أحد صفحات التقدم العلمي للنشر
الطاقة المتجددةعلم المناخ

خطة كبرى لاستخدام الطاقة الشمسية

خطة كبرى لاستخدام الطاقة الشمسية(*)

بحلول عام 2050 ستنهي الطاقة الشمسية اعتماد الولايات المتحدة

على النفط الأجنبي كما ستخلصها من انبعاثات غازات الاحتباس الحراري(1).

<K.زويبل> ـ <J.ماسون> ـ <V.فثيناكيس>

 

 

مفاهيم مفتاحية

    إن تحولا ضخما من محطات الطاقة المعتمدة على الفحم الحجري، النفط، الغاز الطبيعي والطاقة النووية إلى محطات الطاقة الشمسية يمكن أن يؤمن 69 في المئة من الكهرباء اللازمة للولايات المتحدة و35  في المئة من الطاقة الكلية بحلول عام 2050.

    مساحة شاسعة من الخلايا الفوتوفلطية ستركب في الجنوب الغربي. وسيخزن الفائض من طاقة النهار على شكل هواء مضغوط في كهوف تحت الأرض ليستغل خلال ساعات الليل. 

    كما ستبنى محطات واسعة لتركيز الطاقة الشمسية.

    سيقوم عمود فقري جديد لنقل التيار المستمر بإيصال الكهرباء الشمسية إلى كافة أنحاء البلاد.

 تتطلب البنية التحتية تمويلا مقداره 420بليون دولار من عام 2011 إلى عام 2050 وهذه  تكلفة تنافسية.

محررو ساينتفيك أمريكان

 

إن الأسعار المرتفعة للبنزين(2) وزيت التدفئة المنزلي لن تتراجع. وحرب الولايات المتحدة في الشرق الأوسط هي في جزء  منها على الأقل لحماية مصالحها النفطية الخارجية. ولما كانت الصين والهند وغيرهما من الدول تزيد في سرعة اعتمادها على الوقود الأحفوري، يلوح في الأفق صراع واسع على الطاقة. وفي هذه الأثناء، تواصل المركبات ومحطات الطاقة التي تحرق الفحم الحجري والنفط والغاز الطبيعي في كل مكان، إطلاق ملايين الأطنان سنويا من الملوثات وغازات الاحتباس الحراري في الجوّ مهددة بذلك كوكب الأرض.

 

وقد اقترح بعض العلماء والمهندسين والاقتصاديين والسياسيين المرموقين خطوات متنوعة يمكن أن تخفض قليلا استعمال الوقود الأحفوري والانبعاثات الناتجة، ولكن هذه الخطوات غير كافية. وتحتاج الولايات المتحدة إلى خطة جريئة لتحرر نفسها من الوقود الأحفوري. وتقنعنا تحليلاتنا بأن الجواب المنطقي هو الانتقال الكلي إلى الطاقة الشمسية.

 

إن إمكانات الطاقة الشمسية لا يمكن حصرها. فطاقة ضوء الشمس الذي تتلقاه الأرض خلال 40 دقيقة تعادل الاستهلاك العالمي للطاقة خلال عام  كامل.  والولايات المتحدة محظوظة بأنها وهِبت مصدرا لا ينضب؛ فهناك على الأقل 000 250 ميل مربع من الأراضي في الجنوب الغربي وحده مناسبة لبناء محطات للطاقة الشمسية، إذ إن هذه الأراضي تستقبل 4500 كوادريليون(3)وحدة حرارية بريطانية (Btu) من الإشعاع الشمسي في العام. كما أن تحويل2.5 في المئة من هذا  الإشعاع إلى كهرباء يوازي قيمة الاستهلاك الكلي للولايات المتحدة من الطاقة خلال عام 2006.

 

ويتطلب تحويل اعتماد البلاد على الطاقة الشمسية تغطية مساحات شاسعة من الأراضي بالألواح الفوتوفلطية وأحواض التسخين الشمسية. ومن أجل توصيل الطاقة بشكل فعال إلى كامل أنحاء البلاد، قد يتطلب ذلك أيضا إقامة عمود فقري لنقل تيار مستمر (4) (DC).

 

وهذه التقانة جاهزة، وسنعرض في الصفحات التالية خطة كبرى يمكن بحلول عام 2050 أن تؤمن عن طريق الطاقة الشمسية نحو 69 في المئة من الكهرباء في الولايات المتحدة و35 في المئة من الطاقة الكلية فيها (بما في ذلك  الطاقة المستخدمة في النقل). ونحن نخطط لأن تباع هذه الطاقة إلى المستهلكين بأسعار تساوي الأسعار الحالية للطاقة المنتجة من المصادر التقليدية، أي حوالي خمسة سنتات للكيلوواط الساعي (kWh). وإذا طورت أيضا مصادر الطاقة من الرياح ومن الكتلة البيولوجية (الحيوية) biomassوالحرارة الجوفية geothermal، فسوف تؤمن الطاقة المتجددة 100 في المئة من كهرباء الولايات المتحدة و90 في المئة من حاجتها إلى الطاقة بحلول عام 2100.

 

ويتوقع أن على الحكومة الفدرالية أن تستثمر أكثر من 400 بليون دولار خلال السنوات الأربعين القادمة لإنجاز خطة عام 2050. وهذه الاستثمارات ضخمة، ولكن مردودها أكبر. وسوف تستهلك المحطات الشمسية قليلا من الوقود fuel أو لا تستهلك منه شيئا على الإطلاق، موفرة بذلك بلايين الدولارات سنة بعد سنة. وسوف تعمل البنية التحتية على تنحية 300 محطة طاقة كبيرة تعتمد على الفحم الحجري و300 محطة غاز طبيعي أكبر، إضافة إلى جميع كميات الوقود التي  تستهلكها هذه المحطات. وستستغني الخطة بشكل فعال عن النفط المستورد، ومن ثم ستحدُّ بشكل أساسي من العجز التجاري للولايات المتحدة وتخفف من التوتر السياسي في الشرق الأوسط وأمكنة أخرى. ولما كانت التقانات الشمسية خالية تقريبا مما يلوث البيئة، فإن  غازات الاحتباس الحراري المنبعثة من محطات الطاقة ستتناقص بمعدل 1.7 بليون طن في السنة و1.9 بليون طن أخرى نتيجة الاستعاضة عن السيارات التي تعتمد  على  البنزين بأخرى هجينة تعتمد على الطاقة الشمسية. وسينخفض انبعاث ثنائي أكسيد الكربون في الولايات المتحدة إلى 62 في المئة عن مستوياته في عام 2005 محدثا لجما  رئيسيا للاحترار العالمي.

 

مزارع فوتوفلطية(**)

 

http://oloommagazine.com/images/Articles/2008/6&7/21.gif

 

في السنوات القليلة الماضية انخفضت تكلفة إنتاج الخلايا والوحدات الفوتوفلطية بشكل كبير ممهدة الطريق أمام انتشارها على نطاق واسع. وهناك أنواع مختلفة من الخلايا الفوتوفلطية، ولكن الأغشية الرقيقة المصنوعة من تلوريد الكادميوم cadmium telluride هي حاليا الوحدات الأقل تكلفة. وللتمكن من تزويد الكهرباء بسعر ستة سنتات للكيلوواط الساعي عام 2020، يجب أن تكون كفاءة تحويل وحدات تلوريد الكادميوم إلى كهرباء بنسبة 14في المئة وتكلفة تركيب جهاز التخزين حوالي 4 دولارات لكل واط. ومن الواضح  أن التقدم مطلوب ولكن التقانة  تتقدم بسرعة. فقد ارتفعت الكفاءة التجارية من9 إلى 10 في المئة خلال الاثني عشر  شهرا الماضية. وتجدر الإشارة إلى أنه مع تحسن الوحدات فإن الأجهزة الفوتوفلطية  التي تركب على السطوح ستصبح ذات تكلفة منافسة لصالح مالكي المنازل وتخفض من ثم الطلب على الكهرباء في النهار.

 

وبحسب خطتنا، فإن التقانة الفوتوفلطية ستتكفل بتزويد 3000 جيگاواط  تقريبا أو بلايين الواطات من الطاقة. ولهذا يجب أن يقام حوالي  000 30 ميل مربع من الصفيفات arrays الفوتوفلطية. ومع أن هذه المساحة قد تبدو ضخمة،  فإن الإنشاءات المقامة حتى الآن تدل على أن الأراضي اللازمة لكل جيگاواط ساعي من الطاقة الشمسية المنتجة في الجنوب الغربي أصغر من تلك اللازمة من أجل محطة طاقة فحم حجري تعمل على تعدين الفحم نفسه. وتظهر الدراسات التي قام بها المختبر الوطني للطاقة المتجددة في گولدن بولاية كولورادو أن الأراضي في الجنوب الغربي متوافرة من دون اللجوء إلى استعمال مناطق حساسة بيئيا أو مراكز مأهولة أو تضاريس صعبة.

 

 وقد أشار<J.لاکيل>  [المتحدث باسم إدارة حفظ المياه] إلى أن 80 في المئة من  أراضي ولايته ليست أملاكا شخصية وأن أريزونا مهتمة جدا بتطوير قدراتها من الطاقة الشمسية. فالطبيعة غير الملوثة (الحميدة) للمحطات الفوتوفلطية (مع عدم استهلاك المياه) سوف تبقي القلق البيئي عند حده الأدنى.

 

بعد ذلك، فإن التقدم الرئيسي المطلوب هو أن ترتفع كفاءة الوحدات إلى 14في المئة، علما أن كفاءة الوحدات التجارية لن تصل إلى كفاءة  الخلايا الشمسية في المختبر، إذ إن كفاءة خلايا تلوريد الكادميوم في المختبر الوطني، للطاقة المتجددة تصل حاليا إلى 16.5 في المئة وهي في تصاعد مستمر. وهناك على الأقل مصنع شمسي هو فيرست سولار في بيرسبرگ بولاية أوهايو استطاع أن يرفع  كفاءة الوحدة من 8 إلى 10 في المئة بين عامي2005 و2007 ، وسوف تصل هذه الكفاءة إلى 11.5 في المئة عام 2010.

 

كهوف مضغوطة(***)

 

ومن الطبيعي أن العامل الكبير الذي يحد الطاقة الشمسية هو أنها تولد قليلا من الكهرباء عندما تكون السماء ملبدة بالغيوم ولا تولد شيئا أثناء الليل، ومن ثم فإن الطاقة الزائدة يجب أن تُنتج خلال الساعات المشمسة وأن تختزن لكي يتم استخدامها خلال ساعات الظلام. كما أن معظم منظومات تخزين الطاقة كالبطاريات هي إما مرتفعة الثمن أو غير فعالة.

 

ويبدو أن خزان طاقة الهواء المضغوط يمثل بديلا ناجحا، فالكهرباء المتولدة من المحطات الفوتوفلطية تعمل على ضغط الهواء وضخه إلى كهوف فارغة تحت الأرض أو مناجم مهجورة أو آبار ماء جافة أو آبار غاز ناضبة. يحرر هذا الهواء المضغوط بحسب الطلب لإدارة عنفة تولد الكهرباء بمساعدة حرق كمية صغيرة من الغاز. والمعروف أن محطات تخزين طاقة الهواء المضغوط تعمل بشكل موثوق في هانتورف بألمانيا منذ عام 1978، وفي ماكنتوش بولاية ألاباما منذ عام 1991. كذلك فإن العنفات تحرق 40 في المئة من الغاز الطبيعي فيما لو كان هذا الغاز معتمدا وحده،  ومن المفترض أن يؤدي استخدام تقانة أفضل للاستعادة الحرارية إلى تخفيض هذه النسبة إلى 30 في المئة.

 

وتشير دراسات معهد أبحاث الطاقة الكهربائية في بالوألتو بكاليفورنيا إلى أن تكلفة خزان طاقة الهواء المضغوط اليوم هي حوالي نصف تكلفة البطاريات الحمضية الرصاصية. كما تشير إلى أن هذه التسهيلات سوف تضيف ثلاثة أو أربعة سنتات إلى كل كيلوواط ساعي من التوليد الفوتوکلطي لتصل التكلفة الكليّة إلى ثمانية أو تسعة سنتات عام 2020.

 

 

 

 

خطة الولايات المتحدة لعام 2050(****)

 

ما يمكن أن تزوده الطاقة الشمسية
%35

من الطاقة الكلية

%69

من الكهرباء

 

 

احتياجات مسبقة 2050 2007 معامل حرج التقانة
– سياسات لتطوير مساحات الأراضي العامة

– مواد اكثر شفافية لتحسين انتقال الضوء، طبقات طلاء أكثر كثافة لذيادة الفلطية(الجهد)، وحدات أوسع لإنقاص المناطق غير الفعالة.

 

– تحسين كفاءة الوحدة، الأرباحخ من الإنتاج الحجمي.

 

– تنتج من تكلفة انتاج أقل.

 

– خطة طاقةوطنية  مبنية  علي الطاقة الشمسية.

  30000 ميل مربعة


14%

 

 

$1.2 /W


5c/kWh

 


2940GW

10 أميال  مربعة

 

%10

 

$4 /W

 

16cent/kWh

 


0.5GW

مساحةالأرض
كفاءة وحدة غشاء رقيق


تكلفة الإنشاء

 


ثمن الكهرباء


الاستطاعة الكلية

فوتوفولطية
– تنسيق تطوير الموقع مع صناعة الغاز الطبيعي.

– اقتصاديات واسعة النطاق لتخفيض تكلفة الكهرباء الفولتية.

– تنتج من تكلفة انتاج أقل.

– خطة طاقة وطنية.

بليون قدم مكعب535

$ 3.90/W

9c/kWh

558 GW

0

$ 5.80/W

20c/kWh

0.1 GW

الحجم

تكلفة الإنشاء

ثمن الكهرباء

الاستطاعة الكلية

تخزين طاقة الهواءالمضغوط
(مع كهرباء فوتوفلطية)
– سياسات لتطوير مساحات اراض عامة.

 

– سوائل تنقل  الحرارة بكفائة أكثر.

 

– منظومات تخزين حراري وحيدة المستودع.

 

– تنتج من تكلفة انشاء أقل.

 

– خطة طاقة وطنية.

000 16 ميل مربعة

17%

 

$3.7 /W

 

 9c/kWh

 

558GW 

10 أميال مربعة

 

13%

 

$5.3 /W

18cent/kWh

 

 0.5GW

مساحة الأرض
كفاءة تحويل الطاقة الشمسية إلي كهرباء

تكلفة الإنشاء

ثمن الكهرباء

الاستطاعة الكلية

طاقة شمسية مركزة
– شبكة جديدة من التيار المستمر العالي التوتر من الجنوب الغربي إلي باقي ارجاء البلاد. 000 100إلي
000 500 ميل
500 ميل الطول نقل التيار المستمر

 

 

بحلول عام 2050، ستؤمن شبكات فوتوفلطية واسعة في الجنوب الغربي الكهرباءَ عوضا عن محطات طاقة الوقود الأحفوري وستغذي نقاط توزيع كهرباء السيارات بشكل واسع. وستخزن الطاقة الفائضة كهواء مضغوط في كهوف تحت الأرض. وستؤمن الكهرباء شبكات واسعة تركز ضوء الشمس لتسخين الماء. وإن عمودا فقريا جديدا من خطوط نقل التيار المستمر العالي الفلطية سينقل الطاقة إلى الأسواق المحلية. وفي اليسار، تم تلخيص التقانات والعوامل الحاسمة اللازمة لنجاحها، إضافة إلى المدى الذي يجب أن تنتشر إليه تلك التقانات بحلول عام 2050. وسوف تتمكن الخطة من تخفيض استهلاك البلاد من الوقود الأحفوري وانبعاثات غازات الدفيئة (في الأسفل). وقد افترضنا زيادة سنوية في الطلب على الطاقة مقدارها 1% وأخذنا بعين الاعتبار تطور التقانات الشمسية حتى عام 2020 فقط، من دون مكاسب إضافية فيما بعد  هذا  التاريخ.

<K.زويبل> ـ <J.ماسون>  ـ <V.فثيناكيس>

 

 

الاستهلاك السنوي للوقود في الولايات المتحدة

 

 

http://oloommagazine.com/images/Articles/2008/6&7/0173.gif

 

http://oloommagazine.com/images/Articles/2008/6&7/0173%5b1%5d.gif

 

وسوف تنقل الكهرباء المولدة في المزارع الفوتوفلطية في الجنوب الغربي من الولايات المتحدة بواسطة خطوط نقل تيارات مستمرة عالية الفلطية (الجهد) إلى تجهيزات مخازن الهواء المضغوط الموجودة في أنحاء البلاد، حيث ستولد العنفات الكهرباء طوال العام. والعامل الحاسم في هذا الشأن هو إيجاد مواقع ملائمة، إذ إن خارطة صناعة الغاز الطبيعي ومعهد أبحاث الطاقة الكهربائية يظهران أن التكوينات الجيولوجية المناسبة موجودة في 75 في المئة من أراضي البلاد وغالبا  قرب المناطق الرئيسية. وفي الحقيقة فإن نظام تخزين طاقة الهواء المضغوط سيبدو مشابها لنظام تخزين الغاز الطبيعي في الولايات المتحدة، إذ إن الصناعة تخزن ثمانية تريليونات  قدم مكعب من الغاز في 400 مستودع تحت الأرض. وبحلول عام 2050 تتطلب خطتنا حجما للتخزين قدره 535 بليون قدم مكعب من الهواء المضغوط بمعدل 1100 پاوند على الإنش المربع. ومع أن التطور يبقى تحديّا، فإن المستودعات متوافرة بكثرة، والاستثمار في شبكة كتلك يُعد مجديا لصناعة الغاز الطبيعي.

 

ملح ساخن(*****)

 

 

 بحلول عام 2100 ستولد الطاقة المتجددة مئة في المئة  من كهرباء الولايات المتحدة وأكثر من90 في المئة من طاقتها.

 

 

وبرأينا أن ثمة تقانة أخرى قد تجعل من الممكن الحصول على خُمْس الطاقة الشمسية، وتعرف بالطاقة الشمسية المركزة(5). في هذا التصميم، تقوم مرآة معدنية طويلة بتركيز ضوء الشمس على أنبوب يحتوي على سائل فيسخنه، مثلما تفعل عدسة تكبير ضخمة؛ ثم يجري السائل الساخن عبر مبادل حراري، مطلقا بخارا يدير عنفة(6).

 

ولتخزين الطاقة، تمدد أنابيب إلى مستودع كبير معزول مملوء بالملح المصهور ويحتجز الحرارة بفعالية كبيرة. وتستخرج الحرارة في الليل لتوليد بخار. والملح المصهور يبرد ببطء، بحيث تنطلق الطاقة المخزنة فيه خلال يوم واحد.

 

وهناك تسع محطات للطاقة الشمسية المركزة باستطاعة كليّة مقدارها 354ميگاواط (MW)، تقوم منذ عدة سنوات بتوليد الكهرباء بشكل موثوق في الولايات المتحدة. وقد أنشئت في الشهر 3/2007 محطة جديدة تبلغ استطاعتها64 ميگاواط. ومع ذلك فإن هذه المحطات لا تحتوي على خزان حراري. وحاليا تبنى أول محطة تجارية متكاملة في أسبانيا، استطاعتها 50 ميگاواط ومزودة بخزان ملح مصهور يدوم  سبع ساعات؛ كما تصمم محطات أخرى في مختلف أرجاء العالم. ومن أجل خطتنا، فإننا نحتاج إلى تخزين يدوم 16 ساعة لتوليد الكهرباء مدة 24 ساعة يوميا.

 

لقد برهنت المحطات القائمة حاليا أن الطاقة الشمسية المركزة طاقة عملية، ولكن تكلفتها يجب أن تتناقص. وسوف يساعد على ذلك الاقتصادات الواسعة النطاق(7) والأبحاث المستمرة. ففي عام 2006، خلص تقرير فريق عمل الطاقة الشمسية لاتحاد حكام الولايات الغربية في أمريكا(8) إلى أن الطاقة الشمسية المركزة يمكن أن تَمد البلاد بالكهرباء بتكلفة لا تزيد على 10 سنتات لكل كيلوواط ساعي، وذلك بحلول عام 2015، إذا تمّ بناء 4 محطات باستطاعة 4جيگاواط. ومن شأن  إيجاد الطرق الكفيلة بتعزيز درجة حرارة موائع المبادلات الحرارية أن يرفع قيمة الكفاءة التشغيلية(9). وكذلك يبحث المهندسون في كيفية استخدام الملح المنصهر نفسه كمائع الانتقال الحراري(10) لإنقاص الفقد الحراري، فضلا عن التكلفة المالية. ومع  ذلك فإن  الملح يسبب التآكل، ومن ثم لا بد من استعمال منظومة أنابيب مقاومة.

 

 

 

الفوتوفلطية(******)

 

http://oloommagazine.com/images/Articles/2008/6&7/19.gif

في خطة عام 2050، ستغطي المزارع الفوتوفلطية الشاسعة  000 30 ميل مربع من الأراضي القاحلة. وستكون مشابهة لمحطة شركة توكسان للطاقة الكهربائية في سبرينگ کيل بولاية أريزونا البالغة طاقتها 4.6ميگاواط والتي بدأت في عام 2000 (في اليمين). في مثل هذه المزارع،  تُلحم عدة خلايا فوتوفلطية على وحدة واحدة وتوصل الخلايا ببعضها سلكيا لتشكل صفيفا(11) (في اليسار). ويسري التيار المستمر من كل صفيف إلى محول  يرسل هذا التيار عبر خطوط عالية الفلطية إلى شبكة الطاقة. وفي خلية غشاء رقيق تقوم طاقة الفوتونات الساقطة بضرب الإلكترونات السائبة في طبقة تِلّوريد الكادميومcadmium telluride فتعبر وصلة وتجري إلى الطبقة  الموصلة الأعلى،  وعندئذ تواصل جريانها نحو الطبقة الموصلة الخلفية مولدة التيار.

 

http://oloommagazine.com/images/Articles/2008/6&7/00147.gif

 

 

تمثل الطاقة الشمسية المركزة والفوتوکلطية مسارين تقانيين مختلفين. ولما كان أي منهما لم يتطور بشكل كامل، فإن خطتنا تقضي بوضعهما قيد الاستخدام على نطاق واسع بحلول عام 2020، وإتاحة الوقت اللازم لهما للنضوج. وقد تتطور أيضا توليفات متنوعة من التقانات الشمسية للوفاء بالمتطلبات الاقتصادية. ومع توسع المُنشآت، يستطيع المهندسون والمحاسبون تحديد السلبيات والإيجابيات للتقانات المنفذة، ومن ثمّ يتمكن المستثمرون من تقرير دعم إحدى هذه التقانات أكثر من غيرها.

 

تيار مستمر، أيضا(*******)

 

من الواضح أن جغرافية الطاقة الشمسية تختلف عن المخطط الوطني لتوزيع التيار. وحاليا تنتشر على الخارطة محطات الطاقة التي تعتمد على الفحم الحجري والنفط والغاز الطبيعي والطاقة النووية، وتقام نسبيا قرب الأمكنة التي هي بحاجة إلى الطاقة. ومعظم محطات توليد الطاقة الشمسية في الولايات المتحدة سوف تقام في الجنوب الغربي، وإن نظام خطوط نقل التيار المتناوب (AC) الموجود ليس قويا بشكل يكفي لنقل الطاقة من هذه المراكز إلى المستهلكين في كل مكان، وستفقد طاقة كثيرة أثناء استجرارها الطويل. ولذا، يجب أن يُقام عمود فقري(12) لنقل التيار  المستمر العالي الفلطية(13) (HVDC).

 

 

 

مصادر متوافرة بكثرة(********)

 

http://oloommagazine.com/images/Articles/2008/6&7/002.gif

 

يتوافر الإشعاع الشمسي بكثرة في الولايات المتحدة وبخاصة في الجنوب الغربي. ويمكن للمساحة البالغة  000 46 ميل مربع من الصفيفات arrays الشمسية  (الدوائر البيضاء) التي تتطلبها الخطة الشمسية أن تتوزع بطرق معينة، وأحد  الخيارات مبين هنا مع القياس(14).

ملاحظة : لم توضع الاسكا وهاواي مع القياس

 

 

وتشير الدراسات التي أجراها مختبر أوك ريدج الوطني إلى أن خطوط نقل التيار HVDC تفقد من الطاقة أقل مما تفقده خطوط نقل التيار المتردد (AC) على مدى مسافات متكافئة. وقد يُصدر هذا العمود الفقري طاقة من الجنوب الغربي إلى حدود البلاد. وقد تنتهي خطوط النقل عند محطات التحويل، التي يتحول فيها التيار المستمر إلى تيار متناوب قبل إرساله في خطوط النقل المناطقية(15) التي تزود  المستهلكين بالكهرباء.

 

إن منظومة التيار المتناوب هي أيضا ببساطة منظومة ضعيفة الاستطاعة تسبب انقطاع الكهرباء في كاليفورنيا ومناطق أخرى، كما أن إنشاء خطوط التيار المستمر أرخص من إنشاء خطوط التيار المتناوب ويحتاج إلى أراض أقل. وحاليا تستعمل الولايات المتحدة حوالي 500 ميل من خطوط التيارHVDC، وقد أثبتت كفاءة وموثوقية. ويظهر أنها لا تتطلب تقدما تقنيا مهما ولكن توسّع الخبرات سيساعد على جعل العمليات أدق. ويقوم حوض طاقة الجنوب الغربي في تكساس بتصميم نظام متكامل لنقل التيار المستمر والتيار المتناوب لإفساح المجال بتطوير 10 جيگاواط من طاقة  الرياح في تكساس الغربية. كما يقترح اتحاد ترانس كندا تمديد 2200 ميل من خطوط التيار HVDC لنقل طاقة الرياح من مونتانا و وايومينگ جنوبا إلى لاس کيگاس وما  وراءها.

 

 

 

العوائد(*********)

 

  تناقص الاعتماد على النفط الأجنبي من 60 إلى 0 في المئة

  تخفيف التوتر العالمي وتخفيض النفقات العسكرية

  تناقص العجز التجاري الكلي بشكل كبير

  تخفيض انبعاثات غازات الاحتباس الحراري

  ازدياد عدد الوظائف المحلية.

 

 

المرحلة الأولى:

من الوقت الحاضر إلى عام 2020(**********)

 

لقد فكّرنا جيدا حول كيفية نشر الخطة الشمسية الكبرى. وقد أدركنا مسبقا وجود مرحلتين واضحتين. الأولى، من الآن وحتى عام 2020، ويجب فيها جعل الطاقة الشمسية منافسة على مستوى الإنتاج بالجملة. وستتطلب هذه المرحلة أن تؤمن الحكومة قرضا لثلاثين عاما وتوافق على شراء الطاقة وتقدم دعما لتخفيض أسعارها. وسوف تزداد سلة الدعم باطراد من عام 2011 إلى عام2020. وفي ذلك الوقت سوف تكون التقانات الشمسية منافسة عن جدارة، وسوف تصل قيمة الدعم المالي الكلّي إلى 420 بليون دولار (سنشرح لاحقا  كيف يمكن دفع هذه الفاتورة).

 

وبحلول عام 2020 سوف تبنى محطات طاقة شمسية فوتوفلطية مكثفة تبلغ استطاعتها 84 جيگاواط. وبشكل مواز ستقام منظومة لنقل التيار المستمر  وتتوزع على الجهة اليمنى من الطرقات السريعة العابرة للولايات مقللة بذلك من حجم الأراضي المستملكة والعقبات التنظيمية. وقد يصل هذا العمود الفقري إلى الأسواق الرئيسية في فونيكس ولاس فيگاس ولوس أنجلوس وسان دييگو في الغرب، وفي سان أنطونيو ودالاس وهيوستن ونيو أورليانز وبيرمنگهام بولاية ألاباما وتامبا بولاية فلوريدا وأتلانتا في الشرق.

 

إن بناء محطة طاقة شمسية باستطاعة 1.5 جيگاواط من الطاقة الفوتوفلطية و1.5  جيگاواط من الطاقة المركزة سنويا خلال السنوات الخمس الأولى، سيحفز عددا كبيرا من المصنعين على مشاركة أوسع. وفي السنوات الخمس القادمة سوف ترتفع وتيرة البناء بمعدل 5 جيگاواط لكل محطة، وهذا يساعد الشركات  على مد الحد الأمثل من خطوط الإنتاج. ونتيجة لذلك، سوف يهبط سعر الكيلوواط الساعي من الطاقة الشمسية إلى 5 سنتات. ويعتبر مخطط التطبيق هذا واقعيا، لأن أكثر من 5 جيگاواط من محطات الطاقة النووية قد أنشئت سنويا بين عامي 1972 و 1987. إضافة إلى ذلك، فإن المنظومات الشمسية يمكن أن تصنع وتركب بمعدل أسرع بكثير من محطات الطاقة التقليدية، نظرا لتصميمها غير المعقد نسبيا وقلة تعقيداتها المتعلقة بالبيئة والسلامة.

 

 

 

حاجات ملحة(***********)

 

 إعانات مالية حكومية يبلغ مجموعها 420بليون دولار حتى عام 2050

 القيادة السياسية يمكنها تحصيل الإعانة المالية الحكومية، وقد يكون ذلك ممكنا بضريبة الكربون

 نظام جديد لنقل التيار المستمر العالي الفلطية يبنى بصورة مُربحة من قبل القطاع الخاص.

 

المرحلة الثانية:

من عام 2020 إلى عام 2050(************)

 

من المهم القول إن حوافز السوق الرئيسية تبقى متوافرة خلال عام 2020، لتهيئة الوصول إلى مرحلة النمو الذاتي بعد ذلك. وقد كنا في نموذجنا الممتد حتى عام 2050 متحفظين، لأنه لم يتضمن أي تحسينات تقنية أو إضافات مالية بعد عام 2020. وقد افترضنا أن الطلب على الطاقة في البلاد سوف يزداد بمعدل 1 في المئة سنويا. وبحسب هذا السيناريو، فإن محطات الطاقة الشمسية سوف تتمكن بحلول عام 2050 من أن تزود 69 في المئة من كهرباء الولايات المتحدة و35  في المئة من طاقتها الكلية. وتتضمن هذه الكمية ما يكفي لتزويد الكهرباء اللازمة لما تستهلكه 344 مليون عربة ذات محرك هجين يفترض أن يحل محل محرك البنزين، وهو ما يعد  عاملا حاسما لخفض الاعتماد على النفط الأجنبي والحد من انبعاث غازات الاحتباس الحراري. وستظهر حوالي ثلاثة ملايين وظيفة محلية جديدة لتصنيع مكونات إنتاج الطاقة الشمسية، وهي تشكل أضعاف الوظائف التي ستفقد في الولايات المتحدة عند تقليص صناعات الوقود الأحفوري.

 

http://oloommagazine.com/images/Articles/2008/6&7/003.gif

 

إن الانخفاض الهائل للنفط المستورد سيخفض ميزان المدفوعات التجاري بقيمة 300 بليون دولار في السنة، إذا افترضنا أن سعر برميل الخام 60 دولارا (كان متوسط السعر أعلى من ذلك في عام 2007). وتحتاج محطات الطاقة الشمسية المزمع إنشاؤها إلى صيانة وإصلاح ولكن ضوء الشمس يبقى مجانيا، ما يضاعف الوفر في الوقود عاما بعد عام. إضافة إلى ذلك، فإن الاستثمار الشمسي سيعزز الأمن الوطني في مجال الطاقة، وينقص الأعباء المالية العسكرية، ويخفض كثيرا التأثيرات الاجتماعية للتلوث والاحترار العالمي بدءا بالمشكلات الصحية البشرية وانتهاء بتدمير المناطق الساحلية والأراضي الزراعية.

 

وما يدعو إلى العجب أن الخطة الشمسية الكبرى ستؤدي إلى خفض استهلاك الطاقة. وحتى مع نمو الطلب بمعدل 1 في المئة سنويا فإن 100كوادريليون Btu (وحدة طاقية) مستهلكة في عام 2006 ستنخفض إلى 93كوادريليون Btu بحلول عام 2050. ويردّ هذا التناقص الغريب إلى أن قسطا كبيرا من الطاقة يستهلك لاستخراج ومعالجة الوقود الأحفوري فيما يضيع قسط أكبر في حرقه والحد من الغازات المنبعثة منه.

 

ولتلبية مشروع عام 2050 لابد من تأمين 000 46 ميل مربع من الأراضي من أجل منشآت الطاقة الشمسية الفوتوفلطية المركزة. وهذه المساحة  واسعة، ومع ذلك لا تشكل سوى 19 في المئة من الأراضي المناسبة في الجنوب الغربي.  ومعظم هذه الأراضي قاحلة وليس لها أي قيمة استثمارية. كما أن هذه الأراضي لن تتلوث. لقد افترضنا أن نسبة 10 في المئة من الاستطاعة الشمسية عام 2050 ستأتي من  المنشآت الفوتوفلطية المقامة على سطوح المنازل أو في المحال التجارية الكثيرة  المنتشرة في أرجاء البلاد. فكلما انخفضت التكلفة استطاعت هذه التطبيقات أن تؤدي دورًا أكبر.

 

 

 

بارعة؟

صعبة المنال؟

 

لمناقشة مؤلفي هذه المقالة حول «الخطة الكبرى لاستخدام الطاقة الشمسية»، يرجى زيارة موقعنا: http://science-community.SciAm.com

 

 

عام 2050 وما بعد(*************)

 

مع أنه من غير الممكن التخطيط بدقة لفترة 50 عاما أو أكثر في المستقبل، فقد قمنا بوضع سيناريو لعام 2100 كتمرين لعرض الإمكانات الكلية  للطاقة  الشمسية. ففي ذلك الوقت، وبالاعتماد على خطتنا، من المتوقع أن يبلغ الطلب على الطاقة (بما فيها وسائل النقل) 140 كوادريليون Btu، أي أكبر بسبع مرات من  استطاعة توليد الكهرباء الحالية.

 

 

 

تخزين تحت الأرض(**************)

 

http://oloommagazine.com/images/Articles/2008/6&7/004.gif

 

 إن الكهرباء الزائدة التي تُنتج خلال النهار من قبل المزارع الفوتوفلطية ترسل عبر خطوط نقل الطاقة إلى مواقع تخزين الهواء المضغوط قرب المدن. وخلال الليل تولد هذه المواقع الطاقة للمستهلكين، بحيث تبقى   متوافرة دائما. فمحطة الطاقة في ماكنتوش بولاية ألاباما (في اليمين) تعمل منذ عام 1991 (الأنبوب الأبيض يرسل الهواء إلى المستودعات تحت الأرض). وفي هذه التصاميم تدير الكهرباءُ المحركات والضواغط التي تضغط الهواء وترسله إلى كهوف أو مناجم أو آبار فارغة (في اليسار). وعندما يحرر الهواء، فإنه يَسخن من جراء حرق كمية بسيطة من الغاز الطبيعي، فتقوم الغازات الساخنة والمتمددة بإدارة العنفات التي تولد الكهرباء.

 

 

ولكي نكون متحفظين، قمنا بتقدير قيمة الاستطاعة التي ستحتاج إليها المحطة الشمسية في ظل أسوأ الظروف التاريخية للإشعاع الشمسي في الجنوب الغربي والتي حدثت في شتاء عامي 1982 و1983 وفي عامي 1992 و1993 بعد  ثوران جبل بيناتوبو، وذلك وفق سجلات قاعدة بيانات الإشعاع الشمسي الوطني من عام 1961 حتى عام 2005. ومرة أخرى، لم نفترض هنا أي تحسينات تقنية أو زيادة في التكلفة بعد عام 2020، مع أنه من المؤكد تقريبا أن الأبحاث التي ستُجرى خلال الثمانين  سنة القادمة سوف تحسن كفاءة وتكلفة وتخزين الطاقة الشمسية.

 

ضمن هذه الافتراضات، سيتم تأمين الطلب على الطاقة في الولايات المتحدة  بالاستطاعات التالية: 2.9 تيراواط (TW) من الطاقة الفوتوفلطية ستذهب مباشرة إلى الشبكة، و7.5 تيراواط أخرى ستخصص لمستودعات الهواء المضغوط، و2.3 تيراواط من محطات الطاقة الشمسية المركزة، و1.3تيراواط من المنشآت الفوتوفلطية الموزَّعة. وسوف يستكمل الطلب بحوالي 1تيراواط من مزارع طاقة الرياح، و0.2  تيراواط من محطات طاقة الحرارة الجوفية و0.25 تيراواط من الإنتاج المعتمد على  الكتلة البيولوجية للوقود. ويتضمن النموذج 0.5 تيراواط من مضخات الحرارة الجوفية  لتدفئة وتبريد المنازل مباشرة، وستتطلب المنظومات الشمسية 000 165 ميل مربع من  الأراضي، وهي أقل من الأراضي المناسبة المتوافرة في الجنوب الغربي.

 

في عام 2100 يمكن أن تولد هذه السلّة(16) المتجددة 100 في المئة من كهرباء الولايات المتحدة وأكثر من 90 في المئة من حاجتها الإجمالية  من الطاقة. وفي  الربيع والصيف سوف تنتج البنية التحتية الشمسية كمية كافية من الهدروجين لتلبية أكثر من 90 في المئة من الطلب على وقود النقل وسوف يحل  الهدروجين مكان كميات الغاز الطبيعي القليلة المستعملة في عنفات الهواء المضغوط. وسوف تؤدي إضافة 48 بليون گالون من الوقود البيولوجي إلى تغطية ما تبقى من طاقة  النقل. وسوف ينخفض انبعاث ثنائي أكسيد الكربون المرافق لإنتاج الطاقة بنسبة 92 في المئة عن مستوياته عام 2005.

 

 

http://oloommagazine.com/images/Articles/2008/6&7/005%5b1%5d.gif

 

من سيدفع تكاليف هذه المشاريع؟(***************)

 

إن نموذجنا ليس خطة بسيطة، لأنها تتضمن زيادة على الطلب مقدارها 1في المئة سنويا، ما يأخذ بعين الاعتبار أنماط حياة مماثلة لأنماط  هذه الأيام مع توقع تحسينات في كفاءة توليد الطاقة واستعمالها. ولعل السؤال الأكبر هو كيفية دفع مبلغ 420 بليون دولار للإنفاق على البنية التحتية لطاقة  البلاد.  وإحدى الأفكار المهمة الشائعة هي ضريبة الكربون. وتقترح وكالة الطاقة الدولية فرض ضريبة كربون تراوح قيمتها بين 40 دولارا و 90 دولارا على كل طن فحم  حجري من أجل أن تحث المولدات الكهربائية على اعتماد منظومات جمع وتخزين ثنائي أكسيد الكربون للحد من انبعاثاته. وهذه الضريبة تكافئ رفع سعر الكهرباء من سنت واحد إلى سنتين لكل كيلوواط ساعي. ولكن خطتنا أقل تكلفة، إذ يمكن الحصول على 420 بليون دولار بفرض ضريبة كربون بقيمة0.5 سنت عن كل كيلوواط ساعي. ولما كانت  الكهرباء تباع حاليا بشكل عام بسعر يراوح بين 6 و 10 سنتات لكل كيلوواط ساعي، فإن إضافة 0.5 سنت لكل  كيلوواط ساعي تبدو منطقية.

 

 

مع أن 420 بليون دولار مبلغ كبير جدا، فهو أقل مما يُصرف على برنامج دعم أسعار  مزارع الولايات المتحدة.

 

 

ويمكن أن يقدم الكونگرس حوافز مالية لتبني خطة الطاقة المتجددة. ولننظر إلى برنامج دعم أسعار مزارع الولايات المتحدة، الذي جرى تبريره على أساس الأمن القومي. إن برنامج دعم أسعار الطاقة الشمسية سوف يؤمن مستقبل الطاقة الوطنية الذي يعد ضروريا لصحة البلاد على الأمد البعيد. وسوف يموّل تدريجيا من عام 2011 إلى عام 2020. وإذا اعتمدنا فترة 30 عاما معيارا للإنفاق، فإن الدعم التمويلي سوف يتوقف من عام 2041 إلى عام 2050. ولن تكون شركات نقل التيار HVDC بحاجة إلى دعم، لأنها ستمول منشآت خطوط النقل ومحطات التحويل، مثلما  تمول الآن خطوط التيار المتناوب وتؤمن ريعا من توزيع الكهرباء.

 

ومع أن مبلغ ال420 بليون دولار مبلغ ضخم، فإن الإنفاق السنوي سيكون أقل من برنامج الدعم الراهن لأسعار مزارع الولايات المتحدة؛ كما أنه  أقل من الدعم بواسطة الضريبة التي جبيت لإقامة البنية التحتية للاتصالات البعدية خلال ال35 سنة الماضية؛ فضلا عن أنه يحرر الولايات المتحدة من قضايا السياسة  والموازنة التي تحدث بسبب أزمات الطاقة الدولية.

 

 

 

طاقة شمسية مُركّزة(****************)

 

http://oloommagazine.com/images/Articles/2008/6&7/14.gif

 

إن محطات الطاقة الشمسية المركزة الكبيرة ستكون مكملة للمزارع الفوتوفلطية في الجنوب الغربي. ومنذ عام 1989 تعمل محطة كرامر جانكشن في صحراء موهاک بكاليفورنيا (في اليسار)  باستعمال تقانات مستوحاة من شركات بحث أخرى. ووفق هذه التقانات، تقوم مرايا معدنية مكافئة المقطع parabolic بتركيز ضوء  الشمس على أنبوب يسخن بداخله سائل مثل گليكول الإيثلين (في اليمين). وتدور  المرايا متابعة الشمس وتستمر أنابيب التسخين بمحاذاة حلقة ثانية داخل مبادل حراري يحتوي على الماء محولا إياه إلى بخار يحرك عنفة. ويمكن للمحطات المستقبلية أيضا أن ترسل السائل عبر مستودع ليسخن ملحا مصهورا، وهذا المستودع يحفظ الحرارة التي تستخدم ليلا في المبادل الحراري.

 

ومن دون هذا الدعم تكون الخطة الشمسية الكبرى مستحيلة. وقد وصلت بلاد أخرى إلى استنتاجات مماثلة؛ فاليابان بصدد إنشاء بنية تحتية للطاقة الشمسية واسعة وممولة، وقد وضعت ألمانيا برنامجا على مستوى البلاد بأكملها. ومع أن الاستثمار كبير، فمن المهم أن نتذكر أن مصدر الطاقة الذي هو ضوء الشمس مجاني؛ ولا توجد تكاليف سنوية للوقود أو للحد من التلوث كما في حالة الفحم الحجري أو النفط أو الطاقة النووية، ولكن مجرد تكلفة ضئيلة للغاز الطبيعي في منظومات الهواء المضغوط، مع أن الهدروجين أو الوقود البيولوجي (الحيوي) يمكن أن يحل مكانه أيضا. وعند تفعيل وفرة الوقود تصبح تكلفة الطاقة الشمسية قابلة للنقاش في العقود القادمة. ولكننا لا نستطيع الانتظار حتى ذلك الوقت لنبدأ بالعمل.

 

لقد أثار النقاد مشكلات أخرى، مثل القيود المفروضة على المواد التي ستضيق الخناق على المنشآت الواسعة النطاق. فمع الانتشار السريع يصبح القصور ممكنا. ولكن توجد أنواع مختلفة من الخلايا التي تستعمل تركيبات مختلفة من المواد. ومن شأن معالجة المواد وتدويرها الحد أيضا من كمية هذه المواد التي تتطلبها الخلايا. وعلى المدى الطويل، يمكن إلى حد كبير تدوير (إعادة معالجة) الخلايا الشمسية القديمة وتحويلها إلى خلايا شمسية جديدة، ما يبدل نظرتنا عن التزوّد بالطاقة من وقود ينضب إلى مواد قابلة للتدوير.

 

غير أن العائق الأكبر أمام تنفيذ نظام الطاقة المتجددة في الولايات المتحدة ليس التقانة أو الأموال، ولكن ضعف قناعة الجمهور بأن الطاقة الشمسية يمكن أن تشكل بديلا عمليا للطاقة، كما يمكنها أن تكون وقودا للنقل. فعلى المفكرين الذين ينظرون إلى المستقبل الإيحاء لمواطني الولايات المتحدة وقياداتهم السياسية والعلمية بالإمكانات الفائقة للطاقة الشمسية. وبمجرد أن يدرك الأمريكيون هذه الإمكانات، فإننا نعتقد بأن الرغبة في اكتفاء ذاتي في الطاقة والحاجة إلى خفض انبعاث ثنائي أكسيد الكربون سيدفعانهم إلى تبني خطة شمسية كبرى. 

 

المؤلفون

Ken Zweibel – James Mason – Vasilis Fthenakis

 

 التقوا منذ عقد من الزمن بينما كانوا يعملون على دراسات دورة ـ حياة الفوتوکلطيات. <زويبل> هو رئيس الشركة «برايم ستار سولار» في گولدن بكولورادو، وكان مدة 15 عاما مديرا لشراكة مختبرات الأغشية الرقيقة للطاقة المتجددة الوطنية. و<ماسون> هو مدير حملة الطاقة الشمسية معهد أبحاث الهدروجين في فارمنگدال بنيويورك. أما <فثيناكيس> فهو رئيس مركز الأبحاث البيئية الفوتوفلطية في مختبرات بروك هاکن وأستاذ ومدير مركز جامعة كولومبيا لتحليل دورة الحياة.

 

  مراجع للاستزادة

 

The Terawatta Challenge for Thin film Photovoltaic, Ken Zweibel in Thin Film solar Cells: Fabrication, Characterization and Applications.

Edited by Jef Poortmans and Vladimier Arkhipov. Jhon Wiley & Sons, 2006.

 

Energy Autonomy: The Economic, social and Technological Case dor Renewable Enerfy, Hermann Scheer. Earhscan Publications, 2007.

 

Center for Life Cycle Analysis, Columbia University: www.clca.columbia.edu

 

The National solar Radiation dataBase. National Renewable Energy Laboratory, 2007.

http://rredc.nrel.gov/solar/old_data/nsrdb

 

The U.S. Department od Energy solar America Initative:www.1/eere.energy.gov/solar/solar_america

 

(*) A SOLAR GRAND PLAN

(**) Photovoltaic Farms

(***) Pressurized Caverns

(****) U.S. Plan for 2050

 (*****) Hot Salt

(******) Photovoltaics

(*******) Direct Current, Too

(********) Plentiful Resource

(*********) PAYOFFS

(**********) Stage One: Present to 2020

(***********) PINCH POINTS

(************) Stage Two: 2020 tp 2050

(*************) 2050 and Beyond

(**************) Underground Storage

(***************) Who Pays?

(****************) Concentrated Solar

 

(1)أو غازات الدفيئة.

(2)  يُعرف في أمريكا الشمالية باسم گازولين gazoline ، واختصارا  gaz، كما يعرف باسم بترول petrol في معظم دول الكومونويلث الحالية أو السابقة.

(3) كوادريليون = 1510

(4) a direct-current transmission backbone . والعمود الفقري هنا هو الرابط الأكبر major link البعيد المدى في شبكة، ومنه تتفرع روابط أصغر.  (التحرير)

(5) concentrated solar energy

(6) turbine أو تُربين.

(7) economies of scale

(8) Solar Task Force of the Western Governors  Association

(9) operating efficiency

(10) heat-transfer fluid

(11) array

(12) backbone ، انظر الحاشية 4 في الصفحة 4.

(13) voltage

(14) to scale =  مع تصغير أو تكبير منتظم للقياسات.

(15) regional

(16) Portfolio

http://oloommagazine.com/Images/none.gif
تسوق لمجلتك المفضلة بأمان

مقالات ذات صلة

اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني. الحقول الإلزامية مشار إليها بـ *

زر الذهاب إلى الأعلى