طاقة المد والجزر

طاقة المد والجزر

يعتمد العالم في تأمين 90% من طاقته الكهربائية على المصادر التقليدية. لقد كانت المحيطات والبحار منذ فترة طويلة المصدر المحتمل للطاقة البديلة، حيث تحمل حركة المحيط طاقة على شكل مد وجزر وموجات وتيارات مائية. وقد استخدمت طاقة المد والجزر في أوروبا منذ أكثر من 1000عام في طحن الحبوب. وقد سجل الفرنسي جيرارد GIRARD أول براءة اختراع على الإطلاق باستخدامه طاقة الأمواج عام 1799. وهناك بعض الدول التي كانت سباقة إلى استعمال هذه التقنية الحديثة مثل فرنسا وانكلترا والولايات المتحدة الأمريكية. ومنذ أربعين عاماً كان هناك اهتمام ثابت في تسخير قدرة المد و الجزر لتوليد الكهرباء. و قد تم تركيز الاهتمام على مصبات الأنهار، حيث تعبر كميات كبيرة من الماء خلال قنوات ضيقة، مما يزيد من سرعة جريانها. لكن مشاكل بيئية كبيرة واجهت العلماء لتنفيذ هذه التقنية. لذلك لجؤوا إلى النظر في إمكانية استخدام التيارات الساحلية. وفي التسعينيات انتشر استعمال الجدران المدية في القنوات بين الجزر الصغيرة، وكان ذلك خيارا أكثر فاعلية من وجودها على مصبات الأنهار. كما يمكن الاعتماد على فرق درجات الحرارة بين المياه السطحية والمياه العميقة لتوليد الطاقة. ولا تزال هذه الطريقة قيد الدراسة. وعلى كل حال ما تزال التقنيات الصناعية لتجهيزات طاقة المد والجزر في بدايتها، وسيمر وقت طويل قبل أن تقدم هذه الطاقة الجديدة إسهاماً فعالاً في توليد الطاقة تجارياً.⁽²⁹⁾

تعتبر طاقة المد والجزر الوحيدة التي تأتي من القمر. بينما تأتي الطاقة النووية وطاقة الحرارة الجوفية من الأرض. أما طاقة الرياح والطاقة الشمسية والوقود الحفري والوقود الحيوي فإن الشمس هي مصدرها الأساسي. وبسبب قوى جاذبية القمر، يرتفع مستوى الماء في سطح البحر و يهبط دورياً. ويعتمد ارتفاع المد في مكان معين على تغير موقع القمر والشمس بالنسبة للأرض، وأيضاً على دوران الأرض، وشكل قاع البحر في هذا المكان. ويمكن تصنيف طاقة المد إلى نوعين:

أنظمة تعتمد على الاستفادة من الطاقة الحركية لأمواج البحر بشكل مماثل لطاقة الرياح، وتزداد شعبية هذه الطريقة بسبب كلفتها الأقل، وتأثيرها الأقل على البيئة.

بناء السدود التي تستخدم الطاقة الكامنة الناجمة عن فرق الارتفاع بين المد المرتفع والجزر المنخفض. وتعاني هذه الطريقة من مشاكل ارتفاع كلفة الأبنية، وعدم توفر الأماكن المجدية في العالم، ومن التأثيرات السلبية على البيئة.

وتقدم  التطورات الحديثة في تقانة العنفات كمية كبيرة من الطاقة في المستقبل، خاصة في الأماكن التي يكون فيها تدفق الماء مرتفعا مثل المضائق ومصبات الأنهار أو مداخل الخلجان

يحرك المد كمية هائلة من المياه مرتين كل يوم، ويمكن بتطويعها الحصول على كمية هائلة من الطاقة تبلغ بحدود 20% من حاجة المملكة المتحدة. وبالرغم من أن مصدر الطاقة موثوق وكبير لكن تحويله إلى طاقة كهربائية ليس بالأمر اليسير. وهناك 8 مواقع رئيسة حول بريطانيا يمكن بناء المحطات فيها بينما تم التعرف على 20 موقع آخر في العالم لبناء محطات فيها. إن أكبر محطة مد في العالم (والوحيدة في أوروبا) هي تلك الموجودة في مصب نهر رانس Rance في شمال فرنسا، والتي بنيت من عام 1960 إلى عام 1966 وبلغت استطاعتها 240 ميغا وات. إن المحطة الأولى والوحيدة في أمريكا الشمالية هي على مدخل خليج فندي Bay of Fundy وباستطاعة 18 ميغا وات وبنيت عام 1984. وقد بني مشروع صغير في Kislaya Guba في روسيا على بحر Barents Sea باستطاعة 0.5 ميغا وات. وقد طورت الصين عدداً من مشاريع المد الصغيرة و مشروعاً كبيراً في Jiangxia  وسداً على مصب نهر Yalu. ولهذه الطاقة ميزات عديدة أهمها:

- طاقة متجددة وبالتالي فهي تقريبا مجانية بعد الكلفة الثابتة.

- حماية شريط طويل من الشاطئ، من الحت والانهيار نتيجة العواصف والمد

- لا يصدر غازات دفيئة أو فضلات أخرى

- لا تحتاج إلى وقود

- تنتج الكهرباء بوثوقية عالية.

- الصيانة غير مكلفة.

- يمكن التنبؤ بمواعيد المد والجزر ولذا فهي أكثر قابلية للتنبؤ من طاقة الرياح أو الطاقة الشمسية.

 - التنبؤ بأوقات المد والجزر دقيق وبالتالي يمكن الاعتماد على مصدر طاقة آخر عندما تكون المحطة متوقفة.

كما أن هناك بعض السلبيات منها:

- تنخفض العكارة نتيجة انخفاض كمية الماء المتبادلة مع البحر، ويؤدي هذا إلى زيادة نفوذ أشعة الشمس، وتشجيع نمو الطحالب البحرية.

- تنخفض الملوحة داخل المصب نتيجة دخول كمية أقل من مياه البحر، مما يؤثر على البيئة.

- بناء السد في المصب مكلف جداً ويؤثر على منطقة كبيرة.

- يعتمد كثير من الطيور على الطمي لتأمين غذائها.

- تؤمن الطاقة على مدى 10 ساعات في اليوم عندما يتحرك المد والجزر فقط.

- يحمل المصب النهري الصرف الصحي والفضلات الأخرى معه من أماكن عدة إلى البحر، ويؤدي بناء المصب أو السد فوقه لبقاء هذه الفضلات.

- يحمل النهر كمية من الطمي معه. ويؤدي بناء السد إلى تراكمه خلفه، مما يؤثر على البيئة ويسبب مشاكل للسد نفسه.

- تدخل بعض الأسماك ضمن العنفات، و يجرف بعضها من قبل تيار الماء، ولذا يهلك حوالي 15% من الأسماك من فرق الضغط والتلامس مع شفرات العنفة وحدوث التكهف وغيرها.

مستقبل الطاقة

يجب الجمع بين تزويد الطاقة وحواملها واستخداماتها النهائية، لتداخل هذه العوامل مع بعضها بعضاً. وتستمر عملية تطوير الكفاءة من خلال تحويل الطاقة الأولية إلى حواملها  خلال عمليات التعدين والتكرير والتوليد وغيرها، ولكن هذه الكفاءة لا تزال متواضعة. إن خفض الطلب على الطاقة باستخدام تقانات أكفأ في الصناعة والسكن والنقل يقلل أيضاً من ضياع الطاقة (وبالتالي من إصدار CO₂) خلال سلسلة الإمداد، وهو بشكل عام أرخص من زيادة العرض وأكثر كفاءة. ومنذ عام 1971 ظل الفحم والنفط المصدرين الأوليين الأهم لتزويد الطاقة، حيث ازدادت حصة الفحم بشكل كبير منذ عام 2000. وقد تباطأ النمو عام 2005 وانخفضت حصة الوقود الأحفوري الكلية من 86% عام 1971 إلى 81%  عام 2004، باستثناء طاقة الرياح والشمس والطاقة الحيوية والوقود الحيوي والكتلة الحيوية التقليدية. وقد شكلت مساهمة الفضلات والكتلة الحيوية المحروقة حوالي 10% من استهلاك الطاقة الأولية وحوالي أكثر من 80% في الدول النامية، حيث تستخدم كوقود تقليدي للطبخ والتدفئة.

وقد استخدم حوالي 40% من الطاقة الأولية في العالم كوقود لتوليد 17408 تيرا وات ساعي من الكهرباء عام 2004. ونما الطلب على الكهرباء بمعدل 2.8% في العام منذ 1995، ومن المتوقع أن يستمر في النمو بمعدل 2.5 إلى 3.1 % في العام حتى عام 2030. وفي عام 2005 استخدم الفحم الحجري واللغنايت، لتوليد 40% من الكهرباء في العالم، بينما زود الغاز الطبيعي 20%، والطاقة النووية 16%، والطاقة المائية 16%، والنفط 7% والطاقات المتجددة الأخرى 2.1 %. و توسع استخدام الطاقات المتجددة غير المائية كثيراً خلال العقد الماضي، وخاصة طاقة الرياح، والخلايا الفولطائية، حيث بلغ معدل النمو 30% سنوياً. ومع ذلك فلا زالت هذه المصادر تزود حصة متواضعة من توليد الكهرباء حالياً. ولا يزال العديد من مستهلكي النفط وإلى درجة أقل الغاز الطبيعي يعتمدون على الاستيراد بدرجات مختلفة، لتلبية حاجتهم من الوقود من مناطق بعيدة، وغير مستقرة سياسياً، وعبر مناطق معرضة للتهديد. وعلى سبيل المثال يشحن 16.5-17 مليون برميل /اليوم خلال مضيق هرمز في الخليج العربي، و11.7 مليون برميل / اليوم خلال مضيق مالقا في آسيا. إن أي تهديد للإمدادات خلال هذين المضيقين، سيؤثر بشكل خطير على أسواق النفط. وقد أظهرت الاضطرابات السياسية في مناطق إنتاج النفط  والغاز في الشرق الأوسط وأفريقيا وأمريكا اللاتينية المخاطر التي تتعرض لها هذه الإمدادات. وعندما تتوسع التجارة العالمية في النفط والغاز في المستقبل القريب، فإن الخطر على هذه الإمدادات سيزداد، مما سيكون له عواقب خطيرة. وهذا هو أحد العوامل الرئيسة التي تدفع الدول لتطوير الطاقات المتجددة.⁽³⁰⁾

وبينما تتوزع الطاقة الأحفورية بمساحة 100000 وات/م² تتوزع الطاقة المتجددة بمعدل 1-5 وات/م²، ولذا يجب أن تستخدم في الموقع بهذه الطريقة الممددة، أو أن تركز لتلبية الطلب المرتفع على الطاقة في المدن وفي الصناعة. وبالنسبة للطاقة المتجددة، فقد يسبب الاختلاف في المناخ عدم التأكد مستقبلاً بسبب سنوات الجفاف بالنسبة للكهرومائية، وتدني المحصول بالنسبة للكتلة الحيوية، وزيادة الغيوم بالنسبة للطاقة الشمسية، واختلاف سرعة الرياح سنوياً. ومع ذلك فهي ذات سعر مستقر نسبياً طيلة فترة توليدها. لقد ازدادت أسعار النفط والغاز بشكل أكبر من المتوقع في السيناريوهات مؤخراً. وقد يؤدي هذا إلى التقليل من استخدامهما في النقل أو توليد الطاقة، وبالتالي التخفيف من إصدار غازات الدفيئة. إلا أن هذا قد يشجع أيضاً على زيادة استخدام الفحم الحجري في توليد الكهرباء، وبالتالي زيادة إصدارات غازات الدفيئة. ولذا فزيادة سعر النفط والغاز ليست سبباً كافياً لتشجيع الطاقات غير الكربونية، أو التخفيف من إطلاق غازات الدفيئة. وبالنسبة لمحطات الطاقة النووية فهناك عدم تأكد بالنسبة لتوفر رأس المال الكافي لبنائها. وأيضاً فإن القلق من تلوث البيئة يستدعي اتخاذ إجراءات أشد من أجل السماح باستخدامها. وقد يؤدي توفر اليورانيوم إلى خفض كلفة الوقود، لكن هذا لا يشكل نسبة كبيرة من كلفة الطاقة مقارنة بالوقود الأحفوري.

التطور العالمي في الطاقة (الإنتاج والاستهلاك)

ازداد استهلاك الطاقة الأولية في العالم أكثر من  10 مرات  من عام 1900 إلى عام 2000، بينما زاد سكان العالم أربع مرات فقط من 1.6 بليون إلى 6.1 بليون. وتتوقع معظم تنبؤات الطاقة، زيادات كبيرة في الطلب عليها في العقود القادمة، بسبب النمو الاقتصادي السريع في العالم، وخاصة في الدول النامية. وازداد الاستهلاك العالمي من الطاقة الأولية من 4900 مليون طن من النفط المكافئ لعام 1970 إلى 8752 مليون طن عام 2004. و بلغ متوسط معدل النمو السنوي من عام 1972 إلى 1990 حوالي 2.4%، بينما انخفض إلى 1.4% من 1990 إلى 2004، بسبب الانخفاض المفاجئ في استهلاك الطاقة في الاتحاد السوفييتي السابق، وزيادة كفاءة استخدام الطاقة في الدول الصناعية المتقدمة. وحققت آسيا أعلى معدل للنمو (3.2% في العام) خلال الـ14 سنة الأخيرة. لقد ربط أكثر من 85% من سكان الشرق الأوسط، وشرق آسيا، وأمريكا اللاتينية بالكهرباء، بينما وصلت في أفريقيا جنوب الصحراء إلى 23% فقط (8% فقط في المناطق الريفية)، وفي جنوب آسيا إلى 41% (30% في المناطق الريفية). وهناك فروق كبيرة في استهلاك الطاقة الأولية بالنسبة للشخص فهي تصل في أمريكا الشمالية إلى  336 GJ/yr  بينما تبلغ  26GJ/yr  للأفريقي العادي. وقد انتقل الاستهلاك الأدنى للكهرباء من الدول النامية في آسيا إلى الدول الأفريقية. ⁽³¹⁾

الوقود الأحفوري

لا تزال مصادر الوقود الأحفوري متوفرة، ولكنها تحتوي على كميات معتبرة من الكربون، الذي يطلق أثناء الاحتراق. إن الاحتياطات المؤكدة والمحتملة للنفط والغاز كبيرة بما يكفي، لتمتد لعقود، وفي حالة الفحم الحجري لقرون. وتمد المصادر المحتملة غير المكتشفة، هذه التوقعات لمدة أطول.  وقد زود الوقود الأحفوري 80% من الطلب على الطاقة الأولية في العالم عام 2004، ويتوقع أن ينمو استخدامه على مدى الـ 20-30 عاماً القادمة، نتيجة لغياب سياسات تشجع استخدام  مصادر طاقة قليلة الإصدار للكربون. وباستثناء الكتلة الحيوية فإن المكون الأكبر هو النفط (35%)، والفحم الحجري (25%)، والغاز (21%). وفي عام 2003 ازداد الطلب على النفط بمعدل 3.4% والغاز 3.3% والفحم الحجري 6.3%. ويشكل النفط 95% من الطلب على الطاقة في النقل البري والبحري والجوي، ومن المتوقع أن تزداد هذه النسبة. ومن المتوقع أيضاً أن ينمو الطلب على النفط بين عامي 2002 و 2030 (بمعدل 44% بالقيمة المطلقة)، وسيتضاعف الطلب على الغاز، وسيزداد إطلاق CO₂ بمعدل 62%. ويعتبر استخدام الوقود الأحفوري مسؤولاً عن حوالي 85% من إصدار CO₂  البشري المنتج سنوياً.

ويعد الغاز الطبيعي الوقود الأحفوري الأقل إصداراً لغازات الدفيئة بالنسبة لوحدة طاقة مستهلكة، ولذا فهو المفضل في استراتيجيات تخفيف الإصدارات. و يتمتع الوقود الأحفوري بمزايا اقتصادية، ربما لن تتمكن التقانات الأخرى من التغلب عليها، على الرغم من الاتجاه الحالي نحو ارتفاع سعر النفط، وتناقص سعر الطاقة المتجددة، الناجم عن تحسين الإنتاجية واقتصاد الجملة. وستستمر خيارات استخدام  كل أنواع الوقود الأحفوري، إذا تركت الأمور لعوامل السوق فقط. وإذا أريد إنقاص غازات الدفيئة بشكل ملحوظ، فيجب تحويل الاستخدامات الحالية للوقود الأحفوري، نحو مصادر طاقة قليلة الاحتواء للكربون، أو بدون كربون، أو يجب تطوير تقانات لالتقاط ثنائي أكسيد الكربون وتخزينه. و يتطلب تطوير تقانات فقيرة بالكربون، وتطبيقها على مدى واسع، استثمارات كبيرة،  ويجب مقارنتها بالاستثمارات في الطاقات البديلة في المستقبل.

الفحم الحجري

يعتبر الفحم الحجري أكثر أنواع الوقود الأحفوري تواجداً في الطبيعة، ولا يزال يشكل مصدراً هاماً للطاقة في بلدان عديدة. وقد شكل الفحم الحجري حوالي 25% من الاستهلاك العالمي للطاقة، وبشكل أساس في قطاعي الكهرباء والصناعة. تبلغ الاحتياطات المؤكدة العالمية من الفحم الحجري حوالي 22000 EJ مع 11000 EJ من الاحتياطات المحتملة وحوالي 100000 EJ من كل الأنواع. وعلى الرغم من توزع توضعات الفحم الحجري بشكل واسع، إلا أن أكثر من نصف الاحتياطات القابلة للاستخراج في العالم، موجودة في الولايات المتحدة (27%) والاتحاد الروسي (17%) والصين (13%). وتحتوي الهند واستراليا وجنوب أفريقيا وأوكرانيا ويوغوسلافيا السابقة على 33% أخرى. ويوجد 2/3 الاحتياطات المؤكدة على شكل فحم حجري قاس (انثراسيت وبتيومين)، والباقي على شكل شبه - بتيومين وليغنايت. وتمثل هذه المصادر خزانات لأكثر من 12800 غيغا طن من CO_2. لقد كان الاستهلاك حوالي 120 EJ/ العام عام 2005 مما أدخل حوالي 9.2 غيغا طن CO₂/ العام إلى الجو. وقد استخدم البيت Beat (تحلل جزئي للنباتات مع معادن)، كوقود لآلاف السنين، وعلى الأخص في شمال أوروبا. وهو يؤمن  في فنلندة حوالي 7% من الكهرباء و 19% من التدفئة.

التقانات:

من المتوقع أن يتضاعف الطلب على الفحم الحجري بحلول عام 2030، وتقدر IEA أن هناك حاجة لأكثر من 4500 غيغا وات من محطات الطاقة الجديدة، نصفها في الدول النامية، لتلبية الطلب على الطاقة. إن تطبيق تقانات حديثة وكفؤة ونظيفة أساسي لتطوير الاقتصاد، إذا أريد تخفيض التأثيرات على المجتمع والبيئة. إن معظم محطات توليد الكهرباء العاملة على الفحم الحجري، هي من النوع التقليدي الذي يعتمد على الوقود المحبب pulverized، بكفاءة حوالي 35% للوحدات الأحدث. إن محطات الطاقة العاملة على البخار فوق الحرج، هي المستعملة تجارياً في العديد من الدول المتقدمة، وهي التي تركب في العديد من الدول النامية كالصين. وتستخدم هذه المحطات البخار حتى 600 م° وضغط 280 بار، معطية كفاءة تحويل من الوقود إلى كهرباء بحدود 42%. ومن الممكن الحصول على كفاءة بحدود 50% من هذه المحطات، ولكن ذلك أكثر تكلفة. وتعتمد الكفاءة المحسنة على تقليل الحرارة الضائعة، وإصدار غاز CO₂ بالنسبة لوحدة كهرباء مولدة. وتبنى وحدات بخار فوق الحرج، بالمعايير الدولية. فهناك مشروع CSIRO (2005) ينفذ لإنتاج فحم نظيف جداً، يخفض الرماد إلى 0.25% والكبريت لمستويات منخفضة. وباستخدام عنفات حرق - مباشر، ودارة مركبة، يمكنه أن يخفض إصدارات غازات الدفيئة بـ 24% لكل كيلووات ساعي بالمقارنة مع محطات الطاقة التقليدية. ويخفض تغويز الفحم الحجري قبل تحويله إلى حرارة، إصدارات أكاسيد الكبريت والآزوت والزئبق منتجاً وقوداً أنظف، ومخفضاً كلفة التقاط إصدارات CO₂  من غاز الاحتراق.

إن تحويل الفحم إلى سائل تقانة معروفة جيداً، تعود للاهتمام من جديد، ولكنها تزيد إصدارات غازات الدفيئة بشكل كبير إذا لم يخزن الكربون. ويمكن إجراء التسييل مباشرة بالاستخلاص، وهدرجة السائل الناتج بكفاءة حتى 67%. أو بشكل غير مباشر بالتغويز ثم إنتاج السوائل بتفاعل فيشر تروبش الوسيطي، كما في وحدات SASOL في جنوب أفريقيا. وتنتج هذه المحطات 0.15 مليون برميل / اليوم من وقود الديزل (80%) والنفثا (20%) عند كفاءة حرارية 37-50%. وتخفض أنواع الفحم الرديئة الكفاءة الحرارية، بينما يرفعها الإنتاج المشترك للحرارة والكهرباء ويخفض الكلفة ب 10%. وتبدو كلفة التحويل إلى سائل منافسة للنفط الخام عند سعر  35-45 دولار لبرميل النفط.