أفكار جريئة - الخطة الشمسية الكبيرة

بحلول عام 2050، يمكن للطاقة الشمسية إنهاء اعتماد أمريكا على الوقود المستورد وتقليل انبعاثات الغازات الدفيئة في الهواء

بقلم كين زويبل وجيمس ماسون وفاسيليس باتاناكيس

أسعار الوقود للنقل والتدفئة مرتفعة اليوم، وستبقى مرتفعة في المستقبل. والولايات المتحدة منغمسة في حرب في الشرق الأوسط، جزئياً لحماية مصالحها في مجال واردات النفط. ومع التزايد السريع للطلب على الوقود الأحفوري في الصين والهند ودول أخرى، فإن خطر نشوب حروب مستقبلية على مصادر الطاقة أصبح أعظم من أي وقت مضى. وفي الوقت نفسه، تحرق السيارات ومحطات الطاقة في جميع أنحاء العالم الفحم والنفط والغاز الطبيعي، وتستمر في صب ملايين الأطنان من الملوثات والغازات الدفيئة في الغلاف الجوي التي تهدد الكوكب.

لقد اقترح العلماء والمهندسون والاقتصاديون والسياسيون ذوو النوايا الحسنة مجموعة متنوعة من التدابير للحد بشكل طفيف من استخدام الوقود الأحفوري وانبعاثات الغازات. لكن هذه الخطوات ليست كافية. ويتعين على الولايات المتحدة أن تتخذ إجراءات جريئة لفطام نفسها عن الوقود الأحفوري. لقد أقنعنا التحليل الذي أجريناه بأن الحل المنطقي هو التحول الشامل إلى الطاقة الشمسية.

لا يوجد منافس للإمكانات الكامنة في الطاقة الشمسية. إن كمية الطاقة القادمة من الشمس إلى الأرض لمدة 40 دقيقة تعادل الاستهلاك السنوي للعالم أجمع. كانت الولايات المتحدة محظوظة وحصلت على مورد طبيعي عظيم: ما لا يقل عن 650,000 ألف كيلومتر مربع من الأراضي في جنوب غرب البلاد مناسبة لبناء محطات الطاقة الشمسية. تضيء الشمس هذه المنطقة بإشعاع يساوي 4,500 كوادريليون (4,500×1015) وحدة حرارية بريطانية (BTU) كل عام. ولو تم تحويل 2.5% فقط من هذا الإشعاع إلى كهرباء، لكان كافياً لتزويد كل الطاقة التي استهلكتها الولايات المتحدة في عام 2006.

لكي تستهلك الولايات المتحدة بأكملها الكهرباء الشمسية، يجب تغطية مساحات شاسعة من الأراضي بالألواح الكهروضوئية ومرايا التدفئة المقعرة. علاوة على ذلك، يجب إنشاء بنية تحتية لنقل التيار المباشر (DC) لنقل الكهرباء بكفاءة في جميع أنحاء البلاد.

التكنولوجيا جاهزة. وسنقدم في الصفحات التالية خطة رئيسية لتزويد الولايات المتحدة بنسبة 69% من كهرباءها و35% من طاقتها العامة (بما في ذلك الطاقة اللازمة للنقل) من خلال الطاقة الشمسية حتى عام 2050. ونتوقع أن تكون هذه الطاقة وتباع للمستهلكين بأسعار تعادل أسعار الكهرباء في الولايات المتحدة اليوم، نحو خمسة سنتات لكل كيلووات – ساعة (كيلووات ساعة). إذا تم تطوير مصادر طاقة إضافية، مثل طاقة الرياح والكتلة الحيوية والطاقة الشمسية، فمن الممكن أن توفر مصادر الطاقة المتجددة هذه كل الكهرباء في الولايات المتحدة و90٪ من إجمالي الطاقة بحلول عام 2100.

وسوف تحتاج الحكومة الفيدرالية إلى استثمار أكثر من 400 مليار دولار على مدى السنوات الأربعين المقبلة لإكمال الخطة بحلول عام 40. وهو استثمار كبير، ولكن المردود أعظم. تستخدم محطات الطاقة الشمسية القليل جدًا من الوقود، إن وجد، وتوفر مليارات الدولارات على مدى سنوات عديدة. وستحل البنية التحتية الجديدة محل 2050 محطة فحم و300 محطة غاز طبيعي وجميع أنواع الوقود التي تستهلكها. تقضي الخطة فعلياً بإلغاء كل واردات الوقود إلى الولايات المتحدة، وخفض عجزها التجاري بخفض أساسي، وتخفيف التوتر السياسي في الشرق الأوسط وأماكن أخرى. وتكاد تكون تقنيات الطاقة الشمسية غير ملوثة للبيئة، وبالتالي فإن البرنامج سيعمل أيضًا على تقليل الغازات الدفيئة المنبعثة من محطات الطاقة بمقدار 300 مليار طن سنويًا. كما سيتم توفير انبعاث 1.7 مليار طن أخرى من الغازات الدفيئة سنويًا نتيجة للتحول من السيارات ذات محركات البنزين إلى السيارات الهجينة، والتي ستأتي الكهرباء اللازمة لشحنها من شبكة الطاقة الشمسية. ففي عام 1.9 سوف تنبعث من الولايات المتحدة 2050% فقط من كمية ثاني أكسيد الكربون التي أطلقتها في عام 62، وبالتالي فإن الانحباس الحراري العالمي سوف ينخفض ​​إلى حد كبير.

المزارع الكهروضوئية

في السنوات الأخيرة، انخفض سعر الخلايا الكهروضوئية ووحدات الطاقة الشمسية بشكل ملحوظ، مما يمهد الطريق لنشرها على نطاق واسع. هناك أنواع عديدة من الخلايا، لكن أرخص الوحدات اليوم مصنوعة من طبقات رقيقة من تيلوريد الكادميوم. ومن أجل الوصول إلى إمدادات الكهرباء بسعر 6 سنتات لكل كيلووات/ساعة بحلول عام 2020، فلابد أن تعمل وحدات تلوريد الكادميوم على تحويل الطاقة بكفاءة تبلغ 14%، ولابد أن ينخفض ​​سعر الأنظمة إلى 1.20 دولار لكل واط. اليوم الكفاءة 10% وسعر الوحدة 4 دولار للواط. ليس هناك شك في أن هناك حاجة إلى مزيد من التقدم، ولكن التكنولوجيا تتطور بسرعة. وفي العام الماضي فقط ارتفعت كفاءة المرافق التجارية من 9% إلى 10%. ومن المهم الإشارة إلى أنه مع تحسن الوحدات، تصبح الخلايا الكهروضوئية المثبتة على أسطح المنازل أكثر ربحية لأصحاب المنازل وتخفض الطلب على الكهرباء خلال النهار.

ووفقًا لخطتنا، ستوفر التكنولوجيا الكهروضوئية ما يقرب من 3,000 جيجاوات من الكهرباء، والتي سيتم إنتاجها في مصفوفات كهروضوئية سيتم نشرها بحلول ذلك الوقت في مساحة تبلغ حوالي 80,000 ألف كيلومتر مربع. وعلى الرغم من أن هذه المنطقة تبدو هائلة الحجم، فمن خلال المرافق التي تعمل بالفعل اليوم، يمكن إثبات أن المساحة اللازمة لمثل هذه الطاقة من الكهرباء الشمسية في جنوب غرب الولايات المتحدة أصغر من مساحة الفحم المحطة، إذا تم أخذ مناطق الألغام في الاعتبار أيضًا. تظهر الدراسات التي أجراها المختبر الوطني الأمريكي للطاقة المتجددة في جولدن بولاية كولورادو أن هناك ما يكفي من الأراضي الحرة في جنوب غرب الولايات المتحدة ولن يكون من الضروري استخدام المناطق الحساسة بيئيا أو المراكز السكانية أو المناطق ذات التضاريس الصعبة. وقال جاك لوفيل، المتحدث باسم إدارة الحفاظ على المياه في أريزونا، إن أكثر من 80 بالمئة من أراضي الولاية ليست مملوكة للقطاع الخاص، وإن أريزونا مهتمة للغاية بتطوير إمكاناتها الشمسية. إن الطبيعة المعتدلة للمنشآت الكهروضوئية (بما في ذلك عدم استهلاك المياه) تقلل من المخاوف البيئية.

وأهم تقدم تكنولوجي لم يتحقق بعد هو زيادة كفاءة الوحدات الكهروضوئية إلى 14%. وعلى الرغم من أن كفاءة الوحدات التجارية لن تضاهي أبدًا كفاءة الخلايا الشمسية المختبرية، إلا أن خلايا تيلوريد الكادميوم في المختبر الوطني للطاقة المتجددة في الولايات المتحدة قد وصلت بالفعل إلى كفاءة تبلغ 16.5%، وهي تتحسن. وقد تمكنت شركة واحدة على الأقل، وهي شركة فيرست سولار في بيرسبرج بولاية أوهايو، من زيادة كفاءة وحداتها من 6% في عام 2005 إلى 10% في عام 2007، وتهدف إلى الوصول إلى 11.5% من الكفاءة بحلول عام 2010.

كهوف الضغط

القصور الرئيسي للطاقة الشمسية هو كمية الكهرباء القليلة التي يمكن إنتاجها منها عندما تكون السماء غائمة وعدم القدرة على إنتاج الكهرباء ليلا. لذلك، خلال الساعات المشمسة، سيتعين عليهم توليد الكهرباء الزائدة وتخزينها واستخدامها خلال ساعات الظلام. معظم أجهزة تخزين الطاقة، مثل البطاريات على سبيل المثال، غالية الثمن وغير فعالة.

تعتبر الطاقة المخزنة في الهواء المضغوط بديلاً ناجحًا. وسيتم استخدام الكهرباء المنتجة في المحطات الكهروضوئية لضغط الهواء وحقنه في الكهوف تحت الأرض والمناجم المهجورة وطبقات المياه الجوفية وآبار الغاز الطبيعي الفارغة. عند الضرورة، سيطلقون الهواء المضغوط ويستخدمونه لتشغيل التوربينات لإنتاج الكهرباء. وهذا يتطلب طاقة إضافية يتم الحصول عليها من حرق كمية صغيرة من الغاز الطبيعي. تعمل مرافق تخزين طاقة الهواء المضغوط بكفاءة في هانوفر، ألمانيا منذ عام 1978 وماكنتوش، ألاباما منذ عام 1991. وتحرق التوربينات 40% فقط من الغاز الطبيعي الذي كانت ستكون هناك حاجة إليه لو تم تشغيلها به فقط، ومن الممكن أن تؤدي تقنيات الحفاظ على الحرارة المحسنة إلى تقليل الكمية إلى 30%.

تظهر الأبحاث التي أجراها معهد أبحاث الطاقة الكهربائية في بالو ألتو، كاليفورنيا أن السعر الحالي للطاقة المخزنة باستخدام الهواء المضغوط يبلغ حوالي نصف سعر الطاقة المخزنة في بطاريات الرصاص الحمضية. كما توصلت الدراسة إلى أن هذه المنشآت ستزيد سعر الكيلوواط ساعة المنتج بالخلايا الكهروضوئية بمقدار ثلاثة أو أربعة سنتات، ليكون سعره في عام 2020 ثمانية أو تسعة سنتات.

سيتم إرسال الكهرباء التي سيتم إنتاجها في مزارع الطاقة الشمسية في جنوب غرب الولايات المتحدة عبر خطوط الجهد العالي بالتيار المباشر إلى مرافق ضغط الهواء في جميع أنحاء البلاد، حيث سيتم إنتاج الكهرباء من خلال التوربينات على مدار العام. مفتاح نجاح البرنامج هو إيجاد المواقع المناسبة له. تُظهر دراسة رسم الخرائط التي أجرتها صناعة الغاز الطبيعي ومعهد أبحاث الطاقة الكهربائية أن التكوينات الجيولوجية المناسبة منتشرة في 75% من الولايات المتحدة، والعديد منها بالقرب من المناطق الحضرية. ستبدو مرافق تخزين طاقة الهواء المضغوط مشابهة جدًا لأنظمة تخزين الغاز الطبيعي في الولايات المتحدة. وتقوم هذه الصناعة اليوم بتخزين 230 مليار متر مكعب من الغاز في 400 خزان تحت الأرض. بحلول عام 2050، ستتطلب خطتنا 15 مليار متر مكعب من الهواء المضغوط عند ضغط 75 ضغط جوي. على الرغم من أن التطوير سيكون صعبًا، إلا أن هناك الكثير من مساحة التخزين المتاحة، ومن المرجح أن تجد صناعة الغاز الطبيعي أنه من المناسب الاستثمار في شبكة التخزين هذه.

ملح ساخن

هناك تقنية أخرى قد توفر خمس الطاقة الشمسية في رؤيتنا تُعرف باسم الطاقة الشمسية المركزة. ووفقا لهذه الطريقة، تقوم المرايا المعدنية الطويلة بتركيز ضوء الشمس في أنبوب مملوء بالسائل وتسخينه كما لو كانت عدسة مكبرة عملاقة. يتم تمرير السائل الساخن من خلال مبادل حراري ينتج البخار الذي يدير التوربينات.

وللحفاظ على الطاقة، تمر الأنابيب عبر خزان معزول مملوء بالملح المنصهر، مما يحافظ على الحرارة بشكل فعال. يتم استخراج هذه الحرارة أثناء الليل لتكوين البخار. ولكن على الرغم من فعاليته، إلا أن الملح المصهور يبرد ببطء، لذلك يجب استخدام الطاقة المحفوظة خلال يوم واحد.

تعمل تسع محطات للطاقة الشمسية المركزة بقدرة إنتاجية تبلغ 354 ميجاوات على إنتاج الكهرباء بشكل موثوق لسنوات في الولايات المتحدة. تم تشغيل محطة جديدة لتوليد الطاقة بقدرة 64 ميجاوات في ولاية نيفادا في مارس/آذار 2007. لكن هذه المحطات لا تحتوي على مرافق لتخزين الحرارة. ويتم حالياً بناء أول محطة طاقة تجارية تتضمن مثل هذه المنشأة في إسبانيا. وسيبلغ إنتاجها 50 ميغاوات، وستكون قادرة على تخزين الحرارة لمدة سبع ساعات باستخدام الملح المنصهر. ومن المخطط إنشاء المزيد من هذه المحطات حول العالم. تتطلب خطتنا تخزين الحرارة لمدة 16 ساعة لتوفير الكهرباء لمدة 24 ساعة في اليوم.

تثبت المرافق الحالية أن توليد الكهرباء من خلال تركيز الطاقة الشمسية هو خيار قابل للتطبيق إذا انخفضت التكاليف. زيادة المرافق والبحث المستمر سوف يساعد في هذا. وذكر تقرير صادر عن "فريق عمل الطاقة الشمسية" التابع لجمعية حكام الولايات الغربية للولايات المتحدة في عام 2006 أنه بحلول عام 2015، ستكون محطات الطاقة قادرة على إنتاج الكهرباء عن طريق تركيز الطاقة الشمسية بسعر عشرة سنتات لكل كيلوواط ساعة أو أقل على أن يتم بناء المحطات بقدرة 4 جيجاوات لكل جيجاوات. كما ستتحسن كفاءة الإنتاج إذا تم العثور على طرق لرفع درجة حرارة السوائل المستخدمة لتحويل الحرارة. ويدرس المهندسون كيف سيكون من الممكن استخدام الملح المنصهر نفسه كمائع لتحويل الحرارة، وبهذه الطريقة يقلل فقدان الحرارة ورأس المال المستثمر. ومع ذلك، فإن الملح مادة قابلة للتآكل (تسبب التآكل)، ولاستخدامه، من الضروري وجود نظام أنابيب أكثر متانة.

إن إنتاج الكهرباء من خلال تركيز الإشعاع الشمسي وإنتاجها من خلال الخلايا الكهروضوئية طريقتان تكنولوجيتان مختلفتان. لم يتم تطوير أي منهما بشكل كافٍ، لذلك تدعو خطتنا إلى النشر الكامل لكلا الطريقتين بحلول عام 2020 للسماح لهما بالوصول إلى مرحلة النضج. وبالإضافة إلى ذلك، قد تتطور مجموعات مختلفة من تقنيات الطاقة الشمسية لتلبية المتطلبات الاقتصادية. ومع نمو المرافق، سيتمكن المهندسون والمحاسبون من إعادة تقييم إيجابيات وسلبيات كل طريقة، وسيتمكن المستثمرون من اختيار التكنولوجيا التي يريدون الاستثمار فيها بشكل أكبر.

التيار المباشر هو أيضا مشكلة

يختلف التوزيع الجغرافي للطاقة الشمسية بالطبع عن نمط إمدادات الكهرباء في الولايات المتحدة. وتنتشر محطات توليد الطاقة التي تعمل اليوم باستخدام الفحم والنفط والغاز الطبيعي والطاقة النووية في المشهد الطبيعي، وهي قريبة نسبياً من الأماكن التي تحتاج إلى الكهرباء. وفي المقابل، سيتم تنفيذ معظم إنتاج الكهرباء بالطاقة الشمسية في جنوب غرب الولايات المتحدة. إن نظام خط نقل التيار المتردد (AC) الحالي ليس قوياً بما يكفي لنقل الكهرباء إلى المستهلكين عبر هذه المسافات بسبب فقدان الكثير من الطاقة.

تظهر الدراسات التي أجريت في مختبر أوك ريدج الوطني الأمريكي أن خطوط الجهد العالي ذات التيار المباشر تفقد طاقة أقل بكثير من خطوط التيار المتردد ذات الطول نفسه. ولذلك، سيكون من الضروري إنشاء بنية تحتية جديدة لنقل خطوط التيار المباشر عالي الجهد (HVDC). وسيتم نشر البنية التحتية في كل مكان من جنوب غرب الولايات المتحدة إلى حدودها. وستنتهي الخطوط بمحطات تحويل التيار المتناوب، وستصل إلى المستهلكين عبر خطوط النقل الإقليمية القديمة.

بالفعل اليوم لا تلبي قدرة النظام للتيار المتردد المتطلبات. هناك شعور بنقص الطاقة في كاليفورنيا ومناطق أخرى. تعد خطوط التيار المباشر أرخص في الإعداد وتتطلب مساحة أقل من خطوط التيار المتردد المماثلة. في الولايات المتحدة اليوم، يتم نشر 800 كيلومتر من خطوط الجهد العالي ذات التيار المباشر، وقد أثبتت موثوقيتها وكفاءتها. ولذلك، لا يبدو أن هناك حاجة لإحراز تقدم تكنولوجي كبير في هذا المجال، على الرغم من أن الخبرة التشغيلية الأكثر ثراءً يمكن أن تحسن الخدمة. ويخطط "مجمع جنوب غرب تكساس للطاقة" لبناء نظام نقل مشترك للتيار المباشر والتيار المتردد للتمكن من إنشاء محطة كهرباء تولد الكهرباء من الرياح بقدرة عشرة جيجاوات في غرب تكساس. وتخطط ترانس كندا لنشر 3,500 كيلومتر من خطوط الجهد العالي ذات التيار المباشر، والتي ستنقل الكهرباء من طواحين الهواء في مونتانا ووايومنغ جنوبًا إلى لاس فيغاس وحتى أبعد من ذلك.

المرحلة الأولى: من الآن وحتى عام 2020

لقد فكرنا كثيرًا في كيفية تشغيل برنامجنا الشمسي الكبير. نتوقع مرحلتين متميزتين. الأول، من الآن وحتى عام 2020، يجب أن يرفع أسعار الطاقة الشمسية إلى مستوى تنافسي في الإنتاج الضخم. وستتطلب هذه الخطوة من الحكومة الأميركية الالتزام بقرض مدته 30 عاماً، والموافقة على شراء الكهرباء ودعمها. وسوف تتزايد حزمة المساعدات السنوية تدريجياً من عام 2011 إلى عام 2020. وحتى ذلك الحين فإن تكنولوجيات الطاقة الشمسية سوف تظل قائمة بذاتها. الدعم التراكمي سيصل إلى إجمالي 420 مليار دولار (سنشرح لاحقا كيفية دفع هذه الفاتورة).

وبحلول عام 2020، سيتم بناء محطات توليد الكهرباء التي ستنتج 84 جيجاوات من الكهرباء باستخدام الخلايا الكهروضوئية والإشعاع الشمسي المركز. وفي الوقت نفسه، سيتم نشر البنية التحتية لنقل التيار المباشر. سيتم إنشاء النظام على طول الممرات البرية على جوانب الطرق السريعة بين الولايات حيث يوجد حق الاستخدام بالفعل اليوم، مع تقليل الحاجة إلى شراء الأراضي والتعامل مع العقبات القانونية الأخرى. ستصل البنية التحتية إلى الأسواق الكبيرة في المدن الكبرى في غرب الولايات المتحدة وفي شرقها.

إن بناء قدرة إنتاجية تبلغ 1.5 جيجاوات من الكهرباء باستخدام الخلايا الكهروضوئية و1.5 جيجاوات أخرى من الكهرباء عن طريق تركيز الإشعاع الشمسي كل عام خلال السنوات الخمس الأولى يمكن أن يحفز العديد من الشركات المصنعة على زيادة المرافق التي تبنيها. وفي السنوات الخمس المقبلة، سيرتفع معدل البناء إلى 5 جيجاوات سنويًا في كل تقنية، وبالتالي ستتمكن الشركات من تحسين خطوط إنتاجها. وبالتالي فإن سعر الكهرباء الشمسية سينخفض ​​وسيقترب من ستة سنتات للكيلوواط ساعة. وهذا الجدول الزمني لتنفيذ الخطة هو جدول عملي. تم بناء محطات الطاقة النووية التي تنتج أكثر من 5 جيجاوات سنويا في الولايات المتحدة كل عام من عام 1972 إلى عام 1987. وعلاوة على ذلك، يمكن بناء أنظمة الطاقة الشمسية بشكل أسرع من محطات الطاقة التقليدية لأنها سهلة التصميم ولها تعقيدات أقل تتعلق بالبيئة والسلامة.

المرحلة ب: 2020 إلى 2050

ومن المهم للغاية أن تستمر الحوافز الاقتصادية الكبيرة في مصاحبة العملية حتى عام 2020 لتمهيد الطريق للنمو المستدام بعد ذلك. ولذلك فإن تمديد نموذجنا حتى عام 2050 تم من خلال نهج محافظ. ولم ندرج التحسينات التكنولوجية أو تخفيضات التكاليف بعد عام 2020. وافترضنا أيضا أن الطلب على الطاقة في الولايات المتحدة سيستمر في الزيادة بمعدل 2050 في المائة سنويا. ووفقاً لهذا السيناريو، ستوفر محطات الطاقة الشمسية في عام 69 344% من الكهرباء التي تستهلكها 3 مليون مركبة هجينة، والتي ستحل محل نظيراتها التي تعمل بالوقود بحلول ذلك الوقت. وسيكون هذا أداة رئيسية لتقليل الاعتماد على واردات الوقود والحد من انبعاثات الغازات الدفيئة. وستخلق هذه الصناعة حوالي XNUMX ملايين فرصة عمل، خاصة في إنتاج مكونات الطاقة الشمسية، وهو عدد أكبر بعدة مرات من عدد الوظائف التي ستفقد في الولايات المتحدة بسبب تقليص صناعة الوقود.

إن التخفيض الكبير في واردات النفط سيخفض مدفوعات الميزان التجاري بمقدار 300 مليار دولار سنوياً، على افتراض أن سعر برميل النفط الخام هو 60 دولاراً (كان متوسط ​​السعر عام 2007 أعلى من هذا السعر). بعد بناء منشآت الطاقة الشمسية، سيكون من الضروري صيانتها وإصلاحها، لكن ضوء الشمس سيبقى حرا إلى الأبد، وبالتالي سيتضاعف توفير الوقود كل عام. إن الاستثمار في الطاقة الشمسية سيزيد من الأمن القومي للولايات المتحدة في مجال الطاقة، ويقلل من العبء المالي للجيش، ويقلل بشكل كبير من الثمن الاجتماعي الذي يفرضه التلوث والاحتباس الحراري، من المشاكل الصحية إلى تدمير الشواطئ و الأراضي الزراعية.

والمثير للدهشة أن خطة الطاقة الشمسية الكبيرة ستقلل من استهلاك الطاقة. وحتى بافتراض زيادة سنوية في الطلب على الكهرباء بنسبة 100%، فإن الاستهلاك السنوي سينخفض ​​من 2006 كوادريليون وحدة حرارية بريطانية في عام 93 إلى 2050 كوادريليون وحدة حرارية بريطانية في عام XNUMX. والسبب في ذلك هو أنه يتم استهلاك الكثير من الطاقة اليوم لإنتاج ومعالجة الوقود المعدني ويتم فقدان طاقة إضافية عند حرقه وتنظيم انبعاثات الغاز.

ومن أجل تلبية هذه التوقعات بحلول عام 2050، ستكون هناك حاجة إلى 120,000 ألف كيلومتر مربع من الأراضي لإنشاء مرافق الطاقة الشمسية. وهذه مساحة كبيرة، ولكنها لا تمثل سوى 19% من الأراضي المناسبة في جنوب غرب الولايات المتحدة. معظم هذه المنطقة عبارة عن أرض حفر، وليس لها قيمة استخدام منافسة، ولن تكون ملوثة. لقد افترضنا أن 10% فقط من إنتاج الطاقة الشمسية سيأتي من المنشآت الكهروضوئية الموزعة التي سيتم وضعها، على سبيل المثال، على أسطح المنازل أو المباني الصناعية في جميع أنحاء البلاد. ولكن مع انخفاض الأسعار، فإن حصة هذا الحقل ستكون أكبر.

بعد 2050

وعلى الرغم من أنه من المستحيل التنبؤ بالضبط بما سيحدث في أكثر من 50 عاما، فقد قمنا بتوسيع السيناريو الخاص بنا إلى عام 2100 لإثبات إمكانات الطاقة الشمسية. وبحلول ذلك الوقت، وبناء على خطتنا، فإن الطلب السنوي على الطاقة (بما في ذلك الطلب على الطاقة في مجال النقل) سوف يصل إلى 140 كوادريليون وحدة حرارية بريطانية، وسيكون إنتاج الكهرباء أكبر بسبعة أضعاف من إنتاج اليوم.

ومرة أخرى اتخذنا نهجًا متحفظًا: فقد قمنا بتقدير الإنتاج المطلوب من محطات الطاقة الشمسية في ظل أسوأ الظروف الإشعاعية، كما تم قياسه في جنوب غرب الولايات المتحدة في شتاء 1983-1982 وفي عامي 1992 و1993 بعد ثوران بركان بيناتوبو. بركان. لقد أخذنا البيانات من قاعدة بيانات الإشعاع الشمسي الأمريكية من عام 1961 إلى عام 2005. وهنا مرة أخرى، لم نأخذ في الاعتبار التحسينات التكنولوجية أو انخفاض الأسعار بعد عام 2020، على الرغم من أنه من المحتمل أن تؤدي 80 عامًا من البحث المستمر إلى تحسين الطاقة الشمسية وتحسينها. طرق تخزين الطاقة وانخفاض الأسعار.

ووفقاً لهذه الافتراضات، سيتم تلبية احتياجات الولايات المتحدة من الطاقة على النحو التالي: 2.9 تيراواط من الطاقة الكهروضوئية من النظام الكهربائي، و7.5 تيراواط يتم تخزينها باستخدام الهواء المضغوط، و2.3 تيراواط من محطات توليد الطاقة لتركيز ضوء الشمس، و1.3 تيراواط من الطاقة الشمسية. الأنظمة الكهروضوئية الموزعة. وستشمل إمدادات الكهرباء أيضًا 0.2 تيراواط من الكهرباء من طواحين الهواء، و0.25 تيراواط من محطات الطاقة الحرارية الأرضية، و0.5 تيراواط من إنتاج وقود الكتلة الحيوية. ويتضمن النموذج أيضًا 430,000 تيراواط من الطاقة الحرارية التي سيتم استخدامها للتدفئة والتبريد المباشر للمباني. وستغطي الأنظمة الشمسية مساحة قدرها XNUMX ألف كيلومتر مربع، وهي أصغر من المساحة المقابلة لها في جنوب غرب الولايات المتحدة.

ويمكن لهذه المجموعة من الطاقة المتجددة أن تنتج كل الكهرباء التي تحتاجها الولايات المتحدة في عام 2100 وأكثر من 90% من إجمالي طاقتها. وفي فصلي الربيع والصيف، ستنتج البنية التحتية للطاقة الشمسية ما يكفي من الهيدروجين لتشغيل أكثر من 90% من المركبات واستبدال محطات الطاقة الصغيرة التي ستحرق الغاز الطبيعي للمساعدة في ضغط الهواء للتوربينات. وستكمل 180 مليار لتر أخرى من الوقود الحيوي متطلبات النقل. وستكون انبعاثات ثاني أكسيد الكربون المرتبطة بإنتاج الطاقة أقل بنسبة 92% من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون المرتبطة بإنتاج الطاقة في عام 2005.

من سيدفع؟

إن نموذجنا ليس برنامج تقشف. وهو يأخذ في الاعتبار زيادة بنسبة واحد في المائة سنويا في الطلب على الطاقة، الأمر الذي سيجعل من الممكن الحفاظ على مستوى المعيشة الحالي، إلى جانب الترشيد المتوقع لإنتاج الطاقة واستخدامها. ولعل السؤال الأكبر هو من أين تحصل على 420 مليار دولار لإجراء إصلاح عام للبنية التحتية للطاقة في الولايات المتحدة. واحدة من الأفكار الأكثر شعبية هي ضريبة الكربون. وتقترح وكالة الطاقة الدولية فرض ضريبة تتراوح بين 40 إلى 90 دولاراً على كل طن من الفحم لتشجيع منتجي الكهرباء على تبني أنظمة لالتقاط وتخزين ثاني أكسيد الكربون وبالتالي الحد من انبعاثاته. ومعنى هذه الضريبة هو رفع سعر الكهرباء بمقدار سنت أو سنتان لكل كيلوواط ساعة. خطتنا أرخص. ويمكن جمع مبلغ الـ 420 مليار دولار من خلال فرض ضريبة على الكربون تبلغ نصف سنت لكل كيلووات في الساعة. اليوم سعر الكيلوواط ساعة هو ستة إلى عشرة سنتات (السعر في إسرائيل يساوي 12 سنتا - المحررون)، وبالتالي فإن الزيادة بمقدار نصف سنت هي زيادة معقولة.

ويستطيع الكونجرس الأميركي أن يخلق حوافز اقتصادية إذا تبنى خطة وطنية للطاقة المتجددة. ومن الجدير مقارنة ذلك بسياسة الدعم الزراعي المستخدمة في الولايات المتحدة لأسباب تتعلق بالأمن القومي. إن برنامج دعم الطاقة الشمسية سوف يؤمن مستقبل الطاقة في البلاد، وهو أمر ضروري لصحة البلاد على المدى الطويل. وسيتم توزيع القروض تدريجيا من عام 2011 إلى عام 2020. وسينتهي الدعم بين عامي 2041 و 2050، بعد فترة سداد مقبولة مدتها 30 عاما. لن تكون هناك حاجة لدعم شركات النقل لأنها ستكون قادرة على تمويل بناء خطوط التيار المباشر العالي الجهد وبناء محطات التحويل بنفس الطريقة التي تمول بها تخطيط خطوط الكهرباء ذات التيار المتردد اليوم: فرض رسوم على نقل الكهرباء.

وعلى الرغم من أن مبلغ 420 مليار دولار هو مبلغ كبير، إلا أن الإنفاق السنوي سيكون أقل من تكلفة سياسة الدعم الزراعي المعمول بها اليوم. كما أنها ستكون أقل من الضريبة المفروضة لتمويل بناء البنية التحتية للاتصالات عالية السرعة في الولايات المتحدة خلال الأعوام الخمسة والثلاثين الماضية. بالإضافة إلى ذلك، فإن هذا الاستثمار سيحرر الولايات المتحدة من العبء السياسي والمالي الذي تضطر إلى تحمله بسبب الصراعات الدولية على الطاقة.

وبدون دعم حكومي، فإن خطة الطاقة الشمسية الكبيرة غير ممكنة. وتوصلت بلدان أخرى أيضاً إلى استنتاجات مماثلة: إذ تعمل اليابان بالفعل على بناء بنية تحتية ضخمة ومدعومة للطاقة الشمسية، كما افتتحت ألمانيا أيضاً برنامجاً وطنياً مماثلاً. إن التكلفة كبيرة حقًا، ولكن كما ذكرنا، يجب أن نتذكر أن مصدر الطاقة، وهو ضوء الشمس، لا يكلف شيئًا. وبصرف النظر عن ذلك، لا توجد نفقات سنوية للوقود أو لمكافحة التلوث كما هو الحال عند استخدام الفحم أو النفط أو الطاقة النووية. لا يوجد سوى إنفاق بسيط على الغاز الطبيعي في محطات ضغط الهواء، ويمكن أن يحل الهيدروجين أو الوقود الحيوي محله في المستقبل. إذا أخذت في الاعتبار توفير الوقود، فإن سعر الطاقة الشمسية في العقود القادمة سيكون صفقة حقيقية. ولكن لا يمكننا الانتظار حتى ذلك الحين لبدء عملية الترقية.

أثار النقاد مخاوف أخرى. على سبيل المثال، فإن نقص المواد الخام يمكن أن يمنع بناء منشآت كبيرة. على الرغم من أن مثل هذا النقص المؤقت ممكن في الإعداد السريع، إلا أن هناك عدة أنواع من الخلايا اليوم تستخدم مجموعات مختلفة من المواد. كما أن طرق المعالجة وإعادة التدوير الأفضل تقلل من كمية المواد الخام اللازمة. علاوة على ذلك، سيكون من الممكن على المدى الطويل إعادة تدوير الخلايا الشمسية القديمة لإنتاج خلايا جديدة. وهذا من شأنه أن يغير صورة إمدادات الطاقة: من حالة الاعتماد على الوقود إلى حالة يتم فيها استخدام المواد المعاد تدويرها.

ومع ذلك، فإن العقبة الأكبر أمام تنفيذ نظام الطاقة المتجددة في الولايات المتحدة ليست تكنولوجية أو مالية. العائق هو في الواقع عدم وعي الجمهور بأن الطاقة الشمسية هي بديل عملي يمكنه أيضًا تشغيل وسائل النقل. ويتعين على المفكرين بعيدي النظر أن يحاولوا تعريف مواطني الولايات المتحدة وقادتها وعلمائها بالإمكانات الكامنة في الطاقة الشمسية. ونحن نعتقد أنه عندما يدرك الأميركيون هذه الحقيقة، فإن الرغبة في استقلال الطاقة والحاجة إلى الحد من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون من شأنها أن تحفزهم على تبني برنامج وطني للطاقة الشمسية.

المفاهيم الأساسية إن التحول على نطاق واسع من محطات الطاقة التي تعمل بالفحم أو النفط أو الغاز الطبيعي والمفاعلات النووية إلى محطات الطاقة الشمسية يمكن أن يوفر 69% من الكهرباء في الولايات المتحدة و35% من إجمالي الطاقة بحلول عام 2050.

وسيكون من الضروري تخصيص مساحة كبيرة في جنوب غرب الولايات المتحدة من أجل إنشاء المصفوفات الكهروضوئية. سيتم تخزين الطاقة الزائدة المنتجة خلال النهار تحت الأرض باستخدام ضغط الهواء وسيتم استخدامها في الليل. كما سيتم بناء محطات كهرباء كبيرة تعمل عن طريق تركيز الطاقة الشمسية. ستقوم البنية التحتية الجديدة للنقل التي ستعمل بالتيار المباشر بتدفق الكهرباء الشمسية في جميع أنحاء البلاد. ومع ذلك، ستكون هناك حاجة إلى مساعدات حكومية بقيمة 420 مليار دولار في الفترة من 2011 إلى 2050 لتمويل إنشاء البنية التحتية ولرفع أسعار الكهرباء إلى مستوى تنافسي.

الخلايا الضوئية

وفي عام 2050، ستغطي المزارع الكهروضوئية حوالي 80,000 ألف كيلومتر مربع من الأراضي الخثية في جنوب غرب الولايات المتحدة. وسوف تشبه مزرعة شركة توكسون للكهرباء في سبرينجرفيل بولاية أريزونا، والتي أنشئت في عام 2000. وفي مثل هذه المزارع، يتم توصيل العديد من الخلايا الكهروضوئية مع بعضها البعض لتشكيل وحدة فرعية واحدة، ويتم توصيل الوحدات الفرعية معا لتشكيل مصفوفة. ويتدفق التيار المباشر من كل مصفوفة إلى المحول، فينقله إلى خطوط الجهد العالي المؤدية إلى الشبكة الوطنية. في الخلية الكهربائية التي تعمل من خلال طبقة رقيقة، تطلق طاقة الفوتونات القادمة من الشمس إلكترونات من طبقة من الكادميوم والتيلوريوم. تعبر الإلكترونات الوصلة، وتتدفق إلى طبقة التوصيل العلوية ثم تتدفق إلى طبقة التوصيل الخلفية، مما يؤدي إلى توليد التيار الكهربائي.

موارد وفيرة
ينتشر الإشعاع الشمسي على نطاق واسع في الولايات المتحدة، وخاصة في مناطقها الجنوبية الغربية. هناك عدة خيارات لتوزيع 120,000 ألف كيلومتر مربع من مجمعات الطاقة الشمسية (الدوائر البيضاء) اللازمة لخطة الطاقة الشمسية الكبرى. يظهر واحد منهم هنا على نطاق واسع.

عن المؤلفين

بقلم كين زويبل وجيمس ماسون وفاسيليس باتيناكيس

التقى كين زويبل (زويبل)، وجيمس ماسون (ماسون)، وفاسيليس فتيناكيس (فتيناكيس) قبل عشر سنوات في بحث مشترك حول دورة حياة الخلايا الكهروضوئية. زفيبل هو رئيس Primestar Solar من جولدن، كولورادو. لمدة 15 عامًا، أدار شراكة أبحاث الخلايا الكهروضوئية ذات الأغشية الرقيقة في المختبر الوطني للطاقة المتجددة بالولايات المتحدة. يدير ماسون الكفاح من أجل الطاقة الشمسية ومعهد أبحاث الهيدروجين في فارمنجديل، نيويورك. يرأس باتيناكيس مركز أبحاث البيئة للخلايا الكهروضوئية في المختبر الوطني الأمريكي في بروكهافن ويعمل كأستاذ ومدير معهد تحليل دورة الحياة في جامعة كولومبيا.

تخزين تحت الأرض

ويمكن إرسال الطاقة الفائضة التي سيتم إنتاجها خلال النهار في المزارع الكهروضوئية عن طريق خطوط الكهرباء إلى مواقع قريبة من المدينة حيث سيتم تخزين الطاقة باستخدام الهواء المضغوط. وفي الليل، ستقوم هذه المواقع بتوليد الكهرباء للمستهلكين. هذه التكنولوجيا متاحة بالفعل اليوم: تعمل محطة PowerSouth Energy التعاونية في مدينة ماكينتوش بولاية ألاباما منذ عام 1991 (الأنبوب الأبيض يتدفق الهواء تحت الأرض). تعمل الكهرباء التي تصل إلى المحطة على تشغيل المحركات والضواغط، التي تقوم بضغط الهواء وتدفقه إلى الكهوف تحت الأرض أو المناجم أو طبقات المياه الجوفية. عندما يتم إطلاق الهواء، يتم تسخينه عن طريق حرق كميات صغيرة من الغاز الطبيعي. يتمدد البخار الساخن ويدور التوربينات لتوليد الكهرباء.

وستعمل محطات الطاقة الكبيرة التي تعمل من خلال تركيز الطاقة الشمسية على استكمال المزارع الكهروضوئية في جنوب غرب الولايات المتحدة. تعمل محطة توليد الكهرباء في كرامر جانكشن في صحراء موهافي في كاليفورنيا منذ عام 1989 باستخدام تكنولوجيا شركة "سوليل" الإسرائيلية من بيت شيمش. تقوم المرايا المعدنية المكافئة بتركيز ضوء الشمس في الأنبوب وتسخين السائل المتدفق من خلاله، مثل جلايكول الإثيلين. المرايا الدوارة تتبع الشمس. يتدفق السائل الساخن عبر الأنابيب، ويوجد داخل المبادل الحراري حلقة تحتوي على الماء. يتحول الماء إلى بخار يدفع التوربينات. وستكون محطات الطاقة المستقبلية قادرة على تدفق السائل الساخن إلى خزان حيث سيتم تسخين الملح المنصهر. سيكون هذا الخزان قادرًا على الاحتفاظ بالحرارة لتوليد الكهرباء في المبادل الحراري ليلاً.

والمزيد حول هذا الموضوع

تحدي تيراواط للخلايا الكهروضوئية ذات الأغشية الرقيقة. كين زويبل في الخلايا الشمسية ذات الأغشية الرقيقة: التصنيع والتوصيف والتطبيقات. حرره جيف بورتمانز وفلاديمير أرخيبوف. جون وايلي وأولاده، 2006.
استقلالية الطاقة: الحالة الاقتصادية والاجتماعية والتكنولوجية للطاقة المتجددة. هيرمان شير. منشورات إيرثسكان، 2007.
مركز تحليل دورة الحياة، جامعة كولومبيا: www.clca.columbia.edu
قاعدة بيانات الإشعاع الشمسي الوطنية. المختبر الوطني للطاقة المتجددة، 2007. http://rredc.nrel.gov/solar/old_data/nsrdb
مبادرة وزارة الطاقة الأمريكية للطاقة الشمسية في أمريكا: www1.eere.energy.gov/solar/solar_america

برنامج كبير للطاقة الشمسية - لإسرائيل أيضًا

وخلال موجات البرد التي ضربتنا في يناير/كانون الثاني وفبراير/شباط 2008، علمنا أن استهلاك الكهرباء وصل مرة أخرى إلى مستوى قريب جداً من الخط الأحمر للطاقة الإنتاجية القصوى لشركة الكهرباء: 10,600 ميجاوات (على افتراض عدم وجود أعطال في الإنتاج). ومن الآمن أن نفترض أن الصورة ستعود حتى في أيام الصيف الحارة. ومن الواضح أنه على المدى القريب لن يكون أمام شركة الكهرباء خيار سوى بناء محطة أخرى لتوليد الطاقة تعمل بالفحم، على الأرجح في عسقلان. يمكن للمرء أن يجازف ويفترض أن شركة الكهرباء والحكومة ستواجهان صعوبة في تمرير القرار وستواجهان معارضة شديدة من المنظمات البيئية واحتجاجات ومظاهرات "الخضر" والطعون أمام المحكمة العليا وما شابه.

ومع ذلك، مع كل الأضرار التي لحقت بالبيئة وزيادة حصتنا في انبعاثات الغازات الدفيئة، لن يكون هناك مفر إذا أردنا منع "إعتام" مناطق بأكملها في بلدنا خلال ساعات ذروة الاستهلاك. واليوم لدى شركة الكهرباء احتياطي إنتاجي لا يتجاوز 5-4% فقط. معدل النمو في استهلاك الكهرباء هو 3.5% - 4% سنويا، مما يعني أنه في عام 2009 سينخفض ​​الاحتياطي إلى الصفر، وفي 2010-2011 سيتجاوز الطلب الإنتاج بشكل كبير، الأمر الذي سيلحق الضرر بالمجتمع والاقتصاد الإسرائيلي. إن الوضع الصعب الذي وصلنا إليه على صعيد توليد الكهرباء يتجلى أكثر إذا قارناه بدول أخرى معزولة مثلنا من حيث إمدادات الكهرباء، مثل أيرلندا ونيوزيلندا وأيسلندا، حيث يبلغ احتياطي توليد الكهرباء 30- 25%. ومن بين معظم دول منظمة التعاون الاقتصادي والتنمية، والتي ليست معزولة (أي يمكنها الحصول على الكهرباء من الدول المجاورة)، يبلغ الاحتياطي حوالي 15%.

وعلى هذه الخلفية، لدينا اهتمام خاص بالمقال الذي كتبه كين زويبل وجيمس ماسون وفاسيليس باتيناكيس بعنوان "الخطة الشمسية العظيمة"، المنشور في هذا العدد. وهذه الخطة، التي لاقت أصداء واسعة النطاق، وإيجابية في الأغلب، في الولايات المتحدة، تقدم لأول مرة خطة رئيسية شاملة طويلة الأمد، تعتمد بالكامل على التكنولوجيات المتاحة اليوم. وهدفها هو أن يعتمد معظم اقتصاد الطاقة الأمريكي الضخم على الطاقة المتجددة غير الملوثة، وخاصة الطاقة الشمسية. ويؤكد المؤلفون أن تنفيذ الخطة سيسهم أيضًا في تقليل انبعاث الغازات الدفيئة، مما له تأثير في إبطاء ظاهرة الاحتباس الحراري إلى حد كبير.

هناك مشكلة مهمة يجب فحصها بعناية في مثل هذه الخطة الكبيرة، وهي مشكلة ستواجهنا أيضًا، إذا وعندما نريد تحقيق خطة مماثلة في الجوهر (وليس في النطاق) في إسرائيل، هي حجم المنطقة الصحراوية المطلوبة لتحديد مواقع أنظمة الطاقة الشمسية لإنتاج الكمية اللازمة من الطاقة. ووفقا للخطة، سيتم إنتاج الكهرباء بشكل رئيسي من المصفوفات الكهروضوئية. في التكنولوجيا المتوفرة اليوم. ولإنتاج 3,000 جيجاوات من الكهرباء، والتي سيتعين توفيرها، وفقًا لتقديرهم، لاقتصاد الطاقة الأمريكي بحلول عام 2050، ستكون هناك حاجة إلى مساحة تبلغ حوالي 80,000 ألف كيلومتر مربع. ويبين المؤلفون أنه لا توجد صعوبة في تحديد موقع منطقة بهذا الحجم في صحاري جنوب غرب الولايات المتحدة.

فهل سنواجه مشكلة تحديد موقع مناسب لاحتياجاتنا في صحراء النقب؟ لا توجد بيانات حول إنتاج الكهرباء الذي ستحتاجه إسرائيل حتى عام 2050، لكن بحسب خطة وزارة البنى التحتية الوطنية، فإن النية هي تحديد إنتاج الكهرباء بـ 20,000 ألف ميغاواط بحلول عام 2020. وعلى ما يبدو، فإنه ويبدو أنه لا توجد صعوبة في تحديد مناطق في النقب لموقع الأنظمة الشمسية. وتبلغ مساحة النقب 12,500 كيلومتر مربع (حوالي 60% من أراضي إسرائيل)، لكن معظمها يستخدم لمناطق تدريب جيش الدفاع الإسرائيلي، والمحميات الطبيعية، والمخططات الهيكلية للمستوطنات. في هذه الحالة، لا يمكن للطاقة الشمسية أن تكون إلا أحد الحلول من سلة مصادر الطاقة الإسرائيلية في المستقبل.

في المستقبل، ستواجه حكومات إسرائيل قرارات صعبة فيما يتعلق باندماج البلاد في اقتصاد الطاقة النظيفة العالمي. وحتى جيراننا الأثرياء بالنفط بدأوا مؤخراً يتجهون نحو البحث والتطوير في مجال الطاقة البديلة. فحكومة أبوظبي، على سبيل المثال، قررت استثمار 15 مليار دولار في مشروع يعرف باسم "مصدر" سيتم بموجبه بناء "المدينة الأكثر خضرة في العالم".

استعدادًا لتنفيذ برنامج كبير للطاقة الشمسية في إسرائيل، سيكون من الضروري دراسة جميع الجوانب وجميع الاحتمالات بعناية، بما في ذلك صياغة طرق ووسائل لتوفير الطاقة، في الصناعة والمباني العامة والمؤسسات التعليمية والاستهلاك الخاص. من الممكن تنفيذ مشروع كبير للطاقة الشمسية في إسرائيل ويفضل أن يتم ذلك قبل ساعة واحدة.