Table of Contents
مقدمة: الطاقة المُنشأة للأراضي الرطبة بالطاقة المتجددة
إن الأراضي المزروعة هي نظم إيكولوجية مصممة، تُعد عمليات طبيعية صغيرة لمعالجة المياه المستعملة، ومياه العواصف، والثغرات الصناعية، وتعتمد هذه النظم على مصادر الطاقة المتجددة، والتربة، والنشاط المجهري لملوثات الرش، وتحسن نوعية المياه، وتدعم التنوع البيولوجي، غير أن كفاءة تشغيل ورصد الأراضي المتجددة المشيدة تتطلب إمدادات مستمرة من الطاقة للمستنقعات والمضخات ووحدات التحكم ومعدات القياس التقليدية.
ومع تزايد الطلب العالمي على الإدارة المستدامة للمياه، فإن تقارب الطاقة الخضراء ومعالجة مياه الصرف الصحي القائمة على الطبيعة يوفر مسارا قويا نحو عمليات الشبكة، ويتزايد تضافر الباحثين والممارسين في صفائف فولتية الضوئية، وتربينات الريح الصغيرة، وتخزين البطاريات مع نظم متقدمة متجددة للمراقبة وجمع البيانات لإنشاء شبكات لرصد الأراضي الرطبة تعتمد على الطاقة الذاتية.
مزايا الطاقة المتجددة في الأراضي الرطبة
الاستدامة البيئية
فالتحول إلى الطاقة المتجددة يقلل مباشرة من انبعاثات غازات الدفيئة المرتبطة بمعالجة المياه المستعملة، إذ أن الأراضي المزروعة لديها بالفعل أثر كربوني أقل مقارنة بمصانع المعالجة التقليدية؛ ويزيد من تقليص طاقتها بالطاقة الشمسية أو الرياح من ذلك الأثر، إذ أن العديد من الولايات القضائية تحتاج الآن إلى إدماج متجدد في مشاريع البنية التحتية العامة أو تحفز عليه، مما يجعلها خيارا تطلعيا لمعالجة المياه البلدية والصناعية.
المدخرات الطويلة الأجل
وعلى الرغم من أن الاستثمار الأولي في الألواح الضوئية، والاضطرابات الريحية، وتخزين البطاريات يمكن أن يكون كبيرا، فإن النفقات التشغيلية أقل بكثير من الكهرباء الشبكية على مدى عمر النظام، وقد انخفضت تكاليف الألواح الشمسية بأكثر من 80 في المائة على مدى العقد الماضي، ولا تزال أسعار البطاريات تهبط، فبالنسبة للأراضي الرطبة التي تبنى عن بعد، قد تؤدي إلى وفورات كبيرة، وفي كثير من الحالات، يدفع نظام متجدد بشكل سليم في حدوده.
استقلال الطاقة والقدرة على التكيف
وتوجد العديد من الأراضي الرطبة المشيدة في المناطق الريفية أو المناطق النائية حيث لا تتوفر الطاقة الكهربائية أو لا يمكن الاعتماد عليها، وتسمح نظم الطاقة المتجددة، مقرونة بتخزين البطاريات الكافية، لهذه الأراضي الرطبة بالعمل باستمرار دون اتصال بالشبكات، وهذا الاستقلال حاسم لرصد نوعية المياه في الوقت الحقيقي، الذي يجب أن يدار على مدار الساعة طوال الوقت لكشف أحداث التلوث وضمان الامتثال التنظيمي لها، وأثناء الكوارث الطبيعية أو انقطاع الشبكات، تظل النفايات الجاهزة ذات الطاقة المتجددة، توفر النفايات الوظيفية.
انخفاض احتياجات الصيانة
وترمي الأفرقة الشمسية والأوربينات الحديثة للرياح إلى انخفاض الصيانة، دون أن تتحول أجزاء في معظم التجهيزات الفوتاتية، وهذا ميزة كبيرة في المواقع النائية التي تكون فيها الزيارات العادية للخدمات مكلفة وصعبة، ومع التصميم السليم، يمكن لنظام الطاقة المتجددة أن يعمل لمدة 20 سنة مع استبدال التنظيف والبطارية من حين لآخر، مما يؤدي إلى تجاوز العمر المعتاد لمولدات الديزل أو التحولات ذات الصلة بالشبكة.
المصادر العامة للطاقة المتجددة للنظم الرطبة
الطاقة الشمسية (النظم الفوتوغرافية)
وتأتي الألواح الشمسية مصدر الطاقة المتجددة الغالب للأراضي الرطبة المشيدة، بسبب تقلص تكلفتها وسهولة التركيب، وتحوّل وحدات الطاقة الفوتوفولطية ضوء الشمس مباشرة إلى الكهرباء، التي يمكن أن تضخ الطاقة، ووحدات الإرسال، والمجسات، ومراقبتها، وتوفر عادة مرافق ميكانيكية صغيرة إلى متوسطة الحجم، أو حواسيب أرضية أو مجموعة كبيرة من المضخات الكهربائية.
وثمة اتجاه تصاعدي يتمثل في استخدام صفائف شمسية عائمة في خلايا الأراضي الرطبة المشيدة، وهذه " الفلاتولوتات " تقلل من التبخر بالمياه، وتمنع نمو الطحالب عن طريق التظليل، ويمكن تركيبها دون احتلال أرض إضافية، وقد أثبتت المشاريع الرائدة في فلوريدا وإسبانيا أن الفولطام يمكن أن يلبي 100 في المائة من احتياجات الطاقة في مجال تآكل الأراضي الرطبة ورصدها مع تحسين أداء العلاج.
طاقة الرياح
ويمكن أن تكمل الطاقة الشمسية، ولا سيما خلال أشهر الشتاء أو في الليل عندما يكون الناتج الشمسي منخفضاً، وتوفر النظم الهجينة الشمسية إمدادات متجددة أكثر توازناً وموثوقية، وتحتاج التوربينات الفائزة إلى دعم هيكلي أكبر، وتحتاج إلى أجزاء إضافية ذات فعالية كبيرة.
الطاقة الكهرمائية والهيوم المصغر
وفي الأراضي الرطبة التي تتدفق فيها المياه من خلال تربينات كبيرة عالية، يمكن أن تولد الكهرباء من الرأس الهيدروليكي، وهذا أقل شيوعاً وإن كان عالي الكفاءة، مما يؤدي إلى تحويل ما يصل إلى 90 في المائة من الطاقة المحتملة للمياه إلى الكهرباء، كما أن الميكروهيدرو هو المثالي للأراضي الرطبة التي بنيت على أرض منحدرة أو التي تتلقى طاقة ريحية من خزانات تخزين مستمرة عالية.
Biogas from Wetland Biomass
وتنتج الأراضي الرطبة المُصنَّعة الكتلة الأحيائية النباتية (مثلاً، الطبقات، البقايا) التي يمكن حصادها وتجهيزها في الغازات الأحيائية من خلال الهضم الجوي، ومع أن هذا النهج لا يزال تجريبياً لعمليات الأراضي الرطبة، فإن البحوث المبكرة تبين أن الميثان من الحصاد يمكن أن يولد الكهرباء الكافية لمضخات الطاقة والضوابط، كما أنه يوفر وسيلة لإزالة المغذيات من
اعتبارات التنفيذ المتعلقة بالأراضي الرطبة المتجددة
تقييم الموقع ومراجعة حسابات الطاقة
قبل تصميم نظام للطاقة المتجددة، يلزم إجراء تقييم شامل للمواقع، ويشمل ذلك قياس عزل الشمس (ساعات الشمس في اليوم)، وسرعة الرياح واتجاهها، ودرجة الحرارة المحيطة، ودرجة الميكروفون حول الأراضي الرطبة، وفحص الطاقة لجميع معدات الرصد والتشغيل - المضخات، والمراقبين، والأجهزة الاستشعارية، ووحدات القياس عن بعد، والضوء - يُنشئ مجموع استهلاك الطاقة اليومي (كليوت/يوم) وحجم الطاقة
تشكيل النظام واختيار العناصر
وبعد معرفة الطلب على الطاقة، يمكن تدنيس الجيل المتجدد، وتتمثل القاعدة النموذجية للصبغة الشمسية في تركيب ما يكفي من الألواح لتوليد 1.3 إلى 1.5 مرة من الحمولة اليومية، مما يُعزى إلى فقدان النظام وكفاءة البطاريات، وتُستغل قدرة البطارية لتغطية 2-3 يوما من الاستقلال خلال أيام التجاوز المتتالية، ويُفضل الآن على البطاريات التي تعمل بالليثيوم العالي (AGM أو التي تُغرق)
التكامل مع نظم الرصد والمراقبة
(ب) استخدام معدات القياس عن بعد (الوحدات الإقليمية، وسجلات البيانات، والوسمات الخلوية/السواتل) لنقل بارامترات نوعية المياه مثل الهيدروجين، والأكسجين المذوب، والاضطرابات، ومعدل التدفق، ومستويات المغذيات، وهذه الأجهزة تعمل عادة على طاقة منخفضة التطويع، مما يجعلها مثالية للنظم المتجددة ذات الطاقة العالية السعة.
التخطيط للنفقة والاعتماد
وتواجه نظم الطاقة المتجددة في بيئات الأراضي الرطبة تحديات محددة: التآكل من الرطوبة والكبريتيد الهيدروجيني، والغبار على الألواح الشمسية، والثبات في الرغاوي، والتنظيف المنتظم لوحدات الفلول البيرفلورية، وتفتيش نصلات الريح والعلامات، وأجهزة الإنذار في مواقع البطاريات، وترسيب العديد من المشغلين لقطع الغيار التي تتبع إنتاج الألواح، وتركات.
الاعتبارات المالية والحوافز
أما التكاليف الأولية لنظم الطاقة المتجددة فلا تزال تشكل عائقا أمام العديد من مشاريع الأراضي الرطبة، غير أن هناك برامج حافزة متعددة، ففي الولايات المتحدة، يوفر الائتمان الضريبي للاستثمار الاتحادي ائتمانا ضريبيا بنسبة ٣٠ في المائة لتخزين الطاقة الشمسية والبطارية؛ وهناك حوافز مماثلة متاحة في الاتحاد الأوروبي ومناطق أخرى، وكثيرا ما تمول المنح المقدمة من الوكالات البيئية، والسلطات المائية، والمنظمات الخيرية، التكامل المتجدد في الهياكل الأساسية للمياه، وينبغي أن يشمل تحليل تكاليف دورة الحياة تجنبا لتكاليف الكهرباء، تخفيضا.
الموارد الخارجية: 1. NREL PVWatts Calculator]
دراسات الحالة: الأراضي الرطبة الحقيقية المجددة ذات الطاقة المتجددة في العالم
"أرض متبلّدة" "في "أوريغون الشرقية"
وقد تم بناء سطح مائي مجاني من نوع 2 متر مربع من الأراضي الرطبة في منطقة أوريغون الريفية، حيث تم تشغيله بعيدا عن الشبكة، وتتم تشغيله بالكامل بواسطة صفيفة شمسية تبلغ مساحتها 20 كيلوواط من مخزن بطارية الليثيوم، وتشغل المجموعة الشمسية مضختين فرعيتين (0.5 hp كل منهما) تبلغان عن إنتاج المياه في الخانات الأرضية الرطبة، وجهاز إرسال يوميا
هايبريد سولار - ويندي لبيتلاند البلدية في الدانمرك
وقد أعادت بلدية ألبروج تجهيزها من الأراضي الرطبة الثالثة بنظام متجدد مختلط لخفض انبعاثات الكربون، كما أن مجموعة من الطاقة الشمسية التي تبلغ مساحتها 7 كيلوواط و2.5 كيلوواط و2.5 كيلو فولط، وتصل إلى طاقة احتياطية متجددة (للمناطق الهوائية) ومستشعرات مغذية مكملة للوقت الحقيقي، كما أن النظام يزود عينة أرضية آلية تبلغ قيمتها 5.5 في المائة من دولارات الولايات المتحدة التي تجمع بيانات عاصفة خلال أحداث عاصفة.
التحديات واستراتيجيات التخفيف
وعلى الرغم من الفوائد العديدة التي تحققت، فإن إدماج الطاقة المتجددة في الأراضي الرطبة المشيدة يشكل تحديات عديدة، إذ أن تداخل الطاقة الشمسية والريح يمكن أن يعطل معدات الرصد الحساسة إذا كان تخزين البطاريات ناقصا، وفي المناطق المدارية، يجب أن تتسارع الرطوبة العالية وهطول الأمطار في تصميم الاتصالات الكهربائية ومحطات البطاريات، ويمكن أن تؤدي انخفاضات عوامل المياه في الألواح إلى الحد من الكفاءة بنسبة تتراوح بين 10 و30 في المائة في المناخ الجاف، ويجب أن تشمل عوامل التآكل الطاقة الكهربائية باستخدام أجهزة التبريدة.
وثمة تحد آخر يتمثل في عدم وجود مبادئ توجيهية موحدة للتصميم فيما يتعلق بنظم رصد الأراضي الرطبة المتجددة، وكثير من المشاريع هي تصميمات ذات فتحة واحدة، وزيادة التكاليف الهندسية، والوقت الرائد، وقد قام تعاون الصناعة وتطوير مجموعات الطاقة المتجددة من أجل الأراضي الرطبة المشيدة، بنشر أفضل الممارسات([2]:
2. EPA Constructed Wetlands Resource]
الاتجاهات والابتكارات في المستقبل
الاستخبارات الفنية وإدارة الطاقة الافتراضية
ويجري تطوير خوارزميات التعلم الماكنة للتنبؤ بتوليد الطاقة (استنادا إلى التنبؤات الجوية) والطلب على الطاقة (استنادا إلى حمولات العلاج) ويمكن أن تنقل نظم الرقابة " الذكية " هذه حمولات غير حرجة إلى فترات الذروة في الإنتاج المتجددة، وأن تزيد من خفض احتياجات البطاريات، مثلا، إذا تنبؤات الشمس بعد ظهر غيوم، فإن النظام قد يشحن البطارية في الصباح أو يقلل معدلات المعالجة المتصاعدة مؤقتا دون أن يحسب الأداء.
نظام المزارعين المتكامل
ومع تزايد اعتماد الزراعة للطاقة المتجددة، يمكن إدماج الأراضي الرطبة المُنشَّاة في المزارع في البنية التحتية الحالية للغاز الشمسي أو الغاز الحيوي في المزارع، ويمكن لمزرعة الألبان التي لديها مولد للغاز الحيوي أن تستخدم فائض الكهرباء في مضخات الأراضي الرطبة بينما تعالج الأرض الرطبة المهددة، وهذا النهج التعميمي يغلق الحلقة بين الطاقة والمياه وإدارة المغذيات.
شبكات الاستشعار المنخفضة المصدر التي تعمل بالطاقة
ويمكن أن تُزود أجهزة الاستشعار الناشئة ذات الطاقة المنخفضة (الخامسة) بالطاقة الشمسية الصغيرة أو حتى محصولات الطاقة الحرارية التي تلتقط الحرارة من سطح الأرض الرطبة، وهذه الشواهد ذاتية الطاقة تنقل البيانات عبر لو راوان أو نيو بيتو، ولا تحتاج إلى بطاريات أو أسلاك، وعلى مدى العقد المقبل، يمكن لهذه الأجهزة أن تجعل شبكات رصد الأرض الرطبة ذاتية على نطاق واسع، قادرة على البقاء اقتصاديا.
نظام " أوغريد ويتلاند " الموحد
وتقوم عدة شركات هندسية ومنظمات غير حكومية بوضع حلول موحدة " للصناديق الكهربائية " تشمل صفائف شمسية مجهزة سلفا ومضخات ومعدات للرصد، وهناك مجموعة من معدات شركة Wetlands Work3 تتضمن نظاما للبطاقات الشمسية يتكون من 3 كيلوواط يمكن تشغيله من سعة 0.5 hp مضخ، وملحق كامل من أجهزة الاستشعار المصممة بأقل من 000 15 دولار.
خاتمة
ومن شأن مصادر الطاقة المتجددة - وخاصة الطاقة الشمسية والريحية - أن تتحول إلى كيفية رصد وتشغيل الأراضي الرطبة المشيدة، ومن خلال توفير الطاقة النظيفة والفعالة من حيث التكلفة والمرنة، أن تتيح هذه التكنولوجيات إدارة نوعية المياه بصورة مستمرة في المواقع التي كانت تعتبر سابقاً بعيدة أو مكلفة، وأن تكون مزايا الاستدامة البيئية، والوفورات الطويلة الأجل، واستقلال الطاقة، وصيانتها المنخفضة، هي التي تجعل من الضروري إدماج أهداف جديدة قائمة على إدارة النفايات في مشاريع الأراضي الرطبة.
ويتطلب تنفيذ نظام للطاقة المتجددة من أجل بناء أرض مبتلة التخطيط الدقيق، ولكن هناك أدوات ودراسات حالة لتوجيه العملية، فمن خلال التعويم الشمسي على خلايا المعالجة إلى تركيبات مائية مهجورة، فإن الخيارات متاحة أكثر من أي وقت مضى، ومن خلال إجراء أول تقييم للمواقع ومراجعة حسابات الطاقة - يمكن لأي عامل من مشغلي الأراضي الرطبة أن يبدأ الانتقال إلى مستقبل مكتفي ذاتياً ومتعدد الكربون.