صعود الطاقة المتجددة

إن الخلايا الشمسية وتوربينات الرياح والوقود الحيوي على وشك أن تصبح مصادر حقيقية للطاقة. ومن الممكن أن يؤدي وضع سياسات جديدة إلى التعجيل بتنميتها بشكل كبير

بقلم دانييل مكمان، مجلة ساينتفيك أمريكان

ومن المستحيل التخطيط لخطة لتحقيق خفض كبير في انبعاثات الغازات الدفيئة بالاعتماد فقط على زيادة كفاءة الطاقة. ولأن النمو الاقتصادي يزيد الطلب على الطاقة - المزيد من الفحم لتشغيل مصانع جديدة، والمزيد من النفط لتشغيل السيارات الجديدة، والمزيد من الغاز الطبيعي لتشغيل المنازل الجديدة - فإن معدل انبعاثات ثاني أكسيد الكربون سوف يستمر في الارتفاع على الرغم من السيارات والمباني والأجهزة الكهربائية. المنتجة اليوم أكثر كفاءة من حيث استخدام الطاقة. إذا كانت الولايات المتحدة راغبة في معالجة الاتجاه المثير للقلق بشأن الانحباس الحراري العالمي، فيتعين عليها أن تلتزم جدياً بتطوير مصادر الطاقة المتجددة التي لا تطلق سوى القليل من مركبات الكربون أو لا تطلقها على الإطلاق.

أصبحت تكنولوجيات الطاقة المتجددة رائجة فجأة لفترة قصيرة قبل ثلاثين عاما، كرد فعل على مقاطعة النفط في السبعينيات، لكن الاهتمام والدعم لها لم يدم طويلا. ومع ذلك، فقد حدث في السنوات الأخيرة تحسن كبير في الأداء والجدوى الاقتصادية للخلايا الشمسية وتوربينات الرياح والوقود الحيوي - الإيثانول وأنواع الوقود الأخرى التي تأتي من النباتات - مما يمهد الطريق لتسويقها تجاريا على نطاق واسع. بالإضافة إلى الفوائد البيئية، تعد مصادر الطاقة المتجددة بزيادة أمن الطاقة في الولايات المتحدة، من خلال تقليل اعتمادها على الوقود الأحفوري من البلدان الأخرى. كما ارتفعت تكلفة البدائل المتجددة نتيجة ارتفاع أسعار النفط والغاز الطبيعي وعدم استقرار هذه الأسعار بشكل واضح.

توجد اليوم فرص غير مسبوقة في مجال الطاقة المتجددة، لذا فإن هذا هو الوقت المثالي لتطوير الطاقة النظيفة للأجيال القادمة. ولكن لمواجهة هذا التحدي، ستكون هناك حاجة إلى استثمار الموارد العلمية والاقتصادية والسياسية. ويجب على صانعي السياسات والمواطنين أن يطالبوا باتخاذ خطوات في الاتجاه، وأن يطالبوا بعضهم البعض بتسريع عملية الانتقال.

 

أعطِ الشمس يدًا

تقوم الخلايا الشمسية، المعروفة أيضًا باسم الخلايا الكهروضوئية، بتحويل ضوء الشمس إلى تيار كهربائي باستخدام مواد شبه موصلة. وهي لا توفر اليوم سوى شريحة ضئيلة من الطاقة الكهربائية على مستوى العالم: حيث تبلغ طاقتها الإنتاجية العالمية 5,000 ميجاوات، وهو ما يمثل 0.15% فقط من القدرة الإنتاجية لجميع المصادر. لكن ضوء الشمس يمكن أن يوفر 5,000 ضعف الاستهلاك العالمي اليوم. وبفضل التحسينات التكنولوجية، وانخفاض التكاليف والسياسات المتعاطفة التي انتهجتها العديد من بلدان العالم، زاد الإنتاج السنوي للخلايا الشمسية بنسبة تزيد على 25% سنويا في العقد الماضي، وبنسبة مذهلة بلغت 45% في عام 2005 وحده. وفي عام 2005، أضاف مصنعو الخلايا 1,727 ميجاوات إلى الطاقة الإنتاجية العالمية للكهرباء، تم إنتاج 833 منها في اليابان، و353 في ألمانيا، و153 ميجاوات في الولايات المتحدة الأمريكية.

من الممكن اليوم إنتاج خلايا شمسية من مجموعة متنوعة من المواد، بدءاً من الرقائق التقليدية من السيليكون متعدد البلورات، التي لا تزال تهيمن على السوق، وانتهاءً بالخلايا المصنوعة من طبقات السيليكون الرقيقة والأجهزة المكونة من البلاستيك أو أشباه الموصلات العضوية. إن تصنيع خلايا الأغشية الرقيقة أرخص من تصنيع خلايا السيليكون البلورية، ولكنها أيضًا أقل كفاءة في تحويل الضوء إلى كهرباء. وفي التجارب المعملية، حققت الخلايا البلورية كفاءة تصل إلى 30% أو أكثر. وتتراوح كفاءة الخلايا التجارية من هذا النوع حالياً بين 15% و20%. لقد زادت كفاءة جميع أنواع الخلايا الشمسية، سواء في السوق أو في المختبر، بشكل مطرد في السنوات الأخيرة، وهذا يدل على أن توسيع الجهود البحثية يمكن أن يزيد من تحسين أداء الخلايا الشمسية الموجودة حاليًا في السوق.

والخلايا الشمسية سهلة الاستخدام بشكل خاص، لأنه يمكن تركيبها في العديد من الأماكن: على الأسطح، وعلى جدران المنازل ومباني المكاتب أو في مصفوفات واسعة في الصحراء. يمكنك حتى خياطتها في ملابسك واستخدامها لتشغيل الأجهزة الإلكترونية المحمولة. انضمت ولاية كاليفورنيا إلى اليابان وألمانيا في قيادة الجهود العالمية لتركيب مرافق توليد الطاقة الشمسية. ويهدف التزام "المليون سقف شمسي" إلى جلب قدرة إنتاجية جديدة تبلغ 10,000 آلاف ميجاوات بحلول عام 2016. ومن الدراسات التي أجريت في مجموعتي البحثية، مختبر أبحاث الطاقة المتجددة والكافية، في جامعة كاليفورنيا، بيركلي، يبدو أن ومن الممكن أن ينمو إنتاج الخلايا الشمسية في الولايات المتحدة وحدها بما يصل إلى 10,000 آلاف ميجاوات في غضون 20 عاما فقط، إذا لم يحدث تغيير في الاتجاهات الحالية.

وسيكون التحدي الأكبر هو خفض أسعار الخلايا الشمسية، التي يعد إنتاجها مكلفا نسبيا. التكلفة الإجمالية للكهرباء المنتجة باستخدام الخلايا البلورية هي 20 إلى 25 سنتا لكل كيلووات / ساعة. هذا بالمقارنة مع 4 إلى 6 سنتات للكهرباء المنتجة من الفحم، و5 إلى 7 سنتات للكهرباء المنتجة من حرق الغاز الطبيعي، و6 إلى 9 سنتات لمحطات الطاقة التي تحرق الكتلة الحيوية (من الصعب تحديد تكلفة الكهرباء الدقيقة من المفاعلات النووية). حيث يختلف الخبراء حول المكونات التي يجب تضمينها، وتتراوح التقديرات من 2 إلى 12 سنتًا لكل كيلووات/ساعة. ولحسن الحظ، انخفض سعر الخلايا الشمسية باستمرار على مدى العقد الماضي، ويرجع ذلك إلى حد كبير إلى التحسينات في عمليات التصنيع. وفي اليابان، التي أضافت 290 ميجاوات إلى طاقتها التوليدية في العام 2005، وصدرت المزيد، انخفضت تكاليف الخلايا الشمسية بنسبة 8% سنوياً. وفي كاليفورنيا، تم تركيب 50 ميجاوات من الطاقة الشمسية في عام 2005، وانخفضت التكاليف بنسبة 5% سنوياً.

والمثير للدهشة أن كينيا هي الدولة الرائدة في العالم في عدد أنظمة الطاقة الشمسية المثبتة هناك كل عام (ولكن ليس في عدد الواط الإضافي). ويتم بيع أكثر من 30,000 ألف لوح شمسي صغير، ينتج كل منها ما بين 12 إلى 30 واط فقط، في كينيا كل عام. وباستثمار أقل من 100 دولار في الألواح الشمسية والأسلاك، يمكن استخدام النظام لشحن بطارية السيارة، بحيث يمكنها توفير ما يكفي من الكهرباء لإضاءة مصباح فلورسنت أو تلفزيون صغير بالأبيض والأسود لبضع ساعات يوم. إن عدد الكينيين الذين يعتمدون الحل الشمسي كل عام أكبر من عدد أولئك الذين يتصلون بشبكة الكهرباء الوطنية. غالبًا ما تستخدم خلايا الطبقة الرقيقة المصنوعة من السيليكون غير المتبلور في هذه الألواح. ورغم أن كفاءة هذه الخلايا الشمسية أقل من كفاءة الخلايا البلورية بمقدار النصف، إلا أن تكلفتها منخفضة للغاية (أربعة أضعاف على الأقل)، لدرجة أنها أكثر اقتصادا ومفيدة لملياري شخص يعيشون اليوم في العالم دون الحصول على الكهرباء. . وتشهد مبيعات أنظمة الطاقة الشمسية الصغيرة ارتفاعًا كبيرًا في البلدان الأفريقية الأخرى أيضًا، وقد يتسارع هذا الاتجاه بشكل أكبر بسبب التطورات في إنتاج الخلايا الشمسية الرخيصة.

علاوة على ذلك، فإن الخلايا الكهروضوئية ليست الشكل الوحيد سريع التطور للطاقة الشمسية. كما تكتسب أنظمة الحرارة الشمسية، التي تجمع ضوء الشمس لإنتاج الحرارة، شعبية كبيرة. وقد استخدمت مثل هذه الأنظمة منذ فترة طويلة، مثل الغلايات الشمسية لتزويد المنازل والمصانع بالمياه الساخنة، ولكن يمكن استخدامها أيضًا لتوليد الكهرباء دون الحاجة إلى خلايا شمسية باهظة الثمن. في أحد النماذج، على سبيل المثال، تقوم المرايا بتركيز ضوء الشمس على محرك ستيرلينغ، وهو جهاز فعال للغاية يحتوي على غاز عامل يتدفق من غرفة ساخنة إلى غرفة باردة ويعود مرة أخرى. يتمدد الغاز نتيجة تسخينه بأشعة الشمس، ويدفع المكبس الذي يدير التوربين.

وفي خريف عام 2005، أعلنت شركة "ستيرلينغ إنيرجي سيستمز" من فينيكس عن خطتها لبناء محطتين كبيرتين لتوليد الطاقة في جنوب كاليفورنيا تعملان على حرارة الشمس. وقعت الشركة اتفاقية إمداد بالكهرباء مدتها 20 عامًا مع شركة Edison Southern California لشراء الكهرباء من محطة طاقة بقدرة 500 ميجاوات سيتم بناؤها في صحراء موهافي. وستشمل المنشأة، التي ستمتد على مساحة 18,200 دونم، 20,000 ألف مرآة طبق مقعرة، والتي ستركز ضوء الشمس على محركات ستيرلينغ بحجم برميل النفط. ومن المقرر أن يبدأ تشغيل المحطة عام 2009، ومن الممكن توسعتها بعد ذلك لتصل إلى طاقة إنتاجية تصل إلى 850 ميجاوات. وقعت شركة Stirling Energy Systems أيضًا عقدًا مدته 20 عامًا مع شركة San Diego Energy Company لبناء محطة طاقة بقدرة 300 ميجاوات و12,000 لوحة في إمبريال فالي. سيتم ترقية هذه المنشأة في النهاية إلى 900 ميجاوات.

ولم يتم نشر التفاصيل المالية للمشروعين من كاليفورنيا، لكن الكهرباء المنتجة بتقنيات الطاقة الشمسية الحرارية تكلف حاليا ما بين 5 و13 سنتا لكل كيلووات/ساعة، مع نظام مرآة مقعرة من الدرجة الأولى. ومع ذلك، ونظرًا لأن هذا المشروع يتضمن تقنيات موثوقة للغاية وإنتاجًا ضخمًا، فمن المتوقع أن تنخفض تكاليف الإنتاج في النهاية إلى 4 إلى 6 سنتات لكل كيلووات/ساعة، وهو السعر الذي سينافس بنجاح أسعار الكهرباء الحالية التي تعمل بالفحم.

 

الجواب يحمله الريح

ويتنافس معدل نمو صناعة الكهرباء المنتجة من الرياح مع معدل نمو صناعة الطاقة الشمسية. لقد سجلت القدرة العالمية على توليد الكهرباء من توربينات الرياح نمواً بلغ في المتوسط ​​25% سنوياً على مدى العقد الماضي، حتى وصلت إلى ما يقرب من 60,000 ألف ميجاوات في عام 2005. وفي أوروبا، كان النمو مذهلاً: ففي الفترة من عام 1994 إلى عام 2005، ارتفعت قدرة توليد طاقة الرياح وفي الاتحاد الأوروبي قفزت من 1,700 إلى 40,000 ألف ميجاوات. وتمتلك ألمانيا وحدها قدرة إنتاجية تزيد على 18,000 ألف ميجاوات، وذلك بفضل برنامج البناء النشط. وفي منطقة شليسفيغ هولشتاين في شمال ألمانيا، توفر 2,400 توربينة رياح ربع استهلاك الكهرباء السنوي، وفي بعض الأشهر توفر طاقة الرياح أكثر من نصف استهلاك الكهرباء في المنطقة. كما تمتلك إسبانيا قدرة توليد تبلغ 10,000 آلاف ميجاوات، والدنمارك 3,000 ميجاوات، والمملكة المتحدة وهولندا وإيطاليا والبرتغال لديها أكثر من 1,000 ميجاوات لكل منها.

وفي الولايات المتحدة، شهدت صناعة طاقة الرياح تسارعاً هائلاً في السنوات الخمس الماضية. وفي عام 43 قفز إجمالي قدرة التوليد بنسبة 9,100% ليصل إلى 2005 ميجاواط. ورغم أن توربينات الرياح تولد حالياً 0.5% فقط من الطاقة الكهربية في الولايات المتحدة، إلا أنها تتمتع بإمكانات توسع هائلة، وخاصة في ولايات السهول الكبرى التي تجتاحها الرياح (ولاية داكوتا الشمالية على سبيل المثال لديها مصادر لطاقة الرياح). وهي أكبر مما هي عليه في ألمانيا، لكن الطاقة الإنتاجية هناك لا تتجاوز 98 ميغاواط. إذا قامت الولايات المتحدة ببناء ما يكفي من مزارع الرياح للاستفادة الكاملة من هذه الموارد، فستكون التوربينات قادرة على إنتاج ما يصل إلى 11 مليار كيلووات/ساعة، أو بعبارة أخرى، ما يقرب من ثلاثة أضعاف إجمالي الكهرباء المنتجة في البلاد من جميع مصادر الطاقة. في 2005. تعمل صناعة طاقة الرياح على تطوير توربينات كبيرة وفعالة بشكل متزايد، يمكن لكل منها إنتاج ما بين 4 إلى 6 ميجاوات. وفي العديد من الأماكن، تعد طاقة الرياح أرخص أشكال الكهرباء الجديدة، إذ تبلغ تكلفتها ما بين 4 إلى 7 سنتات لكل كيلووات في الساعة.

وقد تسارعت الزيادة في عدد مزارع الرياح الجديدة في الولايات المتحدة بفضل الإعفاءات الضريبية على الإنتاج، والتي توفر إعانة دعم متواضعة تبلغ 1.9 سنتاً لكل كيلووات/ساعة، مما يسمح لتوربينات الرياح بالتنافس مع محطات الطاقة التي تعمل بحرق الفحم. ولسوء الحظ، يهدد الكونجرس مرارا وتكرارا بسحب هذه الامتيازات. فبدلاً من تقديم إعانات دعم طويلة الأجل لطاقة الرياح، تقوم الهيئة التشريعية في الولايات المتحدة بتمديد الاعتمادات على أساس سنوي، وتعمل حالة عدم اليقين المستمرة على إبطاء الاستثمارات في مزارع الرياح. ويهدد الكونجرس أيضًا بمنع إنشاء مزرعة رياح بحرية تحتوي على 130 توربينًا قبالة سواحل ماساتشوستس، والتي يمكن أن توفر 468 ميجاوات من قدرة التوليد - أي ما يكفي من الكهرباء تقريبًا لكل كيب كود، وجزر مارثا فينيارد ومارثا. نانتوكيت.

إن العداء تجاه طاقة الرياح يأتي جزئياً من شركات الكهرباء، التي تخشى تبني التكنولوجيا الجديدة، وجزئياً من "Nimbys" (NIMBY، والتي تعني "ليس في الفناء الخلفي لمنزلي"). على الرغم من أنه من الممكن ألا يتم استبعاد المخاوف المتعلقة بتأثير توربينات الرياح على المناظر الطبيعية، إلا أنه يجب التوصل إلى توازن بينها وبين التكلفة الاجتماعية للبدائل. ومع استمرار نمو استهلاك المجتمع الأمريكي للطاقة، فإن رفض حل مزرعة الرياح غالبا ما يؤدي إلى بناء أو توسيع محطات توليد الطاقة التي تعمل بحرق الوقود الأحفوري، وهو ما سيكون له تأثيرات بيئية أكثر تدميرا بكثير من مزارع الرياح.

 

الوقود الأخضر

ويستمر البحث العلمي أيضًا في التقدم في مجال تطوير الوقود الحيوي الذي يمكن أن يحل محل بعض الزيت الذي تستهلكه السيارات حاليًا على الأقل. الوقود الحيوي الأكثر شيوعا في الولايات المتحدة اليوم هو الإيثانول (الكحول)، والذي يتم إنتاجه عادة من الذرة وخلطه مع البنزين. ويتمتع منتجو الإيثانول بإعفاء ضريبي كبير: فبمساعدة دعم سنوي قدره 2 مليار دولار، باعوا أكثر من 16 مليار لتر من الإيثانول في عام 2005 (ما يقرب من 3% من إجمالي حجم وقود السيارات)، ومن المتوقع أن يرتفع الإنتاج. زيادة بنسبة 50% بحلول عام 2007. وأعرب بعض واضعي السياسات عن شكوكهم في ضرورة الدعم، واستشهدوا بدراسات تبين فيها أن حصاد الذرة وتقطير الإيثانول يستهلك طاقة أكبر من تلك المنتجة من الوقود الذي يتم الحصول عليه في محركات السيارات. ومع ذلك، فمن خلال تحليل النتائج التي أجريتها مع زملائي مؤخرًا، يبدو أنه في هذه الدراسات لم يتم أخذ المنتجات الثانوية المنتجة جنبًا إلى جنب مع الإيثانول في الاعتبار بشكل صحيح. عندما أخذنا في الاعتبار جميع المدخلات والمخرجات، وجدنا أن الإيثانول لديه زيادة صافية في الطاقة تبلغ حوالي خمسة ميجا جول لكل لتر.

ومع ذلك، وجدنا أيضًا أن تأثير الإيثانول على انبعاثات الغازات الدفيئة ليس واضحًا تمامًا. وتشير أفضل تقديراتنا إلى أن التحول من البنزين إلى الإيثانول المنتج من الذرة يقلل من انبعاثات الغازات المسببة للانحباس الحراري الكوكبي بنسبة 18%، ولكن هذا تحليل جزئي ومحدود، وذلك بسبب الشكوك الكبيرة المتعلقة ببعض الممارسات الزراعية، وخاصة التكلفة البيئية للأسمدة. وتؤدي الافتراضات المختلفة بشأن هذه الأساليب إلى نتائج تتراوح بين انخفاض بنسبة 36% في الانبعاثات بعد التحول إلى الإيثانول إلى زيادة بنسبة 29%. لذا، فرغم أن الإيثانول المستخرج من الذرة قد يساعد الولايات المتحدة في الحد من اعتمادها على النفط القادم من مصدر خارجي، فلا يبدو أنه قد يساهم كثيراً في وقف الانحباس الحراري العالمي، ما لم يكن إنتاج الوقود الحيوي أنظف.

لكن الحساب يختلف بشكل كبير عندما لا يكون مصدر الإيثانول هو السكر الموجود في الذرة، بل السليلوز من النباتات الخشبية، مثل الحور أو الدخن. ويتطلب تخمير الذرة للحصول على الإيثانول التسخين بمساعدة الوقود المعدني، وفي المقابل يقوم منتجو الكحول المشتق من السليلوز بتسخين السكريات الموجودة في النبات عن طريق حرق اللجنين، وهو جزء من المادة العضوية الموجودة في ذلك النبات والتي لا يمكن تخميرها. ولا يؤدي حرق اللجنين إلى إضافة غازات دفيئة إلى الغلاف الجوي، حيث يتم تعويض الانبعاثات بثاني أكسيد الكربون الذي تمتصه النباتات المستخدمة لإنتاج الإيثانول أثناء نموها. وبالتالي فإن استبدال البنزين بالكحول السليولوزي يمكن أن يخفض انبعاثات الغازات الدفيئة بنسبة 90% أو أكثر.

هناك نوع آخر من الوقود الحيوي الواعد يُعرف باسم "الديزل الأخضر". وقد قام الباحثون بإنتاجه عن طريق تحويل بعض الكتلة الحيوية إلى غاز (التغويز)، أي تسخين المواد العضوية بحيث ينبعث منها الهيدروجين وأول أكسيد الكربون، ثم تحويل هذه المركبات إلى هيدروكربونات طويلة السلسلة في عملية كيميائية تسمى "عملية فيشر تروبش". "(خلال الحرب العالمية الثانية، استخدم العلماء الألمان هذه الطريقة لصنع وقود المحركات الاصطناعي من الفحم). والنتيجة هي وقود سائل للسيارات ذات المحركات، مع جدوى اقتصادية، ولن يضيف أي إضافة صافية تقريباً للغازات المسببة للانحباس الحراري العالمي إلى الغلاف الجوي. وتقوم شركة النفط العملاقة Royal Dutch/Shell حاليًا بالبحث في هذه التكنولوجيا.

 

الحاجة إلى البحث والتطوير

إن مصادر الطاقة المتجددة، على الرغم من جاذبيتها، أصبحت الآن مصادر هامشية بشكل عام. ومع ذلك، فإننا الآن عند نقطة التحول أو بالقرب منها، أي في مرحلة حرجة حيث سيسمح البحث والاستثمار والوصول إلى السوق لموردي هذه الطاقة بتقديم مساهمة حقيقية في إمدادات الطاقة المحلية والعالمية. وفي الوقت نفسه، يجري وضع سياسات قوية في جميع أنحاء العالم تهدف إلى فتح السوق أمام مصادر الطاقة المتجددة، على المستويات البلدية والسياسية والحكومية. لقد تبنت الحكومات مثل هذه الأنواع من السياسات لعدة أسباب: تعزيز تنويع الأسواق أو أمن الطاقة، وتعزيز الصناعة وإضافة فرص العمل، فضلاً عن حماية البيئة على المستويين المحلي والعالمي. وقد تبنت أكثر من عشرين ولاية في الولايات المتحدة معايير تحدد الحد الأدنى لنسبة الكهرباء التي سيتم توفيرها من خلال المصادر المتجددة. وتخطط ألمانيا لإنتاج 20% من احتياجاتها من الكهرباء من مصادر متجددة بحلول عام 20، وتخطط السويد للتخلي تماما عن استخدام الوقود الأحفوري.

وحتى رئيس الولايات المتحدة، جورج دبليو بوش، قال في خطابه الشهير للأمة في كانون الثاني/يناير 2006، إن الولايات المتحدة "مدمنة للنفط". ورغم أن بوش لم يناقش العلاقة بين هذا الإدمان والانحباس الحراري العالمي، فإن كل العلماء تقريباً يتفقون على أن إدمان البشرية على الوقود الأحفوري يؤدي إلى زعزعة استقرار المناخ العالمي. والآن هو الوقت المناسب للعمل، وقد أصبح لدينا أخيراً الأدوات اللازمة لتغيير عمليات إنتاج واستهلاك الطاقة، على النحو الذي يعود بالنفع على الاقتصاد والبيئة. ومع ذلك، على مدى السنوات الخمس والعشرين الماضية، تضاءل التمويل العام والخاص للبحث والتطوير في قطاع الطاقة الأمريكي. بين عامي 25 و1980، انخفض معدل إنفاق الولايات المتحدة على البحث والتطوير في قطاع الطاقة من 2005% إلى 10%. وانخفض التمويل العام السنوي للبحث والتطوير في مجال الطاقة من 2 مليارات دولار إلى 8 مليارات دولار (بحسب سعر صرف الدولار في عام 3). وانخفضت قيمة البحث والتطوير الخاص من 2002 مليارات دولار إلى مليار دولار فقط (انظر الشكل في الصفحة التالية).

ومن أجل مراقبة هذه الانخفاضات من المنظور الصحيح، يجب على المرء أن يأخذ في الاعتبار أنه في أوائل الثمانينيات، استثمرت شركات الطاقة الأمريكية في البحث والتطوير أكثر من شركات الأدوية، في حين أن استثمارات شركات الطاقة اليوم أقل بعشر مرات. إن إجمالي التمويل الخاص للبحث والتطوير في قطاع الطاقة في الولايات المتحدة بالكامل يقل عن تمويل البحث والتطوير لشركة واحدة في مجال التكنولوجيا الحيوية (على سبيل المثال، أنفقت شركة أمجن 80 مليار دولار على البحث والتطوير في عام 2.3). ومع تضاؤل ​​الاستثمار في البحث والتطوير، تتضاءل الابتكارات في هذا المجال أيضًا. على سبيل المثال، في نفس الوقت الذي حدث فيه الانخفاض في الربع الأخير من القرن في تمويل البحث والتطوير فيما يتعلق بالخلايا الشمسية وطاقة الرياح، انخفض أيضًا عدد براءات الاختراع المسجلة بنجاح في هذه المجالات. وكان الافتقار إلى الاهتمام بالتخطيط والبحث على المدى الطويل سبباً في إضعاف قدرة الولايات المتحدة إلى حد كبير على الاستجابة للتحديات التي يفرضها تغير المناخ والاضطرابات في إمدادات الطاقة.

واليوم هناك دعوات واسعة النطاق لالتزامات كبيرة بالبحث والتطوير في مجال الطاقة. توصي دراسة أجرتها لجنة مستشاري رئيس الولايات المتحدة لشؤون العلوم والتكنولوجيا في عام 1997، وتقرير نشرته اللجنة الحزبية الأميركية لسياسة الطاقة في عام 2004، بأن تضاعف حكومة الولايات المتحدة إنفاقها على البحث والتطوير في مجال الطاقة. ولكن هل ستكون هذه المضاعفة كافية؟ على الاغلب لا. قام فريقي البحثي بإجراء حسابات، بناءً على تقديرات تكلفة تثبيت كمية ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي، وعلى دراسات إضافية تقيم درجة نجاح برامج البحث والتطوير والوفورات التي سيتم تحقيقها نتيجة للتكنولوجيات والتي سيتم تحقيقها نتيجة لذلك، ووجدت أن التمويل العام يتراوح بين 15 ملياراً إلى 30 مليار دولار سنوياً، أي خمسة إلى عشرة أضعاف المبلغ المخصص اليوم.

لقد وجدت أنا وجريج بي نيميت، وهو طالب دكتوراه يعمل في مختبري، أنه من الممكن، تقريبًا، مقارنة زيادة بهذا الحجم بالزيادات المطلوبة خلال مبادرات البحث والتطوير الفيدرالية السابقة، مثل مشروع مانهاتن (لتطوير القنبلة الذرية) أو برنامج أبولو (هبوط رجل على القمر). كل منهما حقق مكاسب مالية واضحة، عدا عن تحقيق الأهداف. وحتى لو قامت شركات الطاقة الأمريكية بزيادة ميزانية البحث والتطوير الخاصة بها بمقدار عشرة أضعاف، فإن المبلغ سيظل أقل من المتوسط ​​​​للصناعة الأمريكية بأكملها. ورغم أن التمويل الحكومي يشكل ضرورة أساسية لدعم التكنولوجيات في مهدها، فإن البحث والتطوير في القطاع الخاص يشكل عاملاً رئيسياً في غربلة الأعشاب الضارة فيما يتعلق بالأفكار الجديدة والحد من الحواجز التي تحول دون التسويق.

ومع ذلك، فإن زيادة الإنفاق على البحث والتطوير ليست الطريقة الوحيدة لجعل الطاقة النظيفة أولوية وطنية. قدرة المعلمين على كافة المستويات، من رياض الأطفال إلى الكليات، على تحفيز الاهتمام والنشاط العام، إذا تعرفوا على آثار استخدام الطاقة وإنتاجها على البيئة الطبيعية والاجتماعية. يمكن للمنظمات غير الربحية تنظيم سلسلة من المسابقات التي تمنح جائزة لأول شركة أو مجموعة خاصة تحقق هدفًا صعبًا وجديرًا يتعلق بالطاقة، مثل بناء مبنى أو جهاز يزود نفسه بالطاقة، أو تطوير مشروع تجاري مركبة يمكنها السير لمسافة 85 كيلومترًا باستخدام لتر واحد من الوقود. وسيكون من الممكن التخطيط لمثل هذه المسابقات وفق نموذج جوائز "أشوكا" لرواد السياسة العامة، أو جائزة "أنصاري إكس" لمطوري المركبات الفضائية. وسيتمكن العلماء ورجال الأعمال أيضًا من التركيز على إيجاد طرق نظيفة واقتصادية لتلبية احتياجات الطاقة للناس في البلدان النامية. على سبيل المثال، قمت أنا وزملائي مؤخراً بتفصيل الفوائد البيئية المترتبة على تحسين مواقد الطهي في أفريقيا.

ولكن ربما تكون الخطوة الأكثر أهمية نحو اقتصاد الطاقة المستدامة تتلخص في تقديم برامج قائمة على السوق تهدف إلى دمج التكلفة الاجتماعية للوقود الكربوني في أسعارها. إن استخدام الفحم والنفط والغاز الطبيعي له ثمن جماعي باهظ يدفعه المجتمع في شكل نفقات صحية للأمراض الناجمة عن تلوث الهواء، ونفقات عسكرية لتأمين إمدادات النفط، والأضرار البيئية الناجمة عن التعدين والآثار الاقتصادية المدمرة المحتملة الاحتباس الحرارى. إن فرض ضريبة على انبعاثات الكربون سيكون وسيلة بسيطة ومنطقية وشفافة لإعطاء ميزة لمصادر الطاقة المتجددة والنظيفة، على حساب المصادر الضارة بالاقتصاد والبيئة. ومن الممكن استخدام الدخل الناتج عن الضريبة لتمويل جزء من التكاليف الاجتماعية للانبعاثات الكربونية، وتخصيص جزء منه لتعويض الأسر ذات الدخل المنخفض التي تنفق جزءا كبيرا من دخلها على الطاقة. بالإضافة إلى ذلك، يمكن الجمع بين الضرائب وخطة الحد الأقصى والمتاجرة، والتي من شأنها أن تحد من انبعاثات الكربون، ولكنها تسمح أيضًا لمقدمي الطاقة النظيفة ببيع تصاريح الانبعاثات لمنافسيهم الملوثين. وقد استخدمت حكومة الولايات المتحدة بالفعل مثل هذه البرامج بنجاح كبير، والتي صممت لخفض انبعاثات الملوثات الأخرى، وبدأت بعض الولايات في شمال شرق الولايات المتحدة بالفعل في تجربة المتاجرة في انبعاثات الغازات المسببة للانحباس الحراري العالمي.

ومن شأن هذه التدابير أن تمنح شركات الطاقة حوافز مالية هائلة لتشجيع تطوير وتسويق مصادر الطاقة المتجددة. خلاصة القول - لدى الولايات المتحدة فرصة لاحتضان صناعة جديدة بالكامل. ومن الممكن استخدام التهديد الذي يفرضه تغير المناخ كأداة لثورة الطاقة النظيفة، وهي الثورة التي من شأنها أن تعزز القاعدة الصناعية في الولايات المتحدة، وتخلق الآلاف من فرص العمل، وتغطي العجز التجاري الدولي. فبدلاً من استيراد النفط من الدول الأجنبية، تستطيع الولايات المتحدة أن تصدر المركبات والأجهزة وتوربينات الرياح والخلايا الشمسية عالية الكفاءة. ومثل هذا التحول من الممكن أن يحول قطاع الطاقة في الولايات المتحدة إلى ما كان يُعتقد ذات يوم أنه مستحيل: محرك نمو نابض بالحياة ومستدام وصديق للبيئة.
 نظرة عامة
بفضل التقدم التكنولوجي، ستتمكن مصادر الطاقة المتجددة قريبًا من تقديم مساهمة كبيرة في الطاقة العالمية.
ولتسريع عملية التحول، يتعين على الولايات المتحدة أن تعمل على زيادة إنفاقها على البحث والتطوير في مجال الطاقة بشكل كبير.
فضلاً عن ذلك، يتعين على الولايات المتحدة أن تفرض ضريبة على الكربون، وهو ما من شأنه أن يعطي ميزة للطاقة المستخرجة من مصادر نظيفة مقارنة بالطاقة المستخرجة من مصادر ضارة بالبيئة.

يكبر بسرعة، ولكن لا يزال طفلا
تكتسب الخلايا الشمسية والكهرباء المولدة من طاقة الرياح والوقود الحيوي موطئ قدم بسرعة في أسواق الطاقة، لكنها لا تزال هامشية مقارنة بمصادر الوقود الأحفوري مثل الفحم والغاز الطبيعي والنفط.

 

اختراق الطاقات المتجددةمنذ عام 2000، اكتسب تسويق مصادر الطاقة المتجددة زخما هائلا. قفز إنتاج الخلايا الشمسية (المعروفة أيضًا باسم الخلايا الكهروضوئية) بنسبة 45٪ في عام 2005. وقد أدى بناء مزارع الرياح الجديدة، وخاصة في أوروبا، إلى زيادة القدرة على إنتاج الكهرباء من طاقة الرياح في العالم بمقدار عشرة أضعاف خلال العقد الماضي. وقد ارتفع إنتاج الإيثانول، وهو الوقود الحيوي الأكثر شيوعاً في الولايات المتحدة، إلى 36.5 مليار لتر في العام الماضي، وكان أغلبه مقطراً من الذرة المزروعة في الولايات المتحدة.

 

الهجوم إلى الأماميجب على مقدمي الطاقة المتجددة التغلب على العديد من التحديات التكنولوجية والاقتصادية والسياسية قبل أن يتمكنوا من تحدي مقدمي الوقود المعدني. على سبيل المثال، يجب أن ترتفع أسعار الخلايا الشمسية وتنخفض حتى تتمكن من التنافس مع محطات الطاقة التي تعمل بحرق الفحم. يجب على مطوري مزارع الرياح التعامل مع القضايا البيئية والمعارضة المحلية. ومن بين مصادر الطاقة المتجددة الواعدة الأخرى المولدات التي تعمل بالبخار الحراري الأرضي بالإضافة إلى محطات الطاقة التي تحرق الكتلة الحيوية، أي الخشب والنفايات الزراعية.

 

الطاقة الحرارية من المراياويمكن لأنظمة الحرارة الشمسية، والتي تستخدم بالفعل لتزويد المنازل والمصانع بالمياه الساخنة (مثل الغلايات الشمسية)، أن تولد الكهرباء أيضًا. وبما أن هذه الأنظمة تولد الكهرباء من حرارة الشمس وليس من ضوء الشمس، فإنها تتجنب الحاجة إلى الخلايا الشمسية باهظة الثمن.

 

المكثف الشمسيتتكون مجموعة الحرارة الشمسية من آلاف المكثفات الشمسية على شكل لوحة، كل منها متصل بمحرك ستيرلينغ، الذي يحول الحرارة إلى كهرباء. تم ترتيب مرايا المكثف الشمسي لتركيز ضوء الشمس المنعكس منها على مستقبل محرك ستيرلنغ.

 

محرك ستيرلينغيقوم محرك ستيرلينغ الفعال بالعمل عن طريق تدفق مادة، مثل غاز الهيدروجين، بين الحجرتين (أ). يفصل جهاز التجديد الخلية الباردة (باللون الأزرق) عن الخلية الساخنة (باللون البرتقالي). ويحافظ على الفروق في درجات الحرارة بين الخلايا. تعمل الطاقة الشمسية التي يتم استقبالها في المجمع على تسخين الغاز الموجود في الخلية الساخنة، بحيث ينتشر ويحرك المكبس الساخن (ب). يغير المكبس اتجاهه ويدفع الغاز الساخن إلى الغرفة الباردة (ج). عندما يبرد الغاز، يمكن للمكبس البارد أن يضغطه بسهولة، وبالتالي يمكن أن تبدأ الدورة من جديد (د). تعمل حركة المكابس على تشغيل التوربين الذي يولد الكهرباء بمساعدة مولد كهربائي.

 

عن المؤلف

دانييل إم كامين هو أستاذ كبير دفعة 1935 في جامعة كاليفورنيا، بيركلي، حيث يشغل مناصب مختلفة في مجموعة أبحاث الطاقة والموارد، وكلية جولدمان للسياسة العامة، وقسم الهندسة النووية. وهو المدير المؤسس لمختبر الطاقة المتجددة والكافية، والمدير المشارك لمعهد بيركلي البيئي.

 

شحن الهجينوسوف تكون الفوائد البيئية للوقود الحيوي أعظم إذا تم استخدامه لتزويد السيارات الكهربائية الهجينة بالوقود. وعلى غرار السيارات الهجينة العادية، التي تجمع بين البنزين والكهرباء، تجمع هذه السيارات والشاحنات بين محرك احتراق داخلي ومحرك كهربائي، لتحقيق أقصى قدر من استهلاك الوقود. الفرق هو أن السيارات الهجينة تحتوي على بطاريات أكبر، ولها قابس يمكن توصيله بالتيار الكهربائي لإعادة شحنها. هذه المركبات قادرة على السفر بالكهرباء وحدها في رحلات قصيرة. في الرحلات الطويلة، عندما تصبح البطارية ضعيفة، يبدأ محرك الاحتراق في العمل. يمكن لهذا المزيج أن يحسن استهلاك الوقود بشكل كبير: يبلغ استهلاك الوقود للسيارة العائلية العادية اليوم حوالي 15 كيلومترًا لكل لتر، والسيارات الهجين العادية، مثل تويوتا بريوس، في المتوسط ​​20 كيلومترًا لكل لتر، وفي المقابل يمكن للسيارة الهجين القابلة للشحن أن تعمل على تحسين استهلاك الوقود بشكل كبير. تصل إلى 35 إلى 70 كيلومترًا للتر الواحد. يتم تقليل استخدام الزيت بشكل أكبر إذا كانت السيارة الهجينة تعمل بمزيج الوقود الحيوي، مثل 85E، وهو خليط من 15% بنزين و85% إيثانول.

وإذا تم استبدال أسطول السيارات الأمريكي بالكامل بين عشية وضحاها بسيارات هجينة، فإن استهلاك النفط في البلاد سينخفض ​​بنسبة 70% أو أكثر، وبالتالي ستختفي الحاجة إلى استيراد النفط تماما. وكان من الممكن أن يكون لهذا التحول عواقب بعيدة المدى على الحفاظ على مناخ الأرض الهش، بصرف النظر عن القضاء على الضباب الدخاني. وبما أن معظم الطاقة كانت ستأتي إلى السيارات من الشبكة الكهربائية وليس من خزانات الوقود، فإن الضرر البيئي كان سيتركز في بضعة آلاف من محطات توليد الطاقة، بدلا من مئات الملايين من المركبات. ومثل هذا التحول من شأنه أن يركز تحدي الحفاظ على المناخ على مهمة الحد من انبعاثات الغازات الدفيئة الناتجة عن إنتاج الكهرباء فقط.

يمكن للسيارات الهجينة أيضًا أن تجلب الراحة لصناعة السيارات الأمريكية. وبدلاً من الاستمرار في خسارة قطاعات السوق لصالح شركات من بلدان أخرى، سيكون مصنعو السيارات الأميركيون قادرين على العودة إلى المنافسة إذا قاموا بتحديث مصانعهم لإنتاج سيارات هجينة، والتي توفر وقوداً أكثر بكثير من السيارات الهجين التي لا تعمل بشحن البطاريات. من إنتاج اليابانيين. وستستفيد محطات الطاقة أيضًا من هذا التحول، لأن معظم مالكي السيارات الهجينة سيشحنون سياراتهم ليلاً، عندما تكون الكهرباء أرخص، وبالتالي تحقيق التوازن بين أوقات الذروة والانخفاض لاستهلاك الكهرباء اليوم. في كاليفورنيا، على سبيل المثال، سيؤدي استبدال 20 مليون سيارة تقليدية بسيارات هجينة إلى زيادة استهلاك الكهرباء في الليل إلى مستوى قريب من الاستهلاك أثناء النهار، وهو ما من شأنه أن يحسن استخدام الشبكة الكهربائية ومحطات الطاقة، التي دخل العديد منها في إضراب عن العمل. ليلة. كما أن السيارات الكهربائية التي لن يتم استخدامها خلال النهار ستكون قادرة على توفير الكهرباء لشبكة الكهرباء المحلية خلال ساعات الذروة. إن الفوائد الكامنة في هذا بالنسبة للصناعة الكهربائية سحرية للغاية لدرجة أن شركات الكهرباء قد ترغب في تشجيع مبيعات السيارات الهجينة من خلال تقديم أسعار كهرباء أقل لشحن بطاريات السيارة.

والأهم من ذلك كله، أن السيارات الهجينة ليست مركبات غريبة من المستقبل البعيد. أطلقت شركة دايملر-كرايسلر بالفعل نموذجًا أوليًا لسيارة هجينة تعمل بالكهرباء، وهي نسخة من سيارة فان مرسيدس-بنز سبرينتر، والتي تستهلك وقودًا أقل بنسبة 40% من الطراز التقليدي. وستكون السيارات الهجينة أكثر اقتصادا عندما تعمل التقنيات الجديدة على تحسين كثافة الطاقة في البطاريات، بحيث تتمكن المركبات من السفر لمسافات أكبر باستخدام البطارية فقط. [انظر: "السيارات الهجينة تكتسب سرعة"، جوزيف ج. روما وأندرو أ. فرانك، مجلة ساينتفيك أمريكان إسرائيل، أكتوبر-نوفمبر 2006]

 

البحث والتطوير هو المفتاح
لقد شهد الإنفاق على البحث والتطوير في قطاع الطاقة في الولايات المتحدة انخفاضاً مطرداً منذ ذروته في ثمانينيات القرن العشرين. تظهر الأبحاث المتعلقة بنشاط تسجيل براءات الاختراع أن انخفاض التمويل أدى إلى تباطؤ تطوير التقنيات الجديدة في مجال الطاقة المتجددة. على سبيل المثال، انخفض عدد الطلبات المقدمة لتسجيل براءات الاختراع في مجال الخلايا الشمسية والكهرباء المنتجة من الرياح مع انخفاض الإنفاق على البحث والتطوير في هذا المجال.

 الوقود المعدني الأقل سوءًا

على الرغم من أن مصادر الطاقة المتجددة هي أفضل وسيلة للحد بشكل جذري من انبعاثات الغازات الدفيئة، إلا أن توليد الكهرباء من الغاز الطبيعي بدلا من الفحم يمكن أن يقلل بشكل كبير من كمية الكربون المنبعثة في الغلاف الجوي. وتطلق محطات الطاقة التي تعمل بحرق الفحم نحو 0.25 كيلوجرام من الكربون عن كل كيلووات/ساعة من الكهرباء التي تنتجها (محطات الطاقة الأكثر تقدماً التي تعمل بحرق الفحم تنبعث منها كربون أقل بنسبة 20%). لكن الغاز الطبيعي (الذي يحتوي في الغالب على غاز الميثان، CH4) يحتوي على نسبة أعلى من الهيدروجين إلى الكربون مقارنة بالفحم. محطة توليد الطاقة التي تحرق الغاز الطبيعي في دورة مركبة تنبعث منها فقط 0.1 كجم من الكربون لكل كيلووات/ساعة (انظر الرسم البياني).

ومن المؤسف أن الزيادة الهائلة في استخدام الغاز الطبيعي في الولايات المتحدة ودول أخرى أدت إلى ارتفاع أسعار الغاز. في العقد الماضي، كان الغاز الطبيعي مصدر الطاقة من الوقود المعدني الذي نما بأسرع معدل، وهو يوفر حاليا ما يقرب من 20٪ من الكهرباء في الولايات المتحدة. وفي الوقت نفسه، ارتفع سعر الغاز الطبيعي من متوسط ​​2.5 دولار إلى 3 دولارات لكل مليون وحدة حرارية بريطانية في عام 1997، إلى أكثر من 7 دولارات لكل مليون وحدة حرارية بريطانية اليوم.

وكانت الزيادات في الأسعار في عام 2003 مثيرة للقلق إلى الحد الذي جعل ألان جرينسبان، رئيس مجلس الاحتياطي الفيدرالي آنذاك، يحذر من أن الولايات المتحدة تواجه أزمة غاز طبيعي. وكان الحل الأولي الذي اقترحه البيت الأبيض وبعض أعضاء الكونجرس هو زيادة إنتاج الغاز. وتضمن مرسوم سياسة الطاقة لعام 2005 تقديم إعانات واسعة النطاق لدعم منتجي الغاز، وزيادة عمليات التنقيب وتوسيع واردات الغاز الطبيعي المسال. ومع ذلك، فمن المحتمل ألا تكون مثل هذه الإجراءات قادرة على تعزيز أمن الطاقة، لأن معظم الغاز الطبيعي المسال سيأتي من بعض دول أوبك التي تزود الولايات المتحدة بالنفط. علاوة على ذلك، فإن توليد الكهرباء حتى من أنظف الغاز الطبيعي سيظل ينبعث منه الكثير من الكربون، إذا كنا نعتزم إبقاء مستوى ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي أقل من تركيز يتراوح بين 450 إلى 550 جزءًا في المليون من حيث الحجم (المستويات الأعلى يمكن أن تكون مدمرة للبيئة) مناخ الأرض). وسوف يستغرق الأمر وقتاً أقل، وسوف يكون أيضاً أرخص وأكثر نظافة، لتحسين كفاءة الطاقة وتطوير مصادر الطاقة المتجددة، وهذا من شأنه أيضاً أن يمنح الولايات المتحدة قدراً أعظم من أمن الطاقة مقارنة بتطوير إمدادات إضافية من الغاز الطبيعي. تكلفة الكهرباء من مزرعة الرياح أقل من الكهرباء المنتجة في محطة توليد الكهرباء بالغاز الطبيعي، إذا أخذت في الاعتبار التكلفة الإجمالية لبناء محطة توليد الكهرباء وأسعار الغاز المتوقعة. كما يتم بناء مزارع الرياح وألواح الطاقة الشمسية بسرعة أكبر من بناء محطة طاقة كبيرة تعمل بالغاز الطبيعي. والعامل الأكثر حسما هو أن تنويع مصادر الطاقة الأمريكية هو العامل الأهم في الحفاظ على قطاع طاقة تنافسي ومبتكر. لذا فإن تشجيع المصادر المتجددة أمر منطقي حتى لو أخذنا في الاعتبار الفوائد الاقتصادية فقط وتجاهلنا الفوائد البيئية.

 

والمزيد حول هذا الموضوع

عكس اتجاه الانكماش المذهل لميزانية البحث والتطوير في مجال الطاقة. DM Kammen وGF Nemet في قضايا في العلوم والتكنولوجيا، الصفحات 84-88؛ خريف 2005
البحوث العلمية والهندسية التي تقدر قيمة الكوكب. أ. جاكوبسون ودي إم كامين في The Bridge، Vol. 35، لا. 4، الصفحات 11-17؛ شتاء 2005
مصادر الطاقة المتجددة 2005: تقرير الحالة العالمية. شبكة سياسات الطاقة المتجددة للقرن الحادي والعشرين. معهد وورلدواتش، 21
يمكن أن يساهم الإيثانول في تحقيق أهداف الطاقة والبيئة. AE Farrell، RJ Plevin، BT Turner، AD Jones، M. O'Hare وDM Kammen في العلوم، المجلد. 311، الصفحات 506-508؛ 27 يناير 2006

كل هذه المقالات يمكن العثور عليها أيضًا عبر الإنترنت على:

http://rael.berkeley.edu/publications