القيود الدينامية الحرارية في تكنولوجيات الطاقة المتجددة

إن تكنولوجيات الطاقة المتجددة أساسية للحد من انبعاثات غازات الدفيئة والانتقال إلى مصادر الطاقة المستدامة، غير أن فعاليتها وجدوىها مقيدتان بمبادئ دينامية حرارية أساسية، ويساعد فهم هذه القيود على تحديد توقعات واقعية وتوجيه التنمية التكنولوجية.

المبادئ الأساسية المتعلقة بالحرارة

وينظم ديناميكية الحرارة تحويل الطاقة من شكل إلى آخر، وينص القانون الثاني لعلم الديناميكا الحرارية على أن التكاثر في نظام معزول يميل إلى الازدياد، مما يفرض قيودا على كفاءة عمليات تحويل الطاقة، ويؤثر هذا المبدأ على جميع نظم الطاقة المتجددة، من الألواح الشمسية إلى التربينات الريحية.

الحدود في الطاقة الشمسية

وتحوّل الخلايا الفولطية الضوئية ضوء الشمس إلى الكهرباء، ولكن حدّت كفاءتها هو حدّ شوكلي - كيسير، الذي يبلغ 33 في المائة تقريباً بالنسبة لخلايا الزيتون الوحيدة، وهذا الحد ناشئ عن الاعتبارات الدينامية الحرارية المتصلة بالفرق في الطاقة بين الطاقات الضوئية وحزمة المواد.

Wind Energy Constraints

ويستخرج التوربينات الريحية طاقة حركية من الهواء المتحرك، ويفيد الحد الأقصى للبتز بأنه لا يمكن لأي توربين أن يلتقط أكثر من 59.3 في المائة من الطاقة الحركية في الرياح، وهذا الحد الأساسي ناجم عن الحاجة إلى الهواء عبر التربين، ومنع استخراج الطاقة بالكامل.

التكنولوجيات المتجددة الأخرى

كما تواجه النظم الحرارية الأرضية والهيدرائية قيوداً حرارية، فعلى سبيل المثال، تتوقف كفاءة محطات الطاقة الحرارية الأرضية على الفرق في درجة الحرارة بين مصدر الحرارة والوعة، وهو ما يحده الخواص الحرارية للأرض، وبالمثل، فإن كفاءة الطاقة الكهرمائية محدودة من جراء الطاقة المحتملة المتاحة من تدفق المياه.