الوسم: طاقة

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

ما هو الهيدروجين الأخضر؟

الهيدروجين الأخضر هو وقود احتراق نظيف خالي من الانبعاثات عن طريق استخدام الطاقة المتجددة لتحليل المياه بالكهرباء، ويفصل ذرة الهيدروجين الموجودة في الماء عن جزيء الأكسجين المزدوج (في خلايا الوقود، يتم عكس العملية حيث يتم خلط الهيدروجين بالأكسجين لإنتاج الماء والكهرباء.). في الوقت الحاضر، يتم اشتقاق معظم الهيدروجين المستخدم كوقود من خلال فصله عن جزيئات الغاز الطبيعي. لكن هذا يتطلب قدرًا كبيرًا من الطاقة وينتج أيضًا ثاني أكسيد الكربون، مما دفع البعض إلى تسمية هذا الهيدروجين الرمادي، على عكس الأخضر. الهيدروجين الأزرق هو الاسم المستخدم إذا تم التقاط وتخزين ثاني أكسيد الكربون الناتج ويتم احتسابه كوقود منخفض الانبعاثات ويوجد أيضًا الهيدروجين البني الذي يتم إنتاجه باستخدام الفحم حيث يتم إطلاق الانبعاثات في الهواء.

لماذا تتجه الأنظار نحو الهيدروجين بشكل خاص؟

لسبب واحد، أنها تحترق منتجة حرارة عالية بشكل نظيف. استبدال الوقود الأحفوري المستخدم الآن في الأفران التي تصل إلى 1500 درجة مئوية (2732 درجة فهرنهايت) بغاز الهيدروجين يمكن أن يحدث تأثيرًا كبيرًا في 20 ٪ من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون العالمية التي تأتي الآن من الصناعة. في صناعة الصلب، يمكن أن يحل الهيدروجين محل الفحم الذي يستخدم الآن ليس فقط للحرارة ولكن لتنقية خام الحديد. المنتج الثانوي هو بخار الماء وليس ثاني أكسيد الكربون. وبينما تهيمن البطاريات حاليًا على مجال السيارات الكهربائية، تراهن بعض الشركات على أن خلايا الوقود التي تعمل بالهيدروجين ستكون خيارًا أفضل من بطاريات المركبات الثقيلة، مثل الشاحنات والسفن وربما الطائرات.

طريقة إنتاج الهيدروجين الأخضر

يتكون الهيدروجين الأخضر من خلال عملية تعرف باسم التحليل الكهربائي (electrolysis). حيث يقوم جهاز يُعرف بالمُحَلِّل الكهربائي (electrolyzer) بتقسيم المركب إلى العناصر المكونة له باستخدام تيار كهربائي. غالبًا ما يكون هذا المركب عبارة عن ماء ينقسم إلى هيدروجين وأكسجين. إذا كانت الكهرباء المستخدمة تأتي من مصادر متجددة، مثل الرياح والطاقة الشمسية، فإن الهيدروجين الناتج يُعرف باسم الأخضر. يكمن التحدي في إمدادات المحلل الكهربائي القليلة نسبيًا، ومقارنة بعمليات الإنتاج الأكثر رسوخًا، فإن التحليل الكهربائي مكلف للغاية وبالتالي فإن العرض والطلب على المحلل الكهربائي قليل.

استخدامات الهيدروجين الأخضر

يتم استخدام غالبية الهيدروجين اليوم في الصناعة، بما في ذلك تكرير النفط وإنتاج الأمونيا والميثانول والصلب. لكن التطورات الحديثة في تكنولوجيا الهيدروجين الأخضر تجعلها أكثر جاذبية لعدد من الصناعات المختلفة. في النقل، يمكن أن يعمل وقود الهيدروجين كبديل مباشر للبنزين والديزل. على عكس المركبات الكهربائية، التي يمكن أن تستغرق حوالي 30 دقيقة لشحنها بواسطة أسرع محطات الشحن، يمكن أن تكون سيارات خلايا الوقود الهيدروجينية جاهزة للانطلاق في غضون دقائق.

لكن خلايا الوقود، التي تحول وقود الهيدروجين إلى طاقة قابلة للاستخدام للسيارات، لا تزال باهظة الثمن. ولا تزال البنية التحتية لمحطة الهيدروجين اللازمة لتزويد سيارات خلايا وقود الهيدروجين بالوقود غير متطورة على نطاق واسع. ومع ذلك، يعتقد الخبراء أن الهيدروجين يمكن أن يكون فعالًا بشكل خاص عندما يتعلق الأمر بشاحنات النقل لمسافات طويلة، وقطاعات أخرى مثل شحن البضائع والسفر الجوي لمسافات طويلة، حيث سيكون استخدام البطاريات الثقيلة غير فعال. استخدام محتمل آخر للهيدروجين هو تخزين الطاقة المتجددة التي من شأنها أن تضيع. تعمل شركة Mitsubishi Power وشركة تخزين الوقود Magnum Development في مشروع في ولاية يوتا لبناء منشأة تخزين تبلغ 1000 ميغاوات من الطاقة النظيفة، جزئيًا عن طريق الاحتفاظ بالهيدروجين في كهوف الملح. من المقرر أن يتم تشغيل مشروع تخزين الطاقة النظيفة المتقدم بحلول عام 2025، وسيكون أكبر نظام تخزين للطاقة النظيفة في العالم.

عوائق مختلفة

يتكلف إنتاج الهيدروجين الأخضر حاليًا ما بين 2.50 دولارًا و4.50 دولارًا للكيلوغرام، وفقًا لتحليل أجرته BloombergNEF. يجب أن ينخفض هذا إلى أقل من دولار واحد للكيلوغرام حتى يصبح قادرًا على المنافسة مع الهيدروجين المصنوع من الوقود الأحفوري. تتوقع BNEF أنها ستصل إلى هذا المستوى بحلول عام 2030. لكن هذا يتوقف ليس فقط على التوسع الهائل في قدرة المحلل الكهربائي، ولكن أيضًا على زيادة هائلة في قدرة توليد الكهرباء – في وقت تكون فيه المولدات والشبكات العالمية مجهدة بالفعل لمواكبة الطلب من السيارات الكهربائية الحديثة. أيضًا، باعتباره أخف غاز في الكون، يجب ضغط الهيدروجين أو خلطه بالغاز الطبيعي لإرساله عبر خط أنابيب أو تبريده إلى حالة سائلة ليتم نقله عن طريق السفن، مما يزيد من تكاليفه مقارنة بالغاز الطبيعي.

الجهود المبذولة في مجال الهيدروجين الأخضر

حدد الاتحاد الأوروبي الهدف الأكثر طموحًا، وهو بناء أجهزة تحليل كهربائية قادرة على تحويل 40 جيجاوات من الكهرباء المتجددة إلى هيدروجين بحلول عام 2030. وقد جعل الهيدروجين مكونًا أساسيًا في خطة الصفقة الخضراء، والتي تتصور ما يصل إلى 470 مليار يورو (560 مليار دولار) من الاستثمارات العامة والخاصة بحلول عام 2050 على أمل إطلاق سوق الهيدروجين العالمي. أعلنت ألمانيا أن الهيدروجين الأخضر سيلعب دورًا مركزيًا في تحويل القاعدة الصناعية للبلاد مع انتقالها إلى صفر انبعاثات بحلول عام 2045.

تخطط الصين لامتلاك مليون سيارة تعمل بخلايا وقود الهيدروجين على طرقها بحلول نهاية عام 2030. وقد تصل قيمة إنتاج الهيدروجين إلى تريليون يوان (155 مليار دولار) بحلول عام 2025، وفقًا لتحالف الهيدروجين الصيني. ستستثمر أستراليا 214 مليون دولار لتسريع تطوير أربعة محاور هيدروجين بقدرة 26 جيجاوات. اليابان، حيث استثمرت شركة Toyota Motor Corp بكثافة في تكنولوجيا خلايا الوقود، هي الشركة الرائدة عالميًا في محطات التزود بالوقود بالهيدروجين، بينما تقوم كوريا الجنوبية ببناء البنية التحتية للتزود بالوقود في ست مدن حيث تأمل في جعل الهيدروجين مصدر الطاقة الرئيسي بحلول عام 2025.

كان لدى الولايات المتحدة 6500 سيارة كهربائية تعمل بخلايا الوقود على الطريق في عام 2019، وهو أكبر أسطول في العالم. حددت إدارة الرئيس جو بايدن هدفًا يتمثل في خفض تكلفة الهيدروجين المتجدد بنسبة 80٪ بحلول عام 2030. وتضغط مجموعات الصناعة، بما في ذلك بعض شركات الوقود الأحفوري، من أجل الحصول على إعفاءات ضريبية لإنتاج الهيدروجين ودعم تحويل خطوط أنابيب الغاز الطبيعي إلى الهيدروجين .

المصادر

• cnbc
• earth.org
• bloomberg
• forbes
• abc