الطاقة المتجددة والغير متجددة

Cours SVT,

{[['']]}

الطاقة هي كل ما يمدّ بالنور ويعطينا الدفء وينقلنا من مكان الى آخر   وهي تتيح لنا استخراج طعامنا من الارض وتحضيره   وكذلك هي التي تضع الماء بين ايدنا وتدير عجلة الآلات التي تخدمنا.

فقد عرف الانسان الطاقة كيف يتحكّم بالماء والريح   وقد خطا خطوات في مجال تسخير الطاقة   فاخترع الآلة البخاريّة مهيئاً بذلك وسيلة لاستغلال الطاقة ترتبّ عليها تحقيق عدد كبير من المنجزات في مجال الصناعة ثم اكتشف مصادر هائلة من النفط .

حيث اننا نجد الطاقة في اشكالها المختلفة سواءً اكانت فحماً او غازاً او نفطاً او كهرباء.

فاصبح بعد ذلك النفط من المصادر الرئيسية للطاقة الغير متجددة في هذا الوقت   ولكن نجد ان مصادر هذه الطاقة قابلة للنضوب على الرغم من وجود احتياطي كبير .

وبالتالي لابد من البحث عن مصادر جديدة للطاقة المتجددة والغير متجددة  .

لذلك قد بدا العلماء في البحث عن بدائل للوقود الاحفوري سميت بالطاقة المتجددة تتميز عن الوقود الاحفوري بانها لا تنضب مقارنة مع النفط الذي يتوقع له ان ينضب خلال القرن القادم .

كما ان استغلال الطاقة النووية في توليد الكهرباء محفوف بالمخاطر البيئية اضافة الى ان مصادر اليورانيوم في العالم محدودة ولكن تكفي لمدة طويلة .

واستغلال الطاقة المتجددة ومنها الطاقة الشمسية وطاقة الرياح وطاقة الكتلة الحيوية وطاقة المساقط المائية والطاقة الحرارية وطاقة المدّ والجزر وطاقة الهيدروجين .

ربما تفي ببعض احتياجات البشر من الطاقة لفترة طويلة من الزمن   وان كانت مساهمة هذه الانواع في توليد الطاقة من اجمالي الطاقة المستهلكة في العالم لا يزال محدوداً لان هذه الانواع من الطاقة المتجددة تحتاج الى مزيد من التطور التقني لتحسين التكلفة الاقتصادية وبالتالي يتوقع ان تساهم الطاقة المتجددة بصورة فعّآلة في ترشيد الكهرباء وكذلك في التنقل .

وقد تطرقنا في هذا البحث عن مصادر الطاقة وانواعها وكيفية الاستفادة من الطاقة المتجددة وطرق البحث عن تلك الطاقة الغير ناضبة .

اولاً:

تعريف الطاقة

لقد فكر الانسان بثلاث مراحل كبيرة في تصوره للطاقة وهي :

المرحلة الاولى :

كان مفهوم الطاقة ممزوجاً مع الطاقة الروحية كما هو في مفهوم النفس والروح.

المرحلة الثانية :

راى الانسان ان بعض المواد الجامدة قادرة على ان تنشا الحركة دون تكوين الحياة .

المرحلة الثالثة :

بدات بعد انشتاين وتلامذته   فالطاقة ليست بالنسبة لنا مادة خاصة وانما هي صفة ملازمة لكل مادة جامدة او حية تجعلها قادرة على ان تتحول وان تتغير وان تولد حالات فيزيائية وكيميائية جديدة , وان تؤثر على غيرها من المواد في هذه العملية .

ففي مرحلة انشتاين , اختفت الحدود بين المادة الجامدة والحياة , وتركت المجال لعدد كبير من الحالات المبهمة .

اذاً الطاقة هي كيان مجرد لا يُعرف الا من خلال تحولاته .

وتعرف الطاقة بانها هي عبارة عن كمية فيزيائية تظهر على شكل حرارة او على شكل حركة ميكانيكية او كطاقة ربط في انويه الذرة بين البروتون والنيترون .

وكذلك يمكن حساب الطاقة الناتجة من تحويل الكتلة الى طاقة وذلك حسب علاقة انشتاين النسبية كالتالي:

الطاقة = الكتلة × مربع السرعة

حيث ان E هي الطاقة .

وm كتلة المادة التي يمكن تحويلها الى طاقة .

وc سرعة الضوء وتساوي .

وتقاس الطاقة بوحدات متعددة ففي الوحدات الدولية SI تقاس بالجول   حيث ان الطاقة لا تستحدث ولا تفنى وانما تتحول الى شكل آخر سواء كلياً او جزئياً   اي بمعنى آخر اذا تغيرت الطاقة الداخلية لمجموعة معزولة فان الطاقة الداخلية الكلية تظل ثابتة   فعند تشغيل جهاز كهربي مثل المضخة فان الطاقة الكهربية تتحول الى طاقة ميكانيكية بالاضافة الى طاقة حرارية وهو عبارة عن جزء ضئيل يعمل على تسخين تلك المضخة .

انواع الطاقة :

تصنف الطاقة الى عدة انواع وهي :

1- طاقة كيميائية .

2- طاقة ميكانيكية.

3- طاقة حرارية.

4- طاقة شمسية.

5- طاقة نووية.

6- طاقة كهربية .

7- طاقة ضوئية.

ومن الملاحظ ان هذه الاشكال من الطاقة يستلزم جميعها الحركة   فالحرارة هي عبارة عن هياج للجزيئات   والتفاعلات الكيميائية تقتضي اتحاد او تفكك الذرات والالكترونات التي تربط بينها ,اي انها حركة , وكذلك الطاقة النووية هي اعادة تنظيم للنويات التي تدخل الى نواة الذرة او تخرج منها , وبالتالي فالطاقة تُنقل وتُحمل بشكل حركة او اصطدامات تعطي الحركة بشكل دائم   وكل شيء في الكون هو عبارة عن حركة .

فنور الشمس يتحول الى حرارة بعدما كان قد تخزن داخل المواد بشكل كيميائي   والجدير بالذكر ان كل ما استعمله الانسان من طاقة حتى اليوم كان ناتجاً عن هذا التحول .

والطاقة النووية بحد ذاتها تقسم الى شكلين مختلفين هما :

الانشطار والانصهار , ويمثل الانشطار التحول النووي – النووي  اما الانصهار فيمثل الانصهار التحول الحراري – النووي .

لقد اصبح من البديهي ان نسبة نمو السكان الحالية على الارض لن تستطيع ان تحافظ على معدل ثابت وبالتالي يؤدي ذلك الى زيادة الطاقة   فتظهر الحاجة هنا الى البحث عن مصادر بديلة عن مصادر الطاقة الغير متجددة .

1- الطاقة الكيميائية :

هذا النوع من الطاقة متوفر في الطبيعة ومن اهم انواع الوقود الموجود مثل النفط والفحم والغاز الطبيعي وكذلك الخشب   والطاقة الكيميائية هي الطاقة التي تربط بين ذرات الجزيء الواحد بعضها ببعض في المركبات الكيميائية او مكونات النواة في العناصر التي تدخل ضمن تفاعلات الانشطار والاندماج النووي .

وتتم عملية تحويل الطاقة الكيميائية الى طاقة حرارية عن طريق احداث تفاعل كامل بين المركب الكيميائي وبين الاكسجين لتتم عملية الحرق وينتج من ذلك الحرارة . وحيث ان كل جزيء في اي مركب لديه مخزون من الطاقة يسمى بالمحتوى الحراري وهو عبارة عن مجموعة من طاقة الجهد الناتجة عن قوى التجاذب والطاقة الحركية الناتجة عن الحركة الانتقالية للجزيئات .

فان جميع المواد الهيدروكربونية يرافق تفاعلها مع الاكسجين انبعاث حراري وهي تصلح وقوداً.

2- الطاقة الميكانيكية :

وهي الطاقة الناتجة من حركة الاجسام من مكان الى آخر حيث انها قادرة نتيجة لهذه الحركة على بذل شغل ويصاحب هذا الانتقال اختلاف في طاقة الوضع Potential Energy   وطاقة حركية Kinetic Energy   والامثلة الطبيعية لهذا النوع من الطاقة هي :

حركة الرياح   و ظاهرة المد والجزر   ويمكن ان تنشا الطاقة الميكانيكية بتحويل نوع من الطاقة الى آخر   فقد تستخدم المروحة الكهربية في تحويل الطاقة الكهربية الى طاقة ميكانيكية .

ووحدة قياس الطاقة الميكانيكية هي الجول. ويوجد هناك نوع آخر من الطاقة الميكانيكية هي:

الطاقة الصوتية ويحدث الصوت عند اهتزاز مصدر صوتي بتردد معين   وتنتقل طاقة منه الى وسط مادي مجاور بصورة دورية حتى تصل الى اذن السامع   والصوت لا ينتقل في الفراغ وانما يحتاج الى وسط مادي لكي تنتقل الموجة الميكانيكية .

والصوت ينتشر على شكل امواج ميكانيكية تؤثر في الوسط الذي ينتشر فيه مما ينتج عنه اضطراب دوري تتولد تبعاً لذلك طاقة صوتية .

وللطاقة الصوتية لها استخدامات كثيرة فيمكن ان تستخدم في المجال العسكري لاحداث ضوضاء في البنية التحتية   ويحاول الانسان حالياً استخدام الطاقة الصوتية للهجوم العسكري.

وكذلك تستخدم الطاقة الصوتية في المجال الطبي .

3- الطاقة الحرارية :

تعتبر الطاقة الحرارية من الصور الاساسية للطاقة التي يمكن ان تتحول كل صور الطاقة اليها   والطاقة الحرارية هي عبارة عن الطاقة الحركية التي تمتلكها جزيئات وذرات المادة .

فعند تشغيل الآلات المختلفة باستخدام الوقود الهيدروكربونية تكون اول خطوة هي حرق الوقود   والحصول على طاقة حرارية تحول بعد ذلك الى طاقة ميكانيكية او الى اي نوع من انواع الطاقة.

ولا تتوفر الطاقة الحرارية بصورة مباشرة في الطبيعة الا في مصادر الحرارة الجوفية   ومن المعروف ان جزيئات المادة لها كتلة وسرعة   ومن ثم تكون لها طاقة حركية وطاقة وضع ومجموع هاتين الطاقتين تعرف بالطاقة الداخلية له .

وكذلك الاستفادة من الطاقة الحرارية من اشعة الشمس ويتم ذلك عن طريق تحويل الطاقة الاشعاعية الى طاقة حرارية .

والطاقة الحرارية لها القدرة على الاختراق والنفاذ خلال الاوساط المادية التي تنقسم الى ثلاثة انواع وهي :

ا  وسط شفاف حراري : وهو الوسط الذي يسمح بنفاذ الاشعاعات الحرارية .

ب  وسط نصف شفاف: وهو الوسط الذي يسمح بنفاذ بعض الاشعاعات الحرارية وتستخدم هذه الظاهرة في تشييد البيوت المحمية التي تستخدم في زراعة بعض المحاصيل الزراعية التي تكون مصنوعة من الزجاج الذي يسمح بنفاذ بعض من تلك الاشعاعات الحرارية .

ج  وسط معتم حرارياً : وهو الوسط الذي لا تنفذ منه الاشعاعات الحرارية بل يمتص معظمها من الاجسام الساخنة المحيطة به . وترتفع درجة حرارته مما يؤدي ذلك الى زيادة في الطاقة الداخلية   التي بدورها تتحول الى طاقة حرارية ويصبح مصدراً لانبعاث الاشعاعات الحرارية .

4-  الطاقة الشمسية :

الطاقة الشمسية هي مصدر للطاقة لا ينضب ولكنها تصل الينا بشك مبعثر اذ يبلغ منها بواسطة الاشعاع او الانعكاس اكثر من 77% وبالتالي لا يمكن الا استرجاع قسم ضئيل منها .

والطاقة الشمسية طاقة نظيفة فلا ينتج عن استعمالها غازات او نواتج ضارة بالبيئة كما هي الحال في انواع الوقود التقليدي .

5-  الطاقة النووية :

هي الطاقة التي تربط بين مكونات النواة اي   بروتونات او نيترونات   وهي تنتج نتيجة تكسر تلك الرابطة وتؤدي الى انتاج طاقة حرارية كبيرة جداً وذلك حسب علاقة انشتاين كما تقدم .

6-  الطاقة الكهربية :

لا يوجد مصدر طبيعي للكهرباء   والسبب في ذلك ان جميع المواد تكون متعادلة كهربائياً   والطاقة الكهربية لا تنشا الا بتحويل نوع من انواع الطاقة الى طاقة كهربية .ومثال على ذلك تحويل الطاقة الميكانيكية الى طاقة كهربية كما هو الحال في المولد الكهربائي.

كما توجد انواع اخرى لتوليد الطاقة الكهربية بتحويل الطاقة النووية الى طاقة كهربية   او استخدام الطاقة الشمسية وذلك عن طريق الخلايا الكهروضوئية   او تحويل الطاقة الكيميائية كما هو في البطاريات .

7-  الطاقة الضوئية :

يتم تحويل الطاقة الضوئية الى انواع اخرى من الطاقة وذلك حسب الحاجة المراد بها  مثل الطاقة الكهربية في الخلايا الضوئية   او الطاقة الحرارية في عمليات التسخين الحراري كما هو الحال في تسخين المياه .

ويستخدم النبات الطاقة الضوئية مباشرة لعمليات التمثيل البنائي لانتاج مركبات عضوية تختزن طاقة كيميائية .

والطاقة الضوئية هي عبارة عن موجات كهرومغناطيسية تحتوي كل منها على حزم من الفوتونات تعطى بالعلاقة التالية :

حيث ان هي الطاقة .

و ثابت بلانك ويساوي

و تردد الحركة الموجية المصاحبة لحركة الفوتون .

وتختلف الموجات الكهرومغناطيسية في خواصها الفيزيائية باختلاف الاطوال الموجية   فمثلاً نجد ان الموجات ذات الطول الموجي الذي يتراوح بين عدة كيلومترات الى عدة سنتيمترات يستخدم في الدوائر الالكترونية ومحطات الارسال والاستقبال التلفزيوني   بينما يشغل الطيف المرئي للعين البشرية طولا موجياً يتراوح بين الى .

وتتميز الاشعة السينية x-ray واشعة جاما بتردد عالي جداً وبالتالي تكون ذات طاقة عالية لها القدرة على النفاذ خلال الاوساط المادية .

الاشعة السينية : وهي عبارة عن اشعة غير مرئية ذات طول موجي قصير جداً   وتستخدم في المجال الطبي وكذلك في دراسة البلورات لمعرفة خصائصها .

اشعة جاما : وهي عبارة عن اشعة لا تتاثر بالمجالات الكهربية او المغناطيسية ولها القدرة على النفاذ وهي تعتبر من الاشعة الخطرة .

ثانياً :

تقسيم مصادر الطاقة

من خلال تعريف الطاقة نجد ان مصادر الطاقة يمكن ان تقسم الى مصدرين رئيسيين هما:

1- مصادر غير متجددة . 2- مصادر متجددة

اولاً :

مصادر الطاقة الغير متجددة :

وهي عبارة عن المصادر الناضبة اي انها سوف تنتهي عبر زمن معين لكثرة الاستخدام   وهي متوفرة في الطبيعة بكميات محدودة وغير متجددة وتشمل الوقود الاحفوري مثل النفط والغاز والفحم بكل الانواع التي تكونت عبر السنين الماضية في جوف الارض .

وهي ذات اهمية لانها تختزن طاقة كيميائية من السهل اطلاقها كطاقة حرارية اثناء عملية الاحتراق .

وتشمل هذه المصادر الطاقة النووية التي تستخدم في عملية توليد الكهرباء عن طريق استخدام الحرارة الناتجة عن عمليات الانشطار النووي في المفاعلات النووية .

وكذلك نجد ان مصادر هذه الطاقة بجانب انها ناضبة فانها ملوثة للبيئة .

ثانياً :

مصادر الطاقة المتجددة :

وهي عبارة مصادر طبيعية دائمة وغير ناضبة ومتوفرة في الطبيعة سواء اكانت محدودة او غير محدودة ولكنها متجددة باستمرار   وهي نظيفة لا ينتج عن استخدامها تلوث  بيئي ومن اهم هذه المصادر الطاقة الشمسية التي تعتبر في الاصل هي الطاقة الرئيسية في تكوّن مصادر الطاقة وكذلك طاقة الرياح وطاقة المد والجزر والامواج والطاقة الحرارية الجوفية والطاقة وطاقة المساقط المائية وطاقة البناء الضوئي والطاقة المائية للبحار والمحيطات .

وكذلك نلاحظ ان المصادر المائية وطاقة المد والجزر وطاقة الرياح هي عبارة مصادر طبيعية للطاقة الميكانيكية .

وسوف نتكلم عن تلك المصادر بالتفصيل

المصادر الغير متجددة

اولاً:

الوقود الاحفوري:

وهو يشمل النفط والغاز الطبيعي والفحم وتعرف بمصادر غير متجددة لانها ناضبة .

والوقود الاحفوري هو عبارة المركبات العضوية الناتجة عن عمليات البناء الضوئي حيث ان المواد العضوية للنباتات والحيوانات لم تتحلل تحليلاً كامل   بل طمرت تحت طبقات من التربة الرملية والطينية والجيرية   مما نتج عنه تكوّن النفط والغاز الطبيعي والفحم الحجري وطاقة الوقود الاحفوري هي طاقة كيميائية كامنة في البترول والغاز الطبيعي والفحم المخزون في باطن الارض وهذه الطاقة هي اصلاً من الطاقة الشمسية التي قامت عليها النباتات بواسطة عملية البناء الضوئي منذ ملايين السنين .

وقد كان الفحم من اهم المصادر الطبيعية للطاقة خلال القرن الماضي ومازال يستعمل حتى يومنا هذا   ويساهم حالياً بحوالي 28 % من الطاقة من الاستهلاك العالمي .

حيث يقدر الفحم الموجود داخل الارض بعدة مئات من البلايين من الاطنان .

الفحم الحجري :

وهو من اهم مصادر الطاقة الاحفورية من حيث حجم احتياطه   فالفحم الحجري يتكون داخل باطن الارض على مدى ملايين السنين وذلك بسبب تحلل مصادر نباتية بسب العمليات البيولوجية في اماكن ذات الضغط الشديد والحرارة ومعزولة عن الهواء .

ويعتبر النفط ا كبر منافس للفحم الحجري   ومن اسباب قلة استخدام الفحم الحجري مصدراً للطاقة هو ان مصادره تتركز في عدد قليل من الدول .

كما ان استخدام الفحم الحجري وقوداً مباشرة يستلزم اموال باهظة التكلفة لمحطات التوليد . ومن الاسباب في عدم استخدام الفحم على نطاق واسع هو اثره السيء على البيئة والانسان اذ انه مصدر رئيسي لتلوث  الهواء وما يسببه من مشاكل صحية .

والتعدين السطحي للفحم الحجري يخلّف وراءه اراضي وعرة مما تؤدي الى تشويه التربة وعدم صلاحيتها للزراعة كما ان احتراق الفحم الحجري قد يؤدي الى تجمع غاز ثاني اكسيد الكربون الذي يؤدي الى ارتفاع درجة حرارة الجو وهي تعتبر من المشاكل الرئيسية التي تواجه سكان العالم وذلك بسبب ما يعرف بالاحتباس الحراري