Table of Contents
مقدمة إلى تحويل الطاقة الحرارية للمحيطات
إن تحويل الطاقة الحرارية للمحيطات هو تكنولوجيا للطاقة المتجددة التي تولد الكهرباء عن طريق استغلال الفرق في درجات الحرارة الطبيعية بين مياه البحر الدافئ والمياه البحرية العميقة، وهذا التدرج في درجة الحرارة، الذي يبلغ عادة 20 درجة مئوية (36 درجة ف) من أجل التشغيل الفعال، موجود في محيطات مدارية ودون مدارية، وعلى عكس الطاقة الشمسية أو الرياح، يوفر هذا النوع من الطاقة الكهربائية في أعماق المحيطات مصدراً ثابتاً - يمكن أن يُجرى إشعاعاً لمدة 24 ساعة في اليوم، أي 365 يوماً.
إن إمكانات الطاقة الكهربائية في منطقة البحر الأبيض المتوسط هائلة، فالمحيطات الاستوائية تستوعب ما يقدر بـ 60 مليون ساعة من الطاقة الشمسية سنويا - أي أكثر من 000 4 مرة من استهلاك العالم الحالي للكهرباء، ويمكن أن يؤدي تسخير جزء صغير من هذا المورد إلى تحويل نظم الطاقة في المجتمعات الساحلية والجزرية، والحد من الاعتماد على الوقود الأحفوري المستورد، وتخفيض انبعاثات غازات الدفيئة، وحتى عام 2025، لا تزال هذه الطاقة في مرحلة العرض، ولكن الانقطاعات التكنولوجية الحديثة تتسارع.
وتستكشف هذه المادة مبادئ العمل التي وضعتها اللجنة، ومزاياها لتوليد الطاقة على نطاق واسع، والتحديات الرئيسية التي تواجهها، والمشاريع الرائدة البارزة في جميع أنحاء العالم، والتوقعات المستقبلية لهذه التكنولوجيا الواعدة في مجال الطاقة في المحيطات.
كيف يعمل (تيوك) ؟
وتعتمد نظم الطاقة الكهربائية على دورة الراكين، على غرار محطات توليد الطاقة الكهربائية التقليدية، ولكنها تستخدم سوائل عمل ذات نقطة غسيل منخفضة بدلا من الماء، ويقود الدورة فرق الحرارة بين المياه السطحية الدافئ (25 درجة مئوية - 30 درجة مئوية) والمياه العميقة الباردة (4 درجة مئوية - 6 درجات مئوية)، وهناك نوعان رئيسيان من دورات التكتيك: دورة مغلقة ودورة مفتوحة، إلى جانب التباينات الهجينة.
قفل OTEC
وفي نظام " أوتيك " المغلقة، يمر الماء السطحي الدافئ عبر مبادلات حرارية، حيث يبخر سوائل عمل مثل الأمونيا أو ثلاجة هيدروكربونية مفلورة، ويتوسع البواب عالي الضغط من خلال توربين متصل بمولد كهربائي، ينتج الكهرباء، ثم يتدفق إلى ثلاجة مبردة في المياه العميقة الباردة، حيث يتكون من مبردات مائية.
ويعد نظام " أوتيك " الدارج المغلقة أكثر التصميم دراسة لأنه يمكن أن يعمل بفارق طفيف نسبيا في الحرارة ويستخدم توربينا مدمجا، وعادة ما تكون كفاءة نظم الدورة المغلقة 1 في المائة - 3 في المائة (على أساس حدود كارنتي)، ولكن ناتج الطاقة الصافي بعد حساب خسائر الضخ يتراوح بين 30 في المائة و 70 في المائة من إجمالي الطاقة، ويمثل تحسين أداء مبادلات الحرارة وخفض الحمولات الطفيلية مجالات رئيسية من البحوث.
الدورة المفتوحة
ويستخدم برنامج " أوتيك " الدافئ للمياه السطحية نفسها كسائل عامل، ويدخل الماء الدافئ إلى غرفة منخفضة الضغط (مهرجة الرش) حيث يغليها عنفا في ظروف قريبة من الغزو، ويقود البخار الناتج إلى تربين منخفض الكساد، ثم يستهلكه مياه بحرية باردة، ومن مزايا التوليد المغلق للدراجات العضوية هو أن المزودين بالمنتجات العذبة المزودة بالموازينة بالمواد.
Hybrid OTEC
ويجمع البرنامج الهيدروغرافي الهجيني بين عناصر كلتا الدورتين: ويستخدم الماء الدافئ لبخار سائل عامل (دورة مغلقة) بينما ينتج أيضا مياهاً جديدة من التبخر المائي المنخفض الضغط لمجرى مستقل للمياه الدافئ، وتهدف هذه النظم إلى تحقيق أقصى قدر من توليد الكهرباء وإنتاج تحلية المياه.
مزايا OTEC لتوليد الطاقة الكبيرة
وتوفر اللجنة عدة مزايا متميزة تجعلها جذابة لتوليد الطاقة المتجددة على نطاق واسع، ولا سيما في المناطق الاستوائية.
الطاقة القاعدية المستدامة والمتجددة
وعلى عكس الطاقة الشمسية والريحية المتقطعة والمتغيرة، توفر الطاقة المتجددة المستمرة التي يمكن التنبؤ بها، وتشهد التدرج الحراري للمحيطات استقراراً ليلاً ونهاراً، مما يجعل من الأوتيك مصدراً موثوقاً للطاقة الأساسية، ويمكن أن تعمل محطة الطاقة الكهربائية العاملة بحجم 100 ميغاواط بمعامل قدرة قدره 90 في المائة أو أكثر، مقارنة بالوقود الأحفوري التقليدي أو النباتات النووية، وهذا الموثوقية أمر حاسم بالنسبة للاستقرار الشبكي ولعمليات الصناعية التي تتطلب الكهرباء المستمرة.
الأثر البيئي المنخفض
ولا تنتج نظم التلقيح المغناطيسي أي انبعاثات حرق - لا ثاني أكسيد الكربون أو السوكس أو أكسيد النيتروز أو مادة الجسيمات - تستخدم سوائل العمل (مثل الأمونيا) في حلقات مغلقة مع إطلاقات غير معقولة، وتشمل الشواغل البيئية الرئيسية الاستيلاء على كميات كبيرة من مياه البحر وتصريفها، غير أن التصاميم الحديثة تتضمن شاشات لمنع حدوث انخفاض في حجم الكائنات البحرية وتصريفها في محطات المياه العميقة.
أمن الطاقة واستقلالها في الأمم الجزرية
وتعتمد كثير من الجزر الاستوائية اعتمادا كبيرا على الديزل أو زيت الوقود الثقيل المستورد للكهرباء، مما يجعلها عرضة لتقلب الأسعار وتعطل العرض، ويمكن أن تزيل هذه الواردات باستخدام مورد محلي غير قابل للاستهلاك، فعلى سبيل المثال، يمكن لمصنع 10 ميغاواط في دولة جزرية صغيرة أن يعوض ملايين برميل النفط على مدى عمرها، مع الاحتفاظ بدولارات الطاقة في الاقتصاد المحلي، كما أن الإنتاج المشترك للمياه العذبة، أو الزراعة المائية، أو حتى المياه الباردة.
القابلية للتقسيم والتصميم النموذجي
ويمكن بناء محطات الطاقة الكهربائية والكهربائية في الوحدات النموذجية، ويمكن للمصانع الصغيرة الحجم (1-10 ميغاواط) أن تخدم المجتمعات المحلية النائية أو الملاذات، في حين يمكن للمنشآت الأكبر حجما (100 ميغاواط أو أكثر) أن تتغذى في الشبكات الوطنية أو الصناعات الكثيفة الطاقة مثل إنتاج الهيدروجين أو تركيب الأمونيا أو مراكز البيانات، كما أن النهج النموذجي يسمح بالاستثمار على مراحل، ويقلل من المخاطر المالية، حيث أن تأثيرات التصنيع على المنحنى ترتفع إلى حد كبير، يتوقع أن تكون التكاليف.
النواتج والتآزر
ويمكن أن تنتج نظم الطاقة الكهربائية أو المائية الجوفية منتجات ذات قيمة مشتركة، ويمكن استخدام المياه العميقة الباردة )٥ درجات مئوية - ٦ درجات مئوية( في تكييف الهواء أو التبريد أو تربية الأحياء المائية، كما يتبين من مختبر الطاقة الطبيعية التابع لهيئة هاواي، ويمكن أن تؤدي المياه العذبة من تصميمات الدراجة المفتوحة أو تصميمات الهجينة إلى تلبية احتياجات مياه الشرب.
التحديات التي تواجه تنفيذ برنامج العمل التعاوني
ورغم وعد اللجنة الأوروبية لمناهضة التعذيب بأن تواجه عقبات تقنية واقتصادية ولوجستية كبيرة حالت دون اعتمادها على نطاق واسع.
التكاليف الرأسمالية الأولية المرتفعة
والعقبة الكبرى التي تعترض منطقة أوتيك هي تكلفتها الأولى، إذ يقدر أن محطة تمويل الطاقة الكهربائية المغلقة تبلغ ١٠٠ ميغاواط تبلغ تكلفتها ٠٠٠ ١ دولار - ٥٠٠ ٢ دولار لكل كيلوات رُكبت )على نفس ترتيب الرياح البحرية أو النووية(، ويأتي جزء كبير من هذه النفقات من مبادلات الحرارة الكبيرة، وخطوط أنابيب المياه الباردة الطويلة )التي تتراوح بين ١ و ٢ كيلومترا و ٣ - ١٠ متر في مقياس(، ومنصة الموارد المضافة في إطار الطاقة.
البنية التحتية لتصريف المياه الباردة
ويتطلب هذا المشروع إمدادات مستمرة من المياه الباردة العميقة، تكون عادة في أعماق تبلغ ٦٠٠-٠٠٠ ١ متر، ويواجه نشر الأنابيب ذات قطر كبير لهذه الأعماق تحديا هنديا رئيسيا، ويجب أن تتحمل الأنابيب تيارات المحيطات القوية، وتفاوتات الضغط، والأضرار المحتملة الناجمة عن العواصف أو الشحن، ويحتاج تركيب السفن والمعدات المتخصصة، وتعالج المواد الجديدة )مثل البلاستيك المطور المقوى( وتقنيات التركيب )ز(.
مضيق الكفاءة الحرارية
أما الحد الأقصى للكفاءة النظرية (الكارنو) لنظام أوتيك الذي يعمل بين 26 درجة مئوية و5 درجات مئوية، فهو 7 في المائة فقط، أما أوجه الكفاءة الصافية في العالم الحقيقي بعد حساب خسائر الضخ فهي نحو 2 في المائة و4 في المائة، وهذا يعني أن مصنعاً للشبكة يجب أن يجهز كميات هائلة من المياه لتوليد طاقة ذات مغزى، وبالنسبة لكل جرعة ميغاوات من الناتج الصافي، فإن نحو 10 إلى 20 متراً مكعباً من الماء الدافئ مكافئ.
المسائل البيئية والتنظيمية
وعلى الرغم من أن شبكة الطاقة الكهربائية العاملة في البحر منخفضة الانبعاثات، فإن تدفقات المياه البحرية الكبيرة يمكن أن تتسبب في خفض الكائنات البحرية )التبسيط والتدريب(، وخلط طبقات المياه )التي قد تغير دورات المغذيات المحلية(، واحتمالات تصريف الكلور أو المواد الأحيائية المستخدمة في التحكم في التأثير الأحيائي، كما أن هناك حاجة إلى تقييمات للأثر البيئي البسيط، وتدابير التخفيف - مثل شاشات الغرامات، والاستيعاب المنخفضة السرعة يجب أن تنفذ أيضا.
التطورات الأخيرة والمشاريع الرائدة
وقد أظهرت عدة مشاريع رائدة في مجال التكنولوجيا في جميع أنحاء العالم جدوى التكنولوجيا وهي تتجه نحو التسويق.
مرفق ماكاي هندسة المحيطات (هواي)
ويعمل في مختبر الطاقة الطبيعية التابع لهيئة هاواي في الجزيرة الكبيرة، شركة ماكاي للهندسة البحرية، على محطة عرضية للشبكة تعمل على نحو 100 كيلوواط - كلغ - أكبر نوع من أنواعها في الولايات المتحدة، وقد اكتملت هذه المنشأة في عام 2015، وثبتت موثوقية عملية الدورة المغلقة، وهي توفر بيانات قيمة عن أداء المبادلات الحرارية، ومراقبة الكتل الأحيائية، والمياه الباردة.
جهود البحث والتسويق في اليابان
وقد كانت اليابان رائدة في بحوث شركة أوتيك منذ عقود، حيث يعمل معهد الطاقة البحرية في جامعة ساغا على محطة تجريبية تبلغ 50 كيلوواط، وقد طور " دورة أوهارا " تحسن الكفاءة باستخدام عملية تجديد متعددة المراحل، وفي عام 2018، أعلنت شركة الهندسة اليابانية عن خططها لمصنع تجاري من طراز 1 -MW في أوكيناوا، وفي وقت أقرب، تم تركيب محطة بحثية من طراز 100-KW في ملديف.
Pilot الفلبين
The Philippines, with its deep ocean trenches and tropical climate, is considered a prime OTEC location and the Philippine Department of Energy and the University of the Philippines Marine Science Institute have conducted feasibility studies. In 2019, a 10-kW test plant was deployed in the waters off Batangas province. Plans for a 1-MW pilot plant in the municipality of Caluya, Antique, aiming to replace dieselF generated on remote islands.
مبادرات منظمة التعاون الاقتصادي في أوروبا (المملكة المتحدة/فرنسا)
وتقوم شركات مثل شركة " Global OTEC Resources " (UK-based) بتطوير منابر "OTEC Series " - نباتات نموذجية ومجهزة بالبخار مخصصة للدول الجزرية، وتهدف الشبكة العالمية لصناعة النفط إلى نشر محطة تعمل على إنتاج 1.5 ميغاواط في ساو تومي وبرنبست في السنوات القادمة، وفي الوقت نفسه، مولت فرنسا بحوثاً في أقاليمها الخارجية (Réunion, Martinique, Tahitiner) ومؤسسة الطاقة البحرية.
الآفاق المستقبلية والطريق إلى التسويق
ويشمل الطريق إلى نشر القوات المسلحة التقليدية في منطقة البحر الأبيض المتوسط على نطاق واسع التغلب على الفجوة في التكاليف، وتوسيع نطاق المشاريع الرائدة، ووضع سياسات داعمة، وتشير عدة اتجاهات إلى مستقبل أكثر إشراقاً بالنسبة إلى منطقة البحر الأبيض المتوسط.
خفض التكاليف من خلال التعلم وسكال
وكما هو الحال بالنسبة للتكنولوجيات المتجددة الأخرى، يتوقع أن تنخفض تكاليف الطاقة الكهربائية من حيث بناء وحدات أخرى، ويقدر مختبر الطاقة المتجددة الوطني في الولايات المتحدة أنه مع النشر التراكمي لعشرة أنواع من الأسلحة النووية، يمكن أن تخفض التكلفة المخفضة للكهرباء بالنسبة للكهرباء (LCOE) إلى 0.10 إلى 0.15 دولار للكيلوغرام الواحد - قادرة على المنافسة مع اتجاه الرياح البحرية وزراعة الطاقة الشمسية - متعددة الأطراف في مواقع عديدة.
التكامل مع الهيدروجين الأخضر والأمونيا
ومن الطرق الواعدة التي يمكن أن تُستخدم فيها الطاقة الكهربائية لتوليد الهيدروجين الأخضر، الذي يمكن تحويله إلى أمونيا خضراء من أجل الوقود أو الأسمدة، وبما أن هذه الشركة توفر طاقة حمولة أساسية، فإنها يمكن أن توفر تيارا ثابتا للكهرباء، وتتجنب القضايا المتقطعة التي تنطوي عليها الطاقة الشمسية أو الرياح، وتقوم عدة مجموعات بحثية باستكشاف مرافق الطاقة الكهربائية إلى الميكانيكية القائمة على الجزر، والتي يمكن أن تخدم كلا أسواق الطاقة المحلية.
دعم السياسات والتعاون الدولي
ويمكن للحكومات والمنظمات الدولية أن تعجل بنشر هذه التكنولوجيا من خلال التعريفات الجمركية على أساس التغذية، والائتمانات الضريبية للاستثمار، وإدراجها في أهداف الطاقة المتجددة، وقد يتقاسم التعاون بين الوكالة الدولية للطاقة المتجددة ونظم الطاقة في المحيطات المعارف وأفضل الممارسات، وبالإضافة إلى ذلك، اعترفت المفاوضات المناخية للأمم المتحدة بأن الطاقة المتجددة القائمة على المحيطات خيار رئيسي للتخفيف من حدة الآثار، وبأطر السياسات الصحيحة، يمكن أن تتبع المنظمة مسار الرياح البحرية في غضون عقدين من الزمن إلى آخر.
خاتمة
إن تحويل الطاقة الحرارية للمحيطات يعد بصورة استثنائية كمصدر للطاقة المتجددة على نطاق واسع، ويمكن أن يتحول إلى نظم للطاقة في المناطق الساحلية الاستوائية، وقدرتها على توفير الطاقة النظيفة والموثوقة على مدار الساعة - بينما توفر أيضا منتجات مشتركة مثل المياه العذبة وتربية الأحياء المائية المائية الباردة - تجعلها تكنولوجيا ذات طابع متعدد الأطراف، وفي حين أن هناك تحديات كبيرة في مجالي التكلفة والهندسة لا تزال قائمة، والمشاريع الرائدة الجارية، والابتكارات في مجال المواد، والطابع المتسارع في مجال المناخ.