طاقة متجددة

أحد مراكز المراقبة مستفيدا من الطاقة الشمسية.

إن الخلايا الشمسية هي عبارة عن محولات فولتضوئية تقوم بتحويل ضوء الشمس المباشر إلى كهرباء، وهي نبائظ شبه موصلة وحساسة ضوئياً ومحاطة بغلاف أمامي وخلفي موصل للكهرباء . لــقد تم إنــماء تقنيات كثيرة لإنـتــاج الخلايـا الشمسيـــة عبر عــــمــليات متسلسلة من المعالجات الكيميائية والفيزيائية والكهربــائيـــة عـــلى شكــل متكاثف ذاتي الآليــــة أو عالي الآلية، كمـــا تـم إنماء مــــواد مختلفـــة لتصنيع الخلايـــا الشمسية على هيئة عناصر كعنصر السيليكون أو على هيئة مركبات كمركب الجاليوم زرنيخ وكبريتيد الكادميوم وفوسفيد الأنديوم وكبريتيد النحاس وغيرها من المواد الواعدة لصناعة الفولتضوئيات .

تصنع هذه الخلايا من السيليكون عبر إنماء قضبان من السيليكون ثم يؤرب إلى رقائق وتعالج كيميائياً وفيزيائياً عبر مراحل مختلفة لتصل إلى خلايا شمسية .كفاءة هذه الخلايا عالية تتراوح بين 9 – 17 % والخلايا السيليكونية أحادية التبلور غالية الثمن حيث صعوبة التقنية واستهلاك الطاقة بينما الخلايا السيليكونية عديدة التبلور تعدّ أقل تكلفة من أحادية التبلور وأقل كفاءة أيضاً .

مادة هذه الخلايا ذات شكل سيليكوني حيث التكوين البلوري متصدع لوجود عنصر الهيدروجين أو عناصر أخرى أدخلت قصداً لتكسبها خواص كهربائية مميزة وخلايا السيليكون الأمورفي زهيدة التكلفة عن خلايا السيليكون البلوري حيث ترسب طبقة شريطية رقيقة باستعمال كميات صغيرة من المواد الخام . تتراوح كفاءة خلايا هذه المادة ما بين 4 – 9 % بالنسبة للمساحة السطحية الكبيرة وتزيد عن ذلك بقليل بالنسبة للمساحة السطحية الصغيرة وإن كان يتأثر استقرارها بالإشعاع الشمسي .

مميزات وعيوب 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 . أظهرت دراسة حديثة أن كل مليون كيلو وات في الساعة من إنتاج طاقة الرياح السنوي يوفر من 440 إلى 460 فرصة عمل.

تكنولوجيا استخدام الرياح لتوليد الطاقة الكهربائية هي أسرع مصادر توليد الكهرباء الجديدة نمواً على الصعيد العالمي. ويتم إنتاج الطاقة من الرياح بواسطة محركات (أو تربينات) ذات ثلاثة أذرع تديرها الرياح توضع على قمة أبراج طويلة وتعمل كما تعمل المراوح، ولكن بطريقة عكسية فبدل استخدام الكهرباء لإنتاج الرياح كما تفعل المراوح، تقوم هذه التوربينات باستعمال الرياح لإنتاج الطاقة. وتتم العملية بأن تدير الرياح أذرع المحرك التي تدير بدورها أسطوانة العمود المتصلة بواسطة مجموعة تروس تشكل ناقل حركة لإدارة مولد كهربائي. وتستطيع التربينات الكبيرة الحجم المصممة لمؤسسات إنتاج الكهرباء للاستعمال العام، توليد ما بين 650 كيلو واط (ويعادل الكيلو واط ألف واط) و1.5 ميجاواط (والميجاواط يساوي مليون واط). وتستخدم المنازل ومحطات الاتصالات عن بعد ومضخات الماء تربيناً واحداً صغيراً لا يزيد إنتاجه عن 100 كيلو واط كمصدر لطاقتها، خاصة في المناطق النائية التي لا توجد فيها شركات توليد وتوزيع طاقة للاستعمال العام.

منذ نهاية 2004، نمت القدرة العالمية للطاقات المتجددة بمعدلات 10-60% سنويًا في العديد من التقنيات. في 2015 ارتفع الاستثمار العالمي في الطاقات المتجددة بنسبة 5% إلى 285.9$ بليون دولار، كاسرًا الرقم القياسي السابق البالغ 278.5$ بليون دولارًا في 2011. كانت 2015 أيضًا أول سنة تشكل فيها الطاقات المتجددة، باستثناء المنشآت الكبيرة للطاقة الكهرومائية، معظم كل القدرات الجديدة لتوليد الطاقة الكهربائية (134 غيغاواط، ما يشكل 54% من الإجمالي). من بين الطاقات المتجددة، شكلت الرياح 72 غيغاواط، والخلايا الضوئية الجهدية الشمسية 56 غيغاواط؛ وكلاهما من الأرقام القياسية، وأكبر بكثير من أرقام عام 2014 (49 غيغاواط و45 غيغاواط على التتالي). على الصعيد المالي، شكلت الطاقة الشمسية 56% من الاستثمارات الجديدة الإجمالية وطاقة الرياح 38%.

في 2014، توسعت قدرة توليد الطاقة بواسطة الرياح بنسبة 16% وصولًا إلى 369,553 ميغاواط.[9] ينمو إنتاج الطاقة السنوي بواسطة الرياح أيضًا بشكل متسارع وقد وصل إلى نحو 4% من استخدام الكهرباء في العالم، 11.4% في الاتحاد الأوروبي،[10][11] وهو يستخدم بشكل واسع في آسيا والولايات المتحدة الأمريكية. في 2015، ازدادت القدرة العالمية المركبة من الخلايا الضوئية الجهدية إلى 227 غيغاواط، ما يكفي لتزويد العالم بنسبة 1 بالمئة من الاحتياج الكهربائي العالمي.[12] تعمل محطات الطاقة الشمسية الحرارية في الولايات المتحدة الأمريكية وفي إسبانيا، وفي عام 2016، فإن أكبرها منظومة إيفّانبّاه لتوليد الكهرباء من الطاقة الشمسية في كاليفورنيا باستطاعة 392 ميغاواط.[13][14] أكبر منشأة طاقة أرضية (جيوحرارية) في العالم هي الغيزرز في كاليفورنيا، بقدرة اسمية 750 ميغاواط. للبرازيل أحد أكبر برامج الطاقات المتجددة في العالم، ويشمل إنتاج وقود الإيثانول من قصب السكر، ويوفر الإيثانول اليوم 18% من وقود السيارات في البلاد. يتوفر وقود الإيثانول على نطاق واسع في الولايات المتحدة الأمريكية.

في عام 2017، شكلت الاستثمارات في الطاقة المتجددة 279.8$ بليون دولار أمريكي حول العالم، شكلت منها الصين 126.6$ بليون دولار، أو 45% من الاستثمارات العالمية، والولايات المتحدة الأمريكية 40.5$ بليون دولار أمريكي، والاتحاد الأوروبي 40.9$ بليون دولار أمريكي.[15] خلصت نتائج مراجعة حديثة للأدبيات المكتوبة في المجال إلى أنه مع بدء باعثات غازات الدفيئة الزجاجية بتحمل مسؤولية الأضرار الناتجة عن انبعاثات غازات الدفيئة التي تسبب التغير المناخي، فإن رفع قيمة تخفيف الأعباء البيئية سيؤدي إلى حوافز قوية لاستخدام تقنيات الطاقات المتجددة.[16]

في العقد 2010-2019، بلغت الاستثمارات العالمية في قدرات الطاقة المتجددة باستثناء المنشآت الكبيرة للطاقة الكهرومائية ما مقداره 2.7$ ترليون دولارًا أمريكيًا، ساهمت منها الصين بمبلغ 818$ بليون دولار، والولايات المتحدة ساهمت بمقدار 392.3$ بليون دولار، واليابان ساهمت بمقدار 210.9$ بليون دولار، وألمانيا ساهمت بمقدار 183.4$ بليون دولار، والمملكة المتحدة ساهمت بمقدار 126.5$ بليون دولار.[17] كان هذا ازديادًا بأكثر من ثلاثة أضعاف، وربما أربعة أضعاف، من الكمية المكافئة المستثمرة في عقد 2000-2009 (لا توجد بيانات عن فترة 2000-2003).[17]

تأخذ تقنيات الطاقة المتجددة بالرخص، عن طريق التغير التقني ومن خلال منافع الإنتاج الكبير والمنافسة في السوق. وجد تقرير صادر عام 2018 عن الوكالة الدولية للطاقة المتجددة (إيرينا) أن تكاليف الطاقة المتجددة تهبط بشكل سريع، وستصبح على الأرجح مساويةً لكلفة الطاقات غير المتجددة كالوقود الأحفوري أو أرخص منها بحلول 2020. وجد التقرير أن تكاليف الطاقة الشمسية انخفضت بنسبة 73% منذ 2010، والعنفات الريحية على اليابسة انخفضت تكاليفها بنسبة 23% في نفس الفترة الزمنية.[18]

ولكن الإسقاطات الحالية المتعلقة بالكلفة المستقبلية للطاقات المتجددة تختلف. تنبأت إدارة معلومات الطاقة في الولايات المتحدة الأمريكية بأن نحو ثلثي الإضافات الصافية لقدرات الاستطاعة الكهربائية ستأتي من المصادر المتجددة بحلول 2020 بسبب الفوائد المركبة لسياسات التلوث المحلي، وإزالة الكربون، والتنويع الطاقي.

وفقًا لتقرير صادر عام 2018 عن بلومبيرغ نيو إينيرجي فاينانس، فإن طاقة الرياح والطاقة الشمسية يتوقع أن تولد نحو 50% من الاحتياجات الطاقية للعالم بحلول 2050، في حين يتوقع أن تهبط محطات توليد الكهرباء العاملة على الفحم إلى 11% فقط.[19] الطاقة الكهرومائية والكهرباء الجيوحرارية المنتجة في المواقع المحبذة هي الآن أرخص الطرق لتوليد الكهرباء. تستمر تكاليف الطاقة المتجددة في الانحدار، وتنحدر التكلفة المسواة للكهرباء في حالة طاقة الرياح، وطاقة الخلايا الضوئية الجهدية الشمسية، والطاقة الشمسية المركزة، وبعض تقنيات الكتلة الحيوية.[20] الطاقة المتجددة أيضًا أكثر الحلول اقتصاديةً للاستطاعات الجديدة المربوطة على الشبكة في المناطق ذات المصادر الجيدة للطاقة. ومع انحدار سعر الطاقة المتجددة، تزداد تطبيقاتها المجدية اقتصاديًا. غالبًا ما تكون تقنيات الطاقة المتجددة اليوم أكثر الحلو اقتصاديةً لتوليد الاستطاعة الكهربائية. وحيثما كان «التوليد العامل على النفط المصدر السائد لتوليد الطاقة الكهربائية (كما هو الحال على الجزر، والنظم المفصولة عن الشبكة، وفي بعض البلدان) فإن هناك حلًا أقل كلفة من حلول الطاقات المتجددة يوجد اليوم تقريبًا في كل الحالات». نمذجت سلسلة دراسات أجراها المختبر الوطني للطاقة المتجددة في الولايات المتحدة الأمريكية «الشبكة في غرب الولايات المتحدة الأمريكية في ظل عدة سيناريوهات مختلفة شكلت فيها الطاقات المتجددة 33 بالمئة من الاستطاعة الكلية». في هذه النماذج، نتج عن عدم كفاءة تدوير محطات الوقود الأحفوري للتعويض عن التباين في طاقة الرياح والطاقة الشمسية كلفة إضافية «بين 0.47$ و1.28$ لكل ميغاواط ساعي مولد»؛ ولكن التوفير في كلفة الوقود الموفر «يبلغ حتى 7$ بليون دولارًا، ما يعني أن التكاليف المضافة، على الأكثر، اثنان بالمئة من التوفير».[21]

في يوليو 2014، أقام الصندوق العالمي للطبيعة ومعهد الموارد العالمية حوارًا بين عدد من الشركات الكبرى في الولايات المتحدة الأمريكية التي أعلنت عن نيتها بزيادة استخدام الطاقة المتجددة. عرفت هذه الحوارات عددًا من «المبادئ» التي اعتبرتها الشركات التي تبحث عن وصول أوسع للطاقة المتجددة أهدافًا مهمة للسوق. شملت هذه المبادئ الاختيار (بين الموردين وبين المنتجات)، وتنافسية التكلفة، والموارد الأطول أمدًا ذات السعر الثابت، وإتاحة وسائل تمويل طرف ثالث، والتعاون.[22]

ذكرت إحصاءات المملكة المتحدة الصادرة في سبتمبر 2020 أن «نسبة الطلب التي حققتها الطاقات المتجددة تتراوح بين حد أدناه 3.4 بالمئة (للنقل، بشكل أساسي باستخدام الوقود الحيوي) لحدود عليا تفوق 20 بالمئة «لمستخدمين نهائيين آخرين»، وهم بشكل كبير قطاع الخدمات والقطاعات التجارية التي تستهلك كميات كبيرة نسبيًا من الكهرباء، والصناعة».[23]

في بعض المواقع، يمكن للبيوت الفردية أن تختار شراء الطاقة المتجددة عن طريق برنامج طاقة خضراء للمستهلك.