مصادر الطاقة وادارتها

تطورت استخدامات الطاقة عبر الفترات الزمنية التي عاشها الإنسان، حيث بدأ باستخدام قوته الجسدية، ثم استأنس الحيوان فاستخدمه في الزراعة والحمل والجر، وبعد ذلك اكتشف قوة الرياح وقوة المياه في تسيير طواحين الهواء، وقد ساعد ظهور قوة البخار الناتجة عن حرق الخشب أو الفحم في تشغيل الآلات البخارية ووسائل المواصلات، ومع ظهور طاقة النفط والغاز تنوعت مصادر الطاقة وتوصل الإنسان إلى استغلال ما تسمى بالطاقة المتجددة بما فيها طاقة الرياح والطاقة الشمسية والطاقة النووية؛ وذلك بهدف الحفاظ على مستقبل الطاقة واستدامتها.

أنواع مصادر الطاقة

تعتمد العديد من مصادر الطاقة على الموارد الطبيعية وهي مرتبطة بقدرة استمرارية هذه الموارد على العطاء ، فبعض مصادر الطاقة يعتمد على الموارد المتجددة، وبعضها الآخر على الموارد غير المتجددة المهددة بالنفاد.

وتقسم مصادر الطاقة حسب طبيعة وجودها إلى مصادر متجددة وغير متجددة.

أولا: مصادر الطاقة المتجددة Renewable energy resources

وهي التي لا تتناقص كمياتها مع استغلال الإنسان و استهلاكه، كالطاقة الشمسية وطاقة الرياح وطاقة المياه وطاقة المد والجزر، وتعدّ جميعها مصادر مجانية متاحة للاستغلال.

أ. الطاقة الشمسية Solar Energy

تبقى الشمس المصدر الرئيسي للطاقة على كوكب الأرض، حيث تنتج الطاقة الشمسية من التفاعلات النووية الاندماجية، فتندمج أربع ذرات من الهيدروجين لتعطي نواة واحدة من ذرة الهليوم فتنتج طاقة هائلة، وينعكس جزء كبير من أشعة الشمس قبل وصولها إلى سطح الأرض إلى الفضاء الخارجي ، وتستخدم طاقة الشمس التي تستقبلها الأرض في العديد من التطبيقات مثل تشغيل إشارات المرور، وإنارة الشوارع، ومعالجة المياه وتحليتها، ومن استخدامات الطاقة الشمسية في الحياة اليومية ما يلي:

– استخدام الطاقة الشمسية في تسخين المياه وتدفئة المنازل:

 تستخدم لهذه الغاية أجهزة بسيطة تتكون من صندوق فيه شريحة من الصلب أو الألمنيوم، ويتم طلاء مع للأشعة مليء بالماء

سطح الشريحة باللون الأسود لامتصاص أكبر كمية من أشعة الشمس، ويتم تغطية الصندوق بغطاء زجاجي إذ يسمح بدخول أشعة الشمس ويمنع خروجها، وبذلك يتم حبس الحرارة خزان تجميع الماء الساخن داخل الصندوق، ومن ثم يمرر الماء فيسخن وينتشر استخدام الألواح الشمسية لتسخين الماء إضافة إلى توليد الطاقة الكهربائية؛ لكونها نظيفة.

– استخدام الطاقة الشمسية لتوليد الطاقة الكهربائية

تعتمد تقنية الخلية الضوئية لإنتاج الكهرباء على تركيز أشعة الشمس بواسطة مجموعة من المرايا والشرائح المعدنية ذات السطح اللامع في بؤرة واحدة, فترتفع درجة الحرارة فيها بشكل كبير إلى درجة يمكن صهر المعادن أو خلق ضغط بخاري عالي قادر على 

تشغيل توربينات لتوليد الكهرباء. ويوجد أكبر مجمع الهواء من هذا النوع في جبال البرانس جنوب فرنسا، كما يتم الان بناء أكبر محطة للطاقة الشمسية في العالم والتي ستعزز إنتاج النفط و الكهرباء، وتتميز الطاقة الشمسية بأنها مورد مجاني، وليس لها أثر على البيئة، والطاقة المنتجة منها كبيرة ، ولكن ما تزال تكاليف توليد الطاقة الكهربائية مرتفعة، كما أن الخلايا الشمسية بحاجة إلى مساحة

واسعة.

ب. طاقة الرياح Wind Power:

تنتج الرياح عن اختلاف الضغط الجوي على سطح الأرض، حيث استخدم الإنسان طاقة الرياح منذ فترة طويلة في تسيير السفن الشراعية وطحن الحبوب وضخ المياه، وأول تطبيقات استخدام طاقة الرياح في توليد الطاقة الكهربائية كان في عام 1910م في الدنمارك، وفي السبعينيات من القرن العشرين تم تطوير توربينات جديدة لتولد طاقة كهربائية بأسعار معقولة في المناطق التي تتراوح فيها سرعة الرياح بين (20-35 كم في الساعة)، وتمتلك الولايات المتحدة ما يكفي من الرياح لإنتاج طاقة بمعدل 3 مرات

أكثر من حاجتها.

 تتكوّن حقول المحركات الهوائية من أعداد كبيرة من الطواحين الهوائية المولدة للكهرباء والمربوطة بالحاسب الآلي، وهي مرنة في دورانها بحيث تواجه الرياح دومًا. وخلال العواصف تتداخل المكابح لمنع انفلات التوربينات، ويقارب ارتفاع الطواحين الهوائية الضخمة ارتفاع مبنى من (25) طابقا ويبلغ عرضها (100) متر، وهذه الطواحين صعبة الصيانة وعالية التكاليف. و آثارها السلبية

على الطبيعة قليلة وتعد طاقة الرياح متجددة وتستمر 24 ساعة يوميًا في المناطق كثيرة الرياح ولكنها غير فعالة في المناطق قليلة الرياح، وتحتاج إلى محول كهربائي، كما أن كلفة تجهيزها مرتفعة

ج. الطاقة المائية Water Power:

تتولد الطاقة المائية عن طريق تدفق المياه أوسقوطها. وتعدّ طاقة المياه من أوائل مصادر الطاقة التي تعلم الإنسان استخدامها، حيث اخترع الإنسان الساقية ( الناعورة ) وهي عبارة عن عجلة ذات أرياش حول إطارها وعندما يرتطم الماء المتحرك بالأرياش فإنه يدير العجلة، ويتم استخدام العجلة الدوارة في تسيير الآلة، وبهذه الطريقة تتحوّل طاقة المياه إلى طاقة ميكانيكية ، وقد استخدمت النواعير الكبيرة خلال القرنين الثامن عشر والتاسع عشر في تزويد الطاقة لتشغيل مطاحن الحبوب والماكينات الأخرى، وفي الوقت الحاضر، يعتبر توليد الكهرباء من أهم استخدامات ما يسمى بالطاقة الكهرومائية Hydroelectric Power.

ولقد اهتمت كثير من البلدان الجبلية غزيرة الأمطار المتدفقة مياهها على شكل أنهار كبيرة سريعة الجريان مثل: النرويج والكونغو والبرازيل بالطاقة المائية، إذ تحصل كل منها على ما نسبته (90٪) من مجمل الكهرباء التي تستهلكها من الطاقة الكهرومائية، أما سويسرا فتولد نحو ( 74%) ، وأستراليا (67٪) من الطاقة الكهرومائية، والطاقة المنتجة منها عالية المردود تصل إلى حوالي 80٪، ولكنها تتوافر في نقاط محددة، كما أن المياه المحتجزة خلف السدود تدمر الحياة البرية، وتتأثر الطاقة المائية بفترات الجفاف حيث لا تكفي المياه لتحريك التوربينات الكهربائية.

د. طاقة المد والجزر Tidal Power:

تنشأ ظاهرتا المد والجزر نتيجة للتجاذب المتبادل بين كل من الشمس والقمر من جهة وبين الأرض من جهة أخرى، وتتغير جاذبية القمر لمياه البحر تبعًا لموقعه من الأرض فتزيد قوة جذبه بنحو (40%) عن قوة جذبه عندما يكون في أبعد نقطة له من الأرض، حيث يبلغ المد أقصاه عندما يكون القمر والشمس على محور واحد.

وللحصول على الطاقة الكهربائية عن طريق المد والجزر يتم بناء سد فيه أنفاق توضع عليه توربينات، وعند ارتفاع الماء أثناء ( المد) تعمل التوربينات على توليد الطاقة الكهربائية، وعند عودة المياه ( الجزر) يعود التوريين للعمل أيضا.

تنتج محطة توليد الكهرباء بطاقة المد والجزر على نهر رانس بفرنسا ( 200000 ) ألف كيلو واط من الطاقة الكهربائية، ونفقات تشغيل طاقة المد والجزر غير مكلفة، ولكنها محدودة ضمن مواقع معيّنة مرتبطة بالمسطحات المائية، كذلك فإن الموارد المعدنية معرضة للصدأ، ويمكن أن تدمر الرياح والعواصف السدود التي تبنى على السواحل.

ثانيا: مصادر الطاقة غير المتجددة Non-Renewable energy resources

هي الطاقة التي تتناقص كمياتها في الطبيعة والتي تسمى أحيانا الوقود الأحفوري؛ بسبب نشأتها العضوية وهي مصادر طاقة غير متجددة مثل: الفحم، والنفط والغاز الطبيعي. وتتأثر مصادر الطاقة غير المتجددة بالعرض والطلب، كما تتأثر أيضا بالأوضاع السياسية والاقتصادية، ومن أهم مصادر الطاقة غير المتجددة.

أ. الفحم Coal:

يمثل الفحم أحد المصادر الرئيسية للطاقة، حيث نشأ نتيجة تجمع مواد نباتية طمرت تحت طبقات من الرواسب وتعرضت للضغط الشديد والحرارة المرتفعة ففقدت الكثير من الماء، والأكسجين، والنتروجين وتكوّنت مادة ترتفع بها نسبة الكربون. ويوجد الفحم على شكل طبقات في الصخور الرسوبية يختلف سمكها من منطقة إلى أخرى

يستخدم الفحم في الدول الصناعية كوقود لمحطات توليد الطاقة الكهربائية وكمركب أساسي في صناعة الحديد، وعمليات التدفئة والطهي، بالإضافة إلى استخدامه في توليد الطاقة. والفحم من أكثر أنواع الوقود تلويثا للبيئة عند حرقه، إذ ينتج كميات كبيرة من أكسيد الكبريت والنتروجين وثاني أكسيد الكربون وغيرها من المواد السّامة، بالرغم من ذلك يبقى الفحم بكمياته الكبيرة واحتياطاته المتوفرة في جميع القارات مصدرا لا يمكن منافسته خاصة مع رخص أسعاره .

ب. النفط Oil:

لقد عرف الإنسان النفط منذ القدم، حيث وجده منجمعًا على شكل برلك صغيرة ممتلئة بسائل أسود، أو منجما فوق سطح الماء في بعض البحيرات والبحار بالقرب من الشاطئ، وهنالك نظرية سائدة تفسر نشأة النفط بأنه عبارة عن كائنات حية نباتية وحيوائية طمرت وبفعل الضغط الشديد والحرارة المرتفعة تحللت وفقدت جميع عناصرها إلا الكربون والهيدروجين. ويستخدم النفط في

مختلف المجالات الصناعية والزراعية، وتستخدمه وسائل النقل بنسبة أكثر من (50٪) ، وكذلك في توليد الطاقة الكهربائية وفي التدفئة وتوفير المواد الأولية للصناعة البتروكيمياوية كالبلاستيك، والمبيدات، والأسمدة الكيماوية، والأدوية .

وينتشر إنتاج النفط في جميع قارات العالم الست، ولكن يختلف من قارة إلى أخرى، فتحتل قارة آسيا المرتبة الأولى بين القارات بنسبة (54%)، وتأتي أمريكا الشمالية في المرتبة الثانية حيث تنتج (23%) من الإنتاج العالمي للنفط، ثم أستراليا وأفريقيا وأمريكا الجنوبية بنسبة (16%) ثم أوروبا (7%). 

ج. الغاز الطبيعي Natural Gas

أصبح الغاز الطبيعي من أهم مصادر الطاقة في الوقت الحاضر لاحتوائه على وحدات حرارية أعلى من الفحم والنفط، فيحتوي طن النقط على (45)  مليون وحدة حرارية، ويحتوي طن الفحم على (27) مليون وحدة حرارية، بينما يحتوي طن الغاز الطبيعي على (90) مليون وحدة حرارية، فالغاز الطبيعي خليط من عدة غازات منها غاز الميثان، وغاز الإيثان التي تستخدم في صناعة الحديد والصلبه وغيرها.

ويتميز استخدام الغاز الطبيعي في الصناعة بأنه أنظف من الفحم والنفط عند الاحتراق فهو لا يخلف رمادا، وسهل النقل بواسطة الأنابيب أو ناقلات الغاز بعد تحويله من غاز إلى سائل ، وكذلك بعد مادة خام في الصناعات البتروكيمياوية، كما أنه يستخدم في المنازل للتدفئة وطهي الطعام .

د. الطاقة النووية Nuclear Energy

هي الطاقة المنتجة عن طريق المفاعل النووي، ويعدّ اليورانيوم الوقود الأساسي في توليد هذا النوع من الطاقة، وتعتمد في إنتاج الطاقة الكهربائية على بخار الماء من خلال الأنشطار النووي لعنصر اليورانيوم، ويمكن توليد الطاقة النووية بطريقتين

-الطريقة الأولى:الانشطار النووي:
 انشطار ذرات اليورانيوم لتعطي بروتونات ونيوترونات، ونتيجة لحركتها تولد حرارة في ماء التبريد الذي يولد بخارا مرتفع الضفط تولد به الطاقة الكهربائية. 

إن إنتاج الطاقة عن طريق الانشطار النووي يتسبب في تكوين كميات كبيرة من النفايات المشئة التي تشكل خطرا على البيئة والكائنات الحية جميعها، وبالتالي تمكن الإنسان من التوصّل إلى طريقة أخرى من التفاعلات النووية المولدة للطاقة ولا تشكل خطرا على البيئة، وهي طاقة اندماج ذرات الهيدروجين لتكوين ذرات أكبر منها هي ذرات الهليوم التي تعطي كميات هائلة من

الطاقة.

وللمفاعلات النووية فوائد أخرى غير توليد الطاقة الكهربائية، فالبعض منه يستخدم في تحضير النظائر المشعة التي لا توجد في الطبيعة، والتي تستخدم في الطب والعلاج واستكشاف بعض الأورام وتدمير الخلايا السرطانية، وكذلك تستخدم الطاقة النووية في الصناعة للكشف عن الشقوق الدقيقة في عملية التصنيع. وتعد بلجيكا من أكبر دول العالم في إنتاج الطاقة النووية ، حيث إن (96٪) من جملة الطاقة المولدة في هذه الدولة تأتي من هذا المصدر، كما تحثل فرنسا المرتبة الثانية بنسبة ( 79٪)، أما كوريا الجنوبية واليابان فهما أكبر دول الشرق الأقصى إنتاجا للطاقة النووية.

وفي هذا المجال تعد حادثة تشرنوبل التي حدثت في أبريل 1986م بأوكرانيا أسوأ حادث في العالم وفي تاريخ الطاقة النووية، فأنتجت النيران المتولدة عن الانفجار غيمة من الجزيئات المشعة التي ارتفعت إلى الغلاف الجوي، وبعد هذه الحادثة أعادت الكثير من الدول النظر في مواقفها تجاه الطاقة النووية.

وقد أدت حادثة تشرنوبل إلى وفاة وإصابة العديد من الضحايا ، بالإضافة إلى انتشار التلوث الإشعاعي، وقد تم إغلاق تشرنويل نهائيا في عام 2000م نتيجة للضغط الدولي .

-إنتاج الطاقة في العالم :

استدامة موارد الطاقة وإدارتها:

يمدّنا وقود الفحم والنفط والغاز الطبيعي بما قيمته (95٪) من كمية الطاقة، ومع زيادة الطلب عليه وبقائه المصدر الرئيسي للطاقة الذي يعتمد عليه، فإنه سيأتي اليوم الذي ينضب فيه هذا المصدر ، وبالتالي لابد من وجود برامج جيدة لإدارة موارد الطاقة الحالية وبرامج أخرى للبحث عن مصادر بديلة له، ومن أهم السياسات والحلول الممكنة لاستدامة موارد الطاقة وإدارتها ما يلي:

أ. الحفاظ على مصادر الطاقة 

بعد الحفاظ على مصادر الطاقة الطريقة الأسهل والأقل كلفة في سد العجز المتوقع بين العرض والطلب، حيث بدأت الكثير من الدول الصناعية في التقليل من اعتمادها على مصادر الطاقة، فمثلاً قامت الصين بتقليل اعتمادها على مصادر الطاقة (من 4% إلى 7%)، وهنالك عدة إجراءات للحفاظ على مصادر الطاقة مثل:

-الربط الكهربائي بين الدول، والاستفادة من الفاقد الحراري في محطات توليد الكهرباء التزويد المجتمعات المحلية بالماء الساخن.

-تصميم مصانع ومحطات ومحركات أكثر كفاءة

.-تقليل استخدام السيارات الخاصة والاعتماد على النقل العام.

ب- التحول إلى المصادر المتجددة وغير القابلة للتفاذ

بعد الوفود السائل ( النفط والغاز الطبيعي) الأسهل نقلا والأكثر اقتصادًا وشوا ، وهو من أهم مصادر الطاقة، لذا فمن الطبيعي أن نتوقع تفاده أولا، وبالتالي فإنه لابد من تقليل استهلاكه واستبداله تدريجيًا بمصادر أخرى متجددة وغير قابلة للنفاد صديقة بالبيئة، وحتى الآن أصبح بالإمكان استقلال مصادر طبيعية مثل الطاقة الكهرومائية المتولدة من طاقة الماء المتحرك في الأنهار، والطاقة الشمسية، والطاقة الهوائية

ج. رفع كفاءة تحويل الطاقة

ويقصد بها النسبة بين الطاقة المنتجة والطاقة المستهلكة، إذ تخسر عند استهلاك الطاقة جزءًا كبيرًا منها على شكل فاقد حراري، فمثلا عند استخدامنا للفحم الحجري لتوليد الطاقة الكهربائية نقوم بحرقه للحصول على الحرارة اللازمة لإنتاج البخار الذي يشغل التوربينات لتوليد الكهرباء وفي هذا فقد للطاقة الحرارية إلى المحيط الخارجي، كما أن نقل الكهرباء المولدة إلى المنازل والمصانع يواكبه فقد للطاقة الحرارية إلى المحيط الخارجي، وعندما تتحول الطاقة الكهربائية إلى ضوء في المصابيح الكهربائية تفقد جزءا كبيرا من الطاقة على شكل حرارة. لذا تتمثل فكرة رفع كفاءة تحويل الطاقة إلى شكل آخر طريقة من الممكن اتباعها لاستدامة الطاقة.

د. محاصيل الطاقة

نباتات تُزرع خصيصا لإنتاج الطاقة البيولوجية، حيث تنتج بعض النباتات بذورًا أو جذورًا غنية بالزيت والزيت مخزون عالي الطاقة حيث يستخدم كوقود للحرق كالذرة، وفول الصويا في الولايات المتحدة الأمريكية، ومن شجرة قصب السكر في البرازيل، والاختمار والتخمر نوع آخر من التغيرات الكيماوية، فالسكريات الوقيرة بالطاقة كالشمندر السكري وقصب السكر يمكن تخميرهما ليننجا سائلاً كالكحول الإثيلي، أو غازات كالميثان وهي عبارة عن وقود سهل الاحتراق، وتستخدمه عدة بلدان كالبرازيل والصين كوقود للسيارات والشاحنات وأجهزة التدفئة.

و. الموارد الحيوانية

ومن المصادر المقترحة لاستدامة الطاقة الموارد الحيوانية التي تترك لتتعفن وتتفكك وخلال ذلك تنتج تغيرات كيماوية كفاز الميثان، وفي بعض القرى الآسيوية والهند يجري تشكيل أقراص ( الجلة) من روث البقر والقش وتلصق هذه الأقراص على جدار لتجف، ومن ثم تستخدم كوقود النار والطبخ وتسخين المياه والتدفئة.

© موقع كنز العلوم.  جميع الحقوق محفوظة.