الطاقة المتجددة: ماذا أحتاج أن أعرف عنها

الطاقة المتجددة: ما أحتاج أن أعرف عنها

إنَّ كوكبنا الأرض، يُعاني بسببنا، فعالمنا الحديث المُتعطش للطاقة والذي يقوم بجمعها عن طريق حرق الوقود الأحفوريّ، مُنتجًا كمياتٍ هائلة من ثاني أكسيد الكربون ومؤديًا إلى إرهاق كوكبنا ورفع حرارته، سيسبب المزيد من المشاكل مستقبلًا.

ولكن، وعلى الرغم من هذا، يبقى الأمل موجود في الطاقة المتجددة "النظيفة"، حيثُ تتجه الأبحاث في عالم الطاقة نحو الحصول على مصادرٍ مُستدامة، آمنة وفعالة.

1.     في البداية ما هي الطاقة المُتجددة؟ وما هي مصادرها الرئيسيّة؟

الطاقة المُتجددة هي الطاقة المأخوذة من مصادر مستدامة، بحيث لن تنتهي هذه المصادر على الأقل على المدى القريب، ومن مصادرها:

-       الطاقة الشمسيّة بنوعيها: إنتاج الكهرباء مباشرةً أو عن طريق تسخين المياه بالمرايا العاكسة (حيثُ يستخدم هذا النظام لتوليد الكهرباء)

طاقة شمسية 1:إنتاج مباشر

طاقة شمسية 2:التأثير الحراري.

-       طاقة الرياح

عنفات "توربينات" هوائية

-       الطاقة الكهرومائيّة

مثال لمحطة مائية

-       طاقة الكتلة الحيويّة

-       طاقة حرارة باطنِ الأرض

2.     هل من الممكن تخزين الكهرباء وإنتاج احتياطيٌ منها كالماء والنفط؟

نسبةً للتكنولوجيا الحاليّة، لا يمكن ذلك إلا عن طريقِ البطاريات وهي مُكلفة جدًا وغيرُ عمليةٍ؛ لأن عملية تخزين الطاقة في البطارية تتطلب أن يكون تيار البطارية تيارًا مستمرًا، وعندما يستخرج التيار سيكون مستمرًا أيضًا، غير أنَّ عملية نقل الطاقة يجب أن تتم بتيارٍ مُتررد لتحقيق كفاءةٍ عاليّة ومنعًا لإضاعة الطاقة، ولذلك يتمُّ في محطات التوليد مُراقبة الحمل ولا يتمُّ التوليد إلا على قدر الحاجة.

3.     هل يمكن أنْ ننتج الكهرباء من الإنسان؟

إنَّ الكهرباء شكلٌ من أشكال الطاقة، ويمكن التحويل بينها وبين أي شكلٍ آخر من أشكال الطاقة، غير أنَّ الإنسان بذاته لا يمثل طاقة، ولكنه يحوي على طاقةٍ مخزونة كيميائيًا فيه، فمثلًا يمكن استغلال مجهوده العضليّ لإنتاج الطاقة.

4.     هل يمكن للألواح الشمسيّة أن تنتج تيارًا متناوبًا؟ وما كمية الطاقة المُنتجةِ من لوحٍ بمساحةِ 1م×1م؟

لا، لا يمكن إنتاج التيار المُتناوب من لوحٍ شمسيّ بشكلٍ مُباشر، فالألواح تنتج تيارًا مُستمرًا ثم تحتاج لـ "إنفيرتر/عاكس" لتحولهُ إلى تيارًا مُتردد يمكن التحكم فيه.

أمّا كمية الطاقةِ المُنتجة من لوحٍ واحد فتختلف اختلافًا شديدًا من لوحٍ لآخر، حيثُ تعتمد على نوع اللوح، والوقت من اليوم، والحالة الجويّة، وكفاءة اللوح، ولكن يمكن القول أنَّ أفضل الألواح المتوافرة تجاريًا الآن، يمكنها إنتاج ما يُقارب الـ 100 واط لكل 1 متر مربع في الظروف المثاليّة.

5.     هل إنَّ الطاقة النوويّة بهذا السوءِ فعلًا، أم أن الإعلام والرأي العام يبالغ في التخوف منها؟

لا شك أنَّ الإعلام يبالغ في الأمر، ولكني شخصيًا لست مع الطاقة النوويّة، بسبب التكاليفِ العاليّة جدًا لإنشائها وتشغيلها، مُقارنةً مع مصادر الطاقة الأخرى مثل الرياح والشمس.

فمثلًا لا تمتلك دول العالم الثالث مُخصبات يورانيوم خاصةً بها، وسوف تتجه لشراء هذا اليورانيوم من الدول المُتطورة.

ومن جهةٍ أخرى، فالشمس والرياح مصادر لا يتحكم بها أحد، ولهذا أنا مع استخدامها بدلًا عن الطاقة النوويّة.

لا ننسى أيضًا أنَّ أبحاث الاندماج النوويّ في تطور مُستمر، فمن يدري ما قد يحصل إنْ تحكمنا بها.

6.     هل للطاقة الكهربائيّة التي تنتجها محطةٌ تعمل بالوقود الأحفوريّ، نفس كفاءةِ وغزارة وثبات الطاقة الكهربائيّة المُنتجة من المحطاتِ التي تعمل بالطاقة الشمسيّة أو الرياح؟

في الحقيقة، إنَّ المحطات الحراريّة (التي تعتمد على حرق مشتقاتِ النفط بأنواعه) ما زالت تعتبر الأرخص وليس الأكفئ، فكفائتها مُنخفضة، أمّا بالنسبةِ للطاقة المتجددة، تشير التوقعات إلى أنها ستصل لسعر النفط في حدود عام 2022م.

وبالنسبة لثبات الإنتاج فالمحطات الشمسيّة ومحطات الرياح تعتبر من هواجس ومخاوف مُهندس التحكم المسؤول عن كامل النظام الكهربائيّ، ولغاية الآن لا يوجد لدينا تحكم بالمناخ ولذلك فقد تنخفض قدرةُ المحطة الشمسيّة بشكلٍ مُفاجئ نتيجةً للظروف الجويّة، وهذا الإنخفاض يجب أنْ يتمَّ تعويضهُ مباشرةً من المحطات الحراريّة التي يمكننا التحكم بها.

المشكلة الرئيسيّة، تتمثل بأنهُ ومن أجل التعويض يجب أنْ تبقى المولدات في حالةِ ربط مع الشبكة، وفي هذهِ الحالة يبقى المولد في حالةِ دوران دون أن يضخ طاقةً للشبكة وهذا الدوران يكلف نقودًا ووقودًا، حيثُ لا فائدة من المولد إلا في حالة حصولِ تغيرٍ مفاجئ، فيبدأ بالعمل.

كما أنَّ الخلايا الشمسيّة "التجاريّة" لا تتعدى 20% في أفضل حالاتها، لكن كل الأبحاث تشير إلى أنه وفي غضون (15-10) سنة ستتغير قوانين اللعبة تمامًا.

7.     ما هي الدول الرائدة في مجال الطاقة المُتجددة؟ وأين العالم العربي منها؟

يقترن اسم الطاقة المتجددة رُبَّما برائدتها "ألمانيا"، والتي وصلت في شهر أيار (مايو) من هذا العام لإنتاجٍ هائل من الطاقة المُتجددة، حيثُ أصبحت تعرفة الطاقة سالبة، أي أنك تحصل على نقودٍ نتيجةً لاستهلاكك الكهرباء، وهذا يعود لطريقتهم في تسعير الكهرباء.

ولكن بعيدًا عن الدول المُتقدمة، إنَّ دولة من العالم الثالث، استمدت ما يُقارب 100% من حاجتها الكهربائيّة من الطاقةِ المُتجددة، هذهِ الدولة هي كوستاريكا (أميركا الوسطى)، هذه الدولة الصغيرة بتعداد 5 مليون نسمة تقريبًا، استطاعت أنْ تتخلص من الوقود الأحفوريّ في إنتاجها للكهرباء.

أمّا الوطن العربيّ فوضعه مُختلف قليلًا، وعلى الرغم من ذلك فإنَّ المغرب والإمارات يقدمان نماذجًا رائعةً جدًا في سبيل حمايةِ البيئة والتخلص من النفط.

إنَّ الأبحاث التي تجري في الإمارات حول الألواح الشمسيّة ورفع كفائتها واعدةٌ جدًا، ولا ننسى أنَّ المغرب ستبدأ ببناء واحدةٍ من أكبر المحطات الشمسيّةِ في العالم.

 إنَّ هذهِ النماذج تعطينا أملًا كبيرًا، للتخلص من النفط، وحمايةِ أمنا الأرض، وزيادة الوعي البيئيّ في الوطن العربيّ والعالم والضروريّ لمواجهة المُستقبل بكل ثقةٍ وقوة.

إعداد: عمر عبد الوهاب

تدقيق: عائشة الصواف

تمدد الزمن

تمدد الزمن

ملاحظة: تمدد الزمن هو حدث فيزيائي مثبت تجريبياً.

نعلم جميعنا أن سرعة الضوء هائلة جداً، وتبلغ 300ألف كم/ثانية، أو 1مليار و80 مليون كم/س، ولكن للتبسيط لنقم بهذه التجربة الذهنية في محاولة لفهم تأثير تمدد الزمن المرتبط مع النظرية النسبية الخاصة، نظرية اينشتاين.

سنفرض أن سرعة الضوء 100كم/س، وأنك تقود سيارتك بسرعة ثابتة 90 كم/س، لمدة ساعتين، أي أنك ستقطع 180كم بسرعة تقدر بـ90% من سرعة الضوء (حسب تجربتنا الذهنية)، ولذلك، سيبدأ تأثير تمدد الزمن بالظهور بشكل واضح، وحسب معادلات النظرية النسبية فإن الجسم الساكن سيمر عليه الوقت بشكل أسرع من الجسم المتحرك، أي أن زمانه سيتمدد، وسيختلف انسياب الوقت، حسب المعادلة:

t = t’*[1-(v2/c2)]^(0.5)

حيث:

t: الزمن بالنسبة للجسم المتحرك

t’:الزمن بالنسبة للجسم الساكن

v: سرعة تحرك الجسم

c: سرعة الضوء  

تعطينا المعادلة القدرة على حساب هذا الفارق بدقة، فإذا طبقنا أرقام تجربتنا على هذه المعادلة، سنجد أن t=52  دقيقة، حسناً، لنفهم هذا المثال أكثر لنتخيل بأنك وصديقك قد قمتما بضبط ساعتيكما ليعملا معا على نفس التوقيت، وبأنك انطلقت في تمام 4:00 مساءً، فعندما تصل ستكون ساعة صديقك قد أصبحت 6:00 مساءً بينما ساعتك أصبحت 4:52 مساءً! أي أن الزمن قد تمدد (ازداد، كبر) بالنسبة لصديقك الساكن!

بسبب هذا التأثير نفسه، فإن رحلتك إلى مجرة أندروميدا أقرب جيراننا، التي تبعد عنا 2 مليون كم، بسرعة قريبة جدا من سرعة الضوء (حوالي 99.9%)، لن يستغرق سوى 28 سنة ولكن بالنسبة للأرض (الساكنة نسبيا) سيمر 2 مليون سنة! مما يعني أنك لو انطلقت في عامنا الحالي 2016، فإنك عندما تصل إلى أندروميدا سيكون تقويمك مؤشراً على عام 2044م، ولكن تقويم الأرض سيكون 2002044م!! هل تتخيل!!

كيف سيحل العلم هذه المشكلة؟!

هذا ما ننتظره!

المصدر: همام غصيب، السندباد الفيزيائي ونسبية آينشاين، الطبعة الأولى، مشورات وزارة الثقافة، 2008

أهم 7 أسئلة واجهتني عن الكهرباء

أهم 7 أسئلة واجهتني عن الكهرباء.

الكهرباء، نحتاجها ونستعملها يوميا، ولا نكاد ندري عنها شيئا، أما بالنسبة لي فالكهرباء هي شغفي وتخصصي أيضا، فأنا طالب هندسة كهربائية في السنة الأخيرة وقمت مؤخرا بمساهمة على منصة حسوب I/O بخصوص الكهرباء، وفي الحقيقة لقد تلقيت العديد من الأسئلة المهمة جدا حول الكهرباء وماهيتها وأحببت أن أشارككم هنا ببعض هذه الأسئلة.

هنا رابط المشاركة على منصة حسوب I/O.

والآن أترككم مع الأسئلة: 

1- كيف تشرح ماهية الكهرباء لطفل ؟

كل شيء يتكون من ذرات، في الذرات قطع صغيرة تسمى الالكترونات، عندما تتحرك هذه الالكترونات فإنها تعطينا من طاقتها لننعم بالضوء والكهرباء.

2- ما هى الفكره الأساسية التى قامت عليها الكهرباء ؟

كلمة “مهندس كهربائي” حديثة، عمرها لا يتعدى 150 عام، بدأ المصطلح بالظهور مع بدأ تصميم خطوط التلغراف.

الكهرباء كما نعرفها اليوم يمكن أن تعزى إلى أبحاث مايكل فارادي وماكسويل، هؤلاء العظماء وحدوا الكهرباء والمغناطيسية فيزيائيا ليأتي بعدهم العظيم نيكولا تسلا ويستخدم نظرياتهم هندسيا.

ربما تكون أعظم لحظة في حياة الكهرباء عندما لاحظ مايكل فارادي الرابطة بينها وبين المغناطيسية

الكهرباء خاصية اساسية في المادة .. فمنذ أن خلق الكون والذرات تحوي الشحنات الكهربائية "البروتون والالكترون".

3- ما علاقة الكهرباء مع المغناطيسية؟

إن الكهرومغناطسية بناء من كلمتين كهرباء-مغناطيسية وذلك لترابطها الشديد، إذ يعتبران وجهين لنفس العملة، تجليان لنفس القوة، والقوة الكهرومغناطيسية قوة أساسية في الطبيعية (بالإشتراك مع النووية الشديدة والنووية الضعيفة والجاذبية)، أيضا يمكننا تقسيم الآلآت الكهربائية لثلاث فئات رئيسية: المولد والمحرك والمحول، وأساس عملهم الرابطة بين الكهرباء والمغناطيسية، مثلا: عندما يقطع موصل مجال مغناطيسي ينشأ فيه تيار (وهذا مبدأ عمل المولد)، أما عندما يمر تيار في موصل ينشأ مجال مغناطيسي (وهذا مبدأ المحرك)، أما المحول فإنه يقوم بتحويل الكهرباء لمجال مغناطيسي ثم يعيد تحويل هذا المجال إلى كهرباء بجهد وتيار مختلف !!

4- ما الفرق بين الجهد الكهربائي (التوتر) والتيار الكهربائي ؟

الجهد الكهربائي هو عبارة عن الطاقة التي تحتاجها لنقل شحنة كهربائية من نقطة لأخرى، يعني إذا كان فرق الجهد بين نقطتين 10 فولت فهذا يعني أننا بحاجة  10 جول من الطاقة لنقل كولوم واحد بين النقطتين، وهو السبب في تحرك التيار الكهربائي،التيار يتحرك من الجهد الأعلى للأدنى.

ومن هذا التعريف نستنتج أن التيار الكهربائي هو عبارة عدد الشحنات التي تمر في موصل في الثانية الواحدة، وقولنا أن 1 أمبير يمر في هذا الموصل يعني أن كولوما واحدا يمر عبره في الثانية الواحدة.

5- ما الفرق بين التيار المتناوب (المتردد) والتيار المستمر؟ وكيف يتم التحويل بينهما؟

التيار المتناوب تحفة نيكولا تيسلا، ويقوم على مبدأ تغيير اتجاه مرور التيار في الموصل وهو التيار المستخدم في عمليات نقل الطاقة الكهربائية، ويكمن الفرق الرئيسي بينه وبين التيار المستمر، أن التيار المستمر لا يغير اتجاهه، فعند قولنا أن تيارا متناوبا يمر في قابس جهاز التلفاز بتردد 50 هيرتز فهذا يعني أن التيار يدخل من السلك الأول للقابس ويخرج من الثاني ثم يتوقف ثم يعود ليدخل من السلك الثاني ويخرج من الأول بانتظام 50 مرة كل ثانية !!

أما بالنسبة للتيار المستمر فيمكن اعتباره تيارا متناوبا ولكن بتردد 0 هيرتز، مما يعني أنه يدخل من السلك الأول ويخرج من الثاني بانتظام ودون تغيير لقيمته أو اتجاهه !!

أما بالنسبة لعملية التحويل، فالجهاز الذي يحول من تيار متناوب لتيار مستمر يسمى المقلم "Rectifier" ولا أعرف في الحقيقة أسماء تجارية له، وأهم تطبيق له هو شواحن أجهزتنا بشكل عام.

أما التحويل من تيار مستمر لمتناوب فجهازه هو الانفيرتر أو العاكس "inverter" وهو اسمه التجاري أيضا، 

وأهم تطبيق له هو تحويل التيار الناتج من الخلايا الشمسية لتيار متناوب. 

6- كم فولت تقتل الإنسان؟

ليس الجهد الكهربائي ما يقتل الإنسان، ولكن مرور التيار الكهربائي فيه هو ما يحرر طاقة كبيرة ويحترق الجسم بسببه، وتقريبا )ثمن،1/8) أمبير تعتبر قاتلة وتعتمد أيضا لمدة التعرض للضربة الكهربائية، تختلف القيمة من شخص لآخر ومن ظرف لآخر، ولكن إذا كان الشخص يقف على الأرض حافيا وعلى أرضية غير مبلولة فتقريبا 220 فولت لمدة ثواني ستكون قاتلة. 

7- لماذا لا زالت بعض الدول تعمل على جهد 110 فولت بدلا من 220 فولت؟

في الحقيقة هناك شبه اتفاق عالمي على توحيد قيمة الفولتية لشبكات التوزيع عند 230 فولت بدلا من 110 و220 فولت، إن هذا سيؤدي لزيادة كفاءة شبكات التوزيع وتقليل فقد الكهرباء، ولكن المخاطر تنطوي في عملية تصميم القوابس والمسافات بينها، إذ أن فولت أعلى يعني الحاجة لمسافة عزل أكبر وإلا فقد تنطلق شرارة تسبب حريق،الأمر لا يدعو للخوف لأن تصميم القوابس يأخذ هذا الكلام بعين الاعتبار، أتوقع أن تتجه كل الدول ل230 فولت قريبا.

الكلمات المفتاحية: الكهرباء، الهندسة الكهربائية، الجهد الكهربائي، التيار الكهربائي، التردد الكهربائي، فولت، أمبير، تيار متناوب، تيار متردد