الوقود الحيوي والطاقة الشمسية
أنواع الوقود
الوقود الأحفوري
له أنواع مختلفة من أهمها الوقود الأحفوري، وهو الذي يشمل كل من النفط والفحم والغاز, والذي أستخدم بإسراف منذ القرن الماضي ولا يزال يستخدم بنفس الإسراف مع ارتفاع أسعاره يوما بعد يوم مع أضراره الشديد للبيئة. ومثله وقود السجيل وهو مثل النفط يكون مخلوط مع الرمال.
الوقود الخشبي
من أنواع الوقود الأخرى هو الوقود الخشبي والذي يغطي استخدامه حوالي 6% من الطاقة الأولية العالمية.
الوقود المستخرج من النفايات الحيوانية
هناك الوقود المستخرج من النفايات الحيوانية أو المياه الثقيلة للمجاري حيث بالمستطاع استخدام هذه النفايات في توليد الطاقة بالاعتماد عليها بعد عمليات التخمير, وتستخدم في العديد من دول العالم معالجة المياه الثقيلة للاستفادة من الغازات المنبعثة لأغراض توفير الطاقة.
الوقود المستخرج من من نباتات الأشجار
من الطرق الحديثة والنظيفة في توفير الوقود النظيف يمكن أن يكون من نباتات الأشجار سريعة النمو، أو بعض الحبوب أو الزيوت النباتية أو المخلفات الزراعية أو بقايا قصب سكر.
الوقود المستخرج من السكر
أمكن تحويل بعض منتجات السكر إلى كحول لاستخدامه كوقود للسيارات وكذلك زيت النخيل ويتميز هذا النوع من الوقود بأنه يقلل من التلوث، حيث لا حاجة هناك لاستعمال الرصاص في مثل هذا النوع من الوقود لرفع أوكتان الوقود كما هو الحال في البنزين المستحصل عليه من النفط الأحفوري ومن ثم فإنه بنزين خال من الرصاص.
الوقود النووي
هناك الوقود النووي وتحطه الكثير من المشاكل والقوانين الضابطة والتي قد لا تخلو من ازدواجية في المعايير وإجحاف بالسماح لاستخدامها على البعض, ناهيك في خطورة استخدامها وتأثيرها السيئ على البيئة.
كذلك هناك مصادر للطاقة نظيفة يمكن استخدامها كوقود بديل ومنها:
- الطاقة الشمسية.
- طاقة الرياح.
- طاقة المد والجزر.
- الطاقة المستمدة من حرارة الأرض الجوفية.
- خلايا الطاقة.
ما هي الطاقة الشمسية
الضوء المنبعث والحرارة الناتجة عن الشمس اللذان قام الإنسان بتسخيرهما لمصلحته منذ العصور القديمة باستخدام مجموعة من وسائل التكنولوجيا التي تتطور باستمرار.تُعزى معظم مصادر الطاقة المتجددة المتوافرة على سطح الأرض إلى و الإشعاعات الشمسية بالإضافة إلى مصادر الطاقة الثانوية، مثل طاقة الرياح وطاقة الأمواج والطاقة الكهرومائية والكتلة الحيوية..
من الأهمية هنا أن نذكر أنه لم يتم استخدام سوى جزء صغير من الطاقة الشمسية المتوافرة في حياتنا. يتم توليد طاقة كهربية من الطاقة الشمسية بواسطة محركات حرارية أو محولات فولتوضوئية.وبمجرد أن يتم تحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة كهربية، فإن براعة الإنسان هي فقط التي تقوم بالتحكم في استخداماتها.
التطبيقات التي تتم باستخدام الطاقة الشمسية
ومن التطبيقات التي تتم باستخدام الطاقة الشمسية نظم التسخين والتبريد خلال التصميمات المعمارية التي تعتمد على استغلال الطاقة الشمسية، والماء الصالح للشرب خلال التقطير والتطهير، واستغلال ضوء النهار، والماء الساخن، والطاقة الحرارية في الطهو، ودرجات الحرارة المرتفعة في أغراض صناعية. تتسم وسائل التكنولوجيا التي تعتمد الطاقة الشمسية بشكل عام بأنها إما أن تكون نظم طاقة شمسية سلبية أو نظم طاقة شمسية إيجابية وفقًا للطريقة التي يتم استغلال وتحويل وتوزيع ضوء الشمس من خلالها.وتشمل التقنيات التي تعتمد على استغلال الطاقة الشمسية الإيجابية استخدام اللوحات الفولتو ضوئية والمجمع الحراري الشمسي، مع المعدات الميكانيكية والكهربية، لتحويل ضوء الشمس إلى مصادر أخرى مفيدة للطاقة.هذا، في حين تتضمن التقنيات التي تعتمد على استغلال الطاقة الشمسية السلبية توجيه أحد المباني ناحية الشمس واختيار المواد ذات الكتلة الحرارية المناسبة أو خصائص تشتيت الأشعة الضوئية، وتصميم المساحات التي تعمل على تدوير الهواء بصورة طبيعية.
الوقود الحيوي الفرص والمخاطر
تعتبر أنواع الوقود الحيوي مصدرا محتملا للطاقة المتجددة ويمكن أن تؤدي إلى إيجاد أسواق جديدة كبيرة للمنتجين الزراعيين.
غير أن قلة من برامج إنتاج الوقود الحيوي الحالية هي السليمة اقتصاديا، ولمعظمها تكاليف اجتماعية وبيئية:
- تصاعد أسعار الأغذية
- احتدام المنافسة على الأراضي والمياه
- وربما إزالة الغابات.
ويتعين أن تستند الاستراتيجيات الوطنية لإنتاج الوقود الحيوي إلى تقييم دقيق لتلك الفرص والتكاليف.
عالميا، سيكون من الضروري تخفيض التعريفات الجمركية والإعانات (الدعم) في البلدان الصناعية لضمان كفاءة تخصيص الموارد لإنتاج الوقود الحيوي وضمان تحقيق منافع اجتماعية لصغار المزارعين في البلدان النامية.
الوقود الحيوي يمكن أن يخلق أسواقا كبيرة للزراعة
الاتجاه نحو الوقود الحيوي
مع ارتفاع أسعار البترول إلى أرقام قياسية لم تبلغها من قبل تقريبا ومع وجود قلة من أنواع الوقود البديل اللازم للنقل، تقدم البرازيل والبلدان الأعضاء في الاتحاد الأوروبي والولايات المتحدة وعدة بلدان أخرى دعما نشطا لإنتاج أنواع الوقود الحيوي السائل من المنتجات الزراعية – عادة الذرة أو قصب السكر لإنتاج الإيثانول، والمحاصيل الزيتية الأخرى لإنتاج زيت الديزل الحيوي. ويشار إلى المنافع البيئية والاجتماعية الممكنة، بما فيها تخفيف آثار تغير المناخ والإسهام في تحقيق أمن الطاقة، باعتبارها الأسباب الرئيسية لدعم القطاع العام لصناعات الوقود الحيوي التي تنمو بسرعة. ومع اتساع نطاق النقاش الدائر بشأن الآثار الاقتصادية والبيئية والاجتماعية للوقود الحيوي، فإنه يتعين تقييمها بعناية قبل تقديم دعم عام لبرامج كبيرة الحجم لإنتاج الوقود الحيوي. وتتوقف تلك الآثار على نوع المواد الخام المستخدمة، وعملية الإنتاج المستخدمة، والتغيرات في استخدامات الأراضي.
الإنتاج العالمي من الإيثانول
بلغ الإنتاج العالمي من الإيثانول كوقود في عام 2006 حوالي 40 بليون لتر. وقد أنتج حوالي 90 في المائة من هذه الكمية في البرازيل والولايات المتحدة (الشكل 1). إضافة إلى ذلك، أنتج حوالي 6.5 بليون لتر من زيت الديزل الحيوي في عام 2006، أنتجت نسبة 75 في المائة منها في بلدان الاتحاد الأوروبي (الشكل 1). وتعتبر البرازيل المنتج الأكثر قدرة على المنافسة ولديها أطول تاريخ في إنتاج الإيثانول. إذ تستخدم حوالي نصف إنتاجها من قصب السكر لإنتاج الإيثانول وتفرض استهلاكه. وشرعت عدة بلدان نامية أخرى في تنفيذ برامج لإنتاج الوقود الحيوي تعتمد على قصب السكر أو المحاصيل الأخرى الغنية بالزيوت مثل نخيل الزيت والجاتروفا والزان الهندي (البونجاميا).
على الرغم من أن تقييمات الإمكانات الاقتصادية العالمية لإنتاج الوقود الحيوي قد بدأت لتوها، فإن السياسات الحالية الخاصة بإنتاج الوقود الحيوي يمكن أن تؤدي، وفقا لبعض التقديرات، إلى زيادة قدرها خمسة أمثال في حصة الوقود الحيوي في النقل العالمي – من أكثر قليلا من 1 في المائة اليوم إلى حوالي 6 في المائة بحلول عام 2020.
التأثير الاقتصادي للوقود الحيوي
دعم انتاج الوقود الحيوي
تقدم الحكومات دعما كبيرا لإنتاج الوقود الحيوي حتى يمكنه منافسة البنزين وزيت الديزل التقليدي. ويشمل هذا الدعم حوافز الاستهلاك (تخفيضات الضرائب على الوقود)؛ وحوافز الإنتاج (حوافز ضريبية، وضمانات قروض، ومدفوعات إعانات مباشرة)؛ وفرض الاستهلاك الإجباري. وتؤدي إجراءات الدعم، التي تزيد على 200 إجراء، والتي تتراوح تكلفتها بين 5.5 بليون دولار أمريكي و 7.3 بليون دولار أمريكي سنويا في الولايات المتحدة، إلى سعر يتراوح بين 0.38 دولار أمريكي و 0.49 دولار أمريكي للتر من الإيثانول المكافئ للبترول. وحتى في البرازيل، كان الدعم الحكومي المتواصل من خلال الإعانات المباشرة مطلوبا حتى عهد قريب من أجل تنمية صناعة قادرة على المنافسة. كما يحصل المنتجون المحليون في الاتحاد الأوروبي والولايات المتحدة على دعم إضافي من خلال الرسوم الجمركية العالية المفروضة على استيراد الإيثانول.
تأثير الوقود الحيوي على الأسعار
وقد أدى إنتاج الوقود الحيوي إلى رفع أسعار المواد الخام المستخدمة في إنتاجه. وأوضح مثال على ذلك هو الذرة، التي ارتفع سعرها بأكثر من 60 في المائة فيما بين عامي 2005 و 2007، إلى حد كبير بسبب البرنامج الأمريكي لإنتاج الإيثانول إلى جانب انخفاض مخزونات الذرة في البلدان المصدرة الرئيسية. ومن المحتمل أن تظل إمدادات المواد الخام مقيدة في الأمد القريب. غير أنه ما لم تحدث طفرة رئيسية أخرى في أسعار الطاقة، فمن المحتمل أن تزيد أسعار المواد الخام بنسبة أقل في الأمد الطويل. إذ إن المزارعين سيستجيبون لارتفاع الأسعار بزيادة المساحات المزروعة والإمدادات من هذه المواد الخام. وفي الوقت نفسه، فإن ارتفاع الأسعار سيخفض الطلب على المواد الخام بسبب انخفاض ربحية إنتاج الوقود الحيوي بهذه الأسعار المرتفعة.
تأثير الوقود الحيوي على القطاع الزراعي
وقد برز ارتفاع أسعار المحاصيل الزراعية بسبب الطلب عليها لإنتاج الوقود الحيوي إلى صدارة النقاش الدائر بشأن الصراع المحتمل بين الغذاء والوقود. فالحبوب اللازمة لملء خزان سيارة رياضية رباعية الدفع بالإيثانول (240 كيلوجراما من الذرة لإنتاج 100 لتر من الإيثانول) يمكن أن تكفي لتغذية شخص واحد لمدة سنة؛ ولذلك فإن المنافسة بين الوقود والغذاء منافسة حقيقية. وارتفاع أسعار المحاصيل الغذائية الأساسية يمكن أن يتسبب في خسائر كبيرة تتعلق برفاهة الفقراء، الذين يعتبر معظمهم من المشترين الصافين للمحاصيل الغذائية الأساسية. ولكن كثيرين من المنتجين الفقراء الآخرين، الذي يعتبرون بائعين صافين لهذه المحاصيل، سوف يستفيدون من ارتفاع الأسعار.
تكنولوجيا إنتاج الوقود الحيوي
يمكن أن تعتمد تكنولوجيا إنتاج الوقود الحيوي في المستقبل على محاصيل مخصصة لإنتاج الطاقة وعلى المخلفات الزراعية والخشبية بدلا عن المحاصيل الغذائية، مما يحتمل أن يقلل الضغط على أسعار المحاصيل الغذائية. غير أن الجيل الثاني من تكنولوجيات تحويل السيليولوز المستمد من هذه المخلفات إلى مواد سكرية مقطرة لاستخدامها في إنتاج الإيثانول أو لتحويل الكتلة الحيوية إلى غاز لا تزال غير سليمة تجاريا - ولن تصبح كذلك قبل مرور سنوات عديدة. وعلاوة على ذلك، سيظل محتملا استمرار قدر من المنافسة على الأراضي والمياه بين المحاصيل المخصصة لإنتاج الطاقة وبين المحاصيل الغذائية.
منافع ومخاطر الوفود الحيوي
المنافع والمخاطر غير السوقية
المنافع والمخاطر غير السوقية مرتبطة بالسياق المحدد من بين الحجج الرئيسية التي تساق تأييدا لزيادة إنتاج الوقود الحيوي قدرته المحتملة على تخفيض الاعتماد على البترول المستورد، وبالتالي الإسهام في تحقيق أمن الطاقة. أما المنافع البيئية والاجتماعية الممكنة من إنتاج الوقود الحيوي فهي تمثل الحجج الأخرى التي تساق مرارا وتكرارا تأييدا للتمويل العام وحوافز السياسات التي تقدم لبرامج إنتاج الوقود الحيوي. وتتسم هذه المنافع بدرجة عالية من الارتباط بالسياق المحدد ولكن الإيمان بصحتها أقل شيوعا.
تحسين أمن الطاقة
القدرة المحتملة على تحسين أمن الطاقة . باستخدام التكنولوجيات الحالية، لا يسهم الوقود الحيوي إلا بنسبة طفيفة في تحسين أمن الطاقة في بلدان منفردة لأن المحاصيل المحلية من المنتجات التي تستخدم كمواد خام لإنتاج الوقود الحيوي لا تلبي إلا جزءً صغيرا من الطلب على وقود النقل. والاستثناء من هذه القاعدة هو إنتاج الإيثانول في البرازيل. إذ وفقا للتوقعات التي أعدت في الآونة الأخيرة، فإن نسبة 30 في المائة من محصول الذرة في الولايات المتحدة يمكن أن تستخدم لإنتاج الإيثانول بحلول عام 2010، ومع ذلك فإنه لن يسهم إلا بأقل من 8 في المائة من الاستهلاك الأمريكي من البنزين. أما الجيل الثاني من التكنولوجيات، التي تستخدم الكتلة الحيوية (المخلفات) الزراعية فإنه يمكن أن يقدم إسهاما أكبر في تحقيق أمن الطاقة.
المنافع البيئية المحتملة
تقليل انبعاثات الغازات الدفيئة
يتعين تقييم المنافع البيئية على أساس كل حالة على حدة، لأنها تتوقف على انبعاثات غازات الدفيئة المرتبطة بزراعة المواد الخام المستخدمة في إنتاج الوقود الحيوي، وعمليات إنتاجه، ونقله إلى الأسواق. ووفقا لما ورد في استراتيجية الاتحاد الأوروبي لعام 2006 الخاصة بإنتاج الوقود الحيوي، فإن إحداث تغيير في استخدامات الأراضي، مثل قطع الغابات أو تجفيف أراضي المستنقعات لزراعة المواد الخام المستخدمة في إنتاج الوقود الحيوي مثل نخيل الزيت، يمكن أن تلغي آثار التخفيضات في انبعاثات غازات الدفيئة لعقود عديدة.
إنتاج الإيثانول يخفض الانبعاثات السامة
وإذا استخدمت الأراضي الزراعية الحالية في البرازيل ولم يحدث أي تغيير في استخدامات الأراضي، فيقدر أن إنتاج الإيثانول في البرازيل سيخفض انبعاثات غازات الدفيئة بحوالي 90 في المائة. كما أن زيت الديزل الحيوي يتسم بالكفاءة نسبيا، إذ يخفض انبعاثات غازات الدفيئة بما يتراوح بين 50 و 60 في المائة. وعلى نقيض ذلك فإن تخفيض انبعاثات غازات الدفيئة نتيجة استخدام الإيثانول المنتج من الذرة في الولايات المتحدة يتراوح بين 10 و 30 في المائة فقط، على أفضل تقدير. وفي مثل هذه الحالات، فإن إجراءات تحسين كفاءة استخدام الطاقة في قطاع النقل يحتمل أن تكون أكثر اقتصادا في التكاليف من الوقود الحيوي في تخفيض انبعاثات غازات الدفيئة.
المنافع التي تتحقق لأصحاب الاراضي الصغيرة
يمكن أن يستفيد المزارعون أصحاب الحيازات الصغيرة من الوقود الحيوي عن طريق خلق فرص العمل وزيادة الدخول الريفية، ولكن نطاق هذه المنافع يحتمل أن يظل محدودا باستخدام التكنولوجيات الحالية. ذلك أن إنتاج الإيثانول يتطلب اقتصادات حجم كبيرة نسبيا وتكاملا رأسيا بسبب تعقيد عملية الإنتاج في معامل التقطير. وبالمثل فإن إنتاج قصب السكر يكون كبير الحجم عادة، على الرغم من أن خطط المشاركة في الزراعة في البرازيل نجحت في ضمان اشتراك بعض أصحاب الحيازات الصغيرة. كما أن إنتاج زيت الديزل الحيوي على نطاق صغير يمكن أن يلبي الطلب المحلي على الطاقة (على سبيل المثال، استخدام زيت الديزل الحيوي في مولدات الكهرباء الثابتة)، ولكن الأسواق الأوسع نطاقا تتطلب الوفاء بمعايير نوعية متسقة لا يمكن أن تتحقق إلا بالإنتاج الكبير النطاق.
السياسات العامة المتعلقة بالوقود الحيوي يجب تحديدها.
تطور إنتاج الوقود الحيوي
حتى الآن، تطور إنتاج الوقود الحيوي في البلدان الصناعية متحصنا خلف تعريفات حماية عالية على الوقود الحيوي (المستورد) مقترنة بدفع إعانات كبيرة لمنتجي الوقود الحيوي. وهذه السياسات باهظة التكلفة للبلدان النامية التي تعتبر الآن، أو يمكن أن تصبح، من المنتجين الأكفاء في أسواق التصدير الجديدة المربحة. كما أن المستهلكين الفقراء يدفعون أسعارا أعلى للمحاصيل الغذائية الأساسية نظرا لارتفاع أسعار الحبوب في الأسواق العالمية، وهو ارتفاع مدفوع إلى حد كبير بالسياسات التشويهية.
البلدان النامية والوقود الحيوي
هل يمكن أن تستفيد البلدان النامية
هل يمكن أن تستفيد البلدان النامية، إلى جانب البرازيل، من تطوير صناعات الوقود الحيوي؟ من الأرجح أن الأوضاع الاقتصادية المؤاتية والمنافع البيئية والاجتماعية الكبيرة التي تبرر تقديم إعانات كبيرة غير شائعة بالنسبة للجيل الأول من التكنولوجيات. وفي بعض الحالات، مثلما هو الحال بالنسبة للبلدان غير الساحلية التي تستورد البترول والتي يمكن أن تصبح من المنتجين الأكفاء لقصب السكر، فإن ارتفاع تكاليف النقل يمكن أن تجعل إنتاج الوقود الحيوي سليما اقتصاديا حتى باستخدام التكنولوجيات الحالية. أما المنافع المحتملة الأعلى كثيرا من استخدام الجيل الثاني من التكنولوجيات، بما في ذلك تكنولوجيات إنتاج زيت الديزل الحيوي على نطاق صغير، فإنها تبرر القيام باستثمارات كبيرة في البحوث يمولها القطاعان الخاص والعام.
تحدي البلدان النامية مع الوقود الحيوي
يتمثل التحدي الذي تواجهه الحكومات في البلدان النامية في تحاشي تقديم دعم لصناعات الوقود الحيوي من خلال حوافز تشويهية قد تزيح الأنشطة البديلة ذات العوائد الأعلى – وتنفيذ لوائح تنظيمية ووضع أنظمة تصديق تقلل المخاطر البيئية وتلك المتعلقة بالأمن الغذائي الناجمة عن إنتاج الوقود الحيوي. ويتعين على الحكومات أن تقيم بعناية المنافع الاقتصادية والبيئية والاجتماعية وإمكانية تحسين أمن الطاقة.
قياس الاداء البيئي للوقود الجيوي
قد يصبح تخفيض المخاطر الناجمة عن إنتاج الوقود الحيوي على نطاق واسع أمرا ممكنا من خلال أنظمة تصديق تقيس وتبلغ عن الأداء البيئي للوقود الحيوي (على سبيل المثال، وضع مؤشر أخضر للتخفيضات في غازات الدفيئة). ولكن فعالية أنظمة التصديق تتطلب المشاركة من جانب جميع المنتجين والمشترين الرئيسيين وكذلك وجود أنظمة متابعة قوية .
حجم الطاقة الشمسية التي تصل إلى الأرض
يصل إلى سطح الأرض حوالي نصف كمية الطاقة الشمسية القادمة إليه من الشمس.
الاشعاعات الشمسية التي تصل للارض
يستقبل كوكب الأرض 174 بيتا وات من الإشعاعات الشمسية القادمة إليه (الإشعاع الشمسي) عند طبقة الغلاف الجوي العليا. وينعكس ما يقرب من 30% من هذه الإشعاعات عائدة إلى الفضاء بينما تُمتص النسبة الباقية بواسطة السحب والمحيطات والكتل الأرضية. ينتشر معظم طيف الضوء الشمسي الموجود على سطح الأرض عبر المدى المرئي وبالقرب من مدى الأشعة تحت الحمراء بالإضافة إلى انتشار جزء صغير منه بالقرب من مدى الأشعة فوق البنفسجية. تمتص مسطحات اليابس والمحيطات والغلاف الجوي الإشعاعات الشمسية، ويؤدي ذلك إلى ارتفاع درجة حرارتها. يرتفع الهواء الساخن الذي يحتوي على بخار الماء الصاعد من المحيطات مسببًا دوران الهواء الجوي أو انتقال الحرارة بخاصية الحمل في اتجاه رأسي.
أهمية الطاقة الشمسية
وعندما يرتفع الهواء إلى قمم المرتفعات، حيث تنخفض درجة الحرارة، يتكثف بخار الماء في صورة سحب تمطر على سطح الأرض، ومن ثم تتم دورة الماء في الكون. تزيد الحرارة الكامنة لعملية تكثف الماء من انتقال الحرارة بخاصية الحمل، مما يؤدي إلى حدوث بعض الظواهر الجوية، مثل الرياح والأعاصير والأعاصير المضادة. وتعمل أطياف ضوء الشمس التي تمتصها المحيطات وتحتفظ بها الكتل الأرضية على أن تصبح درجة حرارة سطح الأرض في المتوسط 14 درجة مئوية. ومن خلال عملية التمثيل الضوئي الذي تقوم به النباتات الخضراء، يتم تحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة كيميائية، مما يؤدي إلى إنتاج الطعام والأخشاب والكتل الحيوية التي يُستخرج منها الوقود الحفري.
إجمالي الطاقة الشمسية التي تمتصها الارض
يصل إجمالي الطاقة الشمسية التي يقوم الغلاف الجوي والمحيطات والكتل الأرضية بامتصاصها إلى حوالي 3.850.000 كونتليون جولفي العاموفي عام 2002، زادت كمية الطاقة التي يتم امتصاصها في ساعة واحدة عن كمية الطاقة التي تم استخدامها في العالم في عام واحد. يستهلك التمثيل الضوئي حوالي 3.000 كونتليون جول من الطاقة الشمسية في العام في تكوين الكتل الحيوية. تكون كمية الطاقة الشمسية التي تصل إلى سطح الأرض كبيرة للغاية، لدرجة أنها تصل في العام الواحد إلى حوالي ضعف ما سيتم الحصول عليه من مصادر الطاقة المتجددة الموجودة على الأرض مجتمعة معًا، كالفحم والبترول والغاز الطبيعي واليورانيوم الذي يتم استخراجه من باطن الأرض.
استخدام الطاقة الشمسية
يتطلب متوسط الإشعاع الشمسي الذي يوضح مساحة اليابس (كنقاط سوداء صغيرة) تصنيف الفائض من الطاقة الأساسية في العالم من ضمن الطاقة الكهربية التي تولدها الطاقة الشمسية.18 تريليون وات يساوي 568 كونتليون جول في السنة. يقدر الإشعاع الشمسي بالنسبة لمعظم الناس بما يتراوح من 150 إلى 300 وات / متر مربع ، أو 3.5 إلى 7.0 كيلو وات ساعة للمتر المربع في اليوم.
تشير الطاقة الشمسية بصورة أساسية إلى استخدام الإشعاعات الشمسيةفي أغراض عملية. على أية حال، تستمد كل مصادر الطاقة المتجددة، باستثناء طاقة المد والجزروطاقة الحرارة الأرضية، طاقتها من الشمس.
ايجابيات وسلبيات الطاقة الشمسية
تتسم التقنية التي تعتمد على الطاقة الشمسية بشكل عام بأنها إما أن تكون سلبية أو إيجابية وفقًا للطريقة التي يتم استغلال وتحويل وتوزيع ضوء الشمس من خلالها. وتشمل تقنية الطاقة الشمسية الإيجابية استخدام اللوحات الفولتوضوئية والمضخات والمراوح في تحويل ضوء الشمس إلى مصادر أخرى مفيدة للطاقة. هذا، في حين تتضمن تقنية الطاقة الشمسية السلبية عمليات اختيار مواد ذات خصائص حرارية مناسبة وتصميم الأماكن التي تسمح بدوران الهواء بصورة طبيعية واختيار أماكن مناسبة للمباني بحيث تواجه الشمس. تتسم تقنيات الطاقة الشمسية الإيجابية بإنتاج كمية وفيرة من الطاقة، لذا فهي تعد من المصادر الثانوية لإنتاج الطاقة بكميات وفيرة، بينما تعتبر تقنيات الطاقة الشمسية السلبية وسيلة لتقليل الحاجة إلى المصادر البديلة. وبالتالي فهي تعتبر مصادر ثانوية لسد الحاجة إلى كميات زائدة من الطاقة.
الإضاءة الشمسية
يرجع استخدام بعض التطبيقات القائمة على الاستفادة من ضوء النهار مثل وجود فتحة كبيرة في منتصف الأسقف العالية كالتي توجد في معبد بانثيون في روما إلى العصور الوسطى.
استخدام ضوء الشمس الطبيعي
يعتبر استخدام ضوء الشمس الطبيعي من أنواع الإضاءة الأكثر استخدامًا على مر العصور. وقد عرف الرومانيون حقهم في الاستفادة من الضوءمنذ القرن السادس الميلادي، كما سار الدستور الإنجليزي على المنوال نفسه مؤيدًا ذلك بإصدار قانون التقادم لعام 1832. وفي القرن العشرين أصبحت الإضاءة باستخدام الوسائل الصناعية المصدر الرئيسي للإضاءة الداخلية، ولكن ظلت التقنيات التي تعتمد على استغلال ضوء النهار ومحطات الإضاءةالهجينة التي تعتمد على ضوء الشمس وغيره من طرق تقليل معدل استهلاك الطاقة.
تقوم نظم الإضاءة التي تقوم على ضوء النهار بتجميع وتوزيع ضوء الشمس لتوفير الإضاءة الداخلية. هذا، وتقوم وسائل التكنولوجيا التي تعتمد على الطاقة الشمسية السلبية بصورة مباشرة بتعويض استخدام الطاقة عن طريق استخدام الإضاءة الصناعية بدلاً منها، كما تقوم بتعويض بصورة غير مباشرة استخدام الطاقة غير الشمسية عن طريق تقليل الحاجة إلى تكييف الهواء. يقدم استخدام الإضاءة الطبيعة أيضًا فوائد عضوية ونفسية بالمقارنة بالإضاءة الصناعية، وذلك على الرغم من صعوبة تحديد هذه الفوائد بالضبط. ذلك، حيث تشتمل تصميمات الإضاءة التي تعتمد على ضوء النهار على اختيار دقيق لأنواع النوافذ وحجمها واتجاهها، كما قد يتم الأخذ في الاعتبار وسائل التظليل الخارجي. وتتضمن التطبيقات الفردية من هذا النوع من الإضاءة الطبيعة وجود أسقف مسننة ونوافذ علوية للإضاءة وتثبيت أرفف على النوافذ لتوزيع الإضاءة وفتحات إضاءة في أعلى السقف وأنابيب ضوئية. قد يمكن تضمين هذه التطبيقات في تصاميم موجودة بالفعل، ولكنها تكون أكثر فاعلية عندما يتم دمجها في تصميم شامل يعتمد على الطاقة الشمسية بحيث يهتم ببعض العوامل مثل سطوع الضوء وتدفق الحرارة والاستغلال الجيد للوقت. عندما يتم تنفيذ هذه التطبيقات بصورة سليمة، فمن الممكن أن يتم تقليل حجم الطاقة اللازمة للإضاءة بنسبة 25%.
نظم الإضاءة الشمسية الهجينة
تعتبر نظم الإضاءة الشمسية الهجينة من سبل استغلال الطاقة الشمسية الإيجابية في الإضاءة الداخلية. تقوم هذه النظم بتجميع ضوء الشمس باستخدام مرايا عاكسة متحركة تبعًا لحركة الشمس، كما تتضمن أليافًا ضوئية لنقل الضوء إلى داخل المبنى لزيادة الإضاءة العادية. وفي التطبيقات التي يتم الاستعانة بها في المباني ذات الطابق الواحد، تكون هذه النظم قادرة على نقل 50% من ضوء الشمس المباشر الذي يتم استقباله. تعتبر الإضاءة المستمدة من الشمس التي يتم اختزانها في أثناء النهار واستخدامها في الإضاءة في الليل من الأشياء المألوفة رؤيتها على طول الطرق وممرات المشاه.[بحاجة لمصدر] وعلى الرغم من أنه يتم استغلال ضوء النهار كإحدى طرق استخدام ضوء الشمس في توفير الطاقة، فإنه يتم الحد من الأبحاث الحديثة التي يتم إجراؤها، حيث أوضحت بعض النتائج العكسية: فهناك عدد من الدراسات التي أوضحت أن هذه الطريقة ينتج عنها توفير للطاقة، بيد أن هناك الكثير من الدراسات التي أظهرت أن هذه الطريقة ليس لها أي أثر على معدل استهلاك الطاقة، بل وقد تؤدي أيضًا إلى حدوث فقد في الطاقة، ولا سيما عندما يتم أخذ استهلاك البنزين في الحسبان. يتأثر معدل استهلاك الكهرباء بصورة كبيرة بالناحية الجغرافية والمناخية والجوانب الاقتصادية، مما يزيد من صعوبة استنباط نتائج عامة من دراسات فردية.
حرارة الشمس
من الممكن أن يتم استخدام التقنيات التي تعتمد على استغلال حرارة الشمس في تسخين الماء وتدفئة وتبريد الأماكن وعملية توليد حرارة.
تسخين الماء
تستخدم نظم التسخين التي تعمل بالطاقة الشمسية ضوء الشمس في تسخين الماء. ففي المنخفضات الجغرافية التي تقع (تحت 40 درجة)، يمكن أن يتم توفير ما يترواح من 60 إلى 70% من الماء الساخن المستخدم في المنازل بدرجات حرارة ترتفع إلى 60 درجة مئوية بواسطة نظم التسخين التي تعمل بالطاقة الشمسية. ويعتبر من أكثر أنواع سخانات المياه التي تعمل بالطاقة الشمسية الأنابيب المفرغة (44%) والألواح المستوية المصقولة (34%) التي تستخدم بصفة عامة لتسخين الماء في المنازل، وكذلك الألواح البلاستيكية غير المصقولة (21%) التي تستخدم بصفة رئيسية في تدفئة مياه حمامات السباحة.
الطهو بالطاقة الشمسية
إن الطباخ الشمسي عبارة عن جهاز يستخدم ضوء الشمس في الطهو والتجفيف والبسترة. وتنقسم أنواعه إلى ثلاث فئات: صناديق تحبس الحرارة ومواقد مكثفات منحنية (بارابولاكس) ومواقد مسطحة على شكل ألواح. وأبسط الأنواع هو الصناديق الحابسة للحرارة – وتم إنشاء أول جهاز بواسطة "حورس دي سوسير" في عام 1767. وتتكون صناديق الطهو الحابسة للحرارة بشكل أساسي من وعاء معزول وغطاء شفاف. ويمكن استخدامه بشكل فعال في الظروف الجوية السيئة؛ حيث ترتفع درجة حرارته بشكل كبير لتصل إلى ما يتراوح بين 90 و150 درجة مئوية. ، أما بالنسبة لمواقد الطهو المسطحة على شكل ألواح، فإنها تتكون من لوح عاكس لتوجيه أشعة الشمس إلى الوعاء المعزول، وينتج عنها درجة حرارة مرتفعة تصل إلى درجات مشابهة لتلك التي تصل إليها صناديق الطهو الحابسة للحرارة. أما المواقد المكثفات المنحنية (بارابولاكس)، فيحتوي على أدوات ذات أشكال هندسية عديدة (طبق ووعاء ومرايا Fresnel) التي تعمل على تجميع أشعة الشمس وتركيزها على وعاء الطهو.
المعالجة الحرارية
إن وسائل تركيز الطاقة الشمسية، مثل وحدة التجميع الشمسي على شكل قطع مكافئ والوعاء والعاكس "سكيفلر"، من الممكن أن توفر معالجة حرارية للأغراض الصناعية والتجارية. وقد كان أول نظام تجاري هو "سولار توتال انيرجي بروجكت" في شيناندو في ولاية جورجيا في الولايات المتحدة الأمريكية، حيث تم استخدام 114 وحدة تجميع شمسي على شكل قطع مكافئ، واستطاعوا توفير 50% من متطلبات عملية المعالجة الحرارية والمتطلبات الكهربائية ومتطلبات تكييف الهواء لأحد مصانع الملابس. هذا، وقد وفر جهاز استهلاك الطاقة لإنتاج الحرارة أو الكهرباء والمتصل بالشبكة 400 كيلو وات من الكهرباء بالإضافة إلى طاقة حرارية في صورة بخار قدره 401 كيلو وات ومياه مبردة قدرها 468 كيلو وات، كما كانت له القدرة على تخزين الحرارة لمدة ساعة واحدة كحد أقصى.[61].
توليد الكهرباء
يمكن تحويل ضوء الشمس المباشر إلى كهرباء باستخدام محولات فولتوضوئية (PV) وعملية تركيز الطاقة الشمسية (CSP) والعديد من الأساليب التجريبية الأخرى. وتُستخدم المحولات الفولتوضوئية بشكل أساسي لإمداد الأجهزة الصغيرة والمتوسطة بالكهرباء، بدءًا من الآلة الحاسبةالتي يتم تشغيلها بواسطة خلية شمسية واحدة إلى المنازل التي لا تحتوي على شبكة كهرباء والتي يتم إمدادها بالكهرباء بواسطة مجموعة من الخلايا الفولتوضوئية.ولتوليد الكهرباء على نطاق واسع، كان يتم ذلك من خلال مصانع تركيز الطاقة الشمسية، ولكن الآن أصبحت مصانع المحولات الفولتوضوئية التي تنتج كمية كبيرة من الكهرباء مثل محطات "إس إي جي إس"أكثر شيوعًا. في عام 2007، أصبحت كل من محطة الطاقة التي تنتج كمية كهرباء ذات فرق جهد 14 ميجا وات الموجودة في كلارك كاونتيفي نيفاداوكذلك المحطة التي تنتج كمية كهرباء ذات فرق جهد 20 ميجا وات في بينيكساما في إسبانيا أوضح سمتين على الاتجاه نحو تأسيس محطات طاقة فولتوضوئيةعملاقة في الولايات المتحدة وأوروبا.[65]وكمصدر طاقة متجدد، تتطلب الطاقة الشمسية مصدر دعم، والذي يمكن أن يتمثل في طاقة الرياح بشكل جزئي. ويتم عادةً الحصول على هذا الدعم من البطاريات، ولكن الأجهزة عادةً ما تستخدم التخزين بضخ الماء باستخدام الطاقة الهيدروليكية.
ليست هناك تعليقات:
إرسال تعليق