الأنواع الخمسة الرئيسية لمبادئ الطاقة المتجددة وتكاليفها وكفاءتها ودليل استخدامها في المنزل

تشمل الأنواع الرئيسية الخمسة الرئيسية للطاقة المتجددة الحديثة المستخدمة بشكل أساسي لتوليد الكهرباء ما يلي: الطاقة الكهرومائية، وطاقة الرياح، والطاقة الشمسية، والطاقة الحيوية (طاقة الكتلة الحيوية/الوقود الحيوي)، والطاقة الحرارية الأرضية.

في عام 2023، استحوذت الطاقة المتجددة على ما يقرب من 301 تيرابايت3 تيرابايت من توليد الكهرباء العالمية. من بينها، شكلت الطاقة الكهرومائية 471 تيرابايت 3 تيرابايت، وطاقة الرياح 261 تيرابايت 3 تيرابايت، والطاقة الشمسية 181 تيرابايت 3 تيرابايت، والطاقة الحيوية 81 تيرابايت 3 تيرابايت، والطاقة الحرارية الأرضية 11 تيرابايت 3 تيرابايت.

واستحوذت الصين على 321 تيرابايت 3 تيرابايت 3 تيرابايت من الطاقة الكهربائية المتجددة في العالم، تليها الولايات المتحدة (111 تيرابايت 3 تيرابايت 3 تيرابايت)، والبرازيل (7.01 تيرابايت 3 تيرابايت)، وكندا (4.71 تيرابايت 3 تيرابايت)، والهند (4.31 تيرابايت 3 تيرابايت).

وبحلول عام 2030، من المتوقع أن يصل توليد الكهرباء المتجددة عالميًا إلى 17,000 تيراواط ساعة (60 إيجا جول)، بزيادة قدرها 901 تيرابايت 3 تيرابايت تقريبًا مقارنة بعام 2023. وبحلول ذلك الوقت، ستمثل مصادر الطاقة المتجددة 461 تيرابايت 3 تيرابايت من الكهرباء العالمية، حيث ستشكل طاقة الرياح والطاقة الشمسية الكهروضوئية معًا 301 تيرابايت 3 تيرابايت.

تقدم هذه المقالة تحليلاً متعمقًا لمبادئ توليد الطاقة والتوزيع العالمي والكفاءة التكنولوجية ومستويات التكلفة والاتجاهات المستقبلية لأنواع الطاقة المتجددة الخمسة هذه، مع تقديم توصيات واضحة للأسر المعيشية في المناطق الحضرية والريفية في اختيار أنظمة الطاقة المتجددة المناسبة.

الطاقة الكهرومائية

واعتبارًا من عام 2023، كانت الطاقة الكهرومائية تمثل 47% من توليد الكهرباء المتجددة العالمية.

الطاقة الكهرومائية هي طريقة لتوليد الكهرباء عن طريق تسخير الطاقة الكامنة والطاقة الحركية للمياه المتدفقة لدفع التوربينات. وتشمل الأنواع الشائعة الطاقة الكهرومائية القائمة على السدود والطاقة الكهرومائية التحويلية والطاقة الكهرومائية المدية.

الطاقة الكهرومائية خالية تقريباً من الكربون وتنتج الحد الأدنى من التلوث أثناء التشغيل. ومع ذلك، يمكن أن يتسبب بناء السدود الكبيرة في حدوث اضطرابات بيئية (مثل انقطاع هجرة الأسماك وغمر الأراضي الرطبة) وقد يؤدي إلى نزوح السكان.

يتطلب تركيب نظام الطاقة الكهرومائية في المنزل مصدراً ثابتاً ومستقراً للمياه (برأس وتدفق كافيين)، ويخضع لقوانين تنظيم المياه، مما يجعله غير عملي للغاية بالنسبة لمعظم الأسر.

في عام 2023، تراوح نطاق تكلفة مشاريع الطاقة الكهرومائية الصغيرة والكبيرة الحجم "من الإنشاء إلى التشغيل" بين 2,820 دولار أمريكي - 18,700 دولار أمريكي/كيلوواطحيث تتكبد المشاريع الكبيرة عادةً تكاليف أعلى.

كفاءة توليد الطاقة

تتميز أنظمة الطاقة الكهرومائية الحديثة بكفاءة عالية، حيث تصل كفاءتها إلى 90% أو أكثر. وبالمقارنة مع الطاقة الشمسية (حوالي 201 تيرابايت 3 تيرابايت 3 تيرابايت) وطاقة الرياح (حوالي 301 تيرابايت 3 تيرابايت)، فإن الطاقة الكهرومائية فعالة بشكل ملحوظ.

التوزيع العالمي والنمو المستقبلي للطاقة الكهرومائية

اعتبارًا من عام 2023، احتفظت الصين بـ 29-31% من الطاقة الكهرومائية العالمية، حيث تولّد 1,245-1,303 تيراواط ساعة، مما يجعلها أكبر منتج للطاقة الكهرومائية في العالم. تليها البرازيل وكندا والولايات المتحدة - وجميعها دول غنية بالموارد المائية.

على الرغم من استمرار زيادة الطاقة الكهرومائية العالمية، إلا أن معدل نموها قد تباطأ. وتشير التوقعات إلى أن النمو في العقد الأول من القرن الحادي والعشرين سيكون 25% تقريبًا أبطأ من معدل التوسع الذي شهده العقد السابق.

طاقة الرياح

اعتبارًا من عام 2023، كانت طاقة الرياح تمثل ما يقرب من 281 تيرابايت 3 تيرابايت من توليد الكهرباء المتجددة في العالم. ينطوي المبدأ على استخدام الرياح لتدوير ريش التوربينات، والتي من خلال علبة تروس تزيد من سرعة الدوران، وبالتالي قيادة مولد لإنتاج الكهرباء.

تشمل الأنواع الشائعة من مزارع الرياح مزارع الرياح البرية والبحرية. وعادة ما تقع المزارع البرية في المناطق المفتوحة المسطحة أو المرتفعة، بينما يتم تركيب المزارع البحرية في البحر حيث تكون سرعة الرياح أقوى وأكثر استقراراً بشكل عام.

لا تنتج طاقة الرياح أي انبعاثات أثناء التشغيل، وتعتبر من أنظف مصادر الطاقة. ومع ذلك، توجد بعض المخاوف المتعلقة بالتأثير البصري وتعطيل هجرة الطيور والضوضاء. فيما يتعلق بالضوضاء، يسيء الكثيرون فهمها أو يستبعدونها، ولكن في الواقع, مزرعة رياح تعمل على مسافة 750 إلى 1000 قدم لا تنتج ضوضاء أعلى من ثلاجة المطبخ أو غرفة هادئة نسبيًا.

وتتراوح طاقة توربينات الرياح التجارية من الوحدات السكنية الصغيرة التي تبلغ طاقتها حوالي 5 كيلوواط إلى توربينات كبيرة الحجم تصل طاقتها إلى 5 ميجاواط. لا تكلف التوربينات السكنية الصغيرة سوى بضع مئات من الجنيهات، في حين أن التوربينات الصناعية يمكن أن تكلف الملايين. في عام 2023، بلغت التكلفة المستوية للكهرباء (LCOE) لطاقة الرياح البرية ما بين 1,300 إلى 2,500 دولار أمريكي/كيلوواط، حسب الموقع والحجم.

يتم تطبيق توربينات الرياح بشكل عام في البيئات الصناعية؛ أما بالنسبة للاستخدام السكني، فيمكن استخدام توربينات الرياح الصغيرة على الأسطح ولكنها تعتمد على سياسات التخطيط المحلية وظروف الرياح.

كفاءة توليد الطاقة

تسمح تكنولوجيا طاقة الرياح الحالية ببدء التوليد عند سرعات رياح تبلغ حوالي 2.68 متر في الثانية. تتراوح كفاءة التحويل عادةً بين من 20% إلى 40%وهي أقل بكثير من الطاقة الكهرومائية ولكنها أعلى من الطاقة الشمسية.

التوزيع العالمي والنمو المستقبلي لطاقة الرياح

وفقًا للبيانات الصادرة عن الوكالة الدولية للطاقة المتجددة (IRENA) والمجلس العالمي لطاقة الرياح (GWEC)، اعتبارًا من عام 2023، تمثل الصين 39% من إجمالي طاقة الرياح المركبة في العالم، حيث تمتلك أكبر طاقة رياح برية على مستوى العالم وتتفوق على المملكة المتحدة في طاقة الرياح البحرية. وتشمل الدول الرئيسية الأخرى الولايات المتحدة وألمانيا والهند.

من المتوقع أن يحقق قطاع طاقة الرياح بحلول عام 2030 معدل نمو سنوي مركب يبلغ 8.81 تيرابايت 3 تيرابايت، مع زيادة طاقة الرياح المركبة عالميًا بمقدار 981 جيجاوات.

الطاقة الشمسية

اعتبارًا من عام 2023، كانت الطاقة الشمسية تمثل حوالي 151 تيرابايت 3 تيرابايت من توليد الكهرباء المتجددة العالمية. وبفضل الانخفاض السريع في التكاليف، ومرونة النشر، والانبعاثات شبه المعدومة أثناء التشغيل، أصبحت الطاقة الشمسية أسرع تقنيات الطاقة المتجددة نموًا.

ينطوي مبدأ عمل الطاقة الشمسية على فوتونات من ضوء الشمس تثير الإلكترونات في الألواح الشمسية - المصنوعة أساسًا من مواد شبه موصلة مثل السيليكون - مما يؤدي إلى تدفق الإلكترونات في اتجاهها تحت مجال كهربائي، وتوليد تيار يتم تحويله بواسطة العاكس إلى تيار متردد للاستخدام المنزلي أو شبكة الكهرباء.

على الرغم من أن تصنيع الألواح الشمسية ينتج عنه بصمة كربونية، إلا أن الكهرباء النظيفة التي تولدها كل لوحة على مدار عمرها الافتراضي تعوض عن ذلك.

أصبحت الأنظمة الكهروضوئية (PV) سائدة بسبب سهولة التركيب وانخفاض تكاليف المكونات. في عام 2023، بلغ متوسط تكلفة الأنظمة الكهروضوئية على نطاق المرافق حوالي 800-1,200 دولار أمريكي لكل كيلوواط، بينما تزيد تكلفة الأنظمة السكنية قليلاً.

كفاءة توليد الطاقة

وعادةً ما تحقق الألواح الكهروضوئية التجارية كفاءة تتراوح بين 18% و 22%، مع منتجات عالية الكفاءة تتجاوز 25%، ويحقق بعض المطورين تقريباً 40% 40%. وعلى الرغم من أن كفاءة الطاقة الشمسية أقل بكثير من مصادر الطاقة المتجددة الأخرى، إلا أن ملاءمة الطاقة الشمسية وتكلفتها المنخفضة تجعلها الخيار المفضل للمستخدمين السكنيين.

التوزيع العالمي والنمو المستقبلي للطاقة الشمسية

تتصدر الصين كلاً من تصنيع وتركيب الألواح الشمسية، تليها الولايات المتحدة واليابان وألمانيا والهند. وتتوقع وكالة الطاقة الدولية أن تصبح الطاقة الشمسية أكبر مصدر للكهرباء في العالم بحلول عام 2050.

بين عامي 2024 و2030، من المتوقع أن تمثل الطاقة الشمسية الكهروضوئية 801 تيرابايت و3 تيرابايت من نمو الطاقة المتجددة العالمية، مدفوعة بمزارع الطاقة الشمسية الجديدة واسعة النطاق وزيادة المنشآت التجارية والسكنية على أسطح المنازل. وفقًا للوكالة الدولية للطاقة، سيتجاوز توليد الكهرباء من الطاقة الشمسية الكهروضوئية الطاقة الكهرومائية بحلول عام 2029، لتصبح أكبر مصدر للطاقة المتجددة.

الطاقة الحرارية الأرضية

تسخّر الطاقة الحرارية الأرضية حرارة الأرض الداخلية لتوليد الكهرباء أو التدفئة. تُحفر الآبار للوصول إلى المياه الساخنة أو البخار تحت الأرض، والتي تحرك التوربينات لتوليد الطاقة أو تستخدم لتدفئة المباني.

تعمل أنظمة المضخات الحرارية الأرضية الحرارية الجوفية الضحلة دون انبعاث غبار أو نفايات أو ثاني أكسيد الكربون ولا تتطلب غلايات أو أبراج تبريد أو تخزين وقود، مما يجعلها حلول تدفئة وتبريد صديقة للبيئة متاحة حاليًا.

على الرغم من أن الطاقة الحرارية الأرضية تولد كميات صغيرة من ملوثات الهواء والماء، إلا أن انبعاثات ثاني أكسيد الكربون الناتجة عنها لا تزيد عن 1/35 من محطات الطاقة التي تعمل بالفحم.

يتطلب تطوير الطاقة الحرارية الأرضية عمليات استكشاف وحفر جيولوجية واسعة النطاق، مما يؤدي إلى استثمارات أولية عالية. بالإضافة إلى ذلك، يؤدي التوزيع غير المتكافئ لموارد الطاقة الحرارية الأرضية والتحديات التقنية إلى زيادة التكاليف. في عام 2023، بلغت تكلفة المضخات الحرارية الأرضية المصدر 4,589 دولارًا أمريكيًا، أي أعلى بنحو 1,200 دولار أمريكي عما كانت عليه في عام 2022.

كفاءة توليد الطاقة

تتراوح كفاءة توليد الطاقة الحرارية الأرضية عادةً من 10% إلى 20%، اعتمادًا على درجة الحرارة والتكنولوجيا.

الانتشار العالمي والنمو المستقبلي للطاقة الحرارية الأرضية

تتركز موارد الطاقة الحرارية الأرضية بشكل رئيسي على طول حدود الصفائح التكتونية مثل حلقة النار في المحيط الهادئ وأحزمة الطاقة الحرارية الأرضية في البحر الأبيض المتوسط والهملايا. وتشمل البلدان الرائدة في تطوير الطاقة الحرارية الأرضية الولايات المتحدة وإندونيسيا والفلبين وتركيا ونيوزيلندا.

فتح التقدم التكنولوجي آفاقاً جديدة للطاقة الحرارية الأرضية، مما قد يجعلها خياراً مفضلاً في جميع أنحاء العالم وبين الشركات. ومع تحسن التكنولوجيا وانخفاض تكاليف المشاريع، يمكن أن تلبي الطاقة الحرارية الأرضية ما يصل إلى 15% من نمو الطلب العالمي على الكهرباء بحلول عام 2050.

طاقة الكتلة الحيوية

تأتي طاقة الكتلة الحيوية من المخلفات الزراعية والخشب والنفايات العضوية، ويمكن استخدامها في التدفئة أو توليد الكهرباء أو إنتاج الوقود الحيوي. وإذا أديرت الكتلة الحيوية بشكل صحيح، فإنها تعتبر محايدة من حيث الكربون لأن النباتات تمتص ثاني أكسيد الكربون المنطلق أثناء الاحتراق.

تعمل أنظمة المضخات الحرارية الأرضية الحرارية الجوفية الضحلة دون انبعاث غبار أو نفايات أو ثاني أكسيد الكربون ولا تتطلب غلايات أو أبراج تبريد أو تخزين وقود، مما يجعلها حلول تدفئة وتبريد صديقة للبيئة متاحة حاليًا.

ومن منظور التكلفة، فإن الكتلة الحيوية ليست رخيصة بشكل خاص. في عام 2022، بلغ متوسط تكلفة التركيب العالمي 2,162 دولار أمريكي لكل كيلوواط، أي أقل ببضع مئات من الدولارات فقط من الطاقة الكهرومائية.

كما أن الكتلة الحيوية مكلفة نسبياً في الولايات المتحدة، حيث الاحتراق المباشر هو الطريقة الأكثر شيوعاً لتوليد الحرارة من الكتلة الحيوية. وتتراوح تكاليف تركيب محطات توليد الطاقة من الكتلة الحيوية الصغيرة من 3000 إلى 4000 دولار أمريكي لكل كيلوواط.

كفاءة توليد الطاقة

يحقق الحرق المشترك للكتلة الحيوية مع أنواع الوقود الأخرى كفاءات تصل إلى 451 تيرابايت 3 تيرابايت، مما يجعلها أكثر طرق توليد الطاقة من الكتلة الحيوية فعالية من حيث التكلفة.

وبحلول عام 2050، يمكن أن ترتفع حصة الكتلة الحيوية في إنتاج الكهرباء من 1.31 تيرابايت 3 تيرابايت 3 تيرابايت إلى حوالي 31 تيرابايت 3 تيرابايت - 51 تيرابايت 3 تيرابايت (IEA ETP, 2006)، اعتماداً على الافتراضات.

وبالمقارنة مع إجمالي إمكانات الكتلة الحيوية المقدرة (101 تيرابايت إلى 201 تيرابايت إلى 201 تيرابايت من إمدادات الطاقة الأولية بحلول عام 2050)، فإن مساهمة الكهرباء هذه صغيرة نسبياً، ولكن الكتلة الحيوية ذات قيمة أيضاً في إنتاج وقود التدفئة والنقل.

الأسئلة الشائعة حول الطاقة المتجددة

ما هي أنظمة الطاقة المتجددة التي يمكن للأسر تركيبها في المنازل؟

• مساكن حضرية/ضواحي: أنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية، مع مضخات حرارية أرضية المصدر اختيارية.
• المساكن الريفية/المزارع: الأنظمة الكهروضوئية أو مزيج من الغلايات الكهروضوئية وغلايات الكتلة الحيوية.
• الهضبة/المناطق الجبلية النائية: إعطاء الأولوية للأنظمة الكهروضوئية، مع استخدام الطاقة الكهرومائية كخيار إذا سمحت الظروف بذلك.

ما هو أكبر مصدر للطاقة المتجددة?

في الوقت الحالي، تعد الطاقة الكهرومائية أكبر مصدر للطاقة المتجددة في جميع أنحاء العالم، حيث تمثل ما يقرب من 501 تيرابايت 3 تيرابايت من توليد الكهرباء المتجددة في العالم، بكفاءة تتجاوز 901 تيرابايت 3 تيرابايت. وتتوقع بعض المنظمات أنه بحلول عام 2029، ستتجاوز الطاقة الشمسية الطاقة الكهرومائية لتصبح أكبر مصدر للطاقة المتجددة في العالم.

ما هي أهمية استخدام الطاقة المتجددة?

• الحد من انبعاثات الكربون والتخفيف من تغير المناخ.
• ضمان إمدادات الطاقة المستدامة دون الاعتماد على الوقود الأحفوري.
• تعزيز الاستقلالية في مجال الطاقة.
• انخفاض التكاليف التشغيلية على المدى الطويل.

تُحدث الطاقة المتجددة تحولاً سريعًا في مشهد الطاقة العالمي. وسواء كانت الطاقة الكهرومائية عالية الكفاءة، أو طاقة الرياح والطاقة الشمسية سريعة النمو، أو طاقة الكتلة الحيوية والطاقة الحرارية الأرضية القابلة للتوزيع، فإن لكل تقنية من هذه التقنيات نقاط قوتها وتحدياتها. يتغلغل هذا التحول في كل جانب من جوانب الحياة - من المستوى العالمي إلى المستوى المنزلي، ومن السياسات إلى التقنيات.

بالنسبة للمستخدمين المنزليين، فإن اختيار نظام الطاقة المتجددة المناسب لا يمكن أن يقلل من نفقات الطاقة على المدى الطويل فحسب، بل يساهم أيضًا في حماية البيئة. ويمثل العقد القادم نافذة حاسمة؛ وسيكون اغتنام حوافز السياسات والنضج التكنولوجي واتجاهات خفض التكاليف أفضل فرصة للتحرك نحو نمط حياة منخفض الكربون.