الطاقة
السعي نحو الطاقة المستدامة يؤدي إلى اكتشافات غير تقليدية
أضف Securities.io إلى مصادرك المفضلة على Google
استهلاك الطاقة العالمي يتزايد بوتيرة متسارعة. في عام 2023، كان هذا النمو بمعدل 2.2٪، مقارنة بمتوسط سنوي قدره 1.5٪ بين عامي 2010 و2019.
هذا المعدل الأسرع لاستهلاك الطاقة مدفوع أساسًا بالصين، التي سجلت +6.6٪، أي ضعف متوسطها بين 2010-2019. تشمل المساهمين الآخرين الهند وإيران والبرازيل والإمارات العربية المتحدة والجزائر وفيتنام وإندونيسيا. وعلى النقيض من ذلك، انخفض استهلاك الطاقة في اليابان وكوريا الجنوبية وجنوب أفريقيا والاتحاد الأوروبي وظل ثابتًا في الولايات المتحدة.
بشكل عام، ارتفع استهلاك الطاقة العالمي بنحو ثلث منذ عام 2000. يُقدّر حاليًا بـ 580 مليون تيراجول، من المتوقع أن يرتفع إلى 740 مليون تيراجول بحلول عام 2040.
مع ذلك، الجزء الأكثر إقناعًا هو أن الغالبية العظمى من هذه الطاقة—83٪—تأتي من الوقود الأحفوري، حيث النفط هو أكبر مصدر للطاقة، يليه الفحم والغاز الطبيعي، التي تُطلق كميات هائلة من ثاني أكسيد الكربون إلى الغلاف الجوي.
هذا يستدعي الحاجة الملحة للابتكار في الطاقة الخضراء. بينما من المتوقع أن تنمو الطاقة المتجددة، فإن هذا الارتفاع لا يتجاوز 4٪ فقط، مما يرفعها إلى 6٪ من استهلاك الطاقة الأولية العالمي.
لذا، في ظل هذا السياق من الحاجة العالمية لتحويل نظام الطاقة، برزت الطاقة الشمسية كعامل تغيير محتمل. ذلك لأن الطاقة التي يولدها الشمس لديها القدرة على تزويد العالم بأكمله بالمزيد من الطاقة.
تحتاج الأرض فقط بضع ساعات من الطاقة الشمسية لتزويد العالم بأكمله بالطاقة التي يحتاجها لسنة كاملة.
كما أنها أنظف وأكثر مصادر الطاقة المتجددة وفرة المتاحة. علاوة على ذلك، فإن لها ميزة خفض الكربون، وتقليل تكاليف الطاقة، وتأثير بيئي أقل بكثير، وتوفير وصول أكبر للطاقة وأمانًا أكبر.
بالطبع، هناك عدة تحديات مرتبطة بالاستفادة من الطاقة الشمسية؛ وإلا لكنا قد استخدمناها على نطاق واسع بالفعل. إلى جانب التحدي الأساسي المتمثل في تقطع الشمس، حيث لا تشرق الشمس طوال اليوم، هناك تحديات إضافية تتعلق بالموقع، وحلول التخزين، والتكنولوجيا المطلوبة لاستغلال هذه الطاقة.
عند الحديث عن استغلال الطاقة الشمسية، هناك عدة طرق لالتقاط الإشعاع الشمسي وتحويله إلى طاقة.
إحدى الطرق هي استخدام الطاقة الشمسية النشطة، التي تتضمن استخدام أجهزة كهربائية أو ميكانيكية لتحويل الطاقة الشمسية إلى شكل آخر من الطاقة بشكل نشط. يتم ذلك عبر الخلايا الضوئية (PV) أو الطاقة الشمسية المركزة (CSP).
في تقنية الخلايا الضوئية، يتم تحويل ضوء الشمس إلى كهرباء باستخدام مواد شبه موصلة تُظهر تأثير الفوتوفولتية. تُعرف تقنية الخلايا الضوئية عادةً بالألواح الشمسية، وهي مجموعة من الخلايا الشمسية، كل منها يحتوي على شبه موصل يولد تيارًا كهربائيًا بامتصاص ضوء الشمس.
في تقنية الطاقة الشمسية المركزة، تركز العدسات والمرايا ضوء الشمس من مساحة كبيرة إلى مساحة أصغر بكثير لتوليد الكهرباء. الأفران الشمسية، التي تشمل أنواعًا مختلفة مثل أبراج الطاقة الشمسية والقنوات المكافئة، هي مثال على الطاقة الشمسية المركزة.
طريقة أخرى هي استخدام الطاقة الشمسية السلبية، التي لا تعتمد على أجهزة خارجية بل تستغل المناخ المحلي. على سبيل المثال، تصميم مبنى للحصول على كمية مناسبة من ضوء الشمس وبناء مبانٍ بعزل حراري هي أمثلة على هذه الطريقة. تشمل أمثلة أخرى الأسطح الباردة والأسطح الخضراء.
ومع ذلك، ليست هذه هي النهاية للتقنيات المستخدمة في استغلال الطاقة الشمسية. بالنظر إلى إمكاناتها الهائلة، يواصل الباحثون استكشاف طرق جديدة لالتقاط الطاقة الشمسية وتحويلها إلى طاقة مفيدة، وكذلك لجعلها أكثر تكلفة وكفاءة بحيث يمكن استخدامها فعليًا في حياتنا اليومية.
Generating Solar Electricity From Phones & Cars
أجرى باحثون من جامعة أكسفورد مؤخرًا تطورًا مثيرًا في مجال تكنولوجيا الطاقة الشمسية. وفقًا لهذه التقنية، يمكن توليد الكهرباء الشمسية من أسطح السيارات والهواتف المحمولة.
المصدر: Oxford University
نعم، لقد سمعت ذلك صحيحًا: بدلاً من تركيب خطوط طويلة من الألواح الشمسية القائمة على السيليكون، يمكن توليد كميات متزايدة من الكهرباء الشمسية ببساطة عبر الأشياء اليومية.
تم إتاحة هذا الابتكار بفضل مادة جديدة مولدة للطاقة تُطلى على أسطح هذه الأشياء. المادة الممتصة للضوء رقيقة ومرنة بما يكفي لتطبيقها على أي سطح تقريبًا. تتضمن هذه المقاربة الثورية تجميع عدة طبقات ممتصة للضوء في خلية شمسية واحدة.
لهذا، ابتكر العلماء من قسم الفيزياء بجامعة أكسفورد تقنية مكنتهم من استغلال نطاق أوسع من طيف الضوء، مما يولد طاقة أكبر من نفس كمية ضوء الشمس.
تمت أيضًا شهادة المادة، البيروفسكايت رقيق الفيلم، بشكل مستقل من قبل المعهد الوطني للعلوم والتكنولوجيا الصناعية المتقدمة (AIST) في اليابان لتوفير كفاءة طاقة تزيد عن 27٪. هذه الأرقام تتطابق مع أداء الخلايا الضوئية السيليكونية، التي تُعد مواد توليد طاقة تقليدية ذات طبقة واحدة.
وفقًا للباحثين، بعد خمس سنوات فقط من التجارب باستخدام نهج متعدد الوصلات أو التراص، زادوا كفاءة تحويل الطاقة بنحو 21٪ تقريبًا. وهذا يعني أنه من كفاءة أولية تبلغ حوالي 6٪، يمكنهم الآن تحويل أكثر من 22٪ من طاقة ضوء الشمس.
“(تقنيتهم) قد تمكّن الأجهزة الضوئية من تحقيق كفاءات أعلى بكثير، متجاوزة 45٪ (في المستقبل).”
إلى جانب كفاءة الطاقة، فإن مرونة المادة تعد عاملاً حاسمًا آخر. المادة رقيقة جدًا، بسمك يزيد قليلاً عن ميكرون واحد (0.001 مم)، مما يجعلها أرق بحوالي 150 مرة من رقاقة السيليكون. عادةً ما يتراوح سمك رقاقة السيليكون بين 0.5 مم و400 ميكرون (0.4 مم)، بينما يُستخدم النطاق بين 2 و25 ميكرون لأغراض علمية محددة.
إن رقة هذه المادة الجديدة تعني أنه يمكن تطبيقها ليس فقط على أي جسم شائع أو مبانٍ، بل أساسًا على أي سطح تقريبًا، على عكس الخلايا الضوئية الحالية.
من خلال استخدام المواد الجديدة للطلاء، أشار الدكتور جونك ويانغ إلى أن:
“(لقد) أظهروا أننا يمكننا تكرار وتجاوز أداء السيليكون مع الحصول على مرونة إضافية. هذا مهم لأنه يَعِد بمزيد من الطاقة الشمسية دون الحاجة إلى العديد من الألواح القائمة على السيليكون أو مزارع شمسية مخصصة.”
من المتوقع أن تجعل هذه المقاربة الجديدة الطاقة الشمسية الشكل الأكثر استدامة للطاقة المتجددة وتقلل التكلفة أكثر، حيث انخفضت بالفعل بنسبة تصل إلى 90٪ خلال الأربعة عشر سنة الماضية.
وفقًا للمنتدى الاقتصادي العالمي، في عام 2010، كان متوسط التكلفة العالمية لتوليد ميغاواط ساعة من الكهرباء من الخلايا الضوئية الشمسية دون أي دعم 378 دولارًا، وقد انخفض إلى 68 دولارًا فقط في عام 2019. أصبحت الطاقة الشمسية الآن أرخص من الفحم والنووية وتكاد تكون فعّالة اقتصاديًا مثل طاقة الرياح البرية. بينما شهدت طاقة الرياح أيضًا انخفاضًا في التكلفة خلال هذه الفترة، ارتفعت تكلفة الطاقة النووية والفحم أو سجلت انخفاضًا طفيفًا.
الآن، تعد الابتكارات مثل البيروفسكايت رقيق الفيلم بمزيد من التوفير في التكلفة من خلال تقليل الحاجة إلى ألواح السيليكون ومزارع الطاقة الشمسية المخصصة.
وفقًا للباحثين، يمكن أن تصبح هذه الابتكار الأخير صناعة مستقلة لتصنيع المواد وتوليد الطاقة الشمسية بتكلفة منخفضة وبطريقة مستدامة باستخدام الأشياء القائمة.
‘الورقة الاصطناعية’ لإنتاج وقود نظيف
ليس العلماء فقط يجعلون من الممكن توليد الكهرباء الشمسية بتكلفة منخفضة باستخدام الأشياء اليومية، بل يعيدون أيضًا تشكيل عملية التمثيل الضوئي، وبالتالي يثوّرون طريقة إنتاج الوقود النظيف.
في عام 2019، وضع باحثون من جامعة كامبريدج معيارًا جديدًا عندما نجحوا في ورقة اصطناعية تُنتج غاز السينغاز ببساطة باستخدام ضوء الشمس وثاني أكسيد الكربون والماء.
المصدر: Cambridge University
السينغاز هو غاز يُصنع من الوقود الأحفوري، مزيج من الهيدروجين وأول أكسيد الكربون، ويُستخدم لإنشاء البلاستيك والأدوية والوقود والأسمدة. بما أننا نستخدم منتجات نستهلكها يوميًا، فمن الضروري أن نجد طرقًا “لإنتاجه بشكل مستدام”.
وهنا تظهر الورقة الاصطناعية، وهي جهاز محايد للكربون يعمل بالطاقة الشمسية ولا يطلق ثاني أكسيد الكربون إلى الغلاف الجوي. علاوة على ذلك، على الرغم من تشغيله بالطاقة الشمسية، لا يزال يعمل بكفاءة في الأيام الغائمة والملبدة بالغيوم.
مستوحاة من عملية التمثيل الضوئي، وهي عملية طبيعية تستخدمها النباتات لتحويل ضوء الشمس إلى طاقة لتصنيع الغذاء من ثاني أكسيد الكربون والماء، جمع الباحثون بين ممتصين للضوء على الورقة الاصطناعية مع محفز من الكوبالت. عند غمرها في الماء، ينتج أحد الممتصين الأكسجين بمساعدة المحفز، بينما يُجري الآخر التفاعل الكيميائي، حيث يقلل الماء وثاني أكسيد الكربون إلى هيدروجين وأول أكسيد الكربون، مما يُكوّن غاز السينغاز.
نظرًا لأن ممتصات الضوء تعمل حتى تحت مستويات منخفضة من ضوء الشمس، يمكن استخدام هذه التقنية طوال اليوم وفي أي مكان في العالم.
بينما تم تطوير أجهزة ورقة اصطناعية أخرى، أشار باحثو كامبريدج إلى أنها تنتج فقط الهيدروجين، على عكس جهازهم الذي يمكنه إنتاج السينغاز بفضل الجمع بين المواد والمحّزّات التي استخدموها.
المادة المستخدمة للمحفز الجزيئي كانت الكوبالت، وهو أقل تكلفة ومتوافر، ويُنتج أول أكسيد الكربون بشكل أفضل مقارنة بمحّزّات أخرى مثل البلاتين أو الفضة.
في الوقت نفسه، صُنعت ممتصات الضوء الخاصة بهم من البيروفسكايت بدلاً من السيليكون أو المواد الحساسة للصبغات. وفرت ممتصات البيروفسكايت فولتية ضوئية عالية وتيارًا كهربائيًا لتشغيل التفاعل الكيميائي، الذي يقلل ثاني أكسيد الكربون إلى أول أكسيد الكربون.
الخطوة التالية بعد السينغاز هي تطوير وقود سائل مستدام كبديل للبنزين. بدلاً من إنتاج السينغاز ثم تحويله إلى وقود سائل، يهدف الدراسة إلى تصنيع الوقود السائل مباشرةً من ثاني أكسيد الكربون والماء.
نظرًا لأن الكهرباء لا تستطيع تلبية سوى جزء من إجمالي الطلب العالمي على الطاقة، يمكن أن يكون البنزين الصناعي تطورًا حيويًا، كما صرح بذلك المؤلف الرئيسي الأستاذ إروين ريزنر من قسم الكيمياء في كامبريدج، مشيرًا إلى “الطلب الكبير على الوقود السائل لتشغيل النقل الثقيل والشحن والطيران بشكل مستدام”.
على مدار السنوات القليلة الماضية، عمل ريزنر مع مجموعته على تطوير ورقة اصطناعية جديدة يمكنها إنتاج إيثانول وبروبانول نظيفين مباشرةً دون الحاجة إلى إنتاج السينغاز أولاً. تم تحقيق ذلك من خلال تطوير محفز قائم على النحاس والبلاديوم.
“(القدرة على) إنتاج وقود سائل عملي باستخدام طاقة الشمس فقط” (يجعل هذا) تقدمًا مثيرًا يفتح آفاقًا جديدة تمامًا في عملنا.
في الوقت الحالي، الجهاز مجرد إثبات للمفهوم. يعمل الباحثون على تحسين الأوراق لامتصاص ضوء الشمس بشكل أفضل، وتحسين المحفز لتحويل المزيد من ضوء الشمس إلى وقود، وفي النهاية جعل الجهاز قابلًا للتوسع لإنتاج كميات كبيرة من الوقود.
في الواقع، تم منح الأستاذ ريزنر كرسيًا من الأكاديمية الملكية للهندسة في التقنيات الناشئة في وقت سابق من هذا العام. سيمكنه منحة بقيمة 2.5 مليون جنيه إسترليني فريقه من تسهيل الانتقال من المختبر إلى السوق لتقنيات الطاقة الشمسية الكيميائية.
بينما يعمل فريق ريزنر على جعل منتجه قابلًا للتوسع، نشر ييمين وو، أستاذ الهندسة في جامعة واترلو، ورقة أخرى في نفس فترة بحث السينغاز. أنشأت هذه الورقة أيضًا “ورقة اصطناعية” تُحوّل ثاني أكسيد الكربون الضار إلى وقود بديل مفيد بتكلفة منخفضة.
مرة أخرى، مستوحاة من عملية التمثيل الضوئي، أنتجت الورقة الاصطناعية الميثانول والأكسجين، على عكس النبات الطبيعي الذي ينتج الجلوكوز والأكسجين.
المكون الرئيسي هنا كان أكسيد النحاس الأحادي، مسحوق أحمر مُحسّن، ” تم تصميمه” ليحمل جزيئات ذات ثمانية أوجه. نتج عن إضافة خلات النحاس، الجلوكوز، الصوديوم دوديسيل، وهيدروكسيد الصوديوم الكبريتي إلى ماء مُسخن إلى درجة حرارة محددة.
عند خلطه بالماء وتعرضه لثاني أكسيد الكربون، عمل كعامل محفز لتفاعل كيميائي آخر، ينتج الأكسجين ويحول ثاني أكسيد الكربون إلى ميثانول. تم استخدام محاكي شمسي لإشعاع ضوء أبيض. مع تسخين المحلول، جمع التفاعل الميثانول الذي تبخر.
Quantum Dots to Create Double-Pane Solar Windows
تطور آخر في هذا المجال هو النقاط الكمومية، وهي جزيئات شبه موصلة صغيرة تتراوح أحجامها بين 2-10 نانومتر. يمنحها حجمها الصغير خصائص إلكترونية وبصرية فريدة، مما يجعلها متعددة الاستخدامات.
في أبحاث بمختبر لوس ألاموس الوطني، تم دمج النقاط الكمومية في زجاج النوافذ لتوليد الكهرباء. هذه النقاط الكمومية “المصممة” تمتص ضوء الشمس وتحوّله إلى طاقة دون التأثير على شفافية النوافذ.
تسمح هذه الابتكار أساسًا للمباني بأكملها بأن تصبح مولدات للطاقة الشمسية دون الحاجة إلى الألواح الشمسية التقليدية، التي تكلف الكثير وتشغل مساحة كبيرة.
المصدر: Los Alamos National Laboratory
وفقًا للباحث الرئيسي فيكتور كليموف، توفر النوافذ المزدوجة الطبقة القائمة على النقاط الكمومية نهجًا جديدًا لتقليل التكلفة بفضل الأداء القوي الذي يمكن تحقيقه باستخدام هذه “المواد منخفضة التكلفة والقابلة للمعالجة بالحلول”.
هذه الطريقة الجديدة لا تحل محل تقنية الخلايا الضوئية الحالية. يتم إضافة مجمعات ضوء الشمس الفعّالة ” ببساطة” إلى الألواح الشمسية القائمة. يمكن أيضًا دمجها كنوافذ شبه شفافة في هندسة المبنى.
بينما تحقق الألواح الضوئية الحالية كفاءة تقارب 25٪، توفر النقاط الكمومية إمكانية تجاوز ذلك باستخدام تضاعف الحامل.
تمتص اللوحة الشمسية الضوئية النموذجية فوتونًا واحدًا من الضوء وتطلق إلكترونًا واحدًا، يتحول إلى طاقة. ومع ذلك، من خلال تضاعف الحامل وإدخال أيونات المنغنيز المغناطيسية، تنتج الألواح الشمسية القائمة على النقاط الكمومية أكثر من إلكترونين لكل فوتون تم امتصاصه.
مع ذلك، في صميم هذا التقدم التقني يكمن تقسيم طيف الشمس، الذي يفصل معالجة الفوتونات الشمسية ذات الطاقة العالية والمنخفضة.
تم تحقيق ذلك بإدخال أيونات المنغنيز إلى النقاط الكمومية لتعمل كشوائب ذات انبعاث عالي. عندما تمتص النقاط الكمومية الضوء، تُنشّط الشوائب، مما يؤدي إلى انبعاث أيونات المنغنيز للضوء عند طاقات أقل من بداية امتصاص النقاط الكمومية.
الآن، لتحويل النافذة إلى جامع ضوء شمسي لامع مزدوج، يضع الباحثون طبقة من النقاط الكمومية المدمجة بأيونات منغنيز ذات انبعاث عالي على سطح اللوح الزجاجي الأمامي. في الوقت نفسه، تم إيداع طبقة من النقاط الكمومية التي تحتوي على سيلينيد النحاس والإنديوم على سطح اللوح الخلفي.
بهذه الطريقة، تمتص الطبقة الأمامية الجزء الأزرق والشمسي فوق البنفسجي من طيف الشمس، بينما تلتقط الطبقة السفلية البقية. بعد الامتصاص، تعيد النقاط الكمومية إصدار الفوتونات بطول موجة أطول. يتم توجيه الضوء المُعاد إصداره عبر الانعكاس الداخلي الكلي إلى حواف زجاج النافذة، حيث تجمع الخلايا الشمسية المتكاملة الضوء وتحوّله إلى كهرباء.
بالإضافة إلى ذلك، يستكشف فريق كليموف أيضًا كيفية استخدام النقاط الكمومية لإنتاج الأمونيا، التي تمثل أكثر من 2٪ من استهلاك الطاقة العالمي. في هذا التطبيق المحدد، يستخدمون النقاط الكمومية وضوء الشمس لتوليد “إلكترونات حرة” بدلاً من الضوء عبر الانبعاث الضوئي.
الآن، دعونا نلقي نظرة على شركتين رئيسيتين في مجال الطاقة الشمسية.
#1. NextEra Energy
معروفة على نطاق واسع كقائدة في مجال الطاقة المتجددة، سجلت NextEra Energy (NEE ) صافي دخل قدره 552 مليون دولار ودخلًا معدلًا قدره 865 مليون دولار في الربع الثاني من عام 2024.
NEE مخطط السعر
أضافوا 3 جيجاواط إلى طاقة الطاقة المتجددة لديهم، بما في ذلك تطورات شمسية هامة، متوقعين مسار أرباح تصاعدي حتى عام 2027 مع توقعات بارتفاع الأرباح المعدلة للسهم سنويًا.
#2. First Solar
تتخصص First Solar (FSLR ) في تصنيع الألواح الشمسية وتقديم خدمات شاملة لمحطات الطاقة الضوئية. يميزها استخدامهم المبتكر لتقنية أشباه الموصلات رقيقة الفيلم في صناعة الطاقة الشمسية.
FSLR مخطط السعر
من الناحية المالية، أبلغت First Solar عن إيرادات بلغت 3.56 مليار دولار وصافي دخل قدره 1.02 مليار دولار في السنة المالية الأخيرة. يبرز تركيزهم على التكنولوجيا المستدامة وتوسيع السوق الدولية موقعهم الاستراتيجي في قطاع الطاقة الشمسية.
Conclusion
تشكل هذه الابتكارات الأخيرة خطوة كبيرة ومهمة إلى الأمام في تحقيق الإمكانات الكاملة للطاقة الشمسية. الطاقة الشمسية هي مصدر نظيف ومتجدد يقدم بديلاً قويًا للوقود الأحفوري الذي يلوث البيئة.
مع توقع زيادة الطلب العالمي على الطاقة في العام القادم وتوافر الطاقة الشمسية المستدامة بوفرة، من الضروري الاستفادة من هذا المصدر غير المحدود للطاقة النظيفة. ومع ذلك، تمثل الطاقة الشمسية حاليًا نسبة منخفضة جدًا (واحدة) من إجمالي توليد الكهرباء العالمي من جميع المصادر. وهذا يبرز الحاجة الملحة إلى البحث المستمر والتطوير والتعاون بين الحكومات والمنظمات لدفع استخدام الطاقة الشمسية قدمًا وتزويد العالم بأكمله بالطاقة.
