Table of Contents
The Untapped Potential of Ocean Waves for Coastal Power
ونظرا لأن الطلب العالمي على الطاقة ما زال يتزايد، وللحاجة الملحة إلى إزالة الكربون من مصادر الطاقة المتجددة الموثوقة، فإن البحث عن مصادر للطاقة المتجددة لم يكن أبدا أكثر أهمية، وقد حققت الطاقة الشمسية والريحية خطوات كبيرة، ولكنها تواجه تحديات متأصلة في مجال الطاقة، وتوفر الطاقة في موجات المحيطات تكملة قوية: وهي موارد متجددة ضخمة يمكن التنبؤ بها وغير مستغلة إلى حد كبير، كما أن الطاقة المتجددة ذات الموجات الحرارية تُصمم لتسخير هذه الطاقة.
Understanding Wave Energy Converters
إن محولات الطاقة الموجية هي أجهزة كهربائية تعترض حركة موجات المحيط - سواء حركة الجسيمات المائية المدارية أو تغيرات الضغط التي تقع تحت السطح - وتحوّل الطاقة الميكانيكية إلى طاقة كهربائية، والمبدأ الأساسي هو: أن تحرك الموجات نحو الناقل الرئيسي (مثل الطفاف العائم، أو المزلاج المشرق، أو عمود جوي متطرف)، غير أن الظروف تؤدي إلى تشغيل مولد كهربائي.
وقد بدأ التطور الحديث في البلدان المتوسطة الدخل بعمق بعد أزمة النفط التي وقعت في السبعينات، حيث قام باحثون مثل ستيفن سالتر في المملكة المتحدة وشركة Kjell Budal وJhannes Falnes في النرويج بعمل رائد مبكر، ومنذ ذلك الحين، اقتُرحت مئات المفاهيم المتعلقة بالأجهزة، وإن كان هناك حفنة فقط قد تقدمت إلى تجارب بحرية كاملة، ويعكس تنوع النُهج تفاوت المناخات - الذي لا يعمل جيدا في الأزهار الطويلة.
ويمكن تصنيف نظم الطاقة الموجية بمبدأ عملها، وموقعها (الخط الساحلي، أو الشاطئ، أو الخارج)، وآلية نقل الطاقة، وتشمل أكثر التصنيفات شيوعا الأعمدة المائية المهوية، ومصاميم النقاط، والمحفزات، ومحوّلات الموجات المتدفقة، والأجهزة المتمايزة للضغط، ولكل نوع مزايا ومبادلات متميزة من حيث الكفاءة، والقابلية للاستمرارية، والاختلافات المناسبة في الموقع والبيئة.
فيزياء الطاقة المتدفقة
In Ocean waves transport energy across vast distances with remarkable efficiency. For deep water waves, the energy flux per unit of wave crest - often expressed in kilowats per meter — is given by the equation P
وفى هذا السياق، فإن الإشعاع الشمسي على سطح الأرض يبلغ حوالي 0.2 كيلوواط في كل متر مربع في ظروف مثالية، و كثافة الطاقة الريحية في ارتفاع مهيمن نموذجي في المفاعلات الاضطراباتية تبلغ حوالي 0.5 كيلوواط في كل متر مربع، وسرعان ما لا تكون الطاقة المتغيرة في الشبكة هي الكثافة بل أكثر اتساقا، وفي حين أن إنتاج الطاقة الشمسية والريح يمكن أن يتغير بشكل كبير في غضون دقائق، فإن قابلية التأثر بالطاقة أكثر بسرعة.
الأنواع الرئيسية للمتحولين عن الطاقة الموجية
ملوّثات المياه المغلقة
إن أعمدة المياه الخفية هي واحدة من أقدم وأوسع تصميمات الـ إس بي سي دراسة، وتتألف من غرفة مائية مغمورة جزئياً ومفتوحة أمام البحر في قاعها، حيث إن الأمواج تدخل وتخرج من الغرفة، وترتفع سطح الماء وتهبط، وتضغط على المولدات الكهربائية المشتعلة فوقها وتزيلها، وتتجه هذه التدفقات الهوائية الراقية إلى منطقة يرتن.
نقطة آبسوربر
مُمتصات النقاط تطفو على المحار التي ترتفع وتهبط بحركة الموجات، وتستوعب الطاقة من جميع الاتجاهات بسبب بصمة أفقية صغيرة مقارنة بموجات الموجات الموجية، والحركة النسبية بين لوحات السحب وجهاز مرجعي، إما لوحة ردة فعل مغمورة أو تيتر مُربع في قاع البحر،
المُوجهون
وتمتد هياكل المسافرين إلى أجزاء متعددة، توازي اتجاه الموجة المهيمنة، حيث إن الموجات تجتاز الجهاز، وتنتقل كل جزء من أجزاءه إلى أجزاء أخرى، وتُستخدم الحركة المشتعلة في نهاية المطاف لضخ السوائل الهيدروليكية، التي تدفع مولداً كهربائياً، ومع ذلك فقد توقفت أجهزة التحكّم المعروفة عن استخدام أجهزة الصمامات، التي طورتها شركة بيلاميز ووفت في اسكتلندا.
المترجمون الشفويون
أما المحولات التي تعمل بالطيف الموجي المتطورة فهي مجهزة من القاعدة، ومثقلة بالثقوب التي ترتجف وتتجه إلى الأمام استجابة للحركة الأفقية للجسيمات المائية في المياه الضحلة، وهذا الطرح يدفع ببطن الهيدروليكية أو مضخة، مما يؤدي بدوره إلى توليد الطاقة الكهربائية، ويصبح التركيز على المياه الجوفية فعالا بشكل خاص في البيئات القريبة من الشاطئ حيث تتركز الطاقة الموجية بسبب الثبات والآثاثة.
أجهزة مختلفة للضغط المغمور
هذه الأجهزة مُعدّة على قاع البحار وتعتمد على تغيرات الضغط التي تحدث مع مرور الأمواج، كما أنّ النسيج المرن أو اللوحة الصلبة قد تحركت استجابةً لفرق الضغط، مما أدى إلى تقلص نظام الكهرباء، ولأنّها مغمورة بالكامل، فإنّ هذه الأجهزة غير مرئية عن خط السواحل، مما يقلّل من تأثيرها البصري، وهي أقل عرضة للضرر العاصف.
أهم مزايا الطاقة المتدفقة
وتوفر الطاقة الموجة مجموعة من المزايا تجعلها إضافة جذابة إلى مزيج الطاقة المتجددة، أولا وقبل كل شيء، فهي مصدر للطاقة الصفرية الكربونية لا انبعاثات مباشرة من غازات الدفيئة أثناء التشغيل، حيث إن كثافة الطاقة في الموجات أعلى بكثير من كثافة الطاقة الشمسية أو الرياح، مما يعني أن هناك حاجة إلى هياكل أساسية أقل لتوليد نفس كمية الطاقة، وتترجم عوامل القدرة على إنتاج مركبات ثلاثية الفرن في المائة من صور الموجات الحية تتراوح بين 30 و 50 في المائة.
والقابلية للتنبؤ هي ميزة رئيسية أخرى، إذ أن موجات المحيطات تولدها الرياح التي يمكن التنبؤ بها قبل أيام، وتُفهم عملية نشر الموجات فهما جيدا من خلال نماذج رقمية، مما يتيح للمشغلين التنبؤ بدقة بتوليد الطاقة في الأيام القليلة القادمة، والقدرة القيمة على تحقيق التوازن بين الشبكة، بحيث لا يمكن للشمس والريح أن يضاهيها دون تخزين أو توليد احتياطي باهظ التكلفة، كما أن الطاقة الموجية تحقق التكامل الموسمي مع الطاقة الشمسية في مناطق عديدة:
ومن منظور استخدام الأراضي، فإن الطاقة الموجية هي مصدر إيجابي صافي، إذ أن مركبات الكربون العضوية الثابتة توزع في الخارج، وتحرر أرضا ساحلية قيمة لاستخدامات أخرى مثل الزراعة أو الإسكان أو الحفظ، وتحتوي أجهزة التخصيب بوجه خاص على بصمة بصرية صغيرة من الشاطئ عندما تقع على مسافة كافية، وبالإضافة إلى ذلك، يمكن أن تتقاسم شبكات الطاقة الموجية مع مزارع الرياح البحرية، وتتقاسم الكابلات البحرية وغيرها من الهياكل الأساسية للحد من تكاليف المشروع الإجمالية.
وبالنسبة للدول الجزرية والمجتمعات الساحلية النائية، فإن الطاقة الموجية توفر طريقا إلى الاستقلال في الطاقة، ويعتمد العديد من هذه المناطق على الديزل المستورد للكهرباء، ويتكبد تكاليف مرتفعة ويلحق الضرر بالبيئة، ويمكن أن تهدم الطاقة الموجية المحلية توليد الطاقة الديزلية، وتخفض مخاطر إمدادات الوقود، وتخفض أسعار الكهرباء، وعلاوة على ذلك، فإن تطوير الطاقة الموجية يؤدي إلى خلق فرص عمل ماهرة في مجال التصنيع، والتركيب، والعمليات، والخدمات البحرية، مما يساعد على بناء اقتصاد أزرق يدعم سبل العيش في المناطق الساحلية.
التحديات والمعوقات أمام التبني على نطاق واسع
التحديات التقنية
فالمحيطات بيئة غير مرغبة، إذ يجب أن تتحمل البلدان المتوسطة الدخل المياه الملحية التآكلية، والضغط الأحيائي من الكائنات البحرية، والحمولات الهيدرودينامية الشديدة أثناء العواصف، كما أن جهازا مصمما لاستخلاص الطاقة بكفاءة في البحار المتوسطة يجب أن يصمد أمام موجات عواصف واحدة في الخمسين قد تكون أكبر حجما، مما يؤدي إلى إدراج هوامش هيكلية قوية، وأساليب لحماية العواصف، وإلى زيادة التكاليف.
ويجب أن تحول نظم نقل الطاقة - قلب أي من هذه المركبات - حركة الموجات البطيئة العالية القوة إلى تناوب سريع للمولدات، وتوفر النظم الهيدروليكية قدرا كبيرا من الضخامة والتحكم الجيد، ولكنها تعاني من فقدان الكفاءة ومن مخاطر التسرب، وتقضي المولدات ذات المحرك المباشر على الهيدروليكية، ولكنها تتطلب تصميما مغناطيسيا وهيكليا متطورا لتحقيق الكفاءة والموثوقية المقبولين.
التحديات الاقتصادية
كما أن التكلفة العالية للطاقة بالنسبة للطاقة الموجية لا تزال مرتفعة مقارنة بالمتجددات الثابتة، وتتراوح التقديرات الحالية بين 100 و200 يورو لكل ساعة من ساعات العمل في المشاريع التجارية المبكرة، تبعا للموقع والتكنولوجيا، وخلافا لذلك، فإن تكاليف تشغيل أقساط التأمين على الشاطئ والطاقة الشمسية كثيرا ما تكون أقل من 40/MWh، وتعويضات الريح البحرية عن ارتفاع تكاليف تشغيل المستثمرين في تركيبات تبلغ 50-80/MWh في الأسواق الناضجة.
غير أنه يتوقع أن تتبع منحنى التعلم من أجل الطاقة الموجية النمط المشاهد للريح البحرية والفولط الشمسي. وتتوقع الرابطة الأوروبية للطاقة في المحيط أن تتحول القدرة التراكمية على تركيبها من 2 إلى 3 جيغاوات إلى 60-80/MWh، مما يجعل الطاقة الموجية قادرة على المنافسة مع مصادر أخرى متجددة، وسيتطلب تحقيق هذا الحجم دعماً مستداماً في مجال السياسات، بما في ذلك التعريفات الغذائية، والعقود للفرق، والتمويل المكرس للابتكار.
التحديات البيئية والتنظيمية
وفي حين تعتبر الطاقة الموجية غير معقولة بيئياً عموماً، يجب تقييم الآثار المحتملة والتخفيف منها بعناية، ويمكن أن تؤدي مركبات الكربون العضوية في العالم وأجهزةها في الشغب إلى تغيير نظم الموجات المحلية، ونقل الرواسب، وأنماط التحات الساحلي، وقد يؤثر وجود هذه الأجهزة على سلوك الثدييات البحرية، والأسماك، والطيور البحرية من خلال مخاطر التصادم، والضوضاء، والحقول الكهرومغناطيسية من كابلات الكشافة.
إن الأطر التنظيمية للطاقة الموجية مجزأة وغير مكيفة في كثير من الأحيان مع مصادر الطاقة المتجددة البحرية، ويمكن أن يشمل هذا التأشير وكالات متعددة مسؤولة عن التخطيط المكاني البحري، وحماية البيئة، وسلامة الملاحة، ومصائد الأسماك، وتوليد الكهرباء، وكثيرا ما تكون هذه العملية بطيئة ومكلفة وغير مؤكدة، ولا سيما في البلدان التي تكون فيها الطاقة الموجية جديدة، ومن شأن إجراءات الموافقة المسبقة - التي توضع على تلك التي توضع في الهواء الريحي الخارجي - أن تقلل من التأخيرات والتكاليف وتكاليف المشاريع وتعجلة.
النشرات العالمية والمشاريع الرائدة
طاقة الموجات لا تزال في مرحلة ما قبل التجارة، مع بضعة ميغاوات من الطاقة المركبة في جميع أنحاء العالم، معظم المشاريع النشطة هي منشآت تجريبية ومظاهرية، لكنها توفر بيانات حاسمة عن التحقق من التكنولوجيا وخفض التكاليف، وتقود أوروبا تطوير الطاقة الموجية، مدفوعاً بدعم قوي في مجال السياسات، ووجود مرافق اختبار عالمية مثل مركز الطاقة البحرية الأوروبي في أوركني، وسكويتلاند، ووافت هوب
في أمريكا الشمالية، إدارة الطاقة الكهربائية التابعة للولايات المتحدة يمول البحث والاختبار في مختبر الطاقة المتجددة الوطني وشبكة من مواقع اختبار الطاقة البحرية، وشمال غرب المحيط الهادئ، مع موجة موجة الطاقة المتحركة قبالة واشنطن وأوريغون، كان محورا لتطوير الطاقة الموجة، وطور مركز البحوث في المحيط الهادئ للطاقة في نوفا سكوشيا
وعلى الرغم من هذا التقدم، لا يزال مجموع طاقة الموجات المركب أقل من 5 ميغاواط، ويعود بطء وتيرة ذلك جزئيا إلى صعوبة تأمين الاستثمار في مشاريع الطاقة الكثيفة رأس المال في المحيطات، ولا سيما بعد الفشل التجاري للمشاريع ذات النطاقات العالية مثل بيلاميس، غير أن جيلا جديدا من المطورين يركز على أجهزة أصغر حجما وأكثر عدلا يمكن تصنيعها في الحجم، مما يقلل من تكاليف الوحدة ويتيح الانتشار السريع.
الطاقة الموجة في سياق مصادر أخرى
ولا ينبغي النظر إلى الطاقة الموجية على أنها تتنافس مع الطاقة الشمسية والريحية، بل على أنها تكملها، وكثيرا ما توجد أقوى موارد الموجات في المناطق التي تقل فيها تماسك الطاقة الشمسية والريحية، وترتفع فيها مستويات إنتاج الطاقة الموجية في أشهر الشتاء عندما يكون توليد الطاقة الشمسية أقل، وكثيرا ما يكون الطلب على الكهرباء أعلى مستوى، وهذا التكامل الموسمي يمكن أن يقلل من الحاجة إلى تخزين الطاقة الموسمية أو توليد الدعم، ويحسن كفاءة النظام المتجدد بشكل كامل، وفي شبكة الطاقة الموجة يمكن أن تساعد على توفير الإمدادات السلسة والحد من العرض.
وبالمقارنة مع الرياح البحرية، فإن للطاقة الموجية مزايا مميزة عديدة: الأثر البصري الأدنى، واحتمال انخفاض النزاعات مع الشحن والصيد إذا تم نشر الأجهزة في صفائح، ووفرة أكثر توزيعا يمكن الوصول إليها بالقرب من الشاطئ حيث تقل تكاليف النقل، وتصل طاقة الرياح البحرية إلى عامل قدرة أعلى (40-50% من التربينات الحديثة) وقد استفادت من تخفيضات كبيرة في التكاليف من خلال تضخم الحجم وسلسلة الإمداد.
إن الطاقة المدوية - أي نطاق المد والجزر (الباراجات) وتدفق المد والجزر - أكثر قابلية للتنبؤ من طاقة الموجات، ولكنها تقتصر جغرافيا على مواقع ذات نطاقات المد والجزر العالية أو التيارات المدوية القوية، وتتوفر طاقة الموجات على نطاق أوسع، ولا سيما على طول خطوط السواحل المعرضة للخطر، وعلى نطاق واسع، يتوقع أن تكون الطاقة الموجية أرخص من تيار المد بسبب ترسبات والصيانة الأبسط، وإن كانت كلتا التكنولوجيات تواجه تحديات مماثلة في البيئة.
The Future of Wave Energy: Pathways to Commercial Viability
إن مستقبل الطاقة الموجية يتوقف على استمرار تطوير التكنولوجيا، وخفض التكاليف، ودعم السياسات، وهناك عدة اتجاهات رئيسية تبعث على التفاؤل، أولا، أن المواد والسلف الصناعية - بما في ذلك المركبات المقاوم للتآكل، والمواطف المتقدمة، والتصنيع المضاف للعناصر المصممة خصيصا - تؤدي إلى تحسين قابلية الأجهزة البحرية للاستمرارية والقدرة على تحمل تكاليفها، وثانيا، أن التواؤم الرقمي والاستخبارات الاصطناعية تتيح رصد المخاطر في الوقت الحقيقي والتحكم في التكيف.
إن التهوية وسيلة واعدة بشكل خاص، حيث أن تحويل الطاقة إلى موجات مع تربينات الرياح العائمة على منصة واحدة يمكن أن يتقاسم التكاليف الهيكلية، والصيد، والهياكل الأساسية الكهربائية، كما أن إجراءات الموجات تؤدي إلى تقلص حركة المنابر، مما يمكن أن يحسن أداء التربينات الريحية ويقلل من الحمولات، وهناك مشاريع أوروبية عديدة، بما فيها مبادرات الموجة المائية الخارجية وتربية الميديا، تستكشفين هذه أوجه التآزر.
ولا يزال الدعم السياساتي بالغ الأهمية، وقد حدد منتدى الطاقة في المحيط التابع للاتحاد الأوروبي والتوجيه المتعلق بالطاقة المتجددة أهدافاً للطاقة في المحيطات، وقامت بلدان عديدة - منها اسكتلندا وأيرلندا والبرتغال - بتنفيذ خطط دعم مكرسة لذلك، كما أن التعريفات الجمركية والعقود المتعلقة بالفرق وبرامج شهادات الطاقة المتجددة يمكن أن توفر يقيناً من الإيرادات للمشاريع المبكرة، في حين أن منح الابتكار والشراكات بين القطاعين العام والخاص تساعد على تطوير التكنولوجيا المهددة بالمخاطر، كما أن استمرار الاستثمار في مراكز اختبار الطاقة البحرية والهياكل الأساسية للبحوث.
إن توقعات السوق تختلف اختلافا كبيرا، ولكن معظم المحللين يتوقعون أن تبدأ الطاقة الموجية بالإسهام بشكل مفيد في إمدادات الكهرباء العالمية بحلول أواخر الثلاثينات، وتتصور مجموعة نظم الطاقة في المحيطات التابعة للوكالة الدولية للطاقة 10 جي دبليو من الطاقة في المحيطات (بما في ذلك الموجات والمد) التي تنشر على الصعيد العالمي بحلول عام 2030 في إطار سيناريو طموح، وتصل إلى 100 جي دبليو في عام 2040، بينما هذه الأرقام متواضعة مقارنة بالقيمة المتميزة للطاقة الشمسية والشمسية - القدرة على التنبؤ والتكامل
الاستنتاج: إزالة الموجة الأمامية
إن محولات الطاقة المتدفقة تمثل فرصة هندسية بارزة للاستفادة من واحدة من أقوى موارد الكوكب الطبيعية واستمرارها، وقد تطورت التكنولوجيا من المفاهيم النظرية إلى الأجهزة الحقيقية العاملة في المحيط، حيث أظهرت عدة شركات رائدة وجود تشغيلية موثوقة ذات صلة بالشبكة، وميزات الطاقة الموجية - الكثافة العالية، والقدرة على التنبؤ، وانخفاض استخدام الأراضي، والتكامل الموسمي - تجعلها مكملة قيمة للشمس والريح في حافظة متجددة متنوعة.