Français تتمتع الطاقة الشمسية بميزة يصعب على أي محطة كهرباء من صنع الإنسان أن تضاهيها على النطاق نفسه: فهي تعتمد على مورد طبيعي بالغ الوفرة. وتمثل أشعة الشمس التي تصل إلى كوكبنا إمكانات هائلة من الطاقة تتجاوز بكثير الاحتياجات الحالية للبشرية.
لكن الوفرة النظرية لا تعني أن هذه الطاقة متاحة دائمًا في المكان والوقت المناسبين. فاللوح الكهروضوئي ينتج الكهرباء عندما تكون الشمس ساطعة، في حين تحتاج منازلنا وشركاتنا ووسائل النقل والبنى التحتية إلى الكهرباء على مدار الساعة.
وهنا يكمن أحد التحديات الأساسية للتحول في مجال الطاقة. فلم يعد السؤال يقتصر على عدد الألواح الشمسية التي يمكننا تركيبها، بل أصبح يتعلق بكيفية تحويل إنتاج متقطع إلى نظام كهربائي موثوق ومتاح ومرن بما يكفي لتلبية الطلب في جميع الأوقات.
وترتبط هذه الإشكالية ارتباطًا وثيقًا بالأسئلة التي يناقشها Léwis Verdun في كتابه هل ستكون الطاقة الشمسية كافية لتشغيل كل شيء؟ (L’énergie solaire suffira-t-elle à tout alimenter ?)، إذ تدفعنا إلى النظر إلى ما هو أبعد من الألواح الكهروضوئية نفسها. فتخزين الطاقة، وشبكات الكهرباء، والتكامل بين مصادر الطاقة المختلفة، وتغير أنماط الاستهلاك، كلها عوامل ستحدد إلى حد كبير المكانة الحقيقية للطاقة الشمسية في مستقبلنا.
التحدي الحقيقي للطاقة الشمسية: إنتاج الكهرباء في الوقت المناسب
يشهد قطاع الطاقة الكهروضوئية نموًا لافتًا. ووفقًا للبيانات التي يعرضها Léwis Verdun في كتابه، أصبحت الطاقة الشمسية تمثل حصة مهمة من قدرات توليد الكهرباء الجديدة التي يتم تركيبها حول العالم. كما يسهم الانخفاض الكبير في تكاليف الإنتاج في تسريع هذا التطور.
لكن القدرة المركبة وتوافر الكهرباء بصورة مستمرة مفهومان مختلفان.
يتغير إنتاج المنشآت الكهروضوئية على مدار اليوم. فهو يرتفع في الصباح، ويبلغ عادةً ذروته خلال الساعات الأكثر سطوعًا، ثم ينخفض تدريجيًا حتى يتوقف ليلًا. وإلى جانب هذا التغير اليومي، تؤثر الأحوال الجوية والفصول والموقع الجغرافي أيضًا في كمية الكهرباء المنتجة.
أما استهلاك الكهرباء فيتبع منطقًا مختلفًا.
فالمدينة تستمر في العمل بعد غروب الشمس. وتواصل القطارات رحلاتها، وتظل المستشفيات مفتوحة، وتستمر مراكز البيانات في معالجة المعلومات، كما تواصل المنازل استهلاك الكهرباء. ومع التوسع التدريجي في كهربة وسائل النقل وأنظمة التدفئة، تظهر احتياجات كهربائية جديدة أيضًا.
لذلك، فإن زيادة حصة مصادر الطاقة المتجددة تفرض علينا التوفيق بين منحنيين لا يتطابقان بصورة طبيعية: منحنى إنتاج الكهرباء ومنحنى استهلاكها.
ولهذا السبب تحديدًا، لا يعتمد مستقبل الطاقة الكهروضوئية على الألواح الشمسية وحدها، بل يعتمد بالقدر نفسه على البنية التحتية المحيطة بها.
تخزين الطاقة يتحول إلى بنية تحتية استراتيجية
يمثل تخزين الطاقة أحد أكثر الحلول وضوحًا لمعالجة الفجوة الزمنية بين إنتاج الكهرباء الشمسية واستهلاكها.
ويبدو المبدأ بسيطًا: تخزين فائض الكهرباء المنتجة خلال الفترات المشمسة لاستخدامه عندما ينخفض إنتاج الطاقة الشمسية. لكن الاحتياجات المختلفة تتطلب، من الناحية العملية، تقنيات مختلفة.
تعد بطاريات الليثيوم أيون مناسبة بصورة خاصة للتعامل مع التقلبات التي تمتد لعدة ساعات. فعلى سبيل المثال، يمكنها تخزين جزء من الكهرباء الكهروضوئية المنتجة بعد الظهر وإعادتها إلى النظام خلال ذروة الاستهلاك المسائية.
وتسعى تقنيات أخرى إلى خفض التكاليف أو الحد من الاعتماد على بعض المواد. فعلى سبيل المثال، تحظى بطاريات أيونات الصوديوم باهتمام متزايد في مجال تخزين الطاقة الثابت.
أما بالنسبة إلى فترات التخزين الأطول، فيمكن اللجوء إلى حلول أخرى مثل محطات الطاقة الكهرومائية للتخزين بالضخ، والتخزين الحراري، والهيدروجين المنتج عن طريق التحليل الكهربائي، إلى جانب تقنيات التخزين طويل الأمد التي لا تزال في طور التطور.
لذلك، لا يتمثل التحدي الحقيقي في العثور على بطارية واحدة تصلح لجميع الاستخدامات، بل في تطوير مجموعة من الحلول المتكاملة.
فالمنظومة الشمسية المنزلية لا تواجه القيود نفسها التي تواجهها مدينة كبيرة أو شبكة كهرباء وطنية. وبالمثل، فإن نقل بضعة كيلوواط ساعي من منتصف النهار إلى المساء يختلف جذريًا عن تخزين كمية من الكهرباء تكفي لتعويض عدة أيام من انخفاض إنتاج الطاقة المتجددة.
وهكذا، يؤدي توسع الطاقة الشمسية إلى تحول أعمق، إذ ينتقل التخزين تدريجيًا من كونه تقنية مكملة إلى عنصر استراتيجي في النظام الكهربائي.
لماذا ستكون الشبكات الذكية بأهمية الألواح الشمسية نفسها؟
لا يكفي إنتاج المزيد من الكهرباء وتخزينها، بل يجب أيضًا نقلها وإدارتها بكفاءة.
تاريخيًا، صُممت شبكات الكهرباء في الغالب حول منشآت إنتاج مركزية كبيرة. وكانت الكهرباء تُنتج في محطات ضخمة ثم تُنقل إلى المستهلكين عبر شبكات النقل والتوزيع.
لكن الطاقة الكهروضوئية بدأت تغير هذه البنية جزئيًا.
فيمكن لمحطة شمسية بقدرة عدة مئات من الميغاواط أن تغذي الشبكة، لكن صاحب منزل يضع ألواحًا شمسية على سطحه يستطيع أيضًا أن يصبح منتجًا للكهرباء. وينطبق الأمر نفسه على الشركات والمزارع والسلطات المحلية.
وهكذا تصبح الشبكة مطالبة بإدارة عدد كبير من تدفقات الكهرباء المتغيرة، والتي قد تسير في الاتجاهين أحيانًا.
ويبرز هذا التحول أهمية الشبكات الذكية. فمن خلال البيانات والأتمتة وأنظمة الإدارة الأكثر تطورًا، تستطيع هذه الشبكات توقع الإنتاج بصورة أفضل وتكييف بعض أنماط الاستهلاك مع الظروف المتاحة.
لنأخذ مثالًا بسيطًا: قد تبقى السيارة الكهربائية متوقفة لعدة ساعات. وليس من الضروري أن تبدأ عملية الشحن في اللحظة التي يقوم فيها السائق بتوصيلها بالشاحن. فإذا كانت الشبكة تستفيد من إنتاج شمسي وفير عند الظهيرة، يمكن برمجة الشحن للاستفادة من تلك الفترة.
ويمكن تطبيق المبدأ نفسه على بعض سخانات المياه والمعدات الصناعية وأنظمة تكييف الهواء.
وهكذا تصبح مرونة الاستهلاك موردًا من موارد الطاقة في حد ذاتها.
فبدلًا من تعديل إنتاج الكهرباء باستمرار لمواكبة الطلب لحظة بلحظة، يمكن للنظام الذكي نقل جزء من الاستهلاك إلى الفترات التي تكون فيها الكهرباء المتجددة متوافرة بكثرة.
ويمكن لهذا التطور أن يقلل الحاجة إلى بعض قدرات التخزين، وفي الوقت نفسه يسهل دمج كميات أكبر من الطاقة الشمسية في الشبكة.
مزيج من مصادر الطاقة بدلًا من الاعتماد على مصدر واحد
إن تصور مستقبل الكهرباء باعتباره منافسة تهدف إلى تحديد تقنية واحدة «فائزة» يؤدي غالبًا إلى رؤية مبسطة أكثر من اللازم.
فالنظام الطاقي القوي والمرن يعتمد بدرجة أكبر على التكامل بين مصادر متعددة.
تنتج الطاقة الشمسية كميات كبيرة من الكهرباء خلال ساعات النهار، بينما يمكن لطاقة الرياح أن تستمر في الإنتاج ليلًا. وفي بعض المناطق، توفر الطاقة الكهرومائية إنتاجًا يمكن التحكم فيه إلى جانب إمكانات مهمة لتخزين الطاقة. كما يمكن لمصادر أخرى منخفضة الكربون أن تسهم في ضمان استمرارية الإمدادات وفقًا لخصائص كل بلد وخياراته في مجال الطاقة.
لذلك، يتمثل التحدي في بناء مزيج طاقي يجمع بين مجموعة من الخصائص الأساسية: انخفاض البصمة الكربونية، والموثوقية، والتحكم في التكاليف، والقدرة على الصمود، وسهولة الوصول إلى الطاقة.
ويقدم التنوع أيضًا ميزة جغرافية، إذ لا تمتلك جميع المناطق الموارد الطبيعية نفسها.
فقد تعتمد المناطق شديدة السطوع بصورة واسعة على الطاقة الكهروضوئية، بينما تستفيد المناطق الجبلية بدرجة أكبر من الطاقة الكهرومائية. أما بعض المناطق الساحلية فقد تتمتع بظروف مواتية بصورة خاصة لإنتاج طاقة الرياح.
كما تتيح شبكات الربط الكهربائي تبادل جزء من هذه الموارد بين المناطق المختلفة.
وبذلك يصبح التحول في مجال الطاقة تحديًا يتعلق بالنظام بأكمله، وليس مجرد مسألة مرتبطة بتقنية واحدة.
الركائز الأساسية لجعل النظام القائم على الطاقة الشمسية أكثر موثوقية
يتطلب دمج كميات أكبر من الطاقة الكهروضوئية مع الحفاظ على إمدادات كهربائية موثوقة تنفيذ مجموعة من الإجراءات في الوقت نفسه.
أول هذه الإجراءات يتعلق بالتخزين. فالبطاريات ومحطات التخزين الكهرومائي بالضخ وأنظمة التخزين الحراري تستطيع الاحتفاظ بجزء من الطاقة المتاحة وإطلاقها عندما ينخفض إنتاج الطاقة الشمسية.
أما الركيزة الثانية فهي الشبكات الذكية. إذ تسمح هذه الأنظمة بتحقيق توازن أفضل بين الإنتاج والاستهلاك من خلال تكييف بعض الاستخدامات مع الفترات التي تتوافر فيها الكهرباء المتجددة بكثرة.
كما تشكل شبكات الربط بين المناطق أداة مهمة. فعندما تنتج منطقة ما كهرباء أكثر مما تستهلك، يمكن نقل جزء من هذا الفائض إلى منطقة أخرى يكون فيها الطلب أعلى.
وأخيرًا، يتيح تنويع مزيج الطاقة استكمال الإنتاج الشمسي بمصادر أخرى، مثل طاقة الرياح والطاقة الكهرومائية وغيرها من وسائل إنتاج الكهرباء منخفضة الكربون.
ويجب أن تترافق هذه الحلول أيضًا مع اهتمام أكبر بكفاءة استخدام الطاقة. فأسهل كهرباء يمكن إنتاجها ونقلها وتخزينها هي في النهاية الكهرباء التي نستطيع تجنب هدرها.
وبالنسبة إلى الأفراد والشركات والسلطات المحلية، يمكن دعم تطوير الطاقة الشمسية من خلال عدد من الإجراءات:
- تحسين كفاءة استخدام الطاقة في المباني والمعدات؛
- برمجة بعض الاستخدامات خلال فترات ارتفاع إنتاج الكهرباء المتجددة؛
- تطوير حلول التخزين عندما تكون مناسبة من الناحيتين الاقتصادية والتقنية؛
- تعزيز شبكات توزيع الكهرباء وتحديثها؛
- تشجيع إعادة تدوير الألواح الشمسية والبطاريات؛
- تصميم البنية التحتية مع مراعاة دورة حياتها الكاملة؛
- تنويع مصادر الكهرباء لتقليل الاعتماد على تقنية واحدة.
وتكتسب النقطة الأخيرة أهمية خاصة. فلا يمكن تقييم التحول في مجال الطاقة بالاعتماد فقط على انبعاثات ثاني أكسيد الكربون الناتجة أثناء استخدام المعدات. بل يجب أيضًا أخذ استخراج المواد الخام والتصنيع والنقل والعمر التشغيلي وإعادة التدوير والظروف الاجتماعية في سلاسل التوريد بعين الاعتبار.
الطاقة الشمسية تغير أيضًا طريقة تفكيرنا في الكهرباء
على مدى أكثر من قرن، استخدم معظم المستهلكين الكهرباء دون الحاجة إلى معرفة الوقت الذي تم فيه إنتاجها بالضبط. لكن الانتشار الواسع لمصادر الطاقة المتجددة المتغيرة قد يؤدي تدريجيًا إلى تغيير هذه العلاقة.
في المستقبل، قد تصبح أسعار الكهرباء وشحن السيارات الكهربائية وتشغيل بعض الأجهزة أكثر ارتباطًا بمدى توافر الطاقة في لحظة معينة.
ولا يعني ذلك أن على الجميع مراقبة حالة الطقس باستمرار قبل تشغيل أجهزتهم. إذ يمكن للأتمتة أن تتولى جزءًا كبيرًا من هذه القرارات.
فعلى سبيل المثال، يمكن لمنزل مجهز بألواح كهروضوئية وبطارية وسيارة كهربائية ونظام لإدارة الطاقة أن يقرر تلقائيًا ما إذا كان سيستهلك الكهرباء أو يخزنها أو يضخها إلى الشبكة، وذلك وفقًا للإنتاج المتاح والاحتياجات المتوقعة وحالة الشبكة.
وعلى مستوى مدينة بأكملها، يصبح المبدأ نفسه أكثر تأثيرًا.
فيمكن لآلاف المباني والبطاريات والمركبات أن تشكل نظامًا موزعًا قادرًا على استيعاب فائض الكهرباء والحد من بعض ذروات الاستهلاك.
وفي هذا السياق، تكتسب الابتكارات التي يناقشها كتاب هل ستكون الطاقة الشمسية كافية لتشغيل كل شيء؟، مثل خلايا البيروفسكايت الشمسية والزراعة الكهروضوئية وحلول تخزين الطاقة الجديدة، أهمية خاصة. فهي لا تمثل مجرد منتجات جديدة، بل تسهم في بناء نظام طاقي يختلف جذريًا عن النظام الذي عرفناه في الماضي.
لذلك، لن يعتمد نجاح الطاقة الشمسية فقط على عدد الألواح التي يتم تركيبها، بل على قدرتنا على بناء بنية تحتية متكاملة حولها تستطيع تخزين الكهرباء ونقلها بكفاءة وتكييف جزء من استهلاكنا بذكاء.
وتتمتع الطاقة الكهروضوئية بمزايا كبيرة: مورد وفير، وتكاليف أصبحت أكثر تنافسية، ومجموعة واسعة من الاستخدامات. لكن توسعها يكشف في الوقت نفسه عن تحديات أخرى لا غنى عن معالجتها في مسار التحول الطاقي، ومنها تخزين الطاقة، وتحديث شبكات الكهرباء، وإعادة التدوير، وتطوير البنية التحتية، والتكامل بين التقنيات، والعدالة الاجتماعية.
وتتيح لنا هذه النظرة الشاملة تجاوز سؤال ثنائي ومبسط أكثر من اللازم — «هل تستطيع الطاقة الشمسية توفير كل الطاقة التي نحتاج إليها؟» — والانتقال إلى سؤال ربما يكون أكثر فائدة: كيف يمكننا الاستفادة إلى أقصى حد من إمكاناتها الهائلة، وفي الوقت نفسه بناء نظام طاقي موثوق ومستدام؟
وهذه تحديدًا هي الرؤية المتوازنة التي يقدمها Léwis Verdun في كتاب L’énergie solaire suffira-t-elle à tout alimenter ?، الصادر عن Five Minutes ضمن سلسلة PLANÈTE AVENIR. ويقدم الكتاب، بأسلوب مناسب للقراء والمهنيين وصناع القرار، تحليلًا لوعود الطاقة الكهروضوئية وللقيود التقنية والاقتصادية والاجتماعية المرتبطة بها، من دون اختزال النقاش في مواجهة بسيطة بين التفاؤل والتشاؤم.
اكتشف الآن كتاب L’énergie solaire suffira-t-elle à tout alimenter ? للكاتب Léwis Verdun من FIVE MINUTES، وتعمق أكثر في فهم مستقبل الطاقة الشمسية ودورها في التحول الطاقي.
