فهم الطاقة

موضوع: فهم الطاقة 2010-04-10, 19:36

فهم الطاقة

هناك طرق عديدة لتوليد الطاقة. بعض هذه التكنولوجيات رخيصة ولكنها تنتج مواد كيميائية من شأنها أن تغير المناخ؛ وهناك تكنولوجيا أخرى أنظف ولكنها أكثر تكلفة. وهناك كمية محدودة من الفحم والبترول والغاز الطبيعي الموجود في القشرة الأرضية. ونظرا لأن الأمر يستغرق مئات الملايين من السنين حتى يتشكل الوقود الأحفوري، فهو غير قابل للتجدد على نحو فعال. أما الطاقة الكهرمائية وطاقة الرياح والطاقة الحرارية الأرضية والطاقة الشمسية والوقود الحيوي فهي مصادر طاقة متجددة، لأنها دائمة التجدد. اطلع على المزيد حول كيفية عمل مصادر الطاقة هذه.

أفضل طريقة لغلي الماء

معظم محطات توليد الطاقة هي عبارة عن معامل معقدة لغلي الماء وتوليد الطاقة الكهربائية وكثيرا ما يعتمد على غلي الماء واستخدام بخاره لتشغيل دوران توربيات المولدات. والجزء الأكبر من تشغيل التوربينات يعتمد على عملية تعرف بالتسخين الكهرومغناطيسي حيث يعمل المغناطيس المتحرك على توليد الكهرباء. وقد اكتشف العالم البريطاني مايكل فارادي هذه الظاهرة في العام 1831 حينما دوّر قرصا نحاسيا بين قطبي مغناطيس وتبين أن القرص يولد الكهرباء. وقد قاد هذا الاكتشاف إلى اختراع المولد الكهربائي الذي يحول الطاقة الميكانيكية إلى كهرباء. ويمكن أن يكون مصدر الطاقة الميكانيكية التي تشغل مولد الطاقة الكهربائية الماء أو الريح أو البخار. وفي المحطة الكهرمائية يتدفق الماء عبر توربينة دافعة تشغل المولد وتنتج الكهرباء. والتوربينات الهوائية تشغل بواسطة الريح في حين تعمل التوربينات البخارية على البخار إذ تغلي الماء وتنتج البخار.

الفحم

الفحم هو عبارة عن صخرة عضوية قابلة للاشتعال (قابلة للاحتراق) تتكون غالبا من الكربون والهيدروجين والأوكسجين. وهو يتشكل من النباتات التي تكون محصورة بين طبقات الصخور الأخرى ولكنها تغيرت بفعل الضغط والحرارة التي تتعرض لهما على مدى ملايين السنين. وتمثل الدول الأربع الأكثر استهلاكا للفحم - الصين والولايات المتحدة واليابان وروسيا - 72 في المئة من مجموع استخدام الفحم. وطبقا لتقارير المعهد العالمي للفحم، فإن احتياطيات العالم من الفحم ستدوم لنحو 130 سنة إضافية. من أهم استخدامات الفحم في جميع أنحاء العالم هي لتوليد الطاقة الكهربائية، وإنتاج الصلب والإسمنت وكوقود سائل.

محطات طاقة تعمل بالفحم

يتم حرق الفحم في أفران لتوليد الحرارة وتستخدم الحرارة الناتجة عن عملية الحرق هذه لغلي الماء الذي يشغل توربينة بخارية التي تولد بدورها الكهرباء. ويتسبب حرقه في نتائج جانبية سمية أو ضارة بالبيئة مثل بث ثاني أكسيد الكربون؛ أو غازات الدفيئة؛ أو أكسيد الكبريت الذي يتسبب في المطر الحمضي الذي يؤذي جهاز التنفس لدى الإنسان؛ وأكسيد النيتروجين الذي يشكل الأوزون والدخان؛ والرماد المتطاير الذي يحتوي على مواد سامة للبيئة مثل الزرنيخ. ونظرا لأن مادة الفحم متوفرة بكثرة وتعتبر حاسمة الأهمية كمصدر للطاقة، فإن المهندسين في جميع أنحاء العالم يعملون على تطوير طرق للحد من هذه المشتقات الملوثة.

الغاز الطبيعي

الغاز الطبيعي هو عبارة عن مزيج من الغازات (أساسا الميثان) الناتج عن الرواسب النفطية. وهو يشكل 22 في المئة من الطاقة المستخدمة في العالم، ويزداد الطلب عليه في قطاع الكهرباء في كثير من البلدان. الغاز الطبيعي المحترق يولد البخار الذي يحرك بدوره التوربينات ويولد الكهرباء. كما أن بمقدور الغاز الطبيعي أن يدفع التوربينات مباشرة. الغاز الطبيعي المحترق ينتج كمية أقل من غاز ثاني أكسيد الكربون ومن المواد الجزيئية السامّة مما ينتجه إحراق الفحم – إي نسبة 43 في المئة من انبعاثات غاز ثاني أكسيد الكربون. غير أن إحراق الغاز الطبيعي ينتج ملوثات أخرى مثل غاز أول أكسيد الكربون وأكاسيد النيتروجين ، وغاز الميثان يحصر مقدار حرارة في الغلاف الجوي من فخاخ ثاني أكسيد الكربون تبلغ 20 ضعفا عن الغازات التي يحصرها فخاخ غاز ثاني أكسيد الكربون.

النفط

النفط أو البترول هو مزيج قابل للاشتعال من سائل كثيف غازي صلب، يوجد في الطبقة العليا من القشرة الأرضية. ويتكون من خليط معقد من الهيدروكربورات. ويمكن تقسيمها إلى الغاز الطبيعي والبنزين والكيروسين ووقود وزيوت التشحيم وشمع البارافين والإسفلت. ومن الشائع استعماله كوقود للسيارات والسفن والطائرات وأنظمة التدفئة المنزلية. وهو يستخدم أحيانا لتوليد الكهرباء، ولكنه أكثر كلفة، ويتسبب في التلوث أكثر من الغاز الطبيعي., في المناطق النائية يمكن استخدام النفط كوقود للمولدات التي تنتج الكهرباء – مثل محرك ما في سيارة ما، إلا أن هذا المولدات تنتج الكهرباء بدلا من تدوير عجلات السيارة. وغازي أول أكسيد الكربون وثاني أكسيد الكربون هما من مشتقات من تكرير النفط واحتراقه.

الطاقة النووية

خام اليورانيوم المشع، الذي يستخرج من الأرض، يجب أن ينقّي ويخصب حتى يمكن استعماله في المفاعلات النووية. الطاقة تمسك الذرة معا، حتى تصدر عند تفككها طاقة كبيرة. هذا هو ما يعرف بالتفاعل الانشطاري. وخلال عملية الانشطار، يقسم نيوترون سريع نواة الذرة، مصدرا بذلك مزيدا من الطاقة والنيوترونات التي تقسم بدورها النوى الأخرى التي بدورها تنتج المزيد من النيوترونات في تفاعل متسلسل مكتف ذاتيا. في محطة الطاقة النووية، تولّد هذه العملية الخاضعة للرقابة تدفّق ثابت للطاقة. الطاقة النووية لا تحدث غازات الاحتباس الحراري ولا المواد الكيميائية التي تشكل طبقة الأوزون أو الضباب أو الدخان، لكنها تنتج النفايات النووية.

النفايات النووية

المشتقات العرضية الناتجة عن تفاعلات المواد الانشطار والنفايات المشعة، التي يجب تخزينها بصورة سليمة، واحتوائها لمنع تسببها في أضرار على النباتات والحيوانات. يبقى النفايات المشعة سامة لآلاف السنين. وتشمل النفايات ذات المستوى المنخفض المواد الملوثة بالإشعاع مثل الملابس الواقية، والأدوات مرشحات والسجاد، والأنابيب الطبية والعديد من المواد الأخرى. أما النفايات المكثفة فتتضمن وقودا للمفاعلات النووية. ليست هناك طريقة مقبولة على نطاق واسع للتخزين – حتى عملية التنظيف تشكل خطرا حتى أنه في بعض الأحيان يتحتم أتمتتها وذلك باستخدام آلات مثل تلك الموجودة على الصورة.

الطاقة الشمسية

الطاقة الشمسية قادرة على توليد الكهرباء من أشعة الشمس. وتشمل تكنولوجيات الطاقة الشمسية التي هي قيد التطوير الخلايا الضوئية، والطاقة الشمسية المركزة، مجمعات الطاقة الشمسية من درجة الحرارة المنخفضة. وتقوم الخلايا الكهروضوئية بتحويل ضوء الشمس مباشرة إلى كهرباء، ويمكن أن توفر كميات ضئيلة من الطاقة للساعات، وكميات كبيرة لشبكات الكهرباء في المدن، وما إلى ذلك. تركيز تكنولوجيات الطاقة الشمسية يستخدم مواد عاكسة لتركيز طاقة حرارة لدفع المولد وإنتاج الكهرباء. المجمعات الشمسية الخاص بتجميع درجات الحرارة المنخفضة تمتص طاقة حرارة الشمس وتستخدمها لتسخين المياه أو لتدفئة المنازل أو المرافق التجارية أو الصناعية.

الحرارة الأرضية

الطاقة الحرارية الأرضية هي الحرارة المستمدة من الأرض. مصادر الطاقة الحرارية الأرضية تتراوح من الماء الساخن والصخور الموجودة على بعد بضعة كيلومترات تحت سطح الأرض إلى درجات حرارة عالية جدا من الصخور المنصهرة في أعماق القشرة الأرضية. في محطات الطاقة التي تعمل بالبخار الجاف، يحرك البخار المستخرج من الآبار الجوفية توربينات توليد الكهرباء. ومحطات توليد الكهرباء ذات الدورة الثنائية تستخدم السوائل الحرارية لتسخين السوائل الثانوية بدرجة غليان أقل بكثير من درجة غليان الماء. السائل الثانوي يغلي ويحرك التوربينات. ولا تكاد توجد أية مواد ملوثة تنبعث إلى الغلاف الجوي.

الطاقة الكهرومائية

محطة الطاقة الكهرومائية تستحوذ على الطاقة من المياه المتساقطة لتوليد الكهرباء. سد بني على نهر كبير مع انخفاض في الارتفاع. تتيح فتحة إدخال المياه الموجودة في قاع السد بتدفق المياه عبر السد. الجاذبية تسحب المياه من خلال قناة إلى مروحة توربينية. وتزود التوربينات التي تدور بقوة تدفق المياه المولدات التي تنتج الكهرباء بالطاقة. محطات توليد الطاقة الكهرمائية لا تنبعث منها غازات الاحتباس الحراري أو النفايات. كما أن الطاقة المائية فعالة أيضا: حيث يمكن تحول 90 في المئة من المياه المتساقطة إلى كهرباء.

الكتلة الأحيائية

الكتلة الأحيائية هي الطاقة المستخرجة من النبات؛ الوقود الأحيائي هو سائل مستخرج من النباتات. تستخدم مرافق التجهيز المواد الكيميائية لاستخراج السكر من النباتات، ثم دمجها بالكائنات الحية المجهرية وتمكينها من التخمّر، منتجة الإيثانول أو المواد الكحولية الأخرى. والإيثانول يتم خلطه مع البنزين كوقود ينتج مقدار أقل من أول أكسيد الكربون و السخام مما ينتجه البنزين لوحده. يمكن حرق الإيثانول لتوليد البخار، الذي يغذي المولدات التي تنتج الكهرباء. يصنع وقود الديزل الحيوي بواسطة خلط الكحول والزيوت النباتية والدهون الحيوانية أو الشحوم التي يعاد تدويرها.

طاقة الرياح

توربينات الرياح تستخدم طاقة الرياح لتوليد الكهرباء. تحرك الريح أنصال التوربين، التي تقوم بدوريها بتدوير العمود الذي يقود التوربين لإنتاج الكهرباء. توربينات الرياح لا تولد غازات الاحتباس الحراري أو تلوث الهواء. الرياح تعتبر شكل من أشكال الطاقة الشمسية التي تنتجها تدفئة الشمس للغلاف الجوي، ودوران الأرض والحالات الشاذة التي تحدث على سطح الأرض. مزرعة الرياح هي عبارة عن مجموعة كبيرة من التوربينات تستخدم في توليد الكهرباء. مثل هذه التوربينات قد يكون فيها دوار قطره 90 مترا على 90 برج طوله مترا. ويمكن استخدام توربينات رياح صغيرة –بدوارات وقطرها أقل من 8 أمتار وأبراج يصل طولها إلى 40 مترا- لتشغيل المنازل والمزارع الفردية.

الوقود الأحفوري والطاقة المتجددة

الوقود الأحفوري – الذي يضم الفحم والنفط والغاز الطبيعي – هو من المصادر غير المتجددة للطاقة. فقد شكل في الأرض من بقايا النباتات والحيوانات التي كانت تعيش قبل نحو 300 مليون سنة خلت، ويتم حرقها لاستخراج الطاقة القديمة. يلبي الوقود الأحفوري أكثر من 85 في المئة من احتياجات العالم من الطاقة، ولكنه لن تدوم إلى الأبد. والطاقة الشمسية وطاقة الرياح والطاقة الحرارية الأرضية والكتلة الحيوية هي من مصادر الطاقة المتجددة، ولكنها حتى الآن، أكثر كلفة من الوقود الأحفوري، مع تطور وتحسن التكنولوجيا الخاص بها، ومع تضاؤل إمدادات الوقود الأحفوري وارتفاع تكلفتها، سوف يعثر العالم على سبل لتشغيل طاقة المجتمعات بهذه الطاقة المتجددة.