أساسيات الطاقة المتجددة: ما هو مفهوم الطاقة؟ وما هي القدرة؟

أساسيات الطاقة المتجددة: ما هو مفهوم الطاقة؟ وما هي القدرة؟ على الرغم من أننا نعيش في القرن الحادي والعشرين، إلا أنه لا يزال هناك حوالي مليار ومئتي مليون شخص في العالم يعيشون بدون كهرباء.

في الوقت الحالي نحصل على معظم حصصنا من الكهرباء عن طريق الوقود الأحفوري سيء السمعة فكلما زاد استهلاكنا للطاقة، كلما ارتفعت نسبة ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي والذي يتسبب برفع درجة الحرارة ونشوء ظاهرة الاحتباس الحراري.

لتوفير الطلب المتزايد على الطاقة سنحتاج إلى إعادة التفكير في مصادر إنتاج الطاقة وإيجاد حلول نظيفة قادرة على تلبية الطلب الهائل للطاقة وفي الوقت ذاته لا تؤثر بشكل سلبي على البيئة ومناخ كوكبنا وهذا الأمر سيتطلب أيضًا التضحية بمبالغ ضخمة لأجل إعادة هيكلة البنية التحتية لإنتاج الطاقة.

من جانب آخر، كلما زاد عدد الأشخاص الذين يفهمون تحديات الطاقة التي تواجهنا، زادت فرصنا لإيجاد حلول لهذا التحدي العالمي. لذا من خلال هذه السلسلة المعرفية سنتعرف معًا على أساسيات الطاقة المتجددة وإن لم تكن عندك معرفة مسبقة في هذا المجال فلا تقلق ستجد ضالتك هنا وسنرشدك إلى كافة المصطلحات والمفاهيم الهندسية والاقتصادية المتعلقة بالطاقة المتجددة.

ما الفرق بين الطاقة والقدرة؟

غالبًا ما يخلط الناس بين هذين المصطلحين لكننا سنوضح الفرق بينهما بشكل أوضح في السطور القادمة. تُعرف الطاقة بأنها المقدرة على إنجاز شغل وتُقاس بوحدة الجول أو بمعنى آخر تُقاس بوحدة واط في الثانية.

لإعطائك فكرة عن وحدة قياس الطاقة، فإن «الجول-Joule» الواحد هو مقدار الطاقة المطلوبة لرفع 100 جرام لارتفاع متر واحد. وللطاقة أشكال عديدة كالطاقة الكامنة وهي الطاقة التي يمتلكها شيء ما بسبب موضعه أو تركيبه الكيميائي ومن أمثلتها طاقة الجاذبية. وعلى النقيض فالطاقة الحركية هي الطاقة التي يمتلكها الشيء بسبب حركته ومن أمثلتها الأمواج والرياح والعجلات. وأيضًا من أشكال الطاقة، الطاقة الحرارية والكهرومغناطيسية وغيرها.

بالنسبة للطاقة الكهربائية فتعرف بأنها ما يستهلكه أو ينتجه جهاز معين من قدرة في فترة زمنية محددة أي أن الطاقة الكهربائية تساوي حاصل ضرب القدرة الكهربائية في الزمن وتقاس غالبًا بوحدة (واط. ساعة) أو (كيلو واط ساعة) بمعنى آخر ما تشتريه من شركة الكهرباء هي طاقة كهربائية فمثًلا إذا اشتريت 10 كيلو واط ساعة وكان لديك ثلاجة تبريد قدرتها 1 كيلو وات فإنها ستستمر بالعمل لفترة عشر ساعات لأنه في كل ساعة ستستهلك الثلاجة 1 كيلو واط. اما القدرة الكهربائية فتُعرف بأنها معدل تحويل الطاقة وتُقاس بوحدة (واط) أو (كيلو واط) أو مضاعفاته ولتبسيط الأمر يمكننا القول بأن الطاقة ترتبط بالقدرة بنفس الطريقة التي ترتبط بها المسافة بالسرعة فالقدرة تناظر السرعة بينما الطاقة تناظر المسافة وبما أن المسافة تُحسب بالعلاقة التالية (المسافة= السرعة/ الزمن) فبالمثل تُحسب القدرة بالعلاقة التالية (القدرة= الطاقة/الزمن).

الطاقة لا تُفنى ولا تُستحدث

بالتأكيد عزيزي القارئ أنك قد سمعت هذه الجملة مرارًا وتكرارًا أثناء مراحلك الدراسية وتعلمت أن الطاقة لا تأتي من العدم ولا تفنى بل تتحول من شكل إلى آخر وهذا ما يُعرف بمبدأ حفظ الطاقة أو بسياقٍ آخر القانون الأول في الديناميكا الحرارية.

يمكنك ملاحظة مبدأ حفظ الطاقة في شتى المجالات فالمصباح الكهربائي الذي ينير غرفتك ما هو إلا أداة تحول الطاقة الكهربائية إلى طاقة حرارية وكذلك سخان المياه في حمامك وتوربينات الرياح تحول الطاقة الحركية إلى طاقة كهربائية والخلايا الشمسية تحول الطاقة الشمسية إلى طاقة كهربائية والأمثلة لا تحصى.

ما هي وحدات قياس الطاقة والقدرة؟

عند النظر إلى المعلومات التي تصف أنظمة الطاقة والتكنولوجيا، من المهم فهم معنى الوحدات المطبقة على الأرقام. توجد العديد من الأسباب وارء استخدام وحدات مختلفة لوصف الطاقة أو القدرة ومن تلك الأسباب أنها تمنح القارئ أو المتعلم الأريحية إذ قد يكون من الصعب النظر إلى عدد  ما بالجول وعدد آخر ب (الكيلوواط ساعة) ومعرفة أيهما أكبر على الفور.

لذلك نحتاج إلى التحويل إلى وحدة مشتركة، يشار إليها أحيانًا على أنها أساس مشترك، قبل أن تتمكن من مقارنة الأرقام أو استخدامها بسهولة فبنفس الطريقة التي لا يمكنك بها إضافة أسابيع وثواني معًا-بالرغم من أن كلاهما يستخدم لوصف الوقت- والتوصل إلى إجمالي الوقت بالأيام، لا يمكنك إضافة (ساعة واط ) وجول معًا للحصول على إجابة  معب عنها بوحدة «برميل النفط المكافئ-barrels of oil equivalents» -وحدة قياس للطاقة-.

في النهاية، لا يهم الوحدة التي تقوم بتحويلها إليها، كل ما تحتاجه هو الحصول على نفس الوحدات قبل أن تتمكن من جمعها أو طرحها.

الصورة التالية تحتوي على بعض الوحدات التي تستخدم لوصف الطاقة وأيضًا القيم المكافئة لوحدة الجول مقارنة مع هذه الوحدات فعللى سبيل المثال واحد واط ساعة(Watt hour) يساوي 3600 جول .

نفس الأمر ينطبق على القدرة فيمكن التعبير عن القدرة بالعديد من الوحدات مثل «وحدة الحصان-Horsepower» و«الوحدة الحرارية البريطانية-British Thermal »وغيرها وتوضح الصورة التالية علاقة هذه الوحدات مع وحدة الواط فمثًلًا 1 حصان يساوي 746 واط.

ما الفرق بين الحرارة ودرجة الحرارة؟

هل تعلم أنه يمكنك إضافة حرارة إلى النظام دون تغيير درجة الحرارة؟ كثير منا يفعل ذلك كل صباح عندما نغلي الماء في الغلاية لتحضير القهوة أو الشاي.

لا يهم مدى سرعة ظهور الفقاعات في الغلاية أو المدة التي تترك فيها المياه لتسخن، فمهما فعلت فلن ترتفع درجة حرارة الماء في الغلاية عن 100 درجة مئوية. هذا لأن كل الحرارة التي تضيفها تُستخدم لإعطاء جزيئات الماء طاقة كافية لتصبح بخار ماء بدلاً من زيادة درجة الحرارة من الماء.

في لغتنا اليومية، نستخدم مصطلحي الحرارة ودرجة الحرارة بشكل تبادلي تقريبًا، ولكن في هذه السلسلة التعليمية، عليك أن تفهم أنهما ليسا نفس الشيء إذ بإمكانك إضافة أو إزالة الحرارة من النظام دون تغيير درجة الحرارة.

تُعرف درجة الحرارة بإنها مقياس لمدى سخونة أو برودة الجسم وتتناسب طرديًا مع الطاقة الحركية لجزيئات ذلك الجسم فجزيئات الماء الساخن تمتلك طاقة حركية أعلى وبالتالي درجة حرارة الماء الساخن تكون عالية وبشكلٍ عامٍ، عندما تمتص المواد الحرارة، تزداد درجة حرارتها، وعندما تطلق الحرارة، تتحرك الجزيئات بشكل أبطأ وبالتالي تنخفض درجة الحرارة.

تُقاس درجة الحرارة بالدرجة مئوية، ولكن غالبًا ما تُقاس أيضًا بدرجات فهرنهايت ويمكنك أن تحول درجة الحرارة من الدرجة المئوية إلى درجة الفهرنهايت باستخدام العلاقة التالية:

تُقاس رجة الحرارة أيضًا بالمقياس المطلق ووحدة قياسها هي الكالفن ولعلك قد سمعت بالصفر المطلق والذي يساوي -273.15 درجة مئوية وعند الصفر المطلق تصل الحركة الحرارية للذرات والجزيئات إلى الحد الأدنى لها أو يمكننا القول، عند درجة حرارة الصفر المطلق تتوقف جميع جزيئات المادة عن الحركة. يمكن التحويل من الدرجة المئوية إلى درجة المطلق باستخدام العلاقة التالية:

إذن ماذا عن الحرارة؟ الحرارة هي أحد أشكال الطاقة وبما أنها كذلك لذا فوحدة قياسها هي “جول” كما ذكرنا آنفًا.

تنتقل الحرارة بشكل طبيعي من الوسط الأعلى درجة حرارة إلى الوسط ما لم يبذل شغل يغير مسار هذه العملية ففي الوضع الطبيعي إذا كان تركت قهوتك الساخنة لوهلة فستنخفض درجة حرارتها أي أن الحرارة انتقلت من الوسط الساخن -كوب القهوة- على الوسط الأقل درجة حرارة-الهواء الجوي- وبالمثل إذا كان الجو حارًا وقمت بفتح نافذة غرفتك فبعد فترة زمنية ستشعر بالسخونة في غرفتك درجة حرارة ولكن هذا لا يحدث إذا كان لديك مكيف تبريد ففي هذه الحالة لم يُعد الأمر طبيعيًا بل أثرت على العملية ببذل شغل ومع ذلك لا تنس أن تغلق نافذة غرفتك أثناء تشغيل المكيف حتى لا تنتقل الحرارة من الوسط الأعلى درجة حرارة-الهواء الجوي في هذه الحالة- إلى الوسط الأقل درجة حرارة-غرفتك في هذه الحالة-.

أخيرًا تُجدر الإشارة إلى أنه عند وجود فرق في درجة الحرارة يمكننا استغلال ذلك في إنجاز شغل وخير مثال على ذلك المولدات الكهروحرارية.

ما هي البادئات العددية «Numerical Prefixes»؟

إن الوحدات الأساسية لقياس كل من القدرة والطاقة هي الواط والجول ولكن هاتين الوحدتين ذات قيم صغيرة جدًا حتى أن متطلبات الطاقة اليومية للفرد حوالي 8 ملايين جول. هذا يعني أنه عند استخدامها ، ينتهي بك الأمر بأعداد كبيرة جدًا للحديث عن الأشياء العادية ومن هنا تكمن أهمية استخجام البادئات العددية لوصف طاقة أو قدرة الأنظمة الكهربائية إذ تتيح لك البادئات إضافة حرف إلى مقدمة الوحدة  لمنعك من إضافة الأصفار في الخلف.

يمكن إضافة البادئات إلى أي وحدات فمثلًا  الكيلوجرام هو في الواقع وحدة الجرام، مع البادئة كيلو مما يعني إضافة 1000. إذن 1 كيلوجرام يساوي 1000 جرام.

هذا أفضل بالطبع خاصة عندما تذهب لشراء 5 كيلو جرام من الطماطم من البائع فليس من الحكمة أن تقول له أعطيني 5000 جرام من الطماطم! في الصورة أدناه تظهر أهم  البادئات العددية الشائعة التي نستخدمها لوصف الأرقام الكبيرة فمثلًا 1000 واط يساوي كيلو واط واحد – وهو يمثل قدرة سخان كهربائي صغير.

أما الميجاواط فتساوي مليون واط فمثلًا تولد توربينات الرياح الكبيرة 8 ملايين واط، لذا من المحتمل أن تكون الميجاواط هي الوحدة  التي قد تستخدم لوصف إنتاج توربيات الرياح من الطاقة.

وألف مليون واط هو نفسه جيجاواط “Giga watt”ونستخدم هذه الوحدة لوصف إنتاج محطات التوليد الكبيرة كالمحطات المبنية على السدود الضخمة. يبلغ استخدام الطاقة في جميع أنحاء العالم حوالي 16 تيراواط “Tera watt” حيث يبلغ التيراواط مليون مليون واط وتُقاس الطاقة الإجمالية المستقبلة من الشمس بالبيتاواط “Peta watt” أي ألف تريليون وآخر ما سنذكره هو إكساوات “Exa watt”، وهي أفضل وحدة يمكن استخدامها لقياس القدرة المطلوبة لتنشيط أقوى ليزر في العالم  وهكذا تساعد هذه البوادئ العديدية في تقليل الأصفار إذ من لأسهل كثيرًا أن تكتب أو تقول بأن المحطة الكهربائية تولد  1.6 جيجاواط مما يقال إنها تنتج ألف ستة مائة مليون واط. وفي النهاية ينبغي التذكير بأن  الأرقام تحتاج إلى نفس الوحدات، بما في ذلك البادئات قبل أن تتمكن من إضافتها أو طرحها.

إلى هناك نصل لنهاية مقالنا التمهيدي أساسيات الطاقة المتجددة: ما هو مفهوم الطاقة؟ وما هي القدرة؟ في سلسلة أساسيات الطاقة المتجددة والذي ناقشنا فيه أهم المفاهيم المتعلقة بالطاقة والقدرة وكيفية وصف كل منهما بالوحدات القياسية.

المصادر:

Energy Principles and Renewable Energy-edx
Heatspring