إن هندسة الطاقة هي غرفة المحرك للانتقال العالمي إلى صافي الانبعاثات الصفرية، حيث أن السباقات العالمية لإلغاء الكربون، فإن المهندسين مكلفون بإعادة تصميم كيفية توليد الطاقة وتخزينها واستهلاكها، ومن المزارع الشمسية الضخمة إلى خوارزميات الشبكة الذكية غير المنظورة، فإن الضوابط تمس كل جانب من جوانب نظام الطاقة، وتدرس هذه المادة كيف تؤدي هندسة الطاقة إلى الصفر الصافي، والتكنولوجيات التي تقود الشحنة، وما زالت بحاجة إلى تحديات في العالم الحقيقي.

ما صافي الانبعاثات صفر في الواقع يعني

ويعني صافي الانبعاثات الصفرية أن أي انبعاثات لغازات الدفيئة ناجمة عن الإنسان متوازنة بمقدار معادل من عمليات الإزالة في الغلاف الجوي خلال فترة محددة، وهي ليست نفس الانبعاثات الصفرية التي تتطلب إزالة جميع إطلاقات غازات الدفيئة، بل إن الصفر الصافي يسمح بخفض الانبعاثات المتبقية شريطة أن تقابلها طرق إزالة ثاني أكسيد الكربون، مثل التقاط الهواء المباشر، أو تحسين الطقس، أو إعادة التحريج.

وقد حدد اتفاق باريس هدفاً للحد من الاحترار العالمي إلى أقل بكثير من درجتين مئويتين، وهو ما يمثل 1.5 درجة مئوية، مقارنة بالمستويات السابقة للصناعات، وقد أوضح الفريق الحكومي الدولي المعني بتغير المناخ أن بلوغ صافي انبعاثات ثاني أكسيد الكربون (2) ] من الضروري على الصعيد العالمي تحقيق هذا الهدف، إذ أن كل قطاع من القطاعات، والنقل، والصناعة، وأدوات التحول الزراعي - المتحول.

How Energy Engineering moves Us Toward Net Zero

ويعمل مهندسو الطاقة في تقاطع الهندسة الميكانيكية والكهربائية والكيميائية والبيئية من أجل تصميم وبناء واستخدام النظم التي تنتج الطاقة وتسلمها واستخدامها على النحو الأمثل، ويغطي دورها في تحقيق الصفر الصافي عدة مجالات أساسية.

تنمية الطاقة المتجددة

والإسهام الأكثر وضوحاً هو نشر مصادر الطاقة المتجددة على نطاق واسع، إذ أن الطاقة الشمسية الفلطائية والريحية تهيمن الآن على قدرة جديدة على توليد الكهرباء في جميع أنحاء العالم، ووفقاً للوكالة الدولية للطاقة، يتوقع أن تشكل مصادر الطاقة المتجددة أكثر من 90 في المائة من التوسع العالمي في الكهرباء في السنوات الخمس القادمة، ويحسن مهندسو الطاقة كفاءة الخلايا الشمسية - التي تضم محركات متعددة ومصممات ذات مسافات طويلة تدفع مصانع الريحة تبلغ 45 في المائة.

وبالإضافة إلى الطاقة الشمسية والريحية، يعمل مهندسو الطاقة أيضا على الطاقة الكهرمائية والطاقة الحرارية الأرضية والطاقة البحرية (التجارة والموجة) وهذه التكنولوجيات أقل هيمنة ولكنها حرجة بالنسبة للتنوع الجغرافي والطاقة القاعدية، فعلى سبيل المثال، يمكن للنظم الحرارية الأرضية المعززة أن توفر طاقة نظيفة مستقرة بكسر الصخرة الساخنة في أعماق الأرض والمياه الدائرية لإنتاج البخار.

كفاءة الطاقة: الوقود الأول

وكثيرا ما تسمى كفاءة الطاقة " الوقود الأول " لأن أرخص وأنظف الطاقة هو الطاقة التي لم تستخدم قط، إذ يصمم مهندسو الطاقة مظاريف عالية الأداء لمبنى HVAC، ونظم منخفضة الطاقة لاسترداد الحرارة الصناعية، والضوء المتقدم )الأجهزة المزودة بأجهزة توليد الطاقة الكهربائية ذات الكفاءة التي تزيد على ٢٠٠ لومن لكل واط(.

وفي المرافق الصناعية، يفضّل مهندسو الطاقة نظم البخار والضغط والمحركات، كما أنهم ينفذون مصانع مشتركة للحرارة والطاقة يمكن أن تصل إلى الكفاءة العامة بنسبة 80-90 في المائة، مقارنة بتوليد الكهرباء والحرارة على نحو منفصل، وهذه المكاسب الناتجة عن زيادة الكفاءة تقلل مباشرة من انبعاثات غازات الدفيئة دون الحاجة إلى بنية أساسية جديدة للإمداد.

Smart Grid Technologies

ويتطلب إدماج مصادر الطاقة المتجددة المتغيرة مثل الطاقة الشمسية والريحية في الشبكة شبكة كهربائية أكثر ذكاء وأكثر مرونة، ويطور مهندسو الطاقة تكنولوجيات شبكة ذكية تستخدم أجهزة الاستشعار، وبروتوكولات الاتصالات، والمحللون المتقدمون للموازنة بين العرض والطلب في الوقت الحقيقي، وتعطي أجهزة القياس الذكية بيانات المستهلكين لتحويل الاستخدام إلى أرخص وأنظف، ويخفض التوليد الآلي للتوزيع من الأسعار وتقلبات الفولطية.

ومن العناصر الرئيسية للشبكة الذكية نظام إدارة الطاقة الذي ينسق الجيل والتخزين والاستجابة للطلبات، ويمكن لمنابر نظام إدارة الطاقة الكهربائية التي تحركها الوكالة أن تتوقّع عن إنتاج متجدد باستخدام بيانات الطقس، وتنبّؤ بموجزات التحميل، وترسل تخزين البطاريات لحلق ذروتها أو توفير لوائح تنظيمية متواترة، وهذا النوع من المعلومات الهندسية أساسي لشبكات التشغيل ذات التغلُّب العالي التجديد، التي يمكن أن تتجاوز 80 في بعض المناطق دون التضحية بالموثيق.

Carbon Capture, Utilisation, and Storage (CCUS)

وحتى مع النشر العدواني للمتجددات والكفاءة، فإن بعض القطاعات - مثل الأسمنت والفولاذ والكيماويات - سوف تستمر في قذف ثاني أكسيد الكربون من ردود الفعل المتأصلة في العمليات، كما أن مهندسي الطاقة يصممون ويبنيون نظماً لاستخلاص الكربون تفصل ثاني أكسيد الكربون عن الغازات الفلورية (الاستعمالية) قبل الاحتراق (الاحتراق الجوي المباشر، وسادس) يمكن تركيب ثاني أكسيد الكربون ونقلها في جميع أنحاء العالم.

وتتطلب كل طريقة من طرق التقاط الهندسة المتأنية، وكثيرا ما تستخدم نظم الحرق بعد الحرق مذيبات من الآمين، ولكن المهندسين يستكشفون المذيبات الصلبة والأغشية لتخفيف عقوبة الطاقة، كما أن عمليات التقاط الطاقة قبل الحرق المتكاملة في المصانع المشتركة للتغويز تزيل ثاني أكسيد الكربون قبل الاحتراق الكثيف، وتنتج عنها كميات من الوقود المحتوي على الهيدروجين، مثل تلك التي يتم تطويرها بواسطة نظم مرنة وهندسة، تدريجيا.

Innovations Reshaping the Energy Landscape

إن هندسة الطاقة لا تتعلق فقط بتزايد التكنولوجيات القائمة، بل إنها تعمل أيضا على تطوير نظم انطلاق يمكن أن تغير أساسا المسار الصفري الصافي.

تخزين البطاريات المتقدمة

وقد أصبح بالفعل تخزين البطاريات الليثيومية القصيرة - المحتوية على بطاريات الليثيوم - منافساً من حيث التكلفة بالنسبة لخدمات الشبكة والمركبات الكهربائية، ويدفع مهندسو الطاقة الآن إلى تخزين طويل الأجل، مثل الحديد وبطاريات التدفق والنظم القائمة على الجاذبية، وتعتمد أهداف تخزين الطاقة الطويلة الأجل في الولايات المتحدة على تكنولوجيات قادرة على إنجاز 10 ساعات إضافية من التصريف بتكلفة 50 دولاراً.

كما تركز هندسة البطاريات على السلامة ودورة الحياة والمواد المستدامة، ويقوم المهندسون بتطوير بطاريات صلبة تستخدم كهروليتا صلبا بدلا من السائل، مما يوفر كثافة طاقة أعلى وخطرا أقل من الحريق، كما يعيدون تصميم كيميائيات البطاريات للحد من الاعتماد على الكوبالت والليثيوم، باستخدام عناصر وفرة مثل الصوديوم أو الماغنيوم أو الكبريت الاقتصادي.

Green Hydrogen and E —Fuels

وينتج الهيدروجين بواسطة الكهرباء باستخدام قطاعات الهيدروجين - الكربون المتجددة التي يصعب فيها الكهربة المباشرة، مثل صناعة الفولاذ، والشحن الطويل الأجل، وإنتاج الأمونيا، كما أن مهندسي الطاقة يصممون أجهزة كهربائية (PEM، والآلكالين، والأوكسيد الصلب) أكثر كفاءة وأكثر استدامة، وأقل تكلفة، ويقدر مجلس الهيدروجين أن الهيدروجين الأخضر يمكن أن يلبي الطلب على النقل العالمي بنسبة تصل إلى 18 في المائة.

ويمكن أن توفر الوقود المحتوي على نوع E-fuels أو الوقود التركيبي الذي يتم إنتاجه من ثاني أكسيد الكربون المأخوذ به والهيدروجين الأخضر، بدائل من نوع الانقطاع عن البنزين والديزل ووقود الطائرات، وعلى الرغم من أن كفاءة استخدامه في المرحلتين المستديرة أقل من الكهربية المباشرة، فإن مهندسي الطاقة يقدمون محطات تجريبية تجمع بين الكهرباء وبين الضبط المباشر للهواء والمفاعلات التحفيزية لإنتاج الوقود في شيلي التجارية.

AI —Driven Energy Management Systems

وتتحول المعلومات الاستخبارية الفنية إلى كيفية تصميم مهندسي الطاقة وتشغيلهم وتعهد النظم، إذ تتوقّع نماذج التعلم في مجال الآلات من الطاقة إنتاج الطاقة الشمسية والريحية بمزيد من الدقة، وتُحدّد المواقع المثلى، وتكشف عن الأخطاء في المعدات قبل حدوث الفشل، وتُعدّل توصيات كفاءة الطاقة بالنسبة للمباني، وفي مراكز البيانات، يمكن أن تخفض الطاقة المبردة بنسبة 40 في المائة بالتنبؤ بالحمولات الحرارية وتكييف المراوح والمبردات في الوقت الحقيقي.

القطاع المقسم الرياضيات إلى نيت زيرو

ولا تعمل هندسة الطاقة في فراغ، ولكل قطاع من قطاعات الاقتصاد مصادر انبعاث فريدة، ويتطلب حلولا هندسية مصممة خصيصا.

قطاع الطاقة

ويشكّل قطاع الطاقة نحو ثلث انبعاثات ثاني أكسيد الكربون العالمية، ويعني التخلص منها الاستعاضة عن توليد الفحم والغاز بالمتجددات أو الوقود النووي أو الأحفوري بالغاز المحتوي على ثاني أكسيد الكربون. ويحتاج مهندسو الطاقة إلى خطوط نقل مباشرة عالية التطوّر، مثل البطاريات ذات القدرة العالية التطوّر، لربط الموارد المتجددة البعيدة بمراكز الطلب، كما يطورون أجهزة تحويل شبكية قادرة على الحفاظ على الاستقرار في نظام تهيمن عليه نماذج الاستخدام الأمثل للموارد.

النقل

فالنقل هو ثاني أكبر مصدر للانبعاثات، إذ أن المركبات الكهربائية في البطاريات هي الحل الرئيسي للمركبات الخفيفة، حيث يقوم المهندسون بتحسين المدى، وشحن السرعة، وتكاليف البطاريات، وبالنسبة للشاحنات ذات القدرة العالية، فإن المركبات الكهربائية الخلوية المستخدمة للهيدروجين قد تكون أكثر ملاءمة، ويعمل مهندسو الطاقة أيضا على مكونات الكهرباء مثل أجهزة الوصل الميكانيكية (التي تستخدم المغناطيسات الدائمة أو إعادة التلويث)

المباني

:: إنتاج البنايات ذات الصلة بالطاقة العالمية بنسبة 30 في المائة تقريبا من ثاني أكسيد الكربون عن طريق التدفئة والتبريد والإضاءة والشحنات المزودة بمقياس للجرعات؛ ويقوم مهندسو الطاقة بتصميم مضخات حرارية عالية الأداء يمكن أن تحل محل أفران الغاز الطبيعي، مدمجة مع إحصاءات الحرارة الذكية التي يستمر استخدامها في استخدام الطاقة من حيث الوقت مع توليد الطاقة النظيفة، ويعملون أيضا على بناء نماذج متكاملة للتحكم في المواد الكتروكيميائية.

الصناعة

وتخلق العمليات الصناعية انبعاثات من كل من استخدام الطاقة وردود الفعل الكيميائية، إذ تجسد صناعة الفولاذ، على سبيل المثال، نحو 7 في المائة من ثاني أكسيد الكربون العالمي، وتستخدم صناعات الفولاذ التقليدية الفحم كمصدر حراري وكعامل مخفض، كما أن مهندسي الطاقة يقومون بتطوير عمليات خفض مباشر للهيدروجين تحل محل الفحم بالهيدروجين الأخضر، تنتج بخار الماء بدلا من ثاني أكسيد الكربون، وفي صناعة الأسمنت، يقوم المهندسون بتصميم منتجات بديلة للكميات الحرارية.

التحديات التي تواجه مهندسي الطاقة يجب أن تتغلب عليها

إن الطريق إلى الصفر الصافي ليس بدون عقبات، بل إن أكثر الحلول الهندسية اناقة يجب أن تجابه بالحقائق الاقتصادية والسياسية والتقنية.

التكلفة والقابلية للتسويق

وفي حين أن الطاقة الشمسية والريحية والبطاريات شهدت تخفيضات كبيرة في التكاليف، فإن العديد من التكنولوجيات الصافية الصفرية لا تزال باهظة التكلفة، إذ أن تكاليف الهيدروجين الأخضر تتراوح بين 3 و7 دولارات لكل كيلوغرام، مقارنة بـ 1 و2 دولار بالنسبة للهيدروجين الرمادي من الغاز الطبيعي، ويمكن أن تبلغ تكاليف التقاط الهواء المباشر عدة مئات من الدولارات لكل طن من ثاني أكسيد الكربون، وأن يكلف مهندسو الطاقة بخفض التكاليف من خلال التقدم المادي، وحجم التصنيع، وتكامل العمليات، غير ذلك، إلا أن التخفيضات تتطلب استثمارات ثابتة في سيناريوه(23).

التكامل والاعتماد على أساس الظلم

ولا بد من إدارة مستويات الطاقة المتجددة المتغيرة بتفكير جديد في عمليات الشبكة، إذ لا يمكن إدارة مراقبة الترددات، واستقرار التطاير، وعدم القدرة على الانتقال، مع وجود عدد أقل من المولدات المتزامنة، كما أن مهندسي الطاقة يطورون الانتصاب الاصطناعي من مقلبات البطاريات، وأسواق الاستجابة السريعة التردد، وتكنولوجيا التقييم الديناميكي التي تسمح باعادة الارسال استنادا إلى الطقس، ومع ذلك تواجه شبكات عديدة عقبات تنظيمية تحول دون اعتماد تكنولوجيات متقدمة.

المواد وسلاسل الإمداد

وتحتاج التكنولوجيات الصافية الصفرية إلى كميات كبيرة من المواد: الليثيوم والكوبالت والنيكل والعناصر الأرضية النادرة والنحاس والسيليكون، ويجب على مهندسي الطاقة تصميمها من أجل الكفاءة المادية، وإعادة التدوير، والاستعاضة عنها، وعلى سبيل المثال، تستخدم البطاريات الصوديوم مواد وفرة ويمكن أن تقلل بدرجة كبيرة من الضغط على سلاسل الإمداد بالليثيوم.

قوة العمل الماهرة والتعاون عبر القطاعات

ويحتاج إنجاز صافي الصفر إلى قوة عاملة تفهم نظم الطاقة التقليدية والتكنولوجيات الرقمية المتطورة، ويجب أن يتطور التعليم في مجال هندسة الطاقة ليشمل علوم البيانات، وأمن الفضاء الإلكتروني، والسياسات، وتمويل المشاريع إلى جانب نظرية الديناميكا الحرارية وعلم الدائرة، كما أن الهيئات المهنية مثل مؤسسة الهندسة والتكنولوجيا، والجمعية الأمريكية للمهندسين الميكانيكيين، لا يمكنها أن تطور كفاءات هندسية جديدة.

السياسات والاستثمار: التمكين من إيجاد حلول هندسية

ولا يمكن للإبداع الهندسي أن يزدهر إلا في بيئة سياساتية داعمة، إذ أن تسعير الكربون ومعايير حافظة الطاقة المتجددة ومراكز الهيدروجين، وبناء رموز الطاقة تشكل جميع أشكال ما يمكن للمهندسين تحقيقه، كما أن ميزة الاتحاد الأوروبي بالنسبة لـ 55 مجموعة، وقانون الولايات المتحدة للحد من التضخم، وخطة الصين الخمسية الخمسية الرابعة عشرة وحدها توفر بلايين الدولارات في الحوافز لتكنولوجيات الطاقة النظيفة.

النظر إلى الرأس: العقد القادم لهندسة الطاقة

وستكون السنوات العشر القادمة حاسمة، فخط الطريق الذي أطلقه المعهد الدولي للطاقة الذرية في عام 2050 يدعو إلى نشر الطاقة الشمسية والريحية في أربعة أضعاف بحلول عام 2030، وبيع المركبات الكهربائية للوصول إلى 60 في المائة من مبيعات السيارات الجديدة، وكثافة الطاقة لتحسينها بنسبة 4 في المائة سنويا، وهذه الأرقام تمثل تحديا هندسيا مذهلا - ولكن أيضا فرصة هائلة.

وفي الوقت نفسه، يجب أن يظل المهندسون متواضعين، فالناتج صفر ليس تحديا تقنيا فحسب، بل أيضا تحد اجتماعي، ويجب أن تكون الحلول منصفة وميسورة التكلفة ومرنة، ويعمل مهندسو الطاقة بشكل متزايد مع المجتمعات المحلية لضمان احترام المشاريع لاستخدام الأراضي والحياة البرية والتراث الثقافي، وأن تتضمن أفضل التصميمات الهندسية تعليقات المواطنين وتكيفها مع الظروف المحلية.

وفي نهاية المطاف، يتطلب تحقيق صافي الانبعاثات الصفرية بذل جهد متواصل في جميع فروع هندسة الطاقة، وسيتطلب التقدم المحرز بالفعل - من فريق شمسي يكلف 90 في المائة قبل عقد من الزمن إلى مشغل شبكة يمكن أن يدمج 50 في المائة من مصادر الطاقة المتجددة دون انقطاع - مما يجعل الهندسة مترددة للمهمة، وستتطلب الخطوات التالية مزيدا من الابتكار والتعاون والتصميم، كما أن أثر الهندسة في الأهداف المناخية عميق، ولكنه لم يكتمل بعد.