Table of Contents
ويتوسع قطاع الطاقة المتجددة بوتيرة غير مسبوقة حيث يعجل العالم بتحوله بعيدا عن الوقود الأحفوري، وتبرز هندسة الطاقة، والتأديب الذي يصمم ويحقق أقصى قدر من الطاقة ويدير نظم الطاقة، بوصفها عاملاً حاسماً في التمكين من الاقتصاد الدائري في هذا القطاع، ومن خلال تطبيق مبادئ دائرية مثل تصميم المديدة، وإتاحة استعادة المواد، وتقليل مهندسي توليد النفايات إلى أدنى حد، تحويل الهياكل الأساسية للطاقة المتجددة من " استخدام " .
فهم الاقتصاد العلماني في سياق الطاقة المتجددة
الاقتصاد الدائري هو إطار اقتصادي يهدف إلى إبطال النمو من استهلاك الموارد المحدودة، وبدلاً من النموذج الخطي التقليدي، يحتفظ نظام دائري بالمواد والمنتجات المستخدمة إلى أقصى حد ممكن، ويستخلص منها أقصى قيمة من حيث استخدامها، ثم يسترد ويعيد إنتاج المنتجات والمواد في نهاية كل حياة من مراحل الخدمة.
وفي قطاع الطاقة المتجددة، يكتسب الاقتصاد الدائري طابعاً عاجلاً خاصاً، إذ أن الألواح الشمسية، والاضطرابات الريحية، ونظم تخزين البطاريات تعتمد على المعادن، والعناصر الأرضية النادرة، والمواد الهندسية التي تستهلك الطاقة لاستخراجها وتجهيزها، وبما أن القدرة على الانتشار على نحو خال من الزمان على الصعيد العالمي وحدها يمكن أن تزيد على 5 طوابق بحلول عام 2030 - فإن حجم المعدات التي يتم التخلص منها يمكن أن ينمو بصورة هائلة دون استراتيجيات دائرية.
وتعالج هندسة الطاقة هذا التحدي مباشرة، إذ يمكن للمهندسين، بتطبيقهم على علم النظم والمواد، أن يدمجوا التعميم في كل مرحلة من مراحل دورة حياة الأصول المتجددة: من اختيار المواد الخام وتصميم المنتجات إلى التصنيع والتشغيل والصيانة والتخلي عن التشغيل في نهاية المطاف، وهذا النهج الاستباقي يكفل ألا تنتج نظم الطاقة المتجددة الطاقة النظيفة فحسب، بل تعمل أيضا داخل حدود الكواكب.
دور هندسة الطاقة في مجال العلمانية
ويستخدم مهندسو الطاقة مجموعة من الاستراتيجيات لتفعيل الاقتصاد الدائري، وتتجاوز هذه الاستراتيجيات إعادة التدوير البسيطة ومعالجة الأسباب الجذرية لتوليد النفايات، فيما يلي أربعة مجالات رئيسية تتقدم فيها الخبرة الهندسية مباشرة بنتائج التعميم.
التصميم من أجل طول العمر والوحدة
كما أن الركيزة الأساسية للاقتصاد الدائري هي توسيع نطاق عمر المنتج، إذ أن مهندسي الطاقة يصممون عناصر الطاقة المتجددة لتحمل الظروف البيئية القاسية لمدة 25-30 سنة أو أكثر، مما ينطوي على اختيار المحار المقاوم للتآكل، والبوليمرات التي تُستخدم في المركبات ذات الطراز الأول، وأجهزة الكشف الالكتروني القوية، فضلا عن القدرة على التحلل والتصميم النموذجي يسمح بالتصل بسهولة وباستبدال في المحركات الهندسية الحديثة المصممة بواسطة أجهزة الترسبات.
تكنولوجيات إعادة التدوير المتقدمة
(أ) عندما تصل المكونات إلى نهاية العمر، يقوم مهندسو الطاقة بتطوير وصقل عمليات إعادة التدوير التي تسترد مواد عالية النقاء، ويُستعاض عن التقطيع التقليدي ورشة الأراضي بتقنيات فصل متطورة، أما بالنسبة للألواح الشمسية، والطرق الحرارية، والكيميائية، والميكانيكية، فيمكن أن تسترد أكثر من 95 في المائة من السائل السائلي والفضة والزجاج.
تقييم دورة الحياة وتحليل تدفق المواد
ومن أجل تحقيق أقصى قدر من التعميم، يعتمد مهندسو الطاقة على أدوات كمية مثل تقييم دورة الحياة وتحليل تدفق المواد، ويقيّم التقييم القطري المشترك الآثار البيئية الناجمة عن انبعاثات غازات الدفيئة إلى استخدام المياه في جميع مراحل حياة المنتج، ويضع المهندسون نتائج التحليلات المتعلقة باليد العاملة في مجال الاستهلاك من أجل تحديد المواقع التي تحقق فيها التحسينات في كفاءة المواد أكبر فائدة.
سلسلة الإمداد بالنشرات والسوقيات العكسية
كما أن هندسة الطاقة تمتد إلى تصميم سلسلة الإمداد، وتشمل سلاسل الإمداد العناوين النظم السوقية العكسية اللازمة لجمع عناصر نهاية العمر وفرزها ونقلها إلى جهات إعادة تدويرها أو إعادة تصنيعها، وتتعاون المهندسين مع خبراء اللوجستيات في تصميم شبكات جمع المواد التي تقلل من انبعاثات النقل وتزيد من معدلات الاسترداد إلى الحد الأقصى، كما تحدد بروتوكولات التغليف والتداول التي تحافظ على سلامة عناصر التركيب أثناء تدفقات العودة.
تطبيقات القطاع السريع
وتأخذ الاستراتيجيات التعميمية المذكورة أعلاه أشكالاً متميزة عبر ثلاث تكنولوجيات للطاقة المتجددة الأولية: المواد الضوئية الشمسية، والطوربينات الريحية، وتخزين الطاقة، وكلها تطرح تحديات هندسية فريدة وفرصاً للابتكار.
Solar Photovoltaic Panels
وتتكون الألواح الشمسية من بين أكثر التكنولوجيات المتجددة انتشاراً، حيث تتجاوز القدرة العالمية على تركيبها 1.2 ميغاواط.() وتحتوي لوحة اللسان الكريستالي النموذجية على الزجاج (75 في المائة)، والإطار الألومنيوم (8%)، والخلايا الشمسية السليكونية (5%)، وصحيفة البوليمر (4 في المائة)، وكميات صغيرة من الفضة والنحاس والرصاص، وفي حين أن العديد من هذه المواد قيمة، فإن معدلات إعادة التدوير الحالية لا تزال منخفضة إلى أقل من البلدان التي لا تتحمل مسؤولية المنتجين.
ويعالج مهندسو الطاقة هذا من خلال عدة ابتكارات، أولاً، تصاميم جديدة للفرق تزيل صحائف البوليمر الخلفية لصالح الكبسولات الزجاجية، مما يحسن قابلية التدوير ويسهل إعادة تدويرها لأن جميع السائلات يمكن معالجتها على أنها مادة وسيطة غنية بالزجاج.
Wind Turbines
وتشكل التربينات الفائزة مجموعة مختلفة من التحديات التعميمية، حيث إن البرج (الستيريل) والناتشيل (الكرميل والنحاس والإلكترونيات) والمؤسسة (الخاصة والصلب) كلها قابلة لإعادة التدوير باستخدام المرافق القائمة، والعقبة الرئيسية هي الستار التي تصنع من البوليمر المركّب الزجاجي أو المحرر الكربوني، وهذه المواد هي من النوع الخفيف والشديد من النفايات.
(ب) [مهندسو الطاقة يُعدون حلولاً رائدة، ويستخدمون السائل المختلط في كل من الأسمنت كوقود وخامات بديلة لإنتاج اللمنك، ويُستعاضون عن الفحم الحجري، ويُعاد تدويره الميكانيكي إلى مسحوق يمكن استخدامه كملئ في مواد البناء، كما يمكن إعادة تدوير مواد كيميائية أكثر تقدماً مثل تكسير البوليمر، واستعادة أجزاء من الزجاج العالي الجودة أو الألياف الكربونية التي يمكن أن تكون قابلة للتداول.
وهناك استراتيجية هندسية أخرى تمتد فترة الحياة الصارخة من خلال الصيانة والإصلاح الاستباقيين، إذ أن تقنيات التفتيش غير التدميري )الأشعة فوق الصوتية، والرموغرافية( تكشف عن شقوق داخلية في وقت مبكر، مما يسمح للمهندسين بتجهيز أو استبدال الأجزاء المتضررة بدلا من النصل بأكمله، وهذا النهج " قبل الاستعاضة عنه " يبقي الأصول في الخدمة أطول ويقلل من الطلب المادي.
نظم تخزين الطاقة
إن تخزين الطاقة في البطاريات أمر أساسي لدمج المتغيرات المتجددة مثل الرياح والطاقة الشمسية في الشبكة، غير أن بطاريات الليثيوم تحتوي على مواد حرجة - كبلط، النيكل، الليثيوم، الجاريتايت - المركزة جغرافياً، والمضرة بالبيئة في مجال الألغام، وتعالج هندسة الطاقة العضلية هذه المسألة من خلال تطبيقات الحياة الثانية للبطارية وإعادة تدويرها مباشرة.
أما البرامج الثانية ]الحياة الثانية[ فتعيد استخدام البطاريات الكهربائية المتقاعدة التي لا تزال لديها القدرة على التخزين الثابت في المنازل أو المباني التجارية أو دعم الشبكات، ويضع المهندسون نظماً لإدارة البطاريات والضوابط الحرارية التي تعمل بأمان في هذه الخلايا القديمة في تطبيقات أقل طلباً، ويمتدون حياتهم المفيدة قبل إعادة التدوير النهائية.
وتمثل البطاريات المتدفقة حلا هنديا آخر: فهي تستخدم الكهرباء السائلة المخزنة في خزانات خارجية، مما يعني أن القدرة يمكن توسيع نطاقها بشكل مستقل عن الطاقة، ويمكن إعادة تدوير الكهروليت الفاناديوم إلى أجل غير مسمى، مما يتيح وسيلة تخزين كاملة، كما أن المهندسين يحققون أفضل المواد المدمجة وتصميمات الحزم الخلوية لتحسين كفاءة المرحلتين، مما يجعل البطاريات أكثر قدرة على المنافسة في مجال تخزينها في الأجل الطويل.
سائقو السياسات الاقتصادية والهندسة العامة للطاقة
فالتحول إلى التعميم في الطاقة المتجددة ليس أمراً بيئياً فحسب، بل هو أمر ذو معنى اقتصادي قوي، إذ إن الشركات، باستعادة المواد القيمة، تقلل من التعرض لأسعار السلع الأساسية المتقلبة وسلاسل الإمداد الآمنة، إذ إن إعادة تدوير طن متري واحد من الألواح الشمسية تدر ما يقارب 450 دولاراً من الفضة والألومنيوم والنحاس، وبالنسبة لبطاريات الليثيوم - إيون، فإن قيمة المعادن المستعادة قد تتجاوز 000 1 دولار للطنان.
وتعجل هذه السياسة بعملية الانتقال هذه، وتشمل خطة عمل الاقتصاد الدائري للاتحاد الأوروبي أحكاماً تتعلق بمتطلبات التصميم الإيكولوجي على الألواح الشمسية والبطاريات والأوربينات الريحية، وترتيب القابلية للجبر، وإعادة التدوير، وأهداف المحتوى المعاد تدويرها، ويوفر قانون تخفيض التضخم في الولايات المتحدة ائتمانات ضريبية لمرافق إعادة تدوير البطاريات المحلية، وتقتضي المبادئ التوجيهية المتعلقة بالمسؤولية المستنفذة عن الإنتاج في الصين إنشاء أطر للمكافأة على المستوى التشغيلي للشمس والبطني.
إن خلق فرص العمل هو عامل آخر، إذ تتطلب هندسة العلم الماهرات في مجال التصميم، والتفكك، والفرز، وعلوم المواد، وتقدر منظمة التعاون والتنمية في الميدان الاقتصادي أن أنشطة الاقتصاد الدائري يمكن أن تخلق 4.5 مليون وظيفة إضافية على الصعيد العالمي بحلول عام 2030، والكثير منها في سلسلة إمدادات الطاقة المتجددة، والاستثمار في مرافق إعادة التدوير الآلية، ونظم التتبع الرقمي، ومراكز إعادة التصنيع تحفز الاقتصادات المحلية وتخفض الاعتماد على المواد الخام المستوردة.
التحديات والاتجاهات المستقبلية
وعلى الرغم من التقدم المحرز، لا تزال هناك تحديات كبيرة، وتشمل الحواجز التقنية فصل المواد المختلطة - ولا سيما المركبات المتعددة المواد في المنسوجات الريحية والخلايا الشمسية ذات الرشاقة، والقابلية للاستمرارية الاقتصادية حساسة بالنسبة للحجم: فالهياكل الأساسية لإعادة التدوير تتطلب كتلة حرجة من المعدات التي لا تزال صالحة للاستمرار، وفي كثير من المناطق، فإن السوقيات التجميعية غير متطورة، كما أن المواءمة التنظيمية بين الولايات القضائية بطيئة.
ويعالج مهندسو الطاقة هذه الحواجز من خلال الابتكار، ويجري حاليا تطوير مركبين بيولوجيين يمكن تركيبهم في نهاية الحياة من أجل شفرات الرياح، كما أن نظم الاستخبارات الفنية والرؤية الحاسوبية تحسن دقة فرز مرافق إعادة التدوير، ويمكن أن يُنمذ التوأم الرقمي من الأصول المتجددة تحلل نموذجي، وأن يُحدّد التوقيت النهائي للعمر، ويُدمج معايير " التصميم لإعادة التدوير " في المناهج الهندسية، مع ضمان إعطاء الأولوية للجيل القادم من البداية.
وثمة حدود أخرى تتمثل في دمج التعميم في التخطيط على مستوى الشبكات، إذ يقوم مهندسو نظم الطاقة بنموذج كيف تتوافق التدفقات المادية (السل، الخرسانة، النحاس) مع تدفقات الطاقة، وتحديد الاختناقات ونقاط التعميم، ويربط هذا الرأي الكلي الانتقال من الطاقة المتجددة بالإيكولوجيا الصناعية الأوسع، مما يخلق مسارات نحو البنية التحتية للطاقة المتجددة تماما.
ومستقبل هندسة الطاقة في القطاع المتجدد هو أحد الرعايا الذكية، فالمهندسون لا يقومون فقط ببناء محطات للطاقة النظيفة - بل يقومون بتصميم نظم الأيض التي تعمم المواد على مدى عقود من عمر الخدمة وما بعده، ومن خلال إدماج مبادئ الاقتصاد الدائري في كل جانب من جوانب تكنولوجيا الطاقة المتجددة، فإن المهنة تكفل أيضاً أن يكون عالم الطاقة المنخفض الكربون عالماً منخفضاً من النفايات.