مزيج الطاقة المستقبلية لدينا

التنبؤ بأنظمة الطاقة

قليلٌ من المواضيع تكون معقدة ومهمة كما هو الحال مع مزيج الطاقة المستقبلية لحضارتنا. حسب من تسأل، قد تكون الاعتماد على الوقود الأحفوري لا يمكن التخلص منه، أو أن الطاقة المتجددة ستستولي على السوق بسرعة هائلة. الواقع بالطبع معقد، ومن الصعب جدًا التنبؤ بمستقبل الطاقة.

في هذه المقالة، سنستعرض وضعنا الحالي، ونرى السيناريوهات القليلة الممكنة، والأهم من ذلك، ما هي التغييرات الاقتصادية أو التقنية التي قد تجعل سيناريو معين أكثر احتمالًا من الآخر.

مكاننا الحالي

إذا كان هناك نمط حتى الآن في زيادة استهلاكنا للطاقة، فهو أن مصادر الطاقة الجديدة تُضاف إلى مزيجنا الطاقي، بدلاً من استبدال ما كان قبلها.

على سبيل المثال، ما زلنا نستخدم نفس كمية، إن لم تكن أكثر، من الكتلة الحيوية (معظمها خشب) كما في القرن التاسع عشر، قبل الثورة الصناعية. وبالمثل، استهلاك الفحم قد ارتفع بصفة عامة مع مرور الوقت، ثم أضيفت إليه النفط والغاز، ثم الطاقة الكهرومائية، والنووية، والمتجددة.

المصدر: OurWorldInData

قد يكون هذا مفاجئًا، بالنظر إلى التقدم الذي حققته الطاقة المتجددة في إنتاج الكهرباء. يعود ذلك إلى عدة أسباب:

• الصين، الرائدة في القدرة الجديدة للمتجدات والتحول إلى السيارات الكهربائية، هي أيضًا الرائدة في بناء محطات الفحم.
• معظم استهلاك الطاقة الأولية لا يُستخدم لتوليد الكهرباء. بل يأتي معظم استهلاكنا من التنقل، والتدفئة، والاستخدامات الصناعية مثل إنتاج الصلب والبتروكيماويات (إنتاج الأسمدة، البلاستيك، الأدوية، المواد الكيميائية، إلخ).
• نمو السكان ومليارات الأشخاص الذين يخرجون من الفقر المدقع أدى إلى زيادة استهلاك الطاقة، مع الخيار الأرخص المتاح غالبًا وهو الفحم. بالإضافة إلى زيادة استهلاك اللحوم، وتكييف الهواء، والسيارات، والسفر الجوي، إلخ.
• عولمة الاقتصاد، مما أدى إلى زيادة كبيرة في نقل البضائع، بما في ذلك حركات متعددة للمواد الخام، والأجزاء نصف المصنعة، والسلع النهائية.
• تصنيع الزراعة، الذي زاد من الغلات وقلل من الحاجة إلى اليد العاملة، لكنه أيضًا زاد من استهلاك الوقود الأحفوري والأسمدة.

لأي شخص يهتم بتغير المناخ وانبعاثات الكربون، قد يبدو هذا نظرة محبطة، حيث تظل الوقود الأحفوري راسخة في مزيج الطاقة العالمي. لكن هذه ليست الصورة الكاملة أيضًا.

التغيير المستمر

من مجرد نظرية لطيفة في 2016، أصبحت السيارات الكهربائية (EVs) الآن جزءًا متناميًا أُسِّيًا من المبيعات العالمية، حيث تم بيع أكثر من 10 ملايين سيارة كهربائية في 2022، أي 14٪ من المبيعات العالمية، مع صدارة الصين وأوروبا.

المصدر: IEA

حصة الطاقة المتجددة (المائية + الشمسية + الرياح + الجوفية) تنمو أيضًا بسرعة. وبينما كانت بعض الدول مرتفعة في هذه القائمة منذ زمن طويل، بفضل موارد الطاقة المائية الضخمة (مثل النرويج، البرازيل، أو كندا)، فإن الشمس والرياح هما المكان الذي يحدث فيه التغيير فعليًا.

المصدر: Our World In Data

نظرة على أساس كل دولة تُظهر نقطة الانعطاف الواضحة في 2010 عندما تضاعفت المتجدات غالبًا، عادةً بفضل النمو في إنتاج الطاقة الشمسية والرياح. على سبيل المثال، الصين وأستراليا:

المصدر: OurWorldInData

المصدر: OurWorldInData

محرك ضخم لهذا التغيير كان الانخفاض الحاد في تكاليف المتجدات. بفضل الابتكار التقني وتوسيع الإنتاج الصناعي، أصبحت المتجدات تنافسية بشكل متزايد. على الأقل على الورق، تبدو المتجدات الآن أرخص من الوقود الأحفوري (المزيد حول ذلك أدناه)، كما تُظهر الوكالة الدولية للطاقة المتجددة (IRENA).

المصدر: IRENA

التحديات

في السنوات القليلة الماضية، بدأت تظهر حالة غريبة. الانخفاض السريع في تكاليف المتجدات أقنع عددًا كبيرًا من الناس أن الوقود الأحفوري سيصبح شيئًا من الماضي قريبًا.

المصدر: Twitter/X

لكن في السنوات الأخيرة، طرأت صدمات اقتصادية كبرى وضعت هذه الفكرة موضع تساؤل. الحرب في أوكرانيا أدت إلى تضخم هائل، ودفع دولًا مثل ألمانيا إلى إعادة الاعتماد على الفحم.

ونفس التضخم أضر بشدة بربحية مشاريع المتجدات المخطط لها. تم إلغاء مشاريع رياح بحرية ضخمة، وانخفضت أسعار أسهم شركات الشمس والرياح، وكانت فترة مؤلمة. يمكنك قراءة المزيد عما حدث في مقالتنا “انهيار الطاقة المتجددة 2023“.

حتى مبيعات السيارات الكهربائية تُطرح تحت السؤال، بعد تأجيل أو إلغاء استراتيجية السيارات الكهربائية من قبل الشركات المصنعة الكبرى مثل GM، Ford، أو Honda.

تقطع المتجدات

قضية رئيسية تحتاج إلى حل هي تخزين الطاقة. إنتاج طاقة الرياح والشمس يعتمد على الطقس ويمكن أن يكون منفصلًا زمنياً عن الطلب. هذه مشكلة لشبكة كهربائية تتطلب إنتاجًا “في الوقت المناسب” وتوازنًا فوريًا بين الإنتاج والطلب.

هناك العديد من البدائل الممكنة، لكن التقنيات إما ما زالت في بدايتها، أو لم تُنشر على نطاق واسع في الوقت المناسب. هذا يؤدي إلى فائض طاقة في النهار و/أو الصيف، ونقص في الليل و/أو الشتاء.

المشكلة ليست غير قابلة للحل لكنها تتطلب سياسات منسقة جيدًا، ومزيدًا من الاستثمار في شبكات الطاقة.

وبصراحة، يجب الاعتراف أيضًا بأن “التكاليف الحقيقية” للمتجدات يجب أن تشمل تكاليف تخزين الطاقة. قد لا تكون المتجدات أرخص بالكامل من الوقود الأحفوري بعد، على الأقل عندما تصبح جزءًا كبيرًا من إنتاج الكهرباء في الدولة.

حدود البطاريات

القلق بشأن استمرار تبني السيارات الكهربائية يعود إلى قيود تقنية مماثلة. بينما كان المتبنون الأوائل على ما يرام مع تكاليف مبدئية أعلى، ومدى أقل، أو وقت شحن أبطأ مقارنةً بالمركبات ذات محركات الاحتراق الداخلي، قد لا يكون ذلك مقبولًا للمشترين الآخرين. نقص الليثيوم الذي رفع سعر المعدن الأبيض أثار أيضًا بعض القلق.

لحسن الحظ، تقنيات بطاريات جديدة قادمة قريبًا، من بطاريات الصوديوم-أيون الصينية إلى بطاريات الحالة الصلبة التي يجب أن تساعد في خفض أسعار السيارات الكهربائية وإلغاء المخاوف المشروعة مثل القلق من المدى أو مخاطر الحريق.

الطلب الطاقي الصعب التحول

ثم، بعض استهلاك الطاقة ببساطة صعب التحول بعيدًا عن الوقود الأحفوري. على سبيل المثال، الشحن لمسافات طويلة لا يزال يتطلب وقودًا سائلًا وكثيفًا جدًا للعمل. الطيران أيضًا يحتاج إلى مصدر طاقة عالي الكثافة، وهو ما لا تستطيع البطاريات حاليًا توفيره. معظم إنتاج البلاستيك يعتمد على النفط، والأسمدة على الغاز، والصلب على الفحم الكوك.

هنا أيضًا، توجد حلول، لكنها تقنيات غير ناضجة بعد وبعيدة عن النشر عالميًا.

تقنيات تغير قواعد اللعبة

المُحَتَمَل أن تكون مُغيّرة للعبة

عدد من الحلول متاح بالفعل للمساعدة في إعادة تنشيط نمو المتجدات والتقنيات منخفضة الكربون.

الابتكار النووي

ما زال مثيرًا للجدل، إلا أن الطاقة النووية تظل تقنية منخفضة الكربون قد تكون ضرورية لسد الفجوة نحو مستقبل مدفوع بالمتجدات.

المفاعلات النووية الصغيرة (SMRs) هي قطاع آخر عانى مؤخرًا من أخبار سيئة بسبب ارتفاع التكاليف، المرتبطة بالتضخم العالمي. لكن على أي حال، تشهد التقنية النووية نهضة، مع تصاميم أكثر أمانًا تركز على المفاعلات الأصغر (SMRs والمفاعلات الدقيقة)، أو حتى وقود جديد مثل الثوريوم. وفي الوقت نفسه، الصين تبني 24 مفاعلًا نوويًا كبيرًا جديدًا، وتخطط لإجمالي ما يصل إلى 150 مفاعلًا.

متجدات أفضل

من المرجح أن يستمر انخفاض التكاليف مقارنة بالوقود الأحفوري كاتجاه دائم. هذا صحيح خاصةً بالنسبة للطاقة الشمسية، مع ابتكارات مثل الخلايا الشمسية رقيقة الطبقة أو الخلايا الشمسية من الجيل الثالث (سيليكون غير متبلور، بوليمرات عضوية، أو بلورات البيروفسكايت).

مشروعات بطاريات على نطاق المرافق العامة ستساعد أيضًا، حيث من المتوقع أن تتجاوز السعة الحالية ثلاثة أضعاف بحلول 2025.

المصدر: EIA

بطاريات الحالة الصلبة

الجميع العامل في تكنولوجيا البطاريات يعرف أن بطاريات الحالة الصلبة، التي لا تحتاج إلى الكهارل السائلة للبطاريات الليثيوم الحالية، ستكون مُغيّرة للعبة. والعديد من الشركات تتحدث عن إطلاق نسختها الخاصة من بطاريات الحالة الصلبة بين 2026-2029. تشمل هذه الشركات QuantumScape (QS ) (QS)، CATL (300750.SZ)، تويوتا (TM)، باناسونيك (6752.T)، إل جي (051910.KS)، وسامسونج SDI (006400.KS). بينما تسلا (TSLA) تعمل على بديلها الخاص لبطاريات الحالة الصلبة.

المُغيّر المُحتمل للعبة (المُتَخَصِّص)

بعض التقنيات الأخرى أقل نضجًا، لكنها أكثر وعدًا وقد تكون هي الطريقة التي ستحصل بها على طاقة في 2040-2050 وما بعدها.

المُولدات الجراحية النووية

قضية كبيرة في محطات الطاقة النووية هي النفايات النووية. المُولدات الجراحية (أو “المُربيات”) يمكنها استهلاك هذه النفايات وتحويلها مرة أخرى إلى طاقة & وقود نووي. هذا قد يجعل الوقود النووي المتاح شبه غير محدود، ويقلل بشكل كبير من مشكلة النفايات النووية. ميزة إضافية هي أن هذه التقنية ليست جديدة، كما استخدمتها فرنسا حتى 1997، لذا فهي مجرد فكرة نظرية بسبب الصعوبات السياسية المحيطة بالطاقة النووية.

الطاقة الشمسية في الفضاء

إنتاج الطاقة الشمسية من المدار سيحل جميع مشاكل الطاقة الشمسية دفعة واحدة؛ لا تقطع، لا سحب، ولا انخفاض في الإنتاج في الشتاء. مع وجود الإنترنت الفضائي الآن بفضل Starlink، فإن الفكرة ليست خيالية كما تبدو. (TSLA )

إنها فكرة بحثنا عنها أكثر في مقالتنا “من الخيال العلمي إلى السماء العالية: هل الألواح الشمسية المدارية فكرة مشرقة؟”

الطاقة الجوفية

مصدر متجدد غالبًا ما يُهمل، ويمكنه توفير طاقة أساسية على مدار 24/7 هو الطاقة الجوفية. هذا يتغير الآن، مع شركات مثل Vulkan Energy (VUL.AX)، Ormat Technologies (ORA ) (ORA)، وEavor. هذه الشركات، بشكل ساخر، تعيد توظيف التقدم في الحفر والتكسير الذي حققته صناعة النفط للوصول إلى مصادر حرارة الأرض. (غطينا Ormat في هذه المقالة و Vulkan في هذه).

الوقود الصناعي

يمكن استخدام الطاقة المولدة من المتجدات (أو حتى النووية) لتصنيع وقود غازي أو سائل. وهذا يشمل الهيدروجين، الأمونيا، غاز التوليف، أو الوقود الصناعي.

خيار آخر للوقود الصناعي قد يكون الاستفادة من البيولوجيا، واستخدام الطحالب الدقيقة لتوليد الوقود الحيوي (انظر “الوقود الحيوي من الطحالب: الثورة الطاقية القادمة؟“) أو المخمّرات الحيوية لإنتاج الغاز الحيوي والميثان الحيوي من النفايات العضوية.

هذه الوقودات يمكن استخدامها في الطائرات، والسفن، وتطبيقات أخرى تتطلب وقودًا عالي الكثافة أو درجات حرارة احتراق مرتفعة (مثل صناعة الصلب).

الاندماج

يهدف طاقة الاندماج إلى إنشاء طاقة من خلال دمج عناصر خفيفة مثل الهيدروجين، مكرّرةً على الأرض العملية التي تُشغّل الشمس نفسها. مع درجات حرارة تتراوح بين ملايين ومئات الملايين من الدرجات، يمثل ذلك تحديًا تقنيًا هائلًا.

كما سيوفر طاقة نظيفة، لا ينتج عنه كربون ولا نفايات نووية، مع إمداد غير محدود من “الوقود”، حيث إن الهيدروجين هو أكثر الذرات وفرة في الكون.

أكبر مشروع اندماج هو الاتحاد الدولي للبحوث ITER، مع العديد من الشركات الناشئة التي تسعى أيضًا لتحقيق حلم الاندماج النووي، بما فيها Helion، General Fusion (GFUZ ) ، Commonwealth Fusion، TEA Technologies، ZAP Energy، وNEO Fusion (ممول من شركة السيارات الكهربائية الصينية Nio).

مزيج الطاقة المستقبلية (المختلط)

بينما قد تكون واعدة على المدى الطويل، سنستعرض في الغالب مزيج الطاقة المحتمل دون أي من “تقنيات تغيير اللعبة المتوقعة” التي نوقشت أعلاه، مع التركيز على أفق 2040.

أصدرت إدارة معلومات الطاقة (EIA) عدة سيناريوهات، تعتمد على النمو الاقتصادي وتبني أو عدم تبني التكنولوجيا منخفضة الكربون.

في معظم الحالات، من المتوقع أن يظل استهلاك الطاقة في تزايد، مع استمرار الوقود الأحفوري في توفير الجزء الأكبر من طاقة العالم بحلول 2050. هذا مجرد توقع إذا لم تتغير القوانين، واستمرت الاستثمارات في الطاقة وفقًا للاتجاه الحالي.

المصدر: EIA

الأعمال كما هي

هذا سيناريو محبط لأي شخص يولي اهتمامًا لتغير المناخ. يفترض أن يظل الفحم، والغاز، والنفط مسيطرين خلال العقدين القادمين، منتجين الجزء الأكبر من طاقتنا.

هذا بعيد عن المستحيل، كما يتضح من عودة ألمانيا إلى الفحم مؤخرًا، رغم أن البلاد كانت تُنظر إليها سابقًا كرمز للمتجدات والتحول الطاقي.

الطريق التقني المتقدم

خيار آخر هو أن تتبنى مجتمعاتنا التغيير التكنولوجي عندما يتعلق الأمر بالطاقة. يشمل ذلك المتجدات، ولكن أيضًا طاقة نووية ضخمة، ربما كلا من الأنواع التقليدية والصغيرة في آنٍ واحد.

هذا سيناريو حيث يتم استبعاد توليد الطاقة من الوقود الأحفوري إما بسبب أسعارها غير المنافسة أو بحكم القانون.

كما أنه سيناريو حيث تستمر السيارات الكهربائية في الاعتماد بسرعة، ربما بفضل تقنيات بطاريات جديدة.

بينما توفر الطاقة النووية طاقة أساسية وقدرات شتوية، يمكن للمتجدات إدارة فائض الإنتاج لتصنيع وقود سائل لتقليل انبعاثات الطيران، والشحن، والصناعات الثقيلة.

الطريق منخفض الاستهلاك

نظرًا للجوع الطاقي في العالم النامي، بما في ذلك ليس فقط الصين بل أمريكا الجنوبية، أفريقيا، الهند، وإندونيسيا، لا يبدو هذا السيناريو مرجحًا.

سيتطلب ذلك “اختيار” انخفاض حقيقي في النمو، وربما انخفاضًا متوسطًا في مستويات المعيشة، مع تقليل السفر والتجارة الدولية. ستتراجع الزراعة عن التصنيع إلى حد ما، وينخفض النشاط الصناعي، وتصبح الاقتصادات أكثر محلية.

من المرجح تصور هذا السيناريو بالتوازي مع توترات دولية ضخمة، حرب، أو كساد عالمي، يفسر الانخفاض المفاجئ في الأنشطة الاقتصادية، حيث يبدو الاختيار الطوعي لإنتاج أقل غير محتمل في كل من الدول الديمقراطية والسلطوية.

سيناريو التوفيق بين جميع العوامل

هذا سيناريو يحدث فيه كل شيء في آنٍ واحد. الوقود الأحفوري يتراجع قليلًا، لكنه لم يُلغَ تمامًا. يُستبعد الفحم تدريجيًا، لكن النفط والغاز لا يزالان موجودين. بعض الدول تراهن على النووية، وأخرى على المتجدات، والبعض الآخر يظل على الوضع الحالي.

تحدث عملية التحول الكهربائي وإزالة الكربون ولكن بوتيرة أبطأ من المطلوبة. تبقى انبعاثات الكربون في هذا السيناريو أعلى بكثير من سيناريو صافي الصفر الذي تصوره اللجنة الدولية لتغير المناخ (IPCC) للحفاظ على درجات الحرارة العالمية من الارتفاع المفرط.

هذا ليس مختلفًا كثيرًا عن سيناريوهات EIA المذكورة أعلاه. لاحقًا، قد يتم نشر تقنيات احتجاز الكربون لتسريع إزالة الكربون وعكس بعض الانبعاثات السابقة.

سيناريو الاختراق

تم تحقيق اختراق في توليد الطاقة، مما يسمح بوفرة الطاقة، ويمكن نشر الحل بسرعة في جميع أنحاء العالم.

قد يكون ذلك انخفاضًا جذريًا في بنية الطاقة الشمسية المدارية عبر سباق فضائي جديد بين SpaceX (SPCX ) والشركات الصينية.

أو نجاحًا هائلًا لمشروع ITER عند إطلاقه في 2025-2026.

أو تصاميم ثورية جديدة في تقنيات الطاقة الشمسية والبطاريات.

مثل هذه التغييرات بطبيعتها شبه مستحيلة التنبؤ أو القياس. لكنها لا ينبغي إهمالها تمامًا.