Sources of Energy مصادر الطاقة

مصادر الطاقة 

احتاج الإنسان البدائي إلى 300 جرام من الطاقة في اليوم، بينما في وقتنا الحاضر يستهلك الفرد في الدول المتقدمة من الطاقة ما يصل إلى 13 طن في العام. بسبب الثورة العلمية والتقنية يتضاعف استهلاك الطاقة بمختلف أشكالها كل عشر سنوات. من هنا تكمن أهمية تقييم الوضع المستقبلي لمصادر الطاقة.
هناك مصادر طاقة متجددة واخرى غير متجدده، من امثلة الطاقة المتجددة الشمس، الريح، الشلالات والأنهار وغيرها. اما الفحم الحجري والنفط والغاز فتعتبر من المصادر الغير متجددة.
احتياطي مصادر الطاقة التقديري يؤمن احتياجات البشرية لعشرات السنين المقبلة، على إن تامين هذه الاحتياجات مشروط بضوابط بيئية واقتصادية. فهناك ضوابط صارمة ذات علاقة بالمركب CO₂ وكذا المشاكل المرتبطة بالاستخدامات المحتملة للطاقة النووية. يعتبر الغاز الطبيعي الأفضل بيئيا فانبعاث ثاني أكسيد الكربون عند احتراق الغاز الطبيعي اقل من تلك الناتجة عن احتراق الفحم: احتراق غاز بطاقة واحد كيلو وات في الساعة تؤدي إلى انبعاث غاز ثاني أكسيد الكربون بمقدار 0.2 – 0.22 كيلو جرام، ومن المازوت – 0.26 – 0.28 كيلوجرام، ومن الفحم الحجري – 0.33 كجم.

الطاقة الشمسيةٍٍ  Solar Energy

خلق الله الشمس والقمر كآيات دالة على كمال قدرته وعظم سلطانه وجعل شعاع الشمس مصدراً للضياء على الأرض وجعل الشعاع المعكوس من سطح القمر نوراً. قال الله تعالى في كتابه العزيز ( هو الذي جعل الشمس ضياء والقمر نوراً وقدره منازل لتعلموا عدد السنين والحساب ما خلق الله ذلك إلا بالحق يفصل الآيات لقوم يعلمون ) سورة يونس الآية(5) فالشمس تجري في الفضاء الخارجي بحساب دقيق حيث يقول الله سبحانه وتعالى في سورة الرحمن ( الشمس والقمر بحسبان ) الآية(5) .

شكل 1: خلايا شمسية

 أي أن مدار الأرض حول الشمس محدد وبشكل دقيق ، وآي اختلاف في مسار الأرض سيؤدي إلى تغيرات مفاجئة في درجة حرارتها وبنيتها وغلافها الجوي ، وقد تحدث كوارث إلى حد عندها يصبح  بقاء الحياة غير ممكن.
تعد الشمس من أكبر مصادر الضوء والحرارة الموجودة على وجه الأرض، وتتوزع هذه الطاقة- المتولدة من تفاعلات الاندماج النووي داخل الشمس- على أجزاء الأرض حسب قربها من خط الاستواء، وهذا الخط هو المنطقة التي تحظى بأكبر نصيب من تلك الطاقة، والطاقة الحرارية المتولدة عن أشعة الشمس يُستفاد منها عبر تحويلها إلى (طاقة كهربائية) بواسطة (الخلايا الشمسية). 

ترسل الشمس من الطاقة إلى الارض في الدقيقة ما يعادل نصف الانتاجية السنوية لمحطات توليد الطاقة الكهربائية في روسيا الاتحادية مترامية الاطراف. ولذا فان قضية استغلال هذه الطاقة تحظى باهتمام العلماء وتشغلهم منذ فترات طويلة.

يعتبر ارخيميدس من بين أوائل مستخدمي الطاقة الشمسية والذي استطاع إحراق أسطول العدو باستخدام مرايا. وفي عصرنا الراهن شيدت العديد من المحطات لتوفير احتياجات الطاقة في ميادين مختلفة كأنظمة تدفئة المباني، أنظمة الاتصال والتبريد وغيرها.

يجب الأخذ في الاعتبار بان هناك تفاوت في كميات الطاقة الشمسية التي تسقط على سطح الكرة الأرضية من مكان لآخر. ولاستخدام طاقة الشمس بشكل عملي فانه لابد من تجميعها وحفظها، ولكن قدرة الخلايا الحالية متدنية (اقل من 25%). عدا ذلك فان تعاقب الليل والنهار وكذا السحب تقلل من كفاءة المحطات الشمسية وتجعلها أكثر كلفة من تلك المنتجة بالطرق التقليدية.

 يرى المختصون بان المخرج يكمن في إنشاء المحطات الكهربائية الفضائية، حيث انه في الفضاء الخارجي تختفي العديد من المعوقات كتعاقب الشروق والغيوب وكذا السحب المعيقة لأشعة الشمس. معدل ما يسقط على واحد متر مربع من الفضاء الخارجي يعادل عشرة أضعاف ما يصل الأرض من طاقة. 

شكل 2: محطة شمسية

  وحاليا يوجد مشروع لإنشاء محطة كهربائية فضائية بكتلة تصل الى 60 الف طن وببطارية شمسية مساحتها تصل حتى 50 كيلو متر مربع. ترتفع عن سطح الارض بمسافة 36 الف كيلو متر وستكون قدرة هذه المحطة بحدود خمسة مليون كيلو وات، وهذا الرقم اعلي بـواحد مليون كيلو وات من قدرة محطة ليننجراد النووية الكهربائية، اكبر محطة توليد للتيار الكهربائي في أوروبا. هذه المحطة ستثبت في المدار حول الارض وتوصيل طاقتها الى الارض يعتقد انه سيكون بمساعدة أشعة الليزر أو ما شابهها. ما يعيق تشييد هذه المحطة هو الكلفة العالية للتصنيع والإطلاق الى الفضاء مقارنة بالمردود المتوقع.

تجدر الإشارة الى ان موقع منطقتنا يعتبر من انسب المواقع لإنشاء محطات شمسيه لأسباب مختلفة، ففي أجزاء عديدة من الكرة الأرضية يختلف عدد ساعات النهار صيفا عنها شتاءا، ففي فترات الشتاء قد تصل في بعض الأماكن ساعات ظهور الشمس لساعات محدودة، اي ان الليل أطول من النهار وهذا يعني بان ما يسقط من أشعة الشمس شتاءا قد يعيق أو يقلل من كفاءة المحطات الشمسية في تلك الأجزاء من المعمورة، أضف الى ذلك تراكم السحب الكثيفة المعيقة لأشعة الشمس وهذه المعوقات عمليا غير موجودة في منطقتنا مما يجعلها مناسبة للاستثمار في مجال توليد الكهرباء باستخدام طاقة الشمس، وانطلاقا من هذه الميزة بدأت بعض الدول العربية بالتفكير جديا في الاستفادة من الطاقة الشمسية، الا ان الإجراءات العملية المتخذة لا ترقى الى المستوى المطلوب!!!

طاقة الريح Wind Energy

الرياح – حركة الهواء بالنسبة لسطح الارض، والرياح ذو نشأة شمسية.كما نعلم فانه اعتمادا على ألوانها تقوم الأجسام بامتصاص أجزاء كبيرة أو قليله من أشعة الشمس. فبزيادة نسبة السواد تزداد قابلية الجسم للتسخين. وبما ان أجزاء القشرة الأرضية متفاوتة من حيث معدل الاسوداد فان معدل سخونتها وارتفاع حرارتها بتأثير أشعة الشمس متفاوت. وبالتالي يكون الجزء الأسفل من الغلاف الجوي متفاوت الحرارة أيضا. بسبب ذلك يكون ضغط الهواء وعلى نفس الارتفاع مختلف مما يؤدي الى تداخل أفقي لكتل كبيرة من الهواء.
طاقة الريح تستخدم منذ فترات زمنية قديمه. فمنذ سنين عديدة اعتمد البحارة على حركة الريح للإبحار كما ان طواحين الهواء كانت مهمة في حياة الكثير من شعوب العالم، وأوربا على وجه الخصوص.
اول محرك كهربائي اعتمد على طاقة الريح ظهر في الدنمرك في تسعينيات القرن العشرين. وفي عام 1995م أنتج بمساعدة الريح ما يعادل 10% من احتياجات هذا البلد من الكهرباء.

حاليا كثفت الإعمال الموجهة لتشييد المحطات الكهربائية المعتمدة على طاقة الريح في العديد من الدول بهدف تغطية جزء من احتياجات هذه الدول من الطاقة، على ان استخدام طاقة الريح مرتبط بالعديد من الصعوبات، فمحطات الرياح تعمل بكفاءة مقبوله، فقط في حدود معينة لسرعات تيار الهواء، فالسرعات القليلة غير قادرة على توفير الطاقة المطلوبة والسرعات العالية (اكثر من 20 متر في الساعة) قد تؤدي الى تعطيلها. ولان كمية الطاقة المنتجة تعتمد أساسا على سرعة الرياح، فان هذه المحطات قد تعطي كميات كبيرة من الطاقة عند السرعات العالية والعكس صحيح

ومرة اخرى نقول بان منطقتنا تحظى بميزة ايجابية من حيث سرعات الرياح، فالأعاصير المدمرة التي تحد أو تعيق من إنشاء محطات لإنتاج الطاقة اعتمادا على الرياح تهب على مناطق اخرى من المعمورة وتكاد تكون منعدمة في جزء الكرة الأرضية الذي تقع فيه منطقتنا العربية، عدا ذلك فان سرعات الرياح طوال العام تكاد تكون في الحدود المطلوبة.

لم تحظى طاقة الريح باهتمام في بلادنا, الا انها وجدت بعض التطبيقات العملية في مناطق مختلفة من العالم. إن طاقة الرياح تلعب دورا هاما في بعض المناطق النائية والتي يصعب إيصال التيار الكهربائي لها بواسطة شبكة الكهرباء الوطنية في تلك الدول ، وقد وضعت الكثير من دول العالم خططا طموحة لاستخدام هذا المصدر من الطاقة وتقليل كلفة إنتاج الطاقة الكهربائية من الرياح بحيث تصل إلى .025 يورو لكل كيلو واط بحلول عام 2020 ، ويبين الجدول التالي كمية إنتاج الطاقة الكهربائية من الرياح في بعض دول العالم.

اسم الدولة	العام 1998 ميجا واط	العام 2000 ميجا واط	المجموع
استراليا	30	42	72
اسبانيا	880	4700	5580
بلجيكا	6	9	15
الدانمرك	1441	1225	2645
فنلندة	17	2051	2068
فرنسا	19	600	619
ألمانيا	2875	3900	6775
ايطاليا	197	675	872
اليونان	55	210	265
البرتغال	51	170	221
أيرلندة	64	280	344
لوكسمبروغ	180	281	461
هولندا	379	800	1179
أمريكا	2141	2000	4141
كندا	83	450	533
السويد	176	720	896
بريطانيا	338	975	1313
الصين	200	900	1100
الهند	992	950	1942

الطاقة الجيوحرارية Geothermal Energy

بزيادة العمق تزداد درجة الحرارة، فعلى عمق 50 كيلومتر من السطح تصبح الحرارة بحدود 700 – 800 درجة مئوية، 500 كيلومتر – بحدود 1500 – 2000 درجة مئوية، 1000 كيلومتر – بحدود 1700 – 2500 درجة مئوية.

هناك مصدرين مختلفين للطاقة الجيوحرارية:

1) مصدر هيدرولي  (باروثرمال):

 والمتمثل في المخزون الجوفي للمياه الحارة والبخار بدرجات حرارة 100 – 350 درجة مئوية.

2) مصدر صخري والمتمثل في حرارة الصخور الجافة.

في اليابان، روسيا، نيوزيلندا وغيرها من الدول تتدفق المياه الحارة والبخار الى السطح وشيدت في هذه البلدان المحطات الكهربائية الهيدروحرارية. في مناطق اخرى من العالم تستخدم لتوليد الكهرباء حرارة المياه الجوفية الأكثر تعقيدا إذ ان المياه الحارة قد تكون على أعماق كبيرة قد تصل الى 2 كيلومتر مما يعني نفقات إضافية على عمليات الحفر.

للحصول على الطاقة الحرارية الصخرية يقترح حفر بئرين بعمق يصل عدة كيلومترات بهدف الوصول الى الصخور ذات الحرارة المطلوبة ومن ثم تربط البئرين بعضهما ببعض بالتفجير الموضعي. بعد ذلك تحقن المياه الباردة في إحدى الآبار، وتسخن هذه المياه بعد ملامستها للصخور الحارة، وتصل الى البئر الأخر وتتدفق على السطح مياه ساخنة. الا ان هذه الطريقة حتى الوقت الحاضر غير مجدية نظرا لكلفة حفر مثل هذه الآبار العميقة، ولذا يكثف المختصون الجهود للبحث عن المناطق التي تتزايد حرارة صخورها 30 – 40 درجة مئوية كل 100 متر.

طاقة المد و الجزر 

معروف بان عملية والمد والجزر البحري تحدث مرتين في اليوم بتأثير جاذبية القمر والشمس على البحار والمحيطات. في الظروف الاعتيادية يصل الفرق بين اعلي قيمة لمستوى المياه المرتفعة عن المستوى الأدنى في المحيطات المفتوحة الى واحد متر تقريبا. على انه في بعض الأماكن يزيد هذا الفرق ليصل الى قيم اعلي بكثير.
في عام 1966م شيدت في فرنسا على بحر المانش محطة رانس لتوليد التيار الكهربائي باستخدام طاقة المد والجزر (محطة هيدروليه أو مائية) بقدرة 240 الف كيلو وات. وهي عبارة عن حوض وضع فيه مولد أفقي، تعمل المياه على تحريك طوربيناته عند تدفق المياه في حالة المد الى الحوض وفي الحالة الجزر العكس.
كلفة إنشاء مثل هذه المحطات عالية جدا ولذا فان انتشارها على مستوى العالم محدود حيث ان ظروف المد والجزر الملائمة مشروطة بفارق في الارتفاعات لمستوى الماء لا يقل عن 10 أمتار.

الطاقة النووية Nuclear Energy

يعد استخدام الطاقة الذرية من اهم إحداث القرن الماضي. وللأسف الشديد ان الاستخدام الأول لهذا الاكتشاف الكبير كان في الاغراض الحربية، عندما أسقطت القوات الجوية التابعة للولايات المتحدة قنابلها النووية على هيروشيما وناجازاكي اليابانيتين محدثة اضرار لاتزال قائمة حتى اليوم وستستمر لسنوات نظرا للإشعاعات التي تنتج عن الانفجارات النووية وتأثيراتها الخطيرة والمدمرة على الانسان والبيئة!!!

اول محطة نووية كهربائية شيدت عام 1954م في مدينة ابنينسك قرب موسكو بقدرة إنتاجية خمسة آلاف كيلو وات. ووصل عددها 7 محطات في عام 1960م، وفي عام 76م تزايد العدد ليصل 130. في العام 1975م بلغ نسبة ما أنتجته المحطات النووية حوالي 5% من الإنتاج الكلي العالمي.

ما يميز الطاقة النووية هو الكمية الكبيرة للطاقة التي ينتجها اليورانيوم المخصب مقارنه بغيرة. فواحد جرام من الوقود النووي يكافئ 2.7 طن من الطاقة التقليدية، اي ان الطاقة المنبعثة من جرام واحد من الوقود النووي تعادل تلك الطاقة المنبعثة من استخدام 2.7 طن من الوقود التقليدي.

تزايد انتشار الطاقة الذرية بشكل كبير في العالم حيث بلغت قدرة المحطات النووية الكهربية في عام 75م ما يقارب 71,3 مليون كيلو وات، في عام 80م – 130 مليون كيلو وات وفي عام 85م – 245,1 مليون كيلو وات. على ان حادث مفاعل تشرنوبل في ابريل 1986م اثر بشكل كبير على الثقة في كون الطاقة الذرية آمنة مؤديا الى إلغاء الكثير من خطط إنشاء مفاعلات نووية لأغراض سلمية. الا ان الاهتمام بإنشاء مفاعلات نووية عاد بشكل ملحوظ في السنوات الأخيرة على مستوى الدول النامية كايران وكوريا الشمالية، الا ان مشكلة مثل هذه الدول تكمن في الحصول على اليورانيوم المخصب كوقود لتلك المفاعلات وصعوبة تخصيبه من قبلها نظرا للرقابة والضغوط الدولية المفروضة عليها.

الدولة عدد المحطات النووية نسبة ما تغطيه من طاقة كهربية داخل الدولة الولايات المتحدة 103 19 % فرنسا 59 78 % اليابان 55 30 % روسيا 31 16 % كوريا الجنوبية 20 39 % بريطانيا 19 18 % كندا 18 16 % جدول يبين انتشار الطاقة النووية (2007)

الدولة الإنتاج (طن سنويا) كندا 9862 أستراليا 7593 كازاخستان 5279 النيجر 3434 روسيا 3400 ناميبيا 3077 أوزباكستان 2270 الولايات المتحدة 1692 جدول يبين حجم إنتاج اليورانيوم  لأهم الدول  (2006 م.)

طاقة الفحم

تمتلك ثلاث دول، هي – روسيا الاتحادية، الولايات المتحدة الأمريكية والصين 75% من احتياطي الفحم العالمي. استخدم الفحم بشكل واسع في الطاقة حتى النصف الثاني من القرن العشرين. ففي القرن التاسع عشر أنتج العالم من الفحم 17,8 مليار طن، وفي السبعين السنه اللاحقة – 103,5 مليار طن. وتزايد عدد الدول المنتجة للفحم، ففي الفترة من 1801م حتى 1810م  انحصرت عمليات انتاج الفحم على خمس دول فقط، ومنذ 1811م وحتى 1951م – ثمان دول، وفي المرحلة من 1961م حتى 1970م – في 54 بلد. على انه ومنذ خمسينيات القرن العشرين تقلص معدل الاعتماد على الفحم في الطاقة وذلك في جميع أنحاء العالم تقريبا.
على انه وبحسب معطيات المنظمة الوطنية الأمريكية للفحم، واذا ما استقر معدل الاستهلاك فان هذا الاستهلاك سيمثل فقط 2% من الاحتياطي العالمي. من هنا يمكن القول ان الفحم قد يمثل وقود القرن الواحد والعشرين. وعلى الرغم من المميزات الايجابية العديدة لطاقة الفحم الا انه لازال من حيث الكلفة اغلي من طاقة النفط والغاز.

كلمات مفتاحية/ مصادر الطاقة المتجددة، أنواع الطاقة المتجددة، الخلايا الشمسية، من المصادر البديلة للطاقة.