الفصل الأول

تمهيد

(١) الطاقة الشمسية

وفقًا للقياسات المُثبتة، يبلغ متوسط كثافة قدرة الإشعاع الشمسي خارج الغلاف الجوي للأرض مباشرةً 1366W/m²، والمعروف على نطاق واسع باسم «الثابت الشمسي». وتعريف المتر هو واحد على 10 مليون من خط زوال الأرض الممتد من القطب الشمالي إلى خط الاستواء؛ انظر الشكل ١-١. وهذا التعريف ما زال دقيقًا تبعًا للقياسات الحديثة؛ لذا فإن نصف قطر الأرض يساوي . إذن فالقدرة الإجمالية للإشعاع الشمسي التي تصل إلى الأرض هي:

(1-1)

عدد الثواني في اليوم هو 86400، وفي المتوسط، عدد الأيام في العام هو 365.2422. وهكذا يكون إجمالي طاقة الإشعاع الشمسي التي تصل إلى الأرض كل عام:

(1-2)

أو 5460000EJ/year. ولأخذ فكرة عن هذا المقدار من الطاقة، دعنا نقارنه بالاستهلاك العالمي السنوي للطاقة؛ انظر الشكل ١-٢. فيما بين عامي 2005 و2010، وصل الاستهلاك السنوي للطاقة للعالم بأسره إلى نحو 500EJ. وهكذا، فإن نسبة 0.01 بالمائة فقط من الطاقة الشمسية السنوية التي تصل إلى الأرض يمكنها أن تفي باحتياجات العالم كله من الطاقة.

شكل ١-١: الطاقة الشمسية السنوية التي تصل إلى سطح الأرض. يبلغ متوسط القدرة الشمسية على الأرض 1366W/m². ويصل طول خط زوال الأرض، تبعًا لتعريف المتر، 10000000m. ويبلغ إجمالي الطاقة الشمسية التي تصل إلى سطح الأرض كل عام 5460000EJ.

شكل ١-٢: الاستهلاك العالمي للطاقة، فيما بين عامي 1980 و2030. المصدر: إدارة معلومات الطاقة، وهي الجهة التابعة للحكومة الأمريكية التي تقدم إحصائيات الطاقة الرسمية. التاريخ: «التقرير السنوي عن الطاقة الدولية لعام 2004» (مايو–يوليو 2006)، موقع الويب www.eia.doe.gov/iea. التوقعات: إدارة معلومات الطاقة، تقرير «توقعات الطاقة الدولية»، الصادر في عام 2007.

لا يصل كل الإشعاع الشمسي الساقط على الغلاف الجوي الأرضي إلى سطح الأرض. فنحو 30 بالمائة من الإشعاع الشمسي ينعكس في الفضاء. ونحو 20 بالمائة منه يُمتَص من جانب السُّحب والجزيئات في الهواء؛ انظر الفصل الخامس. فنحو ثلاثة أرباع سطح الأرض مسطحات مائية، ولكن حتى إذا كان بالإمكان استغلال 10 بالمائة فقط من إجمالي الإشعاع الشمسي، فإن 0.1 بالمائة منها فقط يمكنها أن تمد العالم بأسره بالطاقة.

من المثير للاهتمام أن نقارن الطاقة الشمسية السنوية التي تصل إلى الأرض بالاحتياطي الإجمالي المُثبت لأنواع الوقود الحفري المتعددة؛ انظر الجدول ١-١. توضح الأرقام أن الاحتياطيات الإجمالية المُثبتة للوقود الحفري تمثل نحو 1.4 بالمائة من الطاقة الشمسية التي تصل إلى سطح الأرض سنويًّا. في واقع الأمر، أمكن استغلال نسبة صغيرة فقط من الطاقة الشمسية. ويصل الاستهلاك السنوي الحالي للطاقة المولدة من الوقود الحفري إلى نحو 300EJ. وإذا استمر المستوى الحالي لاستهلاك الوقود الحفري، فإن الاحتياطي الإجمالي للطاقة المولدة منه سينفد في نحو مائة عام.

حاليًّا، لا يزال استخدام الطاقة المتجددة يمثِّل نسبة صغيرة من إجمالي الطاقة المستهلكة؛ انظر الجدول ١-٢. يوضح الشكل ١-٣ نسبة الأنواع المختلفة من الطاقة في الولايات المتحدة الأمريكية في عام 2006. ويمثل استخدام الطاقة الشمسية من خلال تقنية الخلايا الكهروضوئية 0.07 بالمائة فقط من إجمالي الطاقة المستهلكة. ولكن عالميًّا، تعد الطاقة الشمسية المولدة من الخلايا الكهروضوئية مصدر الطاقة الأسرع نموًّا. وكما سنحلل في الفصل الأول – قسم (٥-٤)، ستصبح تلك الطاقة يومًا ما المصدر السائد للطاقة. ويعرض الشكل ١-٤ تنبؤًا بهذا قام به الاتحاد الألماني لصناعة الطاقة الشمسية.

جدول ١-١: الاحتياطيات المُثبتة لأنواع الوقود الحفري المختلفة.^*

النوع	الكمية	الطاقة عن كل وحدة	الطاقة EJ
النفط الخام	1.65 × 10¹¹ tons	4.2 × 10¹⁰J/ton	6930EJ
الغاز الطبيعي	1.81 × 10¹⁴m³	3.6 × 10⁷J/m³	6500EJ
الفحم عالي الجودة	4.9 × 10¹¹ tons	3.1 × 10¹⁰J/ton	15000EJ
الفحم منخفض الجودة	4.3 × 10¹¹ tons	1.9 × 10¹⁰J/ton	8200EJ
الإجمالي	36600EJ

^* المصدر: «مراجعة بي بي الإحصائية للطاقة العالمية»، يونيو 2007، بريتش بتروليوم.

جدول ١-٢: مصادر الطاقة المتجددة.

النوع	المتاح (EJ/year)	المستهلك (EJ/year)	نسبة الاستهلاك (بالمائة)
الطاقة الشمسية	2730000	0.31	0.0012
طاقة الرياح	2500	4.0	0.16
الطاقة الحرارية الأرضية	1000	1.2	0.10
الطاقة المائية	52	9.3	18

شكل ١-٣: استهلاك الطاقة في الولايات المتحدة الأمريكية في عام 2006. المصدر: «مراجعة الطاقة السنوية لعام 2006» الصادرة عن إدارة معلومات الطاقة. وحدة الطاقة في التقرير الأصلي هي الكواد، أي: نحو 10¹⁸J أو EJ. انظر الملحق أ. في عام 2006، كان إجمالي الطاقة المستهلكة في الولايات المتحدة الأمريكية 99.87 quad؛ أي، نحو 100EJ؛ لذا فإن قيمة الطاقة ﺑ EJ هي تقريبًا بالضبط نسبتها المئوية؛ وعليه فإن الطاقة الشمسية المتولدة من الخلايا الكهروضوئية تمثل فقط 0.07 بالمائة من إجمالي الطاقة المستهلكة في عام 2006.

تعد حتمية استبدال الطاقة الشمسية بالوقود الحفري في نهاية الأمر ببساطة؛ حقيقةً جيولوجية: فالاحتياطي الإجمالي القابل للاستخراج من النفط الخام متناهٍ. على سبيل المثال، كانت الولايات المتحدة الأمريكية أكبر منتجٍ للنفط في العالم فيما سبق. بحلول عام 1971، نفد نحو نصف احتياطي النفط الخام القابل للاستخراج في الولايات الأمريكية المتجاورة (أي: الثماني والأربعين ولاية ذات الحدود المشتركة). ومنذ ذلك الحين، بدأ ينخفض إنتاج النفط الخام في هذه المنطقة؛ ومن ثم تعين إنتاج النفط الخام من مناطق ذات ظروف جيولوجية وبيئية أكثر صعوبة، ولم يؤدِّ هذا إلى زيادة تكلفة التنقيب عن النفط وحسب، بل إلى زيادة كمية الطاقة المستخدمة لإنتاج النفط الخام أيضًا. ولتقييم مدى فائدة أي عملية إنتاج للطاقة، عادةً ما يُستخدم «عائد الطاقة على الطاقة المستثمرة»، الذي يُعرف أيضًا ﺑ «ميزان الطاقة»، وهذا تعريفه:

عائد الطاقة على الطاقة المستثمرة = عائد الاستثمار/الطاقة المستثمرة = الطاقة في وحدة من الوقود/الطاقة المطلوبة لإنتاجها

(1-3)

في ثلاثينيات القرن العشرين، وصلت قيمة عائد الطاقة على الطاقة المستثمرة لإنتاج النفط الخام إلى نحو 100. وفي عام 1970، كانت 25. وبالنسبة للتنقيب عن النفط في أعماق البحار، تكون القيمة نحو 10. أما عن النفط الصخري والغاز الصخري والنفط الرملي، فلها قيم أقل. فإذا قَلَّتْ هذه القيمة بالنسبة لأي عملية إنتاج لطاقة لتصل إلى نحو 1، فلا فائدة من الاستمرار فيها.

على الجانب الآخر، على الرغم من أن تكلفة الكهرباء المولدة من الشمس حاليًّا أكبر من تكلفة الكهرباء المولدة من أنواع الوقود الحفري، فإن التقنية الأولى في تطور مستمر وتكلفتها في انخفاض مستمر. وكما هو موضح في الفصل الأول – قسم (٥-٤)، في نحو عام 2015، ستكون تكلفة الكهرباء الشمسية أقل من تلك الخاصة بالكهرباء العادية، حتى نصل إلى «تكافؤ الشبكة». بعد ذلك، سيحدث نمو سريع في إنتاج الكهرباء الشمسية؛ ارجع للشكل ١-٤.

شكل ١-٤: اتجاه صناعة الطاقة في القرن الحادي والعشرين. مصدر المعلومات: الاتحاد الألماني لصناعة الطاقة الشمسية، عام 2007؛ انظر الموقع التالي: www.solarwirtschaft.de. إن القوة المحركة لثورة الطاقة في القرن الحادي والعشرين هي الاقتصاد؛ ونظرًا لأن المصادر الطبيعية الخاصة بالوقود الحفري والمواد النووية متناهية، فإن تكلفة إنتاجها ستزيد مع الوقت. أما عن طاقة الإشعاع الشمسي والمادة الخام المستخدمة في صنع الخلايا الشمسية والسيليكون، فهي غير قابلة للنفاد، كما أن إنتاج الخلايا الشمسية على نطاق واسع سيُخفِّض تكلفتها. وفي وقت ما، ستكون تكلفة الكهرباء المولدة من الشمس أقل من تلك الخاصة بالكهرباء التقليدية بحيث نصل إلى ما يُطلق عليه «تكافؤ الشبكة». في عام 2007، كان من المقدر أن يتحقق هذا التكافؤ فيما بين عامي 2020 و2030. وبعد ذلك، سيحدث توسُّع كبير في الطاقة المُولدة من الشمس. وتشير التطورات الأخيرة إلى أن هذا التكافؤ سيحدث في عام 2015. كما سيحدث الانتشار السريع لهذا النوع من الكهرباء في وقت سابق على ذلك المحدد في هذا التنبؤ الصادر في عام 2007. انظر الفصل الأول – قسم (٥-٤).

(٢) التحول عن النفط

مصادر الطاقة الحفرية، وبخاصة النفط، متناهية، ونفادها سيحدث عاجلًا أو آجلًا؛ لذا فإن التحول إلى الطاقة المتجددة حتمي. كان أول من أدرك تلك الحقيقة وقدرها كميًّا ماريون كينج هوبرت (1903–1989)، الخبير البارز في مجال صناعة النفط، ولكن رؤيته لم تقتصر فقط على صناعة النفط. في عام 2000، وإدراكًا من شركة بريتش بتروليوم بأن النفط سينفد في نهاية الأمر، غيرت اسمها إلى «بي بي» وهو اختصار لعبارة beyond petroleum وتعني «ما وراء النفط».

في عام 1956، قدم إم كينج هوبرت، كبير المستشارين بشركة شل، تقريرًا اقتُبس على نطاق واسع [40] اعتمد على البيانات المتاحة في ذلك الوقت، وتنبأ فيه بأن إنتاج النفط الخام في الولايات المتحدة الأمريكية سيصل إلى ذروته في نحو عام 1970، ثم سيبدأ في التراجع. وقد تعرضت تنبُّؤاته الجريئة والصحيحة لهجوم وسخرية كبيرين، لكن بعد ذلك ثبتت دقتها الشديدة وجدارتها بالتقدير. (جدير بالذكر أن معادلات نظرية هوبرت مشابهةٌ لمعادلات بيير فرانسوا فيرهلست التي وضعها في عام 1838 للتقدير الكمي لنظرية مالتوس عن النمو السكاني [85].)

بدأت نظريته باكتشاف أنه عند رسم الإنتاج التراكمي للنفط الخام على المحور السيني ، ونسبة معدل الإنتاج على على المحور الصادي في الولايات المتحدة الأمريكية، فإن الشكل البياني الناتج سيكون على شكل خط مستقيم؛ انظر الشكل ١-٥.

إن تقاطعَي الخط المستقيم مع محوري الإحداثيات هما كما يلي. التقاطع مع المحور السيني، ، هو الاحتياطي الإجمالي للنفط الخام القابل للاستخراج؛ لذا فالقيمة في الشكل ١-٥ هي 228 مليار برميل. أما عن التقاطع مع المحور الصادي، ، فله بُعدٌ خاصٌّ بالوقت المعكوس. فمعكوس هو قياس للفترة التي سينفد فيها النفط الخام؛ لذا فالقيمة في الشكل ١-٥ هي 0.0536/سنة. ويمكن تمثيل الخط المستقيم بالمعادلة التالية:

(1-4)

من ثَم، فإن العلاقة بين و هي:

(1-5)

بحيث إن هي الوقت، الذي يُعبَّر عنه عادة بالسنوات. وباستخدام معادلة 1-5، تصبح معادلة 1-4 معادلة تفاضلية عادية:

(1-6)

يمكن أن تتكامل معادلة 1-6 بسهولة كما يلي:

(1-7)

بحيث إن هو ثابت التكامل المطلوب تحديده. ومن معادلة 1-7، نصل إلى المعادلة التالية:

(1-8)

تحقق كل من الشرط الأول عندما يكون والشرط الأخير عندما يكون ؛ لذا يمكن من واقع البيانات التاريخية تحديد الوقت الذي سينفد فيه نصف النفط الخام، عندما تكون .

ويمكن الوصول إلى معدل الإنتاج باستخدام المعادلتين 1-5 و1-8، كما يلي:

(1-9)

تمثل معادلة 1-9 منحنى جرسي الشكل يتناسب مع عندما يكون ، انظر الشكل ١-٥(b). (جدير بالذكر هنا أن ) وهكذا، فإن هو أيضًا الوقت (العامُ) الخاص بمعدل الإنتاج الأقصى، . وكمية هي قياس لمعدل نفاد حقول النفط. في واقع الأمر، يمكن تحديد الوقت الذي عنده ينفد 90 بالمائة من النفط الخام من خلال معادلة 1-8، وذلك كما يلي:

(1-10)

وسيكون الناتج . أما الوقت الذي سينفد فيه 95 بالمائة منه، فهو .

شكل ١-٥: منحنى هوبرت. (a) في عام 1956، درس ماريون كينج هوبرت من شركة شل بيانات الإنتاج التراكمي للنفط الخام (المَقِيس بمليارات البراميل)، ، ومعدل إنتاجه، ، في الولايات المتحدة الأمريكية. واكتشف وجود ارتباط خطي بين و. نقلًا عن مرجع [21]. (b) يمكننا اشتقاق منحنى ﻟ في مقابل الوقت من العلاقة الخطية، منحنى هوبرت (معادلة 1-9). وتحدث ذروة الإنتاج في الوقت عندما ينفد نصف النفط الخام. وفي الوقت ، سينفد 90 بالمائة من النفط الخام القابل للاستخراج. وفي الوقت ، سينفد 95 بالمائة منه.

يوضح الشكل ١-٦ معدل إنتاج النفط الخام في الولايات المتحدة الأمريكية بدءًا من عام 1920 وحتى عام 2010. إن المنحنى الفراغي هو إسقاط مُعتمد على طريقة المربعات الصغرى على منحنى هوبرت؛ ارجع إلى المعادلة 1-9. تمثل ذروة الإنتاج التي حدثت في عام 1971 إنتاج النفط الخام للولايات الأمريكية الثمانية والأربعين ذات الحدود المشتركة (باستثناء ألاسكا وهاواي). وهناك ذروة أخرى في حدود عام 1989. وفي عام 1977، مرر الكونجرس الأمريكي قانونًا يقضي ببدء التنقيب عن النفط الخام في ألاسكا. ونظرًا لأن ألاسكا لم تنتج أي نفط خام قبل سبعينيات القرن العشرين، طبقًا لنظرية هوبرت، فيجب أن تُعامَل كحالة منفصلة تختلف عن حالة الولايات الثمانية والأربعين ذات الحدود المشتركة. وعند رسم بيانات إنتاج النفط الخام في ألاسكا التي نشرتها إدارة معلومات الطاقة، فيما عدا ما يتعلَّق بالأعوام الأقدم، يظهر أن هناك ارتباطًا خطيًّا دقيقًا جدًّا بين نسبة والإنتاج التراكمي ؛ انظر الشكل ١-٧. وفي هذا الرسم، يساوي 17.3 مليار برميل، و يساوي 0.1646 و يساوي 1989.38، وذلك تقريبًا في مايو من عام 1989. وباستخدام هذه المعاملات، أنشأنا منحنى هوبرت؛ انظر الشكل ١-٧(b). وكما هو موضح، فيما عدا ما يتعلَّق بالأعوام الأقدم، تتبع بيانات الإنتاج منحنى هوبرت على نحو دقيق جدًّا.

شكل ١-٦: معدل الإنتاج الأمريكي للنفط الخام. الدوائر: معدل الإنتاج الأمريكي الفعلي للنفط الخام. المصدر: إدارة معلومات الطاقة الأمريكية. المنحنى الفراغي: دالة هوبرت، باستخدام إسقاط مربعات صغرى على البيانات الفعلية. وترجع الزيادة المفاجئة في الإنتاج في عام 1977 والذروة الثانية في عام 1989 لإنتاج النفط في ألاسكا؛ انظر الشكل ١-٧.

شكل ١-٧: إنتاج النفط الخام في ألاسكا. (أ) نسبة في مقابل (المقيس بمليارات البراميل) بالنسبة لألاسكا. المصدر: إدارة معلومات الطاقة. (ب) منحنى هوبرت المُنشأ بناءً على ذلك. (لاحظ أن معدل الإنتاج مقيس بمليارات البراميل/سنة.) كما هو واضح، وفيما عدا ما يتعلَّق بالأعوام الأقدم، تتبع بيانات الإنتاج منحنى هوبرت على نحو دقيق جدًّا.

يمكن تقدير عام نفاد النفط الخام من خلال المعاملات؛ فبالنسبة للولايات المتحدة الأمريكية بأكملها، يساوي 0.0536. وهكذا يكون عام نفاد 95 بالمائة من نفطها الخام كما يلي:

(1-11)

وبالنسبة لألاسكا، يكون عام نفاد 95 بالمائة من نفطها الخام كما يلي:

(1-12)

إن تاريخ نفاد النفط الخام الخاص بألاسكا سابق على ذلك الخاص بالولايات المتحدة الأمريكية بأكملها، وعلى الرغم من أن النفط الخام في ألاسكا قد بدأ إنتاجه متأخرًا جدًّا عن الولايات الأمريكية الثمانية والأربعين ذات الحدود المشتركة، فإنه يُستخرَج من هناك على نحو أكبر بكثير مقارنةً بالولايات الأخرى.

ونظرًا لأن الدول المختلفة بدأت إنتاج النفط الخام في أوقات مختلفة، فهناك طريقة أفضل لتطبيق نظرية هوبرت التي تتمثَّل في تناول كل دولة على نحو منفرد؛ لقد أنتج هوبرت تقديرًا اعتمادًا على البيانات المتاحة في خمسينيات القرن العشرين بالنسبة للعالم ككل، وتنبَّأ بأن يبلغ إنتاج النفط الخام ذروته في العقد الأول من القرن الحادي والعشرين. وقد أتت التقديرات التي اعتمدت على بيانات أحدث بنتائج مشابهة، بل توضح البيانات الحديثة أن تلك الذروة قد حدثت بالفعل في واقع الأمر. وتَتبعُ عملية اكتشاف مصادر الطاقة غير المتجددة الأخرى — مثل الغاز الطبيعي والفحم — ونضوبها نمطًا مماثلًا. ومع تضاؤل المصادر، تزيد على نحو سريع التكاليف الهندسية والبيئية لاستكشاف أنواع الوقود الحفري. وكان التسرُّب النفطي في خليج المكسيك في عام 2010 بمنزلة جرس إنذار بأننا في القرن الحادي والعشرين يجب أن نجد ونستخدم مصادر الطاقة المتجددة بحيث تحل محل مصادر الطاقة الحفرية.

(٣) مصادر الطاقة المتجددة الأخرى

نظرًا لمحدودية احتياطي أنواع الوقود الحفري وتكلفة استخراجها واستخدامها، منذ بداية العصر الصناعي، جرى استكشاف مصادر الطاقة المتجددة. وعلى الرغم من أن الطاقة الشمسية تعد إلى حدٍّ بعيد أكبر مصدر للطاقة المتجددة، فإن مصادر الطاقة المتجددة الأخرى — بما في ذلك الطاقة المائية وطاقة الرياح والطاقة الحرارية الأرضية العميقة والضحلة — تُستغَل على نحو واسع. وكل مصادر الطاقة هذه، فيما عدا الطاقة الحرارية الأرضية العميقة، مشتقة من الطاقة الشمسية.

(٣-١) الطاقة الكهرومائية

الطاقة الكهرومائية مصدر معروف للطاقة. ومنذ أواخر القرن التاسع عشر، كانت تنتج كميات هائلة من الطاقة بأسعار منافسة، وحاليًّا تنتج نحو سدس إنتاج العالم من الكهرباء، أي أكثر من 90 بالمائة من الكهرباء التي تنتجها كل مصادر الطاقة المتجددة. وكما هو موضح في الشكل ١-٨، في الكثير من الدول، ينتج هذا النوع من الطاقة نسبة كبيرة من الكهرباء التي تولدها. على سبيل المثال، تنتج النرويج أكثر من 98 بالمائة من إنتاجها من الكهرباء بالطاقة المائية، وتنتج كل من البرازيل وأيسلندا وكولومبيا أكثر من 80 بالمائة من كهربتها من الطاقة المائية. ويعرض الجدول ١-٣ استخدام الطاقة المائية في مناطق متعددة من العالم.

جدول ١-٣: الطاقة المائية الإقليمية: المتاح والناتج.^*

المنطقة	الإنتاج (EJ/year)	المتاح (EJ/year)	النسبة المئوية للاستغلال
أوروبا	2.62	9.74	27
أمريكا الشمالية	2.39	6.02	40
آسيا	2.06	18.35	11
أفريقيا	0.29	6.80	4.2
أمريكا الجنوبية	1.83	10.05	18
أوقيانوسيا	0.14	0.84	17
العالم	9.33	51.76	18

^* المصدر: مرجع [14]، الفصل الخامس.

شكل ١-٨: النسبة المئوية لإنتاج الكهرباء من الطاقة المائية في دول متعددة. تنتج النرويج تقريبًا كل كهربتها من الطاقة المائية، وفي البرازيل وأيسلندا وكولومبيا، أكثر من 80 بالمائة من الكهرباء تُنتَج من خلال الطاقة المائية.

إن فيزياء الطاقة المائية بسيطة جدًّا. في أي نظام للطاقة المائية، من المهم معرفة «رأس الماء الفعلي» ارتفاع المسقط المائي بالمتر و«معدل التدفق»، أي معدل الماء المتدفق عبر التوربين، ، بالمتر المكعب في الثانية. والقدرة التي تحملها الكتلة المائية تكون كما يلي:

(1-13)

بحيث يكون g الذي يساوي 9.81 m/s² هو تسارع الجاذبية. ولأن خطأ بنسبة 2 بالمائة يُعَد شيئًا لا يُذكر في عالم الهندسة، فدائمًا ما تكون g قيمتها بالتقريب 10 m/s²؛ لذا ﺑ kW، تكون المعادلة السابقة:

(1-14)

إن الآلة القياسية المستخدمة هنا هي توربين فرانسيس الذي اخترعه المهندس الأمريكي جيمس بي فرانسيس في عام 1848. وباستخدام هذه الآلة، تكون كفاءة تحويل الطاقة المائية إلى طاقة ميكانيكية عالية جدًّا. وفي ظل أفضل الظروف، تصل الكفاءة الإجمالية لتحويل الطاقة المائية إلى كهرباء لأكثر من 90 بالمائة، مما يجعل هذا التوربين من أكثر التوربينات كفاءة. وتكون الطاقة الكهربية المولدة من خلال النظام الكهرومائي هي:

(1-15)

هناك ميزة كبيرة للطاقة المائية تميزها عن مصادر الطاقة المتجددة الأخرى، ألا وهي أنها توفر آلية لتخزين الطاقة ذات كفاءة عالية جدًّا وثنائية الجانب. كما أن فَقْد الطاقة في عملية التخزين لا يُذكَر؛ لذا فمحطة الطاقة المائية إلى جانب الخزان يكونان معًا نظام تخزين طاقة فعالًا واقتصاديًّا جدًّا. ويعرض الشكل ١-٩ صورةً فوتوغرافيةً لواحدةٍ من كبرى محطات الطاقة المائية في العالم، محطة إيتايبو، التي تمد البرازيل بنحو 20 بالمائة من كهربتها.

شكل ١-٩: محطة إيتايبو للطاقة المائية على الحدود الواقعة بين البرازيل وباراجواي. بسعة تبلغ 14.0GW، تعد هذه المحطة واحدة من كبرى محطات الطاقة المائية وتنتج نحو 20 بالمائة من كهرباء البرازيل.

(٣-٢) طاقة الرياح

إن الطاقة الحركية في حيز من الهواء بكتلة وسرعة متجهة هي:

(1-16)

إذا كانت كثافة الهواء هي ، فإن كتلة الهواء المارَّةَ عبر سطح مساحة على نحو عمودي على السرعة المتجهة للرياح لكل وحدة زمنية هي:

(1-17)

إذن، فقدرة الرياح ، أو الطاقة الحركية للهواء المتحرِّك عبر مساحة لكل وَحْدةٍ زمنية هي:

(1-18)

في ظل الظروف القياسية (ضغط 1atm ودرجة حرارة 18 درجة مئوية)، تكون كثافة الهواء 1.225kg/m³. وإذا كانت سرعة الرياح 10m/s، فإن كثافة قدرة الرياح تكون:

(1-19)

إن لهذه الكثافة نفس القيمة الأسية التي لكثافة الطاقة الشمسية.

لكن كفاءة أي توربين رياح ليست عالية مثل كفاءة أي توربين مائي. ولأن سرعة الهواء المتجهة قبل الدوار، ، وسرعة الهواء المتجهة بعده، ؛ مختلفتان، انظر الشكل ١-١٠، فإن كتلة الهواء المارة عبر مساحة لكل وحدة زمنية تتحدد من خلال «متوسط سرعة الرياح» عند الدوار، وذلك كما يلي:

(1-20)

شكل ١-١٠: اشتقاق نظرية بيتس لتوربين الرياح. إن السرعة المتجهة للرياح قبل دوار التوربين هي ، وبعده ، كما أن السرعة المتجهة عند الدوار هي متوسط السرعة المتجهة وترتبط القدرة المنتجة من قبل الدوار بالفرق في الطاقة الحركية.

لذا فإن الطاقة الحركية التي يلتقطها الدوار أو فرق الطاقة الحركية هي:

(1-21)

بالجمع بين المعادلتين 1-20 و1-21، نحصل على تعبير عن قدرة الرياح التي يلتقطها الدوار:

(1-22)

وبإعادة ترتيب معادلة 1-22، يمكننا تعريف جزء قدرة الرياح التي يلتقطها الدوار، أو ما يطلق عليه «كفاءة الدوار»، كما يلي:

(1-23)

ومن ثَم، نصل إلى المعادلة التالية:

(1-24)

مع افتراض أن هي معدل سرعة الرياح بعد الدوار وقبله، فسنحصل على المعادلة التالية:

(1-25)

يتضح ارتباط كفاءة الدوار بمعدل السرعة في الشكل ١-١١. من الواضح أن القدرة القصوى تكون عندما يكون قيمته 1/3 بحيث تكون قيمتها 16/27، أي، 59.3 بالمائة. كان أول من توصل إلى هذه النتيجة هو ألبرت بيتس في عام 1919، وتُعرَف على نطاق واسع باسم نظرية بيتس أو حدِّ بيتس.

شكل ١-١١: كفاءة توربين الرياح. انظر المعادلة 1-26. كما هو واضح، الكفاءة القصوى هي 16/27، والتي تتحقق بمعدل سرعة .

هناك اختلاف في تقديرات قدرة الرياح المتاحة على مستوى العالم. يوضح تقدير متحفظ أن إجمالي قدرة الرياح المتاحة، 75TW، يُعد أكبر خمس مرات من إجمالي الطاقة المستهلكة في العالم. وعلى النقيض من الطاقة المائية، يُستخدَم حاليًّا جزء صغير فقط من قدرة الرياح، ولكن معدل الاستخدام في تزايد سريع جدًّا. ففيما بين عامَيْ 2000 و2009، زادت السَّعة الإجمالية تسعة أضعاف لتصل إلى 158.5GW. ويتوقع مجلس طاقة الرياح العالمي أنه بحلول عام 2014، ستصل سَعَة قدرة الرياح الإجمالية إلى 409GW.

نظرًا لحدوث نقص في مصادر الطاقة التقليدية في أواخر القرن التاسع عشر؛ فقد بدأت الدنمارك في تطوير طاقة الرياح وزادت وتيرة الإنتاج بعد أزمة الطاقة التي حدثت في سبعينيات القرن العشرين. لا تزال الدنمارك هي أكبر مُصنِّع لتوربينات الرياح بقيادة شركة فيستاس، وهي تولد 20 بالمائة من كهربتها من طاقة الرياح. ويوضح الشكل ١-١٢، صورة فوتوغرافية التقطها المؤلف في كوبنهاجن، أن حورية البحر الصغيرة تُحدق في مجموعة كبيرة من توربينات الرياح، لا في أمير الدنمارك.

شكل ١-١٢: توربينات الرياح في كوبنهاجن. صورة فوتوغرافية ملتقطة من قبل المؤلف في كوبنهاجن، الدنمارك، في عام 2006. وتمثال حورية البحر الصغيرة، وهو رمز قومي في الدنمارك، يُحدق في مجموعة كبيرة من توربينات الرياح، لا في أمير الدنمارك.

إلا أن نجاح الدنمارك في مجال طاقة الرياح ما كان ليتحقق لولا جيرانها: النرويج والسويد وألمانيا [45]. ونظرًا لأن طاقة الرياح متقطعة وغير منتظمة، فيجب توفير إمداد منتظم من الكهرباء من خلال نظام توليد طاقة سريع الاستجابة مزوَّد بإمكانية لتخزين الطاقة. لحسن الحظ، تقريبًا 100 بالمائة من الكهرباء التي تمتلكها النرويج مولدة من طاقة الرياح، وهناك خط ربط كهربي بين شبكتَي البلدين بطاقة توليد 1000MW. وفي فترات الرياح الشديدة، تُنقل الطاقة الإضافية المولدة في الدنمارك للشبكة الكهربية في النرويج. وباستخدام التوربين الانعكاسي، تُخزَّن الطاقة الكهربية الفائضة كطاقة وضع للماء في الخزانات. وفي عام 2005، زار المؤلف محطة تونستاد للطاقة المائية في النرويج في مساء يوم الأحد. وقد سألت مهندسًا نرويجيًّا عن السبب في توقف أكبر توربين، فشرح لي أن إحدى مهام هذه المحطة هي إمداد الدنمارك بالطاقة. وفي صباح يوم الاثنين، عندما بدأ الدنماركيون يحتسون قهوتهم ويتأهَّبون للعمل، بدأ هذا التوربين في العمل بأقصى سرعة له.

(٣-٣) الكتلة الحيوية والطاقة الحيوية

عبر آلاف السنين من التاريخ البشري، وحتى الثورة الصناعية عندما بدأ استخدام مصادر الوقود الحفري، كان الاستخدام المباشر للكتلة الحيوية المصدرَ الرئيسي للطاقة. فقد استُخدم الخشب والقش وروث الحيوانات في الطهي وتدفئة الأماكن، كما استُخدم الشمع (المصنوع من دهن الحوت) والزيت النباتي في الإضاءة، وقد كانت الطاقة الميكانيكية للخيول تُستحثُّ بإطعامها أنواعًا من الكتلة الحيوية. وفي الدول الأقل تقدُّمًا من العالم، لا يزال هذا الوضع هو السائد. وحتى في الدول المتقدمة، ما زال الاستخدام المباشر للكتلة الحيوية شائعًا جدًّا؛ على سبيل المثال، الحطب في المدافئ ومواقد حرق الخشب.

تُنشأ الكتلة الحيوية من خلال التمثيل الضوئي من ضوء الشمس. لمزيد من التفاصيل، انظر الفصل العاشر – قسم (١). وعلى الرغم من أن كفاءة التمثيل الضوئي تبلغ فقط نحو 5 بالمائة وأن أوراق الأشجار لا تغطي إلا نسبة مئوية ضئيلة، فمن المقدر أن يصل إجمالي الطاقة المخزنة حاليًّا في الكتلة الحيوية الأرضية إلى 25000EJ، التي تساوي تقريبًا محتوى الطاقة لاحتياطي الوقود الحفري المعروف في العالم؛ ارجع إلى الجدول ١-١. يبلغ محتوى الطاقة للإنتاج السنوي للكتلة الحيوية الأرضية نحو ستة أضعاف إجمالي الطاقة المستهلكة في العالم؛ انظر الجدول ١-٤.

حاليًّا، هناك صناعة راسخة تنتج وقودًا سائلًا مولدًا من الكتلة الحيوية للاستخدام في النقل. وهناك طريقتان تُستخدمان على نطاق واسع في هذا الإطار: إنتاج الإيثانول من السكر وإنتاج الديزل الحيوي من الزيت النباتي أو الحيواني.

جدول ١-٤: البيانات الأساسية للطاقة الحيوية.^*

العنصر	EJ/year	TW
معدل تخزين الطاقة المولَّدة من الكتلة الحيوية الأرضية	3000	95
إجمالي الطاقة المستهلكة على مستوى العالم	500	15
استهلاك طاقة الكتلة الحيوية على مستوى العالم	56	1.6
استهلاك طاقة الكتلة الحيوية الغذائية على مستوى العالم	16	0.5

^* المصدر: مرجع [14]، ص107.

(أ) إنتاج الإيثانول من تخمُّر السكر

إن فن إنتاج النبيذ والمشروبات الكحولية من السكر من خلال عملية التخمُّر معروفٌ منذ آلاف السنين؛ فبفعل الإنزيمات الموجودة في بعض الخمائر، يتحوَّل السكر إلى إيثانول وثاني أكسيد الكربون:

(1-26)

وفي نهاية التفاعل، يمكن أن يبلغ تركيز الإيثانول ما بين 10 إلى 15 بالمائة في الخليط، وباستخدام نوعٍ خاصٍّ من الخميرة، يمكن أن يصل التركيز إلى 21 بالمائة، ثم يمكن حينها استخلاص الإيثانول عن طريق التقطير.

من أنجح الأمثلة على ذلك إنتاج الإيثانول من قصب السكر في البرازيل. هناك رقم مهم في صناعة الطاقة، ألا وهو «ميزان الطاقة»، أو عائد الطاقة على الطاقة المستثمرة، ارجع للمعادلة 1-3. وطبقًا لدراسات متعددة، يزيد ميزان الطاقة في البرازيل بالنسبة لإيثانول السكر عن 8، وهذا يعني أن إنتاج طاقة من الإيثانول تساوي 1J يتطلب استهلاك نحو 0.125J من الطاقة. كذلك، فإن تكلفة إنتاج جالون واحد من الإيثانول في البرازيل تصل إلى نحو 0.83 دولار، وهي أقل بكثير من تكلفة إنتاج جالون واحد من الجازولين. ويرجع هذا على الأقل جزئيًّا إلى مناخ وطوبوغرافيا ساو باولو، وهي ولاية تقع في جنوب شرق البرازيل، وهي منطقة مسطحة شبه استوائية تسقط عليها أمطار غزيرة. ومنذ ظهور السيارات المرنة الوقود في عام 2003 التي يمكنها بكفاءة استخدام مزيج من الجازولين والإيثانول بأي نسبة، زاد استهلاك الإيثانول على نحو كبير بسبب رخص ثمنه. وفي عام 2008، في حدَثٍ يُعد الأول من نوعه، حل الإيثانول محل الجازولين باعتباره أكثر أنواع وقود المحركات استخدامًا في البرازيل [49]. يعرض الشكل ١-١٣ صورة بانورامية لمحطة كوستا بينتو لإنتاج الإيثانول الموجودة في مدينة بيراسيكابا، بولاية ساو باولو. يوضِّح الجزء الأمامي من الصورة عملية استلام محصول قصب السكر، ويوجد على الجانب الأيمن من الجزء الخلفي منها وحدة التقطير التي يُنتَج فيها الإيثانول. وتُنتِج هذه الوحدة كل الكهرباء التي تحتاجها من مخلفات قصب السكر بعد استخلاص السكر منه، وتبيع الكهرباء الفائضة للمرافق العامة.

شكل ١-١٣: محطة كوستا بينتو لإنتاج إيثانول السكر. يوضِّح الجزء الأمامي للصورة عملية استلام محصول قصب السكر، في حين تظهر في الجانب الأيمن من الجزء الخلفي للصورة وحدة التقطير حيث يُنتَج الإيثانول. الصورة معروضة بإذن من ماريوردو.

على الرغم من أن الحكومة البرازيلية لا تدعم على نحو مباشر استخدام الإيثانول، فإنها تموِّل على نحو مستمر أبحاثًا لتحسين كفاءة عملية إنتاجه ومَيْكَنتها. وهذا عامل مهم لنجاح مشروع إنتاج إيثانول السكر في البرازيل. فمن عام 1975 وحتى عام 2003، زاد الإنتاج من 2m³/ha إلى 6m³/ha. ومؤخَّرًا، وصل الإنتاج، في ولاية ساو باولو، إلى 9m³/ha. ويوضِّح الشكل ١-١٤ الإنتاج السنوي للإيثانول الصالح كوقود في البرازيل من عام 1975 حتى عام 2010. وعلى الرغم من أن البرازيل تنتج حاليًّا أكثر من 50 بالمائة من الوقود المطلوب للسيارات الموجودة بها ونحو 30 بالمائة من الإيثانول المتداول حول العالم، فهي تستخدم فقط 1.5 بالمائة من أرضها المزروعة.

شكل ١-١٤: الإنتاج السنوي للإيثانول في البرازيل. المصدر: «الكتاب السنوي الإحصائي للطاقة الزراعية لعام 2009»، وزارة الزراعة والماشية والإمدادات، البرازيل.

(ب) إنتاج الديزل الحيوي من الزيت النباتي أو الدهن الحيواني

مثال آخر على استخدام الكتلة الحيوية لإنتاج وقود سائل هو إنتاج الديزل الحيوي من الزيت النباتي أو الدهن الحيواني. إن التركيب الكيميائي لجزيئات كل من الزيت النباتي والدهن الحيواني متطابق؛ فثلاثي الجليسريد يتكون من جزيء واحد من الجليسرول وثلاثة جزيئات من الحمض الدهني؛ انظر الشكل ١-١٥. إن الحمض الدهني هو حمض كربوكسيلي (يتميز بوجود المجموعة —COOH) ويحتوي على سلسلة هيدريد كربون طويلة وغير متفرعة، ومع استخدام أنواع مختلفة من الأحماض الدهنية، تُنتَج أنواعٌ مختلفة من ثلاثيات الجليسريد. وعلى الرغم من أن الزيت النباتي يمكن استخدامه في محركات الديزل مباشرةً، فإنه يمكن أن يدمِّرها بسبب حجم جزيئاته الكبير ونسبة اللزوجة العالية الناتجة عن ذلك، إلى جانب ميله لعدم الاحتراق الكامل. فالديزل الحيوي التجاري هو نتاج تفاعل ثلاثي الجليسريد والكحول، على وجه التحديد الميثانول أو الإيثانول، وباستخدام هيدروكسيد الصوديوم أو هيدروكسيد البوتاسيوم كمحفِّز، تحدث عملية أسترة تبادلية لثلاثي الجليسريد ليكوِّن ثلاثة إسترات صغيرة وجليسرينًا حرًّا؛ انظر الشكل ١-١٥. لا يمتزج الإستر مع الجلسرين، ووزنه النوعي (الذي يتراوح بالأساس بين 0.86g/cm³ و0.9g/cm³) أقل بكثير عن ذلك الخاص بالجلسرين (الذي يصل إلى 1.15g/cm³)؛ لذا فإن الديزل الحيوي يمكن بسهولةٍ فصلُه من مزيج الجليسرين والترسُّبات.

شكل ١-١٥: عملية إنتاج الديزل الحيوي. بمزج ثلاثي الجليسريد والكحول وباستخدام محفز، تحدث أسترة تبادلية لثلاثي الجليسريد ليكوِّن ثلاثة إسترات صغيرة وجليسرينًا حرًّا. والإستر، أو الديزل الحيوي، حجم جزيئاته أصغر كثيرًا، مما يوفر تزييتًا أفضل لأجزاء المحركات.

وهكذا، فإن حجم جزيئات الديزل الحيوي المُنتج أصغرُ بكثيرٍ من ثلاثيات الجليسريد، مما يوفِّر تزييتًا أفضل لأجزاء المحركات، كما أن طبيعته أفضل حتى من تلك الخاصة بزيت الديزل المشتق من النفط، فيما يتعلَّق بخواصه التزييتية وتقديره السيتاني، على الرغم من أن قيمته الحرارية أقل منه بنحو 9 بالمائة، كما أن له ميزة إضافية عليه وهي أنه لا يوجد به كبريت، وهو عنصرٌ يمثِّل خطرًا كبيرًا على البيئة موجود في زيت الديزل المشتق من النفط.

تعتمد تكلفة وإنتاجية الديزل الحيوي على نحو كبير على كمية وتكلفة المواد الخام التي يُصنع منها، فالشحم المعاد تدويره، مثل الزيت المستخدم في إنتاج البطاطس المحمرة والشحم المستخلص من مخلفات المطاعم، يُعد مصدرًا أساسيًّا للمواد الخام هذه. والمنتجات الفرعية لصناعة الغذاء، مثل دهن الخنزير ودهن الدجاج، التي عادةً ما تُعدُّ غير صحيةٍ بالنسبة للبشر، كثيرًا ما تُستخدم أيضًا، لكن هذه المصادر سهلة المنال غير متوفرة بكثرة؛ ومن ثَم فإن الزيت البكر يُعد هو القوام الأساسي للديزل الحيوي، وتختلف كمية وتكلفة الزيت البكر على نحو كبير من محصول لآخر؛ انظر الجدول ١-٥.

جدول ١-٥: ناتج الديزل الحيوي من المحاصيل المختلفة.^*

بالنسبة للإيثانول	m³/ha	بالنسبة للديزل الحيوي	m³/ha
بنجر السكر (فرنسا)	6.67	نخيل الزيت	4.75
قصب السكر (البرازيل)	6.19	جوز الهند	2.15
الذرة السكرية (الهند)	3.50	بذور اللفت	0.95
الذرة (الولايات المتحدة الأمريكية)	3.31	الفول السوداني	0.84

^* المصدر: مرجع [14]، الفصل الرابع.

يعرض الجدول ١-٥ عددًا من المحاصيل المستخدمة في إنتاج أنواع الوقود الحيوي، بما في ذلك تلك المستخدمة في إنتاج الإيثانول. إن اثنين منها عبارة عن جذور غنية بالسكر (بنجر السكر والذرة السكرية)، وحصاد تلك الجذور يحتاج لقدر أكبر بكثيرٍ من الطاقة ويحتاج لعِمالةٍ أكبر من حصاد قصب السكر؛ لذا فإن ميزان الطاقة (نسبة الطاقة المنتجة في مقابل الطاقة المطلوبة لإنتاجها) عادة ما تكون نحو 2، وهو ما يُعد أقل بكثير مما هو عليه الحال فيما يتعلَّق بقصب السكر، الذي يزيد عن 8. يكون ميزان الطاقة الخاص بالذرة أقل أيضًا (نحو 2)، لأن الخطوة الأولى تتمثَّل في تحويل نشا الذرة إلى سكر، الذي يتطلب طاقة وعمالة. لنخيل الزيت، وموطنه بالأساس أفريقيا، أعلى ناتج لكل وحدة مساحة من الأرض. تظهر صورة فوتوغرافية لثمرة نخيل الزيت في الشكل ١-١٦. يتراوح قطر الثمرة بوجه عام بين 3cm و5cm. إن نسبة 50 بالمائة من النسيج الرقيق للثمرة تتكون من زيت النخيل. تحتوي البذرة على نوع آخر من الزيت، وهو زيت بذرة النخيل، الذي يُعد مكونًا أساسيًّا في صناعة الصابون. وفي ظل الظروف المواتية، يمكن أن يصل بسهولة زيت النخيل الناتج إلى 5 ton/ha سنويًّا، مما يجعله يتفوَّق كثيرًا على أي مصدر آخر للزيت الصالح للأكل. ولأنه لا يحتوي على كوليسترول، فهو زيت طعام صحي. وحاليًّا يُعد هو الزيت النباتي الذي يحتل الصدارة في السوق العالمية (48000000 ton، أو 30 بالمائة من حصة السوق العالمية)، مع كون ماليزيا وإندونيسيا أكبر المنتجين له. وبخلاف الأنواع الأخرى من النباتات المنتجة للزيت (مثل فول الصويا وبذور اللفت) التي تُزرع سنويًّا، فإن نخيل الزيت أشجار كبيرة؛ انظر الشكل ١-١٧، بمجرد أن تُزرع، يمكنها أن تنتج الزيت لعقود عديدة.

شكل ١-١٦: ثمرة نخيل الزيت. من حيث الحجم والتركيب، تشبه هذه الثمرة ثمرة الخوخ أو البرقوق، لكن نسبة 50 بالمائة من نسيجها الرقيق تتكون من زيت نخيل. وزيت النخيل الناتج لكل وحدة مساحة من الأرض أكبر بكثير من أي مصدر آخر للزيت الصالح للأكل، كما أن البذرة غنية أيضًا بزيت ولكن من نوع مختلف؛ فزيت بذرة نخيل الزيت مكون مهم في صناعة الصابون.

شكل ١-١٧: نخيل الزيت البري في أفريقيا. يعد نخيل الزيت أشجارًا أصلية في أفريقيا والتي وفرت زيت النخيل لقرون عديدة. هذه صورة فوتوغرافية لنخيل الزيت البري التقطها ماركو شميت على منحدرات جبل كاميرون، الكاميرون، أفريقيا.

(٣-٤) الطاقة الحرارية الأرضية الضحلة

يمكن تعريف الطاقة الحرارية الأرضية بأنها الحرارة المخزنة في الأرض، لكنَّ هناك نوعين متمايزين من هذه الطاقة وذلك اعتمادًا على مصدرها؛ وهما: الطاقة الحرارية الأرضية الضحلة والعميقة. إن الطاقة الحرارية الأرضية الضحلة هي الطاقة الشمسية المخزنة في الأرض، التي سنصِفُ أصلها في الفصل الخامس – قسم (٤). تكون درجة الحرارة بوجه عام هنا أقل أو أعلى بنحو 10 درجات مئوية عن تلك الخاصة بسطح الأرض. والاستخدام الرئيسي لهذه الطاقة يتمثَّل في تحسين كفاءة المدفأة الكهربية ونظام التبريد الكهربي (مكيف الهواء) باستخدام مِضخَّة حرارية أو مبرد يعمل بانضغاط البخار. أما عن الطاقة الحرارية الأرضية العميقة، فهي الحرارة المخزَّنة في لب ودثار كوكب الأرض. ويمكن أن تصل درجة الحرارة هنا إلى مئات الدرجات المئوية، ويمكن استخدام تلك الحرارة في توليد الكهرباء وتدفئة مساحة كبيرة. وفي هذا القسم، سنركِّز على الطاقة الحرارية الأرضية الضحلة، في حين سنعرض للطاقة الحرارية الأرضية العميقة في القسم التالي.

يظهر النمط العام لتوزيع درجة الحرارة تحت الأرض في الشكل ١-١٨. ففي عمق كبير، على سبيل المثال، من 20m إلى 30m تحت الأرض، تكون درجة الحرارة هي متوسط درجة الحرارة السنوي للسطح؛ على سبيل المثال، . وعلى السطح، تختلف درجة الحرارة باختلاف الفصول؛ ففي يناير تكون درجة الحرارة هي الأقل؛ على سبيل المثال، . في يوليو، تكون درجة الحرارة هي الأعلى؛ على سبيل المثال، . وهناك تفاوتات في درجة الحرارة حسب الوقت من اليوم، لكن عمق الاختراق صغير جدًّا. ونظرًا للسرعة المتناهية للتوصيل الحراري، فعند عمق معين، بوجه عام من −5m إلى −10m تحت السطح، تكون صورة درجة الحرارة «معكوسة». بعبارة أخرى، في الصيف تكون درجة الحرارة بعمق سبعة أمتار تحت الأرض أقل من المتوسط السنوي، والعكس صحيح بالنسبة للشتاء.

شكل ١-١٨: الطاقة الحرارية الأرضية الضحلة. هناك تفاوت موسمي في درجة الحرارة تحت الأرض. على السطح، تكون درجة الحرارة في الصيف أعلى بكثير من درجة الحرارة في الشتاء. وتحت الأرض على عمق عشرين مترًا، على سبيل المثال، تكون درجة الحرارة هي متوسط درجة الحرارة السنوي للسطح. وفي الصيف تكون درجة الحرارة تحت الأرض بعدة أمتار «أقل» من المتوسط السنوي، والعكس صحيح بالنسبة للشتاء. ويمكن استخدام الطاقة المخزنة في الأرض لتدفئة وتكييف المساحات مما يوفر كميات كبيرة من الطاقة.

إن الطاقة الشمسية المخزنة في الأرض عامة وموجودة بكميات كبيرة جدًّا. وفي أجزاء كثيرة من المنطقة المعتدلة، يمكن استخدام هذه الطاقة مباشرةً لتكييف المساحات. وبوضع نظم تبادل حراري تحت الأرض وتوجيه الهواء البارد عبر أنابيب إلى أماكن السكن، يمكن إنشاء نظام تكييف هواء بدون تكلفة تقريبًا في الطاقة. وفي المناطق التي يقترب فيها متوسط درجة الحرارة من الصفر أو يقل قليلًا عنها، يمكن استخدام الكهوف الموجودة تحت الأرض كمبردات، أيضًا بدون تكلفة تقريبًا في الطاقة.

يتمثل الاستخدام الرئيسي للطاقة الحرارية الأرضية الضحلة في نظم تدفئة وتكييف المساحات باستخدام مِضخَّة حرارية أو مبرد يعمل بانضغاط البخار، مع اعتبار المساحات الموجودة تحت الأرض كمخازن للحرارة. وسنعرض للتفاصيل في الفصل السادس.

(٣-٥) الطاقة الحرارية الأرضية العميقة

الأنواع المختلفة من مصادر الطاقة المتجددة المعروضة في الأقسام السابقة هي من مشتقات الطاقة الشمسية، لكن الطاقة الحرارية الأرضية العميقة هي مصدر الطاقة الرئيسي الوحيد الذي ليس مشتقًّا من الطاقة الشمسية. ففي الوقت الذي تكوَّنت فيه الأرض من غاز ساخن، جعلت طاقة الجاذبية والحرارة لُبَّ الأرض متوهجًا بالحرارة. وبعد تكوُّن الأرض، وفَّرت العناصر المشعة على نحوٍ مستمرٍّ الطاقة لإبقاء لب الأرض ساخنًا. ويعرض الشكل ١-١٩ مقطعًا عرضيًّا تخطيطيًّا للأرض. تنقسم قشرة الأرض، وهي طبقة باردة نسبيًّا من الصخور ذات كثافة منخفضة نسبيًّا (من 2g/cm³ إلى 3g/cm³)، إلى عدة «صفائح تكتونية». يختلف السُّمك من مكان لآخر، بدءًا من 0km وحتى نحو 30km. وتحت القشرة يوجد «الدثار»، وهي طبقة ساخنة نسبيًّا من الصخور المنصهرة جزئيًّا ذات كثافة عالية نسبيًّا (من 3g/cm³ إلى 5.5g/cm³). وهو يعد مخزنًا للحمم البركانية للأنشطة البركانية. وبدءًا من نحو 3000km لأسفل، يوجد لب الأرض، الذي يُعتقد أنه عبارة عن حديد ونيكل منصهرين، وهو الجزء صاحب الكثافة الأعلى (من 10g/cm³ إلى 13g/cm³).

شكل ١-١٩: الطاقة الحرارية الأرضية العميقة. إن أصل الطاقة الحرارية الأرضية العميقة هو لب الأرض. أولًا، أثناء تكوُّن الأرض، أنتج التقلص الجذبوي حرارة. بعد ذلك، وفرت التفاعلات النووية في الأرض الطاقةَ باستمرار. ونظرًا لسُمك الصفائح التكتونية، فإن الطاقة الحرارية الأرضية العميقة تكون اقتصادية فقط عند حواف تلك الصفائح أو بالقرب من البراكين.

إن المحتوى الحراري للدثار واللب هائل. نظريًّا، عند حفر بئر عميقة في الجزء الساخن من الأرض مع حقن الماء، يمكن إنتاج بخار فائق الحرارة يستطيع تشغيل التوربينات لإنتاج الكهرباء، لكن بوجه عام، هذه العملية باهظة التكاليف وشديدة الصعوبة على نحو غير معقول.

توجد أغلب محطات الطاقة الحرارية الأرضية الحالية بالقرب من حواف الصفائح التكتونية أو في مناطق بها براكين نشطة؛ حيث يكون سمك قشرة الأرض أقل من بضعة كيلومترات، ويكون الحفر للوصول إلى الصخور الساخنة أمرًا عمليًّا. ويوضح الشكل ١-٢٠ المناطق الأرضية التي يمكن استخراج طاقة حرارية أرضية عميقة منها.

حيث إن أيسلندا غنية بالبراكين النشطة، فلديها ميزة غير عادية فيما يتعلَّق باستخدام الطاقة الحرارية الأرضية العميقة. ففي عام 2008، أتى نحو 24 بالمائة من كهربتها من الطاقة الحرارية الأرضية وتمت تدفئة 87 بالمائة من مبانيها باستخدام نفس الطاقة. يعرض الشكل ١-٢١ صورة فوتوغرافية لمحطة نسجافلير للطاقة الحرارية الأرضية، التي تُعد ثاني أكبر محطة من هذا النوع في أيسلندا، بسعة قدرها 120MW.

شكل ١-٢٠: مناطق استخراج الطاقة الحرارية الأرضية العميقة. عند حواف الصفائح التكتونية والمناطق التي توجد بها براكين نشطة، يمكن استخدام الطاقة الحرارية الأرضية العميقة على نحو اقتصادي.

شكل ١-٢١: محطة نسجافلير للطاقة الحرارية الأرضية، أيسلندا. نظرًا لأن أيسلندا غنية بالبراكين النشطة، فلديها ميزة غير عادية فيما يتعلَّق باستخدام الطاقة الحرارية الأرضية العميقة. موضح بالصورة محطة نسجافلير للطاقة الحرارية الأرضية التي سعتها 120MW.

(٤) لمحة عن الخلايا الكهروضوئية الشمسية

من الواضح أن في النصف الأول من القرن الحادي والعشرين سينضب الوقود الحفري لدرجة أنه لن يمكنه سد حاجة المجتمع البشري من الطاقة. هناك أنواع متعددة من مصادر الطاقة المتجددة، العديد منها له عيوب، بما في ذلك الطاقة المائية وطاقة الرياح والطاقة الحرارية الأرضية. ويمكن للتطبيقات الحرارية الشمسية مثل سخانات الماء الشمسية أن تسدَّ جزءًا صغيرًا فقط من إجمالي الطلب على الطاقة، وتعد الخلايا الشمسية البديل الوحيد الواعد للوقود الحفري. وفي هذا القسم، سنلقي نظرة سريعة على المفاهيم الأساسية للخلايا الكهروضوئية الشمسية، وسنعرض التفاصيل في الفصول من الثاني حتى الرابع ومن السابع حتى العاشر.

(٤-١) ميلاد الخلايا الشمسية الحديثة

في عام 1953، دشنت مختبرات بيل مشروعًا بحثيًّا لإنتاج أجهزة لتوفير مصدر طاقة للأجزاء البعيدة من العالم، حيث لا تتوفر شبكة كهرباء. اقترح العالم الرائد داريل تشابن استخدام خلايا شمسية ووافق رؤساؤه على اقتراحه.

في ذلك الوقت، كان مفهوم التأثير الكهروضوئي في السيلينيوم، المكتشف في سبعينيات القرن التاسع عشر، قد أُضْفِيَت الصبغة التجارية عليه بالفعل في صورة جهاز لقياس شدة الإضاءة في التصوير الفوتوغرافي، ويعرض الشكل ١-٢٢(أ) مخططًا له. تُوضع طبقة من السيلينيوم على ركيزة من النحاس، ثم تُغطَّى بطبقة رقيقة شبه شفافة من الذهب. وعندما يُضاء الجهاز بالضوء المرئي، يُولَّد فرق جهد كهربي يُنتِج بدوره تيارًا كهربيًّا، وتعتمد شدة التيار الكهربي على شدة الضوء، وقد كان هذا جهازًا قياسيًّا في النصف الأول من القرن العشرين بالنسبة للمصورين الفوتوغرافيين لقياس ظروف الإضاءة، كما أنه أكثر متانة وسهولة في الاستخدام بكثير من المقاومات الضوئية لعدم وجود أجزاء متحرِّكة به وعدم احتياجه لبطارية.

شكل ١-٢٢: خلية شمسية مصنوعة من السيلينيوم وأخرى مصنوعة من السيليكون. (أ) اكتُشفَت الخلية الكهروضوئية المصنوعة من السيلينيوم في منتصف القرن التاسع عشر واستُخدمت لقياس شدة الإضاءة في التصوير الفوتوغرافي. (ب) اختُرعت الخلية الكهروضوئية المصنوعة من السيليكون في مختبرات بيل في عام 1954 باستخدام التقنية الخاصة بترانزستورات السيليكون.

بدأ تشابن تجربته باستخدام الخلايا الضوئية المصنوعة من السيلينيوم، ووجد أن كفاءتها، 0.5 بالمائة، قليلة جدًّا بحيث لا تستطيع توليد طاقة كافية للتطبيقات الهاتفية، ثم في ضربة حظ لا يمكن تصديقها، انضم إليه عالمان من مختبرات بيل، وهما كلفن فولر وجيرالد بيرسون، كانا يعملان في المشروع الرائد لتطوير ترانزستورات من السيليكون وعملوا معًا على تقنية السيليكون الناشئة لتصنيع الخلايا الشمسية؛ انظر الشكل ١-٢٣. وفي عام 1954، أُنشئت خلية شمسية بكفاءة تصل إلى 5.7 بالمائة [67]، وقُدِّمت للناس. ويعرض الشكل ١-٢٢(ب) مخططًا لها.

شكل ١-٢٣: مخترعو الخلايا الشمسية السيليكونية. من اليسار إلى اليمين: جيرالد بيرسون (1905–1987) وداريل تشابن (1906–1995) وكلفن فولر (1902–1994). في عام 1953، دشنت مختبرات بيل مشروعًا بحثيًّا لتوفير مصادر طاقة للأجزاء البعيدة من العالم، حيث لا تتوفر شبكة كهرباء. وفي عام 1954، وباستخدام التقنية الوليدة لصنع ترانزستورات من السيليكون، طوروا وقدموا أول خلية شمسية مصنوعة من السيليكون. والكفاءة المتحققة، 5.7 بالمائة، جعلت الخلية الشمسية مصدر طاقة مفيدًا. الصورة معروضة بإذن من مختبرات بيل التابعة لشركة إيه تي آند تي.

صُنعت الخلية الشمسية السيليكونية من بلورة واحدة من السيليكون. وباستخدام دقيق لعملية الإشابة، صُنعت وصلة . يكون الجانب من الوصلة رفيعًا جدًّا ومشوبًا بدرجة عالية للسماح للضوء بالانتقال للوصلة بدرجة قليلة جدًّا من التوهين، لكن التوصيل الكهربي الجانبي يكون كافيًا جدًّا لتجميع التيار للتماس الأمامي عبر مصفوفة من الأصابع الفضية. أما عن الجانب الخلفي من السيليكون، فهو مغطًّى بطبقة معدنية رقيقة، عادة من الألومنيوم. وقد بقي التركيب الأساسي للخلايا الشمسية السيليكونية كما هو دون تغيير حتى الآن.

أحدث الظهور الأول للخلية الشمسية في مدينة نيويورك ضجةً كبيرة، كانت تكلفة إنشاء مثل هذه الخلايا الشمسية عاليةً جدًّا. ومن منتصف خمسينيات القرن الماضي وحتى أوائل سبعينياته، كان البحث والتطوير في مجال الخلايا الكهروضوئية موجهًا بالأساس لتطبيقات الفضاء وطاقة الأقمار الصناعية. وفي عام 1976، أُنشئت وزارة الطاقة الأمريكية، وكذلك برنامج الخلايا الكهروضوئية. وبدأت وزارة الطاقة، إلى جانب العديد من المنظمات الدولية الأخرى، تمويل البحث في مجال الخلايا الكهروضوئية بمستويات ملحوظة، وسرعان ما أُنشئتْ صناعة الخلايا الشمسية الأرضية، وقد قلَّل التوفير الناجم عن الإنتاج واسع النطاق وكذلك التقدم التقني الحادث في المجال؛ من سعر الخلايا الشمسية على نحو كبير. ويعرض الشكل ١-٢٤ التطور السنوي لسعر ومعدل تركيب الخلايا الشمسية من عام 1980 حتى عام 2007.

شكل ١-٢٤: متوسط سعر ومعدل تركيب الخلايا الشمسية فيما بين عامي 1980 و2007. انخفض متوسط سعر الخلايا الشمسية بمقدار الثلثين من أكثر من 20$/Wp في عام 1980 إلى 6.5$/Wp في عام 1990. وقد زاد بانتظام معدل تركيب الخلايا الشمسية خلال تلك الفترة. المصدر: «صناعة الخلايا الكهروضوئية الشمسية»، تقرير «التوقعات العالمية» لعام 2008، مصرف دويتشه بنك.

(٤-٢) بعض المفاهيم عن الخلايا الشمسية

فيما يلي قائمة ببعض المصطلحات والمفاهيم الأساسية المتعلقة بالخلايا الشمسية:

(أ) ظروف الإضاءة القياسية

تُختبر كفاءة وقدرة خَرْج أي وحدة (أو خلية) شمسية في ظل الظروف القياسية التالية: شدة إضاءة مقدارها 1000W/m²، ودرجة حرارة محيطة 25 درجة مئوية، وطيف يرتبط بضوء الشمس الذي مر عبر الغلاف الجوي عندما كانت الشمس على ارتفاع 42 درجة من الأفق (حينها تكون كتلة الهواء 1.5، انظر ملحق الصور الشكل ١).

(ب) عامل الامتلاء

إن «فرق جهد الدائرة المفتوحة» هو فرق الجهد بين طرفي الخلية الشمسية في ظل ظروف الإضاءة القياسية عندما يكون للحمل مقاومة لامتناهية مفتوحة. في هذه الحالة، يكون التيار صفرًا. أما «تيار الدائرة الصغيرة» ، فهو تيار الخلية الشمسية في ظل ظروف الإضاءة القياسية عندما تكون مقاومة الحِمل صفرًا. في هذه الحالة، يكون فرق الجهد صفرًا. وباستخدام حمل مُقاوم ، سيكون فرق الجهد أصغر من ، والتيار أصغر من . وتكون القدرة مساويةً ﻟ . وتتحدَّد قدرة الخَرج القصوى من خلال ما يلي:

(1-27)

يوضح الشكل ١-٢٥ العلاقة بين هذه الكميات. وبالإشارة إلى نقطة القدرة القصوى بالرمزين و، تكون لدينا .

ويُعرف عامل الامتلاء لأي خلية شمسية كما يلي:

(1-28)

والقيمة النموذجية لعامل الامتلاء تتراوح بين 0.8 و0.9.

شكل ١-٢٥: القدرة القصوى وعامل الامتلاء. بتوصيل مقاوم حمل لطرفي خلية شمسية، تمد الخلية الشمسية الحمل بالطاقة. ونقطة القدرة القصوى تكون عندما تصل للحد الأقصى. عند هذه النقطة، يكون . من الواضح أن يكون دائمًا أصغر من و أصغر من . ويُعرف عامل الامتلاء لأي خلية شمسية كما يلي: .

(ﺟ) الكفاءة

تتحدد كفاءة أي خلية شمسية من خلال نسبة القدرة الكهربية الناتجة إلى قدرة الإشعاع الشمسي الداخلة في ظل ظروف الإضاءة القياسية عند نقطة القدرة القصوى. يعرض ملحق الصور الشكل ٥ لكفاءة أنواع الخلايا الشمسية المختلفة.

(د) واط الذروة

إن نسبة «واط الذروة» (Wp) لأي وحدة شمسية هي القدرة (ﺑ ) المُنتجة من قبل الوحدة في ظل ظروف الإضاءة القياسية عند نقطة القدرة القصوى. ومن الواضح أن قدرة الخَرج الفعلية لأي خلية شمسية تعتمد على ظروف الإضاءة الفعلية. ولمناقشة حول الإضاءة الشمسية، انظر الفصل الرابع.

(٤-٣) أنواع الخلايا الشمسية

كانت الخلية الشمسية المصنوعة من السيليكون البلوري هي أول خلية شمسية عملية اختُرعت في عام 1954. وبلغت كفاءة هذه الخلايا، مع التوسع في إنتاجها، بين 14 و20 بالمائة، وهي لا تزال الأعلى في الخلايا الشمسية الأحادية الوصلة. كما أن لها عمرًا طويلًا وجاهزية للإنتاج الواسع. وحاليًّا، هي ما تزال تمثل أكثر من 80 بالمائة من سوق الخلايا الشمسية. وهناك نوعان من هذه الخلايا: أحادية البلورة ومتعددة البلورات. إن الخلايا الشمسية المصنوعة من السيليكون غير البلوري ذات الأغشية الرفيعة؛ أرخصُ بكثير من نظيراتها المصنوعة من السيليكون البلوري، لكن الكفاءة تتراوح فقط بين 6 و10 بالمائة. وفيما بينهما الخلايا الشمسية ذات الأغشية الرفيعة المُصنَّعة من سيلينيد جاليوم إنديوم النحاس أو المُصنعة من تيلوريد الكادميوم وكبريتيد الكادميوم، بكفاءةٍ تصل إلى نحو 10 بالمائة، تمثِّل نحو 15 بالمائة من السوق، ونظرًا لمعامل الامتصاص العالي جدًّا، فإن كمية المواد المطلوبة تكون هنا قليلة، كما أن عملية الإنتاج أبسط؛ لذا فإن سعر الوحدة لكل واط ذروة يكون أقل من الخلايا الشمسية المصنوعة من السيليكون البلوري. وحاليًّا، ما تزال الخلايا الشمسية العضوية ذات كفاءة أقل وعمر أقصر، كما أن حصتها من السوق لا تُذكر؛ انظر ملحق الصور الشكل ٥. ويلخص الجدول ١-٦ الأنواع الرئيسية المتعددة للخلايا الشمسية.

جدول ١-٦: أنواع الخلايا الشمسية.

النوع	الكفاءة (بالنسبة المئوية)	التكلفة ($/Wp)	حصة السوق (بالنسبة المئوية)
خلايا السيليكون الأحادي البلورة	17–20	3	30
خلايا السيليكون المتعدد البلورات	15–18	2	40
خلايا السيليكون غير البلوري	5–10	1	5
الخلايا المُصنعة من سيلينيد جاليوم إنديوم النحاس	11–13	1.5	5
الخلايا المُصنعة من تيلوريد الكادميوم وكبريتيد الكادميوم	9–11	1.5	10

(٤-٤) ميزان الطاقة

من أجل إنتاج الخلايا الشمسية نحتاج إلى طاقة؛ لذا فإن دراسة عائد الطاقة على الطاقة المستثمرة مهمةٌ. سنناقش هنا ميزان الطاقة لأغلى نوع، ألا وهو: الخلايا الشمسية المصنعة من السيليكون البلوري. ويتضمَّن استثمار الطاقة ذلك الخاص بإنتاج السيليكون وقوالبه وشرائحه وإنتاج الخلايا وتجميع الوحدات والتركيب. هناك معيار يمكن استخدامه لتقييم ميزان طاقة الخلايا الكهروضوئية ألا وهو «وقت الاسترداد». بوضع الخلايا الشمسية في ظروف إضاءة شمسية معينة، ستنتج طاقة في شكل كهرباء. ووقت الاسترداد هو عدد السنوات التي يستغرقها إنتاج كهرباء من قبل الخلايا الشمسية لتعويض الطاقة المستثمرة في عملية الإنتاج والتركيب.

يمثل الشكل ١-٢٦ تقديرًا متحفظًا لوقت الاسترداد للخلايا الشمسية المصنعة من السيليكون البلوري في ظل ظروف التشميس الأوروبية [4]. بالنسبة لوسط أوروبا، التي معدل التشميس السنوي فيها 1000W/m²، فإن وقت الاسترداد يساوي 3.6 سنوات. وحيث إن عمر هذه الخلايا بوجه عام 25 عامًا، فإن عائد الطاقة على الطاقة المستثمرة الخاص بها يساوي 7. وفي جنوب أوروبا وأغلب المناطق في الولايات المتحدة الأمريكية، يكون عائد الطاقة على الطاقة المستثمرة أكثر من 10، كما أن عائد الطاقة على الطاقة المستثمرة بالنسبة للخلايا الشمسية ذات الأغشية الرفيعة أفضل، لكن نظرًا لأن كفاءتها أقل، فهي تتطلَّب مساحة أكبر لإنتاج نفس مقدار الطاقة.

شكل ١-٢٦: وقت الاسترداد للخلايا الشمسية المصنعة من السيليكون البلوري. تتضمَّن الطاقة المستثمرة لإنتاج خلية شمسية الطاقة المطلوبة لإنتاج السيليكون وقوالبه وشرائحه وإنتاج الخلايا والتركيب، وحتى في ظل ظروف التشميس غير المواتية، كما في وسط أوروبا، فإن وقت استردادها يكون أقل من 15 بالمائة من عمرها، مما يجعل عائد الطاقة على طاقتها المستثمرة يساوي 7 (انظر المرجع [4]).

(٥) فيما وراء الفيزياء

إن ضبط العوامل الفيزيائية لا يؤدي دائمًا إلى تنفيذ صناعي ناجح وإلى جلب فائدة عظيمة على البشرية. والطاقة الشمسية ليست استثناءً في هذا الشأن. فالاقتصاد والسياسة يلعبان دورًا مهمًّا. في هذا القسم، سنستعرض بعض الدروس التاريخية المهمة ونحلِّل السياق الاقتصادي والسياسي الذي يمكن في إطاره أن ينجح استخدام الطاقة الشمسية؛ ومن ثَم يفيد البشرية.

(٥-١) اقتصاد الطاقة الشمسية

يُظهر التاريخ السابق لسخانات الماء الشمسية في الولايات المتحدة الأمريكية بوضوحٍ التأثير المتبادل للفيزياء والهندسة والاقتصاد [17]. في القرن التاسع عشر، قبل اختراع نظم تسخين الماء الحديثة، كان تسخين الماء من أجل الاستحمام مكلفًا وصعبًا؛ فكان ينبغي تسخين الماء في إناء كبير على النار ثم سكبه في حوض الاستحمام. كان ذلك مكلفًا بوجه خاص في كاليفورنيا؛ حيث كان ينبغي استيراد وقود مثل الفحم، وكان الخشب ثمينًا. كانت الكهرباء والغاز الصناعي مكلفين جدًّا، لكن ضوء الشمس موجود بوفرة هناك، كما أن الطقس معتدل.

في عام 1891، حصل كلارنس كيمب على براءة اختراع لابتكاره سخان ماء شمسي اتسم بالكفاءة والعملية وكان اسمه «كلايمكس» (براءة اختراع أمريكية رقم: 451384). عندما سوَّقه كيمب في البداية في ميريلاند، لم يكن ناجحًا جدًّا؛ لذا باع حقه الحصري لرجلَيْ أعمال من مدينة باسادينا بكاليفورنيا، وبحلول عام 1900، بيعت 600 وحدة منه في جنوب كاليفورنيا وحدها. وكانت النتيجة أن السخان حقق نجاحًا تجاريًّا كبيرًا في كاليفورنيا، لكن هذا السخان كان به عيب يتمثَّل في أنه يحتاج لبضع ساعات من ضوء الشمس لتسخين الماء، وكانت درجة حرارة الماء بعد الغروب تنخفض بشدة؛ لذا كان يمكن استخدامه فقط في عصر الأيام المشمسة.

في عام 1910، اخترع وليم جيه بيلي سخان ماء شمسي باسم «داي آند نايت» وحصل على براءة اختراعه (براءة اختراع أمريكية رقم: 966070)، والذي حل المشكلات الكبرى في السخان السابق وأصبح الأساس لسخانات الماء الشمسية اللاحقة؛ انظر الشكل ١-٢٧؛ أولًا: المجمع الحراري أ مصنوع من شبكة متوازية من المواسير النحاسية الملحومة مع قطعة مسطحة من لوح نحاسي. ثانيًا: يُستخدم خزان ماء ﺟ موجود أعلاه، ومعزول بشدة بمادة الفلين، د. إن هذا التنظيم يسمح بدوران الماء من خلال «الحمل الحراري الطبيعي» و«تخزين الطاقة» الفعال. عندما يُسخَّن الماء من خلال ضوء الشمس، يقل وزنه النوعي، ويتدفق تلقائيًّا لأعلى عبر الماسورة ب ليصل إلى خزان الماء ﺟ، ثم يتدفق الماء الأكثر برودة تلقائيًّا لأسفل عبر الماسورة ﻫ، ليعود مرة أخرى للمجمع الحراري. وإذا كان العزل كافيًا، فيمكن أن يبقى الماء ساخنًا طوال الليل. وهكذا، فإن هذا النظام يعمل نهارًا وليلًا. وعلى الرغم من أن هذا النظام كان ثمنه حينها نحو 180 دولارًا، وهو مبلغ أعلى بكثير من ذلك الخاص بنظام «كلايمكس»، فسرعان ما جذب إليه المستهلكون وبلغت جملة مبيعاته بنهاية الحرب العالمية الأولى أكثر من أربعة آلاف قطعة. واضطر نظام «كلايمكس» للخروج من السوق.

شكل ١-٢٧: سخان الماء الشمسي «داي آند نايت». يبين الشكل المواسير النحاسية واللوح النحاسي الخاصة بالمجمع الحراري الشمسي. يعمل النظام من خلال الحمل الحراري الطبيعي: يرتفع الماء المُسخن من خلال ضوء الشمس في المجمع أ للخزان المعزول ﺟ. ثم يتدفق الماء البارد لأسفل من الخزان ﺟ عبر الماسورة ﻫ. لتعود إلى المجمع أ. المصدر: براءة الاختراع الأمريكية رقم: 966070، لعام 1911.

في أوائل عشرينيات القرن العشرين، اكتُشف الغاز الطبيعي بكميات وفيرة في حوض لوس أنجلوس. وكان سعر الغاز الطبيعي في عام 1927 يبلغ فقط ربع ذلك الخاص بالمدن في عام 1900. وقد حل سخان الماء الذي يعمل بالغاز، والذي يُعد أرخص كثيرًا فيما يتعلَّق بالاستثمار الأولي من السخان الشمسي وأكثر كفاءة في الاستخدام، بالتدريج محل سخانات الماء الشمسية التي كانت مشهورة قبل ذلك. سرعان ما تأقلمت شركة بيلي، التي كان لديها خبرة كبيرة في مجال نظم السخانات الشمسية، مع مجال سخانات الغاز. ومع احتفاظها باسمها «داي آند نايت»، سرعان ما أصبحت واحدة من أكبر الشركات المنتجة لسخانات الماء التي تعمل بالغاز في أمريكا.

إن انهيار مجال سخانات الماء الشمسية في كاليفورنيا لم يكن معناه انتهاءه تمامًا؛ فقد أصبحت فلوريدا، مع ازدهار مجال العقارات بها في عشرينيات القرن العشرين وحتى أربعينياته وعدم امتلاكها لغاز طبيعي، مركز سخانات الماء الشمسية؛ انظر الشكل ١-٢٨. وتشير التقديرات إلى أنه رُكب من 25 إلى 60 ألف سخان ماء شمسي في ميامي فيما بين عامي 1920 و1941. في أثناء الحرب العالمية الثانية، حدث ارتفاع كبير في أسعار النحاس. وبعد الحرب، حدث انخفاض في سعر الكهرباء. وكانت النتيجة أن حلت سخانات الماء الكهربية محل سخانات الماء الشمسية، وهكذا فقدت مجدها في الولايات المتحدة الأمريكية.

شكل ١-٢٨: سخان ماء شمسي «داي آند نايت» في فلوريدا. من عام 1920 وحتى عام 1941، صُنع ورُكب أكثر من 25 ألف سخان ماء شمسي في فلوريدا. وبعد 80 عامًا، ما زال الآلاف منها يعمل. تُظهر الصورة الفوتوغرافية، التي أخذها المؤلف في ميامي في أغسطس عام 2010، سخان ماء شمسيًّا مُركبًا في عام 1937. وخزان الماء المعزول مخفي على هيئة مدخنة. وحتى مع وجود كسر بإحدى وحدات السخان، فهو لا يزال يعمل على نحو جيد.

لكن بعد الحرب العالمية الثانية، وفي أنحاء أخرى من العالم، بدأت سخانات الماء الشمسية تنتشر، وبخاصة في إسرائيل. ففي منطقة صحراوية لا توجد بها مصادر طاقة وتشبه كاليفورنيا في أواخر القرن التاسع عشر، يمكن لتلك السخانات أن تكون ذات نفع اقتصادي كبير. وقد تحقق تطور كبير في التقنية الحرارية الشمسية، يتمثل في طلاء الامتصاص الانتقائي، في إسرائيل في خمسينيات القرن العشرين، وقد زاد بشدة من كفاءة تلك السخانات. ولاحقًا، أصبحت إسرائيل أول دولة تتطلَّب أن تشتمل كل المباني الجديدة المقامة بها على سخانات من هذا النوع.

(٥-٢) المعادل الأخلاقي للحرب

للسياسات الحكومية الخاصة بالطاقة تأثير كبير على تطوير الطاقة المتجددة؛ ففي الولايات المتحدة الأمريكية، أدَّت سياسات الطاقة الجديدة في عهد إدارة كارتر في سبعينيات القرن الماضي إلى عصر ذهبي من البحث والتطوير في مجال الطاقة المتجددة.

بعد الحرب العالمية الثانية، كان لدى أمريكا نفط خام رخيص، ظل سعره أقل من 20 دولارًا للبرميل (بسعر الدولار في يناير عام 2008) لثلاثة عقود. وفي عام 1973، تسبب حظر لتصدير النفط في نشوب أزمة الطاقة الأولى. وقفز سعر النفط الخام إلى مستويات عالية؛ انظر الشكل ١-٢٩.

بالمصادفة، تطابق توقيت أزمة الطاقة مع تنبؤ إم كينج هوبرت الذي أطلقه في عام 1956 بأنه بعد عام 1970 بفترة قصيرة سيكون إنتاج النفط الخام في أمريكا قد وصل إلى ذروته ثم يبدأ في الانخفاض؛ ارجع إلى الفصل الأول – قسم (٢)، لكن هذه المصادفة ليست عرضية. فمع بدء إنتاج النفط الخام في أمريكا في الانخفاض، كان لا يزال استهلاكه في ازدياد. ففي عام 1971، دفعت أمريكا 3.7 مليار دولار لاستيراد نفط خام، وفي عام 1977، زاد هذا المبلغ عشرة أضعاف ليصل إلى 37 مليار دولار (بسعر الدولار في عام 1977). ومن المعروف أن الاعتماد الزائد على النفط الأجنبي يفرض تهديدات اقتصادية وأمنية خطيرة.

في 18 أبريل من عام 1977، ألقى الرئيس الأمريكي حينها جيمي كارتر خطابًا متلفزًا عن سياسته الجديدة الخاصة بالطاقة، وقد أطلق على الصراع من أجل الحصول على استقلالية أكبر في مجال الطاقة «المعادل الأخلاقي للحرب»، وهو أمر بحسب ما قال «سيختبر شخصية الشعب الأمريكي.» ثم قال:

أريد الليلة أن أتحدث إليكم حديثًا غير سارٍّ عن مشكلة غير مسبوقة في تاريخنا. وباستثناء منع الحرب، هذه هي أكبر تحدٍّ ستواجهه بلادنا في خلال فترة حياتنا. إن مشكلة الطاقة لم تَصرعنا بعد، ولكنها ستفعل إذا لم نتحرك بسرعة.

إنها مشكلة لن نحلها في الأعوام القليلة القادمة، ومن المحتمل أن تزداد سوءًا تدريجيًّا عبر ما تبقَّى من هذا القرن.

يجب ألَّا نكون أنانيين أو جبناء إذا أردْنا أن نوفِّر عالمًا كريمًا لأبنائنا وأحفادنا.

يجب ببساطة أن نُوجِد توازنًا بين طلبِنا للطاقة ومصادرِنا التي تتقلَّص على نحوٍ سريع. وبالتحرُّك الآن، يمكننا التحكُّم في مستقبلنا بدلًا من أن نجعله يتحكَّم هو فينا.

شكل ١-٢٩: تاريخ سعر النفط الخام، بسعر الدولار في عام 2008 للبرميل. المصدر: إدارة معلومات الطاقة الأمريكية.

تتضمَّن النقاط الرئيسية لسياسة كارتر الخاصة بالطاقة؛ ترشيدَ استهلاك الطاقة وزيادةَ استكشاف الطاقة التقليدية المحلية وتطويرَ مصادر طاقة متجددة. بحسب ما قال الرئيس كارتر: «يجب أن نبدأ الآن في تطوير مصادر الطاقة الجديدة غير التقليدية التي سنعتمد عليها في القرن القادم.» بعد الخطاب ببضعة أيام، وقَّع على قانون تنظيم وزارة الطاقة، وفي الرابع من أغسطس من عام 1979، أنشأ وزارة الطاقة الأمريكية. ثم مُرر قانون الطاقة الوطنية في عام 1978 الذي توجد به حوافز ضريبية لمشروعات الطاقة المتجددة، وبخاصة الطاقة الشمسية. وقد أعطى هذا التشريع دفعة قوية للبحث والتطوير في مجال سخانات الماء الشمسية والخلايا الشمسية والمباني التي تعتمد على الشمس كمصدر للطاقة، وقد زاد معدل تركيب هذه الأجهزة على نحو كبير.

لكي يحفز كارتر شعبه بتقديم قدوة لهم، ركب في العشرين من يونيو من عام 1979 سخان ماء شمسيًّا مكونًا من 32 لوحًا على سقف البيت الأبيض؛ انظر الشكل ١-٣٠. وفي الاحتفال، عبر عن رؤيته المثالية قائلًا:

بعد جيل من الآن، سخان الماء الشمسي هذا يمكن أن يكون مصدرًا للفضول أو قطعة أثرية أو مثالًا على طريق لم نتخذه أو جزءًا صغيرًا من واحدة من أعظم المغامرات التي خاضها الشعب الأمريكي وأكثرها إثارة … للاستفادة من طاقة الشمس في إثراء حياتنا ونحن نسعى للابتعاد عن اعتمادنا المدمر على النفط الأجنبي.

شكل ١-٣٠: جيمي كارتر يركب سخان ماء شمسيًّا أعلى البيت الأبيض في 20 يونيو من عام 1979. لقد كان يأمل أن يكون هذا «جزءًا صغيرًا من واحدة من أعظم المغامرات التي خاضها الشعب الأمريكي وأكثرها إثارة … للاستفادة من طاقة الشمس في إثراء حياتنا ونحن نسعى للابتعاد عن اعتمادنا المدمر على النفط الأجنبي». الصورة معروضة بإذن من مكتبة جيمي كارتر، أتلانتا، جورجيا.

في عام 1978، سنَّت إدارة كارتر قانون الطاقة الوطنية الأول لزيادة كفاءة استهلاك الوقود وإنتاج الطاقة المتجددة، وزاد تمويل البحث والتطوير المتعلِّقان بالطاقة المتجددة على نحو كبير. وقد أعطى قانون ضريبة الطاقة، الذي يُعد جزءًا من القانون السابق، خصمًا فيما يتعلَّق بضريبة الدخل على أصحاب المساكن الخاصة الذين يستخدمون مصادر طاقة الرياح أو الطاقة الشمسية أو الحرارية الأرضية، لكن انتهت مدة هذا القانون في عام 1986. لكن العديد من الدول الأخرى حذت حذو الولايات المتحدة الأمريكية وقدمت دعمًا ماليًّا حكوميًّا لاستخدام الطاقة المتجددة.

كما توقع جيمي كارتر، تجمَّعت عوامل عديدة في السنوات المتبقية من القرن العشرين لجعل مشكلة الطاقة «أكثر سوءًا تدريجيًّا»: فنظرًا لوجود انخفاض منتظم في إنتاج النفط الخام واستهلاك متزايد له، فقد زاد استيراد أمريكا له من 1.8 مليار برميل في عام 1980 إلى 5 مليارات برميل في العقد الأول من القرن الحادي والعشرين. وزاد سعر النفط الخام (بسعر الدولار في عام 2008) من نحو 20 دولارًا إلى أكثر من 100 دولار للبرميل في أواخر العقد الأول من القرن الحادي والعشرين؛ ارجع إلى الشكل ١-٢٩. وقد عاودت أزمة سبعينيات القرن العشرين النفطية الظهور، ولكن في سياق مخيف أكثر: فطبقًا لهوبرت، في أوائل العقد الأول من القرن الحادي والعشرين، سيصل إنتاج العالم للنفط الخام إلى مستويات عالية جدًّا، ثم سيبدأ في الانخفاض؛ ارجع إلى الفصل الأول – قسم (٢). وتشهد حاليًّا أكبر دولتين في العالم من حيث تعداد السكان، الهند والصين، نموًّا اقتصاديًّا سريعًا، وتستهلكان نسبة متزايدة من الإنتاج المتراجع للنفط الخام العالمي، ولدى كلٍّ من هاتين الدولتَيْن قدرٌ محدود جدًّا من النفط الخام؛ ومن ثَم تعانيان من أزمة طاقة أشد قسوة.

(٥-٣) سخانات الماء الشمسية حول العالم

كما أوضحنا، اختُرع سخان الماء الشمسي في الولايات المتحدة الأمريكية، وكان منتشرًا جدًّا هناك في النصف الأول من القرن العشرين. مع ذلك، ورغم أزمة الطاقة وتحفيز الحكومة القوي في سبعينيات القرن العشرين، لا يزال حجم تركيب هذه السخانات هناك قليلًا جدًّا، لكن في العقود الأخيرة حدث نمو كبير في تلك السخانات على مستوى العالم، وبخاصة في الصين. وكما هو موضح في الشكل ١-٣١، في عام 2007، ركبت الصين 80 بالمائة من سخانات الماء الشمسية الجديدة بسعة 16GW؛ إن سعة التركيب الإجمالية لهذا النوع من السخانات هناك 84GW، مما يمثل ثلثي إجمالي السعة العالمية.

شكل ١-٣١: معدلات التركيب العالمي لسخانات الماء الشمسية. على مستوى العالم، يزيد معدل تركيب سخانات الماء الشمسية على نحو سريع، وأغلب النمو يحدث في الصين. المصدر: «تقرير الوضع العالمي لمصادر الطاقة المتجددة»، تحديث 2009 (http://www.ren21.net).

(أ) سوق بِكر هائلة

تشبه سوق سخانات الماء الشمسية في الصين إلى حد بعيد تلك الخاصة بكاليفورنيا في أواخر القرن التاسع عشر. حتى ثمانينيات القرن العشرين، لم يكن لدى نحو مليار شخص في الصين ماء ساخن جارٍ، وقد جعل تحسن مستوى المعيشة هناك الماء الساخن ضرورة حياتية، لكن الغاز الطبيعي وزيت التسخين أو المازوت غاليا الثمن وغير متاحَيْن بوجه عام، كما أن الكهرباء غالية الثمن، هذا بالإضافة إلى أن تكلفة الوَحْدة التي تُسخِّن الماء باستخدام الوقود الحفري مقاربةٌ لتلك التي تستخدم ضوء الشمس؛ لذا تُعدُّ الصين تربةً مثاليةً يمكن أن تنموَ فيها صناعة سخانات الماء الشمسية.

(ب) التطور التقني ووفورات الحجم

حتى وقت قريب، كانت غالبية سخانات الماء الشمسية في العالم الغربي تستخدم المُجَمِّعات الحرارية ذات الألواح المسطحة على نحو مشابه لنظام «داي آند نايت» (ارجع إلى الشكل ١-٢٨) وألواح البيت الأبيض الشمسية (ارجع إلى الشكل ١-٣٠)، لكن هذا التركيب غير مناسب إلى حد بعيد لعملية الإنتاج على نطاق واسع. فهو يستخدم قدرًا كبيرًا من النُّحاس، وهذا عامل رئيسي لتراجعه أثناء الحرب العالمية الثانية وبعدها، كما أن فقدان الحرارة نتيجة للتوصيل الحراري عبر النافذة الزجاجية واللوح الخلفي هائل، ووجود العديد من الأجزاء المعدنية المكشوفة يقلل من عمره. أما المجمع الحراري ذو الأنبوب الفارغ، الذي اخترعه المهندس الأمريكي وليم إل آر إيميت في عام 1911 (براءة اختراع أمريكية رقم: 980505)، فله خواص رائعة، لكنه، لعقود عديدة، كان غالي الثمن ومعقدًا في إنتاجه. وفي أوائل ثمانينيات القرن العشرين، حدث تحسين كبير فيه. وابتُكر في النهاية سخان ماء شمسي بسيط وكفء للغاية ووصل لأقصى مراحل التطوُّر؛ انظر الشكل ١-٣٢.

شكل ١-٣٢: سخان ماء شمسي ذو أنبوب مفرغ. (أ) مخطط لسخان ماء شمسي ذي أنبوب مفرغ. كل مجمع حراري به أنبوب زجاجي مزدوج الجدار. ويعمل النظام تلقائيًّا بمقتضى مبدأ الحِمل الحراري الطبيعي. (ب) صورة فوتوغرافية للنظام.

يعرض الشكل ١-٣٢(a) تصميم سخان الماء الشمسي ذي الأنبوب المفرغ. يشتمل كل مُجمع حراري على أنبوب زجاجي مزدوج الجدار. والمساحة فيما بين الأنبوب الخارجي والأنبوب الداخلي مُفرغة إلى درجة عالية، على نحو مماثل لما يحدث في أي تُرمس. وعلى السطح الخارجي للأنبوب الداخلي، يُوضع غشاء لديه القدرة على الامتصاص الانتقائي. وبالنسبة لضوء الشمس الذي يكون في الغالب قريبًا من نطاق الضوء المرئي والأشعة تحت الحمراء، فإن معامل الامتصاص يصل إلى نحو 95 بالمائة. وبالنسبة لإشعاع الضوء تحت الأحمر البعيد الناتج عن الماء الساخن (من 80 إلى 100 درجة مئوية)، يصل معامل الانبعاث إلى نحو 5 بالمائة. وتمنع الجُلبة الفراغية على نحو تام التوصيل الحراري. ويعمل النظام بالكامل تلقائيًّا بمقتضى مبدأ الحِمل الحراري الطبيعي، فيتدفق الماء المُسخن من خلال ضوء الشمس الذي يقل وزنه النوعي لأعلى للخزان المعزول. وبالمثل، يتدفَّق الماء البارد لأسفل من الخزَّان إلى أنابيب المجمعات الحرارية. تظهر صورة فوتوغرافية لهذا النظام في الشكل ١-٣٢(b). بوجه عام، يُستخدم من 10 إلى 40 أنبوبًا مفرغًا في النظام الواحد. يُعزَل خزان الماء بالبولي يوريثان فوم، وتقل فقط درجة حرارة الماء بضع درجات أثناء الليل؛ لذا فإن هذا النظام يمكنه توفير ماء ساخن ليلًا ونهارًا.

يسهل التصميم أيضًا من عمليتي الشحن والتخزين، فتُشحن الأنابيب والخزَّان وأجزاء الهيكل في ثلاثة صناديق كرتونية منفصلة مستطيلة الشكل. ثم يُجمَّع النظام في مكان التركيب.

ونظرًا لأن الأنابيب المفرغة مصنوعةٌ من زجاج البوروسيليكات (البايركس)، فإن الغشاء الذي لديه القدرة على الامتصاص الانتقائي يخضع لدرجة تفريغ عالية، وعادة ما يُصنَع الخزان من صُلب مقاوم للصدأ ذي جودة عالية. وما لم يتعرض النظام للكسر بسبب التعامل العنيف معه، فيمكن أن يعيش لعدة عقود. بالإضافة إلى ذلك، هذه الأجزاء مناسبة للإنتاج الآلي على نطاق واسع. وحاليًّا، يُصنع نحو 200 مليون أنبوب مُفرغ ونحو 10 ملايين خزان ماء معزول كل عام.

تمنح السوق الضخمة مزايا فيما يتعلَّق بالتكلفة من خلال وفورات الحجم. فمتوسط التكلفة التي يتكبدها المُنتِج عن كل وحدة ينخفض مع زيادة حجم الإنتاج. ونظرًا لجهود الأتمتة الحثيثة، فإن تكلفة تصنيع الأنابيب المفرغة تقل لتصل إلى بضعة دولارات عن الأنبوب الواحد، وهو أمر لم يكن من الممكن تخيُّله منذ بضعة عقود مضت. ويزيد انخفاض سعر سخانات الماء الشمسية من حجم السوق، كما أن اتساع السوق يساعد أكثر في تحسين عملية التصنيع؛ ونتيجة لذلك فإن مجال سخانات الماء الشمسية في الصين مجال مستدام «من دون حوافز مالية من جانب الحكومة».

(ﺟ) نموذج عمل شركة هيمين

من المفيد أن نعرف كيف استطاعت صناعة سخانات الماء الشمسية العملاقة أن تنمو عبر تلك الفترة الزمنية القصيرة؛ لهذا زرت مقر أكبر مُصنِّع في العالم لسخانات الماء الشمسية، مجموعة هيمين للطاقة الشمسية، وقابلت مؤسسها ورئيس مجلس إدارتها، السيد هوانج مينج في بكين، عندما حضر الجلسة العامة للمجلس الوطني لنواب الشعب الصيني. وحينها حصلت منه على عدد من المستندات الداخلية لشركته.

في عام 1978، عندما كان هوانج مينج طالبًا في معهد شرق الصين للنفط، أدرك أن احتياطي النفط الخام في العالم سينفد خلال خمسين عامًا، وأن احتياطي الصين منه سينفد قبل ذلك. وبعد تخرُّجه بعدة أعوام، أصبح مهندسًا بحثيًّا معروفًا في مجال حفر آبار النفط، لكن تجربته الشخصية عزَّزت من تشاؤمه فيما يتعلَّق بمستقبل النفط.

في عام 1987، وبالصدفة، عثر على كتاب دوفي وبيكمان «العمليات الحرارية للطاقة الشمسية». وبقراءته من البداية للنهاية والقيام بتجارب عملية باستخدام أموال جناها من بيع إحدى براءات الاختراع، أصبح مقتنعًا بأن ضوء الشمس هو الحل الأمثل لمشكلة الطاقة، وأصبحت الطاقة الشمسية هي شغفه في الحياة. ومنذ ذلك الحين، أصبح يقضي ثلث اليوم في معهد النفط والثلث الآخر في العمل في المنزل على مشروعات خاصة بالطاقة الشمسية والثلث الأخير في النوم والأكل. وقد أهدى سخان الماء الشمسي الذي صنعه بيده لأصدقائه وأقاربه، وركب نظامًا في مركز ترفيه للأطفال.

في عام 1995، ترك عمله في مجال النفط وأسس شركته الخاصة. واختار الاسم الصيني للشركة، هيمين، كنوع من التجانس الصوتي مع اسمه، للدلالة على إخلاصه لهذا العمل. وفي غضون عشرة أعوام، نمت شركته لتصبح واحدة من كبرى شركات تصنيع سخانات الماء الشمسية في العالم دون أي دعم حكومي. وفي عام 2009، أنتجت الشركة أكثر من مليوني متر مربع من المجمعات الحرارية الشمسية، والذي يعادل 2GW من الاستخدام الأقصى للطاقة الشمسية. وفي مايو 2006، دُعي هوانج مينج من قبل الأمم المتحدة لتقديم نموذج العمل الخاص بشركته في المؤتمر الرابع عشر للجنة الأمم المتحدة للتنمية المستدامة، الذي عُرف لاحقًا باسم «نموذج عمل شركة هيمين».

يعرض الشكل ١-٣٣ مخططًا لنموذج العمل الخاص بشركة هيمين. تتمثَّل النقطة الأساسية هنا في إنشاء سوق جديدة عبر التعليم والتنوير في مجال تبسيط العلوم. ففي عام 1996، بعد تأسيس شركة هيمين على الفور، أُنشئت الرسالة الإخبارية الأسبوعية «بوبيولر سولار إنرجي»، التي أصبحت الأداة التسويقية الأساسية للشركة، مع وصول إجمالي النسخ الموزعة منها على نحو تراكمي إلى 300 مليون نسخة في عام 2010. نظمت الشركة العديد من الرحلات المعنية بتبسيط العلوم، التي سافرت مسافات قدرها 80 مليون كم عبر أنحاء الصين. ونظرًا لأن سخان الماء الشمسي لا يزال يمثل للأسرة المتوسطة في الصين استثمارًا رأسماليًّا كبيرًا، فيجب أن يعتمد قرار شرائه على التفكير المتروي؛ لذا كان هؤلاء الأشخاص المثقفون الذين تعلَّموا على يد الشركة هم أول المشترين لمنتجها، ثم أصبحوا مسوِّقين متطوِّعين له. ويعتمد نموذج عمل هيمين على ثلاثة محاور (انظر الشكل ١-٣٣):

المحور الأول: هو دورة الإنتاج الأساسية. وتتمثَّل استراتيجية الشركة في اتباع أعلى معايير التميز. يُعد سعر التجزئة الخاص بمنتجها هو الأعلى في السوق، لكن نظرًا للأبحاث المستفيضة التي تُجرى عليه وخضوعه لمراقبة جودة دقيقة، فإن مشاكله قليلة وعمره طويل؛ ومن ثم فالجودة العالية تضمن سمعته في السوق.

شكل ١-٣٣: نموذج عمل شركة هيمين الخاص بالطاقة الشمسية. يتكوَّن هذا النموذج من ثلاثة محاور: المحور الأول مماثل لدورة العمل العادية؛ فمراقبة الجودة الدقيقة وخدمة ما بعد البيع الجيدة تبنيان اسم العلامة التجارية، كما أن الإنتاج على نطاق واسع يقلِّل تكلفة الوحدات. ويتمثَّل المحور الثاني في الاستثمار بقوة في التعليم في مجال تبسيط العلوم باعتباره وسيلة التسويق الرئيسية. أما عن المحور الثالث، فيكمن في الضغط من أجل تغيير سياسات الطاقة بحيث تدعم الطاقة المتجددة وزيادة وعي الناس بأهمية هذه الطاقة. المصدر: محضر المؤتمر الرابع عشر للجنة الأمم المتحددة للتنمية المستدامة، نيويورك، 2006.

المحور الثاني: يركز على أهمية التعليم والتنوير في مجال تبسيط العلوم. فبالإضافة إلى الاستثمار في الشركة، فإن قدرًا كبيرًا من الأرباح يُستثمَر في مجال التعليم العلمي لضمان فهم العملاء لطريقة عمل النظام الذي تقدمه الشركة ولكيفية اختيار المنتج الجيد أو القطعة الجيدة.

المحور الثالث: يركز على أهمية الضغط من أجل تغيير سياسات الطاقة لدعم الطاقة المتجددة وزيادة وعي الناس بأهمية هذه الطاقة. وهذا أيضًا عامل مهم في نجاحها. ففي عام 2003، انتخب سكان مدينة ديزو المحليون، وعلى وجه الخصوص موظفو شركة هيمين، هوانج مينج ليصبح عضوًا في المجلس الوطني لنواب الشعب الصيني. واستطاع بعدها هوانج الحصول على دعم 60 نائبًا لطرح قانون الطاقة المتجددة، الذي مُرر في ربيع عام 2005. وقد شجع القانون الحكومات المركزية والمحلية على إقامة مشروعات خاصة بالطاقة المتجددة وتقديم الدعم الحكومي لتقنية الطاقة الشمسية ومنتجاتها.

وفي عام 2008، اختار الاتحاد الدولي للطاقة الشمسية مدينة ديزو، وهي مقر شركة هيمين، لاستضافة مؤتمر المدينة الشمسية الدولية لعام 2010. وفي نحو ذلك الوقت، انتُخب مينج نائبًا لرئيس الاتحاد الدولي للطاقة الشمسية. وقد اكتمل في عام 2009 مقر هذا المؤتمر، معبد أبوللو بديزو، وهو متحف وقاعة وفندق على مساحة تبلغ 800 ألف قدم مربعة، يحصل على 65 بالمائة من طاقته من الشمس؛ انظر ملحق الصور الشكل ١٥.

(٥-٤) الخلايا الكهروضوئية: نحو تكافؤ الشبكة

لأن سخانات الماء تستهلك أقل من 10 بالمائة من الطاقة الإجمالية، فإن معظم الطاقة المطلوبة، وبخاصة الكهرباء، يمكن توفيرها فقط من خلال الخلايا الكهروضوئية أو وسائل أخرى لتوليد الكهرباء من الشمس. وبالمقارنة بسخانات الماء الشمسية، فإن القدرة الإجمالية للخلايا الكهروضوئية الشمسية المركبة في العالم أقل بكثير. ففي عام 2008، رُكب 6.08GWp من الخلايا الكهروضوئية في العالم. ووصل التركيب التراكمي في عام 2008 إلى 15GWp. ويوضح الشكل ١-٣٤ التركيب ومعدل النمو السنويَّيْن للعالم ككل من عام 1990 إلى عام 2008.

شكل ١-٣٤: تركيب الخلايا الكهروضوئية الشمسية فيما بين عامَيْ 1990 و2008. التخطيط العمودي: التركيب السنوي العالمي للألواح الكهروضوئية الشمسية. المنحنى الفراغي: معدل النمو السنوي. المصدر: «صناعة الخلايا الكهروضوئية الشمسية»، تقرير «التوقعات العالمية» لعام 2008، مصرف دويتشه بنك.

كما هو واضح، يمثل التركيب فيما يتعلَّق بواط الذروة من الخلايا الكهروضوئية فقط نحو عُشر ذلك الخاص بسخانات الماء الشمسية. والعامل المحدد هنا ببساطة هو العامل الاقتصادي. كما هو موضح في الفصل الأول – قسم (٤-١)، على الرغم من أن الخلايا الشمسية العملية اختُرعت في عام 1954، فقد كانت تكلفة التصنيع عالية جدًّا، وكانت التطبيقات الرئيسية هي الفضاء والمجالات العسكرية. وفي أواخر سبعينيات القرن العشرين وأوائل ثمانينياته، ونتيجة للتحفيز الذي قدمه قانون الطاقة الوطنية، تحقق تطور هائل في الكفاءة والتكلفة؛ ارجع إلى الشكل ١-٢٤. واستمر الانخفاض التدريجي في تكلفة تصنيع الخلايا الشمسية في تسعينيات القرن العشرين وأوائل العقد الأول من القرن الحادي والعشرين. ففي عام 2003، انخفض سعر الخلية الشمسية لكل واط ذروة ليصل إلى 6.50 دولارات، لكن الكهرباء المولدة من الشمس ما زالت أغلى بكثير من تلك المولدة من مصادر الطاقة التقليدية، وبخاصة الفحم والطاقة المائية، التي يتراوح سعرها بين 0.05 و0.10$/kWh. وبتضمين الحوامل والعواكس والمعدات المطلوبة، وصلت تكلفة الألواح الشمسية المركبة لكل Wp في عام 2003 إلى نحو 10 دولارات. ويوضح الجدول ١-٧ تكلفة توليد 1kWh من الطاقة الكهربية من خلال خلايا شمسية في مناطق ذات معدلات تشميس مختلفة.

من أجل تشجيع استخدام الطاقة الشمسية، في تسعينيات القرن العشرين، سنَّت الكثير من الدول الأوروبية «قانون تعريفة الإمداد بالطاقة المتجددة» الذي يضمن وصول الطاقة الكهربية المولدة من أي نظام كهروضوئي شمسي لشبكة التغذية الرئيسية بعد شرائه بسعر يعتمد على تكلفته. يمكن أن تصل مدة ضمانات الشراء هذه إلى 20 أو 25 عامًا، لكن السعر يمكن أن ينخفض طبقًا للانخفاضات المتوقعة في التكلفة. وسع القانون على نحو كبير سوق الخلايا الكهروضوئية الشمسية، لكنه تسبَّب أيضًا في تذبذبات غير متوقعة. على سبيل المثال، في عام 2007، رفعت إسبانيا سعر شراء الطاقة من النظم الكهروضوئية الكبيرة إلى 0.42€/kWp بعد أن كان 0.18€/kWp في عام 2006. على الفور، زاد التركيب من 61mWp في عام 2006 إلى 591mWp في عام 2007، ثم إلى 2700mWp في عام 2008. وفجأة وجدت الحكومة الإسبانية أن السعر لم يعد مناسبًا، فقللته إلى 0.32€/kWp بدايةً من عام 2009. وفي عام 2009، انخفض التركيب إلى أقل من 200MWp.

جدول ١-٧: التكلفة لكل kWh من الكهرباء المولدة من الشمس لمختلف الحالات.

التشميس kWh/m²/day	تكلفة الخلية الكهروضوئية المركبة لكل Wp
التشميس kWh/m²/day	دولاران	4 دولارات	6 دولارات	8 دولارات	10 دولارات
3	0.073 دولار	0.146 دولار	0.219 دولار	0.292 دولار	0.365 دولار
4	0.054 دولار	0.109 دولار	0.164 دولار	0.219 دولار	0.273 دولار
5	0.043 دولار	0.087 دولار	0.131 دولار	0.175 دولار	0.219 دولار
6	0.036 دولار	0.073 دولار	0.109 دولار	0.146 دولار	0.182 دولار

شكل ١-٣٥: سعر الخلايا الشمسية من موردَيْن كبيرَيْن لها فيما بين عامَيْ 2007 و2010. يعرض الشكل البيانات الحالية والمتوقعة الخاصة باثنين من كبار مُصنِّعي الخلايا الشمسية. تُعد شركة فيرست سولر أكبر مُصنِّع في العالم للخلايا الشمسية ذات الأغشية الرفيعة المصنوعة من تيلوريد الكادميوم وكبريتيد الكادميوم. وتُعد شركة ينجلي أكبر مُصنِّع في العالم للخلايا الشمسية متعددة البلورات، وهي تُعد أيضًا واحدة من كبرى الشركات المنتجة للخلايا الشمسية في العالم فيما يتعلَّق بالتكامل الرأسي. المصدر: «صناعة الخلايا الكهروضوئية الشمسية»، تقرير «التوقعات العالمية» لعام 2008، مصرف دويتشه بنك.

مع ذلك، فإن الزيادة الهائلة في الطلب فيما بين عامَيْ 2007 و2008 ساعدت على حدوث انتعاش غير مسبوق في صناعة الخلايا الشمسية، خاصة في الولايات المتحدة الأمريكية وآسيا. وهنا برز ثانيةً دور وفورات الحجم، في شكل التكامل الرأسي. هناك تكامل رأسي في شركة فيرست سولر الأمريكية بمعنى أنها تُصمِّم وتُصنِّع بنفسها الوحدات المطلوبة لإنتاج الخلايا الشمسية؛ ومن ثَم فإن قدرتها الإنتاجية تزيد بسرعة. هناك أيضًا تكامل رأسي كبير في شركة ينجلي سولر الصينية التي مقرها مدينة باودينج، وشركة رينيوابل إنرجي النرويجية، اللتين تُعدان من أهم مُصنِّعي الخلايا الشمسية المصنوعة من السيليكون المتعدد البلورات، لدرجة أنهما بدأتا بإنتاج السيليكون الخام من مناجم السيليكا وانتهتا بتركيب الألواح الشمسية. في عام 2009، أُنتج 49 بالمائة من الخلايا الشمسية في العالم في الصين وتايوان، وكان أغلبها خلايا شمسية مُصنعة من السيليكون المتعدد البلورات ذات كفاءة عالية. يوضح الشكل ١-٣٥ إحصائيات شركتَيْ فيرست سولر وينجلي. كما هو موضح، في عام 2009، انخفضت تكلفة تصنيع الخلايا الشمسية ذات الأغشية الرفيعة المصنوعة من تيلوريد الكادميوم الخاصة بشركة فيرست سولر إلى 0.80$/Wp، ووصل سعر التجزئة الخاص بها إلى 1.50$/Wp. وبلغت تكلفة تصنيع الخلايا الشمسية المصنعة من السيليكون المتعدد البلورات الخاصة بشركة ينجلي ذات نسبة الكفاءة القريبة من 20 بالمائة 1.50$/Wp، ووصل سعر التجزئة الخاص بها إلى 2$/Wp. ومن المتوقع أن تقل التكلفة والسعر على نحو مستمر في الأعوام القادمة. (مؤخرًا، أعلنت شركة ينجلي أن سعر بيع الألواح الشمسية التي من السيليكون المتعدد البلورات سيقل عن 1$/Wp.)

وفقًا لإحصائيات مصرف دويتشه بنك وتحليله، ونظرًا للتأثير المجمع للزيادة الكبيرة في القدرة على إنتاج الخلايا الشمسية والركود، في عام 2009، انخفض سعر الخلايا الشمسية في السوق الدولية على نحو كبير. وحدثت هزة عنيفة في الصناعة، فيما يتعلَّق بموردي السيليكون النقي والخلايا الشمسية. وبعد فترة وجيزة من وفرة العرض، سيقلُّ سعر الخلايا الشمسية لمستوى تكون عنده تكلفة الكهرباء المولدة من الشمس قريبةً من تلك المولدة، على سبيل المثال، من محطات الكهرباء العاملة بالفحم؛ أي ستصل إلى ما يُطلق عليه «تكافؤ الشبكة»؛ انظر الشكل ١-٣٦. يعتمد إيقاع الوصول إلى تكافؤ الشبكة على الوضع المحلي؛ ومن ثَم هو يختلف من مكان لآخر. فبالنسبة للأماكن التي تكلفة الكهرباء بها عالية مثل هاواي وكونيتيكت وكاليفورنيا ونيويورك، وبخاصة الأماكن التي بها معدل تشميس عالٍ، ستصل الخلايا الشمسية إلى تكافؤ الشبكة على نحو أسرع، أما بالنسبة للمناطق التي أسعار الكهرباء بها منخفضة، مثل ويست فيرجينيا ووسط غرب الصين، وبخاصة الأماكن ذات معدل التشميس المنخفض، فستصل على نحو أبطأ، لكن الاتجاه الذي تزيد فيه تكلفة الكهرباء المولدة من الوقود الحفري وتقل فيه تكلفة الكهرباء المولدة من الشمس حتمي. وستحل الكهرباء المولدة من الشمس تدريجيًّا محل تلك المولدة من الوقود الحفري.

شكل ١-٣٦: توقع الوصول إلى تكافؤ الشبكة. طبقًا لتوقُّعٍ قام به مصرف دويتشه بنك، سيصل نوعا الخلايا الشمسية الأكثر وعدًا، الخلايا الشمسية المصنوعة من السيليكون البلوري والخلايا الشمسية ذات الأغشية الرفيعة المصنوعة من تيلوريد الكادميوم؛ إلى تكافؤ الشبكة في نحو عام 2013. وبعد عام 2013، يمكن أن تقل تكلفة الكهرباء المولدة من الشمس عن تلك الخاصة بمصادر الكهرباء التقليدية وذلك في أماكن عديدة في العالم. المصدر: «صناعة الخلايا الكهروضوئية الشمسية»، تقرير «التوقعات العالمية» لعام 2008، مصرف دويتشه بنك.

يوضح الشكل ١-٣٧ معدلات النمو السنوي المتوسط لمصادر الطاقة المتجددة فيما بين عامَيْ 2002 و2006، كما أفادت شبكة سياسات الطاقة المتجددة للقرن الحادي والعشرين [1]. كما هو موضح، يتجاوز بنحو واضح معدل النمو المتوسط للخلايا الكهروضوئية الشمسية الموصلة بشبكة الكهرباء، الذي يصل إلى أكثر من 60 بالمائة، ذلك الخاص بمصادر الطاقة الأخرى. في عام 2006، كانت نسبة الخلايا الكهروضوئية الشمسية 0.07 بالمائة وهي نسبة ضئيلة جدًّا، لكن إذا استطاع معدل النمو الخاص بالخلايا الكهروضوئية في المستقبل الحفاظ على نسبة الأربعين بالمائة، ففي غضون 20 عامًا، أو بحلول عام 2030، ستوفر تلك الخلايا أكثر من 50 بالمائة من الطاقة المطلوبة.

شكل ١-٣٧: معدلات النمو السنوي المتوسط لمصادر الطاقة المتجددة فيما بين عامَيْ 2002 و2006. يتجاوز بكثير معدل النمو السنوي للخلايا الكهروضوئية الشمسية الموصلة بشبكة الكهرباء ذلك الخاص بمصادر الطاقة المتجددة الأخرى، وحتى ذلك الخاص بمصادر الطاقة التقليدية. لكن في المستقبل إذا استطاع معدل نمو تلك الخلايا الحفاظ على نسبة الأربعين بالمائة، ففي غضون 20 عامًا، أو بحلول عام 2030، ستوفر 50 بالمائة من الطاقة المطلوبة، وتصبح مصدر الطاقة الرئيسي. المصدر: «تقرير الوضع العالمي لمصادر الطاقة المتجددة لعام 2007»، شبكة سياسات الطاقة المتجددة للقرن الحادي والعشرين [1].

مسائل

(1-1) في الولايات المتحدة، الوحدة الحرارية البريطانية (Btu) تعريفها: الطاقة المطلوبة لرفع درجة حرارة رطل واحد من الماء درجة واحدة فهرنهايت. أثبت لأقرب تقدير أن الوحدة الحرارية البريطانية الواحدة تساوي 1kJ.
(1-2) بالتقريب (لأقل أو أكثر من 5 بالمائة)، ما مقدار الطاقة الموجودة في مليار برميل من النفط GJ وMWh؟
(1-3) تبلغ مساحة ولاية نيو مكسيكو 121666mi²، ويبلغ متوسط معدل التشميس السنوي (أي عدد الساعات التي يوجد بها ضوء شمس كامل على سطح أفقي) 2200h. إذا كان نصف مساحة الولاية مغطًّى بألواح شمسية بكفاءة 10 بالمائة، فما مقدار الكهرباء التي يمكن توليدها سنويًّا؟ وما النسبة التي يمكن سدها من احتياجات الطاقة الأمريكية؟ (علمًا بأن استهلاك الطاقة الإجمالي الأمريكي وصل في عام 2007 إلى 100EJ.)
(1-4) تبلغ مساحة منطقة التبت 1230000km²، ويبلغ متوسط معدل التشميس السنوي (أي عدد الساعات التي يوجد بها ضوء شمس كامل على سطح أفقي) 3000h. إذا كان نصف مساحة المنطقة مغطى بألواح شمسية بكفاءة 10 بالمائة، فما مقدار الكهرباء التي يمكن توليدها سنويًّا؟ وما النسبة التي يمكن سدها من احتياجات الطاقة العالمية؟ (علمًا بأن استهلاك الطاقة الإجمالي العالمي وصل في عام 2007 إلى 500EJ.)
(1-5) فرن شمسي له مرآة تركيز مساحتها 1m² وبها آلية للتتبع الشمسي. إذا كانت الكفاءة 75 بالمائة، ففي يوم مشمس، كم من الوقت سيستغرق الفرن لإذابة 1kg من ثلجٍ درجة حرارته صفر درجة مئوية في نفس درجة الحرارة؟ وكم من الوقت سيستغرق لتسخينه لنقطة الغليان؟ وكم من الوقت سيستغرق لتبخيره عند درجة حرارة 100 درجة مئوية؟
(1-6) بالنسبة لسرعات الرياح 20 و30 و40 … وحتى 100mph، احسب كثافة قدرة الرياح (ﺑ W/m²).
(1-7) تبلغ المسافة من خط الاستواء إلى القطب الشمالي بطول سطح الأرض 1.00 × 10⁷m. فإذا كان متوسط كثافة قدرة الإشعاع الشمسي على الأرض 1 sun، فما مقدار الطاقة الساقطة على الأرض سنويًّا؟ وإذا كان استهلاك الطاقة السنوي العالمي في عام 2040 هو 800EJ، فما نسبة الطاقة الشمسية المطلوبة لتزويد العالم باحتياجاته من الطاقة في ذلك العام؟ (تلميح: اليوم الواحد يساوي 24 × 60 × 60 = 86400s.)
(1-8) باستخدام مجال كهروضوئي شمسي مساحته 1mi² (2.59km²) بكفاءة 15 بالمائة، كم عدد kWh سيولدها هذا المجال سنويًّا في أماكن متوسط معدل التشميس اليومي فيها (على أرض مسطحة) 3h (ألاسكا) و4h (نيويورك) و5h (جورجيا) و6h (أريزونا)؟ يستهلك المنزل العادي 1000kWh. فكم عدد المنازل التي يمكن أن يدعمها هذا المجال في الولايات الأربعة، على الترتيب؟