الطاقة****

الطاقة

المقدمة
لقد عرف الإنسان 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 أننا نجد الطاقة في أشكالها المختلفة سواءً أكانت فحماً أو غازاً أو نفطاً أو كهرباء......الخ .

فأصبح بعد ذلك النفط من المصادر الرئيسية للطاقة في هذا الوقت ، ولكن نجد أن مصادر هذه الطاقة قابلة للنضوب على الرغم من وجود احتياطي كبير .

وبالتالي لابد من البحث عن مصادر جديدة للطاقة .

لذلك قد بدأ العلماء في البحث عن بدائل للوقود الأحفوري سميت بالطاقة المتجددة تتميز عن الوقود الأحفوري بأنها لا تنضب مقارنة مع النفط الذي يتوقع له أن ينضب خلال القرن القادم .

كما أن استغلال الطاقة النووية في توليد الكهرباء محفوف بالمخاطر البيئية إضافة إلى أن 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 ، وإن كانت مساهمة هذه الأنواع في توليد الطاقة من إجمالي الطاقة المستهلكة في العالم لا يزال محدوداً لأن هذه الأنواع من الطاقة المتجددة تحتاج إلى مزيد من التطور التقني لتحسين التكلفة الاقتصادية وبالتالي يتوقع أن تساهم الطاقة المتجددة بصورة فعّالة في ترشيد الكهرباء وكذلك في التنقل .

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

مفهوم الطاقة

لقد فكر الإنسان بثلاث مراحل كبيرة في تصوره للطاقة وهي :-

- المرحلة الأولى :

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

- المرحلة الثانية :

رأى الإنسان أن بعض المواد الجامدة قادرة على أن تنشأ الحركة دون تكوين الحياة .

- المرحلة الثالثة :

بدأت بعد انشتاين وتلامذته ، فالطاقة ليست بالنسبة لنا مادة خاصة وإنما هي صفة ملازمة لكل مادة جامدة أو حية تجعلها قادرة على أن تتحول وأن تتغير وأن تولد حالات فيزيائية وكيميائية جديدة , وأن تؤثر على غيرها من المواد في هذه العملية .

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

إذاً الطاقة هي كيان مجرد لا يُعرف إلا من خلال تحولاته .

وتعرف الطاقة :- بأنها هي عبارة عن كمية فيزيائية تظهر على شكل حرارة أو على شكل حركة ميكانيكية أو كطاقة ربط في أنويه الذرة بين البروتون والنيترون .

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

الطاقة = الكتلة × مربع السرعة

حيث أن E هي الطاقة .

وm كتلة المادة التي يمكن تحويلها إلى طاقة .

وc سرعة الضوء وتساوي .

وتقاس الطاقة بوحدات متعددة ففي الوحدات الدولية SI تقاس بالجول ، حيث أن الطاقة لا تستحدث ولا تفنى وإنما تتحول إلى شكل آخر سواء كلياً أو جزئياً ، أي بمعنى آخر إذا تغيرت الطاقة الداخلية لمجموعة معزولة فإن الطاقة الداخلية الكلية تظل ثابتة ، فعند تشغيل جهاز كهربي مثل المضخة فإن الطاقة الكهربية تتحول إلى طاقة ميكانيكية بالإضافة إلى طاقة حرارية وهو عبارة عن جزء ضئيل يعمل على تسخين تلك المضخة .
مصادر الطاقة
البترول
البترول عبارة عن سائل كثيف، قابل للاشتعال، بني غامق أو بني مخضر، يوجد في الطبقة العليا من القشرة الأرضية. وأحيانا يسمى نافثا، من اللغة الفارسية ("نافت" أو "نافاتا" والتي تعني قابليته للسريان). وهو يتكون من خليط معقد من الهيدروكربونات، وخاصة من سلسلة ألكان، ولكنه يختلف في مظهره وتركيبه ونقاوته بشدة من مكان لأخر. وهو مصدر من مصادر الطاقة الأولية الهام للغاية (حسب إحصائيات الطاقة في العالم). البترول هو المادة الخام لعديد من المنتجات الكيميائية، بما فيها الأسمدة، مبيدات الحشرات، اللدائن.
الوقود
الوقود له أنواع مختلفة من أهمها الوقود الأحفوري، وهو الذي يشمل كل من النفط والفحم والغاز، والذي أستخدم بإسراف منذ القرن الماضي ولا يزال يستخدم بنفس الإسراف مع ارتفاع أسعاره يوما بعد يوم، مع أضراره الشديدة للبيئة. ومثله وقود السجيل وهو مثل النفط يكون مخلوط مع الرمال.
من أنواع الوقود الأخرى هو الوقود الخشبي والذي يغطي استخدامه حوالي 6% من الطاقة الأولية العالمية، وهناك الوقود المستخرج من النفايات الحيوانية أو المياه الثقيلة للمجاري، حيث بالمستطاع استخدام هذه النفايات في توليد الطاقة بالاعتماد عليها بعد عمليات التخمير، وتستخدم في العديد من دول العالم معالجة المياه الثقيلة للإستفادة من الغازات المنبعثة لأغراض توفير الطاقة.
من الطرق الحديثة والنظيفة في توفير الوقود النظيف يمكن أن يكون من نباتات الأشجار سريعة النمو، أو بعض الحبوب أو الزيوت النباتية أو المخلفات الزراعية أو بقايا قصب سكر، أمكن تحويل بعض منتجات السكر إلى كحول لاستخدامه كوقود للسيارات وكذلك زيت النخيل. يتميز هذا النوع من الوقود بأنه يقلل من التلوث، حيث لا حاجة هناك لاستعمال الرصاص في مثل هذا النوع من الوقود لرفع أوكتان الوقود كما هو الحال في البنزين المستحصل عليه من النفط الأحفوري، ومن ثم فإنه بنزين خال من الرصاص.
هناك الوقود النووي وتحطه الكثير من المشاكل والقوانين الضابطة والتي قد لا تخلو من ازدواجية في المعايير وإجحاف بالسماح لاستخدامها على البعض، إضافة لخطورة استخدامها وتأثيرها السيئ على البيئة.

الطاقة شمسية
تعتبر الطاقة الشمسية الطاقة الأم فوق كوكبنا، حيث تنبعث من أشعتها كل الطاقات المذكورة سابقاً لأنها تسير كل ماكينات وآلية الأرض بتسخين الجو المحيط واليابسة وتولد الرياح وتصريفها، وتدفع دورة تدوير المياه، وتدفيء المحيطات، وتنمي النباتات وتطعم الحيوانات. ومع الزمن تكون الوقود الإحفوري في باطن الأرض. وهذه الطاقة يمكن تحويلها مباشرة أو بطرق غير مباشرة لحرارة وبرودة وكهرباء وقوة محركة. أشعة الشمس أشعة كهرومغناطيسية، وطيفها المرئي يشكل 49% منها، والغير مرئي كالأشعة الفوق بنفسجية يشكل 2%، والأشعة دون حمراء 49%.

الطاقة الشمسية تختلف حسب حركتها و بعدها من الأرض، فتختلف كثافة أشعة الشمس وشدتها فوق خريطة الأرض حسب فصول السنة فوق نصفي الكرة الأرضية و بعدها عن الأرض و ميولها و وضعها فوق المواقع الجغرافية طوال النهار أو خلال السنة، وحسب كثافة السحب التي تحجبها، لأنها تقلل أو تتحكم في كمية الأشعة التي تصل لليابسة، عكس السماء الصحوة الخالية من السحب أو الأدخنة. وأشعة الشمس تسقط علي الجدران والنوافذ واليابسة والبنايات والمياه، وتمتص الأشعة وتخزنها في كتلة (مادة) حرارية Thermal mass. هذه الحرارة المخزونة تشع بعد ذلك داخل المباني. تعتبر هذه الكتلة الحرارية نظام تسخين شمسي يقوم بنفس وظيفة البطاريات في نظام كهربائي شمسي (الفولتية الضوئية). فكلاهما يختزن حرارة الشمس لتستعمل فيما بعد.
والمهم معرفة أن الأسطح الغامقة تمتص الحرارة ولا تعكسها كثيراً، لهذا تسخن. عكس الأسطح الفاتحة التي تعكس حرارة الشمس، لهذا لا تسخن. والحرارة تنتقل بثلاث طرق ،إما بالتوصيل conduction من خلال مواد صلبة، أو بالحمل convection من خلال الغازات أو السوائل، أو بالإشعاع radiation. من هنا نجد الحاجة لإنتقال الحرارة بصفة عامة لنوعية المادة الحرارية التي ستختزنه،, لتوفير الطاقة و تكاليفها. لهذا توجد عدة مباديء يتبعها المصممون لمشروعات الطاقة الشمسية، من بينها قدرة المواد الحرارية المختارة على تجميع وتخزين الطاقة الشمسية حتى في تصميم المباني واختيار مواد بنائها حسب مناطقها المناخية سواء في المناطق الحارة أو المعتادة أو الباردة. كما يكونون علي بينة بمساقط الشمس علي المبني والبيئة من حوله كقربه من المياه واتجاه الريح والخضرة ونوع التربة، والكتلة الحرارية التي تشمل الأسقف والجدران وخزانات الماء. كل هذه الإعتبارات لها أهميتها في إمتصاص الحرارة أثناء النهار وتسربها أثناء الليل.
طاقة البحار والمحيطات
هناك مصادر نظيفة للطاقة يمكن استخدامها كوقود بديل ومنها:
• طاقة المد والجزر.
• طاقة الحرارة الأرضية.
• طاقة امواج البحر.
• الطاقة من النفايات

تقسيم مصادر الطاقة

من خلال تعريف الطاقة نجد أن مصادر الطاقة يمكن أن تقسم إلى مصدرين رئيسيين هما:

1- مصادر غير متجددة . 2- مصادر متجددة .

أولاً :

مصادر الطاقة الغير متجددة - :

وهي عبارة عن المصادر الناضبة أي أنها سوف تنتهي عبر زمن معين لكثرة الاستخدام ، وهي متوفرة في الطبيعة بكميات محدودة وغير متجددة وتشمل الوقود الأحفوري مثل النفط والغاز والفحم بكل الأنواع التي تكونت عبر السنين الماضية في جوف الأرض .

وهي ذات أهمية لأنها تختزن طاقة كيميائية من السهل إطلاقها كطاقة حرارية أثناء 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 أن مصادر هذه الطاقة بجانب أنها ناضبة فإنها ملوثة للبيئة .






ثانياً -:

مصادر الطاقة المتجددة- :

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

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


وسوف نتكلم عن تلك المصادر بالتفصيل

المصادر الغير متجددة

أولاً:

الوقود الأحفوري:

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

والوقود الأحفوري هو عبارة المركبات العضوية الناتجة عن عمليات البناء الضوئي حيث أن 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 الأحفوري هي طاقة كيميائية كامنة في البترول والغاز الطبيعي والفحم المخزون في باطن الأرض وهذه الطاقة هي أصلاً من الطاقة الشمسية التي قامت عليها النباتات بواسطة عملية البناء الضوئي منذ ملايين السنين .

وقد كان الفحم من أهم 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 الأرض بعدة مئات من البلايين من الأطنان .



(أ) الفحم الحجري :-

وهو من أهم مصادر الطاقة الأحفورية من حيث حجم احتياطه ، فالفحم الحجري يتكون داخل باطن الأرض على مدى ملايين السنين وذلك بسبب تحلل مصادر نباتية بسب العمليات البيولوجية في أماكن ذات الضغط الشديد والحرارة ومعزولة عن الهواء .

ويعتبر النفط أكبر منافس للفحم الحجري ، ومن أسباب قلة استخدام الفحم الحجري مصدراً للطاقة هو أن مصادره تتركز في عدد قليل من الدول .

كما أن استخدام الفحم الحجري وقوداً مباشرة يستلزم أموال باهظة التكلفة لمحطات التوليد . ومن الأسباب في عدم استخدام الفحم على نطاق واسع هو أثره السيء على البيئة والإنسان إذ أنه مصدر رئيسي لتلوث الهواء وما يسببه من مشاكل صحية .

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

(ب) النفط :-

يعتبر النفط من أهم مصادر الطاقة وأكثرها انتشارها ، وتوجد نظريتان توضحان كيف تكوّن النفط في جوف الأرض وهما- :


النظرية العضوية :

وهي نظرية تفترض أن النفط قد تكوّن من مادة عضوية عبارة عن مواد مكوّنة من الهيدروجين والكربون ، وقد تكوّنت من النباتات والحيوانات التي كانت تعيش منذ ملايين السنين سواء أكانت على اليابسة أو البحار فعندما ماتت هذه الكائنات الدقيقة ترسبت في قاع البحار القديمة التي كانت تغطي مساحات شاسعة من الأراضي اليابسة وعلى مدى السنين تحللت تلك الكائنات وذلك بفعل الحرارة والضغط في جوف الأرض ليتكوّن النفط الخام وكانت من العوامل المساعدة هي أنواع من البكتريا والمواد المشعة .



أما النظرية الأخرى هي النظرية الغير عضوية :

هي تفترض أنه قد تم اتحاد بين عنصري الهيدروجين والكربون تحت ضغط وحرارة عاليين في أعماق الأرض .

مما أدى إلى تكوّن النفط والغاز الطبيعي ، ويوجد النفط في فجوات كثيرة من الصخور الرسوبية ويتكوّن النفط من نسب وزنية مختلفة لعدة عناصر هي ( الكربون – الهيدروجين – الأوكسجين – النتروجين – الكبريت) .

وقد بينت الأبحاث النظرية التي تمت في مناطق مختلفة في جميع أنحاء العالم أن تكوّن النفط في القشرة الأرضية يرتبط ارتباطاً وثيقاً بالصخور الرسوبية التي اكتشفت فيها أكثر من 99.9% من تراكمات النفط .

والنفط هو عبارة عن سائل أسود كثيف سريع الاشتعال ومكون من خليط من المركبات العضوية والتي تتكوّن أساساً من عنصري الكربون والهيدروجين وتعرف باسم الهيدروكربونات وتبلغ نسبة الهيدروكربونات في بعض أنواع النفط نحو 50 % من تركيبه الكلي وقد تصل 98 % .

ويساهم النفط اليوم بحوالي 39 % من استهلاك الطاقة العالمي وتحتوي منطقة الشرق الأوسط على أغنى مخزون للنفط في العالم .

وتعتبر المملكة العربية السعودية أكبر دولة في العالم تحتوي على أعلى نسبة من مخزون النفط في أراضيها . وتشير التوقعات إلى أن الإنتاج العالمي للنفط سوف يزداد خلال السنوات القادمة وذلك في حالة اكتشاف مكامن جديدة للبترول .

وكذلك تطوير طرق حفر الآبار حيث أنه عادة يتم استخراج نحو 40% من النفط والجزء الأكبر يظل داخل باطن الأرض وذلك لأنه يستعصي استخراجه .

ومن أهم أسباب انتشار النفط هو سهولة نقله وتحويله إلى مشتقات تتفاوت في خصائصها ، وكذلك من أهم أسباب انتشار النفط هو انخفاض سعره وتوفره في كثير من البلدان التي لا تستهلك إلا القليل منه . ونجد أن النفط من الثروات الطبيعية المحدودة والناضبة فنجد أنه يفسر تهافت الدول الصناعية المتقدمة على زيادة استيراده من الدول الناتجة والتي لم تكن تستهلك إلا كميات قليلة منه نظراً لمحدودية التنمية الصناعية لديها .