الاتجاهات المستقبلية المرتبطة بأنظمة الطاقة المتجددة

يعد البحث عن أنظمة الطاقة المتجددة بنسبة (100٪) ظاهرة حديثة نسبياً، بحيث بدأ العمل به في منتصف السبعينيات وكان مدفوعاً بالارتفاع الهائل في أسعار النفط منذ منتصف العقد الأول من القرن الحادي والعشرين، بحيث تطورت بسرعة لتصبح مجالاً بحثياً بارزاً، بحيث يشمل عدداً كبيراً ومتزايداً من المجموعات البحثية والمنظمات في جميع أنحاء العالم.

أهمية الاتجاهات المستقبلية المرتبطة بأنظمة الطاقة المتجددة

دفعت التهديدات التي تلوح في الأفق بتغير المناخ بلا هوادة مناقشات مجتمعية حول إمكانية وجود أنظمة طاقة مستدامة منخفضة الكربون أو حتى سلبية الكربون، كما يقترح مجال أبحاث أنظمة الطاقة المتجددة (RE) بنسبة (100٪)، كما أن هذا يمكن أن يتم بالكامل باستخدام مصادر الطاقة المتجددة ليس فقط لقطاع الكهرباء، ولكن لجميع صناعات الطاقة وغير الطاقة.

وبمرور الوقت ترسخت رؤى وسيناريوهات العلم في السياسة والمجتمع؛ فإن المزيد والمزيد من البلدان تضع أهدافاً صافية صفرية لانبعاثات الغازات الدفيئة (GHG)، حيث يتم الجمع بين جميع قطاعات امتصاص وانبعاث غازات الدفيئة، كما تؤدي هذه التحليلات عادةً إلى اشتراط أن يكون نظام الطاقة خالياً من ثاني أكسيد الكربون، وفي معظم البلدان، أيضاً يعني هذا إمداد طاقة متجددة بنسبة (100٪).

وبالفعل في عام (2011)م؛ حددت الدنمارك هدفاً للوصول إلى مصادر الطاقة المتجددة بنسبة (100٪) في جميع “قطاعات الطاقة” بحلول عام (2050)م، وفي عام (2016)م تعهدت (48) دولة في الدورة الثانية والعشرين لمؤتمر الأطراف في مراكش بالوصول إلى (100٪) من إمدادات الطاقة المتجددة في قطاع الطاقة كحد أدنى، وبالإضافة إلى ذلك، حددت أكثر من (61) دولة حول العالم أهدافًا للطاقة المتجددة بنسبة (100٪) لقطاع الطاقة على الأقل.

تعريف مجال أبحاث أنظمة الطاقة المتجددة بنسبة 100٪

لتحديد (100٪) من أبحاث أنظمة الطاقة المتجددة؛ تحدد أولاً الجوانب المختلفة لتحليل نظام الطاقة بشكل عام، ثم نحدد ما تغطيه أبحاث الطاقة المتجددة بنسبة (100٪)، بحيث يمكن هيكلة تحليلات نظام الطاقة على النحو التالي، مصادر الطاقة، تحويل الطاقة، وهذا تخزين الطاقة نقل الطاقة وحتى الطاقة النهائية التي تفي بالطلب على خدمات الطاقة.

كما أن مصادر الطاقة التي تغطيها أبحاث نظام الطاقة المتجددة بنسبة (100٪) هي الطاقة الشمسية وطاقة الرياح والطاقة الكهرومائية والطاقة الحيوية والحرارة الأرضية وطاقة المحيطات (المد والجزر والأمواج وتيارات المحيطات وطاقة المحيطات)، كما تشير الأبحاث إلى أن الكهرباء المتجددة وكفاءة الطاقة جنباً إلى جنب مع إعادة تصميم نظام الطاقة سيلعبان دوراً مهيمناً في عملية الانتقال نظراً لانخفاض تكلفته وكفاءته العالية وإمكانية تطبيقه على نطاق واسع وتقنياته الناضجة وإمكانية وصوله الواسعة إلى الموارد المتجددة.

أما في الماضي، كانت الطاقة الحيوية والطاقة المائية تعتبران الأكثر أهمية، بينما لوحظ أقوى نمو اليوم في الطاقة الشمسية وطاقة الرياح، بينما من المتوقع أيضاً أن تهيمن الطاقة الشمسية وطاقة الرياح على حلول أنظمة الطاقة المتجددة بنسبة (100٪) على المتوسط العالمي، بحيث يمكن أن تلعب الموارد المتجددة الأخرى دوراً مهيمناً في البلدان أو المناطق الفردية، واليوم تزود عشرة بلدان ما يقرب من (100٪) أو أكثر من الكهرباء من مصادر الطاقة المتجددة ومعظمها يأتي من الطاقة الكهرومائية.

عوامل التحويل الخاصة بمصادر الطاقة من حيث التخزين والنقل

يعني التحويل أن مصادر الطاقة يمكن تخزينها ونقلها واستخدامها، وبغض النظر عن الشكل الأصلي؛ فإن الطاقة في شكلها الأصلي تسمى الطاقة الأولية، كذلك الطاقة في شكلها النهائي كما تستخدم في وجهتها النهائية تسمى الطاقة النهائية، أيضاً الكهرباء من الخلايا الكهروضوئية الشمسية (PV) وطاقة الرياح والطاقة الكهرومائية هي طاقة أولية، وهذا فقط قبل خسائر شبكة النقل والتوزيع والكهرباء بعد خسائر الشبكة الكهربائية هي الطاقة النهائية للاستخدام النهائي.

وغالباً ما تستخدم سيناريوهات الطاقة المتجددة الحديثة بنسبة (100٪) تقنيات الطاقة إلى [X (PtX)] على نطاق واسع، ولا سيما القدرة على التسخين والطاقة إلى الهيدروجين، بحيث لا يمكن استخدام الهيدروجين المباشر بعد، وذلك كما هو الحال في الصناعة الكيميائية أو في النقل البحري والجوي لمسافات طويلة، بحيث يمكن تحويل الهيدروجين أيضاً إلى وقود صناعي قائم على الكهرباء، مثل الطاقة المتجددة المرتبطة كيميائياً كالميثان الإلكتروني والأمونيا والميثانول.

كما تتوفر التقنيات لجميع عمليات تحويل الطاقة المطلوبة، ولكن التحويل يؤدي أيضاً إلى خسائر، على سبيل المثال عادةً ما يؤدي حرق الوقود الأحفوري لإنتاج الكهرباء إلى خسائر حرارة تزيد عن (50٪) وحتى (75٪) في السيارات، ومثال آخر هو تحويل الكهرباء إلى وقود (مثل الهيدروجين) ثم إعادتها إلى الكهرباء مما يؤدي إلى فقدان أكثر من نصف الطاقة.

الانتقادات الخاصة ببحوث أنظمة الطاقة المتجددة

التقدم العلمي يعني تحدي المعطيات العلمية القائمة سابقاً، بحيث تتحدى سيناريوهات الطاقة المتجددة بنسبة (100٪) العقيدة القائلة بأن الوقود الأحفوري أو الطاقة النووية أمر لا مفر منه لنظام طاقة مستقر، وهناك أثار هذا ردود فعل قوية مع تصعيد في عام (2017)م، ما ألقى ذلك بظلال من الشك على الجدوى الفنية لأنظمة الطاقة المتجددة بنسبة (100٪) أو تنافسيتها من حيث التكلفة أو إذا كان ذلك ممكناً ونقص الموارد التي قد تتطلبها.

ومع ذلك، في عام (2017)م تألف المجال من عدد قليل من الرواد، ومنذ ذلك الحين، نما المجال سريعاً مع مئات الأوراق المنشورة من قبل العديد من المجموعات البحثية المختلفة في جميع أنحاء العالم، حسب الشكل التالي (2)، كما وبدأ الإجماع في الظهور على أن العديد من تلك الانتقادات المبكرة لا تصمد عند فحصها بالتفصيل.

وفيما بعد وجدت بعض النماذج والدراسات أن الطاقة الشمسية الكهروضوئية والرياح ستكون باهظة الثمن، خاصة إذا أضاف المرء تدابير تزيد من مرونة النظام للتعامل مع التباين، وفي أغلب الأحيان وعلى الرغم من ذلك؛ يرجع ذلك إلى أن بعض افتراضات النموذج تؤدي إلى المبالغة في تقدير تكلفة طاقة الرياح والطاقة الشمسية الكهروضوئية ومقاييس المرونة ذات الصلة.

أيضاً تفتقر النماذج التي تحصل على تكاليف الطاقة المتجددة المرتفعة عموماً إلى استراتيجيات المرونة الحالية الموضحة سابقاً، بما في ذلك مصادر الطاقة المتجددة القابلة للتوزيع ومرونة الطلب والاقتران القطاعي وتوسيع شبكة النقل والتخزين، وعلاوة على ذلك تتضمن بعض النماذج التي تفتقر إلى التفاصيل المكانية والزمانية التفصيلية “تكلفة تكامل” إضافية لطاقة الرياح والطاقة الشمسية الكهروضوئية التي قد تبالغ في تقدير تكلفة التكامل الحقيقية وتعيق تغلغل مصادر (VRE) في الحلول المثلى.

وبشكل عام؛ بدأ مجال البحث الخاص بتحليلات أنظمة الطاقة المتجددة بنسبة (100٪) في السبعينيات، كما وبدأ في جذب الانتباه في منتصف العقد الأول من القرن الحادي والعشرين وشهد نمواً قويًاً منذ حوالي عام (2009م، كذلك كانت بعض المعالم المنهجية هي القدرة على التمييز بين المحلي والوطني والوطني وجهات نظر عالمية لمخاطبة مختلف أصحاب المصلحة.