الطاقة المتجددة هي مصدر جديد لحياة مستدامة، والتوفير باستهلاك الطاقة الكهربائية أصل الطاقة المتجددة

أكانت من الرياح، البحار، الشمس أو المواد الحية، كل عناصر الطاقة المتجددة تعود لأصل واحد و هو الشمس. فالشمس هي مصدر للرياح و مصدر لوجود كائنات حية كذلك. الطاقة الشمسية الساقطة على سطح الأرض تقاس بالواط لكل متر مربع، و قيمتها تقريبا كيلو واط لكل متر مربع، فهذا رقم كبير يوصف لنا قدرة هذا الخزان الطبيعي للطاقة. الطاقة الاحفورية لا تمثل طاقة متجددة فهي قد تنضم في يوم ما، على عكس الطاقة الشمسية و الرياح مثلا، أما الكائنات الحية فهي موجودة بوجود الانسان.

من النباتات ممكن استخراج غاز الميثان الحيوي بعد تخمير تلك النباتات، هذا الغاز لا يختلف كثيرا عن الغاز الطبيعي. و الديزل الحيوي كذلك مصدره النباتات، و الايثانول الحيوي كذلك. فمادة الايثانول تحترق بشكل جيد و لا تترك مخلفات ضارة كبنزين السيارات، لذلك يستخدم في دول كثيرة بالعالم كبديل للبنزين أو خليط من البنزين والايثانول.

في الأردن مثلا لدينا خزان طبيعي كبير من المياه الساخنة التي لو استغللناها بشكل جيد لوصلنا لاكتفاء ذاتي من الطاقة الكهربائية، ذلك أن المحطات العاملة على الحرارة الجوفية كلف تشغيلها قليلة نسبيا بالمقرانة بمحطات عاملة على الفحم أو الغاز. فالالة البخارية التي هي أساس هذا النوع من المحطات هي بسيطة التركيب والتكوين و غير معقدة مثل محركات الغاز في محطات توليد الطاقة الكهربائية.

طاقة البحار أو طاقة الأمواج المائية هي كذلك عنصر متجدد ولا ينضب مثله مثل طاقة المد والجزر. لكن تكاليف استغلالها مازالت مرتفعة بسبب تأثير مياه البحار على الأجزاء المعدنية والتاكل الناجم عنها، والصيانة الدورية الضرورية لذلك.

مجمعات الحرارة... Solar Collectors

المجمعات الحرارية هي أداة جمع الطاقة الشمسية و حفظها في وسط مثالي و هذا الموسط المثالي هو في أغلب الأحيان الماء. فالماء يمتلك سعة حرارية مثالية و ثمنه الرخيص بالمقارنة بالمواد الاخرى التي تكمن الحرارة. و في هذه المقالة سوف نتكلم عن النوعين المعروفين كمجعات حرارة، النوع الأول هو المجمعات المسطحة كما مبين في الصورة اسفل، و هو قديم جدا و مازال استخدامه على نطاق واسع.

يمر الماء المراد تسخينه عبرانابيب نحاسية موضوعة في وسط منخفض الضغط محكم الاغلاق لكي لا تضيع الحرارة المخزنة. هناك قاعدة عامة تقول أن كل شخص بالمنزل يحتاج من متر مربع إلى متر ونصف مربع من هذه الالواح في حال تركيبها على المنزل. و عمرها الافتراضي كبير ولا تتطلب صيانة عالية سوى تنظيفها كل فترة واخرى لكي لا تحجب الأوساخ المتراكمة أشعة الشمس.

النوع الثاني من المجمعات هو المجمعات المفرغة من الهواء، كما تبين الصورة في الاسفل:

هذه التقنية هي حديثة نسبيا، فالانابيب المفرغة من الهواء تعمل على امتصاص اضعف الأطياف الضوئية و بأطوال موجية عالية مثل الاشعة تحت الحمراء. لذلك سوف يسخن الماء حتى في الأجواء الباردة.

هذه التقنية هي أعلى كفاءة من التقنية السابقة بنسبة تصل إلى أكثر من 30 % لذلك تركيبها على اسطح المنازل يأخذ حيز أقل من التقنية السابقة، فلكل شخص في المنزال يحتاج أقل من متر واحد من الأنابيب المفرغة.

من الممكن اسختدام مجمعات الحرارة لتسخين المياه و تدفأة المنزل كذلك، فهناك الأنظمة المركبة كما تبين الرسمة التوضيحية التالية:

كما تبين الرسمة فهناك مصدر اخر لانتاج الحرارة، ممكن أن يكون حارقة أو مضخة حرارية تعمل على الكهرباء. في كل الأحوال يتم توفير جزء لا بأس فيه من الطاقة في حال استخدمنا أنظمة مركبة. لانتاج الماء الساخن و تدفأة المنزل كذلك.

استخدام مضخة حرارية كمصدر حرارة يعمل على توفير عالي بالطاقة الحرارية في ما لو استخدمنا حارقة تعمل على السولار مثلا، يصل هذا التوفير إلى النصف و ممكن أن يكون أعلى بكثير من ذلك لو استخدمنا ألواح كهروضوئية لتوليد الطاقة الكهربائية.

الطاقة الشمسية و تأثيرها على الانسان

كما توضح الصورة، لا يتعدى معدل استهلاك الطاقة في جميع انحاء العالم لعام واحد - المكعب الأزرق - جزء بسيط من مقدار الطاقة الشمسية الساقطة على الكرة الأرضية خلال هذا العام.

ان الطاقة الشمسية الساطقة على متر مربع من الغلاف الجوي للكرة الأرضية تساوي في المتوسط 1367 واط. لكي تكمل هذه الاشعة طريقها إلى سطح الكرة الارضية هناك عوامل هامة لذلك، فالغيوم تلعب دورا كبيرا في ذلك، كذلك معدل الرطوبة في الهواء و المواد الصلبة التي تعمل على امتصاص جزء من هذه الطاقة و عكس جزء منها و تمرير ما تبقى منها الى سطح الأرض، و عامل اخر مهم هي المسافة المقطوعة للاشعاش الشمسي، ففي المرتفعات يكون تركيز هذا الاشعاع اعلى منه في الأماكن المنخفضة.

يصل سطح الأرض بعد كل هذه العملية ما يقارب 165 واط لكل متر مربع.

في نهاية المطاف و بعد امتصاص هذه الاشعة الساقطة على سطح الأرض، ترتفع درجة حرارتها و تعكس جزءا كبيرا من هذه الحرارة إلى الجو المحيط مرة اخرى.

تكنلوجيا الأنابيب المفرغة من الهواء

هناك عدة تصميمات لهذا النوع من الألواح المجمعة للحرارة كالتالي:

1- الأنابيب الساخنة Heat-Pipe

2- أنابيب الماء الجاري بشكل مباشر

3- أنابيب الماء الجاري بشكل غير مباشر/ تقنية سدني

الكل منا يعرف دلة القهوة، أو حافظات القهوة والشاي. هذا النوع من الحافظات يحفظ لنا السوائل بشكل ساخن لمدة طويلة اعتمادا على جودة المصنعية والعزل. فهي أنابيب زجاجية بداخل أنابيب زجاجية مفرغة من الهواء. الفراغ هو ناقل سئ للحرارة، لأن الوسط ذو الضغط المنخفط أقل توصيل للحرارة من الوسط ذو الضغط المرتفع. فهذه القاعدة هي مبدأ عمل الأنابيب المفرغة من الهواء لتسخين الماء.

النوع الأول لهذه الانابيب وهو الشائع حاليا، كما هو موضح في الصورة، يعتمد هذا النوع على وسط ناقل للحرارة، يتبخر عند درجة حرارة 25 مئوية. يرتفع البخار إلى اعلى الأنبوب و يعطي حرارته إلى المبادل الحراري الذي بدوره يسخن الماء القادم من الخزان. يفقد هذا البخار حرارته و يتكثف ويتحول لسائل لينزل مرة اخرى إلى الاسفل ويمتص حرارة من الوسط المحيط و هكذا. يجب أن لا يقل ميلان الأنابيب المفرغة من الهواء عن 25 درجة.

النوع الثاني من الأنابيب المفرغة يعتمد على جريان الماء بشكل مباشر داخل الأنابيب المفرغة وامتصاصها للحرارة بشكل مباشر. هذا النوع له كفاءة مرتفعة لكن استخدامه قليل بسبب المخاطر الناجمة عن كسر في الأنابيب وفقدان كمية كبيرة من المياه فوق سطح المنزل.

النوع الثالث و هو منتشر الاستخدام. يتم نقل الحرارة إلى الماء الموجود في داخل أنابيب معدنية موجودة بداخل الأنبوب المرفغ كما في الرسمة أسفل:

هذه التقنية هي أفضل من نقل الماء إلى داخل الأنابيب المفرغة بشكل مباشر بدون أنابيب معدنية. فحدوث كسر في الأنبوب المفرغ يتم تغيير هذا الانبوب بسهولة بدون احداث خراب في المكان بسبب تدفق الماء من الأنابيب.

تعتمد كفاءة هذا النظام على عدة عوامل منها قدر الأنبوب. قطر الانابيب ما بين 49 ملم و 59 ملم هي الشائعة و المناسبة. كذلك طول الأنبوب هو شئ مهم. و طبعا نوع التقنية المستخدمة. فتقنية التسخين رقم 2 هي الافضل يليها رقم 3 و ثم رقم 1.

تقنية الأنابيب المفرغة هي أفضل حيث الكفاءة عن تقنية الألواح المجمعة القديمة بنسبة تصل إلى أكثر من 30 %.

و احتمالها للحرارة المرتفعة أو المنخفضة. فارتفاع الحرارة إلى حد كبيير لا يؤثر على النوع الأول لأن الوسط الناقل يتخلص من الحرارة بالتبخر و بشكل دائم. اغلب الشركات الصانعة تعطي بيانات عن أقل درجة حرارة يتحملها النظام، فلنقول أنا هناك رسما بيانيا يصل إلى أن قطر 70 ملم يتحمل ناقص 50 درجة مئوية و الدارج هو ناقص 30 درجة مئوية. أما انخفاض الحرارة، فهذه الحرارة قد تؤثر بشكل كبير على كفائة النظام لكن لا تؤدي إلى حدوث خراب بالنظام أو حدوث تشققات تعمل على رفع الضغط في داخل الأنابيب المفرغة و هذا يستوجب تغيرها فورا.

في الصورة الأولى هناك وصف لكل أجزاء الأنبوب، فلوح الالمنيوم الخاص بامتصاص أشعة الشمس الموضح بالصورة له شكلان. الشكل الأول يكون مسطح و الشكل الاخر يكون على شكل قطع مكافئ كما في الشكل:

التدفئة بين الحاضر والمستقبل

التدفئة بين الحاضر و المستقبل

لقد لعب الوقود الاحفوري بكل أشكاله دورا هاما في تقدم البشرية، فمنذ أن اكتشف الانسان الفحم الحجري مرورا باكتشاف النفط، و حرقه بشكل مباشر لإنتاج الحرارة، و قبله كان الفحم الحجري المشغل الرئيس للمحركات البخارية. وحرقه المباشر لأغراض التدفئة، و بعدها تطور الانسان لحرقه لتسخين الماء و تشغيل التوربينات البخارية و هكذا بدأت قصة النهضة الصناعية. وبدأ تأثيرها على الوضع المادي للناس وحاجتهم إلى الراحة والسكون، مما زاد الطلب على حب الشعور الدائم بالدفيء.

استطاع الانسان في مرحلة ما من تطوير ما عرف في ما بعد بتقطير النفط. التقطير هي من أقدم طرق معالجة المادة التي عرفها الانسان و منذ تقطريه للنفط حصل هناك ثورة جديدة في عالم الكيمياء، فنتج عن ذلك البنزين و الديزل و الكيروسين و مواد أخرى. واكتشاف الغاز الطبيعي أعطى دفقا قويا في مجال توليد الطاقة الحرارية الأكثر كفاءة و الأنظف للبيئة من الديزل و الكيروسين. لكن هناك مشكلة تواجهنا الان، مشكلة لطالما اغمض العالم عينه عنها، الا وهي مشكلة المخزون العالمي من النفط و الغاز، فاستهلاك هاتين المادتين بشكل دائما ينقص من وجودهما بالطبيعة إلى يوم الوصول إلى نفادهما بالكامل. هذه المشكلة بحد ذاتها تشكل رعب للساسة، و لأصحاب المال و الصناعة، فهي محرك لهم و لصناعتهم. لذلك بدأت الدول بوضع برامج وخطط لمرحلة ما بعد النفط، فنرى هناك خطة الدولة كذا لعام 2030 والدولة كذا لعام 2050 وهكذا. لقد نجم عن هذه الخطط و برامج الدعم الحكومية المختلفة مصادر طاقة بديلة.

لقد طور العلماء على مر سنين عديدة أشباه الموصلات، فوصلنا اليوم إلى ما هي عليه الخلايا الشمسية، و طوروا توربينات عديدة ووصلنا إلى الطاقة المائية مثلما هي في العديد من السدود و الأنهار.

المضخة الحرارية هي اله ثورية لتوليد الحرارة ليس من العدم بالتأكيد لكن من خلال سحب الحرارة الكامنة في الخارج مثلا و نقلها إلى داخل المنزل بمبدأ عمل خلافا للثلاجة مثلا. بمبدأ عمل بسيط أشرحه لكم بعدة كلمات: هل فتحت يوما ولاعة السجائر الغازية على اصبعك و بدون اشعال النار؟ ماذا تلاحظ؟ شعور اصبعك بالبرودة ناجم عن سحب كمية من الحرارة الكامنة في اصبعك لكي يتبخر الغاز المسال في الولاعة. لو قلبنا مبدأ العمل هذا لعرفنا مبدأ عمل المضخة الحرارية. لكن مهلا! المضخة الحرارية تحتاج لطاقة ميكانيكية، و هي مصدرها طبعا الكهرباء. كفاءة المضخة الحرارية عالية فهي تستغل الكهرباء لنسبة قريبة لل100%. لكن لاستخدامها الكفؤ في المنزل تحتاج لعزل جيد في بيتك. و هو الشيء الذي نفتقده بمنطقتنا العربية للأسف.

في المانيا و دول صناعية أخرى يتم إيصال الماء الساخن للبيوت من خلال محطات حرارية مركبة. تعمل هذه المحطات على توليد الكهرباء من الغاز مثلا و يتم استغلال الحرارة المفقودة في هذه المحطات لتسخين المياه و توصيلها للمنازل في المنطقة المحيطة للمحطة على شكل ماء ساخن. في الدنمارك اصبح ممنوع استخدام التدفئة المركزية على الغاز أو الديزل من بداية عام 2013، فالتدفئة المركزية هناك أصبحت تستمد حرارتها من المحطات الحرارية المركبة في كل مدينة. و دول عديدة اتبعت هذه السياسة. فهذه طاقة حرارية مدفوعة الثمن و رخيصة كذلك. و الأفضل استغلالها للتدفئة بدلا من اهدارها.

في أيسلندا يتم تدفئة المنازل من الحرارة الجوفية مثلا. و هي رخيصة جدا هناك.

نستطيع تدفئة المنازل لدينا في منطقتنا بواسطة الكهرباء لو امتلكنا خلايا شمسية أو توربينات رياح. باستخدام المكيفات أو التقنية الجديدة التي تعتمد على الأشعة تحت الحراء وبكفاءة عالية و بدون ضياعات كبيرة بالطاقة كما تضيع في المدفأة العاملة بالكيروسين أو الغاز. لكن حتى هذه التقنية متاحة بالنهار فقط و عند غروب الشمس نفتقدها الا اذا امتلكنا أنظمة تخزين طاقة كهربائية عالية السعة.

نستطيع تدفئة منازلنا بواسطة الواح الطاقة الشمسية المفرغة أو الالواح التقليدية، و هذه التقنية جيدة و مثيرة للاهتمام لكن نحتاج هنا لمضخة حرارية أو لنظام إضافي مساعد.

لقد استخدم الانسان القديم الحطب للتدفئة و ما زلنا إلى يومنا هذه نعتبره الأفضل للتدفئة و هو أصبح رمزا للرفاهية كذلك. احتراق الخشب ينجم عنه ثاني أكسيد كربون لا يؤثر على البيئة و لا يخل بالتوازن البيئي فحسب دورة الحياة الطبيعية و دورة ثاني أكسيد الكربون في الطبيعة كما في الصورة المرفقة:

قامت شركة Google بتدفئة مقراتها باستخدام فكرة طريفة بالتدفئة و هي تدفئة المكاتب من خلال الحرارة الناجمة عن خوادم أو سيرفرات محرك البحث لديها. استغلال كل ما يعطي حرارة بتكاليف قليلة و بشكل مستدام هو غرضنا دائما.

فكرة أخرى لاستدامة استخدام الطاقة المتجددة للتدفئة و بشكل دائم و ليس فقط بالنهار. الفكرة تعتمد على الطاقة الكهربائية الزائدة عن حاجتنا في النهار، باستغلال هذه الطاقة في معالجة كيميائية أسميتها أنا تحلل الميثان أو بالانجليزية methanation

هذه التقنية تعمل على استغلال الطاقة الزائدة عن حاجتنا لصنع ميثان صناعي و استغلاله في وقت حاجتنا للطاقة بحرقة كغاز ميثان أو غاز طبيعي. لكن مازالت هذه التقنية تحت التجربة.

الأنظمة المركبة هي الأنسب من كل النواحي، كانت اقتصادية أو بيئية. فعمل نظام يعمل بطاقة الحرارة الشمسية و خلايا كهربائية أو مضخة حرارية له أثر كبير على التدفئة.

تخزين الطاقة

لقد استطاع الانسان وعلى مر الزمن من تخزين أشكال مختلفة من الطاقة، كان أهمها هو تخزبن الطاقة الكهربائية في مراكم رصاصية. فكان لهذا الابتكار أثر كبير على ابتكارات أخرى تحتاج للمركم الرصاصي مثل الغواصة التي لا تعمل بدون مراكم رصاصية. بعدها جاءت البطارية الجافة صغيرة الحجم التي تطورت إلى أن أصبحت هي النواة لبطارية السيارة الكهربائية. و نرى كذلك السدود التي تمثل شكل اخر من أشكال تخزين الطاقة الكامنة أو طاقة الوضع إلى طاقة حركية و من ثم إلى طاقة كهربائية. ولا ننسى تقنية السدين أحدهما مرتفع و الاخر منخفض، و هذه تستخدم لتخزين الطاقة الكهربائية الزائدة عن الحاجة بالنهار و استرجاعها بالليل. كما يوضح الرسم التالي:

أما تخزين الحرارة فانحسر على تقنيات قليلة منها: تخزين الحرارة في خزان معزول يتم ادخال الحرارة له عن طريق الطاقة الشمسية أو الكهرباء، و يتم تفريغ حرارته من خلال أنابيب خاصة لذلك. طريقة أخرى لتخزين الطاقة و هي تخزين كيمائي حراري، يعتمد التفاعلات الكيميائية داخل الوعاء، تفاعلات طاردة للحرارة أو ماصة للحرارة. كذلك طريقة تخزين الحرارة بأوعية تعتمد على حالة المادة الفيزيائية، كانت غازية، سائلة أو صلبة. مثل المواد الشمعية مثلا.

يعتبر الماء هو الوسط الأهم لتخزين الحرارة، فالماء له سعه حرارية مناسبة جدا لكي يكون هو الأمثل و الأقل تكلفة لتخزين الحرارة. في بعض الأحياء يمكن استغلال باطن الأرض لتخزين الطاقة الحرارية، كما هو في الدول ذات البراكين النشطة.