مزيج طاقتنا المستقبلية

توقع أنظمة الطاقة

قلما يكون هناك موضوع أكثر تعقيدا وأهمية من مزيج الطاقة المستقبلية لحضارتنا. اعتمادا على من تسأل، يبدو أن الاعتماد على الوقود الأحفوري لا يمكن التخلص منه، أو أن الطاقات المتجددة ستتولى السيطرة بسرعة كبيرة.

الواقع معقد بالطبع، ومن الصعب جدا توقع مستقبل الطاقة.

في هذه المقالة، سننظر إلى وضعنا الحالي، ونرى السيناريوهات القليلة الممكنة، وأهم من ذلك، ما هي التغييرات الاقتصادية أو التكنولوجية التي تجعل سيناريو واحدا أكثر احتمالا من الآخر.

أين نحن

إذا كان هناك نمط حتى الآن لاستخدامنا المتزايد للطاقة، فإنه يبدو أن مصادر الطاقة الجديدة تميل إلى الإضافة إلى مزيج طاقتنا، بدلا من استبدال السابق.

على سبيل المثال، ما زلنا نستخدم نفس الكمية من البيوماس (معظمها خشب) كما كان في القرن التاسع عشر، قبل الثورة الصناعية. وبالمثل، زادت استهلاك الفحم مع مرور الوقت، وأضيف إليه النفط والغاز، ثم الطاقة الكهرومائية والنووية والمتجددة.

مصدر: OurWorldInData

قد يأتي هذا على أنها مفاجأة، بالنظر إلى التقدم الذي أحرزته الطاقات المتجددة في إنتاج الكهرباء. ويرجع ذلك إلى عدة أسباب:

• الصين، التي تقود في سعة الطاقات المتجددة الجديدة والتحول إلى السيارات الكهربائية، هي أيضاً تقود في بناء محطات طاقة الفحم.
• معظم استهلاك الطاقة الأولية لا يستخدم لتحويل الكهرباء. بدلاً من ذلك، يأتي معظم استهلاكنا للطاقة من النقل والتدفئة والاستخدامات الصناعية مثل إنتاج الصلب والبتروكيماويات (إنتاج الأسمدة والبلاستيك والأدوية والكيماويات، إلخ.).
• نمو السكان وبلوغ مليارات من الناس للفقر المدقع يعني زيادة استهلاك الطاقة، مع أن الخيار الأرخص المتاح غالباً ما يكون الفحم. بالإضافة إلى ذلك، تزيد استهلاك اللحوم والتكييف والسيارات والرحلات الجوية، إلخ.
• العولمة الاقتصادية، مما يؤدي إلى زيادة كبيرة في نقل السلع، بما في ذلك حركات متعددة للخلف والأمام من المواد الخام والأجزاء شبه المصنعة والسلع النهائية.
• تصنيع الزراعة، مما يزيد من الإنتاج ويقلل من القوى العاملة المطلوبة، ولكنه يزيد أيضاً من استهلاك الوقود الأحفوري والأسمدة.

لأي شخص قلق بشأن تغير المناخ وانبعاثات الكربون، يمكن أن يكون هذا المنظار مُحبطاً، مع أن الوقود الأحفوري مستقر جيداً في مزيج طاقتنا العالمي. ولكن هذا ليس بالصورة الكاملة أيضاً.

التغيير الجاري

من النظرية الجميلة في عام 2016، أصبحت السيارات الكهربائية الآن جزءاً متزايداً من مبيعات السيارات العالمية، مع بيع أكثر من 10 ملايين سيارة كهربائية في عام 2022، أو 14% من المبيعات العالمية، مع الصين وأوروبا في الطليعة.

مصدر: IEA

تزداد حصة الطاقة المتجددة (المياه + الشمس + الرياح + الجيوترمية) بسرعة أيضاً. وبينما كانت بعض الدول على قائمة طويلة منذ فترة طويلة، بسبب الموارد الكبيرة للمياه الهيدروكهرومائية (مثل النرويج والبرازيل وكندا)، فإن الشمس والرياح هما حيث يحدث التغيير.

مصدر: Our World In Data

ينظر إلى بلد على أساس يظهر نقطة انعطاف واضحة في عام 2010، عندما زادت الطاقات المتجددة أحياناً بمقدار الضعف، وعادة ما كانت مدعومة بالكامل بنمو الإنتاج الشمسي والرياحي. على سبيل المثال، الصين وأستراليا:

مصدر: OurWorldInData

مصدر: OurWorldInData

كانت هناك مسندات كبيرة لهذا التغيير. انخفاض التكاليف المتزايد للطاقات المتجددة، مدفوعاً بالابتكار التكنولوجي وزيادة الإنتاج الصناعي، جعلها أكثر تنافسية. على الأقل على الورق، تبدو الطاقات المتجددة الآن أرخص من الوقود الأحفوري (المزيد عن ذلك أدناه)، كما هو موضح في IRENA (الوكالة الدولية للطاقة المتجددة).

مصدر: IRENA

التحديات

في السنوات القليلة الماضية، بدأ ظهور موقف غريب. انخفاض التكاليف السريع للطاقات المتجددة أقنع العديد من الناس بأن الوقود الأحفوري سيتلاشى قريباً.

مصدر: Twitter/X

لكن في السنوات القليلة الماضية، ظهرت صدمات макرواقتصادية عدة التي جعلت هذه الفكرة موضع تساؤل. حرب أوكرانيا أطلقت التضخم الكبير، ودفعت دولاً مثل ألمانيا إلى إعادة تشغيل اعتمادها على الفحم.

وأثر التضخم نفسه بشكل كبير على ربحية المشاريع المتجددة المخطط لها. تم إلغاء مشاريع الرياح البحرية الكبيرة، وانهارت أسعار أسهم شركات الطاقة الشمسية والرياح، وقد كان هذا فترة مؤلمة. يمكنك قراءة المزيد عما حدث في مقالتنا “انهيار الطاقة المتجددة في عام 2023“.

حتى مبيعات السيارات الكهربائية موضع تساؤل، بعد تأجيل أو إلغاء استراتيجية السيارات الكهربائية من قبل مصنعين كبار مثل GM وFord وHonda.

تقلبات الطاقات المتجددة

هناك مشكلة رئيسية يجب حلها وهي تخزين الطاقة. تعتمد إنتاج الطاقة الشمسية والرياح على الطقس ويمكن أن يكون منفصلًا زمنيًا عن الطلب. هذا هو مشكلة بالنسبة للشبكة الكهربائية التي تتطلب “إنتاج في الوقت المناسب” وتوازن تام بين الإنتاج والطلب في نفس الوقت.

هناك العديد من البدائل الممكنة، ولكن التكنولوجيا إما في بداية الطريق أو لم يتم نشرها بمقياس كبير بعد. هذا يؤدي إلى فائض في الطاقة خلال النهار و/أو الصيف، وعدم كفاية في الليل و/أو الشتاء.

المشكلة ليست غير قابلة للحل، ولكنها تتطلب سياسات منسقة جيداً، واستثمارات أكثر في شبكات الطاقة.

والصادق هو أن تكاليف الطاقات المتجددة الحقيقية يجب أن تشمل تكاليف تخزين الطاقة. قد لا تكون الطاقات المتجددة رخيصة تماماً مثل الوقود الأحفوري، على الأقل عندما تصبح جزءاً كبيراً من إنتاج الكهرباء في البلاد.

limits البطاريات

القلق بشأن تبني السيارات الكهربائية يعود إلى قيود تكنولوجية مماثلة. بينما كان المبتكرون الأوائل راضين عن التكاليف الأولية الأعلى، أو نطاق أقل، أو وقت شحن أبطأ من المركبات التي تعمل بالوقود (ICE)، قد لا يكون المشترون الآخرون كذلك.

幸ي أن تكنولوجيا بطارية جديدة قادمة، من بطاريات الصوديوم الأيونية الصينية إلى البطاريات الصلبة التي من شأنها أن تساعد في خفض أسعار السيارات الكهربائية وإلغاء القلق المشروع مثل قلق المدى أو مخاطر الحريق.

طلب الطاقة الصعب على التحويل

ثم هناك بعض استهلاك الطاقة الذي يصعب تحويله بعيداً عن الوقود الأحفوري. على سبيل المثال، النقل البحري على مسافات طويلة لا يزال يحتاج إلى وقود كثيف وسائل للعمل. الطيران يتطلب أيضاً مصدر طاقة كثيف جداً، وهو ما لا تستطيع البطاريات تقديمه حتى الآن. تعتمد معظم إنتاج البلاستيك على النفط، والأسمدة على الغاز، والفولاذ على الفحم الحجري.

هناك أيضاً حلول، ولكنها تكنولوجيا ناضجة إلى حد ما، وتبعد عن النشر العالمي.

تكنولوجيا المغير اللعبة

المغيرين اللعبة المحتملين

هناك العديد من الحلول التي يمكن أن تساعد في إعادة تشغيل نمو الطاقات المتجددة وتكنولوجيا منخفضة الكربون.

ابتكارات نووية

ما زالت الطاقة النووية مثيرة للجدل، ولكنها تكنولوجيا منخفضة الكربون قد تكون ضرورية للجسر نحو مستقبل مدفوع بالطاقات المتجددة.

المفاعلات النووية الصغيرة (SMRs) هي قطاع آخر تعرض لخبر سيئ بسبب الزيادات في التكاليف المرتبطة بالتضخم العالمي. ولكن في أي حال، فإن التكنولوجيا النووية تخضع لنهضة، مع تصاميم جديدة أكثر أماناً تنظر إلى مفاعلات أصغر (SMRs و مفاعلات صغيرة)، أو وقود جديد مثل ثوريوم. في غضون ذلك، ت建ي الصين 24 مفاعلاً نووياً جديداً، وتخطط لبناء ما يصل إلى 150 مفاعلاً.

تحسين الطاقات المتجددة

من المرجح أن يبقى انخفاض التكاليف مقارنة بالوقود الأحفوري اتجاهاً دائماً. هذا صحيح بشكل خاص للطاقة الشمسية، مع الابتكارات مثل خلايا الطاقة الشمسية الرقيقة أو الجيل الثالث من خلايا الطاقة الشمسية (السيليكون غير المتبلور أو البوليمرات العضوية أو بلورات البيروفسكيت).

ستساعد أيضاً مشاريع البطاريات على نطاق المرافق، مع أكثر من ثلاثة أضعاف السعة الحالية بحلول عام 2025.

مصدر: EIA

البطاريات الصلبة

كل من يعمل على تكنولوجيا البطارية يعرف أن البطاريات الصلبة، التي لا تتطلب الكهرل السائل للبطارية الليثيوم الحالية، ستكون مغيراً للعبة. ويتحدث العديد من الشركات عن إطلاق نسختهم من البطاريات الصلبة في أقرب وقت ممكن، بدءاً من 2026-2029. تشمل هذه الشركات QuantumScape (QS)، CATL (300750.SZ)، Toyota (TM)، Panasonic (6752.T)، LG (051910.KS)، و Samsung SDI (006400.KS). في حين يعمل Tesla (TSLA) على بديل لالبطاريات الصلبة.

المغير اللعبة التكهنية

هناك تكنولوجيا أخرى أقل نضجاً، ولكنها واعدة أكثر، وستكون كيفية حصولنا على طاقتنا في 2040-2050 وما بعدها.

مفاعلات نووية متجددة

هناك قلق كبير مع محطات الطاقة النووية هو النفايات النووية. المفاعلات المتجددة (أو “المتجددات”) يمكن أن تستهلك هذه النفايات النووية وتحولها مرة أخرى إلى طاقة ووقود نووي. هذا يمكن أن يجعل الوقود النووي المتاح عملياً لا نهائياً، ويقلل بشكل كبير من مشكلة النفايات النووية. وميزة إضافية هي أن هذه التكنولوجيا ليست جديدة حقاً، فقد استخدمتها فرنسا حتى عام 1997، لذلك فهي تكنولوجيا تخين فقط بسبب الصعوبات السياسية المحيطة بالطاقة النووية.

الطاقة الشمسية الفضائية

إنتاج الطاقة الشمسية من المدار سوف يحل على الفور جميع مشاكل الطاقة الشمسية: لا تقلبات، لا سحب، لا انخفاض في الإنتاج خلال الشتاء. مع ظهور الإنترنت الفضائي فجأة حقيقة مع Starlink، فهذا ليس بمقدار الخيال كما يبدو.

لقد بحثنا في هذا أكثر في مقالتنا “من الخيال العلمي إلى الأفق العالي: هل لوحات الطاقة الشمسية المدارية فكرة ممتازة؟”

الجيوترمية

هناك مصدر متجدد مهمل إلى حد ما للطاقة، وقادر على توفير طاقة أساسية 24/7 هو الطاقة الجيوترمية. وأخيراً يتغير هذا، مع شركات مثل Vulkan Energy (VUL.AX)، Ormat Technologies (ORA)، و Eavor. هذه الشركات، بشكلironic، تعيد استخدام التقدم في الحفر والتحكم الذي أحرزته صناعة النفط لاستغلال مصادر الحرارة للأرض. (غطينا Ormat في هذه المقالة وVulkan في هذه).

الوقود الاصطناعي

يمكن استخدام الطاقة التي تنتجها الطاقات المتجددة (أو حتى النووية) ل合성 الغازات أو الوقود السائل. هذا يشمل الهيدروجين، الأمونيوم، الغاز السينتيتيك، أو الوقود الاصطناعي.

خيار آخر للوقود الاصطناعي يمكن أن يكون الاستفادة من البيولوجيا، واستخدام الطحالب الدقيقة لإنتاج الوقود الحيوي (انظر “الوقود الحيوي الطحلب: الثورة الطاقية القادمة؟”) أو المخمرات الحيوية لإنتاج الغاز الحيوي والبيوميثان من المادة العضوية المهدرة.

يمكن استخدام هذه الوقود في الطائرات والسيارات والاستخدامات الأخرى التي تتطلب وقوداً كثيفاً أو حرارة احتراق عالية (مثل إنتاج الصلب).

الاندماج

تستهدف طاقة الاندماج إنشاء الطاقة عن طريق دمج العناصر الخفيفة مثل الهيدروجين، وإعادة خلق عملية الطاقة التي تعمل على الشمس نفسها. مع درجات حرارة تتراوح بين ملايين إلى مئات الملايين من الدرجات، هذا هو تحدي تكنولوجي هائل.

سوف توفر أيضاً طاقة نظيفة، لا تنتج الكربون أو النفايات النووية، مع إمداد غير محدود من “الوقود”، حيث أن الهيدروجين هو الذرة الأكثر وفرة في الكون.

أlargest مشروع اندماج هو مجمعة البحث الدولي ITER، مع عديد من الشركات الناشئة التي تسعى أيضاً إلى حلم الاندماج النووي، بما في ذلك Helion، General Fusion، Commonwealth Fusion، TEA Technologies، ZAP Energy، وNEO Fusion (مموّلة من الصانع الصيني للسيارات الكهربائية Nio).

مزيج الطاقة المستقبلية

على الرغم من وعدها على المدى الطويل، سنبحث في الغالب في مزيج الطاقة دون أي من “المغيرين اللعبة التكهنية” المذكورة أعلاه، وننظر إلى الأفق لعام 2040.

أصدرت EIA (إدارة المعلومات الطاقية) سيناريوهات متعددة، اعتماداً على النمو الاقتصادي واعتماد التكنولوجيا منخفضة الكربون أو عدمه.

في معظم الحالات، من المتوقع أن يبقى استهلاك الطاقة في نمو، مع استمرار الوقود الأحفوري في تشكيل الجزء الأكبر من طاقتنا العالمية حتى عام 2050. الآن هذا هو تقدير إذا لم تتغير أي قوانين، وتبقى الاستثمارات في الطاقة على نفس الاتجاه الحالي.

مصدر: EIA

الأعمال المعتادة

هذا سيناريو محبط لأي شخص يهتم بتغير المناخ. يفترض أن الفحم والغاز والنفط ستبقى لمدة 20 سنة قادمة القوة المهيمنة في نظامنا الطاقي، منتجة الجزء الأكبر من طاقتنا.

هذا ليس بعيداً عن المستحيل، كما هو موضح في عودة ألمانيا الحديثة إلى الفحم، على الرغم من أن البلد يعتبر في السابق بطلاً للطاقات المتجددة والتحول الطاقي.

طريق التكنولوجيا العالية

خيار آخر هو أن المجتمعات تتبنى التغيير التكنولوجي فيما يتعلق بالطاقة. هذا يشمل الطاقات المتجددة، ولكن أيضاً النووية بكثرة، على الأرجح من النوع التقليدي والأصغر في نفس الوقت.

هذا هو سيناريو حيث يتم استبعاد توليد الطاقة من الوقود الأحفوري بسبب بدائل أفضل أو حظره بموجب القانون.

هذا هو أيضاً سيناريو حيث تستمر السيارات الكهربائية في التبني بسرعة، على الأرجح بفضل تكنولوجيا بطارية جديدة.

في حين أن النووية تنتج طاقة أساسية وطاقة شتوية، يمكن للطاقات المتجددة إدارة الإنتاج الزائد لوقود سائل لتحويل الطيران والشحن والصناعة الثقيلة.

طريق الاستهلاك المنخفض

إذا اعتبرنا الجوع الطاقي للعالم النامي، بما في ذلك الصين وأمريكا الجنوبية وأفريقيا والهند وإندونيسيا، فإن هذا السيناريو لا يبدو مرجحاً.

يجب أن يشمل هذا “اختيار” الانكماش الحقيقي، وربما انخفاضاً في مستويات المعيشة، مع أقل سفر وتجارة دولية. يتناقص التصنيع الزراعي إلى حد ما، وتنخفض الأنشطة الصناعية، وت trởة الاقتصادات أكثر محلية.

يجب أن يتصور هذا السيناريو على الأرجح جنباً إلى جنب مع توترات دولية كبيرة، أو حرب، أو كساد عالمي، مما يفسر الانخفاض المفاجئ في النشاط الاقتصادي، حيث يبدو أن اختيار الإنتاج الأقل طوعياً غير مرجح في كل من البلدان الديمقراطية والاستبدادية.

سيناريو التخفيض

هذا هو سيناريو حيث يحدث كل شيء في نفس الوقت. يتناقص الوقود الأحفوري قليلاً، ولكن لا يتم استبعاده полностью. يتم استبعاد الفحم بشكل عام، ولكن ليس النفط والغاز.

تحدث الكهربة والتحويل دون الكربون بسرعة أبطأ مما هو مرغوب فيه. تظل انبعاثات الكربون في هذا السيناريو أعلى بكثير من سيناريو الصفر الصافي الذي تصوره GIEC لمنع ارتفاع درجات الحرارة العالمية.

هذا ليس مختلفاً كثيراً عن سيناريوهات EIA المذكورة أعلاه. في وقت لاحق، قد يتم نشر التقاط الكربون لتسريع التحويل دون الكربون وتراجع بعض الانبعاثات السابقة.

سيناريو الكسر

يتم إنجاز اختراق في إنتاج الطاقة، مما يسمح بالطاقة الوفيرة، ويمكن نشر الحل بسرعة في جميع أنحاء العالم.

قد يكون هذا انخفاضاً حاداً في البنية التحتية للطاقة الشمسية المدارية من خلال سباق فضائي جديد بين SpaceX والشركات الصينية.

أو نجاح كبير لمشروع ITER عند إطلاقه في 2025-2026.

أو تصاميم ثورية جديدة في تكنولوجيا الطاقة الشمسية والبطاريات.

تكنولوجيا مثل هذه لا يمكن توقعها أو تقديرها بطبيعتها، ولكنها لا ينبغي أن تُستبعَد تماماً.