الطاقة المتجددة الحاضر والمستقبل

بدأت البحوث والدراسات لمواجهة حقيقة نضوب الوقود التقليدي كالفحم والنفط والغاز الطبيعي واستبداله بطاقات متجددة غیر ناضبة وغیر ملوثة للبيئة. وتعرف الطاقات المتجددة أنھا تلك الطاقات التي تتولد بصورة طبيعية من الموارد الطبيعية المستديمة اي أنھا غیر ناضبة ومتوفرة في الطبيعة بصورة غیر محدودة وأحيانا محدودة ولكنھا متجددة باستمرار، فضلا عن أنھا نظيفة لا ینتج عند استخدامها أي تلوث بيئي؛ وتشمل ھذه المصادر، الطاقة الشمسية التي تعد المصدر الرئيس للطاقة على سطح الأرض وكذلك طاقة الریاح (يتم الاستفادة منها من خلال توربينات الرّياح التي تُحول الطاقة الحركية للرياح إلى طاقة كهربائية)، وطاقة الأمواج والمد والجزر(فهي تُستمد من خلال حركة التيارات المائية الناتجة عن المد والجزر لمياه البحار والمحيطات، وتعد هذه الطاقة حديثة نوعًا ما وتُنتج من خلال وضع توربينات في مناطق حدوث المد والجزر، ثم تُحوّل الطاقة الحركية إلى طاقة كهربائية في میاه المحيطات)، وطاقة الحرارة الجوفية (هي الحرارة التي تُستَمد من حرارة باطن الأرض، وتُستخدم في تدفئة المباني، وتوليد الكهرباء، والاستحمام. وصُنّفت بأنها طاقة مُتجددة نظرًا؛ لأن الأرض تحتوي على مواد مصهورة دائمة الاشتعال والحرارة، تنتج عن عمليات التحلل البطيئة للجسيمات المشعّة في باطن الأرض والصخور، وهذه المواد المصهورة تقترب من الأرض التي تكون قريبة من أماكن وجود البراكين، ثم تمتص حرارتها الصخور والمياه الجوفية المتواجدة في خزانات أسفل الأرض، لترتفع حرارتها وتُستخدم للأغراض الإنتاجية من قِبل الإنسان) ، وطاقة الشلالات (التي تُنتج من مصادر المياه وتحديدًا خزانات السدود ومياه الأنهار المتدفقة، فمع حركة الماء تتحرك التوربينات المُثبتة فيها وتدور، ثم تُحوّل الطاقة الميكانيكية الناتجة إلى طاقة كهربائية. ظهرت قديمًا لكن بشكل مُبتدئ في مطاحن الحبوب، حيث كانت الطاقة المائية المسؤولة عن تشغيل هذه المطاحن، وتعد من أكثر أنواع الطاقة استخدامًا وأكثرها أهمية، إذ تُشكّل ما نسبته 17% من إجمالي إنتاج الكهرباء، تتواجد بكثرة في الصين والبرازيل وكند).

لا تنشأ عن الطّاقة المتجددة عادةً مخلّفات الوقود الأحفوري الضارّة للبيئة مثل تلك المخلفات المؤدية لزيادة الاحتباس الحراري كثنائي أكسيد الكربون (CO₂)؛ باستثناء استخدام الوقود الحيوي (biogas) لتوليد الطاقة من مواد نباتية، حيث إنه بالرغم من أن مخلفاتها تزيد الاحتباس الحراري إلا أنها يمكن أن تكون مستدامة، فيعتبرها الاتحاد الأوروبي والأمم المتحدة كطاقة متجددة. وصنف العلمـاء الطاقــة الناتجـة من حـرق الفضلات الزراعيـة والمنزليـة ضمـن الطـاقـات المتجددة؛ حيث ظهرت فكرة لفتت الانظار اليها وعلقت الآمال عليها بشكل غير مسبوق الا وهي استخدام الهيدروجين كمصدر للطاقة انطلاقا من كونه أكثر العناصر تواجدا في الكون وغير ملوث للبيئة.  لذلك بدا الكثير من دول العالم في قبول حتمية التحول الى اقتصاد يقوم على الهيدروجين كوقود مستقبلي.  كان التحدي الاصعب في هذا التحول هو صعوبة تخزين الكهرباء في خلايا الوقود والبحث عن تطوير خلايا توليد هيدروجين واعده تفي بمتطلبات هذه التكنولوجيا الحديثة. حيث بدا السباق بين شركات الطاقة الكبيرة في تقديم الحلول لتطوير العديد من انواع خلايا الوقود نظرا لكونها التحدي الاعظم امام توليد الطاقة وتخزينها.

ولكن يبقى السؤال هنا: إذا كان هناك كل هذه الأشكال للطاقات النظيفة والمتجددة فلماذا اذاً الاعتماد على الوقود الأحفوري والنفط مستمر حتى وقتنا الحاضر؟

إن الجواب على ذلك يكمن في كون هذه التقنيات الجديدة ما ازلت عالية التكلفة ولا تصلح كبديل عن الوقود التقليدي فكما نلاحظ أن معظم مصادر الطاقة الجيدة تعتمد على ظروف مناخية محددة مثل سطوع الشمس بالنسبة للطاقة الشمسية والتواجد قرب السواحل بالنسبة لطاقة المد والجزر وتوافر الرياح بكثرة في مزارع الاستخدام لاستخدام الرياح عبر توربينات خاصة فيها….. الخ.

ولكن يا ترى من بين كل هذه التقنيات التي تم ذكرها من الذي سينال لقب وقود المستقبل ومن هو الذي سيحل كبديل فعلي عن مصادر الطاقة التقليدية الشائعة؟

بعد العديد من التجارب والمقارنات، قرر العلماء اختيار الهيدروجين كمصدر للطاقة ليكون بديلاً مناسب ليحل محل مصادر الوقود الأخرى، ولكن ما الذي دفع العلماء لاتخاذ مثل هذا القرار، وما هي خواصه الذي ميزته عن باقي الوسائل البديلة الأخرى؟

الهيدروجين بحق الوقود الأبدي الذي لا ينفد على مر العصور، كما أنه العنصر الوحيد الذي لا ينتج عند احتراقه أي انبعاثات ضارة للبيئة، بل إن كل ما يصدر عنه هي كل ما نسعى إليه مثل الكهرباء أو الحرارة أو الماء النقي. إننا على أعتاب انقلاب اقتصادي جديد سيحدث تغييرا جذريا في طبيعة الأسواق المالية قوامه الهيدروجين، تماما مثلما فعل الفحم والبخار عند بداية عصر الصناعة.

يتميز الهيدروجين بوضع خاص في الجدول الدوري، فهو أخف العناصر، ويمتلك أبسط تركيب الكتروني يتواجد بالحالة الغازية في درجة الحرارة والضغط الطبيعيين يتحول الى الحالة السائلة تحت ضغوط عالية ودرجات حرارة قليلة جدا. فبالإضافة الى ان هناك طرائق عديدة لتحضيره، العلماء في حالة بحث مستمر لإيجاد الطرق المثلى لإنتاجه من حيث المواد الداخلة في التفاعل والتكلفة الملائمة والمعقولة.

لقد ذكرنا سابقا في بداية المقال أن البحث عن مصادر بديلة للوقود الأحفوري قد أصبح مشكلة العصر الحديث التي جذبت اهتمام الكثير من العلماء والباحثين ودفعتهم إلى إبداعات كثيرٍة في مجالات شتى وعلى الرغم من أن العالم لم يجد بعد حلاً حقيقيا يعوض عن النفط ومشتقاته الا ان خلايا الوقود قد تعد بديلا مستقبليا ممكنا للبترول على الرغم من وجود بعض المشكلات التي اعترضت العلماء لتطويرها بشكل يتيح استخدامها بدل من الوقود التقليدي فقد طورت ولاسيما في الفترة الأخيرة بشكل كبير وقد استخدمت في الكثير من تطبيقات الحياة حيث تمتلك الكثير من المزايا فهي تعد من أهم تطبيقات الهيدروجين المستخدمة في عصرنا هذا. فمن المؤمل ان تحمي العالم من التلوث الذي يزداد يوم بعد يوم.

ففي منتصف القرن التاسع عشر الميلادي تم اختراع تقنية خلايا وقود الهيدروجين وذلك في انجلترا على يد السير وليام روبرت جروف وظل هذا الاختراع مُهمل لأكثر من 135 سنة تقريبا نظرا لعدم الفائدة من استخدام خلايا وقود الهيدروجين في تلك الفترة لأنه لم ينتج هذا الاختراع ما يكفي من الكهرباء ليكون مفيدًا، ولكن خلايا وقود الهيدروجين عادت مرة اخرى للحياة في عقد الستينيات من القرن العشرين وذلك عندما طورت شركة جنرال الكتريك خلايا تعمل على توليد الطاقة الكهربائية اللازمة من اجل استخدامها في سفينتي الفضاء الشهيرتين جيمي و ابولو التابعة لوكالة ناسا بالإضافة الى توفيرها مياه نقية صالحة للشرب لرواد الفضاء. لقد كانت خلايا وقود الهيدروجين في تلك المركبتين ضخمة جدا وعالية التكلفة لكنها ادت مهامها دون وقوع اي اخطاء وتمكنت من توفير التيا ر الكهربائي للمركبة الفضائية فضلا عن كونها مصدر للمياه النقية الصالحة للشرب.

أن اول استخدام للبطاريات كان في المركبات الفضائية، حيث مولت وكالة ناسا أكثر من 200 عقد بحث تستكشف تكنولوجيا خلايا الوقود، مما يجعل هذه التكنولوجيا في مستوى يمكن أن يكون قابلا للتطبيق في المستقبل القريب بالنسبة للقطاع الخاص. في عام 1993، اكتملت أول حافلة تعمل بخلية وقود، ويجري الآن بناء العديد من سيارات خلايا الوقود في أوروبا والولايات المتحدة. وفي عام1997، طرحت شركة صناعة السيارات الألمانية دايملر بنز وشركة تويوتا سيارات تعمل بنظام خلايا الوقود. اما في عام 1999، افتتحت أول محطة وقود هيدروجين تجارية عامة في أوروبا للسيارات والشاحنات للعمل في هامبورغ، ألمانيا. كشفت شركة دايملر كرايزلر عن سيارة الهيدروجين NECAR4. مع سرعة قصوى بلغت 90 ميلا في الساعة وسعة صهريج 280 ميل.

ان مبدأ عمل خلية الوقود الهيدروجينية هو تحويل الطاقة الكيميائية إلى طاقة كهربائية، حيث يندمج الهيدروجين والأوكسجين معًا في تفاعل كهروكيمياوي. والنتيجة هي إنتاج كهرباء وماء نقي وحرارة. يماثل عمل خلايا الوقود البطاريات لأنها هي كذلك تعمل على تحويل الطاقة الناتجة عن التفاعل الكيميائي إلى طاقة كهربائية. فخلال عملية التشغيل يتأكسد الوقود عند القطب السالب بوجود المادة المحفزة catalyst وتتحرر الالكترونات، وفي نفس الوقت يتم الاختزال عند القطب الموجب بوجود المادة المحفزة ايضا، تسمح صفيحة المحلل electrolyte فقط بمرور البروتونات حاملة الشحنات الموجبة عبرها في حين تمنع مرور الإلكترونات، فتنتقل الالكترونات المتحررة من القطب السالب إلى القطب الموجب عبر الدائرة الكهربائية الخارجية وبذلك يتولد تيار كهربائي مباشرة، كما يمكن تحويله إلى تيار متردد لإداء مهام أخرى، وللحصول على القدرة الكهربائية المطلوبة توضع أكثر من خلية وقود في إطار واحد على شكل مصفوفات كما في الشكل ادناه، تمثل خلايا الوقود تقنية محتملة لتوفير مصدر للكهرباء والحرارة في المباني. كما إنه أيضًا مصدر طاقة للسيارات الكهربائية وبعض المصانع.

خلايا وقود الهيدروجين

مركبة كهربائية مزودة بخلايا الوقود

ونظرا للتاريخ الطويل لتطوير خلايا الوقود تظهر أهميتها وحتمية استخدامها على مدى واسع في المستقبل القريب. قديما كنا نعتبر السيارات التي تستخدم خلايا الوقود ضربا من الخيال والان أصحبت واقعا مفروض علينا وخاصة بعد احتمال قرب نضوب موارد الوقود الأحفوري وحتمية التحول إلى اقتصاد يقوم على طاقة متجددة ونظيفة وأنواع وقود جديدة مثل الكهرباء والهيدروجين. لذلك سوف تعتمد دول العالم المتقدمة على تصدير التكنولوجيا بدلا من النفط، الأمر الذي يفرض علينا كدول عالم نامي ضرورة البدء في اللحاق بركب التقدم في مجال الطاقة. لقد آن الأون، إن لم يكن الوقت قد تأخر، أن تخصص الدول العربية أقسام خاصة بأبحاث الطاقة المتجددة في الكليات والمعاهد حتى تمكننا من اللحاق بركب تكنولوجيا الطاقة المتجددة وخلايا الوقود لتخزين الطاقة.