة إلى تأثير الاحتباس الحراري فبدونه ستكون الأرض باردة جدًا بحيث لا يمكننا العيش عليها. لكن البشر حاليًا وأنشطتهم تزيد من تركيز الحرارة. يمكن الإشارة إلى انبعاثات غازات الاحتباس الحراري بعدة طرق. في كثير من الأحيان، إذا تم التحقيق في مزيج من الغازات فسيتم وصف تأثير الاحتباس الحراري بالأطنان من مكافئ ثاني أكسيد الكربون. معادلة حساب الأطنان من مكافئ ثاني أكسيد الكربون موضحة أدناه:

حيث:

GWP = إمكانية الاحترار العالمي ويُجرى إعادة تقييم GWP طوال الوقت، لذا من الأفضل البحث عن أحدث قيمة له  في تقارير تقييم الهيئة الحكومية الدولية المعنية بتغير المناخ إذا كنت تريد استخدامه.

الكتلة = كتلة الغازات الدفيئة بالطن.

إلى هنا نصل إلى نهاية مقال أساسيات الطاقة المتجددة: ما هي الكفاءة الكهربائية؟ وما هو معامل السعة؟ لمتابعة الجزء الأول من سلسلة أساسيات الطاقة المتجددة، اضغط هنا

المصادر

Energy Principles and Renewable Energy-edx

Energyeducation