الرئيسية
البوابة
المنشورات
أحدث الصور
التسجيل
دخول
مهندسة ريهامعضو متميز- عدد المساهمات : 340
تاريخ التسجيل : 26/12/2012
مصادر الطاقة التقليدية ... و بدائلها
الأربعاء 23 يناير 2013 - 3:23
بسم الله الرحمن الرحيم
تشكل الطاقة في حال نضوبها معضلة اقتصادية كبيرة ، و يترتب عليها مشكلات اجتماعية و تغييرات سياسية ... باختصار ينقلب العالم رأساً على عقب .!
من المتوقع أن يصل عدد سكان العالم إلى 10 مليارات نسمة بحلول عام 2050م، وهذا العدد الهائل من البشر سيصل احتياجه من الطاقة إلى 5 أضعاف الطاقة التي يتم توليدها حالياً ؛ لهذا ظهرت الحاجة للحصول على العديد من المصادر الطبيعية التي لا تنضب بخلاف المستخدمة الآن لاستغلالها استغلالا أمثل في إنتاج الطاقة مستقبلاً .
لكن ... هل لتلك المخاوف مبرراتها ؟؟؟
يقول المولى عزّ و جلّ في محكم التنزيل" و إن تعدّوا نعمة الله لا تحصوها "
الطاقة نعمة من نعم الله التي لا تحصى ... و جميعنا يعلم أن الشمس تعد المصدر الرئيسي للطاقة ؛ إذ تتحول الطاقة الشمسية ( الضوئية ) بواسطة الكلوروفيل إلى طاقة كيميائية تخزن في النبات ... و تشكل فيما بعد الطاقة التي نحصل عليها من الأطعمة ( النباتية و الحيوانية )
و كذا فإن الطاقة التي نحصل عليها من الخشب أو من الوقود الأحفوري ( وفقاً لنظرية الأصل العضوي للنفط ) ما هي إلاّ جزء من الطاقة الشمسية .
غير أن الشمس ليست المصدر الوحيد للطاقة .... فيوم بعد يوم تكشف لنا الأبحاث و الدراسات مصادر جديدة للطاقة ، و تسعى تلك الأبحاث في مرامها نحو إمكانية تطبيق تلك المصادر على صعيد الواقع .
قبل الحديث عن البدائل الجديدة لمصادر الطاقة ... نقف قليلاً عند مصادر الطاقة التقليدية :
مصادر الطاقة التقليدية
أولاً: الفحم الحجري : لايزال الفحم الحجري من مصادر الطاقة الرئيسة في العالم، فهو المصدر الأكثر أهمية لتوليد الكهرباء في العالم وتقول إحدى الدراسات إن الفحم يستخدم حالياً في توليد حوالي 40% من كهرباء العالم.
إلا أن هناك آثاراً بيئية سلبية لتوليد الكهرباء باستخدام الفحم وقد أنفقت صناعة الطاقة مليارات الدولارات لجعل طاقة الفحم خضراء.
يوجد الآن برنامجان قيد التنفيذ الأول هو "برنامج تقنيات الفحم النظيفة" في الولايات المتحدة، والثاني برنامج "ثرمي" لدى المفوضية الأوروبية و الهدف الرئيس لهذين البرنامجين هو الخفض الكبير لانبعاث ثاني أكسيد الكبريت وأكاسيد النيتروجين ورفع كفاءة الاستخدام والتوفير في الوقود
ثانياً: طاقة الغاز : يحتل الغاز المرتبة الثانية كمصدر من مصادر الطاقة على الصعيد العالمي
ويشكل احتياطي الغاز في ثلاث دول في العالم (روسيا، إيران، قطر) ما مجموعه 79.57 ترليون متر مكعب أي 55% من الاحتياطي العالمي، أما بالنسبة لعمر احتياطيات الغاز فيقدر بـ64 سنة للاحتياطي العالمي و85.9 سنة في روسيا وأكثر من 100 سنة في بقية الأقطار نظراً لمحدودية إنتاجها الحالي.
ثالثاً: النفط: يعد النفط حتى اللحظة أهم مصدر للطاقة ... فقد حافظ النفط على مركز الصدارة بين أنواع الطاقة الأخرى في العالم خلال نصف القرن الميلادي الماضي، إذ كان العنصر الأساسي في التطور الاقتصادي الذي شهده العالم.
وإذا كان التعطش للطاقة خلال نصف القرن الماضي قد تضاعف خمس مرات فإن استهلاك النفط على الصعيد العالمي وخلال الفترة الممتدة بين 1945م إلى 1973م قد ارتفع بمعدل سنوي يساوي 5.5% بما يعكس متوسط معدل التطور الاقتصادي.
وتؤكد الدراسات والتقارير المختصة أنه على الرغم من صرف مليارات الدولارات على أنواع من الطاقة الأخرى وتحول العديد من التقنيات الجديدة من المرحلة التجريبية إلى المرحلة التطبيقية، إلا أن النفط سيحافظ على المركز الأول كمصدر رئيس للطاقة، وأن الحديث عن نضوب منابعه أو منافسة مصادر طاقة أخرى نظيفة أو غير نظيفة لن تبدأ قبل عام 2050م وأن النفط العربي بشكل خاص سيبقى يشكل المرتكز الأساسي في توفير الطاقة للعالم لعقود قادمة فعمر احتياطياته حسب أحدث الدراسات هو الأطول بين جميع الاحتياطيات في العالم وكلفة استخراجه هي الأقل أيضاً ؛ مما يمكنه من منافسة مصادر الطاقة البديلة المطروحة.
بشرى سارة : يؤكد الخبراء أن منابع النفط لا تنفد بل هي في حال تجدد دائم ...!
ومن أكبر الأدلة على ذلك اكتشاف علماء الجيولوجيا أن بعض آبار النفط في المنطقة العربية تعيد ملء نفسها باستمرار من الأسفل .
بدليل أن معظم خبراء النفط كانوا يرددون في السبعينيات أن احتياطيات النفط ستنفد في حدود عام 1984م بينما نعرف حالياً أن الاحتياطيات المستكشفة إلى الآن أكثر من أي وقت مضى.
بالرغم ما نعرفه و ما تكشفه الأبحاث و الدراسات المتعلقة بمصادر الطاقة التقليدية بشأن ما تطرحه من ملوثات في البيئة .... تظل هذه المصادر هي الأقل كلفة و الأسهل تقنية في عملية استخراجها و تطبيقاتها المختلفة .
الطــاقـة المتجـددة
كان و لا يزال سعي العلماء باتجاه الطاقة المتجددة و إمكانية تطبيقها يمثل حلماً كبيراً يراه المتفائلون قريب المنال ..... و لا أنكر بأني أتمنى حقاً أن نحصل على الطاقة من مصدر متوفر للجميع و أكثر نظافة لبيئتنا المرثي لحالها ...خصوصاً عندما تكون من مصدر طبيعي متاح للجميع .... أليس ذلك رائعاً ...!
من هذه المصادر المأمول تطبيقها :
الطاقة الشمسية
خلق الله الشمس والقمر كآيات دالة على كمال قدرته وعظم سلطانه وجعل شعاع الشمس مصدراً للضياء على الأرض وجعل الشعاع المعكوس من سطح القمر نوراً . قال الله تعالى في كتابه العزيز ( هو الذي جعل الشمس ضياء والقمر نوراً وقدره منازل لتعلموا عدد السنين والحساب ما خلق الله ذلك إلا بالحق يفصل الآيات لقوم يعلمون ) سورة يونس الآية(5)
من المعلوم أن الشمس تعد المصدر الرئيسي للطاقة ، كما أنها تنتج ـ بفضل الله ـ طاقة الكتلة الحيوية الموجودة في أجسام الكائنات... وذلك من خلال امتصاص الكلوروفيل في النبات لـ 1 % فقط من ضوء الشمس الساقط عليه ... و هذا المقدار من الطاقة الضوئية تحصل عليه النباتات لتحوله إلى طاقة كيميائية ( وهنا بداية سلسلة طاقة الكتلة الحيوية ) .
تستخدم النباتات معظم تلك الطاقة في أنشطتها الحيوية المختلفة ، بينما تخزن بقية الطاقة في أعضاءها ... و هذه الكمية من الطاقة هي التي تتوفر للمستهلكات الأولى ( العواشب ) و تساوي تقريباً 10 % من أصل الطاقة التي امتصها النبات ... ثم يأتي دور المستهلكات الثانية لتتغذى على العواشب و تحصل على 1 % من الطاقة التي حصل عليها النبات من الشمس ، و هكذا تتناقص نسبة الطاقة التي تحصل عليها الكائنات كلما بعدت المستهلكات عن المنتجات ( النباتات )
و في الجانب الآخر من الطاقة الشمسية ... فقد استفاد الإنسان منذ القدم من طاقة الإشعاع الشمسي مباشرة في تطبيقات عديدة كتجفيف المحاصيل الزراعية وتدفئة المنازل كما استخدمها في مجالات أخرى وردت في كتب العلوم التاريخية فقد أحرق أرخميدس الأسطول الحربي الروماني في حرب عام 212 ق.م عن طريق تركيز الإشعاع الشمسي على سفن الأعداء بواسطة المئات من الدروع المعدنية . وفي العصر البابلي كانت نساء الكهنة يستعملن مرآة ذهبية مصقولة لتركيز الإشعاع الشمسي للحصول على النار .
و الآن ومع التطور الكبير في التقنية والتقدم العلمي الذي وصل إليه الإنسان فُتحت آفاقا علمية جديدة في ميدان استغلال الطاقة الشمسية .
مميزات الطاقة الشمسية
إن التقنية المستعملة فيها تبقى بسيطة نسبياً وغير معقدة بالمقارنة مع التقنية المستخدمة في مصادر الطاقة الأخرى .
توفير عامل الأمان البيئي حيث أن الطاقة الشمسية هي طاقة نظيفة لا تلوث الجو وتترك فضلات مما يكسبها وضعاً مميزاً في هذا المجال ؛ خاصةً مع تعدد مصادر التلوث في البيئة .
تحويل الطاقة الشمسية
يمكن تحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة كهربائية وطاقة حرارية من خلال آليتي التحويل الكهروضوئية والتحويل الحراري للطاقة الشمسية
ويقصدبالتحويل الكهروضوئي تحويل الإشعاع الشمسي أو الضوئي مباشرة إلى طاقة كهربائية بواسطة الخلايا الشمسية ( الكهروضوئية ) ، وكما هو معلوم فإن هناك بعض العناصر التي تقوم بعملية التحويل الكهروضوئية و هي اشباه الموصلات كالسيليكون والجرمانيوم على سبيل المثال .
مميزات الخلايا الشمسية
لا تشمل أجزاء أو قطع متحركة
لا تستهلك وقوداً
غير ملوثة للجو
حياتها طويلة ولا تتطلب إلا القليل من الصيانة
ويتحقق أفضل استخدام لهذه التقنية تحت تطبيقات وحدة الإشعاع الشمسي ( وحدة شمسية ) أي بدون مركزات أو عدسات ضوئية ولذا يمكن تثبيتها على أسطح المباني ليستفاد منه في إنتاج الكهرباء وتقدر عادة كفاءتها بحوالي 20% أما الباقي فيمكن الاستفادة منه في توفير الحرارة للتدفئة وتسخين المياه .
كما تستخدم الخلايا الشمسية في تشغيل نظام الاتصالات المختلفة وفي إنارة الطرق والمنشآت وفي ضخ المياه وغيرها .
أماالتحـويل الحـراري للطـاقة الشمسيـة يعتمد على تحويل الإشعاع الشمسي إلى طاقة حرارية عن طريق المجمعات ( الأطباق ) الشمسية والمواد الحرارية .
فإذا تعرض جسم داكن اللون ومعزول إلى الإشعاع الشمسي فإنه يمتص الإشعاع وترتفع درجة حرارته .
يستفاد من هذه الحرارة في التدفئة والتبريد وتسخين المياه وتوليد الكهرباء وغيرها .
وتعد تطبيقات السخانات الشمسية هي الأكثر انتشاراً في مجال التحويل الحراري للطاقة الشمسية . يلي ذلك من حيث الأهمية المجففات الشمسية التي يكثر استخدامها في تجفيف بعض المحاصيل الزراعية مثل التمور وغيرها .
عيوب الطاقة الشمسية
تقدر عادة كفاءة الخلايا الشمسية بحوالي 20%، وما زال التطور في قدرات وتكاليف هذه الخلايا مستمرا حتى الآن، وتجرى العديد من التجارب لإنتاج خلايا كهروضوئية أشد فاعلية وزهيدة النفقات؛ فكلفة استخراج الكهرباء من الطاقة الشمسية آخذة في التناقص، وتناقصت بنسبة تزيد على 65% خلال السنوات العشر الماضية فقط. حيث يطور العلماء تقنيات جديدة لزيادة القدرة التحويلية للخلايا الشمسية وتخفيض تكلفتها، وتطوير قدراتها بهدف جعلها الأكثر شعبية كوسيلة نظيفة للحصول على الكهرباء . و مع ذلك تبقى هنالك بعض المعوقات أمام استخدام الطاقة الشمسية ... أبرز تلك المعوقات :
مدى الاستفادة من الطاقة الشمسية يرتبط بوجود أشعة الشمس طيلة وقت الاستخدام أسوة بالطاقة التقليدية.
إذاً يتبقى لنا كي نستفيد من هذه الطاقة النظيفة و إيجاد تقنية تخزين لتلك الطاقة للاستفادة منها أثناء فترة احتجاب الإشعاع الشمسي .
وهناك عدة طرق تقنية لتخزين الطاقة الشمسية تشمل التخزين الحراري الكهربائي والميكانيكي والكيميائي والمغناطيسي . وتعد بحوث تخزين الطاقة الشمسية من أهم مجالات التطوير اللازمة في تطبيقات الطاقة الشمسية وانتشارها على مدى واسع .
تكنولوجيا الخلايا الضوئية مازال مرتفع التكلفة.إن الطاقة الشمسية متوفرة إلا أنها ليست في متناول اليد و ليست مجانية بالمعنى المفهوم .... فسعرها الحقيقي عبارة عن المعدات المستخدمة لتحويلها من طاقة كهرومغناطيسية إلى طاقة كهربائية أو حرارية . وكذلك تخزينها إذا دعت الضرورة .
ورغم أن هذه التكاليف حالياً تفوق تكلفة إنتاج الطاقة التقليدية إلا أنها لا تعطي صورة كافية عن مستقبلها بسبب أنها آخذة في الانخفاض المتواصل بفضل البحوث الجارية والمستقبلية .
طـاقة القمـر
كان القمر و لا يزال مصدر إلهام للشعراء ... و تتجه أنظار العلماء إليه الآن ليس من أجل أعذب القصائد بل باعتباره قد يكون يوماً ما مصدر جديد للطاقة ....
ويرتكز هذا المشروع ـ طاقة القمر ـ على أنظمة "الطاقة الشمسية القمرية لبناء محطات لتوليد الطاقة الكهربائية على سطح القمر"، تتكون من ألواح عريضة من الخلايا الكهروضوئية ، وتقوم هذه الألواح بتلقي واستقبال أشعة الشمس الساقطة على القمر وعكسها في صورة أخرى إلى الأرض حيث تستقبلها أجهزة استقبال وتحولها إلى طاقة كهربائية.
ومن المعروف أن القمر لا يعرف العوائق التي تحد من كامل الاستفادة من طاقة الشمس على الأرض؛ فهو يخلو من الغلاف الجوي . ومن الطبيعي انعدام السحب والأمطار والعواصف الجوية والترابية فيه ؛ مما يجعله مكانا مثاليا لالتقاط كميات هائلة من أشعة الشمس التي يتم الحصول عليها كاملة بصورة مستمرة ؛ لأن أشعة الشمس تسقط على القمر طوال العام، ما عدا ثلاث ساعات فقط أثناء الكسوف القمري الكامل..
و يؤكد اخبراء أن 1% فقط من الطاقة الشمسية التي يتلقاها القمر من الشمس (التي تقدر بحوالي 13 ألف تيراوات terawatts) كافية للوفاء باحتياجات الأرض من الطاقة، وأن المحطات التي سيتم بناؤها على القمر لن تتعرض لأي مؤثرات خارجية قد تؤثر على عملها في ضوء الانعدام المناخي الذي يتمتع به القمر.
طـاقة الميــاه
تأتي الطاقة المائية من طاقة تدفق المياه أو سقوطها . ولقد كانت طاقة المياه من أول أنواع الطاقة التي تعلم الإنسان استخدامها منذ حوالي 2000سنة ، حيث اخترعت الساقية (الناعورة) وهي عبارة عن عجلة ذات أرياش حول إطارها وعندما يرتطم الماء المتحرك بالا رياش فانه يدير العجلة ويستخدم العجلة الدوارة في تسيير الآلة. بهذه الطريقة تتحول طاقة المياه إلى طاقة ميكانيكية .
لقد ظلت السواقي لمئات السنين تستخدم في طواحين المياه لطحن الغلال. كانت العجلات تدار بواسطة مياه الأنهار سريعة التدفق.
في الوقت الحاضر، يعتبر توليد الكهرباء من أهم استخدامات القدرة المائية ، و المبدأ الأساسي لتوليد الكهرباء هو تحويل الطاقة الميكانيكية إلى طاقة كهربائية.
فعندما يتدفق الماء من مستوى عالٍ إلى مستوى منخفض فانه يدير التوربينات التي تشغل المولدات الكهربائية . والتوربين يعمل بنفس الطريقة التي تعمل بها الساقية ويطلق على الكهرباء التي تولد بهذه الطريقة اسم الكهرباء المائية.
في العادة تشيد بجانب النهر محطة لتوليد القدرة الكهربية بالقوة المائية .
كما أنه يمكن الحصول على الطاقة من مليارات الأمتار المكعبة المخزونة في أعماق البحار والمحيطات أن العلماء اليوم يفكرون بالاستفادة من التيارات الداخلية التي تنشأ تحت سطح البحار من أجل توليد الطاقة الكهربائية!!
في الشكل التالي رسم توضيحي يبين الخطط المستقبلية لإنشاء مثل هذه المولدات بغرض الاستفادة من طاقة الأمواج الداخليةلتوليد الكهرباء.
ويتنبأ الخبراء بأن الطاقة الناجمة عن مياه البحار والمحيطات يمكن أن تغطي احتياجات العالم الكلية، وسوف يعد هذا -إن صحت التوقعات- ثورة بحق في مجال الطاقة ؛ حيث إن الطاقة الجديدة سوف تكون نظيفة تمامًا وخالية من أي مخاطر على صحة الإنسان أو البيئة
معوقات في طريق طاقة المياه
انعدام الأنهار و المساقط المائية أو البحيرات الطبيعية والتي تتطلب لمناسبة هذا التطبيق إرتفاعات عالية وكميات كبيرة جداً من المياه لإنتاج قدر معقول من الطاقة.
في حالة وجود المتطلبات الطبيعية اللازمة لبناء هذه النظم فان تكاليف الإنشاء عالية مقارنة بتكاليف استخراج الطاقة التقليدية ...
كذلك فإنه عند انشاء بحيرات صناعية على المرتفعات القريبة من البحر وضخ مياه البحر إليها ، فان التكاليف ستكون أعلى بكثير بحيث لا يمكن منافستها تكلفة إنشاء المحطات التي تعمل بالغاز أو النفط .
إنشاء البحيرات الصناعية قد يكون له تأثيره السلبي على البيئة وخاصة على المياه الجوفية ، حيث لا يمكن من الناحية العملية إنشاء بحيرات بحجم مناسب مع ضمان عدم تسرب مياه البحر شديدة الملوحة منها إلى باطن الأرض.
طـاقة الـريـــاح
توليد الكهرباء من طاقة الرياح هو تطبيق جديد لفكرة قديمة، فاستخدام طاقة الرياح بدأ مع بدايات التاريخ، حيث استخدمها الفراعنة في تسيير المراكب في نهر النيل كما استخدمها الصينيون عن طريق طواحين الهواء لضخ المياه الجوفية.
ومع نهايات القرن التاسع عشر وبدايات القرن العشرين كان هناك الملايين من توربينات الرياح منتشرة في معظم أنحاء العالم سواء لضخ المياه الجوفية أم لطحن الغلال أم لتوليد الكهرباء في المناطق الريفية لكن في الأربعينات أصبحت توربينات الرياح من الأساليب العتيقة ؛ وذلك نتيجة للانتشار الواسع للوقود الحفري (البترول) وإتاحته بتكلفة أقل من تكلفة تشغيل تلك التوربينات .
غير أنه وفي السبعينات كان هناك عودة لاستخدام طاقة الرياح عندما أدى نقص البترول في الدول الغربية إلى البحث عن طاقات بديلة ....!
كيف تعمل توربينات الرياح ؟
المكونات الرئيسية لتوربين الرياح هي شفرات دوًّارة تحمل على عمود ومولد يعمل على تحويل الطاقة الحركية للرياح إلى طاقة كهربية، فعندما تمر الرياح على الشفرات تخلق دفعة هواء ديناميكية تتسبب في دوران الشفرات، وهذا الدوران يشغل المولد فينتج طاقة كهربية، كما جهزت تلك التوربينات بجهاز تحكم في دوران الشفرات (فرامل) لتنظيم معدلات دورانها ووقف حركتها إذا لزم الأمر.
تعتمد كمية الطاقة المنتجة من توربين الرياح على سرعة الرياح وقطر الشفرات؛ لذلك توضع التوربينات التي تستخدم لتشغيل المصانع أو للإنارة فوق أبراج؛ لأن سرعة الرياح تزداد مع الارتفاع عن سطح الأرض، ويتم وضع تلك التوربينات بأعداد كبيرة على مساحات واسعة من الأرض لإنتاج أكبر كمية من الكهرباء .
تنتج الولايات المتحدة وحدها سنويًّا حولي 3 بليون كيلو وات في الساعة (تلك الكمية تكفي لسد احتياجات مليون شخص من الكهرباء)، وذلك من حقول الرياح الموجود معظمها في كاليفورنيا، عادة يتم تخزين الكهرباء الزائدة عن الاستخدام في بطاريات، ولأن هناك بعض الأوقات التي تقل فيها سرعة الرياح، مما يصعب معه إنتاج الطاقة الكهربية، فإن مستخدمي طاقة الرياح يجب أن يكون لديهم مولدًا احتياطيًّا يعمل بالديزل أو بالطاقة الشمسية لاستخدامه في تلك الأوقات .
بالإضافة إلى الطاقة الكهربية فإن توربينات الرياح يمكنها إنتاج طاقة ميكانيكية تستخدم في عدد كبير من التطبيقات، مثل ضخ المياه، الري، تجفيف الحبوب وتسخين المياه.
مميزاتها وعيوبها :
طاقة الرياح طاقة محلية متجددة ولا ينتج عنها غازات تسبب ظاهرة البيت الزجاجي أو ملوثات، مثل ثاني أكسيد الكربون أو أكسيد النتريك أو الميثان، وبالتالي فإن تأثيرها الضار بالبيئة طفيف.
95% من الأراضي المستخدمة كحقول للرياح يمكن استخدامها في أغراض أخرى مثل الزراعة أو الرعي، كما يمكن وضع التوربينات فوق المباني.
التأثير البصري لدوران التوربينات والضوضاء الصادرة عنها قد تزعج الأشخاص القاطنين بجوار حقول الرياح، ولتقليل هذه التأثيرات يفضل إنشاء حقول الرياح في مناطق بعيدة عن المناطق السكنية.
تتسبب التوربينات العملاقة أحيانًا في قتل بعض الطيور خاصة أثناء فترات هجرتهم، ويتم حاليًا دراسة تأثيرها على انقراض بعض أنواع الطيور، ولكن النتائج المبدئية تشير إلى أن التوربينات ليس لها هذا التأثير الشديد.
طاقة الجاذبية الأرضية
تم التوصل إلى آلة جديدة تتمكن من توليد طاقة نظيفة محرك "جرافيتي وان" ...وهي عبارة عن آلة تعمل في اتجاهين مختلفين من أجل توليد الطاقة، حيث يعتمد محرك "جرافيتي وان" على الفرق بين قوة الجاذبية وهي القوة التي تشده إلى أسفل وفي نفس الوقت يوجد قوة تسير في اتجاه معاكس وهي القوة الطفوية (تضغط صعودا) وهما اللتين تتسلطان على أي جسم يطفو على سطح الماء فتتولد طاقة كهربائية تلتقطها محولات خاصة.
وبعد مرور خمس سنوات من البحث والدراسات لإثبات أن هناك "طاقة تتولد من جاذبية الأرض" مازال يقف أمام المحرك "جرافيتي وان" العديد من العقبات التي تحول دون أن يرى النور على الرغم من أنه مصدر نظيف للطاقة متجدد و اقتصادي في المقام الأول عن طريق استثمار مصدر طبيعي ألا وهو "الجاذبية الأرضية".
وتكمن الأهمية البالغة لهذا الاختراع في أنه يتيح إنتاج كمية وفيرة من الكهرباء من دون أي تلوث، وبأقل كلفة ممكنة، وهذا ما سيوفر مبالغ طائلة لاسيما في البلدان النامية، كما أن هذه الطاقة تغنينا عن التفكير في احتمالية نفاذها في يوم من الأيام، ولا توجد مشكلة تخزين كما هو الحال مع الطاقة الشمسية والبترول المستخدم في معظم الصناعات والمجالات
عيوب محرك"جرافيتي وان" للأسف أن محرك "جرافيتي وان"لن يكون بمقدوره منافسة مصدر الطاقة الأول في العالم وهو البترول، إذ انه لا يصلح للاستخدام في المركبات والمحركات الصغيرة، فهو يحتاج إلى مساحات كبيرة من أجل تطبيقه.
الطاقة الناتجة من حرق النفايات
هذا هو مصدر آخر جديد يضاف إلى قائمة مصادر الطاقة المتجددة ... فلن يصبح المصير الأخير للنفايات الصلبة هو الدفن بل ستصبح مصدراً متجدداً لطاقة الكهرباء وهو الأمر الذي يبشر بالخير حيث كانت الفكرة التي تراود عقول العلماء التخوف من مجيء يوم لا يتوافر لدينا فيه مصادر متجددة للطاقة.
في مدينة قوانجتشو في الصين بدأ بالفعل العمل على إنشاء أول محطة لتوليد الكهرباء بحرق النفايات ويتوقع أن تبدأ عملها من الفترة ما بين عامي 2007 و2008 وستصبح هذه المحطة أكبر محطة في العالم تقوم بحرق النفايات وتولد الطاقة قبل حلول عام 2010، وتعد هذه المحطة بديلا فعلا لمدافن القمامة تحت الأرض، وهو أسلوب جديد في مجال معالجة النفايات يهدف إلى حماية البيئة ويوفر لها مصدرا متجددا للطاقة.
وما يثير الإعجاب أن محطة حرق النفايات هذه لا يصدر عنها أي دخان أو رائحة كريهة فهي بحق من البيئة وللبيئة، وتجدر الإشارة إلى أن هذا التصميم الرائع الذي حظيت به المحطة فهي مصممة على شكل قوس وسط الأشجار الخضراء، ونجد داخل صالة المحطة شاشة عرض مصنوعة من البلور حيث تعرض بيانات مراقبة كمية صرف المواد الملوثة الحقيقية بعد حرقها، كما تعمل المحطة وفق معايير تقنية عالية الجودة والأداء فيما يتعلق بصرف الدخان الأسود وثاني أكسيد الكبريت ومركبات النيتروجين والأكسيد وغيرها من الأبخرة السامة التي تضر بالغلاف الجوي.
إضافةً إلى المصادر المتجددة ، فإن العلماء يبحثون عن مصادر جديدة للطاقة سعياً إلى إيجاد بدائل جديدة للمصادر التقليدية ..... و لعل أبرزها :
[color=#0066ff]خــلايا الـوقــود
يراهن العديد من خبراء الطاقة على الهيدروجين كطاقة بديلة للنفط .
وقد تجاذبت الأبحاث العلمية والتطبيقية حول استخدام "خلايا الوقود" (Fuel Cells) حيث يحل الهيدروجين (Liquid Hydrogen) محل المواد التي تستعمل في البطاريات ما يؤدي إلى طاقة كهربائية وافرة وطويلة.
ما هي خـلايا الوقـود ؟
إن خلايا الوقود هي عبارة عن جهاز لتحويل الطاقة الكيميائية الى طاقة كهربائية وذلك بتحويل الهيدروجين والأكسجين الى مياه وينتج عن هذه العملية الكهرباء والحرارة.
هذه العملية شبيهة جدا" بالبطارية التى يمكن شحنها وفي نفس الوقت سحب الطاقة منها، ولكن بدل شحنها بواسطة الكهرباء فان خلايا الوقود تشحن بواسطة الهيدروجين والأكسجين.
ان خلايا الوقود تنتج تيارا" كهربائيا" مستمرا" يمكن استخدامه في تغذية محولات التيار والإنارة أو أي نوع من الأدوات الكهربائية.
هناك أنواع مختلفة من خلايا الوقود كل منها تستعمل كيمياء مختلفة. وهي عادة تصنف حسب نوع الـ electrolyte المستعمل.
ان خلية الوقود ذات غشاء تبادل البروتون تستعمل إحدى ابسط التفاعلات الكيميائية لخلايا الوقود.
و تتكون خلايا الوقود هذه من الآتي :
الآنود:هو القطب السالب لخلية الوقود وله عدة مهام، فهو يقود الالكترونات المحررة من جزئيات الهيدروجين ليتم استعمالها في تغذية دائرة كهربائية خارجية . كما انه يحتوي على مجاري وظيفتها تشتيت غاز الهيدروجين على سطح الـ catalyst.
الكاثود: هو القطب الموجب لخلية الوقود، ويحتوي على مجاري لتوزيع الاوكسيجين على سطح الcatalyst . كما انه يقود الالكيرونيات بالاتجاه الخلفي من الدائرة الكهربائية الخارجية الcatalyst حيث يمكن ان تتوحد مع الاوكسيجين وايونات الهيدروجين لتشكل الماء.
الالكتروليت: هو غشاء تبادل البروتون، هذه المادة المعالجة بشكل خاص والشبيهة بالبلاستيك تقود فقط الايونات المشحونة ايجابيا" وتعيق مرور الالكترونات.
الـcatalyst: وهي المادة الحفازة و تتألف من مادة خاصة تسهل الأكسجين تفاعله مع الهيدروجين . تصنع عادة من مسحوق البلاتين الذي يكسو ورق الكربون أو القماش بطبقة رقيقة جدا".
يوضع الجانب المطلي بالبلاتين جهة غشاء تبادل البروتون أي الـ Electrolyte.
يقسم الـ catalyst الهيدروجين إلى اثنين من أيونات الهيدروجين الموجبة (H+) و إلى اثنين من الالكترونات (e-) . الالكترونات تجري عبر الآنود حيث تأخذ طريقها عبر الدائرة الكهربائية الخارجية( حيث تشغل محركا" على سبيل المثال) وتعود الى الكاثود.
في هذه الأثناء ومن جهة كاثود خلية الوقود يتم ضخ غاز الأكسجين (O2) باتجاه الـ catalyst حيث يشكل ذريتن من الأكسجين (O). كل ذرة تحتوي على شحنة سالبة قوية. هذه الشحنة السالبة تجذب اثنين من ايونات الهيدروجين(H+) عبر الغشاء (الذي يسمح بمرور الشحنات الموجبة فقط ) حيث تتحد أيونات الهيدروجين مع ذرة الاوكسيجين واثنين من الالكترونيات من الدائرة الكهربائية الخارجية لتشكل جزيء الماء H2O.
هذا التفاعل في خلية وقود واحدة ينتج 0.7 فولت. من اجل رفع الجهد الى مستوى معقول يجب جمع عدة خلايا وقود منفصلة لتشكل رزمة خلايا.
إن خلايا الوقود ذات غشاء تبادل البروتون تعمل على درجة حرارة منخفضة ( حوالي 80 درجة مئوية )
التفاعلات الكيميائية في خلايا الوقود:
جهة الانود:
2H2=4H+ (+)4e
جهة الكاثود:
O2(+)4H+(+)4e-=2H2O
التفاعل النهائي:
2H2(+)O2=2H2O
و كنتيجة لهذه التقنية ... فقد أعلنت شركة صناعة السيارات "دايملر كرايزلر" عن استثمار نحو مليار دولار أمريكي في إنتاج مجموعة من الحافلات الخضراء (20 30) حافلة ركاب
وتسير الحافلة الخضراء وتستمد قوتها الدافعة من محرك يعمل بالطاقة الكهربائية المتولدة من التفاعل الكيماوي بين الهيدروجين المستخرج من الماء والأوكسجين وتنحصر انبعاثاتها في الحرارة وكمية محدودة من الماء الذي يتميز بدرجة عالية من النقاء.
و بغض النظر عن سعر تلك الحافلات التي تصل إلى 1.2 مليون دولار فإن عامل السعر أقل أهمية في حال الحافلات منه في حال السيارات خصوصاً عندما نأخذ بالاعتبار سهولة تزويد الحافلات بالهيدروجين من محطة مركزية .
لكن ... ما هي مشكلـة خـلايا الوقـود ؟!!
تعترف الشركات المنتجة لخلايا الوقود بفشلها في التوصل إلى إجماع على الوقود الذي يمكن استخدامه بسبب أن أنواع الوقود الجاهزة للاستخدام مثل الهيدروجين والميثانول لن تكون متاحة للمستهلك بلا بنية تحتية يتطلب إنشاؤها نفقات هائلة، بينما الأنواع المتاحة مثل البنزين والديزل تحتاج إلى معالجة كيماوية باستخدام تقنيات متوافرة في الوقت الراهن بكلفة معقولة
لكن الكثير من الخبراء يعتقدون أن أمام طاقة الهيدروجين الكثير من العمل والوقت لكي تدخل حلبة المنافسة مع النفط
فالتوقعات العالمية بأن يحل الهيدروجين محل النفط لن تبدأ قبل عام 2050م ليصبح الوقود المسيطر في العالم ويؤذن ببداية عصر الهيدروجين
الطـاقة النـوويـــة
تزود الطاقة النووية دول العالم بأكثر من 16% من الطاقة الكهربائية ، و يتم استخراج هذه الطاقة بواسطة المفاعلات النووية :
أنواع المفاعلات
ثمة نوعان من المفاعلات النووية: مفاعلات للبحث وأخرى لتوليد للطاقة. تُستخدَم مفاعلات البحث لإجراء الأبحاث العلمية، وإنتاج النظائر لأهداف طبية وصناعية، وهي لا تستخدم لإنتاج الطاقة.
وتستخدم المفاعلات النووية أيضا كمصانع لإنتاج الأسلحة في البلدان التي تمتلك برامج حرب نووية ...!!!
تعمل المفاعلات النووية على مبدأ الانشطار النووي وذلك من خلال انشطار نواة الذرة، مما يؤدي إلى إطلاق طاقة حرارية.
وتعتبر مادة اليورانيوم 235 هي الوقود الرئيسي المستخدم في المفاعلات النووية، كما يمكن استخدام البلوتونيوم 239، ويحدث الانشطار النووي لذرات اليورانيوم بإطلاق النيوترونات عليها، وعندما تنشطر بعض الذرات فإنها تطلق النيوترونات، واصطدام هذه النيوترونات مع ذرات أخرى يسبب انشطارها فيتم تحرير المزيد من النيوترونات، وهكذا يستمر رد الفعل المتسلسل مسبباً توليد كمية هائلة من الطاقة الحرارية، ويتم التحكم بمعدل الانشطار النووي في المفاعل باستخدام "قضبان تحكم" التي تقوم بامتصاص بعض النيوترونات المتحررة، فهي تسمح بتنظيم الانشطار النووي والتحكم الآمن به. كما يتم استخدام نظام تبريد مائي للتخلص من الحرارة المفرطة التي تنتج أثناء العملية، ويستخدم البخار الذي تم توليده لتدوير العنفات (محركات) التي تولد الطاقة الكهربائية.
مميزات الطاقة النووية
إن كمية الوقود النووي المطلوبة لتوليد كمية كبيرة من الطاقة الكهربائية هي أقل بكثير من كمية الفحم أو البترول اللازمة لتوليد نفس الكمية؛ فعلى سبيل المثال طن واحد من اليورانيوم يقوم بتوليد طاقة كهربائية أكبر من تلك التي يولدها استخدام ملايين من براميل البترول أو ملايين الأطنان من الفحم. كما أنه لو تم الاعتماد على الطاقة الشمسية لتوليد معظم حاجة العالم من الطاقة لكانت كلفتها أكبر بكثير من كلفة الطاقة النووية.
تنتج محطات الطاقة النووية جيدة التشغيل أقل كمية من النفايات بالمقارنة مع أي طريقة أخرى لتوليد الطاقة، فهي لا تطلق غازات ضارة في الهواء مثل غاز ثاني أكسيد الكربون أو أكسيد النتروجين أو ثاني أكسيد الكبريت التي تسبب الاحترار العالمي والمطر الحمضي والضباب الدخاني.
إن مصدر الوقود -اليورانيوم- متوفر بكثرة وبكثافة عالية وهو سهل الاستخراج والنقل
تشغل المحطات النووية لتوليد الطاقة مساحات صغيرة نسبياً من الأرض بالمقارنة مع محطات التوليد التي تعتمد على الطاقة الشمسية أو طاقة الرياح
و لكي لا نبالغ في تعدد ميزات الطاقة النووية من الناحية الاقتصادية أو الناحية البيئية فيما يتعلق بالغازات الملوثة للهواء ... ينبغـي أن ننظر إلى الجانب الآخر لهذه الطاقة وهي :
مساوئ الطاقة النووية
يؤدي استخدام الطاقة النووية إلى إنتاج النفايات ذات الفعالية الإشعاعية العالية؛ فبعد أن يتم انشطار معظم اليورانيوم -الوقود المستهلك- يُزال من المفاعل ويُخزَّن في بحيرات تبريد، وتقوم هذه البحيرات بامتصاص حرارة الوقود المستهلَك وتخفيض درجة إشعاعيته؛ ثم تتم إعادة معالجته من أجل استرجاع اليورانيوم والبلوتونيوم غير المنشطرَين واستخدامهما من جديد كوقود للمفاعل، وينتج عن هذه العملية نفايات ذات فعالية إشعاعية عالية المستوى
يتم إعادة معالجة الوقود المستهلَك بشكل روتيني في مفاعلات برامج الدفاع لاستخدامه في إنتاج الأسلحة النووية .
...تشير الدراسات إلى أن كمية الوقود المستهلَك الناجم عن مفاعلات الطاقة التي يتم تخزينها عالميًّا والتي تزيد على 130 ألف طن، تحتوي قرابة ألف طن من البلوتونيوم، كما أن بعض العناصر الموجودة في الوقود المستهلَك وفي النفايات مثل عنصر البلوتونيوم، هي ذات فعالية إشعاعية عالية وتبقى كذلك لمدة آلاف السنين. ولا يوجد حاليًّا نظام آمن للتخلص من هذه النفايات.
إن الخطط المقترحة للتخلص من النفايات عالية الإشعاعية وتخزينها لا تضمن حماية كافية للأفراد أو للمياه الجوفية من التلوث الإشعاعي.
وضمن الحوادث المتعلقة بالمفاعلات النووية حدوث تسرب إشعاعي جزئي في مفاعل "ثري مايل آيلاند" النووي قرب بنسلفانيا عام 1979، وذلك نتيجة لفقدان السيطرة على التفاعل الانشطاري؛ وهو ما أدى لانفجار حرر كميات ضخمة من الإشعاع، ولكن تمت السيطرة على الإشعاع داخل المبنى، وبذلك لم تحدث وفيات عندها ...، ولكن الحظ لم يحالف حادثة التسرّب الإشعاعي المشابهة في محطة الطاقة النووية في تشيرنوبل في أوكرانيا عام 1986، فقد أدت إلى مقتل 31 شخصاً وتعريض مئات الآلاف إلى الإشعاع، ويمكن أن يستمر تأثير الإشعاعات الضارة بحيث تؤثر على الأجيال المستقبلية ....
[color=#0066ff]طـاقــة الثلــج
هذا هو المصدر الجديد المرتقب للطاقة ... إنه
الثلج المحترق الغامض الذي قد يثبت أنه نعمة عظيمة أو دمار هائل للبشرية أو الأمرين معاً
يعتقد العديد من العلماء أن أكبر مخزن لوقود الاحتراق متاح للأجيال القادمة ربما يكمن مجمداً في بلورات الثلج القابلة للاحتراق في قاع المحيطات.
وتشير الأدلة الأولى إلى أن النفط والفحم والغاز الطبيعي معاً يبدوان كقزم أمام هذه الاحتياطيات.
فقد تمكن العلماء من اكتشاف الهيدرات في القطب الشمالي من خلال استخدام الأمواج الصوتية التي تنعكس من علي سطح الرواسب التي تحوي هيدرات الغاز.
و وجد بأن هيدرات الغاز تتواجد بشكل أساسي على شكل طبقات كثيفة ، أو عروق رقيقة ، أو عقد ، أو إسمنت مليء بالمسام تحت المحيطات وتكون محصورة في حواف القارات حيث يكون الماء عميقا بقدر كاف مما يوفر لها الضغط العالي والبرودة التي تحتاجها للاستقرار تحت القاع, إضافة إلي كون المياه غنية بالمواد المغذية في هذه الأعماق مثل المواد العضوية المتعفنة التي تقوم البكتيريا بتحويلها إلى ميثان، كما توجد تحت الأرض في المناطق القطبية والمتجمدة وذلك لأنها ثابتة على ضغط عالي ودرجة حرارة منخفضة.
ما هي كرات الثلج المحترقة ؟؟؟
تتكون هذه المادة من تراكيب ثلج صغيرة تشبه القفص، وتحتوي في داخلها على جزئيات الميثان( الغاز الطبيعي )
أما بنية هذه المادة ؛ فهي عبارة عن بلورة تتكون فيها كل خلية واحدة من هيدرات الغاز من 46 جزيء ماء، تشكل فجوتين صغيرتين ذات اثنى عشر وجهاً وست فجوات كبيرة ذات أربعة عشر وجهاً. يمكن أن تحتوي هيدرات الغاز على جزئيات غاز صغيرة مثل الميثان والإيثان.
و هي بذلك بلورة مفرغة من جزئيات الماء من الداخل مع جزيء واحد من الغاز الطبيعي محجوز داخلها. وتصطف البلورات معاً على شكل شبك محكم.
والمرات القليلة التي شوهدت فيها هيدرات الغاز بشكل وفير كانت تبدو الكتل المتجمعة منها مثل كرات كبيرة من الثلج, ولكن الاختلاف بينهما شاسع فالهيدرات قابلة للاشتعال بمجرد اقترابها من النار بلهب أزرق نظيف.
معوقات الحصول على هيدرات الغاز
يمكن العثور على الكميات الهائلة من الغاز الطبيعي في تراكمات هيدرات الغاز الثلجية، ولكن إخراجها تحدٍ عظيم... و هنا مكمن الصعوبة :
فرغم الأهمية الكبيرة لغاز الميثان ـ على الرغم من مساوئه على مستوى البيئة ـ الموجود في هيدرات الغاز الذي سيشكل حلاً لأزمة الطاقة العالمية إلا انه يعد موردا غير مستغلا حتى اليوم, ويرجع ذلك إلى تواجد الهيدرات في أماكن لا يستطيع الإنسان أن يعيش فيها مثل أعماق المحيطات والمناطق المتجمدة
كما أن الهيدرات توجد في طبقات من الرواسب الصلبة بتركيز ضعيف للغاية, أو بشكل متفرق, مما يجعل عملية استخراجها مكلفة وصعبة. ففي الولايات المتحدة وجد أن هيدرات الغاز تركيزها يمثل جزء واحد من الميثان إلى 161.000 جزء من المادة الصلبة, مما يعني أن الجرام الواحد من الغاز الطبيعي المستخرج يساوي أقل من جزء من المليون من الدولار
ومن الصعوبات الأخرى التي تجعل الهيدرات غير مستغلة في الحصول علي الغاز تغيرها الدائم تحت تأثير اختلاف الضغط والحرارة، فهي مادة غير مستقرة الشكل والخواص خاصة إذا تعرضت للضغط والحرارة الجوية العادية اللذان يتسببان في ذوبانها.
والأهم مما سبق ما يؤكده العلماء من أن عملية استخراج الهيدرات من قاع البحر تشكل تهديدا كبيرا للبيئة البحرية ؛ لأن عملية تفكيك الرواسب الصلبة في القاع والتي تحوي الغاز ستؤدي إلي عدم استقرار وتغير قاع البحر، وهذا التغير سيتمثل في تغير ضغط وحرارة الأعماق وخلخلة الحواف القارية, مما يعني حدوث انهيارات أرضية تحت سطح البحر تؤدي إلي موجات من الزلازل القوية التي قد تضرب جميع أنحاء العالم.
حتى اللحظة تبقي هيدرات الغاز حلما يراود العلماء لأنها تعد من مصادر الغاز ذات الاحتياطيات الوفيرة والتي تمثل ضعف احتياطيات الغاز الطبيعي والبترول والفحم, وتعد هذه الاحتياطيات بمثابة مستودعات هائلة من وقود الاحتراق أسفل القارات والمحيطات, و قد تكون هذه الاحتياطيات الهائلة متاحة للأجيال القادمة في المستقبل .... وقتها قد يكون العلماء قد توصلوا فيه إلي حل مناسب لاستخرج الهيدرات دون خلخلة البيئة البحرية, وحتى هذا الوقت ستبقى الهيدرات في الأعماق بعيدة عن متناول الإنسان.
و في الأخيـر
قد يرى البعض منا أن الخوف من نضوب الطاقة غير مبرر .... أو أن البدائل الجديدة أخيراً لن تكون مضرة بالبيئة ... لكن مع هذا و ذاك فإنه بالرغم من تعدد موارد الطاقة المتاحة حالياً أو مستقبلياً يبقى مهماً أخذ الترشيد في استهلاك الطاقة بعين الاعتبار .... ليس فقط بهدف الحفاظ على البيئة ، بالقدر الذي هو ركيزة من الركائز الاقتصادية التي أكدَّ عليها ديننا الإسلامي الحنيف يتجلى ذلك في قوله تعالى في الإنفاق " و الذين لم يسرفوا و لم يقتروا و كان بين ذلك قواما "
الطاقة بكل مواردها نعمة من نِعَم الله التي لا تحصى ... فلنحمد الله عليها و لنحسن شكرنا لله تعالى بحسن توظيفنا لتلك النِعَم .
تشكل الطاقة في حال نضوبها معضلة اقتصادية كبيرة ، و يترتب عليها مشكلات اجتماعية و تغييرات سياسية ... باختصار ينقلب العالم رأساً على عقب .!
من المتوقع أن يصل عدد سكان العالم إلى 10 مليارات نسمة بحلول عام 2050م، وهذا العدد الهائل من البشر سيصل احتياجه من الطاقة إلى 5 أضعاف الطاقة التي يتم توليدها حالياً ؛ لهذا ظهرت الحاجة للحصول على العديد من المصادر الطبيعية التي لا تنضب بخلاف المستخدمة الآن لاستغلالها استغلالا أمثل في إنتاج الطاقة مستقبلاً .
لكن ... هل لتلك المخاوف مبرراتها ؟؟؟
يقول المولى عزّ و جلّ في محكم التنزيل" و إن تعدّوا نعمة الله لا تحصوها "
الطاقة نعمة من نعم الله التي لا تحصى ... و جميعنا يعلم أن الشمس تعد المصدر الرئيسي للطاقة ؛ إذ تتحول الطاقة الشمسية ( الضوئية ) بواسطة الكلوروفيل إلى طاقة كيميائية تخزن في النبات ... و تشكل فيما بعد الطاقة التي نحصل عليها من الأطعمة ( النباتية و الحيوانية )
و كذا فإن الطاقة التي نحصل عليها من الخشب أو من الوقود الأحفوري ( وفقاً لنظرية الأصل العضوي للنفط ) ما هي إلاّ جزء من الطاقة الشمسية .
غير أن الشمس ليست المصدر الوحيد للطاقة .... فيوم بعد يوم تكشف لنا الأبحاث و الدراسات مصادر جديدة للطاقة ، و تسعى تلك الأبحاث في مرامها نحو إمكانية تطبيق تلك المصادر على صعيد الواقع .
قبل الحديث عن البدائل الجديدة لمصادر الطاقة ... نقف قليلاً عند مصادر الطاقة التقليدية :
مصادر الطاقة التقليدية
أولاً: الفحم الحجري : لايزال الفحم الحجري من مصادر الطاقة الرئيسة في العالم، فهو المصدر الأكثر أهمية لتوليد الكهرباء في العالم وتقول إحدى الدراسات إن الفحم يستخدم حالياً في توليد حوالي 40% من كهرباء العالم.
إلا أن هناك آثاراً بيئية سلبية لتوليد الكهرباء باستخدام الفحم وقد أنفقت صناعة الطاقة مليارات الدولارات لجعل طاقة الفحم خضراء.
يوجد الآن برنامجان قيد التنفيذ الأول هو "برنامج تقنيات الفحم النظيفة" في الولايات المتحدة، والثاني برنامج "ثرمي" لدى المفوضية الأوروبية و الهدف الرئيس لهذين البرنامجين هو الخفض الكبير لانبعاث ثاني أكسيد الكبريت وأكاسيد النيتروجين ورفع كفاءة الاستخدام والتوفير في الوقود
ثانياً: طاقة الغاز : يحتل الغاز المرتبة الثانية كمصدر من مصادر الطاقة على الصعيد العالمي
ويشكل احتياطي الغاز في ثلاث دول في العالم (روسيا، إيران، قطر) ما مجموعه 79.57 ترليون متر مكعب أي 55% من الاحتياطي العالمي، أما بالنسبة لعمر احتياطيات الغاز فيقدر بـ64 سنة للاحتياطي العالمي و85.9 سنة في روسيا وأكثر من 100 سنة في بقية الأقطار نظراً لمحدودية إنتاجها الحالي.
ثالثاً: النفط: يعد النفط حتى اللحظة أهم مصدر للطاقة ... فقد حافظ النفط على مركز الصدارة بين أنواع الطاقة الأخرى في العالم خلال نصف القرن الميلادي الماضي، إذ كان العنصر الأساسي في التطور الاقتصادي الذي شهده العالم.
وإذا كان التعطش للطاقة خلال نصف القرن الماضي قد تضاعف خمس مرات فإن استهلاك النفط على الصعيد العالمي وخلال الفترة الممتدة بين 1945م إلى 1973م قد ارتفع بمعدل سنوي يساوي 5.5% بما يعكس متوسط معدل التطور الاقتصادي.
وتؤكد الدراسات والتقارير المختصة أنه على الرغم من صرف مليارات الدولارات على أنواع من الطاقة الأخرى وتحول العديد من التقنيات الجديدة من المرحلة التجريبية إلى المرحلة التطبيقية، إلا أن النفط سيحافظ على المركز الأول كمصدر رئيس للطاقة، وأن الحديث عن نضوب منابعه أو منافسة مصادر طاقة أخرى نظيفة أو غير نظيفة لن تبدأ قبل عام 2050م وأن النفط العربي بشكل خاص سيبقى يشكل المرتكز الأساسي في توفير الطاقة للعالم لعقود قادمة فعمر احتياطياته حسب أحدث الدراسات هو الأطول بين جميع الاحتياطيات في العالم وكلفة استخراجه هي الأقل أيضاً ؛ مما يمكنه من منافسة مصادر الطاقة البديلة المطروحة.
بشرى سارة : يؤكد الخبراء أن منابع النفط لا تنفد بل هي في حال تجدد دائم ...!
ومن أكبر الأدلة على ذلك اكتشاف علماء الجيولوجيا أن بعض آبار النفط في المنطقة العربية تعيد ملء نفسها باستمرار من الأسفل .
بدليل أن معظم خبراء النفط كانوا يرددون في السبعينيات أن احتياطيات النفط ستنفد في حدود عام 1984م بينما نعرف حالياً أن الاحتياطيات المستكشفة إلى الآن أكثر من أي وقت مضى.
بالرغم ما نعرفه و ما تكشفه الأبحاث و الدراسات المتعلقة بمصادر الطاقة التقليدية بشأن ما تطرحه من ملوثات في البيئة .... تظل هذه المصادر هي الأقل كلفة و الأسهل تقنية في عملية استخراجها و تطبيقاتها المختلفة .
الطــاقـة المتجـددة
كان و لا يزال سعي العلماء باتجاه الطاقة المتجددة و إمكانية تطبيقها يمثل حلماً كبيراً يراه المتفائلون قريب المنال ..... و لا أنكر بأني أتمنى حقاً أن نحصل على الطاقة من مصدر متوفر للجميع و أكثر نظافة لبيئتنا المرثي لحالها ...خصوصاً عندما تكون من مصدر طبيعي متاح للجميع .... أليس ذلك رائعاً ...!
من هذه المصادر المأمول تطبيقها :
الطاقة الشمسية
خلق الله الشمس والقمر كآيات دالة على كمال قدرته وعظم سلطانه وجعل شعاع الشمس مصدراً للضياء على الأرض وجعل الشعاع المعكوس من سطح القمر نوراً . قال الله تعالى في كتابه العزيز ( هو الذي جعل الشمس ضياء والقمر نوراً وقدره منازل لتعلموا عدد السنين والحساب ما خلق الله ذلك إلا بالحق يفصل الآيات لقوم يعلمون ) سورة يونس الآية(5)
من المعلوم أن الشمس تعد المصدر الرئيسي للطاقة ، كما أنها تنتج ـ بفضل الله ـ طاقة الكتلة الحيوية الموجودة في أجسام الكائنات... وذلك من خلال امتصاص الكلوروفيل في النبات لـ 1 % فقط من ضوء الشمس الساقط عليه ... و هذا المقدار من الطاقة الضوئية تحصل عليه النباتات لتحوله إلى طاقة كيميائية ( وهنا بداية سلسلة طاقة الكتلة الحيوية ) .
تستخدم النباتات معظم تلك الطاقة في أنشطتها الحيوية المختلفة ، بينما تخزن بقية الطاقة في أعضاءها ... و هذه الكمية من الطاقة هي التي تتوفر للمستهلكات الأولى ( العواشب ) و تساوي تقريباً 10 % من أصل الطاقة التي امتصها النبات ... ثم يأتي دور المستهلكات الثانية لتتغذى على العواشب و تحصل على 1 % من الطاقة التي حصل عليها النبات من الشمس ، و هكذا تتناقص نسبة الطاقة التي تحصل عليها الكائنات كلما بعدت المستهلكات عن المنتجات ( النباتات )
و في الجانب الآخر من الطاقة الشمسية ... فقد استفاد الإنسان منذ القدم من طاقة الإشعاع الشمسي مباشرة في تطبيقات عديدة كتجفيف المحاصيل الزراعية وتدفئة المنازل كما استخدمها في مجالات أخرى وردت في كتب العلوم التاريخية فقد أحرق أرخميدس الأسطول الحربي الروماني في حرب عام 212 ق.م عن طريق تركيز الإشعاع الشمسي على سفن الأعداء بواسطة المئات من الدروع المعدنية . وفي العصر البابلي كانت نساء الكهنة يستعملن مرآة ذهبية مصقولة لتركيز الإشعاع الشمسي للحصول على النار .
و الآن ومع التطور الكبير في التقنية والتقدم العلمي الذي وصل إليه الإنسان فُتحت آفاقا علمية جديدة في ميدان استغلال الطاقة الشمسية .
مميزات الطاقة الشمسية
إن التقنية المستعملة فيها تبقى بسيطة نسبياً وغير معقدة بالمقارنة مع التقنية المستخدمة في مصادر الطاقة الأخرى .
توفير عامل الأمان البيئي حيث أن الطاقة الشمسية هي طاقة نظيفة لا تلوث الجو وتترك فضلات مما يكسبها وضعاً مميزاً في هذا المجال ؛ خاصةً مع تعدد مصادر التلوث في البيئة .
تحويل الطاقة الشمسية
يمكن تحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة كهربائية وطاقة حرارية من خلال آليتي التحويل الكهروضوئية والتحويل الحراري للطاقة الشمسية
ويقصدبالتحويل الكهروضوئي تحويل الإشعاع الشمسي أو الضوئي مباشرة إلى طاقة كهربائية بواسطة الخلايا الشمسية ( الكهروضوئية ) ، وكما هو معلوم فإن هناك بعض العناصر التي تقوم بعملية التحويل الكهروضوئية و هي اشباه الموصلات كالسيليكون والجرمانيوم على سبيل المثال .
مميزات الخلايا الشمسية
لا تشمل أجزاء أو قطع متحركة
لا تستهلك وقوداً
غير ملوثة للجو
حياتها طويلة ولا تتطلب إلا القليل من الصيانة
ويتحقق أفضل استخدام لهذه التقنية تحت تطبيقات وحدة الإشعاع الشمسي ( وحدة شمسية ) أي بدون مركزات أو عدسات ضوئية ولذا يمكن تثبيتها على أسطح المباني ليستفاد منه في إنتاج الكهرباء وتقدر عادة كفاءتها بحوالي 20% أما الباقي فيمكن الاستفادة منه في توفير الحرارة للتدفئة وتسخين المياه .
كما تستخدم الخلايا الشمسية في تشغيل نظام الاتصالات المختلفة وفي إنارة الطرق والمنشآت وفي ضخ المياه وغيرها .
أماالتحـويل الحـراري للطـاقة الشمسيـة يعتمد على تحويل الإشعاع الشمسي إلى طاقة حرارية عن طريق المجمعات ( الأطباق ) الشمسية والمواد الحرارية .
فإذا تعرض جسم داكن اللون ومعزول إلى الإشعاع الشمسي فإنه يمتص الإشعاع وترتفع درجة حرارته .
يستفاد من هذه الحرارة في التدفئة والتبريد وتسخين المياه وتوليد الكهرباء وغيرها .
وتعد تطبيقات السخانات الشمسية هي الأكثر انتشاراً في مجال التحويل الحراري للطاقة الشمسية . يلي ذلك من حيث الأهمية المجففات الشمسية التي يكثر استخدامها في تجفيف بعض المحاصيل الزراعية مثل التمور وغيرها .
عيوب الطاقة الشمسية
تقدر عادة كفاءة الخلايا الشمسية بحوالي 20%، وما زال التطور في قدرات وتكاليف هذه الخلايا مستمرا حتى الآن، وتجرى العديد من التجارب لإنتاج خلايا كهروضوئية أشد فاعلية وزهيدة النفقات؛ فكلفة استخراج الكهرباء من الطاقة الشمسية آخذة في التناقص، وتناقصت بنسبة تزيد على 65% خلال السنوات العشر الماضية فقط. حيث يطور العلماء تقنيات جديدة لزيادة القدرة التحويلية للخلايا الشمسية وتخفيض تكلفتها، وتطوير قدراتها بهدف جعلها الأكثر شعبية كوسيلة نظيفة للحصول على الكهرباء . و مع ذلك تبقى هنالك بعض المعوقات أمام استخدام الطاقة الشمسية ... أبرز تلك المعوقات :
مدى الاستفادة من الطاقة الشمسية يرتبط بوجود أشعة الشمس طيلة وقت الاستخدام أسوة بالطاقة التقليدية.
إذاً يتبقى لنا كي نستفيد من هذه الطاقة النظيفة و إيجاد تقنية تخزين لتلك الطاقة للاستفادة منها أثناء فترة احتجاب الإشعاع الشمسي .
وهناك عدة طرق تقنية لتخزين الطاقة الشمسية تشمل التخزين الحراري الكهربائي والميكانيكي والكيميائي والمغناطيسي . وتعد بحوث تخزين الطاقة الشمسية من أهم مجالات التطوير اللازمة في تطبيقات الطاقة الشمسية وانتشارها على مدى واسع .
تكنولوجيا الخلايا الضوئية مازال مرتفع التكلفة.إن الطاقة الشمسية متوفرة إلا أنها ليست في متناول اليد و ليست مجانية بالمعنى المفهوم .... فسعرها الحقيقي عبارة عن المعدات المستخدمة لتحويلها من طاقة كهرومغناطيسية إلى طاقة كهربائية أو حرارية . وكذلك تخزينها إذا دعت الضرورة .
ورغم أن هذه التكاليف حالياً تفوق تكلفة إنتاج الطاقة التقليدية إلا أنها لا تعطي صورة كافية عن مستقبلها بسبب أنها آخذة في الانخفاض المتواصل بفضل البحوث الجارية والمستقبلية .
طـاقة القمـر
كان القمر و لا يزال مصدر إلهام للشعراء ... و تتجه أنظار العلماء إليه الآن ليس من أجل أعذب القصائد بل باعتباره قد يكون يوماً ما مصدر جديد للطاقة ....
ويرتكز هذا المشروع ـ طاقة القمر ـ على أنظمة "الطاقة الشمسية القمرية لبناء محطات لتوليد الطاقة الكهربائية على سطح القمر"، تتكون من ألواح عريضة من الخلايا الكهروضوئية ، وتقوم هذه الألواح بتلقي واستقبال أشعة الشمس الساقطة على القمر وعكسها في صورة أخرى إلى الأرض حيث تستقبلها أجهزة استقبال وتحولها إلى طاقة كهربائية.
ومن المعروف أن القمر لا يعرف العوائق التي تحد من كامل الاستفادة من طاقة الشمس على الأرض؛ فهو يخلو من الغلاف الجوي . ومن الطبيعي انعدام السحب والأمطار والعواصف الجوية والترابية فيه ؛ مما يجعله مكانا مثاليا لالتقاط كميات هائلة من أشعة الشمس التي يتم الحصول عليها كاملة بصورة مستمرة ؛ لأن أشعة الشمس تسقط على القمر طوال العام، ما عدا ثلاث ساعات فقط أثناء الكسوف القمري الكامل..
و يؤكد اخبراء أن 1% فقط من الطاقة الشمسية التي يتلقاها القمر من الشمس (التي تقدر بحوالي 13 ألف تيراوات terawatts) كافية للوفاء باحتياجات الأرض من الطاقة، وأن المحطات التي سيتم بناؤها على القمر لن تتعرض لأي مؤثرات خارجية قد تؤثر على عملها في ضوء الانعدام المناخي الذي يتمتع به القمر.
طـاقة الميــاه
تأتي الطاقة المائية من طاقة تدفق المياه أو سقوطها . ولقد كانت طاقة المياه من أول أنواع الطاقة التي تعلم الإنسان استخدامها منذ حوالي 2000سنة ، حيث اخترعت الساقية (الناعورة) وهي عبارة عن عجلة ذات أرياش حول إطارها وعندما يرتطم الماء المتحرك بالا رياش فانه يدير العجلة ويستخدم العجلة الدوارة في تسيير الآلة. بهذه الطريقة تتحول طاقة المياه إلى طاقة ميكانيكية .
لقد ظلت السواقي لمئات السنين تستخدم في طواحين المياه لطحن الغلال. كانت العجلات تدار بواسطة مياه الأنهار سريعة التدفق.
في الوقت الحاضر، يعتبر توليد الكهرباء من أهم استخدامات القدرة المائية ، و المبدأ الأساسي لتوليد الكهرباء هو تحويل الطاقة الميكانيكية إلى طاقة كهربائية.
فعندما يتدفق الماء من مستوى عالٍ إلى مستوى منخفض فانه يدير التوربينات التي تشغل المولدات الكهربائية . والتوربين يعمل بنفس الطريقة التي تعمل بها الساقية ويطلق على الكهرباء التي تولد بهذه الطريقة اسم الكهرباء المائية.
في العادة تشيد بجانب النهر محطة لتوليد القدرة الكهربية بالقوة المائية .
كما أنه يمكن الحصول على الطاقة من مليارات الأمتار المكعبة المخزونة في أعماق البحار والمحيطات أن العلماء اليوم يفكرون بالاستفادة من التيارات الداخلية التي تنشأ تحت سطح البحار من أجل توليد الطاقة الكهربائية!!
في الشكل التالي رسم توضيحي يبين الخطط المستقبلية لإنشاء مثل هذه المولدات بغرض الاستفادة من طاقة الأمواج الداخليةلتوليد الكهرباء.
ويتنبأ الخبراء بأن الطاقة الناجمة عن مياه البحار والمحيطات يمكن أن تغطي احتياجات العالم الكلية، وسوف يعد هذا -إن صحت التوقعات- ثورة بحق في مجال الطاقة ؛ حيث إن الطاقة الجديدة سوف تكون نظيفة تمامًا وخالية من أي مخاطر على صحة الإنسان أو البيئة
معوقات في طريق طاقة المياه
انعدام الأنهار و المساقط المائية أو البحيرات الطبيعية والتي تتطلب لمناسبة هذا التطبيق إرتفاعات عالية وكميات كبيرة جداً من المياه لإنتاج قدر معقول من الطاقة.
في حالة وجود المتطلبات الطبيعية اللازمة لبناء هذه النظم فان تكاليف الإنشاء عالية مقارنة بتكاليف استخراج الطاقة التقليدية ...
كذلك فإنه عند انشاء بحيرات صناعية على المرتفعات القريبة من البحر وضخ مياه البحر إليها ، فان التكاليف ستكون أعلى بكثير بحيث لا يمكن منافستها تكلفة إنشاء المحطات التي تعمل بالغاز أو النفط .
إنشاء البحيرات الصناعية قد يكون له تأثيره السلبي على البيئة وخاصة على المياه الجوفية ، حيث لا يمكن من الناحية العملية إنشاء بحيرات بحجم مناسب مع ضمان عدم تسرب مياه البحر شديدة الملوحة منها إلى باطن الأرض.
طـاقة الـريـــاح
توليد الكهرباء من طاقة الرياح هو تطبيق جديد لفكرة قديمة، فاستخدام طاقة الرياح بدأ مع بدايات التاريخ، حيث استخدمها الفراعنة في تسيير المراكب في نهر النيل كما استخدمها الصينيون عن طريق طواحين الهواء لضخ المياه الجوفية.
ومع نهايات القرن التاسع عشر وبدايات القرن العشرين كان هناك الملايين من توربينات الرياح منتشرة في معظم أنحاء العالم سواء لضخ المياه الجوفية أم لطحن الغلال أم لتوليد الكهرباء في المناطق الريفية لكن في الأربعينات أصبحت توربينات الرياح من الأساليب العتيقة ؛ وذلك نتيجة للانتشار الواسع للوقود الحفري (البترول) وإتاحته بتكلفة أقل من تكلفة تشغيل تلك التوربينات .
غير أنه وفي السبعينات كان هناك عودة لاستخدام طاقة الرياح عندما أدى نقص البترول في الدول الغربية إلى البحث عن طاقات بديلة ....!
كيف تعمل توربينات الرياح ؟
المكونات الرئيسية لتوربين الرياح هي شفرات دوًّارة تحمل على عمود ومولد يعمل على تحويل الطاقة الحركية للرياح إلى طاقة كهربية، فعندما تمر الرياح على الشفرات تخلق دفعة هواء ديناميكية تتسبب في دوران الشفرات، وهذا الدوران يشغل المولد فينتج طاقة كهربية، كما جهزت تلك التوربينات بجهاز تحكم في دوران الشفرات (فرامل) لتنظيم معدلات دورانها ووقف حركتها إذا لزم الأمر.
تعتمد كمية الطاقة المنتجة من توربين الرياح على سرعة الرياح وقطر الشفرات؛ لذلك توضع التوربينات التي تستخدم لتشغيل المصانع أو للإنارة فوق أبراج؛ لأن سرعة الرياح تزداد مع الارتفاع عن سطح الأرض، ويتم وضع تلك التوربينات بأعداد كبيرة على مساحات واسعة من الأرض لإنتاج أكبر كمية من الكهرباء .
تنتج الولايات المتحدة وحدها سنويًّا حولي 3 بليون كيلو وات في الساعة (تلك الكمية تكفي لسد احتياجات مليون شخص من الكهرباء)، وذلك من حقول الرياح الموجود معظمها في كاليفورنيا، عادة يتم تخزين الكهرباء الزائدة عن الاستخدام في بطاريات، ولأن هناك بعض الأوقات التي تقل فيها سرعة الرياح، مما يصعب معه إنتاج الطاقة الكهربية، فإن مستخدمي طاقة الرياح يجب أن يكون لديهم مولدًا احتياطيًّا يعمل بالديزل أو بالطاقة الشمسية لاستخدامه في تلك الأوقات .
بالإضافة إلى الطاقة الكهربية فإن توربينات الرياح يمكنها إنتاج طاقة ميكانيكية تستخدم في عدد كبير من التطبيقات، مثل ضخ المياه، الري، تجفيف الحبوب وتسخين المياه.
مميزاتها وعيوبها :
طاقة الرياح طاقة محلية متجددة ولا ينتج عنها غازات تسبب ظاهرة البيت الزجاجي أو ملوثات، مثل ثاني أكسيد الكربون أو أكسيد النتريك أو الميثان، وبالتالي فإن تأثيرها الضار بالبيئة طفيف.
95% من الأراضي المستخدمة كحقول للرياح يمكن استخدامها في أغراض أخرى مثل الزراعة أو الرعي، كما يمكن وضع التوربينات فوق المباني.
التأثير البصري لدوران التوربينات والضوضاء الصادرة عنها قد تزعج الأشخاص القاطنين بجوار حقول الرياح، ولتقليل هذه التأثيرات يفضل إنشاء حقول الرياح في مناطق بعيدة عن المناطق السكنية.
تتسبب التوربينات العملاقة أحيانًا في قتل بعض الطيور خاصة أثناء فترات هجرتهم، ويتم حاليًا دراسة تأثيرها على انقراض بعض أنواع الطيور، ولكن النتائج المبدئية تشير إلى أن التوربينات ليس لها هذا التأثير الشديد.
طاقة الجاذبية الأرضية
تم التوصل إلى آلة جديدة تتمكن من توليد طاقة نظيفة محرك "جرافيتي وان" ...وهي عبارة عن آلة تعمل في اتجاهين مختلفين من أجل توليد الطاقة، حيث يعتمد محرك "جرافيتي وان" على الفرق بين قوة الجاذبية وهي القوة التي تشده إلى أسفل وفي نفس الوقت يوجد قوة تسير في اتجاه معاكس وهي القوة الطفوية (تضغط صعودا) وهما اللتين تتسلطان على أي جسم يطفو على سطح الماء فتتولد طاقة كهربائية تلتقطها محولات خاصة.
وبعد مرور خمس سنوات من البحث والدراسات لإثبات أن هناك "طاقة تتولد من جاذبية الأرض" مازال يقف أمام المحرك "جرافيتي وان" العديد من العقبات التي تحول دون أن يرى النور على الرغم من أنه مصدر نظيف للطاقة متجدد و اقتصادي في المقام الأول عن طريق استثمار مصدر طبيعي ألا وهو "الجاذبية الأرضية".
وتكمن الأهمية البالغة لهذا الاختراع في أنه يتيح إنتاج كمية وفيرة من الكهرباء من دون أي تلوث، وبأقل كلفة ممكنة، وهذا ما سيوفر مبالغ طائلة لاسيما في البلدان النامية، كما أن هذه الطاقة تغنينا عن التفكير في احتمالية نفاذها في يوم من الأيام، ولا توجد مشكلة تخزين كما هو الحال مع الطاقة الشمسية والبترول المستخدم في معظم الصناعات والمجالات
عيوب محرك"جرافيتي وان" للأسف أن محرك "جرافيتي وان"لن يكون بمقدوره منافسة مصدر الطاقة الأول في العالم وهو البترول، إذ انه لا يصلح للاستخدام في المركبات والمحركات الصغيرة، فهو يحتاج إلى مساحات كبيرة من أجل تطبيقه.
الطاقة الناتجة من حرق النفايات
هذا هو مصدر آخر جديد يضاف إلى قائمة مصادر الطاقة المتجددة ... فلن يصبح المصير الأخير للنفايات الصلبة هو الدفن بل ستصبح مصدراً متجدداً لطاقة الكهرباء وهو الأمر الذي يبشر بالخير حيث كانت الفكرة التي تراود عقول العلماء التخوف من مجيء يوم لا يتوافر لدينا فيه مصادر متجددة للطاقة.
في مدينة قوانجتشو في الصين بدأ بالفعل العمل على إنشاء أول محطة لتوليد الكهرباء بحرق النفايات ويتوقع أن تبدأ عملها من الفترة ما بين عامي 2007 و2008 وستصبح هذه المحطة أكبر محطة في العالم تقوم بحرق النفايات وتولد الطاقة قبل حلول عام 2010، وتعد هذه المحطة بديلا فعلا لمدافن القمامة تحت الأرض، وهو أسلوب جديد في مجال معالجة النفايات يهدف إلى حماية البيئة ويوفر لها مصدرا متجددا للطاقة.
وما يثير الإعجاب أن محطة حرق النفايات هذه لا يصدر عنها أي دخان أو رائحة كريهة فهي بحق من البيئة وللبيئة، وتجدر الإشارة إلى أن هذا التصميم الرائع الذي حظيت به المحطة فهي مصممة على شكل قوس وسط الأشجار الخضراء، ونجد داخل صالة المحطة شاشة عرض مصنوعة من البلور حيث تعرض بيانات مراقبة كمية صرف المواد الملوثة الحقيقية بعد حرقها، كما تعمل المحطة وفق معايير تقنية عالية الجودة والأداء فيما يتعلق بصرف الدخان الأسود وثاني أكسيد الكبريت ومركبات النيتروجين والأكسيد وغيرها من الأبخرة السامة التي تضر بالغلاف الجوي.
إضافةً إلى المصادر المتجددة ، فإن العلماء يبحثون عن مصادر جديدة للطاقة سعياً إلى إيجاد بدائل جديدة للمصادر التقليدية ..... و لعل أبرزها :
[color=#0066ff]خــلايا الـوقــود
يراهن العديد من خبراء الطاقة على الهيدروجين كطاقة بديلة للنفط .
وقد تجاذبت الأبحاث العلمية والتطبيقية حول استخدام "خلايا الوقود" (Fuel Cells) حيث يحل الهيدروجين (Liquid Hydrogen) محل المواد التي تستعمل في البطاريات ما يؤدي إلى طاقة كهربائية وافرة وطويلة.
ما هي خـلايا الوقـود ؟
إن خلايا الوقود هي عبارة عن جهاز لتحويل الطاقة الكيميائية الى طاقة كهربائية وذلك بتحويل الهيدروجين والأكسجين الى مياه وينتج عن هذه العملية الكهرباء والحرارة.
هذه العملية شبيهة جدا" بالبطارية التى يمكن شحنها وفي نفس الوقت سحب الطاقة منها، ولكن بدل شحنها بواسطة الكهرباء فان خلايا الوقود تشحن بواسطة الهيدروجين والأكسجين.
ان خلايا الوقود تنتج تيارا" كهربائيا" مستمرا" يمكن استخدامه في تغذية محولات التيار والإنارة أو أي نوع من الأدوات الكهربائية.
هناك أنواع مختلفة من خلايا الوقود كل منها تستعمل كيمياء مختلفة. وهي عادة تصنف حسب نوع الـ electrolyte المستعمل.
ان خلية الوقود ذات غشاء تبادل البروتون تستعمل إحدى ابسط التفاعلات الكيميائية لخلايا الوقود.
و تتكون خلايا الوقود هذه من الآتي :
الآنود:هو القطب السالب لخلية الوقود وله عدة مهام، فهو يقود الالكترونات المحررة من جزئيات الهيدروجين ليتم استعمالها في تغذية دائرة كهربائية خارجية . كما انه يحتوي على مجاري وظيفتها تشتيت غاز الهيدروجين على سطح الـ catalyst.
الكاثود: هو القطب الموجب لخلية الوقود، ويحتوي على مجاري لتوزيع الاوكسيجين على سطح الcatalyst . كما انه يقود الالكيرونيات بالاتجاه الخلفي من الدائرة الكهربائية الخارجية الcatalyst حيث يمكن ان تتوحد مع الاوكسيجين وايونات الهيدروجين لتشكل الماء.
الالكتروليت: هو غشاء تبادل البروتون، هذه المادة المعالجة بشكل خاص والشبيهة بالبلاستيك تقود فقط الايونات المشحونة ايجابيا" وتعيق مرور الالكترونات.
الـcatalyst: وهي المادة الحفازة و تتألف من مادة خاصة تسهل الأكسجين تفاعله مع الهيدروجين . تصنع عادة من مسحوق البلاتين الذي يكسو ورق الكربون أو القماش بطبقة رقيقة جدا".
يوضع الجانب المطلي بالبلاتين جهة غشاء تبادل البروتون أي الـ Electrolyte.
يقسم الـ catalyst الهيدروجين إلى اثنين من أيونات الهيدروجين الموجبة (H+) و إلى اثنين من الالكترونات (e-) . الالكترونات تجري عبر الآنود حيث تأخذ طريقها عبر الدائرة الكهربائية الخارجية( حيث تشغل محركا" على سبيل المثال) وتعود الى الكاثود.
في هذه الأثناء ومن جهة كاثود خلية الوقود يتم ضخ غاز الأكسجين (O2) باتجاه الـ catalyst حيث يشكل ذريتن من الأكسجين (O). كل ذرة تحتوي على شحنة سالبة قوية. هذه الشحنة السالبة تجذب اثنين من ايونات الهيدروجين(H+) عبر الغشاء (الذي يسمح بمرور الشحنات الموجبة فقط ) حيث تتحد أيونات الهيدروجين مع ذرة الاوكسيجين واثنين من الالكترونيات من الدائرة الكهربائية الخارجية لتشكل جزيء الماء H2O.
هذا التفاعل في خلية وقود واحدة ينتج 0.7 فولت. من اجل رفع الجهد الى مستوى معقول يجب جمع عدة خلايا وقود منفصلة لتشكل رزمة خلايا.
إن خلايا الوقود ذات غشاء تبادل البروتون تعمل على درجة حرارة منخفضة ( حوالي 80 درجة مئوية )
التفاعلات الكيميائية في خلايا الوقود:
جهة الانود:
2H2=4H+ (+)4e
جهة الكاثود:
O2(+)4H+(+)4e-=2H2O
التفاعل النهائي:
2H2(+)O2=2H2O
و كنتيجة لهذه التقنية ... فقد أعلنت شركة صناعة السيارات "دايملر كرايزلر" عن استثمار نحو مليار دولار أمريكي في إنتاج مجموعة من الحافلات الخضراء (20 30) حافلة ركاب
وتسير الحافلة الخضراء وتستمد قوتها الدافعة من محرك يعمل بالطاقة الكهربائية المتولدة من التفاعل الكيماوي بين الهيدروجين المستخرج من الماء والأوكسجين وتنحصر انبعاثاتها في الحرارة وكمية محدودة من الماء الذي يتميز بدرجة عالية من النقاء.
و بغض النظر عن سعر تلك الحافلات التي تصل إلى 1.2 مليون دولار فإن عامل السعر أقل أهمية في حال الحافلات منه في حال السيارات خصوصاً عندما نأخذ بالاعتبار سهولة تزويد الحافلات بالهيدروجين من محطة مركزية .
لكن ... ما هي مشكلـة خـلايا الوقـود ؟!!
تعترف الشركات المنتجة لخلايا الوقود بفشلها في التوصل إلى إجماع على الوقود الذي يمكن استخدامه بسبب أن أنواع الوقود الجاهزة للاستخدام مثل الهيدروجين والميثانول لن تكون متاحة للمستهلك بلا بنية تحتية يتطلب إنشاؤها نفقات هائلة، بينما الأنواع المتاحة مثل البنزين والديزل تحتاج إلى معالجة كيماوية باستخدام تقنيات متوافرة في الوقت الراهن بكلفة معقولة
لكن الكثير من الخبراء يعتقدون أن أمام طاقة الهيدروجين الكثير من العمل والوقت لكي تدخل حلبة المنافسة مع النفط
فالتوقعات العالمية بأن يحل الهيدروجين محل النفط لن تبدأ قبل عام 2050م ليصبح الوقود المسيطر في العالم ويؤذن ببداية عصر الهيدروجين
الطـاقة النـوويـــة
تزود الطاقة النووية دول العالم بأكثر من 16% من الطاقة الكهربائية ، و يتم استخراج هذه الطاقة بواسطة المفاعلات النووية :
أنواع المفاعلات
ثمة نوعان من المفاعلات النووية: مفاعلات للبحث وأخرى لتوليد للطاقة. تُستخدَم مفاعلات البحث لإجراء الأبحاث العلمية، وإنتاج النظائر لأهداف طبية وصناعية، وهي لا تستخدم لإنتاج الطاقة.
وتستخدم المفاعلات النووية أيضا كمصانع لإنتاج الأسلحة في البلدان التي تمتلك برامج حرب نووية ...!!!
تعمل المفاعلات النووية على مبدأ الانشطار النووي وذلك من خلال انشطار نواة الذرة، مما يؤدي إلى إطلاق طاقة حرارية.
وتعتبر مادة اليورانيوم 235 هي الوقود الرئيسي المستخدم في المفاعلات النووية، كما يمكن استخدام البلوتونيوم 239، ويحدث الانشطار النووي لذرات اليورانيوم بإطلاق النيوترونات عليها، وعندما تنشطر بعض الذرات فإنها تطلق النيوترونات، واصطدام هذه النيوترونات مع ذرات أخرى يسبب انشطارها فيتم تحرير المزيد من النيوترونات، وهكذا يستمر رد الفعل المتسلسل مسبباً توليد كمية هائلة من الطاقة الحرارية، ويتم التحكم بمعدل الانشطار النووي في المفاعل باستخدام "قضبان تحكم" التي تقوم بامتصاص بعض النيوترونات المتحررة، فهي تسمح بتنظيم الانشطار النووي والتحكم الآمن به. كما يتم استخدام نظام تبريد مائي للتخلص من الحرارة المفرطة التي تنتج أثناء العملية، ويستخدم البخار الذي تم توليده لتدوير العنفات (محركات) التي تولد الطاقة الكهربائية.
مميزات الطاقة النووية
إن كمية الوقود النووي المطلوبة لتوليد كمية كبيرة من الطاقة الكهربائية هي أقل بكثير من كمية الفحم أو البترول اللازمة لتوليد نفس الكمية؛ فعلى سبيل المثال طن واحد من اليورانيوم يقوم بتوليد طاقة كهربائية أكبر من تلك التي يولدها استخدام ملايين من براميل البترول أو ملايين الأطنان من الفحم. كما أنه لو تم الاعتماد على الطاقة الشمسية لتوليد معظم حاجة العالم من الطاقة لكانت كلفتها أكبر بكثير من كلفة الطاقة النووية.
تنتج محطات الطاقة النووية جيدة التشغيل أقل كمية من النفايات بالمقارنة مع أي طريقة أخرى لتوليد الطاقة، فهي لا تطلق غازات ضارة في الهواء مثل غاز ثاني أكسيد الكربون أو أكسيد النتروجين أو ثاني أكسيد الكبريت التي تسبب الاحترار العالمي والمطر الحمضي والضباب الدخاني.
إن مصدر الوقود -اليورانيوم- متوفر بكثرة وبكثافة عالية وهو سهل الاستخراج والنقل
تشغل المحطات النووية لتوليد الطاقة مساحات صغيرة نسبياً من الأرض بالمقارنة مع محطات التوليد التي تعتمد على الطاقة الشمسية أو طاقة الرياح
و لكي لا نبالغ في تعدد ميزات الطاقة النووية من الناحية الاقتصادية أو الناحية البيئية فيما يتعلق بالغازات الملوثة للهواء ... ينبغـي أن ننظر إلى الجانب الآخر لهذه الطاقة وهي :
مساوئ الطاقة النووية
يؤدي استخدام الطاقة النووية إلى إنتاج النفايات ذات الفعالية الإشعاعية العالية؛ فبعد أن يتم انشطار معظم اليورانيوم -الوقود المستهلك- يُزال من المفاعل ويُخزَّن في بحيرات تبريد، وتقوم هذه البحيرات بامتصاص حرارة الوقود المستهلَك وتخفيض درجة إشعاعيته؛ ثم تتم إعادة معالجته من أجل استرجاع اليورانيوم والبلوتونيوم غير المنشطرَين واستخدامهما من جديد كوقود للمفاعل، وينتج عن هذه العملية نفايات ذات فعالية إشعاعية عالية المستوى
يتم إعادة معالجة الوقود المستهلَك بشكل روتيني في مفاعلات برامج الدفاع لاستخدامه في إنتاج الأسلحة النووية .
...تشير الدراسات إلى أن كمية الوقود المستهلَك الناجم عن مفاعلات الطاقة التي يتم تخزينها عالميًّا والتي تزيد على 130 ألف طن، تحتوي قرابة ألف طن من البلوتونيوم، كما أن بعض العناصر الموجودة في الوقود المستهلَك وفي النفايات مثل عنصر البلوتونيوم، هي ذات فعالية إشعاعية عالية وتبقى كذلك لمدة آلاف السنين. ولا يوجد حاليًّا نظام آمن للتخلص من هذه النفايات.
إن الخطط المقترحة للتخلص من النفايات عالية الإشعاعية وتخزينها لا تضمن حماية كافية للأفراد أو للمياه الجوفية من التلوث الإشعاعي.
وضمن الحوادث المتعلقة بالمفاعلات النووية حدوث تسرب إشعاعي جزئي في مفاعل "ثري مايل آيلاند" النووي قرب بنسلفانيا عام 1979، وذلك نتيجة لفقدان السيطرة على التفاعل الانشطاري؛ وهو ما أدى لانفجار حرر كميات ضخمة من الإشعاع، ولكن تمت السيطرة على الإشعاع داخل المبنى، وبذلك لم تحدث وفيات عندها ...، ولكن الحظ لم يحالف حادثة التسرّب الإشعاعي المشابهة في محطة الطاقة النووية في تشيرنوبل في أوكرانيا عام 1986، فقد أدت إلى مقتل 31 شخصاً وتعريض مئات الآلاف إلى الإشعاع، ويمكن أن يستمر تأثير الإشعاعات الضارة بحيث تؤثر على الأجيال المستقبلية ....
[color=#0066ff]طـاقــة الثلــج
هذا هو المصدر الجديد المرتقب للطاقة ... إنه
الثلج المحترق الغامض الذي قد يثبت أنه نعمة عظيمة أو دمار هائل للبشرية أو الأمرين معاً
يعتقد العديد من العلماء أن أكبر مخزن لوقود الاحتراق متاح للأجيال القادمة ربما يكمن مجمداً في بلورات الثلج القابلة للاحتراق في قاع المحيطات.
وتشير الأدلة الأولى إلى أن النفط والفحم والغاز الطبيعي معاً يبدوان كقزم أمام هذه الاحتياطيات.
فقد تمكن العلماء من اكتشاف الهيدرات في القطب الشمالي من خلال استخدام الأمواج الصوتية التي تنعكس من علي سطح الرواسب التي تحوي هيدرات الغاز.
و وجد بأن هيدرات الغاز تتواجد بشكل أساسي على شكل طبقات كثيفة ، أو عروق رقيقة ، أو عقد ، أو إسمنت مليء بالمسام تحت المحيطات وتكون محصورة في حواف القارات حيث يكون الماء عميقا بقدر كاف مما يوفر لها الضغط العالي والبرودة التي تحتاجها للاستقرار تحت القاع, إضافة إلي كون المياه غنية بالمواد المغذية في هذه الأعماق مثل المواد العضوية المتعفنة التي تقوم البكتيريا بتحويلها إلى ميثان، كما توجد تحت الأرض في المناطق القطبية والمتجمدة وذلك لأنها ثابتة على ضغط عالي ودرجة حرارة منخفضة.
ما هي كرات الثلج المحترقة ؟؟؟
تتكون هذه المادة من تراكيب ثلج صغيرة تشبه القفص، وتحتوي في داخلها على جزئيات الميثان( الغاز الطبيعي )
أما بنية هذه المادة ؛ فهي عبارة عن بلورة تتكون فيها كل خلية واحدة من هيدرات الغاز من 46 جزيء ماء، تشكل فجوتين صغيرتين ذات اثنى عشر وجهاً وست فجوات كبيرة ذات أربعة عشر وجهاً. يمكن أن تحتوي هيدرات الغاز على جزئيات غاز صغيرة مثل الميثان والإيثان.
و هي بذلك بلورة مفرغة من جزئيات الماء من الداخل مع جزيء واحد من الغاز الطبيعي محجوز داخلها. وتصطف البلورات معاً على شكل شبك محكم.
والمرات القليلة التي شوهدت فيها هيدرات الغاز بشكل وفير كانت تبدو الكتل المتجمعة منها مثل كرات كبيرة من الثلج, ولكن الاختلاف بينهما شاسع فالهيدرات قابلة للاشتعال بمجرد اقترابها من النار بلهب أزرق نظيف.
معوقات الحصول على هيدرات الغاز
يمكن العثور على الكميات الهائلة من الغاز الطبيعي في تراكمات هيدرات الغاز الثلجية، ولكن إخراجها تحدٍ عظيم... و هنا مكمن الصعوبة :
فرغم الأهمية الكبيرة لغاز الميثان ـ على الرغم من مساوئه على مستوى البيئة ـ الموجود في هيدرات الغاز الذي سيشكل حلاً لأزمة الطاقة العالمية إلا انه يعد موردا غير مستغلا حتى اليوم, ويرجع ذلك إلى تواجد الهيدرات في أماكن لا يستطيع الإنسان أن يعيش فيها مثل أعماق المحيطات والمناطق المتجمدة
كما أن الهيدرات توجد في طبقات من الرواسب الصلبة بتركيز ضعيف للغاية, أو بشكل متفرق, مما يجعل عملية استخراجها مكلفة وصعبة. ففي الولايات المتحدة وجد أن هيدرات الغاز تركيزها يمثل جزء واحد من الميثان إلى 161.000 جزء من المادة الصلبة, مما يعني أن الجرام الواحد من الغاز الطبيعي المستخرج يساوي أقل من جزء من المليون من الدولار
ومن الصعوبات الأخرى التي تجعل الهيدرات غير مستغلة في الحصول علي الغاز تغيرها الدائم تحت تأثير اختلاف الضغط والحرارة، فهي مادة غير مستقرة الشكل والخواص خاصة إذا تعرضت للضغط والحرارة الجوية العادية اللذان يتسببان في ذوبانها.
والأهم مما سبق ما يؤكده العلماء من أن عملية استخراج الهيدرات من قاع البحر تشكل تهديدا كبيرا للبيئة البحرية ؛ لأن عملية تفكيك الرواسب الصلبة في القاع والتي تحوي الغاز ستؤدي إلي عدم استقرار وتغير قاع البحر، وهذا التغير سيتمثل في تغير ضغط وحرارة الأعماق وخلخلة الحواف القارية, مما يعني حدوث انهيارات أرضية تحت سطح البحر تؤدي إلي موجات من الزلازل القوية التي قد تضرب جميع أنحاء العالم.
حتى اللحظة تبقي هيدرات الغاز حلما يراود العلماء لأنها تعد من مصادر الغاز ذات الاحتياطيات الوفيرة والتي تمثل ضعف احتياطيات الغاز الطبيعي والبترول والفحم, وتعد هذه الاحتياطيات بمثابة مستودعات هائلة من وقود الاحتراق أسفل القارات والمحيطات, و قد تكون هذه الاحتياطيات الهائلة متاحة للأجيال القادمة في المستقبل .... وقتها قد يكون العلماء قد توصلوا فيه إلي حل مناسب لاستخرج الهيدرات دون خلخلة البيئة البحرية, وحتى هذا الوقت ستبقى الهيدرات في الأعماق بعيدة عن متناول الإنسان.
و في الأخيـر
قد يرى البعض منا أن الخوف من نضوب الطاقة غير مبرر .... أو أن البدائل الجديدة أخيراً لن تكون مضرة بالبيئة ... لكن مع هذا و ذاك فإنه بالرغم من تعدد موارد الطاقة المتاحة حالياً أو مستقبلياً يبقى مهماً أخذ الترشيد في استهلاك الطاقة بعين الاعتبار .... ليس فقط بهدف الحفاظ على البيئة ، بالقدر الذي هو ركيزة من الركائز الاقتصادية التي أكدَّ عليها ديننا الإسلامي الحنيف يتجلى ذلك في قوله تعالى في الإنفاق " و الذين لم يسرفوا و لم يقتروا و كان بين ذلك قواما "
الطاقة بكل مواردها نعمة من نِعَم الله التي لا تحصى ... فلنحمد الله عليها و لنحسن شكرنا لله تعالى بحسن توظيفنا لتلك النِعَم .
صلاحيات هذا المنتدى:
لاتستطيع الرد على المواضيع في هذا المنتدى