مصدر الكهرباء
تُعدُّ الكهرباء (بالإنجليزية: Electricity) مصدراً ثانوياً للطاقة، وهي بذلك تختلف عن المصادر الأولية للطاقة والتي تستخدم لإنتاج الكهرباء؛ مثل الوقود الأحفوري، والرياح، والطاقة الشمسية، والنفط، وغيرها، والتي يمكن تصنيفها خلافاً للكهرباء إلى مصادر مُتجدّدة أو غير مُتجدّدة وذلك كما يلي.
مصادر الطاقة الغير متجدّدة
تُمثّل مصادر الطاقة الغير مُتجدّدة (بالإنجليزية: Non- Renewable Resources) موارد محدودة طبيعية ذات قيمة اقتصادية، ويمكن استخدامها لمرة واحدة فقط، حيث يعتمد البشر باستمرار على احتياطي هذه الموارد التي استغرقت مليارات السنين لتكوينها، ومن أهم الأمثلة عليها: النفط، والفحم، والغاز الطبيعي، والطاقة النووية.
الفحم
يلعب استخدام الفحم في توليد الكهرباء دوراً حيويّاً في مُعظم دول العالم؛ حيث تغطي محطات الطاقة التي تعمل على الفحم نحو 38% من الاحتياجات العالمية للكهرباء، وتزيد هذه النسبة عن ذلك في بعض الدول في العالم، ويتمُّ عادة استخدام الفحم البخاري (بالإنجليزية: Steam Coal) أو ما يُعرف باسم الفحم الحراري (بالإنجليزية: Thermal Coal) لتوليد الكهرباء ضمن عملية تتمثل بالخطوات الآتية:
- طحن الفحم إلى مسحوق ناعم جداً؛ لزيادة مساحة سطحه وتسريع عملية الحرق.
- ضخ مسحوق الفحم في الغرف المخصصة للاحتراق في المرجل (بالإنجليزية: Boiler)؛ ليتمُّ حرقة على درجات حرارة مرتفعة جداً، لتحوّل الغازات الساخنة والطاقة الحرارية الناتجة المياه داخل الأنابيب في بطانة المرجل إلى بخار.
- تمرير البخار ذي الضغط المرتفع إلى توربينات موصولة بمُولّد كهربائي، ليسبّب البخار دوران محور هذا التوربينات بسرعة كبيرة، وبالتالي تولّد الكهرباء نتيجة دوران اللفائف السلكية المكوّنة للمولّد الموصول بمحور التوربينات والموجود داخل مجال مغناطيسي قوي.
- تكثيف البخار وإعادته إلى المرجل لتسخينه مرةً أخرى.
تجدر الإشارة هنا إلى أنَّه على الرغم من أنّ عملية حرق الفحم في محطات الطّاقة تُعدّ مصدراً جيداً لإنتاج الكهرباء إلاَّ أنَّ ذلك يتضمّن العديد من السلبيات، ومنها ما يأتي:
- تُعدُّ مصدراً رئيسياً لانبعاثات غاز ثاني أكسيد الكربون، بالإضافة إلى انبعاث كميات كبيرة من غاز الميثان الذي يُعدُّ أحد أهم غازات الدفيئة.
- تُلحق أنشطة استخراج الفحم أضراراً بالأراضي.
- تُغيّر كيمياء مجاري مياه الأمطار الأمر الذي بدوره يُؤثّر في جودة مياة الأنهار والمجاري المائية.
النفط
يُستخدَم النفط (بالإنجليزية: Oil) كأحد أكبر مصادر إنتاج الطاقة لأغراض النقل، والتدفئة المنزلية بشكل رئيسي، إلاَّ أنَّ هناك نسبة صغيرة منه تُستخدَم كوقود لمحطات الطاقة لتوليد الكهرباء، وذلك باستخدام عِدّة تقنيات، وهي:
- استخدام البخار؛ حيث تتضمن هذه العملية حرق النفط لتسخين المياه وإنتاج البخار لتوليد الكهرباء.
- توربينات الاحتراق ( بالإنجليزية : Combustion Turbine): تتمُّ فيها عملية حرق النفط تحت ضغط عالٍ؛ لإنتاج غازات ساخنة لتدوير التوربينات وتوليد الكهرباء.
- الدورة المُركبة (بالإنجليزية: Combined-cycle technology) التي تتضمن الاستفادة من التقنيات السابقة معاً، بحيث يتمُّ حرق النفط في توربينات الاحتراق لإنتاج الغازات الساخنة واستخدامها لإنتاج الكهرباء، ثُمَّ إعادة استخدام هذه الغازات لتسخين المياه في المرجل لإنتاج البخار لتدوير التوربينات، وبالتالي توليد الكهرباء.
على الرغم من أهمية عملية حرق النفط في إنتاج الكهرباء إلاَّ أنَّها تسبب تلوّث الهواء، والماء، والأراضي، إضافة للمشاكل البيئية الخطيرة الناجمة عن عمليات التنقيب عن النفط، وتكريره، ونقله.
الطاقة النووية
تقوم الطاقة النوويّة (بالإنجليزية : Nuclear Energy) على استغلال الطاقة الموجودة في أنويّة الذرات، حيث تتضمّن عملية استخدامها ما يأتي:
- استخراج خامات عنصر اليورانيوم الذي يُمثّل أحد العناصر غير المتجدّدة.
- ينتج عن ذلك إطلاق غاز الرادون المشع بالإضافة إلى إنتاج كميات كبيرة من المخلفات الصخرية المُشعّة.
- تتمّ معالجة اليورانيوم ضمن عمليات مكثّفة وتحتاج إلى كمّ هائل من الطاقة، ليتحول إلى وقود.
يُشار إلى أنَّ المحطّات النوويّة تُنتج الكهرباء باستخدام تفاعلات الإنشطار أو تفاعلات الاندماج لإنتاج كميات كبيرة من الحرارة، التي تُستخدَم بدورها لإنتاج البخار وتحريك التوربينات، وبالتالي توليد الكهرباء.
من إيجابيات الاعتماد على الطاقة النووية في إنتاج الكهرباء، ما يأتي:
- التقليل من انبعاثات الغازات الملوِّثة.
- تقليل استخدام الأراضي التي تقوم عليها محطّات الطاقة.
- إمكانية إنتاج الطاقة من خلالها وقت الطلب.
وفي المقابل يُؤدي استخدامها إلى إنتاج كميات كبيرة من الإشعاعات الضّارة بشكلٍ كبير على الأفراد والأنظمة البيئية، حيث يمكن لهذه الإشعاعات أن تسبّب ما يأتي:
- الأمراض الحادّة.
- الموت في حال التعرّض إلى جرعات عالية منها.
- حدوث طفرات جينية.
وتجدر الإشارة إلى أنَّ مُعظم إشعاعات المحطّات النوويّة لا يتمُّ إطلاقها في الغلاف الجوي إنَّما تبقى على شكل مخلفات إشعاعية تشكّل خطرا لآلاف السنين، كما أن حدوث الحوادث في محطّات الطاقة النوويّة أو النفايات المُشعّة يشكل أحد أكبر المخاوف العالمية.
الغاز الطبيعي
تشكّل الغاز الطبيعي (بالإنجليزية: Natural Gas) قبل ملايين السنين جراء دفن المادة العضوية وتعرّضها للحرارة والضغط العاليين، ويتواجد الغاز الطبيعي مع الفحم أو النفط ، كما يمكن العثور عليه بمُفرده، حيث يتمُّ استخراجه وتنقيته، ومن ثُمَّ حرقه لتوليد البخار الذي يستخدم لتدوير التوربينات وإنتاج الكهرباء.
يُعدُّ استخدام الغاز لإنتاج الكهرباء ذا تكلفة منخفضة، كما أنَّ التكنولوجيا المُستخدَمة في استخراجه بسيطةٌ ومتوفرة ويُمكن من خلالها إنتاج الكهرباء عند الطلب، إلى جانب ذلك فإنَّ استخدامه يُنتِج مستويات أقل من ملوّثات الهواء مُقارنةً باستخدم الفحم، والتي تشمل الجسيمات الصغيرة، وثاني أكسيد الكبريت، وأكاسيد النيتروجين.
مصادر الطاقة المتجددة
تُعرَّف مصادر الطاقة المُتجدّدة (بالإنجليزية: Renewable Energy) بأنَّها المصادر المُتاحة دائماً للطاقة، والتي لا تنضب، ولا يمكن لها أن تنفذ أبداً؛ مثل الشمس، وهي تعتبر حالياً مصادر بديلة للمصادر المستخدمة حالياً، والتي تتمثل بمصادر الطاقة غير المتجددة؛ كالفحم، والنفط وغيرها.
تمُّ التوّجه حالياً إلى الاهتمام بالبحث عن مصادر بديلة للطاقة تتواجد في الطبيعية بوفرة؛ بسبب تزايد الطلب عالكهرباء والاعتماد بشكلٍ كبير على الموارد الغير مُتجدّدة التي يُمكن أن تنفذ في أيّ وقت لتوليدها، إضافةً إلى نشوء مخاوف كبيرة بشأن انبعاثات غاز ثاني أكسيد الكربون الذي يُساهم في ظاهرة الاحتباس الحراري العالمي .
طاقة الرياح
تُعدُّ طاقة الرياح إحدى مصادر الطاقة المُتجدّدة، حيث تُستخدم الطاقة الناتجة من الرياح في تحريك توربينات الرياح لتوليد الكهرباء ، والتي تعمل بطريقة معاكسة للطريقة للتي تعمل بها المروحة العادية، فهي تحوّل الطاقة من حركية إلى كهربائية؛ وتتولد الكهرباء بهذه الطريقة من خلال تحرّك الشفرات بسبب الرياح لتسبب بدورها دوران المحور المتصل بها بشكل سريع، والمتصل بمولدّ كهربائي يعمل على توليد الكهرباء.
تجدر الإشارة إلى أنَّ الرياح بشكل عام تنشأ في الطبيعة نتيجةً لاختلاف درجات الحرارة، والتسخين الغير مُتكافىء للغلاف الجوي، بالإضافة إلى دوران الأرض حول الشمس.
الطاقة الشمسية
تُعدُّ الطاقة الشمسية (بالإنجليزية: Solar Energy) أكثر مصادر الطاقة المُتجدّدة نظافة ووفرة؛ حيث يمكن استخدامها لتوليد الكهرباء، وتوفير الإضاءة، بالإضافة إلى تسخين المياه للاستخدامات المنزلية، والتجارية، والصناعية، كما يُشار إلى أنَّ استخدام الطاقة الشمسية يمكن أن يتم باستخدام عِدّة تقنيات؛ وهي:
- الخلايا الكهروضوئية (بالإنجليزية :Photovoltaic Cell) والتي تولّد الكهرباء مباشرة من أشعة الشمس عبر مجموعة من العمليات الإلكترونيّة، ليتم استخدام الكهرباء الناتجة لتشغيل الأجهزة المنزلية، وإنارة الطُرقات، والشركات التجارية.
- الطاقة الشمسية للتدفئة والتبريد (SHC -Solar Heating & Cooling)؛ حيث يتم من خلال هذه التقنية تسخين المياه بفعل الطاقة الشمسية.
- أنظمة الطاقة الشمسية المُركّزة (بالإنجليزية: Concentrated Solar Power-CSP): التي تقوم على استخدام حرارة أشعة الشمس لتشغيل التوربينات التقليدية الموصولة بالمولّد الكهربائي في محطّات الطاقة لتوليد الكهرباء.
تجدر الإشارة إلى أنَّ التكنولوجيا المُستخدَمة القائمة على الطاقة الشمسية في إنتاج الكهرباء تُعدُّ مرنةٍ للغاية، حيث يُمكن بناء محطّات الطاقة الشمسية قرب نُقطة الاستخدام، أو كمحطّات مركزية للطاقة، ويمكن في كلتا الحالتين تخزين الطاقة التي تُنتجها المحطّة لاستخدامها حتى بعد غروب الشمس.
الطاقة الكهرومائية
تُعدُّ الطاقة الكهرومائية (بالإنجليزية: Hydro Energy) إحدى مصادر الطاقة المُتجدّدة التي يُمكن من خلالها إنتاج الكهرباء عند الطلب، كما أنها تعتبر من المصادر التي يمكن من خلالها توليد الكهرباء دون إطلاق الكثير من الانبعاثات الملوّثة، ويتم من خلالها توفير ما يزيد عن 16% من الكهرباء في العالم.
يُمكن استغلال هذه الطاقة من خلال التحكّم بتدفق المياه في خزانات السدود، لتحريك التوربينات وتوليد الكهرباء، وهي الطريقة الأكثر شُيوعاً من طرق توليد الكهرباء بالطاقة الكهرومائية، وتُعرف باسم محطّات تخزين الطاقة بالضخّ ( بالإنجليزية: Pumped Storage Hydro-power)، ويتم من خلالها تدوير المياه بين خزانات سُفلية وعلوية؛ للتحكّم في توليد الكهرباء بين أوقات انخفاض الطلب وازدياده، وهناك نوع آخر من الأنظمة يعتمد على طاقة مياة الأنهار المُتدفقة (بالإنجليزية: Run of River Hydro-power)، حيث لا يتطلب هذا النوع وجود سدّ، وإنَّما يعتمد على نقل جزء من مياه النهر عبر قناة، واستخدام الطاقة الحركية للمياه المتدفقة لتحويلها إلى طاقةٍ كهربائية.
تجدر الإشارة هنا إلى أنَّ الاستخدام المباشر للطاقة الكهرومائية يعتمد على الموقع الجغرافي؛ حيث تعتمد إمكانية استغلال المياه لتوليد الكهرباء على إمكانية الوصول إلى المصدر المائي، ووفرته، حيث يمكن إنشاء محطّات كهرومائية صغيرة لتزويد المزارع والبلدات الصغيرة بالكهرباء، وذلك اعتماداً على مصدر مائي صغير بالقرب منها من خلال بناء أنظمة كهرومائية صغيرة أو متوسطة الحجم هناك.
طاقة المدّ و الجزر
تُعدُّ طاقة المدُّ و الجزر(بالإنجليزية:Tidal Energy) إحدى أشكال الطاقة الكهرومائية، حيث يتمُّ استخدام تيارات المدُّ والجزر مرتين في اليوم لتحريك التوربينات وتشغيل المولّدات لإنتاج الكهرباء، وبالرغم من أنَّ تدفق المياه خلال تيارات المدّ والجزر غير ثابتٍ على عكس بعض مصادر الطاقة الكهرومائية الأخرى إلاَّ أنَّه يُمكن التنبؤ به إلى حدّ كبير، وتجدر الإشارة هنا إلى أنَّ استخدام طاقة المدّ والجزر لإنتاج الكهرباء لها عِدّة مميزات، وفيما يأتي بعضٌ منها:
- تمتاز طاقة المدّ والجزر بأنها نظيفة؛ حيث إنَّ كمية الانبعاثات الناتجة من غازات الدفيئة عند استخدامها تساوي صفراً، إلى جانب ذلك فإنَّ محطّات الطاقة التي تعمل على تيارات المدّ والجزر لا تشغل مساحات كبيرة.
- تُعدُّ طاقة المدّ والجزر طاقةً مُستمرة؛ حيث لا يمكن لقوى جذب الأجرام السماوية التوقّف أو الانتهاء، كما أن تيارات المدّ والجزر ترتفع وتنخفض بشكل دوريّ، ممّا يجعل أمر تصميم أنظمة فعّالة لتوليد الطاقة من قِبل المهندسين سهلاً للغاية مُقارنةً بالتصميم الذي يتطلب التنبؤ بموعد وحركة هبوب الرياح، أو سطوع الشمس عند استغلال الطاقة الشمسية أو طاقة الرياح.
- تمتاز المعدّات المُستخدمة في محطّات الطاقة التي تعتمد على تيارات المدّ والجزر بعمرها الطويل، حيث يعادل عمرها نحو أربعة أضعاف عُمر المعدّات المُستخدمة في حقول الطاقة الشمسية والرياح، وحتى الطاقة النووية، مما يجعل استخدامها أكثر جدوى من ناحية التكلفة على المدى الطويل.
الطاقة الحرارية الأرضية
تُستخدَم الطاقة الحرارية الأرضيّة (بالإنجليزية: Geothermal Energy) في بعض الدول مُنذ آلاف السنين لأغراض الطبخ والتدفئة، حيث تُنتِج الطبقة الساخنة من الصخور الساخنة المذابة تحت القشرة الأرضية الحرارة باستمرار، والتي ينتج معظمها من تحلّل العناصر المُشعّة الطبيعية، ويجدر بالذكر أن المناطق الأكثر ارتفاعاً في درجات الحرارة تحت الأرض هي المناطق التي تقع فيها البراكين النشطة والتي تقع عادة على حدود الصفائح التكتونية، وتقدّر كمية الطاقة على عمق 10كم من سطح الأرض بأنها تزيد بنحو 50,000 مرة عن مجموع طاقة موارد النفط والغاز الطبيعي في العالم.
هناك 3 طرق يمكن من خلالها لمحطات توليد الطاقة الحرارية الأرضية سحب المياه الساخنة والبخار من باطن الأرض لاستخدامه في توليد الكهرباء، ومن هذه الطرق:
- الطريقة الأولى: تقنية البخار الجاف (بالإنجليزية: Dry Steam) والتي يتم فيها تمرير البخار مباشرة نحو التوربينات، ثم تكثيفه ليتحول إلى ماء.
- الطريقة الثانية: يتمّ تحويل الماء الساخن مباشرة بعد تخفيض ضغطه إلى بخار، واستخدامه لتحريك التوربينات.
- الطريقة الثالثة: يتمّ من خلالها تمرير الماء الساخن خلال منطقة مخصصة للتبادل الحراري، لتسخين سائل آخر مثل الإيزوبوتان، له درجة غليان تقل عن درجة غليان الماء، مما يجعل عملية تحويله إلى بخار أكثر سهولة من عملية تحويل الماء إلى بخار، ليُستخدم البخار الناتج عنه في تحريك التوربينات وتوليد الكهرباء.
طاقة الكتلة الحيوية
تعتمد طاقة الكتلة الحيويّة (بالإنجليزية: Biomass Energy) على استخدام المواد العضوية لتوليد الكهرباء، وهي تشمل المواد الموجودة في الطبيعة؛ مثل الحطب، ونشارة الخشب ولحاء الشجر والتي تعتبر من أكبر مصادر الطاقة الحيوية، وتُستخدم بشكل رئيسي لتوليد الكهرباء؛ حيث يمكن للكتلة الحيوية توليد الكهرباء بِعدّة طرق، وتتمثّل الطريقة الأكثر شُيوعاً في مُعظم محطّات الطاقة الحيوية بحرق النفايات الزراعية والمواد الخشبية لتسخين المياه وإنتاج البخار، وبالتالي تحريك التوربينات وإنتاج الكهرباء.
يُذكر أنّ البخار الزائد من عمليات التصنيع يُستخدم في التدفئة، الأمر الذي يُسهم في رفع كفاءة الطاقة الحيوية في توليد الكهرباء إلى 80%، ومن مميزات استخدامها لإنتاج الكهرباء ما يأتي:
- تُعدُّ المُخلفات البشرية والحيوانية التي تعتمد عليها الطاقة الحيوية متواجدةٌ ومتوافرة دائماً، كما أن الطاقة الحيوية تعتبر رخيصة الثمن.
- لا تنتج الطاقة الحيوية عند استخدامها الكبريت أو الزئبق ، كما أن انبعاثات النيتروجين الناتجة منها قليلة مُقارنةً باستخدام الفحم.
- يساهم استخدام النفايات لإنتاج الطاقة في التقليل من كمية النفايات التي ينتهي بها الأمر عادة في مكبات النفايات.
- يُمكن لجميع الأشخاص إنتاج الطاقة الحيوية، مما يُقلل من الاعتماد على محطّات الطاقة المركزية.
