الوسم: طاقة متجددة

يتزايد الطلب حاليًا على إمدادات الطاقة بسبب النمو المستمر للدول في جميع أنحاء العالم، ونتيجة قيام المدن بالتنمية الاجتماعية والاقتصادية. وتنعكس آثارها بشكل كبير على المدن لارتباطها الوثيق مع أغلب المجالات الأخرى مثل النقل والتصنيع. بالتالي تبرز ضرورة تطوير مجال الطاقة، والتحول من الطاقة التقليدية إلى الطاقة الذكية.

ما هي الطاقة الذكية؟

يشير مصطلح «الطاقة الذكية – Smart energy» إلى استخدام التقنيات المتقدمة والأنظمة الذكية لتحسين إنتاج الطاقة، وتوزيعها، واستهلاكها. وينطوي على تكامل مختلف مصادر الطاقة، بما في ذلك الطاقة المتجددة، واستخدام تكنولوجيا المعلومات والاتصالات ICT لإدارة أنظمة الطاقة بشكل أكثر كفاءةً.[1]

تجمع أنظمة الطاقة الذكية بين أنواع مختلفة من «موارد الطاقة الموزعة- DERs»، و«إدارة جانب الطلب- DSM»، وتقنيات تحويل الطاقة بهدف توفير المرونة في أنظمة الطاقة.[1] وتضمّ موارد الطاقة الموزّعة وحدات لتوليد الطاقة على نطاق صغير، وتقع عادةً بالقرب من نقطة الاستهلاك مثل الألواح الشمسية، أو توربينات الرياح. ويعتبر إدارة جانب الطلب عنصرًا رئيسيًا في نظام الطاقة لأنه يدير استهلاك الطاقة للحدّ من ذروة الطلب، وتحسين كفاءتها.[2]

الجوانب الرئيسية للطاقة الذكية

تشمل الطاقة الذكية عدّة جوانب رئيسية ومنها:

• إنتاج الطاقة، يمكن لأنظمة الطاقة الذكية استعمال مصادر الطاقة المتجدّدة مثل الطاقة الشمسية، وطاقة الرياح لتوليد الكهرباء. كما تستطيع استعمال الشبكات الصغيرة لتحسين إنتاج الطاقة.[3]
• نقل الطاقة، تُستخدم أجهزة الاستشعار، وتقنيات اتّصال متطوّرة لمراقبة نقل الطاقة. من أجل تحديد المشاكل المحتملة قبل أن تتحوّل إلى مشاكل كبيرة، مما يساعد على تقليل هدر الطاقة.[4]
• تخزين الطاقة، تخزّن تقنيات ذكية الطاقة الزائدة مثل البطّاريات، أو «الحذافة- Flywheel» بهدف تحريرها عند الحاجة. يساعد ذلك في تحقيق التوازن بين العرض والطلب على الطاقة، وتقليل الحاجة إلى محطّات توليد الطاقة القائمة على الوقود.[3]
• استهلاك الطاقة، يستخدم تحليل البيانات، وتعلم الآلة لتحسين استهلاك الطاقة في المنازل والشركات والمباني العامة، ويساعد على الحد من هدر الطاقة.[5]
• ذكاء الطاقة، يحلّل الذكاء الاصطناعي AI بيانات الطاقة من أجل وضع التنبؤات حول احتياجات الطاقة في المستقبل.[3]

الشبكات الذكية Smart grids

تعد «الشبكة الذكية- Smart grid» شبكةً كهربائيةً متقدّمةً، تعتمد على تقنيات الاتصالات الرقمية للكشف عن التغييرات في أنماط استخدام الكهرباء، من ثم الاستجابة لهذه التغييرات. ويعتبر نظام الشبكة الذكية نظامًا متكاملًا. يتيح توليد، وتوزيع، واستهلاك الطاقة بكفاءة، ويتكامل عمله مع التقنيات الذكية مثل شبكات الاستشعار، وإنترنت الأشياء IoT. بهدف تمكين تبادل المعلومات وتحسين الاتّصال بين المكوّنات، ومراقبة تدفّق الكهرباء والتحكّم بها، ويشمل كذلك مصادر الطاقة المتجددة.[6]

أنظمة لإدارة الطاقة المنزلية الذكية

تحظى أنظمة إدارة الطاقة المنزلية الذكية بشعبية متزايدة بسبب بحث الناس عن سبل للحد من استهلاك الطاقة، وتوفير المال عن طريق خفض الفواتير. وفيما يلي بعض الأمثلة عن هذه الأنظمة:

• مقاييس (عدّادات) الطاقة المنزلية، وهي أجهزة تراقب وتتعقّب استعمال الطاقة لحظةً بلحظة. وتزوّد أصحاب المنازل بمعلومات مفصّلة عن استهلاكهم للطاقة، وتساعدهم على تحديد الأجهزة التي يمكن تقليل ساعات عملها.[7]
• منظِّمات الحرارة الذكية، وهي أجهزة تضبط درجة الحرارة تلقائيًا في المنزل الذكي على أساس تفضيلات، وعادات مالكي المنزل. تستطيع المنظمات أيضًا تعلم جدول مواعيد الأفراد، فتعدل درجات الحرارة وفقًا لذلك.[8]
• أنظمة إنارة ذكية، يمكن تشغيل الأضواء وإطفاؤها تلقائيًا على أساس تفضيلات سكان المنزل. كما يمكن ضبط سطوع الضوء على أساس الوقت من اليوم، وكمّية الضوء الطبيعي في الغرفة مما يساعد على خفض استهلاك الكهرباء.[8]
• أجهزة تخزين الطاقة، تستطيع هذه الأجهزة تخزين الطاقة الزائدة التي تولّدها الألواح الشمسية مثلًا من ثم يستخدمها السكان في وقت لاحق. فتساعد الأفراد على التقليل من اعتمادهم على الشبكة الكهربائية، وتوفّر المال.[9]

كيف تفيد الطاقة الذكية المدن الذكية؟

تفيد الطاقة الذكية مدن المستقبل بعدة مجالات ومنها:

• فوائد بيئية، تساعد على الحد من انبعاثات الكربون، والتخفيف من تغيُّر المناخ. على سبيل المثال؛ تقوم البلديات البولندية بتوزيع الحرارة المتولّدة من مصادر الطاقة المتجددة، لتقليل الانبعاثات الضارّة من منشآت التدفئة.[10]
• تجارة الطاقة بين الأقران، يمكن «لسلسلة الكتل- Blockchain» تمكين تجارة الطاقة بين الأقران، مما يسمح للأفراد والشركات بشراء وبيع الطاقة مباشرةً بعضهم لبعض. يساعد ذلك على خفض تكاليف الطاقة، وزيادة استعمال مصادر الطاقة المتجددة.[11]
• المركبات الكهربائية EV، تدعم أنظمة الطاقة الذكية المركبات الكهربائية من خلال نشر الهياكل الأساسية لشحن المركبات، واستخدام تقنيات الشحن الذكي ونقل المركبات إلى الشبكة V2G. وتنتج المركبات الإلكترونية انبعاثات أقل مقارنةً بالمركبات التي تعمل بمحرّك الاحتراق الداخلي. نتيجةً لذلك تحد من مستوى الضوضاء، والتلوث، إضافةً إلى توفيرها خدمات النقل.[12]
• فوائد اقتصادية، تعزّز حلول الطاقة الذكية القدرة التنافسية الاقتصادية للمدن من خلال جذب أعمال تجارية واستثمارات جديدة. كما تخلق وظائفًا حديثةً في مجالات مثل التركيب، والصيانة، والتشغيل.[13]

مناطق الطاقة الصفرية

إن «مناطق الطاقة الصفرية- Net Zero energy districts» هي المناطق الحضرية التي تكون فيها كمّيّة الطاقة المستهلكة أقلَّ أو مساويةً لكمية الطاقة المتجدّدة المتولّدة فيها على مدى فترة محددة، وعادةً ما تكون سنةً. وتضمّ مجموعةً من المباني والبنى التحتية التي تُنتج بشكل جماعي كمّيةً من الطاقة، من ثم تستهلكها خلال فترة زمنية معنية. وتعتمد عمومًا على مصادر الطاقة المتجددة. وتنطوي على استخدام أنظمة الطاقة الذكية المختلفة مثل الشبكات الذكية، وتقنيات تخزين الطاقة.[14]

بسبب ذلك توفّر هذه المناطق العديد من الفوائد، مثل زيادة استقلالية الطاقة، وتحسين مرونتها، وبيئة قليلة التلوث، علاوةً على انخفاض سعر الكهرباء للسكّان والشركات. بالرغم من ذلك، لا تخلو من التحدّيات بسبب عوامل مثل ارتفاع التكاليف الأوّلية للتنفيذ، والتعقيدات التقنية، والحواجز التنظيمية، والحاجة إلى التعاون بين أصحاب المصلحة.[14]

نفّذت العديد من المدن في جميع أنحاء العالم خطّطًا لتطوير مناطق الطاقة الصفرية. على سبيل المثال؛ منطقة Bo01 في malmö في دولة سويد، والتي تعتمد على مصادر الطاقة المتجددة وأنظمة الطاقة الذكية.[15] كذلك المركز الوطني الغربي National western center في دنفر عاصمة ولاية كولورادو في أمريكا. وهو عبارة عن حرم بمساحة 100 هكتار، ويخضع لعملية إعادة تطوير كبرى لكي يصبح منطقة طاقة صفرية. فيضمّ الحرم مباني ذات كفاءة في استهلاك الطاقة، إضافةً إلى تقنيات توليد الكهرباء من مصادر الطاقة المتجددة، وأنظمة تخزين الطاقة.[14]

تحديات مستقبلية

من المهم وضع معايير واستراتيجيات دولية توافقية لضمان نجاح نظم الطاقة الذكية. إذ يتطلّب تنفيذ أنظمتها تخطيطًا دقيقًا، وتنسيقًا حذرًا. فقد تواجه المدن عدة تحدّيات لأن أنظمة الطاقة الذكية هي أنظمة معقّدة، تتطلّب تقنيات وهياكل أساسيةً متطورةً للعمل بفعالية. كما تحتاج التحوّل إلى الرقمنة، التي قد تشكّل تحديًا للبنية التحتية الحالية ومقدمي الطاقة التقليدية. نتيجةً لذلك يعدّ تنفيذ هذه الأنظمة وإدارتها أمرًا صعبًا بعض الشيء. [15]

قد يشكّل ضمان أمن البيانات والنظم، وخصوصيتها تحديًا كبيرًا لأن هذه النظم تعتمد على التقنيات الرقمية والربط الإلكتروني، لذلك تكون معرضةً للهجمات السيبرانية.[16] إضافةً إلى ذلك تطرح القدرة على تحمّل التكاليف تحديًا حقيقيًا لمعظم المدن. فيجب ضمان تفوّق فوائد هذه النظم على تكلفتها، وكذلك وضعها في متناول جميع المستعملين بأسعار مناسبة ومحمولة.

في نهاية المطاف، قد تحدث الطاقة الذكية ثورةً في طريقة تفكيرنا واستخدامنا للطاقة، فهي تخلق مسارًا جديدًا نحو مستقبل أكثر نظافةً، واخضرارًا واستدامةً.

المصادر

1. MDPI
2. IEEE
3. Semantic scholar
4. Semantic scholar
5. Frontiers
6. Semantic scholar
7. IEEE
8. Semantic scholar
9. IEEE
10. MDPI
11. Research Gate
12. Research Gate
13. Research Gate
14. MDPI
15. Semantic scholar
16. Research Gate

تصنف الحرارة الجوفية كأحد مصادر الطاقة المتجددة كون الماء الذي يدخل جوف الأرض يتجدد بفعل مياه الأمطار، وتنتج الحرارة عميقًا في باطن الأرض. وبهذا يصبح لدينا مصدر من الممكن الاستفادة منه في توليد الكهرباء، وتدفئة المنازل؛ والمنازل الخضراء.

تعريف مصطلح الطاقة الحرارية الجوفية

بالعودة لأصل مصطلح الطاقة الحرارية الجوفية 《Geothermal》 مأخوذة من دمج الكلمتان الإغريقيتان 《Geo》 والتي تعني أرض، و 《therme》 التي تحمل معنى حرارة. ببساطة من المصطلح ذاته نستطيع تعريف هذه الطاقة بكونها حرارة تأتي من باطن الأرض على شكل بخار أو ماء حار.

كيف تتولد الطاقة في جوف الأرض؟

تتولد الطاقة الجوفية للأرض بصورتها الخام وهي الحرارة في لب الأرض، في عمق يصل إلى أربعة آلالاف ميل من سطح الأرض. يؤدي انصهار المواد المشعة في باطن الأرض إلى إنتاج درجات حرارة عالية تتجاوز قيمتها درجة حرارة سطح الشمس. لفهم أين تحدث هذه الظاهرة علينا في البدء معرفة الطبقات المختلفة التي تكون الأرض:

اللب 《 The Core》

اللب بحد ذاته يتكون من طبقتين: لب حديدي صلب، ولب خارجي يتكون من انصهار الصخور المختلفة المسماة بالماجما 《Magma》.

غلاف اللب الأرضي 《Mantle》

وهو ما يحيط باللب، ويصل إلى عمق ١٤٠٠ أميال. ويتكون من طبقة من الماجما، وطبقة أخرى خارجية صخرية.

القشرة الأرضية《The Crust》

أو ما تسمى بالأديم تعتبر الطبقة الخارجية للأرض. وهي الطبقة التي تكون القارات، وقاع البحار والمحيطات. تصل سماكتها إلى خمسة وثلاثين ميل في القارات، خمسة أميال في قاع المحيطات.

كيف تكون الحرارة في جوف الأرض؟

تنتقل الحرارة من المناطق الحرارة إلى الباردة، وبهذا تتدفق حرارة الأرض من عمقها إلى سطحها لتغذية المحطات التي يراد تدويرها. بفعل العمليات الجيولوجية والتي تعرف بإسم انقسام الصفائح التكتونية، انقسمت طبقة الأرض الخارجية إلى اثني عشرة صفيحة أصبح تتحرك مبتعدة أو مزاحمة لبعضها البعض بمعدل ميليميترات في السنة. عند اصطدام صفيحتان ببعضهما، تدفع أحدهما الأخرى من أسفل ليحدث بهذا ما يسمى بخنادق المحيطات أو الزلازل القوية. وبالتالي في العمق، تحديدًا فوق الصفيحة التي تحركت إلى أسفل، ترتفع درجات الحرارة بشكل كبير مسببة ذوبان الصخور والتي تكون الماجما أو الصهارة. ولأن الصهارة ذات كثافة أقل من الصخور المحيطة بها، تتحرك إلى أعلى مندفعة نحو قشرة الأرض حاملة معها الحرارة. وفي بعض الأحيان الصهارة ترتفع إلى السطح على الشقوق لتشكل الحمم البركانية. إلى أن معظم الصهارة تبقى تحت القشرة الأرضية، وتعمل على تسخين الصخور المحيطة بها والمياه الجوفية. وبهذا تعتبر هذه الحرارة مصدرًا يتم الاستفادة منه عبر حفر آبار عميقة لضخ الماء الحار، والبخار إلى السطح.

أماكن تواجد الطاقة الحرارية الجوفية

تستخدم تقنيات جيولوجية، وهيدروجيولوجية، وجيوفيزيائية، وجيوكيميائية لتحديد كميات مصادر الطاقة الجوفية. تعنى الدراسات الجيولوجية والهيدروجيولوجية بتحديد مناطق الينابيع الساخنة، ومتابعة أي دلائل تشير إلى وجود طاقة حرارية كامنة لعمل توصيات على المناطق التي من المفضل حفر الآبار فيها.

متى بدأ استخدام الطاقة الحرارية الجوفية؟

لطالما كان استخدام الماء الحار القادم من باطن الأرض شائعًا منذ العهود القديمة. فقد استخدم كلًا من الرومان، والصينيون، وسكان أميركا الأصليين الينابيع المعدنية الحارة للاستحمام، والطبخ، والتدفئة. حاليًا من أكثر الاستخدامات شيوعًا لهذا المصدر هي تدفئة المنازل عبر أنابيب يضخ الماء من خلالها، لتحيط بالمكان المراد تدفئته. بالإضافة إلى استخدامها في تنمية المحاصيل الزراعية، وتجفيف الخشب، والفواكه، والخضار.

محطات الطاقة الحرارية الجوفية

كمية الحرارة من مصادر الطاقة الجوفية هي ما تحدد إن كان الموقع صالح للاستخدام من عدمه. إنتاج الطاقة من مصادر الطاقة الجوفية للأرض يتطلب وجود مصدر يحتوي على كمية حرارة تصنف من متوسط إلى عالي. يتم إنتاج الكهرباء من مصادر الطاقة الجوفية للأرض بالوقت الحالي باستخدام أحد أربع تقنيات متواجدة حاليًا على مدى الاستخدام الاقتصادي:

١- محطات البخار الجاف المباشرة《Direct Dry Steam Plants》:

تعتبر هذه المحطات الأقدم. يتم فيها الإستفادة من بخار الماء ذو الضغط المنخفض من مصدره الرئيسي عبر عنفة بخارية مصممة خصيصًا لهذا الإستخدام المباشر. يستخدم هذا النوع مع المحطات نوع من العنفات البخارية التي تعنى بتكثيف البخار كوظيفة أساسية. يعاد تدوير البخار المكثف في نظام دائرة مغلقة، أو تبخيره إلى أبراج تبريد رطبة. تستخدم هذه المحطات بخار لا تقل درجة حرارته عن 150 درجة مئوية، بالإضافة إلى ذلك يجب أن يكون البخار الداخل إلى العنفة جاف بنسبة تصل إلى 99.995% لتجنب تكلس أو تآكل العنفة ومنظومة الأنابيب. تتراوح القدرة الإنتاجية لمحطات البخار الجاف من 8 ميجا واط إلى 140 ميجا واط.

محطات التبخير الفجائي 《Flash Plants》

تعتبر هذه المحطات الأكثر شيوعًا حاليًا في توليد الطاقة عبر الطاقة الحرارية الجوفية. المنظومة تشبه محطات البخار الجاف، إلا أنها تستخدم البخار الآتي من عملية مسبقة تسمى بالتبخير الفجائي قبل دخوله إلى العنفات في عملية تكثيف نقي، ليتم بعدها إرسال البخار المكثف إلى دائرة نظام مغلق في المنظومة، أو إلى منظومة البتخير الفجائي تحت ضغوط منخفضة مرة أخرى. تنخفض حرارة المائع حين انخفاض ضغطه، لذا تعتبر هذه المحطات مثالية للبخار الخام ذو الحرارة التي تتجاوز 180 درجة مئوية. تختلف القدرة الإنتاجية لهذه المحطات بحسب مراحل التبخير الفجائي الذي يمر به البخار، فإن كانت منظومة آحادية تنتج المحطة ما بين 0.2 إلى 80 ميجا واط، وإن كانت ثنائية تعطي المحطة طاقة تتراوح ما بين 2 إلى 110 ميجا واط، وكذا تنتج المحطات ذات التبخير الفجائي الثلاثي قدرة تتراوح ما بين 60 إلى 150 ميجا واط.

المحطات الثنائية《Binary Plants》

تبنى هذه المحطات في مواقع الطاقة الجوفية ذات المحتوى الحراري 《Enthalpy》 المنخفض أو المتوسط. يدخل المائع المعالج إلى مبادرات حرارية ليتم تسميته ورفع حرارته في منظومة دورانية مغلقة. المائع المعالج المستخدم والذي يتكون من خليط الأمونيا والماء المستخدم في دورة كالينا، أو خليط هيدروكربوني في دوائر راكنين العضوية لديهما نقاط تكثف وغليان مناسبة الحرارة مصادر الطاقة الجوفية. بشكل عام، تستخدم المحطات الثنائية في مصادر طاقة تتفاوت درجات حرارتها ما بين 100 و 170 درجة مئوية. رغم إمكانية استخدام مصادر ذوات درجات حرارة أقل 100 درجة مئوية، إلى أن هذا يقلل من فعالية خرج الإنتاجية الكهربائية. تتفاوت القدرة الإنتاجية لمحطات الثنائية ما بين 1 و 50 ميجا واط.

المحطات المدمجة أو الهجينة 《Hybrid Plants》

تدمج بعض محطات الطاقة الجوفية دوائر حرارية مثل: دائرة رانكين لإنتاج الكهرباء من ما يمكن أن يعتبر مخلفات حرارية من الدوائر الثنائية. يساعد استخدام دائرتان حراريتان لرفع الإنتاجية الكهربائية. تتراوح القدرة الإنتاجية لهذه المحطات ما بين بضعة ميجا واطات إلى 10 ميجا واط. تستخدم محطات الطاقة الجوفية المدمجة الأساسيات ذاتها التي تستخدمها محطات الطاقة الجوفية العادية، إلى أنها تضيف إليها مصدر حراري آخر في العملية، على سبيل المقال: حرارة من محطة طاقة شمسية مركزة. تضاف هذه الحرارة إلى الطاقة الجوفية لتزيد الحرارة وبالتالي خرج الطاقة.

المصادر:

[1] GEOTHERMAL POWER.
Intermediate Energy [2]

ما هي الطاقة الكهرومائية؟

هي أحد صور تحول الطاقة الكامنة إلى طاقة متحركة، وتعتبر أحد مصادر الطاقة المتجددة النظيفة الخالية من الملوثات الهوائية والأرضية والمائية.
تأتي الطاقة الكهرومائية من الماء المتدفق من عدة مصادر، قد تكون العيون، أو الأنهار، أو الشلالات. حركة الماء المتأثرة بالجاذبية الأرضية تعطيه قوة دفع تساعد على تحريك العنفات، والتي بدورها تحرك المولدات لإنتاج الطاقة الكهربائية.[1]

دورة الماء والشمس

يمكننا أن نعزي صورة هذه الطاقة كأحد صور الطاقة الشمسية، فما يحدث هنا بالضبط هو نتيجة ما يسمى بالدورة الهيدرولوجية أو دورة الماء، وهي نتاج حركة المياه على الأرض، وداخلها، وفوقها وتحول حالتها بسبب تغير الحرارة، والأشعة القادمة من الشمس.[1]

الدورة الهيدرولوجية

عندما تقوم الشمس بتسخين المحيطات مكونة بذلك بخار ماء متصاعد يتحرك بحركة التيارات الهوائية الناتجة عن تغير الضغط، يتكثف بخار الماء في طبقات الجو العليا ليكون سحب مشبعة ببخار الماء، والتي تتحرك بدورها بفعل التيارات الهوائية حول الكرة الأرضية، مما يؤدي إلى اصطدام بعضها البعض مسببة تساقط الأمطار.
بحسب المنطقة الجغرافية التي يتساقط فيها المطر تختلف حالة المادة، فمثلًا في المناطق ذات الظروف المناخية الباردة يتساقط الماء كثلوج تتراكم لتكون أنهار جليدية تذوب حينما تبدأ درجات الحرارة بالارتفاع، أما في الظروف المناخية الحارة يتساقط المطر في حالته السائلة.

تعاود الأمطار الهاطلة السقوط إما فوق المحيطات والبحار، وإما فوق سطح الأرض لتسيل كمياه أمطار جارية نتيجة للجاذبية الأرضية. ثم يعود بعض من هذه المياه إلى مجاري الأنهار، ليتحرك نحو المحيطات.

من جهة أخرى، مياه الأمطار التي تسقط على سطح الأرض، يتسرب بعضها إلى جوف الأرض بفعل عملية الارتشاح لتشكل مياه عذبة جوفية. يبقى جزء من هذه المياه قريباً من سطح الأرض، ويمكن أن يسيل مرة أخرى إلى داخل مجاميع المياه السطحية لتشكل مياهاً جوفية. تجد بعض من المياه الجوفية فتحات على سطح الأرض حيث تخرج منها كينابيع من المياه العذبة. وهكذا تظل المياه تتحرك ليعود بعضها إلى مصادره الأولية لتنتهي بذلك دورة هيدرولوجية واحدة، لتحل محلها دورة أخرى.[2]

موجز تاريخي لتطور الطاقة الكهرومائية

منذ بداية عصور الحضارة، حاول الإنسان استغلال المياه الجارية، فعمد إلى استحداث طرق مبتكرة للاستفادة من الطاقة الهيدروديناميكة للماء، والتي ساعدتنا للوصول إلى أحدث التقنيات المستخدمة حاليًا في توليد الطاقة الكهرومائية.[3]

تقنيات الطاقة المائية في العصور القديمة

في العصور القديمة في بلاد الرافدين، قبل ستة آلاف سنة تقريبًا، تم تطوير تقنيات زراعية، وأجهزة تعتمد على الماء كعنصر رئيسي لتشغيلها مثل الساعات المائية، والتي تعتبر أحد أقدم الطرق لقياس الوقت.[3]

في العام ألف قبل الميلاد، طور الفرس تقنية تمت تسميتها بقنات. تعتمد بشكل رئيسي على بناء قنوات طويلة، وضيقة تقام بشكل عمودي لتزود السكان بالماء على مستوى مدن بأكملها. وبنفس الوقت، قام الصينيون ببناء تقنية مشابهة لتقنية قنات في منطقة تسمى طوربان في الصين.[3]

إلا أن أول محاولة لاستخدام الماء في إنتاج الطاقة كانت في الصين في عهد سلالة الهان الغربية عام ٢٠٢ قبل الميلاد. كانت عبارة عن مطرقة ضخمة مزودة بعجلة مياه رأسية أطلق عليها إسم مطرقة الإمالة، واستخدمت بشكل رئيسي في طحن الحبوب، وتكسير خام المعادن، وصناعة الورق.[4]

تقنيات الطاقة المائية في العصور الحديثة

المحاولات الأولية للاستفادة من طاقة المياه لإنتاج الكهرباء كانت مرافقة لبداية النمو الاقتصادي للحضارة الغربية، عندما قام ريتشارد أركرايت بإنشاء طاحونة كرومفورد، في وادي ديرونت، في إنجلترا عام ١٧٧١ لاستخدامها في صناعة القطن والذي يعد أول نظام مصنعي متكامل في العالم تم تشغيله باستخدام الطاقة المائية.[4]

حصلت بعض التطورات الرئيسية في تقنية الطاقة المائية في النصف الأول من القرن التاسع عشر. ففي عام ١٨٢٧، أنشأ المهندس الفرنسي بينوا فورنيرون عنفة مائية تعمل على إنتاج ستة حصان من الطاقة.[4]
عام ١٨٤٩، طور المهندس الأميركي البريطاني جيمس فرانسيس أول عنفة مائية حديثة، والتي ما زالت قيد الاستخدام الواسع حتى يومنا هذا.[4]
في القرن العشرين، قام البروفيسور النمساوي فيكتور كابلان بتطوير عنفة كابلان عام ١٩١٣ والتي تعتبر أول عنفة مائية ذات مراوح فاتحة بذلك المجال لدخول مرحلة حديثة من إنشاء محطات كهربائية كاملة تعمل بالطاقة المائية.[4]

[1] Hydroelectric Power.
[2] A Summary of the Hydrologic Cycle
[3]A brief history of Hydroelectricity
[4]A brief history of hydropower

طاقة الرياح أُنشأت بشكل ناجح في معظم أنظمة إنتاج الطاقة الكهربائية حول العالم، إلا أن إنشاء هذه المصادر الجديدة؛ والتكنولوجيا الحديثة تحتاج لدعم كبير للأبحاث الموجهة في هذا الصدد. لا يمكن القول أن طاقة الرياح تؤسس مصدر طاقة حديثة، بحيث شهدت تطور مهم منذ القرن العشرين، وفي حالة الاستخدامات الكهربائية التي بدأت منذ منتصف القرن المنصرم. هذه النتائج تؤكد وجود معرفة و خبرات متراكمة أينعت ثمارها في العقد الماضي.[1]

مبدأ الطاقة لعنفات الرياح

تتكون الرياح من جزيئات صغيرة تحمل كلًا منها طاقة حركية نُعبر عنها باستخدام معادلة الطاقة الحركية:

m= الكتلة، v= السرعة.
عندما يتعلق الأمر بحساب الطاقة الحركية للرياح، يصبح من المستحيل حساب الطاقة الحركية لكل جزء بسرب الرياح لوحده. لهذا يُعبر عن كتلة الجزيئات كمقدار موحد متجانس من الكتلة التي تسري خلال نظام معين بمعدل وحدة زمنية معينة، فيصبح التعبير عن مقدار الطاقة الحركية للرياح بالشكل التالي:

A= مساحة مقطع الريش، ρ= كثافة الهواء، V= حجم الهواء، v= سرعة الهواء.
ومن هنا يصبح لدينا مقدار الطاقة التي يمكن الاستفادة منها وتحويلها إلى شكل آخر للطاقة عبر المنظومة المراد استخدامها.

إن نظام تحويل الطاقة لا يمكن أن يستفيد من الطاقة الحركية التي يستقبلها بكفاءة ١٠٠%، بسبب الفواقد في الطاقة التي يكون سببها ارتطام جزيئات الهواء بمراوح المنظومة من جهة، وذهاب جزء آخر من طاقتها التي تحملها بتدوير المراوح من جهة أخرى.

طبقًا لمبدأ ألبرت بيتز الذي ينص أن أفضل كفاءة من الممكن الوصول لها للاستفادة من الطاقة الحركية للرياح تعادل ٥٩%. ومن هنا يأتي السؤال عن كيفية الوصول لهذه الكفاءة.
من معادلة الطاقة السابق ذكرها، يمكن الاستدلال أنه كلما ازدادت سرعة الرياح، ازدادت تِبعًا الكفاءة. وبالتالي يمكننا القول بأن معرفة العوامل التي تحكم سرعة الرياح، تؤسس الأطر الأساسية التي يجب الاعتماد عليها لبناء منظومات طاقة الرياح.

أول وأهم هذه العوامل هو الموقع الجيد! إذ يجب أن يكون مرتفعًا بالشكل المطلوب، وفي منطقة مفتوحة؛ فلا يصح وجود أجسام عالية تعيق الرياح وتسبب ظاهرة القص الهوائي.

الديناميكا الهوائية لعنفات الرياح

خلافًا لمراوح طواحين الهواء المتعارف عليها، والتي اعتمدت على قوة الرياح لدفع المراوح وإجبارها على الحركة أوتوماتيكيًا، بنيت العنفات الحديثة على مفاهيم أكثر تعقيد بناءًا على نظريات الديناميكا الهوائية وميكانيكا الموائع الأحدث.
أحد مبادئ الديناميكا الهوائية الأساسية المستخدمة في بناء الطائرات، يُستخدم أيضًا في تسيير عنفات الرياح. والذي يعتمد على مبدأ تبادل رئيسي بين قوتين تتحكمان في تسيير الأجسام تحت تأثير الهواء. وهما:

• قوة الرفع: والتي تؤثر على الجسم المتحرك بشكلٍ عموديٍّ على اتجاه سريان الهواء.
• قوة الجر: والتي تؤثر على الجسم المتحرك بشكلٍ موازٍ لسريان الهواء.

ولأن الأساس بالتصميم الحديث لريش العنفات الحديثة اُسْتُوحي من تصميم أجنحة الطائرة، فسنرى بأن مفهوم السطح الإنسيابي الهوائي المقوس «Airfoil» في أجنحة الطائرة تم تطبيقه على ريش العنفات الحديثة على حدٍ سواء.
نرى أن سطح أحد جانبي الريش يكون مقوسًا، خلافًا للجانب الآخر الذي يكون بالعادة مسطّحًا نسبيًا. يساعد وجود هذا التصميم بشكل خاص على انتقال الهواء مرورًا بالجانب المقوس الموازي لاتجاه هبوب الرياح من الريشة، فيصل إلى نهاية الريشة كي يلحق بالهواء الساري خلال الجانب المسطح المعاكس لاتجاه الرياح. ينتج عن سريان الهواء السريع، تولد منطقة ضغط منخفض أمام الجانب المقوس، والتي تعمل على رفع الريشة لتدور وفق اتجاه الرياح. في الجهة المعاكسة لاتجاه الرياح من الريشة، يسري الهواء بسرعة أبطئ، مولدًا بذلك منطقة ضغط عالٍ تجر الريشة، وتبطئ سرعتها.[2]

أنواع عنفات الرياح

هنالك نوعان من عنفات الرياح المستخدمة حاليًا، وتصنف بحسب اتجاه دوران عمود الإدارة إلى: عنفات ذات محور أفقي، وعنفات ذات محور عمودي.
بالنسبة لأحجامها فهي تختلف وتتنوع، فالعنفات الصغرى تُستخدم لتشغيل المنازل أو المؤسسات الصغرى التي تتطلب طاقة أقل من ١٠٠ كيلو واط. أما الأحجام التجارية الكبرى، فقد تصل الطاقة التي يمكن أن تنتجها إلى خمسة مليون واط، أو خمسة ميجا واط. العنفات الكبرى تجمع بعض الأحيان معًا لتشكل مزارع رياح تزود الطاقة على مستوى واسع.[3]

عنفات المحور الأفقي «HAWT»

معظم أجهزة الرياح المستخدمة اليوم تقع ضمن هذا التصنيف، هذه العنفات لديها ريش تشبه مراوح طرد الهواء في الطائرة. يوازي طول التصميم القياسي لها طول مبنى مكون من عشرين طابق، ويحتوي على ثلاثة ريش أساسية موازية للأرض وتدور ضمن محيط يصل إلى مائتين قدم. يتجاوز طول مراوح أكبر تصميم يقع ضمن هذا النوع من العنفات طول ملعب كرة قدم، وصمم بهذا الطول والعرض حتى يتم الاستفادة من أكبر قدر من الرياح.[3]

عنفات المحور العمودي «VAWT»

لدى هذه النوعية مراوح تمتد من الأعلى إلى الأسفل، والنوع الأكثر شيوعًا المسمى بعنفة رياح داريوس يشبه آلة خفق بيض عملاقة. يصل طول هذه العنفات إلى مائة قدم، وعرض خمسين قدم. تشغل عنفات المحور العمودي نسبة صغيرة من المنظومات المستخدمة في الوقت الحالي.[3]

شبكة الدوار لتقوية الرياح «The Wind Amplifier Rotor Platform»

يعتبر نوع مختلف وآخر من منظومات الرياح، مصمم خصيصًا ليكون أكثر فاعلية ويشغل مساحة أقل من المساحة التي تشغلها منظومات الرياح الأخرى. الوارب «WARP» كما تم اختصار مسماه، لا يتطلب عنفات كبيرة الحجم، بدلًا عنها؛ يستخدم عنفات تشبه تصميمها تصميم شفاطات الهواء أو مجموعة من عجلات السيارات المكدسة فوق بعضها. كل جزء لديه زوج من العنفات الصغرى عالية القدرة يتم تركيبها داخل إطار مقعر. يسحب سطح الإطار الرياح نحو العنفات مزودًا إياها بسرعة أعلى قد تصل إلى ٥٠ %.الشركة التي صممت وارب والمدعوة بإينكو«ENCO»، تخطط لتسويق تصميمها الحديث هذا إلى منصات الحفر البحرية، وأنظمة الاتصالات اللاسلكية.[3]

محطات الرياح للطاقة

تتكون محطات الرياح، أو ما تعرف باسم مزارع الرياح، من مجموعات من منظومات الرياح المستخدمة لإنتاج الطاقة الكهربائية. لدى مزرعة الرياح عشرات الوحدات موزعة على نطاق واسع. توجد أكبر مزرعة رياح في تكساس، وتتكون من 421 عنفة تولد طاقة لتغطي ٢٢٠ ألف منزل في السنة.[3]

مكونات منظومة الرياح للطاقة

١- البرج

البرج مصمم ليحمل الجزء الدوار والقمرة لعنفة الرياح إلى الارتفاع المطلوب. الأنواع الرئيسية للأبراج المستخدمة في العنفات الحديثة هي: أبراج شبكية، وأبراج فولاذية أُحادية، والأبراج المدعمة بالكابلات.[3]

1. الأبراج الشبكية «Lattice Tower»: مصنوعة من أعمدة الفولاذ المجمعة معًا بشكل بنية شبكية، تصميمها شبيه بتصميم أبراج نقل الكهرباء العادية. هذه الأبراج تستخدم نصف المواد المطلوبة لتصنيع الأبراج الفولاذية الأُحادية، وبالتالي تعتبر أخف وزنًا وأقل تكلفة. أرجل البرج تنفرج بشكل واسع، موزعة بذلك الأحمال عليها بالتساوي.[3]
2. الأبراج الفولاذية الأحادية «Turbular Steel Tower»: مصنوعة من عمود مخروطي يزيد قطره تدريجيًا نحو القاعدة، وتوفر مساحة مقطعه الدائرية مقاومة لي عالية. يتراوح طوله من عشرة إلى عشرين متر.[3]
3. الأبراج المدعمة بالكابلات «Guyed Tower»: مناسبة للمنظومات الصغيرة، بحيث يتم تثبيت العنفة فوق أسلاك مشدودة. تتميز هذه الأبراج بوزنها الخفيف، وتكلفتها المنخفضة نسبيًا.[3]

٢- الجزء الدوار «Rotor»

يعتبر أهم مكونات عنفة الهواء «Wind Turbine»، ودوره يتلخص باستقبال الطاقة الحركية من الرياح وتحويلها إلى عمود الإدارة«Shaft». يتكون الجزء الدوار من:

• ريش «Blades»
• مشبك«Hub»
• عمود إدارة«Shaft» مصقولا من الفولاذ الصلب
• محامل«Bearings»، وأجزاء داخلية أخرى.[3]

الريش «Blades»

الريش كما ذكر سابقًا، لديها أجزاء ذات سطوح انسيابية مقوسة. بالنسبة لعدد ريش العنفات المستخدمة حاليًا في معظم المنظومات لا يتجاوز ثلاثة ريش للعنفة الواحدة، إلا أن بعض عنفات الهواء الصغيرة المستخدمة في شحن البطاريات، لديها ريش أكثر قد تصل إلى ستة بسبب الحاجة لتشغيلها الآلي في سرعات رياح منخفضة. المواد المستخدمة في صناعة الريش تتفاوت بحسب حجم المنظومة، فمثلًا الريش الخشبية والمعدنية تُستخدم للمنظومات الصغيرة. بينما تستخدم معظم المنظومات الكبيرة والتجارية ريش مصنوعة من الألياف الزجاجية متعددة الطبقات.[3]

المشبك «Hub»

ريش الجزء الدوار مرتبطة بالمشبك، والذي يتكون من براغي، ومحامل الريش، ونظام تأرجح«Pitch System». يحتوي المشبك على نقاط لتثبيت الريش والوصلات الميكانيكية المصممة للتحكم بانحدار الريش. وهو أحد أهم مكونات الجزء الدوار، ولهذا يُصمم بمواصفات متانة عالية، فالمادة المستخدمة في تصنيعه هي صفائح حديد الزهر.[3]

المحامل «Bearings»

عمود الإدارة الرئيسي للعنفة يمر خلال المحامل الرئيسية. المحامل الكروية 《Roller Bearings》 هي المستخدمة والأكثر شيوعا، لقدرتها على تحمل الأخطاء البسيطة الناتجة من انحراف العمود مانعة بذلك حدوث زيادة بالأحمال الجانبية.[3]

٣- صندوق تروس السرعات «Gear Box»

يعتبر جزئية مهمة في عملية تحويل الطاقة في عنفة الرياح. تتراوح سرعة الجزء الدوار لعنفة الرياح بين ٣٠ إلى ٥٠ دورة/ دقيقة. بينما قد تصل السرعة القصوى للمولد إلى ١٥٠٠ دورة/ الدقيقة، هنا يأتي دور صندوق السرعات للتلاعب بالسرعة طبقًا لمتطلبات المنظومة من الطاقة. مصمم ليعمل بسلاسة حتى تحت الظروف البيئية السيئة.[3]

تتحقق السرعة المطلوبة في العنفات الصغير عبر تطبيق مرحلتين، أو ثلاث مراحل لمنظومة التروس. أما في العنفات الأكبر، يتم استخدام تجميعة من التروس الكوكبية«Planetary Gears» والعادية معًا.[3]

٤- المولد «Generator»

يعتبر المولد أحد أهم مكونات نظام تحويل طاقة الرياح. بعكس المولدات المعتاد استخدامها في أنظمة تحويل الطاقة الأخرى، يعمل مولد عنفة الرياح تحت مستويات طاقة متقلبة، بسبب تفاوت سرعة الرياح.[3]
عنفات الرياح الصغيرة مزودة بمولد ذو تيار مستمر تصل قدرته إلى واحد كيلو واط، بينما الأنظمة الكبرى فتستخدم مولدات التيار المتردد ذوات الطور الواحد، أو الثلاثة أطوار. محطات الرياح تستخدم مولدات ذات ثلاثة أطوار، وهذه المولدات قد تكون في بعض الأحيان مولدات تزامنية.[3]

المصادر:

1. Future of wind: Deployment investment, technology, grid integration and socio-economic aspects
2. wind-power
3. Wind Energy Fundamentals ,Resource Analysis and Economics

تعود مساعي الإنسان للاستفادة من طاقة الرياح إلى العصور القديمة عندما حاول استخدامها للإبحار. بعدئِذ خدمت الرياح البشرية عبر تغذية الطواحين العملاقة بالطاقة التي استخدمت لطحن الحبوب، وتشغيل مضخات الماء. مرت هذه التقنية بمراحل تطور عديدة امتدت لعقود، لتصل إلى منظومتها الحديثة المعقدة. وسنتحدث هنا عن نبذة عن تاريخ طاقة الرياح.

كيف تتكون الرياح؟

الشمس هي المحرك الرئيسي المتحكم بنطاق واسع من تغيرات الأحوال الجوية للأرض. يتلقى خط الإستواء كميات كبيرة من الإشعاع الشمسي مقارنة بما يتلقاه القطبان الشمالي والجنوبي، مما ينتج عنه ارتفاع درجة حرارة سطح الأرض عند خط الاستواء، وبالتالي ارتفاع درجة حرارة الهواء الملامس له، فتقلّ كثافته ويرتفع نحو الأعلى مسبباً بانخفاض ضغط الهواء في الطبقات الدنيا. عكس هذا يحدث في المناطق القطبية، حيث تكون درجة حرارة الأرض منخفضة ممّا يؤدّي لانخفاض درجة حرارة الهواء الملامس له وارتفاع كثافته وهبوطه بالقرب من سطح الأرض، الأمر الذي يتسبب في ازدياد ضغطه وتحركه نحو المناطق الحارة المنخفضة الضغط الملامسة لسطح الأرض، بينما يأتي مكانه الهواء الساخن القليل الكثافة القادم من المناطق الاستوائية الحارّة.[1]

طاقة الرياح في التاريخ القديم

ثمة خلاف تاريخي حول بداية ظهور هذه الميكانيكية المستخدمة للرياح كمصدر طاقة. يرجح البعض بأنها ظهرت لأول مرة في بابل، حيث يعتقد أن الملك البابلي حمورابي خطط لاستخدامها في مشروع الري الموسع الذي كان يطمح إليه في القرن السابع عشر قبل الميلاد؛ والبعض الآخر يفترض بأنها ظهرت لأول مرة في الهند.[2]

طبقًا لما ورد في أرثاشاسترا – المخطوطة السنسكريتية التي كتبها كاوتيليا خلال القرن الرابع قبل الميلاد – عن إشارة إلى آلالات تدار عبر الرياح لتعمل على رفع المياه. عدا هذه المخطوطة، لم يتم إيجاد تسجيل دقيق يثبت وجود هذه التقنيات على أرض الواقع، أو دلائل محسوسة تؤكد ترجمتها إلى ميكانيكيات واقعية مستخدمة.[2]

بداية عصر الطواحين الهوائية

أقدم تسجيل تاريخي موثق لتصميم الطواحين الهوائية يعود إلى القرن الثاني قبل الميلاد. يشير إلى استخدام الفرس الطواحين الهوائية لطحن الحبوب خلال تلك الفترة، مستخدمين آلات رأسية المحور مزودة بأشرعة مصنوعة من حزم القصب، أو الخشب. كان حجر الطحن مرتبط بعمود رأسي، وتم ربط الأشرعة بالمركز باستخدام دعامات أفقية. حجم الأشرعة يحدد من خلال المواد المستخدمة في التصنيع، لكن عادة كانت أبعادها بين خمسة متر طولي، وتسعة متر ارتفاع.[2]

بحلول القرن الثالث عشر ميلادي، كانت المطاحن منتشرة في أوروبا. تبنى الفرنسيون التقنية في عام ١١٠٥ ميلادية، ولحقهم الإنجليز في عام ١١٩١ ميلادية. خلافًا لتصميم الفرس الرأسي، الطواحين الأوروبية كانت أفقية المحور، ذات بنية مزينة. بني البرج من الخشب، أو الطوب؛ وصممت مساحة مقطعه العرضي لتأخذ شكلًا دورانيًا، أو متعدد الأضلاع. كان يتم توجيه العضو الدوار يدويًا إلى اتجاه الرياح عبر تحريك الذيل، وبالمثل كان يتم حماية الطاحون من الرياح العاتية عبر إدارة العضو الدوار عكس اتجاه الرياح، أو إزالة القماش الذي يغطي العضو الدوار.[2]

ضخ الماء باستخدام الرياح

أتى بعدها الهولنديون بتصميم مستحدث من صنع المصمم «يان أدريانسن». أدخلت العديد من التحديثات للتصميم، وتم ابتكار العديد من الأنواع المختلفة، مثل: تياسكر، والطواحين الدخانية. أخذ تصميم المقطع العرضي للعضو الدوار شكل الجناح الحامل لرفع الكفاءة.
استخدمت هذه الطواحين بجانب طحن الحبوب استخدامات أخرى عديدة، كان منها: تجفيف الأراضي الرطبة.[2]
وصلت هذه التقنية إلى أميركا عام ١٧٠٠ ميلادية عبر المهاجرين الهولنديين. حينها ظهرت الطواحين المستخدمة لضخ الماء، والتي ما زالت تعتبر أحد أهم التطبيقات لطاقة الرياح.[2]

بداية تطور منظومة طاقة الرياح

ظهرت العنفات ذات المراوح المتعددة أميركية الصنع عام ١٨٠٠ ميلادية، مزودة بعضو دوار صغير بقطر يتراوح من متر إلى عدة أمتار.[2]
كان الغرض من هذه التقنية ضخ المياه من تحت سطح الأرض للاستخدامات الزراعية. أعطت هذه المضخات المائية بمراوحها المعدنية، وتصميمها الهندسي الفعال نتائج أفضل من سابقاتها من التقنيات المستخدمة في هذا المجال. وتباعًا، أُنشئت أكثر من ستة مليون وحدة في الولايات المتحدة مابين ١٨٥٠ و١٩٣٠ ميلادية.[2]

المولدات الكهربائية ومحطات طاقة الرياح

بدأ عصر المولدات الكهربائية التي تعمل بالرياح في وقت قريب إلى حدٍ ما من عام ١٩٠٠ ميلادية. بحيث صُنعت أول عنفة رياح حديثة لإنتاج الكهرباء في الدنمارك عام ١٨٩٠ ميلادية، وعملت على تزويد المناطق الريفية بالكهرباء.[2]

خلال الفترة نفسها، صُنع أول مولد كهربائي يعمل بالرياح في كليفلاند بولاية أوهايو، مستخدمًا لأول مرة صندوق تروس سرعات. عملت المنظومة على مد الطاقة لمدة عشرين عامًا.[2]
اُستخدمت العديد من الطرق الحديثة للتصميم الهندسي للعنفات خلال هذه الفترة. وتم تطوير العضو الدوار، وزعانف العنفات مما أدى إلى رفع الكفاءة، والفاعلية لهذه المنظومات الحديثة. وبحلول عام ١٩١٠م، زودت مئات من هذه المنظومات العديد من قرى الدنمارك بالطاقة.
بدأت التجارب البحثية تأخذ مجالًا أوسع، ونتيجةً لذلك أُنشئت محطات إنتاج الطاقة بالرياح في العديد من الدول، أبرزها: الولايات المتحدة، والدنمارك، وفرنسا، وألمانيا، والمملكة المتحدة.[2]

إلا أنه في السنوات اللاحقة ظهرت مصادر طاقة أكثر اقتصادية، وكفاءة مثل: الوقود الأحفوري، والطاقة النووية. فكانت المقارنة بين تكلفة إنتاج الكهرباء من هذه المحطات، ومن إنتاجها في محطات الرياح لا تصب في مصلحة الأخيرة.[2]
وبهذا تناقص الاهتمام بطاقة الرياح بحلول عام ١٩٧٠م.

العودة إلى طاقة الرياح

أجبرت أزمة النفط التي حدثت في عام ١٩٧٣م العلماء والمهندسين، وصناع القرار على إيجاد حلول بديلة بعدما تراءى لهم أن الاعتماد على النفط كمصدر طاقة رئيسي يترتب عليه تبعات على اقتصادهم بناءًا على سياساتهم المتبعة. وبات جليًا أن حدوث أي توتر سياسي، سيطوق توفر الوقود الأحفوري مما سيؤدي إلى ارتفاع أسعاره بشكل جنوني، فيصبحون بذلك تحت رحمة دول الأوبك. ومن جانب آخر، أدرك العالم أن الوقود الأحفوري مصيره الإنتهاء يومًا ما.

خيار الاعتماد على الطاقة النووية كان مصدر تساؤل كبير أيضًا، وذلك بسبب خطورة تداعياتها على البيئة والبشر على حد السواء. كل هذه العوامل أدت لإحياء الاهتمام بطاقة الرياح، وبذلت جهود حثيثة لإيجاد حلول تغطي جوانب العجز في هذه التقنية. توالت البحوث في مجالات مصادر الطاقة، وتطوير المنظومات الحالية التي من شأنِها جعل التقنية أكثر اقتصادية، وكفاءة، واستدامة.[2]

المصادر
[1] Wind Energy Fundamentals
[2] Wind Energy

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