«السدود العظيمة» تنتج أكبر كمية من الطاقة المتجددة

البروفيسور فيصل بغدادي عميد الكلية الجامعية بالجموم ل اليوم :

كشف أكاديمي وباحث متخصص في مجال الطاقة المتجددة عن ان أكثر إنتاج للطّاقة المتجددة حاليا يُنتج في محطات القوى الكهرومائية بواسطة السّدود العظيمة أينما وجدت الأماكن المناسبة لبنائها على الأنهار ومساقط المياه، وتستخدم الطّرق التي تعتمد على الرياح والطّاقة الشمسيّة طرقا على نطاق واسع في البلدان المتقدّمة وبعض البلدان النّامية، لكن وسائل إنتاج الكهرباء باستخدام مصادر الطّاقة المتجددة أصبح مألوفاً في الآونة الأخيرة، وهناك بلدان عديدة وضعت خططاً لزيادة نسبة إنتاجها للطّاقة المتجددة بحيث تغطي احتياجاتها من الطّاقة بنسبة 20% من استهلاكها عام 2020
وقال ل"اليوم" عميد الكلية الجامعية بالجموم البروفيسور فيصل عبد القادر بغدادي: ازداد مؤخراً ما يعرف باسم تجارة الطاقة المتجددة الّتي هي نوع من الأعمال التي تتدخّل في تحويل الطّاقات المتجددة إلى مصادر للدخل والتّرويج لها، والّتي على الرغم من وجود الكثير من العوائق غير اللا تقنية الّتي تمنع انتشار الطّاقات المتجددة بشكل واسع مثل كلفة الاستثمارات العالية البدائية وغيرها إلا أن ما يقرب من 65 دولة تخطّط للاستثمار في الطّاقات المتجددة، حيث عملت على وضع السّياسات اللّازمة لتطوير وتشجيع الاستثمار في الطّاقات المتجددة، مشيراً الى انه ازداد الاهتمام بالطاقة المتجددة في السنوات الأخيرة في دول الشرق الأوسط وخاصة المملكة، حيث بدأ القطاع الخاص السعودي بضخ مبالغ كبيرة للاستثمار في قطاع الطاقة المتجددة.
وأضاف "بغدادي": الطاقة الشمسية هي الطّاقة المستمدة من الموارد الطبيعية التي تتجدد أي الّتي لا تنفذ. تختلف جوهرياً عن الوقود الأحفوري من بترول وفحم والغاز الطبيعي، أو الوقود النووي الّذي يستخدم في المفاعلات النووية. ولا تنشأ عن الطّاقة المتجددة عادةً مخلّفات كثنائي أكسيد الكربون (CO2) أو غازات ضارة أو تعمل على زيادة الاحتباس الحراري، كما يحدث عند احتراق الوقود الأحفوري أو المخلفات الذرية الضّارة النّاتجة عن المفاعلات النوويّة، وتنتج الطّاقة المتجددة من الرياح والمياه والشمس، كما يمكن إنتاجها من حركة الأمواج والمد والجزر أو من طاقة حرارية أرضية وكذلك من المحاصيل الزراعية والأشجار المنتجة للزيوت، إلا أن تلك الأخيرة لها مخلفات تعمل على زيادة الاحتباس الحراري.
وذكر "بغدادي" انه يتم توليد الطاقة الكهربية من الطاقة الشمسية بواسطة محركات حرارية أو محولات فولتوضوئية، وبمجرد أن يتم تحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة كهربية، فإن براعة الإنسان هي فقط التي تقوم بالتحكم في استخداماتها، وتتسم وسائل التكنولوجيا التي تعتمد الطاقة الشمسية بشكل عام بأنها إما أن تكون نظم طاقة شمسية سلبية أو نظم طاقة شمسية إيجابية وفقًا للطريقة التي يتم استغلال وتحويل وتوزيع ضوء الشمس من خلالها، وتشمل التقنيات التي تعتمد على استغلال الطاقة الشمسية الإيجابية واستخدام اللوحات الفولتوضوئية والمجمع الحراري الشمسي، مع المعدات الميكانيكية والكهربية، لتحويل ضوء الشمس إلى مصادر أخرى مفيدة للطاقة، في حين تتضمن التقنيات التي تعتمد على استغلال الطاقة الشمسية السلبية توجيه أحد المباني ناحية الشمس واختيار المواد ذات الكتلة الحرارية المناسبة أو خصائص تشتيت الأشعة الضوئية، وتصميم المساحات التي تعمل على تدوير الهواء بصورة طبيعية، كما ان أفضل التقنيات الواعدة هي التي تسخر طاقة الشمس حيث يعتبر التحويل الحراري المباشر للإشعاعات الشمسية إلى طاقة كهربائية عبر الخلايا الشمسية تقنية جديدة ومتطورة وهو صناعة استراتيجية باعتبارها مصدراً قوياً مستقبلياً.
التحويل الكهروضوئي
وقال "بغدادي": تعتمد طريقة التحويل الكهروضوئي على مبدأ تحويل الإشعاع الشمسي مباشرة إلى تيار كهربي وذلك باستخدام ظاهرة التأثير الكهروضوئي وتعتبر هذه الظاهرة الصورة الأساسية لما يسمى بالخلايا الشمسية، حيث تعتمد الخلايا الشمسية في عملها على ظاهرة التأثير الكهروضوئي. وينقسم التأثير الكهروضوئي إلى نوعين: التأثير الكهروضوئي الخارجي، التأثير الكهروضوئي الداخلي، ونجد أنه في حالة التأثير الكهروضوئي الخارجي يتم انبعاث الإلكترونات الحرة من سطح المادة بامتصاص الفوتونات، وفي حالة التأثير الكهروضوئي الداخلي فتتم عن طريق تحرير حاملات الشحنة داخل المادة عند امتصاص الفوتونات ذات الطاقة المحددة، وترتبط ظاهرة التأثير الكهروضوئي الخارجي بالمعادن وتتميز المعادن وبعض المركبات بظاهرة عدم الإنفاذية للفوتونات في حيز الضوء المرئي وحيز الأشعة فوق البنفسجية بدرجة كبيرة وذلك يعني امتصاص الفوتونات بالقرب من السطح وفي حالة كون طاقة الفوتونات أعلى من دالة الشغل لسطح الجسم الماص فإن الإلكترون يحصل على طاقة كافية تجعله يتحرر من السطح وتحدث هذه الظاهرة نتيجة لانبعاث الإلكترونات من بعض الأسطح كالمعادن عند سقوط طاقة ضوئية كافية عليها، حيث تمنح طاقة الفوتونات للإلكترونات مما يؤدي لحدوث ظاهرة الانبعاث الكهروضوئي.
وتابع "بغدادي": أما ظاهرة التأثير الكهروضوئي الداخلي فتحدث في أشباه الموصلات حيث إن عدم الإنفاذية لها أقل من المعادن ولذلك يحدث التأثير على عمق حيث يمكن لعدد قليل من الفوتونات النفاذ من السطح، وحيث إن الطاقة الموجودة في الفوتونات تنشأ زوجاً من الإلكترونات والفجوات أي إلكترونا وفجوة، وفي حالة كون طاقة الفوتونات أعلى من طاقة القطاع المحظور للمادة المستعملة فإن حاملات الشحنة تكون حرة الحركة في قطاع التوصيل للمادة وذلك لمدة قصيرة يتم بعدها الاتحاد مرة أخرى، حيث يتم تحويل أشعة الشمس مباشرة إلى تيار كهربي، وتستخدم الخلايا الشمسية في العديد من التطبيقات العملية مثل ساعات اليد والآلات الحاسبة وفي تشغيل أبراج الإرسال والاتصالات الهاتفية ومحطات الإذاعة والتلفزيون كما أنها تستخدم حالياً بشكل محدود في إنارة الطرق والمنشآت وتشغيل المحركات الكهربية الصغيرة ولأغراض الري، كما بدأ استخدامها في تزويد الشبكات الكهربية بالطاقة.
الخلايا الشمسية
وأضاف "بغدادي": الخلايا الشمسية هي عبارة عن محولات فولتضوئية تقوم بتحويل ضوء الشمس المباشر إلى كهرباء، وهي نبائض شبه موصلة وحساسة ضوئياً ومحاطة بغلاف أمامي وخلفي موصل للكهرباء. لقد تم إنماء تقنيات كثيرة لإنتاج الخلايا الشمسية عبر عمليات متسلسلة من المعالجات الكيميائية والفيزيائية والكهربائية على شكل متكاثف ذاتي الآلية أو عالي الآلية، كما تم إنماء مواد مختلفة لتصنيع الخلايا الشمسية على هيئة عناصر كعنصر السيليكون أو على هيئة مركبات كمركب الجاليوم زرنيخ وكربيد الكادميوم وفوسفيد الأنديوم وكبريتيد النحاس وغيرها من المواد الواعدة لصناعة الفولتضوئيات.
وعد "بغدادي" أنواع الخلايا الشمسية التجارية بنوعين، أولها الخلايا الشمسية السيليكونية المتبلرة والتي تصنع من السيليكون عبر إنماء قضبان من السيليكون ثم يؤرب إلى رقائق وتعالج كيميائياً وفيزيائياً عبر مراحل مختلفة لتصل إلى خلايا شمسية، وكفاءة هذه الخلايا عالية تتراوح بين 9 - 17% والخلايا السيليكونية أحادية التبلر غالية الثمن، حيث صعوبة التقنية واستهلاك الطاقة بينما الخلايا السيليكونية عديدة التبلر تعتبر أقل تكلفة من أحادية التبلر وأقل كفاءة أيضاً، والنوع الثاني الخلايا الشمسية السيليكونية الأمورفية وهي مادة 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.
المفاعلات الشمسية
وقال "بغدادي": تم إنشاء أول مفاعل شمسي في العالم في مختبر أود يلو (ODEILLO) موصول بشبكة توزيع كهربية، ويستخدم هذا المفاعل لاقطات للضوء مؤلفة من مرايا تعمل لتركيز أكبر قدر من الأشعة واستخدامها، أما التجربة فكانت تهدف إلى تجميع كافة المعطيات التجريبية حول مسألتين دقيقتين تتعلقان بشكل أو بآخر بالمفاعلات الشمسية: عمل مولّد البخار الشمسي وتنظيم عملية تخزين الكهرباء، وكانت منشآت أود يلو بمثابة صورة للمفاعلات الشمسية التي أنشئت حالياً في فرنسا والولايات المتحدة الأمريكية واليابان والتي تتراوح قدرتها بين عشرات الكيلو وات وعشرات الميغاوات، وجميع هذه المفاعلات تستخدم المرايا العاكسة لتركيز أشعة الشمس، وبالتالي الحصول على كمية من الحرارة مرتفعة بإمكانها حمل سائل معين إلى درجة الغليان وإدارته لمحرك بخاري أو توربين مولّد الكهرباء، وبالرغم من أن المفاعلات الشمسية كانت معروفة منذ زمن بعيد فإنها لم تحتل مكانة مرموقة.
وعن عمل المفاعل الشمسي قال "بغدادي": جميع المفاعلات الشمسية تعمل تبعاً لمبادئ ثابتة ومعروفة، ففي البدء كان المفاعل يشتعل بواسطة تركيز ضوئي لأشعة الشمس بواسطة مرايا عاكسة ومتنوعة، وبالإمكان استخدام حقول من المرايا المشابهة والموجهة تعكس كافة الأشعة وتركزها في نقطة واحدة وهذه المرايا هي اسطوانة واحدة أو قطعية متكافئة أو مزيج من الاثنين معاً، وبالإمكان أيضاً استخدام العدسات التي تفي نفس الغرض لولا صعوبة صناعتها بأحجام كبيرة تحول دون ذلك، ولكن من الصعب القيام بعملية تركيز لأشعة تكون بطبيعتها مبعثرة ومتقطعة، وبالتالي فهذا النوع من المفاعلات لا يعمل بشكل جيد إلا في البلدان المشمسة غالباً، وبسبب عملية التركيز هذه فإن الإشعاع يصبح على المساحة التي تلتقط الضوء أي المرجل الشمسي، أكبر من 100000 مرة، وحتى بألف مرة، ويخترق هذا المرجل سائل ما أو معدن مسيّل ما أو جسم جامد مقاوم وهذه المجموعة تشكل الحلقة الحرارية الأولى.
الدول العربية والطاقة الشمسية
وأشار "بغدادي" إلى أن المنطقة العربية تعتبر من أفضل المناطق في العالم لاستغلال الطاقة الشمسية، فالاتحاد الأوروبي باشر دراساته في السعودية، وتدل التقديرات على أن الطاقة الشمسية التي تمتلكها المملكة أكبر من الطاقة الناتجة من النفط، أما في الكويت فإن معدل السقوط الشمسي على البلاد مرتفع. وفي الإمارات العربية المتحدة تم الاهتمام كثيرا بمصادر الطاقة المتجددة وخصوصا الطاقة الشمسية فتم إنشاء مدينة «مصدر» لتكون أول مدينة خالية من الكربون وقدرت تكاليفها بنحو 22مليار دولار وسيتم انجازها عام 2016، ويتم حاليا إجراء الاختبارات من أجل تحديد التقنية التي يجب استخدامها لتوفير 230 ميجاواط من الطاقة، أي 80 بالمائة من الطاقة التي تحتاجها مدينة مصدر، ضمن عقد قد تبلغ قيمته مليارات الدراهم، وبناء عليه فإن المنطقة العربية تعتبر مصدرا هاما للطاقة المتولدة من الطاقة الشمسية وهناك ضرورة للمبادرة إلى استغلال هذا المصدر المتجدد من الطاقة، ونقلها عبر شبكة ضخمة من الكوابل إلى دول العالم، كما أن المنطقة العربية تحتوي على أفضل وأجود أنواع السيليكا في العالم وأنقاها وهي ضرورة لصناعة الألواح الشمسية.
الطاقة الشمسية البديل المقبل
وأوضح الدكتور بغدادي انه مع تزايد التوجه العالمي لاستبدال الطاقة الحالية المسببة للاحتباس الحراري، وانتشار الغازات السامة في الجو بمصادر الطاقة المتجددة، ومنها الطاقة الشمسية، واهتم العالم برفع نسبة استخدام الطاقة المتجددة إلى 20% بحلول عام 2020م، وتُعد ألمانيا الآن أكبر مستهلك في العالم من الكهرباء الكهروضوئية، وتليها اليابان ثم الولايات المتحدةالأمريكية.
المملكة بلد الشمس
ولفت "بغدادي" إلى أن المملكة، بلاد حباها الله تعالى، إلى جانب ثرواتها النفطية الوفيرة، بمصدر طاقة عجيب آخر، وهو الشمس التي تسطع على أراضي المملكة لأكثر من 250 ساعة كل شهر، مما يجعل المملكة في موقع مثال لتحقيق أقصى استفادة ممكنة من الطاقة الشمسية، كما أن الصحاري الممتدة في المملكة يمكنها استيعاب أجهزة ضخمة لتوليد الطاقة الشمسية، ويمكن استخدام الكميات الضخمة من الرمال النقية الموجودة في هذه الصحاري في إنتاج الخلايا الكهروضوئية المصنوعة من السيليكون، حيث تستقبل المملكة 7 كيلوواط / ساعة من الطاقة الشمسية لكل متر مربع خلال ساعات النهار ال12، وهو معدل أعلى بكثير مما تستقبله دولة مشمسة كإسبانيا، مما يجعل المملكة دولة مثالية لتنفيذ مشاريع الطاقة الشمسية لتلبية احتياجات الطلب المحلي والبيع بالتجزئة، ومن المعروف أن ألواح الخلايا الكهروضوئية هي الأداة التي تُحوِّل ضوء الشمس مباشرة إلى كهرباء بتيار مستمر، ويميزها عمرها الطويل، وأنها تتطلب الحد الأدنى من الصيانة، وبأنها تولِّد الكهرباء دون انبعاثات للغازات السامة، وقد تم اكتشاف الأثر الكهروضوئي في العام 1839م من قبل العالم الفرنسي «ادمون بيكريل»، وبقيت كذلك في إطار التجارب بالمختبر حتى تم إنتاج أول خلية من السيليكون للطاقة الشمسية في عام 1954م بمختبرات «بيل» في الولايات المتحدة الأمريكية، حيث تتكوَّن الخلايا الكهروضوئية من طبقتين من مواد أشباه الموصلات علوية وسفلية، الطبقة السفلية ذات شحنة موجبة، والعلوية المواجهة للشمس بشحنة سالبة، فعندما يدخل ضوء الشمس للخلية الكهروضوئية يتم حث ذرات أشباه الموصلات مما يجعل الإلكترونات الحرة تتحرَّك من الطبقة العلوية إلى السفلية منتجة التيار الكهربائي، وتُعد مادة السيليكون إحدى مواد أشباه الموصلات والأكثر شيوعاً في تصنيع الخلايا الكهروضوئية، ويتم استخلاص هذا العنصر من الرمال الغنية بها البلاد العربية. وهناك نوعان رئيسان من الخلايا الكهروضوئية المتوافرة تجارياً وهما: السليكون البلوري والأغشية الرقيقة.
القرية الشمسية
ونوه "بغدادي" بتطبيقات الطاقة الشمسية في المملكة، وذلك منذ عام 1960م، حيث بدأت الأبحاث الرئيسة، ومنهجية العمل التنموي لتطوير تقنيات الطاقة الشمسية في مدينة الملك عبدالعزيز للعلوم والتقنية منذ عام 1977م، وتم إنشاء مشروع القرية الشمسية، الذي يقع على بعد 50 كيلومتراً شمال غرب الرياض، والذي بدأ تشغيله في عام 1981م، وكان الهدف من إنشاء هذه القرية هو توافر الكهرباء بقدرة 350 كيلوواط للقرى النائية، التي لا تخدمها شبكة الطاقة الكهربائية، وفي عام 2007م أنشأت وزارة التعليم العالي مركز التميز البحثي في الطاقة المتجددة (CORERE) في جامعة الملك فهد للبترول والمعادن في الظهران، الذي يهدف لمزيد من التطور العلمي في مجال الطاقة المتجددة، مع التركيز على الطاقة الشمسية، وكذلك تم تركيب 2 ميغاواط من الخلايا الكهروضوئية في جامعة الملك عبدالله للعلوم والتقنية «بثول» شمال مدينة جدة. وقد أعلنت مدينة الملك عبدالعزيز للعلوم والتقنية في يناير 2010م عن إطلاق مبادرة وطنية لتحلية المياه بالطاقة الشمسية، ويتم العمل بمدينة الملك عبدالعزيز في الوقت نفسه على البحث والتطوير في مجال استخدام الطاقة الشمسية وتطبيق تقنيات النانو المتقدمة في مجال إنتاج أنظمة الطاقة الشمسية. وقد تم، مؤخراً، افتتاح محطة فرسان للطاقة الشمسية بسعة 500 كيلوواط في أكتوبر 2011م من قبل الشركة السعودية للكهرباء بالتعاون مع شركة «شوا شل» اليابانية، والغرض من تدشين هذه المحطة هو تغذية جزيرة فرسان جنوب المملكة العربية السعودية بالطاقة الكهربائية.
اقتصاديات الطاقة الشمسية
وقال "بغدادي": من أهم التحديات التي تواجه استخدامات الطاقة الشمسية هو ارتفاع تكاليفها نسبياً، ولكن مع مزيد من التحليل والبحث نجد أن هذه التكاليف معقولة إذا ما تم إدراج التكاليف غير المباشرة للطاقة التقليدية الناجمة من تأثيرها على البيئة والصحة، حيث إنه من غير العدل إهمال هذه التكاليف التي تؤثر بشكل مهم على أسعار الطاقة، لكن أسعار الخلايا الشمسية تدرَّجت منذ بداية إنتاجها وحتى هذا العصر، حيث يتضح مدى اقتصادية هذا النوع من الطاقة وإمكانية منافسته للطاقة المعتمدة على الوقود النفطي، فقد انخفضت تكاليف الطاقة الشمسية في الولايات المتحدة الأمريكية من 90 سنتاً / ك.و.س في العام 1980م إلى حوالي 20 سنتاً / ك.و.س، مع توقع أن تنخفض إلى 5-10 سنت / ك.و.س بحلول عام 2017 م. أما بشأن أسعار الخلايا الكهروضوئية التي تقاس بالدولار لكل واط، ففي عام 1970م تم تصنيع الخلايا الكهروضوئية بتكلفة 100 دولار/ واط أما اليوم فتقدر تكلفة الخلايا بحوالي 2.5 دولار/ واط، وإذ تبلغ التكلفة الإجمالية بالأسعار العالمية غير المدعومة لتوليد الطاقة الكهربائية في دول مجلس التعاون الخليجي حوالي 12 سنتاً / ك.و.س فإن تكلفة توليد الكهرباء من مصادر الطاقة المتجددة ستكون منافسة عند حساب التكاليف غير المباشرة. وقد تم القيام بدراسات عدة في أوروبا وأمريكا لتقدير هذه التكاليف الخارجية كالتأثير على البيئة والصحة من مختلف مصادر توليد الطاقة الكهربائية. وكما نرى فإن أسعار الكهرباء الحالية لا تعكس تكاليف الإنتاج الفعلي لأنه لم يتم تضمين التكاليف الخارجية التي تنتج من حرق الوقود الإحفوري، بالإضافة إلى ذلك تقوم الحكومات بدعم أسعار الوقود والذي بدوره يخفض من تكاليف إنتاج الطاقة الكهربائية، ويبلغ متوسط سعر بيع الطاقة الكهربائية في الولايات المتحدة 0.07 دولار/ ك.و.س، الذي لا يقارن مع أسعار الطاقة المتجددة الأكثر سعرا إذا ما تم إهمال التكاليف الخفية للتوليد التقليدي مثل التكاليف البيئية والصحية، ولتحليل التكاليف البيئية فإنه يمكن ربط كل كيلوواط/ساعة من الطاقة المنتجة بمعدلات انبعاث الملوثات الغازية لكل من غاز ثاني أكسيد الكربون، غاز ثاني أكسيد الكبريت، وأكاسيد النيتروجين، وتقدر كميات وتكاليف الانبعاث الغازية من توليد الكهرباء التقليدي في المملكة العربية السعودية على النحو التالي: ثاني أكسيد الكربون 180 غرام/ك.و.س بتكلفة 0.036 ريال/ ك.و.س، ثاني أكسيد الكبريت 3.16 غرام/ ك.و.س بتكلفة 0.027 ريال/ ك.و.س، أكاسيد النيتروجين 2.13 غرام/ ك.و.س بتكلفة 0.088 ريال/ ك.و.س.
وتابع "بغدادي": تبلغ تكلفة الآثار الصحية الناجمة عن محطات توليد الكهرباء ما يعادل 0.0178 ريال / ك.و.س مما يجعل إجمالي التكاليف غير المباشرة للتوليد التقليدي بمقدار 0.1688 ريال/ك.و.س وعند إضافة هذه الأسعار لتكلفة الطاقة الكهربائية المدعومة فإننا سنجد أن الطاقة الشمسية ستكون منافساً قوياً للطاقة التقليدية في المملكة العربية السعودية في الفترة 2015م - 2020م، ويشترك كل من القطاعين العام والخاص في أهمية الاستثمار في الطاقة الشمسية عبر الجهات الأكاديمية والبحثية والتشريعية من جهة والمستثمرين لنقل وتوطين تقنيات الانتفاع من طاقة الشمس من جهة أخرى، فالجهات الأكاديمية والبحثية تعمل من أجل تجاوز الصعوبات التقنية، فيما تضع الجهات التشريعية التنظيمات والحوافز الاستثمارية للدخول في هذا المضمار، وعلى القطاع الخاص الشروع والدخول بقوة في الاستفادة من هذه الفرصة الثمينة والاستثمار في سوق الطاقة على المستوى الوطني والإقليمي والعالمي.
الرياح والشمس والكتلة الحيوية ثلاثة مصادر للطاقة المتجددة
لوحات الطاقة الشمسية حلول نموذجية لإنتاج الطاقة دون هدر