لماذا الطاقة الخضراء لها مستقبل صعب؟

يتم تخصيص ما يقرب من نصف المشاركات في مدونتنا ، بدرجة أو بأخرى ، للطاقة بدرجات متفاوتة من البديل وغير البديل. ولكن من أجل بناء توقعات واقعية حول الطاقة "الخضراء" في المستقبل ، تحتاج إلى معرفة إجابات الأسئلة غير السارة. سنقوم في هذا المنشور بمقارنة الحقائق الحالية من مجال إنتاج الطاقة وتخزينها لفهم السبب وراء عدم تسارع العالم في التحول إلى مصادر الطاقة المتجددة الصديقة للبيئة وما هي المشاكل التي لا يزال يتعين حلها على طريق التخضير.

دون استثناء ، لاحظ الجميع زيادة في حصة الطاقة الخضراء في العالم. لا جدال في هذه الحقيقة: إن تطوير الطاقة الشمسية وطاقة الرياح ينمو حقًا من عام إلى آخر بوتيرة مثيرة للإعجاب. هل هذا يعني أن الطاقة المتجددة تزداد باطراد الوقود الأحفوري؟ لا.

لا تنس أنه من عام إلى عام لا تنمو الطاقة الخضراء فحسب ، بل أيضًا الاستهلاك العالمي للكهرباء. لتلبية الطلب ، لا تكفي مصادر الطاقة المتجددة وحدها ، وبالتالي فإن قطاعات الفحم والغاز وحتى النفط تزيد من حجم الإنتاج. بمعنى أنه من الممكن التحدث عن تطوير الطاقة الخضراء ، لكن لا توجد وسيلة لاستبدالها بناءً على الوقود الأحفوري خارج أكثر الدول الأوروبية تقدمًا.


إذا نظرت إلى إنتاج الطاقة لجميع أنواع الوقود ذات الصلة ،
اتضح أن الطاقة "الخضراء" ليست فقط تنمو. يتم الحساب بـ "أطنان من معادل النفط" - أي ما يعادل الطاقة التي يتم الحصول عليها من أطنان من النفط. المصدر: المراجعة الإحصائية لشركة BP للطاقة العالمية 2019

EROI - القيمة الحقيقية للطاقة

عند مناقشة مشاريع الطاقة الخضراء ، يشير المطورون كحجة إلى التكلفة المنخفضة التي تبلغ 1 كيلو وات في الساعة ، والتي في بعض الحالات تكون أقل من سعر كيلووات ساعة الناتجة عن محطة توليد الكهرباء التي تعمل بالفحم. إذا كان الأمر كذلك ، فلماذا لا تزال حصة الفحم في توليد الكهرباء على مستوى العالم 40٪ ، وهل يحصل على كمية أقل من الغاز الأحفوري في أعقابه؟

من الأصح تقييم ومقارنة تكلفة الكهرباء المستلمة بطرق مختلفة باستخدام مؤشر EROI (الطاقة التي يتم إرجاعها على الطاقة المستثمرة) - نسبة الطاقة المستلمة من المصدر إلى كمية الطاقة المستهلكة في توليدها. باستخدام EROI ، يمكنك بدقة تقييم احتمالات مصدر الطاقة ، على عكس الكفاءة النظرية البحتة أو قفزة الأسعار من بلد إلى آخر 1 كيلو واط ساعة. على سبيل المثال ، يعني EROI 20: 1 لنوع معين من الوقود أنه لكل كيلوواط ساعي يتم إنفاقه ، يمكن توليد 20 كيلوواط ساعي.


مخطط EROI لأنواع مختلفة من الطاقة في الولايات المتحدة الأمريكية. المصدر: Mrfebruar / ويكيبيديا

يمكن أن يختلف EROI لكل نوع من المخرجات بشكل كبير بمرور الوقت. يعتمد ذلك على تقنيات الإنتاج والتجهيز والاحتياطيات المؤكدة وتعقيد إنتاج الوقود وأسعار المعدات ومصدر الطاقة نفسه. في بداية القرن العشرين ، في حين كان الوصول إلى النفط سهلًا ، كان معدل إنتاج النفط EROI الرائع 1200: 1 ، والآن يوازن في الساعة 5: 1 ويستمر في الانخفاض ببطء. ارتفعت نسبة الفحم إلى 75: 1 وانخفضت إلى 30: 1 ، ولكن من المثير للدهشة أن العلماء يتوقعون ذروة الفحم EROI في منتصف القرن الحادي والعشرين ، عندما يمكن أن تتجاوز النسبة 100: 1.

من الناحية النظرية ، يجب أن يكون EROI للوقود أعلى من 1 ، بحيث يكون استخدامه مناسبًا. في الواقع ، مع نسبة أقل من 4: 1 ، يجب دعم مصدر الطاقة ، وإلا فإن استخدامه سيكون غير مربح ومكلف للغاية. EROI أعلى من الوحدة مسموح به فقط لشركات التعدين ، وجوهرها هو استخراج الموارد وبيعها في وقت لاحق - حتى أن منتجي النفط مرتاحون بنسبة 1.1: 1.

الطاقة التقليدية EROI

مخطط EROI أعلاه لصناعة الطاقة في الولايات المتحدة لعام 2010 بليغ للغاية وصحيح بشكل عام بالنسبة للبلدان الأخرى. تقف محطات الطاقة الكهرومائية التي يصل معدل EROI إلى 100: 1 على أوليمبوس غير قابل للتحقيق. بناء محطة كبيرة للطاقة الكهرومائية هو مشروع مكلف للغاية. كلف المجمع الصيني الخوانق الثلاثة ميزانية الصين 25.5 مليار دولار ، منها المحطة نفسها كلفت 9 مليارات دولار فقط. ولكن بفضل أعلى قدرة EROI وقدرتها المركبة البالغة 22.5 جيجاوات ، دفعت Three Gorges نفسها بعد عام واحد من بدء التشغيل الرسمي أو أربعة بعد إطلاق التوربين الأول.


قابل أقوى محطة كهرباء في العالم - محطة الخوانق الثلاثة الكهرومائية على نهر اليانغتسي. القدرة المركبة من 22.5 غيغاواط! المصدر: لو غراند بورتيج / ويكيبيديا

الفحم ، الذي يبدو الآن وكأنه نوع من الوقود القديم الفظيع والقذر بشكل لا يصدق ، حتى في أوروبا لن يستسلم لمجرد ارتفاع EROI حوالي 30: 1 (في الولايات المتحدة الأمريكية أعلى من ذلك بكثير). من المستغرب أن حامل الرقم القياسي الأوروبي لاستهلاك الفحم هو ... ألمانيا. 61٪ من مشتريات أنثراسيت و 93٪ من الفحم البني في أوروبا يذهبون على وجه التحديد لتوليد الكهرباء. علاوة على ذلك ، فقد تجاوز حجم الإنتاج "الأخضر" في ألمانيا العام الماضي الإنتاج من المصادر الأحفورية. في نهاية عام 2019 ، أكملت لجنة التخلي عن توليد الفحم عملها في ألمانيا ، حيث قدمت إلى الخطط والتوصيات الحكومية لإنهاء تشغيل محطات توليد الطاقة التي تعمل بالفحم بحلول عام 2038. يوجد الآن 84 محطة فحم في البلاد تُجبر على التخلّي عن التخلي عن التوليد الذري - بحلول عام 2022 ، ستغلق ألمانيا جميع محطات الطاقة النووية ، على الرغم من أن الطاقة النووية التي تعود إلى عام 2000 كانت تمثل ربع الجيل في البلاد.


خريطة لتشغيل محطات توليد الطاقة التي تعمل بالفحم في ألمانيا (تتميز بالأعمال السوداء على الأنثراسيت والبني على الفحم البني) - إنها تمثل ربع إجمالي الإنتاج في البلاد. لذلك ، يتعين على السلطات محاولة التعويض عن اختفاء 48.8 جيجا وات من الجيل. المصدر: CarbonBrief.org

إذا كان الفحم وقودًا متسخًا جدًا ، فسيكون الغاز الطبيعي أكثر ملاءمة للبيئة ، وهو يعتبر الوقود الأحفوري الواعد لمحطات الطاقة في المستقبل ، ويبلغ معدل استهلاك الطاقة في الدول المستوردة 20-30: 1 ، وفي روسيا المنتجة للغاز - ليس أقل من 75: 1 ، مما يجعل الغاز جذابا وفي الطلب. إلى حد كبير أكثر من أي مكان آخر - في ألمانيا ، حيث يحتاج تعويض الفحم ومحطات الطاقة النووية بشكل عاجل إلى تعويض عن شيء وحيث الطاقة المتجددة وحدها ليست هي الطريقة للقيام بذلك.

الأخضر EROI

الآن دعنا ننتقل إلى الطاقة الخضراء "EROI" - حيث أن كل شيء في الوقت الحالي ليس ممتعًا للغاية. مشكلة الطاقة المتجددة تعلقهم جامدة في المنطقة. تعمل محطات الطاقة الشمسية بشكل أفضل بالقرب من خط الاستواء ، والرياح - على الساحل ، والطاقة الحرارية الأرضية - في مناطق النشاط البركاني. في الوقت نفسه ، يتوقف الإنتاج على الألواح الشمسية ليلًا ويتقلص إلى حد كبير في فصل الشتاء ، يتم إيقاف تشغيل طواحين الهواء خلال فترة هجرة الطيور ، وعلى الرغم من أن محطات الطاقة الحرارية الأرضية فعالة ، فإن قوتها صغيرة للغاية (العشرات ، وفي أفضل الأحوال مئات من ميجاوات).

من الناحية النظرية ، يمكن لطاقة الرياح أن تكون رخيصة ومنخفضة للغاية من حيث التنمية ، ولكن حتى الآن واحد من أفضل المجمعات البحرية الألمانية (البحرية) بسعة مركبة قدرها 200 ميجاوات يعطي EROI من 16: 1. وعلى الرغم من أن الريح تمثل أكثر من 21 ٪ من الإنتاج الألماني ، إلا أن الصناعة تعاني من الركود - فقد انخفضت وتيرة بناء طواحين هواء جديدة لهذا العام بنسبة 80 ٪ ، وقدرة المحطات قيد الإنشاء أقل 26 مرة من النمو النظري السنوي ، والذي يعتبر ضروريًا لاستبدال الوقود الأحفوري بشكل مستقر ، وهو ما يعد ضروريًا. أدت تشدد القوانين وإحجام المواطنين عن إنشاء طواحين هواء بالقرب من منازلهم إلى حقيقة أن سوق طاقة الرياح الألماني قد وصل إلى حد معين ، والذي سيكون من الصعب للغاية عبوره - كل الأمل في تحديث المولدات من أجل زيادة كفاءتها. هذا ، بالمناسبة ، يمكن أن يخفض EROI أكثر.


ظلت الاستثمارات العالمية في الطاقة الشمسية وطاقة الرياح دون تغيير تقريبًا على مدار العقد الماضي. المصدر: الوكالة الدولية للطاقة المتجددة (IRENA) ، مدرسة فرانكفورت - مركز UNEP / BNEF

إذا كانت طاقة الرياح ككل ليست سيئة ، على الرغم من أن لها فروقها وحدودها الخاصة ، فإن الطاقة الشمسية كل شيء كئيب تمامًا مع الطاقة الشمسية. لقد كتبنا بالفعل عن الأسباب وراء عدم تحول الشمس إلى مصدر عالمي للكهرباء غير المحدودة ، على الرغم من أن الألواح الشمسية الفعالة موجودة منذ أكثر من نصف قرن. نظرًا لانخفاض كفاءة ألواح الأغشية الرقيقة الرخيصة (6-8٪) والحاجة إلى بناء محطات بمساحة كبيرة جدًا ، وكذلك بسبب الوقت من اليوم والموسم ، فإن EROI للطاقة الشمسية في أوروبا في مستوى محبط للغاية: 1.6: 1. أجرى قارئ هابر حسابات مهمة جدًا لمحطة نظرية في ولاية أريزونا الأمريكية المشمسة ، والتي تعد واحدة من أفضل الأماكن للطاقة الشمسية ، وفقًا للنتائج التي حصل عليها "فراغ كروي" EROI 3.8: 1.

توشيبا H2 - محطات توليد خلايا الوقود الهيدروجينية المستقلة بالكامل تعمل بالفعل. يحصلون على الطاقة للتحليل الكهربائي من الشمس أو الرياح

لسوء الحظ ، الهيدروجين لا يسير بسلاسة أيضًا. باعتباره حاملة طاقة محمولة صديقة للبيئة تمامًا ، لا غنى عن الهيدروجين ، ولكن يجب أن يتم إنفاق الكثير من الطاقة لإنتاجه ، بسبب أن EROI لخلايا الوقود أقل من 2: 1. حتى الآن ، فإن الطريقة الوحيدة الفعالة من حيث التكلفة لإنتاج الهيدروجين لخلايا الوقود هي استخدام طاقة الشمس أو الرياح. لقد أخبرنا بالفعل كيف تمكنت Toshiba من حل هذه المشكلة بأمان من خلال محطة توليد الكهرباء المحمولة من Toshiba H2One ، والتي تولد نفسها الهيدروجين عن طريق التحليل الكهربي ، وتتلقى الطاقة من الألواح الشمسية والبطاريات.

الحاجة لتخزين الطاقة

لا يمكن للمرء أن يجد مصدرا غير مستقر على قدم المساواة لتوليد الطاقة ، مثل الرياح وأشعة الشمس. في الوقت نفسه ، لا يعتمد جيلهم على حجم الاستهلاك في الشبكة - في الليل ، بينما تنام المدينة ، يمكن لمولد الرياح الدوران بشكل يائس ، مما يولد أقصى طاقة ممكنة لمجرد أن الرياح هبت ، وخلال النهار - في ذروة الاستهلاك - سيكون هناك هدوء. لكي لا تفقد الإنتاج الزائد وتعويض توقفه لأسباب طبيعية ، يجب تخزين الطاقة. بالنسبة لمحطات الطاقة التي تعمل بالوقود الأحفوري ، لم تكن هذه مشكلة من قبل. الطريقة الوحيدة الكافية والمتاحة على نطاق واسع لتخزين الكهرباء هي البطاريات.


لا نأخذ محطات التخزين الهيدروليكية في الاعتبار نظرًا لارتفاع أسعارها ودقتها في التضاريس. هذا رسم تخطيطي لمحطة صغيرة لتوليد الطاقة الكهرومائية تضخ المياه إلى بركة متراكمة في الليل وتمررها عبر مولدات أثناء النهار. بعبارة ملطفة ، ليس الحل الأسهل والأكثر ملاءمة. المصدر: الجهات المانحة / ويكيبيديا

بينما لا يوجد حل عالمي لتراكم كميات كبيرة من الكهرباء في البطاريات. في المحطات الصغيرة ، مثل طواحين الهواء ، يمكنك الحصول على مجموعة من بطاريات الليثيوم أيون (ليثيوم الحديد الفوسفات). تقل كثافة الطاقة لديهم مرتين عن كثافة بطاريات الليثيوم الكوبالت (120 واط · ساعة / كجم) ، لكن مدة الحياة 2000 دورة تفريغ شحن.

خيار معقول آخر هو استخدام البطاريات المستعملة من السيارات الكهربائية. عادة ما تحتاج إلى استبدال البطارية التي فقدت 20٪ من طاقتها ، وإلا فإن المسافة المقطوعة في السيارة من شحنة واحدة يتم تخفيضها بشكل ملحوظ. حتى لا تتعامل مع التخلص المكلف من البطارية التي لا تزال تعمل ، يمكن تكييفها لتخزين الطاقة من المصادر الخضراء. هذا ما حدث في استاد يوهان كرويف للعروض الترفيهية (54،990-68،000 متفرج) في أمستردام ، هولندا ، والتي ، بعد البيريسترويكا في 2016-2016 ، أصبحت مستقلة تمامًا من حيث الطاقة. هناك 4200 لوحة شمسية مثبتة على السطح ، والتي تخزن الطاقة في 280 بطارية من بطاريات نيسان ليف. ومع ذلك ، لم يرفض الملعب تمامًا الطاقة من شبكة المدينة - حيث تساعد البطاريات في تخفيف العبء أثناء الأحداث المسائية ، عند الحاجة إلى إضاءة قوية. على البطاريات وحدها ، لن يتمكن الملعب من العمل كل مساء.


على سطح لوحة "Johan Cruyf ArenA" (المعروفة سابقًا بأمستردام أرينا) ، تظهر الألواح الشمسية بوضوح - يوفر الاستاد للكهرباء قدر الإمكان (وإذا كنت محظوظًا بالطقس). المصدر: كورنوال نيسان / يوتيوب

تراكم الكهرباء من مصادر الطاقة المتجددة في البطاريات لتهدئة قمم الاستهلاك وتعويض النقص في توليد الكهرباء - تبدو معقولة للغاية. لكن مشكلة تخفيض تكلفة تخزين الطاقة لم يتم حلها بعد. بسبب تكلفة البطاريات ، يرتفع سعر كيلو واط ساعة من المصادر "الخضراء" 3-4 مرات ، ليصل إلى 0.45 دولار (تقرير لازارد ، ص 12). لا يمكن التعامل مع هذا إلا من خلال إنشاء أنواع جديدة من البطاريات: رحيب ودائم وغير مكلف. لقد كتبنا عن التطورات الواعدة في هذا المجال في وقت سابق .

الادعاء كوسيلة للحفظ

كيفية حل مشكلة ارتفاع تكلفة كيلوواط ساعة من الطاقة المتجددة المتراكمة في البطاريات؟ يمكنك بيع الفائض غير المطالب به الناتج. وبفضل تراكم الطاقة ، ظهرت ظاهرة جديدة - الادعاء. Antonymy للاستهلاك (الاستهلاك) ، وهو ما يعني بيع الخدمة لمزودها. إذا كان الأمر أبسط ، فإننا نتحدث عن بيع المستهلك للطاقة المتراكمة في البطاريات إلى الشبكة لمن يحتاجها. لنفترض أنك أسرة خاصة أو مؤسسة صغيرة لها مصادرها الخاصة لتوليد الكهرباء. يتم استهلاك جزء منه ، ويتم تخزين جزء في وحدات البطارية. إذا كان هناك زيادة في الإنتاج ، ولا يوجد مكان لوضع الطاقة الزائدة بالمعنى الحرفي ، فيمكنك بيعها إلى الشبكة ، كما لو كنت محطة صغيرة للطاقة. بدلاً من ذلك ، ليست صغيرة ، ولكنها افتراضية - لقد كتبنا عن محطات الطاقة الافتراضية ومشاركة Toshiba في تشكيل هذه الظاهرة الإيجابية.


توفر Toshiba بالفعل حلاً لإدارة بطارية التخزين: يقوم النظام بتحليل مستمر لمستوى الاستهلاك أو الإخراج ، وموازنة الحمل على البطارية وتوصيله في أوقات استهلاك الذروة أسرع بكثير مما يمكن القيام به يدويًا. وفي المستقبل ، سيتلقى نظام Toshiba وظيفة الادعاء - البيع التلقائي للطاقة إلى الشبكة. المصدر: توشيبا

إن أبرز تطبيق لمشروع محطة الطاقة الافتراضية هو Tesla Powerwall - وهي بطارية منزلية مدعومة بلوحة شمسية بسعة تتراوح بين 6.4 و 13،5 كيلو وات في الساعة. لا يمكن للمستهلكين فقط تخزين الكهرباء الرخيصة من الشبكة أو "المجانية" من الشمس ، ولكن أيضًا بيعها مرة أخرى إلى الشبكة باستخدام التبادلات عبر الإنترنت. تم بيع Powerwall في جميع أنحاء العالم بسعة إجمالية تبلغ 300 ميجاوات في الساعة.

في روسيا ، تمت الموافقة على "خطة تدابير تحفيز تطوير منشآت توليد الطاقة القائمة على مصادر الطاقة المتجددة ذات السعة المركبة التي تصل إلى 15 كيلوواط" بنفس المعنى الذي حددته Tesla Powerwall ، ولكن لم يتم بعد تحديد القانون المتعلق بالعدائية. سيساعد بيع فائض الكهرباء في تقليل تكلفة استهلاك الطاقة الخضراء بشكل طفيف. لكن مرة أخرى ، يعتمد كل شيء على تكلفة البطاريات - في المرحلة الحالية من تطوير التكنولوجيا ، تقترب فترة الاسترداد من 10 سنوات.

المستقبل جميل ، لكن بعيد المنال

في الواقع ، لا نريد أن نزرع الشكوك فيما يتعلق بمصادر الطاقة المتجددة والانتقال إلى قطاع الطاقة "الأخضر" ككل. النفط محدود ، وتكلفة إنتاجه في تزايد مستمر ، ولكن في حالة وجود غاز وفحم واحد ، لا يمكن تصحيح الوضع البيئي. حتى يتم إخضاع البشرية للانصهار النووي الحراري الخاضع للرقابة ، سيكون من الضروري إجراء أكثر التطورات نشاطًا في مجال الطاقة الخضراء. هذا طريق شائك للغاية ، يتكون من حل المشكلات المعقدة: الاقتصادية والتكنولوجية وحتى الاجتماعية.

أفضل ما يمكن القيام به في مثل هذه الحالة هو مواصلة البحث بأي ثمن ، ومحاولة جعل الطاقة الشمسية وطاقة الرياح والطاقة الحرارية الأرضية أكثر كفاءة وأكثر تكلفة. العملية مستمرة ، والتقدم ليس في طريق مسدود ، والعالم يتخلى ببطء ولكن بثبات عن الوقود الأحفوري حتى يصبح استخدامه مكلفًا وخطيرًا. ونحن فخورون جدًا بأن Toshiba تشارك بنشاط في هذه الأمور ، حيث تعمل على تطوير جميع أنواع الطاقة البديلة بشكل فعال.