نظرة عامة على نطاق العمل

(١) تاريخ من التغيير

هل يجب أن تُنسَب هذه التغييرات إلى قوى السوق أم إلى «المورد المطلق» المتمثل في الإبداع التكنولوجي البشري؟ بما أن الخشب والفحم والنفط كانت موارد متوافرة بكثرة خلال القرن التالي بعد عام ١٨٥٠، فمن المأمون منح الفضل لقوى السوق في كثير من التغييرات؛ حيث انتقل المستخدمون من وقودٍ إلى آخَر استجابةً لتغيُّرات الأسعار ورغبة المستهلك في الراحة. وبالتأكيد تضمَّنَ الأمرُ عمليةَ ابتكار كبيرة؛ فمن بين أمور أخرى، كان لا بد من إعادة تصميم الأفران للتوافق مع كل وقود جديد، وطُوِّر التعدين السطحي من أجل الفحم، وابتُكِرت تقنيات حفر جديدة لتحسين استخراج النفط من الآبار الموجودة أو الوصول إلى رواسب جديدة؛ ومع ذلك، كانت التغيرات التكنولوجية المطلوبة إلى حدٍّ كبير إضافات للأفكار الهندسية السابقة، ولم تكن ابتكارات ثورية.

شكل ٣-١: التغيرات في مصادر الطاقة في العالم.

والأكثر ارتباطًا بشواغلنا الحالية هو حقيقة أنه في الماضي لم يكن التحول من وقود إلى آخر مثيرًا للجدل سياسيًّا أو اقتصاديًّا؛ لأن ندرة الموارد أو القضايا البيئية لم تكن شاغلًا كبيرًا في ذلك الوقت. وعندما مَنَحَت التغييراتُ قطاعًا من قطاعات الاقتصاد ميزةً على قطاع آخر، اعتبرتْ ضرورته أمرًا مفروغًا منه في الصورة الأكبر. قوبل الضرر البيئي — مثل الضرر الناتج من التعدين السطحي غير الخاضع للرقابة — إلى حدٍّ كبير بالتجاهل طوال معظم الفترة، ولم يُشَرْ إليه إلا كأثر محلي. وعند غياب الخلافات الحادة، يمكن إجراء التغييرات دون خلق أنواع الضغوط المتضمنة في اعتناق نهج جديد تمامًا للإمداد بالطاقة واستخدامها. سيتطلب وضعنا الحالي في العديد من النواحي تغييرًا جذريًّا أكبر بكثير في سياقٍ من عدم اليقين، وينبغي أن نتوقع تسببه في خلافات تدعمها آراء قوية.

شكل ٣-٢: إنتاج الولايات المتحدة من النفط الخام (المصدر: وزارة الطاقة الأمريكية، إدارة معلومات الطاقة، الاستعراض السنوي للطاقة لعام ٢٠٠٨).

شكل ٣-٣: حجم إنتاج النفط الخام من حقلَيْ نفط كبيرين.

شكل ٣-٤: حجم إنتاج النفط الخام من ثلاثة حقول نفط عملاقة.

(٢) قياس الطاقة

من أجل مضاهاة ومقارنة خيارات الطاقة الكثيرة التي سبق أن اقتُرحت في كل وسائل الإعلام والمنشورات الفنية، وكذلك تلك المقترحات التي لم تأتِ بعد؛ نحن في حاجة إلى مقياس لقياس الطاقة. سيكون من المستحيل دون هذا المقياس تمييز الآثار الكبيرة من الآثار الصغيرة، والتافهة من المهمة. وكما هو الحال مع تناول أيِّ موضوع كميٍّ، توجد مقاييس متعددة شائعة الاستعمال، فحتى المقياس البسيط المألوف نسبيًّا مثل المسافة يمكن التعبير عنه بالأقدام والياردات والأميال أو بالسنتيمترات والأمتار والكيلومترات، ناهيك عن التركيز في الآونة الأخيرة على الأبعاد الجزيئية بالنانومترات.

لأن الوحدة الكهربائية «واط» مستخدمة على نطاق واسع في الإضاءة المنزلية وفواتير الكهرباء الشهرية، فإنها تمثل مقياسًا مألوفًا ومفيدًا لمعدل استخدام الطاقة. والمصباح الكهربائي بقدرة ١٠٠ واط معروف جيدًا في جميع المجتمعات المتقدمة، وأصبح في واقع الأمر رمزًا يمثل الأفكار والتقدم لجزء كبير من القرن الماضي. إذا اعتبرنا أن المنزل الصغير العادي يحتاج إلى ضوء عشرة مصابيح بقدرة ١٠٠ واط في الوقت نفسه، فإن معدل استخدام الطاقة هو عشرة أمثال ١٠٠ واط؛ أيْ ١٠٠٠ واط، وهو ما يسمى أيضًا «كيلوواط». وفي حي صغير مكوَّن من ألف منزل مثل هذا المنزل، فإن معدل الاستخدام يكون ١٠٠٠ كيلوواط، وهو ما يسمى «ميجاواط». ومعدل استخدام الطاقة — أيِ استخدام الطاقة لكل وحدة زمنية — هو المقصود من مصطلح «القدرة»، وعندما يُستخدم لهذا الغرض، يمكن حساب كمية الطاقة من القدرة عن طريق ضرب معدل الاستخدام في الفترة الزمنية للاستخدام. وغالبًا ما يعبر عن المقياس من الطاقة بالكيلوواط الساعيِّ (كيلوواط في الساعة).

شكل ٣-٥: وحدات قياس الطاقة الكهربائية.

(٣) الإمدادات: من أين نحصل عليها؟

(٤) الطلب: كيف نستخدمه؟

في الولايات المتحدة، ينقسم استهلاك الطاقة بالتساوي تقريبًا بين ثلاثة استخدامات: النقل والصناعة والتدفئة المنزلية. وحتى الآن لا تعتمد وسائل النقل اعتمادًا كبيرًا على مصدر الطاقة فحسب، ولكن تعتمد أيضًا على شكل من الطاقة بوجه خاص؛ أيْ إن السيارات والطائرات والقطارات تعمل باستخدام سوائل عالية المحتوى من الطاقة الكيميائية لكل وحدة حجم، فنحتاج لهذه الطاقة المركزة لتحقيق المطلوب من التسارعات والمسافات المقطوعة بين مرات ملء خزانات الوقود لدينا. في الوقت الحالي، يُستخرج البنزين ووقود الديزل ووقود الطائرات النفاثة من النفط، مع وجود حصة من الإيثانول في البنزين، ولكن الوقود في المستقبل ربما يُستخرج من مصادر مختلفة تمامًا. ومن بين الاحتمالات التي ستُناقَش في الفصول اللاحقة تغويز الفحم أو الكتلة الحيوية لصنع غاز اصطناعي (خليط من الهيدروجين وأول أكسيد الكربون). ويمكن أن يَتْبع هذه الخطوةَ الأولى تفاعلاتٌ محفِّزة مختارة لتكوين السوائل الهيدروكربونية أو الكحولية، وستوفر هذه التطوراتُ الوقودَ السائل الذي نحتاجه بينما تُحررنا من الاعتماد على النفط.

شكل ٣-٦: مصادر الوقود لتوليد الكهرباء في الولايات المتحدة لعام ٢٠٠٨ (المصدر: وزارة الطاقة الأمريكية، إدارة معلومات الطاقة، الاستعراض السنوي للطاقة لعام ٢٠٠٨).

يختلف مصدر الطاقة في الصناعة اختلافًا كبيرًا اعتمادًا على معرفة إن كانت طبيعة عمليات الإنتاج في الأساس ميكانيكية أم كهربائية أم كيميائية. ويمكن العثور على أمثلة عديدة من المصانع التي تستخدم كل شكل من أشكال الطاقة. فتصنيع الألومنيوم، على سبيل المثال، يتطلب استثمارات ضخمة في الطاقة الكهربائية، كذلك تصنيع الكلور. والفحم المحوَّل إلى كوك هو مقوم رئيسي في صهر المواد الخام لتكرير المعادن، والقوة الميكانيكية ضرورية في تشكيل المعادن أو درفلتها، والصناعة التي تنتج أو تستخدم البلاستيك والألياف الاصطناعية برمَّتها هي مستخدم رئيسي للمواد الكيميائية؛ إما كمواد متفاعلة أو مواد محفزة. تقدم هذه القائمة اللانهائية تقريبًا العديد من الفرص لخفض كميات أحد أنواع الطاقة أو استبدال أحد أشكال الطاقة بشكل آخَر أكثر فائدة.

لا يزال تسخين المياه في المنازل والتدفئة يعتمدان في المقام الأول على النفط والغاز، رغم ظهور تطورات جديدة تشمل تسخين المياه بالطاقة الشمسية. والاستخدام المنزلي للكهرباء، سواء لأجهزة التدفئة أو مكيفات الهواء أو الأجهزة الأخرى، يعتمد على مصدر الطاقة الذي تستخدمه شركة الكهرباء المحلية في محطات التوليد لديها. واليوم، اعتمادًا على الموقع، يمكن أن يكون المصدرُ الوقودَ الحفري أو الطاقة الكهرومائية أو النووية. في واقع الأمر، من المرجح أن تكون الطاقة مُنتَجة من كل هذه الأصول في وقت واحد، إذا كانت الطاقة مأخوذة من شبكة طاقة مشتركة تغطي منطقة واسعة. وفي المستقبل، ربما تُلبَّى الاحتياجات المنزلية من خلال خلايا وقود مثبَّتة في كل منزل على حدة، ولكن هذه الخلايا لم تُطوَّر بعدُ بالكامل على المستوى التجاري. إذا توافرت هذه البدائل، فإنها ستوفِّر قدرًا أكبر من المرونة المحلية، وربما تنقل الاستخدام على المدى الطويل إلى وقود لا يعتمد على مصادر النفط.

(٥) هل سينفد البترول أم الغاز؟

بما أن النفط هو مصدر الطاقة الرئيسي اليوم لدينا، ويُتوقَّع أن يظل كذلك في المستقبل القريب، فثمة سؤال بديهي ومن الضروري طرحه من أجل أغراض التخطيط: إلى متى سيدوم النفط؟ الجواب مسألة داخلية خطيرة بالنسبة للولايات المتحدة، ولها عواقب دولية كبيرة.

تنشأ شكوك إضافية فيما يتعلق بهذه المسألة من عدد من الاتجاهات، بعض منها تكنولوجي وبعض اقتصادي وبعض سياسي. ومن بين هذه الاتجاهات الثلاثة، التكنولوجيا هي الأكثر وضوحًا في أهدافها المباشرة، حتى لو كانت تفاصيل تطوُّرها يمكن أن تكون معقدة: يلزم أن تكون جيولوجيا رواسب النفط أكثر موثوقية، ويلزم إيجاد تقنيات حفر جديدة للوصول إلى الرواسب الأعمق، ويلزم ابتكار هندسة كيميائية مطوَّرة لاستخراج النفط من الصخر النفطي والرمال القطرانية، والمصادر الأخرى غير المرجحة. ويعتبر كل ما هو قابل للتحقيق من الناحية التكنولوجية في أيِّ وقت من الأوقات عاملًا محددًا مهمًّا في كمية النفط المتاح كاحتياطيات مؤكدة؛ أيْ كمية النفط التي يمكن استخراجها من الأرض.

شكل ٣-٧: أسعار النفط من ١٩٨٠ حتى ٢٠٠٨.

أخيرًا، حتى إذا وُضع تقدير عملي لما هو متاح وما سوف يكون متاحًا في المستقبل القريب، فإن التوقعات بشأن الاستخدام السنوي لن تكون واضحة تمامًا. وكلما ازداد ازدهار العالم النامي، زادت شهيته نحو النفط. ففي السنوات الأخيرة كان النمو في الصين والهند جديرًا بالملاحظة على نحو خاص، ولكن من المتوقع أن يكون تأثير المشكلة أكبر إذ تحقِّق دولٌ بجنوب شرق آسيا وأفريقيا وأمريكا الجنوبية تقدمًا اقتصاديًّا. وبالنظر إلى هذه التوقعات، يبدو أن الاستخدام العالمي السنوي المتوقع البالغ ٤٠ مليار برميل، والذي أدى إلى التقديرات الأكبر بتوافر الإمدادات إلى ٨٢ عامًا؛ قد يكون في الواقع مفرطًا في التفاؤل، ويمكن استنفاد الاحتياطي في فترة أقصر على نحو ملحوظ. ومع ذلك، لتحقيق التوازن في الصورة على نحو سليم، ينبغي أن يضاف إلى ذلك أنه لا تزال اكتشافات البترول الجديدة مستمرة في أجزاء كثيرة من العالم.

شكل ٣-٨: واردات النفط الأمريكية لعام ٢٠٠٨ (المصدر: وزارة الطاقة الأمريكية، إدارة معلومات الطاقة، الاستعراض السنوي للطاقة لعام ٢٠٠٨).

شكل ٣-٩: احتياطيات العالم القابلة للاسترداد من الفحم لعام ٢٠٠٥ (المصدر: وزارة الطاقة الأمريكية، إدارة معلومات الطاقة، توقعات الطاقة في العالم لعام ٢٠٠٩).

إجمالًا، يمكننا أن نقول إن لدينا إمدادات وقود حفري كافية لتلبية الاحتياجات الحالية لما لا يقل عن نصف القرن القادم، إلا أن الصورة قد تتغير إذا زادت الاحتياجات على مستوى العالم أكثر مما هو متوقع. ولكن بقولنا ذلك، فإنه يبقى أن نتساءل هل كنا «نريد» مواصلة حرق الوقود الحفري في ضوء الفهم الحالي للآثار المترتبة على مناخنا العالمي وكل ما يتبع ذلك. يبدو أن لدينا فرصة سانحة لن تدوم طويلًا؛ أيْ فترة من الزمن يمكن خلالها — إذا اخترنا القيام بذلك — أن نتمكَّن من مواصلة حرق الوقود الحفري من أجل إتاحة الانتقال إلى نمط حياة تكنولوجي واقتصادي مختلف.

(٦) أشكال الطاقة

تمهيدًا لأيِّ دراسة لبدائل للطاقة، من الضروري تذكُّر حقيقة أساسية؛ وهي أن الطاقة لا تستُحدث ولا تفنى، إنما يتغير شكلها فحسب. يحدث هذا بطريقة مشابهة لشراء عملة جديدة في مقابل ما يمتلكه الشخص بالفعل، فبعد عملية الإبدال تختلف المظاهر ولكن تبقى القيمة الأساسية نفسها. ومن ثَم، فإن أيَّ دراسة للخيارات هي بمنزلة دراسة للتحول من شكل إلى آخر، وأفضل ما يمكن أن نأمل فيه على الإطلاق هو أن يكون شكل الطاقة الجديد أكثر توافرًا وأكثر مرونةً أو أكثر فائدة في العموم في تلبية احتياجاتنا. تحتاج هذه الفكرة تفصيلًا أكثر من خلال التعرُّف على ماهية أشكال الطاقة المختلفة في الواقع.

يصادف كل واحد منا الطاقة بمختلف أشكالها في وقائع الحياة اليومية. تصل إلينا «الطاقة الإشعاعية» من الشمس في خارج المنزل في أيِّ يوم صافٍ، ونرى جزءًا من هذه الطاقة مباشَرةً في صورة ضوء مرئي ونشعر بالجزء غير المرئي من طيف الشمس في صورة حرارة عندما تمتصه بشرتنا. وإشعاع الشمس مصدر أيضًا لتفاعلات التمثيل الضوئي التي تساعد النباتات على النمو؛ ومن ثَم تتحول الطاقة الإشعاعية إلى «طاقة كيميائية»؛ حيث تُخزن في النباتات حتى تُؤكل أو تُحرق أو تفسد، وإذا أكل البشر أو الحيوانات الأخرى النباتات، تُخزن الطاقة في أشكال كيميائية أخرى في الأنسجة الحيوانية.

على مدى العصور الجيولوجية، دُفنت بعض النباتات والحيوانات التي كانت موجودة آنذاك وتغيرت كيميائيًّا عندما تعرضت لظروف قاسية من الحرارة والضغط. شكَّلَت تلك التغيرات الكيميائية الفحم والنفط والغاز التي نستخدمها اليوم؛ أو ما يسمى بالوقود الحفري، وبحرقها نطلق في الواقع طاقةَ الشمس المخزنة لفترة طويلة في ذلك الوقود في شكل مواد كيميائية تسمى هيدروكربونات. وهدفنا من حرق الوقود — بطبيعة الحال — هو إطلاق هذه الطاقة المخزنة في شكل «طاقة حرارية»، يمكن استخدامها لتوليد البخار تحت ضغط. وحتى يتحرر ضغط البخار، يمكننا أن نفكر فيه على أنه شيء تتوافر فيه الإمكانية لأداء وظيفة لم يؤدِّها بعدُ، وعندما يُستخدم لتشغيل محرك بخاري أو عجلة توربينية، تتحقق هذه الإمكانية؛ بمعنى أن «الطاقة الكامنة» تتحول إلى طاقة حركة «ميكانيكية»، والتي تسمى أيضًا «طاقة حركية»، والتوربين بدوره يشغِّل مولدًا كهربائيًّا لتوليد الكهرباء.

يحدث تحوُّل مشابه للطاقة الكامنة إلى طاقة حركية عند إطلاق المياه المخزنة خلف السد عبر التوربينات، فتُستخدم الحركة المغزلية للتوربينات في توليد الكهرباء أيضًا، وتعطينا ما نسميه عادة الطاقة الكهرومائية. وبتتبع خطوات هذا التحول إلى البداية، نجد أن كل شيء بدأ من الشمس، عندما بخَّرَتِ الطاقةُ الإشعاعية المياهَ التي تكثفت وسقطت في صورة أمطار وثلوج، وجرى الماء في الأنهار التي ملأت المساحة وراء السد، والإطلاق اللاحق للطاقة الكامنة في المياه المخزنة جعل من الممكن توليد «طاقة كهربائية».

ومن الجدير بالذكر أنه توجد صور كثيرة لهذا الأمر. فعلى سبيل المثال، في الجهاز الذي يسمى «خلية وقود»، تتحول الطاقة الكيميائية المخزنة في الوقود إلى كهرباء مباشرةً، دون خطوات وسيطة. وفي محرك الاحتراق الداخلي الذي يشغِّل سياراتنا تتحول الطاقة الكيميائية في البنزين (أو الإيثانول) إلى طاقة ميكانيكية لتحريك السيارات. وفي السيارات الهجينة الأحدث، يُستخدم بعض من الطاقة الكيميائية للوقود لشحن البطارية؛ أيْ يُستخدم لتخزين الطاقة في صورة كيميائية أخرى. إضافة إلى ذلك، عندما تُستخدَم المكابح، بعضٌ من الطاقة الحركية الموجودة في العجلات تُشغل مولدًا صغيرًا يشحن أيضًا البطارية.

أخيرًا، تجدر الإشارة إلى أن الكهرباء ليست بالضرورة نهاية التحوُّلات. إذا تبددت الطاقة الكهربائية في عنصر التسخين بمحمصة الخبز، فإن الغرض هنا هو تحرير الطاقة الحرارية؛ وإذا كانت تغذي فرن الميكروويف، فإن الطاقة الكهربائية تتحول إلى موجات كهرومغناطيسية تقوم بدورها بتسخين الطعام لدرجة الحرارة المطلوبة.

لا ينبغي أن تؤخذ حقيقة أن الطاقة يمكن أن تتحول من شكل لآخر على أنها تعني أن كل التحولات فاعلة بالقدر نفسه؛ فكفاءة التحول عالية جدًّا في الواقع بالنسبة لبعض الخطوات، فالمولد الكهربي — على سبيل المثال — يحول الطاقة الحركية إلى كهرباء بمعدل أفضل من ٩٨٪. من ناحية أخرى، لا يمكن تحويل الحرارة إلى حركة ميكانيكية عادة إلا في حدود حوالي ٣٠٪، وفي هذه الحالة، نسبة اﻟ ٧٠٪ التي لا يمكن تحويلها يجب أن تُطرح في شكل حرارة منخفضة الدرجة. ومحرك الاحتراق الداخلي عادة ما يحول أقل من ٢٥٪ من الطاقة الكيميائية الموجودة في الوقود إلى حركة في العجلات؛ إذ يُطرح الباقي مرة أخرى في شكل حرارة من الاحتكاك أو في مبرِّد المشعاع (ماء أو جليكول) ومنه إلى الهواء المحيط.

إن إدراك أن الطاقة يمكن تحويلها من شكل إلى آخر هو ما أدى في نهاية المطاف إلى الملاحظة التاريخية المتمثلة في أن الطاقة لا تُستحدَث ولا تفنى، وإنما تتحول فحسب. مع ذلك، ينبغي إضافة أنه في أيِّ تحوُّل من شكل إلى آخر، تنخفض جودة جزء من الطاقة ويمكن أن ينتج في صورة أقل قدرة على تلبية احتياجاتنا؛ وهكذا يمكن القول عن تحويل الطاقة إنه لا يوجد شيء دون مقابل. والمقارنة بتحويل العملات مفيدة هنا مرة أخرى؛ إذ ينبغي تضمين الرسوم التي يتقاضاها البنك أو الوكيل الذي يقوم بعملية التحويل في تقدير القيمة. وستتكرر مواضيع التحول والفقد تلك فيما يلي، ومع وضع أوجُه القصور هذه في الاعتبار سوف نستكشف في الفصول القادمة مجموعة متنوعة من الأفكار لتحسين وضع الطاقة لدينا.