تحويل الطاقة وعلم الدم الحراري: تصميم حلول مستدامة

إن تحويل الطاقة وعلم الديناميكا الحرارية يشكلان الأساس العلمي لمعالجة أحد أكثر التحديات إلحاحا في البشرية: إنشاء نظم طاقة مستدامة تلبي الطلبات العالمية المتزايدة مع التقليل إلى أدنى حد من الأثر البيئي، ومع تحول العالم بعيدا عن الوقود الأحفوري ونحو مصادر الطاقة الأنظف، فهما لكيفية تحول الطاقة من شكل إلى آخر والقوانين الأساسية التي تنظم هذه التحولات - تصبح ذات أهمية متزايدة بالنسبة للمهندسين وواضعي السياسات والمهنيين في مجال الاستدامة.

إن كفاءة تحويل الطاقة هي رقم لا يبعد بين صفر و1.10 أو بنسبة 100 في المائة، مما يمثل كيف تتحول الطاقة بفعالية من شكل إلى آخر، وهذا التدبير يبرز نسبة الطاقة المُدخلة التي تُحوَّل بنجاح إلى طاقة عمل أو ناتجة مفيدة، في حين يُعزى ذلك إلى الخسائر الناجمة عن حرارة النفايات أو الاحتكاك أو أوجه القصور الأخرى، وفي عصر تقدم فيه الوقود الأحفوري 85 في المائة من استهلاك الطاقة في العالم، ويُعد نظام الطاقة مسؤولا عن 76 في المائة.

فهم أساسيات تحويل الطاقة

ما هو تحويل الطاقة؟

إن تحويل الطاقة هو عملية تحويل الطاقة من شكل إلى آخر لجعلها مفيدة لتطبيقات محددة، وهذا المفهوم الأساسي يستند إلى كل تكنولوجيا نستخدمها يوميا تقريبا، من محركات الاحتراق الداخلي في المركبات إلى محطات توليد الكهرباء في منازلنا وأعمالنا التجارية، وتشمل الأمثلة المشتركة تحويل الطاقة الكيميائية المخزنة في الوقود إلى طاقة حرارية عن طريق الاحتراق، وتحويل الطاقة الحركية لنقل المياه إلى طاقة كهربائية في سد الطاقة الكهرمائية.

وتؤثر كفاءة عمليات التحويل هذه تأثيرا مباشرا على كل من القدرة الاقتصادية على البقاء والاستدامة البيئية، وتتفاوت كفاءة تحويل الطاقة تفاوتا كبيرا عبر مختلف التكنولوجيات والنظم، حيث كثيرا ما تظهر مصادر الطاقة المتجددة أوجه كفاءة أعلى مقارنة بالوقود الأحفوري التقليدي، ففهم أين وكيف تضيع الطاقة أثناء عمليات التحويل يمكّن المهندسين من تصميم نظم أكثر فعالية تحقق أكبر قدر من النواتج المفيدة مع التقليل إلى أدنى حد من النفايات.

أنواع عمليات تحويل الطاقة

ويمكن تصنيف عمليات تحويل الطاقة على أساس أشكال الطاقة التي ينطوي عليها ذلك، ويشمل تحويل الطاقة الميكانيكية تحويل الطاقة المحتملة أو الحركية إلى عمل مفيد، مثل عجلات المياه التي تحول الطاقة المحتملة للماء العالي إلى طاقة ميكانيكية تناوبية، وعمليات تحويل الطاقة الحرارية، التي تشمل محركات الحرارة ومحطات توليد الطاقة، وتحويل الطاقة الحرارية إلى عمل ميكانيكي أو كهرباء، وتشمل تحويل الطاقة الكهربائية المتحولين أو المحركات الكهربائية والمولدات الكهربائية التي تحولت

ويؤدي تحويل الطاقة الكيميائية دورا حاسما في نظم الطاقة التقليدية والناشئة على السواء، إذ تُطلق عمليات الاحتراق الطاقة الكيميائية المخزنة في السندات الجزيئية، وتحويلها إلى الطاقة الحرارية، كما يُنظر إلى التحويل الكيميائي، كما هو مرئي في البطاريات وخلايا الوقود، ويُحوّل مباشرة الطاقة الكيميائية إلى طاقة كهربائية دون الاحتراق، وتُعرّف كفاءة تحويل الطاقة بأنها النسبة بين الناتج المفيد ومدخل آلية تحويل الطاقة من حيث الطاقة.

فالتحول الفولطي يمثل أحد أكثر التكنولوجيات التي يمكن استخدامها في تحويل الطاقة المستدامة واعداً، بينما تحول الخلايا الشمسية الإشعاع الكهرومغناطيسي من الشمس مباشرة إلى التيار الكهربائي من خلال التأثير الفولطي الضوئي، وقد دفعت الانجازات الأخيرة حدود ما كان يعتقد أنه ممكن، وقد استخدم الباحثون مجمعاً معدنياً من نوع " البنفسج " لا يزال يستوعب الطاقة من ضوء الشمس، وذلك نتيجة لذلك، حيث أن الإنتاج يُعدُّ على نحو 100 في الواقع.

قياس كفاءة التحويل وتحقيق الحد الأمثل

وفي العديد من تطبيقات العالم الحقيقي، يعتبر تحقيق كفاءة تفوق 90 في المائة ممتازا، في حين أن أي شيء يقل عن 50 في المائة قد يشير إلى وجود مجال كبير للتحسين، وتتوقف قيم الكفاءة المحددة اعتمادا كبيرا على نوع عملية التحويل ونوعية أشكال الطاقة التي تنطوي عليها، فعلى سبيل المثال، يمكن للمحركات الكهربائية أن تحقق الكفاءة التي تتجاوز 95 في المائة، بينما تعمل محركات الاحتراق الداخلي التقليدية عادة على تحقيق الكفاءة بنسبة تتراوح بين 20 و 30 في المائة، مع فقدان ما تبقى من هذه المواد كد حرارة النفايات.

ويوفر فهم كفاءة تحويل الطاقة معلومات عن الحالات التي يحدث فيها تدمير الطاقة في إطار النظم المعقدة، وعن طريق تحديد أوجه القصور والمهندسين والمصممين، يمكن أن ينفذوا استراتيجيات محددة الهدف مثل تحقيق الاستخدام الأمثل للعمليات، وتحسين الإدارة الحرارية، والتكنولوجيات المبتكرة للحد من حرارة النفايات وغيرها من الخسائر، مما يتيح تطوير نظم أكثر فعالية تستخدم الموارد المتاحة على نحو أفضل، وتقليل التأثير البيئي إلى أدنى حد.

وتعتمد النهج الحديثة لتحقيق الكفاءة على نحو متزايد على الأساليب الحاسوبية المتقدمة، حيث إن توليد الطاقة الحرارية يُعدّل قابلية التراجع في عمليات تحويل الطاقة، ويوفر أسساً حرارية صارمة لتحقيق الكفاءة والاستدامة على الوجه الأمثل في النظم الحرارية ونظم الطاقة، وتساعد هذه الأدوات التحليلية على تحديد مواقع وحجم الخسائر في الطاقة، مما يتيح تحقيق تحسينات محددة يمكن أن تحقق مكاسب كبيرة في الكفاءة.

قوانين الديناميكا الحرارية وآثارها

القانون الأول: حفظ الطاقة

وينص القانون الأول لعلم الديناميكا الحرارية، المعروف أيضا بقانون حفظ الطاقة، على أنه لا يمكن خلق الطاقة أو تدميرها فقط من شكل إلى آخر، وهذا المبدأ الأساسي يعني أن الطاقة الكلية في نظام معزول ما زالت ثابتة، ويخبرنا القانون الأول لعلم الحرارة أن الطاقة يمكن تحويلها من شكل إلى آخر، مما يرسي الأساس النظري لجميع عمليات تحويل الطاقة.

ومن الناحية العملية، يحدد القانون الأول حدا أقصى مطلقا للكفاءة: فلا يمكن لأي جهاز لتحويل الطاقة أن ينتج ناتجا أكثر فائدة من مدخلات الطاقة التي يتلقاها، إذ أن عددا أكبر من ذلك سيتعارض مع القانون الأول لعلم الحرارة، وهذا المبدأ يفسر سبب استحالة آلات الحركة الدائمة، ولماذا يجب على المهندسين أن يحسبوا جميع تدفقات الطاقة عند تصميم النظم.

ولكن القانون الأول وحده لا يروي القصة كاملة، بينما يضمن حفظ الطاقة بكمية، فإنه لا يقول شيئا عن نوعية أو فائدة تلك الطاقة بعد التحويل، وهذا هو المكان الذي يصبح فيه القانون الثاني حاسماً لفهم نظم الطاقة في العالم الحقيقي وحدودها.

القانون الثاني: التعليم ونوعية الطاقة

وينص القانون الثاني لعلم الدينامية الحرارية على أن أشكال الطاقة بعد التحويل قد لا تكون مفيدة كما كانت قبل التحول، وهذا القانون يستحدث مفهوم الاضطرابات أو العشوائية في نظام ما، وينص على أن التكاثر الكلي لنظام معزول لا يمكن أن ينخفض بمرور الوقت، وفي عمليات تحويل الطاقة، فإن هذا يتجلى في تدهور نوعية الطاقة.

القانون الثاني له آثار عميقة على كفاءة تحويل الطاقة تحويل الطاقة يُستخدم ضد الطبيعة والطبيعة ويفرض عليها جزء من مدخلات الطاقة التي تضيع

وقد برزت عمليات توليد الطاقة وتحليلها على أنها أطر لا غنى عنها لقياس اللارجعة الكمي والخسائر الدينامية الحرارية في النظم الحرارية ونظم الطاقة، ومعالجة القيود الأساسية المتأصلة في تحليل الطاقة في القانون الأول، وهذه النهج التحليلية المتقدمة تساعد المهندسين على فهم ما هو ضائع من الطاقة، ولكن لماذا فقدوا وأين يمكن إدخال تحسينات عليها.

إن مفهوم الطاقة الخارجية - وهو العمل الأكثر فائدة الذي يمكن الحصول عليه من نظام ما، حيث أنه يعادل التوازن مع البيئة، يوفر فهما أكثر دقة لنوعية الطاقة، ويغطي حفظ الطاقة أرصدة الكتلة والطاقة، ولكنه لا يستوعب تدهور نوعية الطاقة أثناء التحويل أو يحدد المواقع وحجم عدم الكفاءة، ويكشف تحليل الطاقة أن أشكال الطاقة العالية الجودة (مثل الطاقة أو النفايات العالية الجودة) يمكن أن تكون أكثر فائدة.

محركات الحرارة وقيود كارنو

إن محركات الحرارة - التلفيات التي تحول الطاقة الحرارية إلى عمل آلي - تقدم توضيحا واضحا للقيود الدينامية الحرارية، وقد بدأت الثورة الصناعية باختراع محرك حراري )محرك البخار(، ونحن نعيش اليوم في عصر الثورة في الالكترونيات والاتصالات، ولكن المحرك الحراري لا يزال يؤدي دورا رئيسيا في المجتمع الحديث حيث يحول الحرارة إلى العمل.

إن دورة كارنو، وهي دورة نظرية للدماغ الحراري اقترحتها شركة الفيزيائيين الفرنسية " صدي كارنو " في عام 1824، تحدد أقصى قدر ممكن من الكفاءة لأي محرك حراري يعمل بين خزانين لدرجات الحرارة، ولا تتوقف كفاءة كارنو إلا على درجات حرارة الخزانات الساخنة والباردة، وليس على سائل العمل أو آلية محددة، وهذا الحد الأساسي يعني أنه حتى محرك حراري مصمم تماماً لا يمكن أن يحول جميع المدخلات إلى عمل متغيرات حرارية أقل.

تعمل محركات الحرارة الحقيقية على أساس الكفاءة دون الحد الأقصى للكارنو بسبب القيود العملية مثل الاحتكاك والخسائر الحرارية وعمليات التفرغ النهائي، ويساعد فهم هذه القيود المهندسين على تصميم محطات توليد الطاقة ومحركاتها وغيرها من أجهزة التحويل الحراري، فمثلاً تصل البخار في محطات توليد الطاقة إلى درجة حرارة عالية وضغط مرتفع من حيث الطلب البالغ 000 1 فد و000 1 جنيه استرليني في كل بوصة مربعة.

ما بعد مقاييس الكفاءة التقليدية

وقد تحدت البحوث الأخيرة من نماذج الكفاءة التقليدية من خلال استحداث أطر أكثر شمولا، ويوفر إطار موحد للبقاء - التحويل منظورا جديدا للحركة الحرارية بشأن إنتاج الطاقة المفيد عبر النظم البيولوجية والمهندسة، ويسلم هذا النهج بأن نظم الطاقة الحقيقية نادرا ما تحول الطاقة في خطوة واحدة، حيث تنتقل الطاقة من خلال سلسلة من العمليات الوسيطة، بما في ذلك الاستيعاب والنقل والتنظيم والتخزين والتحويل، مع إدخال كل مرحلة خسائرها الخاصة بها التي تحكمها القيود المادية.

وقد اعتمد تحليل الطاقة التقليدي اعتمادا كبيرا على مقاييس الكفاءة التقليدية، ولكن هذه القياسات لا يمكن أن تفسر تماما أداء النظام في العالم الحقيقي لأن الطاقة لا تتحول في النظم المعقدة، بل تتكاثر بدلا من ذلك عبر مراحل متعددة، مع حدوث خسائر في كل مرحلة تراكمت تدريجيا، مما يعني أن الأداء على مستوى المنظومة يعتمد على بقاء الطاقة على امتداد الممر كله بدلا من أن يعتمد على كفاءة التحويل وحدها.

ويؤثر هذا المنظور الموسع تأثيراً هاماً على تصميم الطاقة المستدامة، إذ إن التقليل إلى أدنى حد من توليد النسخ الخليوي وإدماج الاستخبارات الاصطناعية يدلان على حدوث تحسينات كمية في الأداء في مبادلات الحرارة، ونظم الطاقة المتجددة، والشبكات الذكية، حيث تبلغ المكاسب الناتجة عن زيادة الكفاءة من 15 إلى 39 في المائة في تطبيقات محددة في ظل ظروف خاضعة للرقابة، وتظهر هذه التطورات أنه بالنظر إلى مسار الطاقة بأكمله بدلاً من مجرد كفاءة التحويل، يمكن للمهندسين أن يحققوا تحسينات كبيرة في أداء النظام ككل.

تكنولوجيات الطاقة المستدامة وتطبيقاتها

Solar Energy Systems

إن الطاقة الشمسية، المعروفة أيضاً بالطاقة الفولتية الضوئية، هي واحدة من أكثر مصادر الطاقة المتجددة ووفرة وتعتبر مصدراً مستداماً للطاقة لأنها لا تستنفد الموارد الطبيعية ولا تؤثر تأثيراً بيئياً ضئيلاً، وقد حققت تكنولوجيات تحويل الطاقة الشمسية تقدماً هائلاً في السنوات الأخيرة، حيث أصبحت هناك نُهج متعددة متاحة الآن لتطبيقات مختلفة.

فالنظم الفولطية الضوئية تحول مباشرة ضوء الشمس إلى الكهرباء باستخدام مواد شبه الموصلات، كما أن أحدث الابتكارات في التكنولوجيا الفلكية الضوئية تكسر الحواجز في الكفاءة، حيث تحول خلايا شمسية الآن أكثر من 25 في المائة من ضوء الشمس إلى الكهرباء، وقفزة في الكفاءة، وهي قفزة حاسمة لجعل الطاقة الشمسية أكثر قابلية للاستمرار وتنافسا مع مصادر الطاقة التقليدية، وقد أصبحت الألواح الحديثة ذات فعالية من حيث التكلفة، مع تكلفة خلق الطاقة الكهربائية السهلة من تكلفة الطاقة الشمسية.

إن النظم الحرارية الشمسية تتبع نهجا مختلفا باستخدام ضوء الشمس لتوليد الحرارة بدلا من الكهرباء مباشرة، وقد تتقدم حلول الطاقة الشمسية إلى ما وراء الألواح الضوئية فقط لتضمين تكنولوجيا الطاقة الشمسية المركزة، التي تستخدم المرايا أو العدسات لتركيز منطقة كبيرة من ضوء الشمس على منطقة صغيرة، ويمكن أن تحقق نظم الطاقة الشمسية المركزة درجات حرارة أعلى، وغالبا ما تشمل قدرات التخزين الحراري، مما يسمح لها بتوليد الكهرباء حتى عندما تكون الشمس.

ويمثل إدماج التكنولوجيا الشمسية في البيئات المبنية تطورا هاما آخر، إذ أن تركيب الخلايا الضوئية المدمجة في المباني يدمج خلايا شمسية في مواد البناء مثل النوافذ، وسقفها، ومواجهاتها، وتحويل هياكلها بأكملها إلى مولدات للطاقة، ويزيد هذا النهج من استخدام المساحة السطحية المتاحة في البيئات الحضرية حيث يكون الفضاء في أقساط.

وعلى الرغم من التقدم المثير للإعجاب، تواجه الطاقة الشمسية تحديات تتعلق بالتداخل والتخزين، فالألواح الشمسية هي اليوم تكنولوجيا الطاقة المتجددة الوحيدة التي تسير على المسار الصحيح مع انبعاثات الطاقة الصفرية الصافية بحلول عام 2050، بينما تحتاج الطاقة الريحية والهدرائية والحرارية الشمسية وطاقة المحيطات إلى التوسع بشكل أسرع بكثير من أجل الوصول إلى المسار الصحيح، وتتطلب معالجة هذه التحديات مواصلة الابتكار في تكنولوجيات كفاءة التحويل وتخزين الطاقة.

Wind Energy Conversion

:: تحويل التربينات الريحية إلى الطاقة الحركية لنقل الهواء إلى الطاقة الكهربائية من خلال مبادئ الأيرودينامية، وقد تطورت التوربينات الريحية الحديثة إلى آلات شديدة التطور قادرة على استخراج كميات كبيرة من الطاقة من موارد الرياح، ولا تزال الطاقة الريحية على الشاطئ تتطور مع تحسينات كبيرة في التوربينات الريحية البرية، بما في ذلك التصميمات الهوائية المعززة ونظم التحكم المتطورة التي تحقق الأداء الأمثل وزيادة فعالية الطاقة، مما يجعل من توليد الطاقة أكثر فعالية من جيل جديد.

وتمثل الطاقة الريحية الخارجية حداً واعداً للغاية لتنمية الطاقة الريحية، حيث إن المواقع الخارجية توفر عادة موارد رياحية أقوى وأكثر اتساقاً من المواقع الساحلية، مما يتيح عوامل قدرة أعلى وإنتاج للطاقة، وتأتي الاعتبارات البيئية في مقدمة تنمية الطاقة الريحية البحرية، وفي حين يمكن أن يكون لهذه المشاريع بعض التأثير على النظم الإيكولوجية البحرية، فإن التخطيط المتأنق والحلول التكنولوجية، مثل التوربينات الأكثر هدوءاً والمواد الضارة بالبيئة، تخفف من هذه الآثار، مع كون انتشار مزارع الرياح البحرية أساسية.

وتواجه نظم الطاقة المتجددة تحديات فريدة تتصل بالتقلب والتكامل الشبكي، غير أن السرعة السريعة تذبذب على عدة فترات زمنية، من ثوان إلى موسم، وتتطلب نظما متطورة للمراقبة واستراتيجيات لإدارة الشبكات، كما أن المتجددات - ولا سيما الطاقة الشمسية والريح - تتحول بسرعة نظم الطاقة في جميع أنحاء العالم، غير أنه سيلزم إجراء إصلاحات لتصميم سوق الطاقة وأطر السياسات العامة لضمان الاستثمار على نطاق واسع في القدرات المتجددة الجديدة وفي مرونة نظم الطاقة من أجل تحقيق تكامل بين التكاليف العالية والمتجددة.

نظم الطاقة الكهربائية المائية

وما فتئت الطاقة الكهرمائية تشكل منذ وقت طويل حجر الزاوية في الطاقة المتجددة، حيث توفر مصدرا موثوقا به للكهرباء النظيفة، وبينما نتطلع إلى عام 2025، لا تزال إمكانات الطاقة الكهرمائية كبيرة، ومع ذلك فإنها لا تواجه تحديات، حيث أن الحالة الراهنة للطاقة الكهرمائية قوية وتسهم إسهاما كبيرا في توليد الكهرباء على الصعيد العالمي.

وتوفر السدود الكهرمائية التقليدية الواسعة النطاق قدرة كبيرة على توليد الطاقة الأساسية، وغالبا ما تشمل تخزين الخزانات التي تتيح التشغيل المرن، ويمكن لهذه المرافق أن تكيف بسرعة الناتج مع تقلبات الطلب، مما يجعلها قيمة بالنسبة لاستقرار الشبكة، ومع ذلك، فإن الطاقة الكهرمائية مصدر للطاقة منخفض الكربون، فإن بناء السدود الكبيرة يمكن أن يعطل النظم الإيكولوجية والمجتمعات المحلية، ويستلزم معالجة هذه الآثار البيئية اعتماد تكنولوجيات مبتكرة تقلل من الآثار البيئية، مثل الاضطرابات البيئية.

وتوفر نظم الطاقة الكهرمائية الصغيرة الحجم والقابلة للزراعة بدائل تقلل من التعطل البيئي بينما لا تزال توفر الكهرباء المتجددة، وهذه النظم عادة ما تكون لديها خزانات أصغر أو تعمل بدون تخزين، وتخفض الآثار على النظم الإيكولوجية النهرية وتولد الطاقة النظيفة، وتمثل الطاقة الكهرمائية المخزنة المأهولة تطبيقاً هاماً آخر، وتستخدم فائضاً في الكهرباء لضخ المياه في فترات منخفضة الطلب، ثم تُعيد تشغيلها عن طريق الترابينات.

استخراج الطاقة الحرارية الأرضية

الطاقة الحرارية الأرضية تسخّر الحرارة من داخل الأرض لتوليد الكهرباء وتطبيقات التدفئة المباشرة هذا المتجدد يوفر طاقة حمولة أساسية تعمل باستمرار بغض النظر عن الظروف الجوية، وتوفر تكملة موثوقة لمصادر الطاقة المتجددة المتغيرة مثل الطاقة الشمسية والريحية، وعادة ما تحقق محطات الطاقة الحرارية الأرضية عوامل القدرة بنسبة 70 إلى 90 في المائة، وهي أعلى بكثير من الطاقة الشمسية أو الريحية.

فالنظم الحرارية الأرضية التقليدية تتحول إلى مستودعات هيدرومرائية طبيعية توجد فيها مياه ساخنة أو بخار تحت الأرض، وتمثل النظم الحرارية الأرضية المعززة تكنولوجيا ناشئة تخلق خزانات اصطناعية من خلال كسر تشكيلات الصخور الساخنة وتداول المياه من خلالها، وتنتج حرارة الطاقة الحرارية الأرضية عن طريق إزالة الجسيمات المشعة التي توجد في أعماق الأرض، وتزيد من الجيل القادم من تكنولوجيات الطاقة الحرارية الأرضية.

وتوفر التطبيقات الحرارية الأرضية المباشرة التدفئة للمباني والعمليات الصناعية والعمليات الزراعية دون توليد الكهرباء، ويمكن لهذه النظم أن تحقق كفاءة عالية جداً لأنها تتجنب الخسائر الحرارية المتأصلة في تحويل الحرارة إلى الكهرباء، وعلى سبيل المثال، تستخدم نظم التدفئة المحلية في أيسلندا الطاقة الحرارية الأرضية لتدفئة نحو 90 في المائة من المباني، مما يدل على إمكانية الاعتماد على نطاق واسع حيثما توجد موارد مناسبة.

نظم الكتلة الحيوية والطاقة الأحيائية

فالطاقة الأحيائية الحديثة هي اليوم أكبر مصدر للطاقة المتجددة على الصعيد العالمي، حيث تبلغ حصة الطاقة العالمية أكثر من 50 في المائة في عام 2023، وتحوّل نظم الطاقة في الكتلة الأحيائية المواد العضوية - بما في ذلك الخشب والمخلفات الزراعية ومحاصيل الطاقة المخصصة للحرارة أو الكهرباء أو وقود النقل من خلال عمليات تحويل مختلفة.

إن الطاقة الأحيائية مصدر للطاقة المتجددة يمكن أن ينتج الكهرباء والحرارة والوقود من المواد العضوية من الكائنات الحية أو الكائنات الحية مؤخرا، بما في ذلك الخشب والنفايات من الزراعة والصناعة والحراجة، وهي أكبر مصدر للطاقة المتجددة في العالم يمكن استخدامه لإنتاج الكهرباء والحرارة والوقود، وهي الشكل الوحيد للطاقة النظيفة التي يمكن تخزينها بسهولة بكميات كبيرة مع فقدان قليل من الجودة أو كفاءة التحويل.

بيد أن استدامة الكتلة الأحيائية تعتمد اعتماداً بالغ الأهمية على أساليب المصادر والإنتاج، فالوقود الأحيائي شكل فريد من أشكال الطاقة المتجددة، حيث أن استهلاكه يُنتج غازات الدفيئة التي تُخلّص من المناخ، ويُزرع المنتج الأصلي في موارد بيئية أخرى، غير أن الوقود الأحيائي لا يزال جزءاً رئيسياً من الثورة الخضراء، حيث يتمثل التحدي الرئيسي في إيجاد سبل لتحقيق أقصى قدر من إنتاج الطاقة مع التقليل إلى أدنى حد من تأثير مصادر الكتلة الأحيائية وحرق الوقود.

وتهدف أوجه التقدم في الجيل الثاني من الوقود الأحيائي، الذي يستخدم المحاصيل غير الغذائية والنفايات الزراعية، إلى معالجة هذه الشواغل، والحد من المنافسة على الأراضي، وتحسين الكفاءة العامة للكربون، وتحوّل هذه الجيل القادم المواد الخلوية ومنتجات النفايات إلى الوقود، وتتجنب المنافسة مع إنتاج الأغذية، مع استخدام المواد التي ستُصرف لولا ذلك.

تخزين الطاقة وإدماج المحاجرين

الدور الحاسم في تخزين الطاقة

فخزن الطاقة يساعد على التغلب على الحواجز التي تعترض الطاقة المتجددة المتقطعة ويشكل جانبا هاما من جوانب نظام الطاقة المستدامة، حيث أن مصادر الطاقة المتجددة مثل الطاقة الشمسية والريحية أصبحت أكثر انتشارا في نظم الطاقة، أصبحت تكنولوجيات تخزين الطاقة ضرورية للحفاظ على استقرار الشبكة وموثوقيتها، كما أن نظم تخزين الطاقة هي ذات أهمية محورية في الانتقال إلى شبكة متجددة، وتوفر حلولا لإحدى التحديات الأكثر استمرارا: تداخل الطاقة، حيث أن مصادر الطاقة المتجددة مثل نظم الطاقة الشمسية والريحية متغيرة في الطاقتها

ويخدم تخزين الطاقة وظائف متعددة في نظم الطاقة الحديثة، ويتيح الانتقال الزمني لتوليد الطاقة المتجددة، وتخزين الطاقة الزائدة المنتجة خلال فترات عالية النواتج لاستخدامها خلال فترات منخفضة النواتج، وتوفر نظم التخزين خدمات الشبكة بما في ذلك تنظيم الترددات، ودعم الفولط، والطاقة الاحتياطية أثناء فترات انقطاع الكهرباء، كما أنها تقلل من الحاجة إلى محطات الوقود الأحفوري التي توفر عادة القدرة المرنة على تلبية ارتفاع الطلب.

Battery Storage Technologies

وتُنشر البطاريات، ولا سيما بطاريات الليثيوم -يون، على نطاق واسع، حيث عادة ما تخزن الكهرباء لفترات قصيرة، مع إجراء بحوث في مجال التكنولوجيا ذات القدرة الكافية على الاستمرار حتى المواسم، وانخفضت تكاليف البطاريات على نطاق المرافق العامة في الولايات المتحدة بنحو 70 في المائة منذ عام 2015، غير أن تكلفة البطاريات وانخفاض كثافة الطاقة يجعلها غير عملية بالنسبة لمخزون الطاقة الكبير جدا اللازم لتحقيق التوازن بين إنتاج المواد الفضائية.

وتهيمن بطاريات الليثيوم -يون على عمليات النشر الحالية بسبب ارتفاع كثافة الطاقة وكفاءتها وانخفاض التكاليف، وتبرز هذه النظم في توفير تخزين قصير المدة (بالدقائق إلى الساعات) والاستجابة السريعة لخدمات الشبكات، غير أن الشواغل المتعلقة بتوافر المواد الخام والآثار البيئية للتعدين، والبحوث المتعلقة بجولة إعادة تدوير النفايات في الكيمياء البديلة للبطارية بما في ذلك الصوديوم وبطاريات التدفق والتكنولوجيات ذات الصلبة.

ويساعد تخزين البطاريات على حماية المستخدم النهائي من التغيرات في أسعار الفائدة ويتيح لهن الاستفادة القصوى من الوقت الذي تُحمَّل فيه البطاريات (سواء باستخدام الطاقة المولدة ذاتيا أو من الشبكة خلال أوقات أدنى التكاليف) والتصريف عندما تكون أسعار الفائدة أكبر، حيث أن كاليفورنيا، ضمن ولايات أخرى، كلفت المرافق العامة بتوفير أكثر من 500 1 ميغاوات من القدرة على التخزين بحلول عام 2024 للمساعدة في بلوغ هدف حصولهن على 50 في المائة من الطاقة المتجددة.

نظم تخزين ميكانيكية وحرارية

وطريقة التخزين الأكثر شيوعاً والمتاحة هي كهرباء المياه التي تُضخّم، والتي تتطلب مواقع ذات اختلافات كبيرة في الارتفاع والوصول إلى المياه، وتستأثر تخزين المياه المأهولة بأكثر من 90 في المائة من القدرة العالمية على تخزين الطاقة، وتوفر تخزيناً واسع النطاق وطويل الأجل بموثوقية ثابتة، ويمكن لهذه النظم تخزين الطاقة لساعات إلى أيام، وتوفر خدمات تخزين الطاقة وتثبيت الشبكات.

ويمثل تخزين الطاقة الجوية المكثفة نهجا آخر للتخزين الميكانيكي، باستخدام فائض الكهرباء لضغط الهواء في كهوف أو دبابات تحت الأرض، ثم إطلاقه من خلال التوربينات لتوليد الكهرباء عند الحاجة، وتلتقط نظم المعالجة المتقدمة وتخزن حرارة الضغط، وتحسن كفاءة المرحلتين المتجهتين بالمقارنة مع التصميمات التقليدية.

وتخزن نظم تخزين الطاقة الحرارية الحرارة أو الباردة للاستخدام في وقت لاحق، مما يوفر كفاءة عالية في استخدام تطبيقات التدفئة والتبريد، وتشمل هذه المواد تخزين الملح المميت في محطات الطاقة الشمسية المركزة، وتخزين الجليد لأغراض تكييف الهواء، ومواد التغيير التدريجي التي تستوعب أو تطلق كميات كبيرة من الطاقة أثناء الذوبان أو التجميد، وكثيرا ما يحقق التخزين الحراري كفاءة أعلى في المجرى الممتد من التخزين الكهروكيميائي نظرا لأنه يتجنب اتخاذ خطوات متعددة لتحويل الطاقة.

Smart Grids and Microgrids

وأجهزة الطاقة الحديثة تدمج بشكل متزايد التكنولوجيات الرقمية وتوزع الجيل، وتخلق شبكات ذكية يمكن أن ترتفع إلى الحد الأمثل تدفقات الطاقة في الوقت الحقيقي، ونظراً إلى أن مصادر توليد الطاقة تضاعف، فمن المهم معرفة متى تشحن الطاقة أو تفرغها، كما أن المايكريد على مستوى الموقع يمكن أن يقطع أيضاً عن طريق " الوصلات الأرضية " عندما لا تكون الطاقة الخدمية متاحة، مما يجعل من المهم اختيار الناقلم التحكم في احتياجاتكم المحددة.

نظم الطاقة ذات المواقع الصغيرة التي يمكن أن تعمل بشكل مستقل أو متصلة بمرونة الشبكة الرئيسية، وتسمح بزيادة تغلغل الطاقة المتجددة، وتدمج هذه النظم الجيل والتخزين والشحنات مع الضوابط الذكية التي تُفضي إلى الأداء على أساس ظروف الوقت الحقيقي، ويمكن للزجاجات الدقيقة أن تستمر في العمل في شكل جزيئات، وتوفر قدرة حيوية للمرافق الأساسية.

وتواجه نظم الطاقة الحضرية تعقيدا متزايدا في تجميع الطلب والتجديد، مما يتطلب أساليب قائمة على نسخ إلكترونية لقياس فقدان المعلومات وتحقيق المستوى الأمثل للمقاييس المكانية، ويدخل التكامل المتجدد توليدا مشرقا يتطلب أطرا قوية لقياس كمية عدم التيقن، ويوفر مقاييس فعالة للتغير، ونظما متعددة الطاقة تربط الشبكات الكهربائية والحرارية والكيميائية بتفاعلات معقدة تتطلب تحليلا متكاملا.

إدارة جانب الطلب والتقلب

ومع تزايد حصة الطاقة المتجددة المتغيرة، أصبحت السياسات التي تكفل الاستثمار في جميع أشكال المرونة حاسمة، مع حلول تشمل تعزيز مرونة محطات توليد الطاقة، وفتح إدارة جانب الطلب، ودعم تخزين الطاقة وتحسين الهياكل الأساسية للشبكات.() وتتحول استراتيجيات الإدارة القائمة على الطلب أو تقلل من استهلاك الكهرباء من أجل تحسين تطابق العرض المتاح، مما يقلل من الحاجة إلى التخزين والتوليد الاحتياطي.

:: تسعير وقت الاستخدام والمعدلات الدينامية التي تحفز المستهلكين على تحويل الحمولات المرنة إلى فترات عالية من التوليد المتجدد وانخفاض الطلب، ويمكن للأجهزة الذكية ونظم إدارة البناء أن تستجيب تلقائياً للإشارات السعرية أو ظروف الشبكات، وتكييف التدفئة والتبريد وغير ذلك من الحمولات دون المساس بالراحة أو الإنتاجية، ويمكن أن توفر المرافق الصناعية ذات العمليات المرنة قدرة كبيرة على الاستجابة للطلبات، مما يساعد على تحقيق التوازن بين الشبكة مع خفض تكاليف الطاقة.

وتمثل المركبات الكهربائية مصدراً واعداً للغاية لمرونة الشبكة، إذ إن تكنولوجيات المركبات إلى الشبكة تتيح للمواقع الإلكترونية لا أن تشحن فقط خلال فترات الجيل المتجدد الزائد، بل أن تفرغ أيضاً الطاقة المخزنة إلى الشبكة خلال فترات الذروة في الطلب، وحيث أن الملايين من المركبات الإلكترونية قد تكون مرتبطة بالشبكة، فإن هذه القدرة الموزعة على التخزين يمكن أن توفر مرونة هائلة لإدماج المتغيرات المتجددة.

تكنولوجيات تحويل الطاقة المتقدمة

خلايا الوقود ونظم الهيدروجين

وتحوّل خلايا الوقود الطاقة الكيميائية مباشرة إلى الطاقة الكهربائية من خلال ردود الفعل الكهروكيميائية، وتتجاوز خطوة التحويل الحراري المطلوبة في النظم القائمة على الاحتراق، وهذا التحويل المباشر يتيح تحقيق كفاءة أعلى من المحركات الحرارية التقليدية، التي تحدها قيود كفاءة استخدام الكربون، ويمكن كتابة كفاءة الطاقة الكهربائية لخلايا الوقود الهيدروجيني من حيث معدلات التدفق، وتغيرات الخلايا الفوقية والطاقة في خلايا الخلايا الهيدروجينية، وفولط الخلوي النظري والفعلي،

وعندما تبلغ نسبة استخدام الهيدروجين وفولاذ خلايا الوقود التشغيلي 80 في المائة و0.7 في المائة، على التوالي، تبلغ الكفاءة الكهربائية 47.9 في المائة، وإذا كانت كفاءة تشغيل النظام وكفاءة تجهيز الوقود تبلغ 90 و 120.5 في المائة، على التوالي، فإن كفاءة النظام تبلغ 51.9 في المائة دون استعادة الحرارة، وتوفر خلايا الوقود العالية الحرارة مزايا إضافية من خلال الجيل المتزامن.

ويستخدم الهيدروجين كمحرك للطاقة يمكن إنتاجه من مصادر مختلفة واستخدامه في خلايا الوقود أو محركات الاحتراق أو العمليات الصناعية، حيث أن إنتاج الهيدروجين الأخضر بواسطة الكهرباء المتجددة هو طريق لتطهير القطاعات التي يصعب كهربتها مباشرة، بما في ذلك الصناعة الثقيلة، والنقل البعيد المدى، وتخزين الطاقة الموسمية، غير أن استخدام الطاقة الكهربائية في المراحل المستديرة لا يزال أقل من استخدام الطاقة الكهربائية، والتخزين.

نظم الحرارة والطاقة المدمجة

كما أن نظم الحرارة والطاقة المختلطتين، التي تسمى الجيل المشترك، تنتج في الوقت نفسه الكهرباء والطاقة الحرارية المفيدة من مصدر وحيد للوقود، حيث إن هذه النظم، من خلال تأمين واستخدام حرارة النفايات التي سترفض في غير ذلك للبيئة، تحقق الكفاءة العامة بنسبة 70 إلى 90 في المائة، مقارنة بنسبة 30 إلى 5 في المائة بالنسبة لتوليد الحرارة والطاقة، وهذا التحسن الهائل في الكفاءة يقلل من استهلاك الوقود والتكاليف والانبعاثات.

وتتراوح تطبيقات هذا البرنامج بين النظم السكنية الصغيرة الحجم والمرافق الصناعية الكبيرة، ففي المباني، تولد وحدات تجهيز الصادرات الصغيرة الكهرباء بينما توفر المياه الساخنة والماء الساخنة في الفضاء، وتوفر النظم الصناعية لصناعة البتروجينات حرارة العمليات والكهرباء، وتتحقق في كثير من الأحيان فترات انتكاس اقتصادي لا تتجاوز بضع سنوات من خلال خفض مشتريات الطاقة، وتستخدم نظم الطاقة المحلية المنسوخة لتوفير التدفئة والتبريد لمباني متعددة من منشأة مركزية، مما يزيد من الكفاءة إلى أقصى حد من خلال وفورات الحجم.

ويخلق إدماج برنامج الطاقة الميسرة في مصادر الطاقة المتجددة نظماً تتسم بالكفاءة بوجه خاص، وتولد محطات الكتلة الأحيائية كهرباء متجددة بينما توفر الحرارة للعمليات الصناعية أو لتدفئة المناطق، ويمكن أن توفر النظم الحرارية الشمسية، إلى جانب دعم الغاز الطبيعي، حرارة وقوة موثوق بهما مع خفض الانبعاثات، وهذه النُهج الهجينة تحفز على استخدام قوّات التكنولوجيات المختلفة لتحقيق أداء أعلى في النظام.

كابينة الكربون واستخدامه

ويمكن بناء عمليات احتجاز الكربون وتخزينه في محطات توليد الطاقة لإزالة انبعاثات ثاني أكسيد الكربون فيها، ولكن هذه التكنولوجيا باهظة الثمن ونادرا ما نُفذت، ورغم التحديات، فإن تكنولوجيات احتجاز الكربون ما زالت تتقدم كأداة محتملة لخفض الانبعاثات من الهياكل الأساسية الحالية للوقود الأحفوري وبعض العمليات الصناعية التي تكون فيها البدائل محدودة.

وتقضي تكنولوجيا الكابتات التراكمية على معظم الانبعاثات من الوقود الأحفوري، مع التمكين من استخدام مصادر الطاقة المتجددة المتقطعة استخداماً أفضل من خلال تخزين الطاقة على نطاق الشبكة، مع تجميد ثاني أكسيد الكربون من غازات العادم، والمواد الصلبة المنفصلة عن الغازات قبل أن تتحول إلى الغلاف الجوي، وإزالة > 98 في المائة من ثاني أكسيد الكربون، وكذلك إزالة النيتروز، والسوك وغيرها من الملوثات من غازات العادم، ومن المتوقع أن تكون عمليات بديلة عن نصف التكلفة.

وتتحول تكنولوجيات استخدام الكربون إلى منتجات قيمة من ثاني أكسيد الكربون، بما في ذلك الوقود والمواد الكيميائية ومواد البناء، وفي حين أن معظم مسارات الاستخدام تتطلب حاليا مدخلات كبيرة في الطاقة، فإن التكامل مع الكهرباء المتجددة يمكن أن يتيح عمليات إنتاجية مسببة للكربون.() ويمثل تحسين استرداد النفط باستخدام ثاني أكسيد الكربون المأخوذة وإنتاج الوقود التركيبي والتعدين إلى مركبات الكربون الثابتة نُهجا مختلفة لاستخدام الكربون المأخوذ به.

تحويل النفايات إلى الطاقة

ويمكن توليد الكهرباء المتجددة عن طريق تحويل النفايات إلى طاقة، مع الغاز الاصطناعي أو سينغاس، التي تتألف أساسا من الهيدروجين و أول أكسيد الكربون، والتي عادة ما تكون ناتجا عن تزويث الفحم أو الكتلة الأحيائية أو النفايات الصلبة البلدية. وتتصدى تكنولوجيات النفايات إلى الطاقة لتحديتين في آن واحد هما: إدارة النفايات الصلبة وتوليد الطاقة المتجددة.

وتستخدم المرافق الحديثة للنفايات إلى الطاقة تكنولوجيات متقدمة للحرق والتغويز لتحقيق أقصى قدر من استعادة الطاقة مع التقليل إلى أدنى حد من الانبعاثات، وتولد هذه النباتات الكهرباء وتوفر في كثير من الأحيان تدفئة المناطق، وتحقيق الكفاءة العامة للطاقة مقارنة بمصانع الطاقة الوقود الأحفوري، وتكفل نظم مراقبة الانبعاثات المتقدمة استيفاء معايير جودة الهواء أو تجاوزها، ومعالجة الشواغل التاريخية بشأن ترميد النفايات.

وتمثل الهضم الجوي مسارا آخر من مسارات النفايات إلى الطاقة، وتحويل النفايات العضوية إلى غاز حيوي من خلال التحلل البكتيري في الظروف الخالية من الأكسجين، ويمكن رفع مستوى الغاز الحيوي الناتج عن ذلك إلى مولدات الوقود، إلى غاز طبيعي متجدد ذي نوعية خطية، أو خلايا وقود الطاقة، أما النبذ المتبقي بعد العملية فهو بمثابة سماد غني بالمغذيات، مما يخلق نهجا اقتصاديا دائريا لإدارة النفايات.

تصميم نظم الطاقة المستدامة المتكاملة

تحقيق الاستخدام الأمثل على مستوى النظم

ويتطلب تصميم حلول مستدامة حقا للطاقة الانتقال إلى ما هو أبعد من أن تُحدّد العناصر الفردية إلى أقصى حد ممكن للنظر في نظم الطاقة بأكملها، ويتيح إطار البقاء - التحول آثارا هامة على نظم الطاقة الكواكبية وتكنولوجيا الفضاء، مع تطبيقات تشمل تصميم مركبات فضائية وسواتل فعالة من حيث الطاقة، وتحقيق الاستخدام الأمثل للهياكل الأساسية للطاقة المتجددة، وتحسين إدارة شبكات الطاقة العالمية، وتوفير مبدأ عالمي الديناميكية يحكم الإنتاج المفيد للطاقة عبر النظم الأرضية والفضائية.

وينظر الاستخدام الأمثل على مستوى النظم في التفاعلات بين تكنولوجيات توليد الطاقة وتخزينها وتوزيعها واستخدامها النهائي، وهو يمثل تغيرات مؤقتة في العرض والطلب، وتوزيع الموارد جغرافيا، والقيود على الهياكل الأساسية، كما أن أدوات النماذج المتقدمة تحفيز أداء النظم في إطار سيناريوهات مختلفة، وتحديد التركيبات المثلى للتكنولوجيات واستراتيجيات التشغيل التي تقلل من التكاليف والانبعاثات مع ضمان الموثوقية.

ويوفر تقييم دورة الحياة إطارا شاملا لتقييم الآثار البيئية لنظم الطاقة من استخراج المواد الخام من خلال التصنيع والتشغيل والتخلص من المواد في نهاية العمر، ويكشف التقييم القطري المشترك أن بعض التكنولوجيات ذات الكفاءة التشغيلية العالية قد تكون لها آثار كبيرة مجسدة في الطاقة أو البيئة من التصنيع، وهذا المنظور الكلي يكفل ألا تؤدي تحسينات الاستدامة في مجال ما إلى مشاكل في مكان آخر.

نهج التصميم المتعدد الجوانب

ويشمل تصميم نظام الطاقة المستدامة تحقيق التوازن بين الأهداف المتعددة والمتنافسة في كثير من الأحيان، بما في ذلك تقليل التكاليف، وخفض الانبعاثات، وضمان الموثوقية، وزيادة الكفاءة إلى أقصى حد، وتساعد التقنيات المتعددة الأهداف على تحديد المفاضلات بين هذه الأهداف وإيجاد حلول بديلة لا يمكن تحسينها في أحد الأهداف دون إهانة هدف آخر.

ولا تزال الاعتبارات الاقتصادية حاسمة بالنسبة لاعتماد التكنولوجيات المستدامة على نطاق واسع، ففي حين انخفضت تكاليف الطاقة المتجددة انخفاضا كبيرا، فإنه يجب النظر في التكاليف على مستوى المنظومة، بما في ذلك التخزين والنقل والقدرة الاحتياطية، ويقدر الفريق الحكومي الدولي المعني بتغير المناخ أن نسبة 2.5 في المائة من الناتج المحلي الإجمالي العالمي ستحتاج إلى استثمار في نظام الطاقة كل سنة بين عامي 2016 و 2035 للحد من الاحترار العالمي إلى 1.5 درجة مئوية.

وتمثل المرونة والموثوقية أهدافاً حاسمة في التصميم، لا سيما وأن تغير المناخ يزيد من تواتر وشدة الأحداث الجوية الشديدة، وأن التوليد الموزع، والزجاجات الصغرى، وتخزين الطاقة يعزز قدرة النظام على التكيف عن طريق الحد من الاعتماد على الهياكل الأساسية المركزية وتمكين استمرار التشغيل أثناء التعطلات، وقد يزيد التصميم على القدرة على التكيف من التكاليف الأولية، ولكنه يوفر تأميناً قيماً ضد الظواهر الخارجية والكوارث.

الاعتبارات الإقليمية والموضوعية

ولا يمكن استخدام جميع الحلول المستدامة في كل حالة، حيث أن كفاءتها و/أو فعاليتها يمكن أن تتوقف على عوامل مثل المناخ والجغرافيا والهياكل الأساسية المحلية، وتختلف تصميمات نظام الطاقة الأمثل اختلافا كبيرا على أساس الموارد المحلية والمناخ والهياكل الأساسية القائمة والعوامل الاجتماعية - الاقتصادية، وتختلف إمكانات الطاقة الشمسية مع أنماط العرض والطقس المحلية، وتتوقف الموارد الفائزة على السمات الجغرافية والأنماط الموسمية، وتستلزم الطاقة الحرارية الأرضية ظروفا جيولوجية محددة.

وتواجه البلدان النامية تحديات وفرصا فريدة في تصميم نظم الطاقة، إذ يفتقر نحو 790 مليون شخص في البلدان النامية إلى الحصول على الكهرباء، ويعتمد 2.6 بليون شخص على الوقود الملوث مثل الخشب أو الفحم للطهي، ويمكن لنظم الطاقة المتجددة التي توزع على نحو أسرع وأكثر فعالية من حيث التكلفة من توسيع الشبكات المركزية لتشمل المناطق النائية، وتوفر النظم الشمسية غير الحادة، والمحاصيل الصغيرة، وحلول الطهي النظيفة سبلا للوصول إلى الطاقة.

وتتطلب السياقات الحضرية والريفية اتباع نهج مختلفة في مجال الطاقة المستدامة، وتستفيد المناطق الحضرية الكثيفة من نظم الطاقة في المناطق، والمتجددات المدمجة في البناء، والنقل العام الكفؤ، وقد تعتمد المناطق الريفية بدرجة أكبر على توليد الطاقة الموزعة، وموارد الكتلة الحيوية، والنظم القائمة بذاتها، وتتوفر للمرافق الصناعية احتياجات فريدة من الطاقة تشمل الحرارة العالية الحرارة والعمل المستمر الذي يؤثر على خيارات التكنولوجيا المثلى.

الأطر السياساتية والتنظيمية

ويمكن للحكومات تمويل البحوث والتطوير والبيان العملي لتكنولوجيات الطاقة النظيفة الجديدة، وبناء الهياكل الأساسية للكهرباء والنقل المستدام، وتشجيع نشر الطاقة النظيفة بسياسات مثل تسعير الكربون، ومعايير حافظة الطاقة المتجددة، والتخلص التدريجي من إعانات الوقود الأحفوري، مع زيادة هذه السياسات أيضا في أمن الطاقة.

وتخلق الأطر الفعالة للسياسة العامة يقينا طويل الأجل يشجع الاستثمار في البنية التحتية للطاقة المستدامة، وقد أثبتت جميع التعريفات الجمركية، وأرصدة الطاقة المتجددة، والحوافز الضريبية، وآليات تسعير الكربون فعاليتها في سياقات مختلفة، وستؤدي السياسات الرئيسية المعلنة في عام 2022، ولا سيما برنامج الطاقة المتجددة في الاتحاد الأوروبي، وقانون تخفيض التضخم في الولايات المتحدة، والخطة الخمسية الرابعة عشرة للطاقة المتجددة في الصين، إلى زيادة الدعم المقدم في مجال نشر الكهرباء.

ويجب أن تتصدى الإصلاحات التنظيمية للحواجز التي تعترض نشر الطاقة المتجددة، بما في ذلك إجراءات الترابط، وقواعد الوصول إلى الشبكات، وكثيرا ما تعوق الأنظمة القديمة المصممة لنظم الوقود الأحفوري المركزية توليد الطاقة المتجددة الموزعة وتخزينها، كما أن تحديث هذه الأطر لاستيعاب التكنولوجيات الجديدة ونماذج الأعمال التجارية أمر أساسي للتعجيل بتحول الطاقة.

ويجب على قادة الطاقة أن يفهموا الفروق بين الطاقة المتجددة والمستدامة وأن يستخدموها بدقة في التشريعات، لأن الاستخدام الدقيق للمستهلكين للغة، بما يتيح لهم فهم آثار خياراتهم في مجال الطاقة، ولكنهم سيساعدون أيضا المسؤولين على ضمان أن تعكس سياساتهم بدقة أهدافها، فالتعريفات الواضحة والمصطلحات المتسقة تساعد على تجنب الخلط وكفالة أن تحقق السياسات النتائج البيئية والاجتماعية المتوخاة.

الاتجاهات الناشئة والاتجاهات المستقبلية

الاستخبارات الفنية والتعلم الآتي

وتحوّل المعلومات الاستخبارية والتعلم الآلي تصميم وتشغيل نظام الطاقة، وتُحدّد الخوارزميات العليا النظم المعقدة التي تنطوي على متغيرات وقيود عديدة، وتجد حلولا قد يفتقدها مهندسو البشر، وتتوقع نماذج التعلم في مجال الآلات توليد الطاقة المتجددة، والطلب على الكهرباء، وفشل المعدات، مما يمكّن من الإدارة الاستباقية وتحسين الموثوقية.

وفي مجال إدارة الطاقة، تتعلم نظم الطاقة الأنثوية أنماط الشغل وأفضلياتها من أجل تحقيق الحد الأمثل من التدفئة والتبريد والإضاءة مع التقليل إلى أدنى حد من استهلاك الطاقة، وبالنسبة لشبكات الطاقة، تقوم المنظمة بتنسيق موارد الطاقة الموزعة، وإدارة تخزين الطاقة، والمحافظة على الاستقرار مع ارتفاع معدلات التغلغل في المتغيرات المتجددة، وفي المرافق الصناعية، تحدد الوكالة فرص كفاءة الطاقة وتضع معايير العمليات على النحو الأمثل في الوقت الحقيقي.

وتحتوي هذه النماذج على بيانات آنية من أجهزة الاستشعار، وتستخدم أجهزة الاستنشاق لتحفيز مختلف السيناريوهات، والتنبؤ بالأداء، وتحديد استراتيجيات التشغيل المثلى، مع تحسن زيادات الطاقة الحاسوبية والمقاييس، سيصبح التوأم الرقمي أدوات متزايدة التطور لتصميم وإدارة نظم الطاقة.

المواد المتقدمة وعلم النانو

وتتيح التطورات العلمية في مجال المواد تكنولوجيات جديدة لتحويل الطاقة وتحسين التكنولوجيات الموجودة، وتعود الخلايا الشمسية في بيروفسكيت بزيادة الكفاءة وانخفاض تكاليف التصنيع عن خلايا السيليكون التقليدية، رغم استمرار التحديات في مجال الاستقرار، وتحوّل المواد المتقدمة في مجال حرارة حرارة النفايات مباشرة إلى الكهرباء، مما قد يستعيد الطاقة من العمليات الصناعية والمركبات ومن محطات توليد الطاقة.

ويتيح علم النانويكنا التحكم الدقيق في الممتلكات المادية على نطاق جزيئي، وينشئ هياكل مفضّلة لتطبيقات محددة للطاقة، ويزيد الكهروديس النانوية من مساحة سطح البطاريات وخلايا الوقود، ويحسن الأداء، ويعزز النانوم كفاءة الخلايا الشمسية عن طريق التلاعب بالاستيعاب الخفيف ونقل الشحنات، ويوفر الأيروديلات وغيرها من المواد النانوية درجة أعلى من التكرار، مما يقلل من متطلبات التسخ.

وتعجل عوامل التحفيز المتقدمة بتسارع ردود الفعل الكيميائية في خلايا الوقود، والكهرباء، وعمليات التوليف الكيميائي، مما يقلل من احتياجات الطاقة ويحسن الكفاءة، وتعجل علوم المواد الحاسوبية، وعلم المعلومات المحفزة بالتنبؤ بالأداء المُرشح للمواد قبل إجراء اختبار تجريبي باهظ التكلفة، وتُحدد هذه الأدوات عوامل حفازة جديدة تستخدم عناصر وفرة بدلا من المعادن النادرة والمكلفة لمجموعات البلاستيكية.

التقارب والتكامل في القطاع

وتهيئ المركبات الكهربائية فرص تحسين الكفاءة والمرونة لتجميع الكهرباء وتدفئة وتبريدها ونظم النقل، وتوفر المركبات الكهربائية تخزيناً متنقلاً للطاقة يمكن أن يدعم استقرار الشبكة، وتتحول مضخات الحرارة إلى تدفئة وتبريد بدرجة عالية من الكفاءة، مما يتيح بناء الحمولات الحرارية لتوفير المرونة في الطلب، وتحوّل نظم الطاقة الكهربائية إلى فائض من الكهرباء المتجددة إلى الهيدروجين أو الميثان الاصطناعية لتخزينها واستخدامها في قطاعات أخرى.

وأكثر من ثلث استخدام الطاقة هو الصناعة، حيث أن معظم تلك الطاقة التي تم نشرها في العمليات الحرارية: توليد الحرارة والجفاف والتبريد، كما أن حصة الطاقة المتجددة في الصناعة بلغت 14.5 في المائة في عام 2017 - وهي حرارة منخفضة الحرارة بدرجة كبيرة توفرها الطاقة الحيوية والكهرباء، حيث تتطلب الأنشطة الأكثر كثافة في الطاقة في الصناعة أقل حصص من الطاقة المتجددة، حيث أنها تواجه قيوداً في توليد الحرارة الصناعية أكثر من 200 درجة.

فالنظم المتكاملة للطاقة تُحدّد إلى أقصى حد من مجموع التكاليف والانبعاثات، فعلى سبيل المثال، يمكن أن توفر حرارة النفايات الصناعية تدفئة المناطق، مما يقلل من متطلبات التبريد الصناعي، ويُحدّد استخدام الطاقة التدفئة، ويمكن تحديد موعد لشحن المركبات الكهربائية بحيث يتزامن مع توليد الطاقة المتجددة المرتفع، ويقلل من الإجهاد الكهربي ويزيد من استخدام الطاقة النظيفة إلى أقصى حد، ويزداد هذا التآزر قيمة مع زيادة تغلّد الطاقة المتجددة.

النهج الاقتصادية العلمانية

وتُحدِّد مبادئ الاقتصاد العلماني المطبقة على نظم الطاقة من النفايات إلى أدنى حد، وتزيد من استخدام الموارد إلى أقصى حد على امتداد دورة حياة المنتجات، ويشمل ذلك تصميم معدات لطول العمر، والتصليح، وإعادة التدوير؛ واسترداد المواد القيمة من المنتجات التي تُنتَهَز في نهاية العمر؛ واستخدام مجاري النفايات كمواد وسيطة للإنتاج الجديد، وبالنسبة لتكنولوجيات الطاقة المتجددة، تعالج النُهج الدائرية الشواغل المتعلقة بتوافر المادي والتخلص من النفايات في نهاية العمر.

وتسترد إعادة تدوير البطاريات مواد قيمة، منها الليثيوم والكوبالت والنيكل، وتقليص آثار التعدين وضمان العرض الكافي للطلب المتزايد، وتعيد تدوير المواد الشمسية من السيليكون والفضة وغيرها من المواد لإعادة استخدامها، ويجري الآن تجهيز نصلات التوربين الفائزة، التي يصعب إعادة تدويرها تاريخيا، في شكل مضافات الأسمنت وغيرها من المنتجات، ويحسن هذا التعميم الاستدامة العامة لنظم الطاقة المتجددة.

ويخلق التنافر الصناعي شبكات تتحول فيها النفايات من عملية ما إلى مادة وسيطة لمحطة أخرى، حيث توفر حرارة نفايات محطات توليد الطاقة الحرارة الصناعية أو تدفئة المناطق.وتزود ثاني أكسيد الكربون المأخوذة من مرفق آخر باستخدامه كمواد وسيطة، وتولد محطات معالجة المياه المستعملة الغازات الأحيائية التي تُمكن من تشغيلها وتوفر الكهرباء الفائضة للشبكة، وتحسن هذه الروابط كفاءة النظام عموما مع الحد من النفايات والانبعاثات.

استراتيجيات التنفيذ العملي

مراجعة حسابات وتقييمات الطاقة

لا يمكنك تحسين ما لا تستطيع قياسه ومعرفة أين تقف الخطوة الأولى لتقييم نهج الطاقة الخاص بك مع تقييم بناء (المعروف أيضاً بمراجعة) لمختلف المستويات يوفر رؤية واضحة للفواكهة المنخفضة الحدة قبل أن تبدأ في النظر في الإنفاق

وتتراوح عمليات مراجعة حسابات الطاقة بين إجراء تقييمات بسيطة من خلال عمليات السير والتحليلات الهندسية المفصلة مع الرصد والنمذجة على نطاق واسع، وتحدد عمليات المراجعة من خلال السير أوجه القصور الواضحة مثل سوء العزل أو الإضاءة غير الفعالة أو المعدات التي تعمل دون داع، وتستخدم عمليات المراجعة التفصيلية لقطع البيانات، والتصوير الحراري، والنموذج الحاسوبي لقياس تدفقات الطاقة، وتقييم التحسينات المحتملة مع تحليل التكاليف والفوائد.

ويقارن التخصيص بين أداء الطاقة وبين المرافق المماثلة أو معايير الصناعة، ويحدد ما إذا كان الأداء نموذجياً، أو أكثر من المتوسط، أو أقل من المتوسط، وهذا السياق يساعد على إعطاء الأولوية لجهود التحسين ووضع أهداف واقعية، وقد وضعت صناعات كثيرة مؤشرات أداء للطاقة تتيح إجراء مقارنات مجدية وتتابع التقدم على مر الزمن.

نهج التنفيذ التدريجي

وكثيرا ما يعمل تنفيذ حلول الطاقة المستدامة على أفضل وجه كأسلوب تدريجي بدلا من محاولة التحول الشامل في آن واحد، وتركز المراحل الأولية على تدابير منخفضة التكلفة وعالية العائد مثل تحسين الضوابط، وتحقيق الاستخدام الأمثل للعمليات، وتحسين الكفاءة، وتولد هذه " المكاسب الكبيرة " وفورات يمكن أن تمول المراحل اللاحقة في الوقت الذي تبنى فيه الخبرة والثقة التنظيمية.

وقد تشمل المراحل المتوسطة الأجل استبدال المعدات، وتحسينات المظروف، وتركيب نظم الطاقة المتجددة، وعادة ما تكون هذه الاستثمارات فترات انتعاش أطول ولكنها توفر استحقاقات طويلة الأجل كبيرة، وتعالج المراحل النهائية تدابير أكثر تعقيدا أو تكلفة مثل إعادة تصميم النظام الرئيسي، أو التكنولوجيات المتقدمة، أو تحديث الهياكل الأساسية.

وتتيح النهج التدريجية التعلم والتكيف مع تطور التكنولوجيات وانخفاض التكاليف، وتوفر المراحل المبكرة خبرة عملية تسترشد بها القرارات اللاحقة، ويكفل الرصد والتحقق على امتداد التنفيذ تحقيق الفوائد المتوقعة ويحددان الفرص المتاحة لزيادة الاستفادة المثلى، وتؤدي هذه العملية المتكررة إلى نتائج أفضل من محاولة تصميم نظم مثالية في البداية.

نماذج التمويل والأعمال التجارية

وتساعد آليات التمويل الابتكارية على التغلب على الحواجز الرئيسية في التكاليف التي تعترض استثمارات الطاقة المستدامة، وتتيح عقود أداء الطاقة للمنظمات تنفيذ تحسينات بدون رأسمال مقدم، ودفع تكاليف المشاريع من وفورات الطاقة المضمونة، وتتيح اتفاقات شراء الطاقة توليد الطاقة المتجددة دون تكلفة أولية، حيث يشترى الزبائن الكهرباء المولدة بأسعار محددة مسبقا.

وتوفر السندات الخضراء والقروض المرتبطة بالاستدامة شروطا تمويلية مواتية للمشاريع التي تستوفي المعايير البيئية، وتتيح برامج الطاقة الشمسية المجتمعية والمتجددة المشتركة مشاركة من لا يستطيعون تركيب نظم في ممتلكاتهم الخاصة، وتربط برامج تمويل الحشد مشاريع الطاقة المتجددة بالمستثمرين الذين يسعون إلى تحقيق عائدات مالية وتأثير بيئي على السواء.

ويتحول تركيز نماذج الأعمال المتعلقة بالطاقة في مرحلة ما بعد الخدمة من ملكية المعدات إلى تقديم الخدمات، ويقوم مقدمو الخدمات بتركيب وتشغيل وصيانة نظم الطاقة، وبيع التدفئة والتبريد والكهرباء بدلا من المعدات، وينسق هذا النهج حوافز مقدمي الخدمات مع مصالح العملاء في خدمة موثوقة وفعالة، مع إزالة الحواجز التقنية والمالية أمام الاعتماد المتقدم للتكنولوجيا.

مشاركة أصحاب المصلحة والتعليم

ويتطلب التنفيذ الناجح للطاقة المستدامة مشاركة جميع أصحاب المصلحة، بما في ذلك القيادة، والموظفون، والعملاء، والمجتمعات المحلية، ويوفر الالتزام بالقيادة الموارد ويزيل الحواجز التنظيمية، ويكفل إشراك الموظفين تشغيل النظم بفعالية ويحدد الفرص المتاحة للتحسين، وينشئ الدعم المقدم من العملاء والمجتمع المحلي رخصا اجتماعية وقد يوفر موارد أو حوافز إضافية.

ويبني التعليم والتدريب المعارف والمهارات اللازمة لتصميم نظم الطاقة المستدامة وتركيبها وتشغيلها وصيانتها، ويكفل التدريب التقني للمهندسين والتقنيين التنفيذ والتشغيل على نحو يتسم بالكفاءة، ويعزز التعليم الأوسع لصانعي القرار والجمهور فهم الفوائد والتكاليف والمفاضلات، ويدعم الخيارات المستنيرة ووضع السياسات.

وتوفر مشاريع البيان والدراسات الإفرادية أمثلة ملموسة على النجاح في التنفيذ وبناء الثقة وتوفير نماذج للآخرين يتابعونها، وتقاسم الدروس المستفادة - بما في ذلك التحديات والإخفاقات - التعلم في جميع أنحاء الميدان، وتيسر شبكات المهنيين ومجتمعات الممارسة تبادل المعارف وحل المشاكل التعاونية.

Key Sustainable Energy Solutions

وتمثل التكنولوجيات التالية نُهجاً مثبتة لتحويل الطاقة واستخدامها على نحو مستدام:

• Solar Photovoltaic Systems:] Convert sunlight directly into electricity with no moving parts, minimal maintenance, and declining costs making them economically competitive in most markets
• Wind Turbines:] Harness kinetic energy from moving air to generate electricity, with both onshore and offshore installations providing substantial renewable capacity
• Hydroelectric Systems:] Convert potential energy of elevated water into electricity, providing reliable baseload power and energy storage through pumped-storage formations
• Geothermal Energy: ] Extract heat from the Earth's interior for electricity generation and direct heating applications, offering reliable baseload renewable power
• Biomass and Bioenergy:] Convert organic materials into heat, electricity, or fuels through combustion, gasification, or biochemical processes
• Heat Pumps:] move thermal energy from lower to higher temperatures with high efficiency, providing heating and cooling with reduced energy consumption
• Compbined Heat and Power:] Simultaneously generate electricity and useful thermal energy from a single fuel source, achieving overall efficiencies of 70-90%
• Energy Storage Systems:] Store energy for later use through batteries, pumped hydro, compressed air, thermal storage, or other technologies, enabling higher renewable energy penetration
• Smart Grid Technologies:] Optimize energy flows through digital monitoring, control, and communication systems that balance supply and demand in realtime
• Building Efficiency Measures:] Reduce energy consumption through improved insulation, efficient equipment,elli controls, and passive design strategies

فوائد حلول الطاقة المستدامة

وتخفض حلول الطاقة المستدامة انبعاثات غازات الدفيئة باستخدام مصادر الطاقة المتجددة، وتعزز استقلال الطاقة عن طريق تقليل الاعتماد على الوقود الأحفوري المحدود، وتخلق فرص عمل في الطاقة المتجددة تعزز فرص العمل وتحفز التنمية الاقتصادية، وتحسن الصحة العامة من خلال خفض مستويات التلوث المؤدية إلى الهواء الأنظف والمياه، وتعزز أمن الطاقة من خلال مصادر متجددة متنوعة تقلل من إمكانية التعرض لقطع الإمدادات.

وبالإضافة إلى هذه الفوائد المباشرة، توفر نظم الطاقة المستدامة القدرة على مواجهة تقلب أسعار الوقود وتعطل الإمداد، ويقلل التوليد الموزع من خسائر النقل ويعزز موثوقية الشبكة، وتحافظ تنمية الطاقة المتجددة المحلية على إنفاق الطاقة داخل المجتمعات المحلية بدلا من تصديرها إلى موردي الوقود البعيدين، وتكمل هذه الفوائد الاقتصادية المزايا البيئية، مما يخلق حالات قاهرة لاعتماد الطاقة المستدامة.

إن الانتقال إلى الطاقة المستدامة يدفع الابتكار عبر قطاعات متعددة، بما في ذلك علوم المواد وتكنولوجيا المعلومات والصناعة التحويلية والبناء، ويخلق هذا الابتكار وظائف عالية الجودة وفرصا اقتصادية، ويعالج في الوقت نفسه تغير المناخ، والبلدان والمناطق التي تمر بمرحلة انتقال للطاقة، هي نفسها ذات فائدة للاقتصاد العالمي في المستقبل.

التحديات والفرص

وعلى الرغم من التقدم الملحوظ، لا تزال هناك تحديات كبيرة في تحقيق نظام للطاقة المستدامة تماما، ففي عام 2023، ارتفعت إمدادات الطاقة المتجددة من الطاقة الشمسية والريحية والهيدروا والحرارية الأرضية والمحيطات بأكثر من 5 في المائة، مما يعني أن حصة هذه التكنولوجيات في مجموع إمدادات الطاقة العالمية قد زادت بنسبة تصل إلى 0.2 في المائة، حيث بلغت 5.7 في المائة، مع ارتفاع حصة الطاقة الأحيائية الحديثة بنفس الكمية، ليصل إلى 6.5 في المائة، ولكن الإمداد بالطاقة المتجددة يصل إلى ما يزيد سنويا إلى ما يزيد عن 15 في المائة.

وتشمل التحديات التقنية تطوير تخزين للطاقة يكون فعالا من حيث التكلفة، وتحسين الكترونيات الكهربائية والهياكل الأساسية للشبكات، وإنشاء سلاسل إمدادات مستدامة للمواد الحيوية، وتشمل التحديات الاقتصادية تعبئة رأس المال الاستثماري الكافي، وإدارة الانتقال بالنسبة للمجتمعات المحلية والعمال المعتمدين على الوقود الأحفوري، وضمان القدرة على تحمل تكاليف الطاقة خلال الفترة الانتقالية، وتشمل التحديات السياسية التغلب على المقاومة من المصالح الحالية، وتنسيق التعاون الدولي، والحفاظ على اتساق السياسات في جميع الدورات الانتخابية.

غير أن هذه التحديات تمثل أيضاً فرصاً للابتكار والاستثمار والقيادة، فالتكنولوجيات التي تحل الاختناقات الرئيسية ستجد أسواقاً هائلة، وستكتسب المناطق التي نجحت في نقل الطاقة الانتقالية مزايا تنافسية، وستستفيد المنظمات التي تتقبل وضع الاستدامة نفسها من أجل النجاح الطويل الأجل في عالم مُدرب الكربون.

إن تقارب تكاليف الطاقة المتجددة المتناقصة، وتحسين تكنولوجيات التخزين، والنهوض بالرقمنة، وتعزيز السياسات المناخية، يولد زخما غير مسبوق لاعتماد الطاقة المستدامة، وبإدماج الطاقة المتجددة بشكل سلس في تكنولوجيات الطاقة لدينا، نشهد أيضا خطوة هامة في مجال الاستدامة، مع إحراز عدة تقدم، لا سيما في تكنولوجيات الطاقة الشمسية والريحية، مما يجعل الانتقال إلى حلول أنظف أكثر قابلية للاستمرار، وإيجاد حلول قابلة للتخفيف بدرجة كبيرة من آثار الكربون، واستخدام منظور تكنولوجيا الطاقة في عصر جديد، لا يؤدي إلى تحقيق الكفاءة فحسب.

الاستنتاج: الطريق إلى الأمام

إن تحويل الطاقة وعلم الديناميكا الحرارية يوفران الأساس العلمي لتصميم حلول مستدامة للطاقة يمكن أن تلبي احتياجات البشرية المتزايدة من الطاقة، مع حماية البيئة للأجيال المقبلة، وفهم القوانين الأساسية التي تحكم عمليات تحويل الطاقة، ولا سيما الحدود التي يفرضها مهندسو الطاقة الحرارية ومقررو السياسات لاتخاذ قرارات مستنيرة بشأن خيارات التكنولوجيا وتصميمات النظم وأولويات الاستثمار.

إن الانتقال إلى الطاقة المستدامة يمثل أحد التحديات والفرص المحددة في القرن الحادي والعشرين، فالنجاح لا يتطلب فقط الابتكار التكنولوجي، بل يتطلب أيضا سياسات داعمة، وتمويلا كافيا، ومشاركة أصحاب المصلحة، والتفكير على مستوى النظم، التي تحقق أقصى قدر من الأهداف والقطاعات المتعددة، وفي حين أن هناك تحديات كبيرة لا تزال قائمة، فإن الأدوات والتكنولوجيات والمعارف اللازمة لتحقيق مستقبل مستدام للطاقة متاحة بصورة متزايدة.

ويمكن للمنظمات والأفراد أن يسهموا في هذا الانتقال من خلال تحسين كفاءة الطاقة، واعتماد الطاقة المتجددة، ودعم السياسات التمكينية، والتثقيف بشأن مبادئ الطاقة المستدامة، وكل مكسب من المكاسب الناتجة عن زيادة الكفاءة، وكل تركيبة متجددة، وكل قرار مستنير، يقترب من نظام للطاقة المستدامة يوفر طاقة نظيفة موثوقة ومعقولة التكلفة للجميع، مع الحفاظ على الكوكب للأجيال المقبلة.

For more information on sustainable energy technologies and implementation strategies, visit the International Energy Agency, explore resources from the ]U.S. Department of Energy], review technical guidance from the National Renewable Energy Laboratory, learn about energy efficiency best practices