5. الطاقة المائية

تُعد الشمس الطاقة الميكانيكية في المياه المتدفقة حيث إن 23% من الطاقة الشمسية التي تصل الأرض تسقط على سطح البحار والأنهار والمحيطات فيتبخر الماء منها ويتصاعد بخار الماء مع الهواء إلى طبقات الجو العليا، فيبرد ويكوّن السحب التي تسير، مع الهواء، إلى مناطق بعيدة، وإذا ما قابلت سفوح الجبال، فإنها تبرد وتتحول، ثانياً، إلى ماء أو برد يهطل فوق هذه الجبال، ومنها يندفع إلى أسفل بسرعة كبيرة، فيكون المجارى المائية والأنهار. جزء آخر من الأمطار يتجمع فوق الجبال في بحيرات كبيرة، حتى إذا ما امتلأت، فاض منها الماء هابطاً إلى أسفل مكوناً المساقط المائية.

ولكي يمكن استغلال طاقة الوضع المكتسبة في كميات الماء الهائلة المخزونة في هذه البحيرات، توضع بوابات عند مخارج هذه البحيرات، بحيث يمكن، عن طريقها، التحكم في معدل سقوط الماء. وطاقة الوضع تساوى وزن الماء المخزون في البحيرة مضروبا في ارتفاع البحيرة، عن النقطة التي ستُستغل عندها هذه الطاقة.

وعند اندفاع الماء المخزون في البحيرة إلى أسفل تتحول طاقة الوضع إلى طاقة حركة، فإذا ما سقطت على توربين متصل بمولد كهرباء، تتحول طاقة الحركة هذه إلى طاقة ميكانيكية تدير التوربين، وتولد الكهرباء، وكفاءة توليد الطاقة الكهربائية من المساقط المائية تصل إلى 85% وهى أعلى من كفاءة توليد الكهرباء بواسطة المحطات الحرارية.

أخذت دول كثيرة في إنشاء السدود عند منافذ البحيرات المرتفعة، وفي مناطق الشلالات. وفي البلاد التي بها أنهار يمكن بناء السدود والخزانات الكبيرة على مجارى هذه الأنهار، واستخدام ارتفاع منسوب المياه وراء السد في إدارة التوربينات لتوليد الكهرباء. كما هو الحال عند السد العالي المقام على بحيرة ناصر في أسوان في مصر وينتج سنوياً 8663 جيجا وات ساعة.

ميزات استخدام محطات توليد الطاقة الكهربية المائية

أ. لا تُحدث تلوثاً للبيئة.

ب. رأس المال المنفق يتمثل في بناء السد أو الخزان، وهذا يفيد في تنظيم الري، إلى جانب توليد الكهرباء.

ج. كفاءة توليد الكهرباء من الطاقة المائية عالية تصل إلى 85%، بينما في المحطات الحرارية لا يتعدى 40%، ومن الخلايا الشمسية 15 %.

د. لا تحتاج إلى تكاليف عالية للصيانة.

هـ. التوربينات المائية سهلة التركيب والتشغيل.

6. طاقة المد والجزر

المد والجزر من مصادر الطاقة الميكانيكية في الطبيعة، وهذه الظاهرة تنشا عن التجاذب بين الأرض والقمر، ويكون تأثير قوى التجاذب كبير في المنطقة التي يتعامد عليها القمر على سطح الأرض، ولا يتأثر سطح اليابس بهذه القوة بينما يتأثر سطح الماء.

وفي المحيطات ينبعج الماء إلى أعلى، وينجذب كذلك مركز الأرض في اتجاه القمر؛ مما يسبب مداً آخر في المنطقة المقابلة من الأرض. وأول من قدم تفسيراً عملياً لهذه الظاهرة هو عالم الفلك الألماني جوهانس كبلر Johannes Kepler حيث ربط بين حركات الماء في ارتفاعها وانخفاضها، وبين أوضاع كل من الشمس والقمر، ثم جاء العالم البريطاني إسحاق نيوتن Isaac Newton ووضع قوانينه الخاصة عن الجاذبية بين مختلف الأجسام، وبذلك وضع الأساس الذي تقوم عليه النظرية الحديثة التي تفسر ظاهرة المد والجزر.

ونظراً لحركة الأرض حول نفسها مرة كل 24 ساعة، وأن جذب القمر يحدث مداً في نقطتين متقابلتين على سطح الأرض في آن واحد، فان الفترة الزمنية بين كل مَدْين متتاليتين هو 12 ساعة. وتظهر ظاهرة المد بوضوح في بعض الخلجان بالمحيطات. وفي بعض المناطق يصل ارتفاع الماء أثناء المد إلى 15 متراً، حيث يمكن استغلال هذه الظاهرة مصدراً لتوليد الطاقة الكهربائية.

استخدام طاقة المد في توليد الكهرباء

تستخدم طاقة المد في توليد الكهرباء عن طريق بناء سد عند مدخل الخليج الذي يتمتع بفرق كبير في منسوب الماء بين المد والجزر، وتوضع توربينات توليد الكهرباء عند بوابة هذا السد.

ففي فترة المد يرتفع منسوب الماء في المحيط أمام بوابات السد، فتفتح البوابات شيئاً فشيئاً، ويدخل الماء من المنسوب المرتفع خارج الخليج إلى المنسوب المنخفض داخله، فيدير توربينات توليد الكهرباء وتغلق البوابات بعد ذلك.

وعندما ينحصر المد، وينخفض منسوب المياه في المحيط أمام السد، تفتح البوابات شيئاً فشيئاً، فيندفع الماء من المنسوب المرتفع داخل الخليج، إلى المنسوب المنخفض في المحيط فيدير توربينات الكهرباء بما فيه من طاقة وضع وقد تحولت إلى طاقة حركة.

تغلق البوابات بعد ذلك حتى يبدأ المد مرة أخرى بعد 12 ساعة فتعود الدورة من جديد. لذلك هناك أربع دورات لتوليد الكهرباء في اليوم الواحد. اثنتان أثناء المد ودخول الماء من المحيط إلى داخل الخليج، واثنتان أثناء الجزر وخروج الماء من الخليج إلى المحيط.

وقد أنشأت بعض الدول محطات كهربائية تعمل بطاقة المد والجزر، مثل فرنسا. وفي الولايات المتحدة الأمريكية محطة قرب شاطئ بريتاني، عند مدخل نهر رانس، قدرتها 240 ميجاوات، وهناك خطة لاستغلال طاقة المد والجزر في توفير 1% من احتياجاتها في الطاقة، وهناك مشروع آخر تحت الدراسة، يزمع إقامته على الشواطئ الغربية لنوفاسكوتشيا، حيث يبلغ ارتفاع موجة المد نحو 8.7 متر، عند دخولها نهر انابوليس. وعند خروج المياه إلى البحر، أثناء الجزر، تدفع توربينات يتوقع لها أن تولد نحو 20 ميجاوات.

كذلك بنى الاتحاد السوفيتي، سابقاً، محطة مشابهة على مدخل نهر كميلسايا، لا تزيد قدرتها على توليد أكثر من 400 كيلو وات.

7. الطاقة الغازية

يُعد غاز الهيدروجين على رأس قائمة أنواع الوقود التي يمكن استخدامها بعد أن تُستنفذ أنواع الوقود التقليدية، إذ إنه من أكثر الغازات وفرة في هذا الكون، وهو يمثل المادة الخام بقلب كل النجوم، ورغم وفرته في قلب النجوم وفي الفراغ الواقع بين المجرات، إلا أن الغلاف الجوي للأرض لا يتوافر به غاز الهيدروجين الحر الطليق.

ويستخدم غاز الهيدروجين حالياً في الصناعة في كثير من الأغراض، لذلك فهو يُحضر بكميات كبيرة تصل نحو 10 تريليونات قدم مكعب في العالم، ويمكن الحصول عليه بالتحليل الكهربائي للماء، وهذه الطريقة تُعطي غازاً نقياً بدرجة كبيرة، ولهذا تعد المياه المتوافرة في البحار والمحيطات المصدر الرئيسي لهذا الغاز وذلك بطريقة التحليل الكهربائي للماء، ويمكن الحصول على التيار الكهربائي اللازم من الطاقة الشمسية.

وقد استُخدم غاز الهيدروجين في توليد الكهرباء بوساطة خلايا الوقود، وهو لا يسبب أي تلوث للبيئة، إذ إنه عندما يحترق يعطي بخار الماء الذي يعد مكوناً طبيعياً من مكونات الهواء.

8. خلايا الوقود

تُصنع خلية الوقود المُبسطة من قطبين من الكربون مُحملين بقليل من فلز البلاتين الذي يعد عاملاً مساعداً في حمض الكبريتيك. وعند إمرار تيار من غاز الهيدروجين على أحد هذين القطبين، وإمرار تيار من غاز الأكسجين، أو من الهواء، على القطب الثاني فان مثل هذه الخلية البسيطة تعطى فولتاً واحداً من التيار المستمر، ويمكن تجميع مثل هذه الخلايا على هيئة أعمدة كبيرة، يتكون كل منها من عشرات من هذه الخلايا للحصول على الجهد اللازم.

تمتاز خلايا الوقود بأنها لا يُنتج عن تشغيلها ضوضاء أو ضجيج مثل بقية محطات القوى الأخرى، ولذلك فانه يمكن إقامة محطات توليد الكهرباء التي تدار بخلايا الوقود في أي مكان في وسط المدن وفي المناطق الآهلة بالسكان، مما يوفر قدراً كبيراً من التكاليف عند توزيع الطاقة الكهربائية الناتجة منها.

ويمكن استخدام وحدات مجمعة صغيرة من هذه الخلايا لتوفير الطاقة في بعض المباني الكبيرة، أو في بعض المتاجر الضخمة، التي قد تحتاج من 25 ـ 200 كيلووات من الكهرباء، ويقدر الباحثون في هذا المجال، أن كفاءة توليد الكهرباء من هذه الخلايا ستصل مستقبلا إلى نحو 80%.

وتحتاج خلايا الوقود عند استخدامها في توليد الكهرباء إلى جهاز يحول الوقود إلى غاز غني بالهيدروجين، وجهاز آخر يحول التيار المستمر الناتج منها إلى تيار متردد حتى يتمشى مع تيار الشبكة الكهربائية العادية.

9. فوائد استخدام الطاقة المتجددة

أ. في المجال العسكري

من أهم التطبيقات العسكرية للطاقة المتجددة استخدامها في تيسير الحياة في المدن العسكرية الجديدة، والوحدات المتمركزة بالمناطق النائية، وتنمى المصادر المختلفة للطاقة المتجددة لشتى الأغراض؛ لتوليد الكهرباء، وتحلية مياه البحر، والطهي، واستخدام الأنظمة المركزية للسخانات الشمسية، بغرض توفير متطلبات الإيواء للتجمعات العسكرية في المناطق النائية، ومن أهم التطبيقات المستخدمة في المجال العسكري للطاقة المتجددة الآتي:

·   نظام التسخين الشمسي للكليات العسكرية لاستخدامات الطلبة.

·   استخدام السخانات الشمسية الميدانية؛ لإمداد الوحدات بالمياه الساخنة للجنود.

·   إمداد المناطق السكنية والمدن العسكرية بالسخانات الشمسية.

(1) تحليه المياه

نظراً للدور الحيوي الذي يمكن أن تؤديه الخلايا الشمسية في توليد الكهرباء في المناطق النائية فقد أُدخلت هذه التقنية في مجال الاستخدام العسكري المتمثل في الآتي:

(أ) تغذية المحطات اللاسلكية الثابتة.

(ب) تغذية الأجهزة اللاسلكية المحمولة بواسطة الأفراد.

(ج) في ثلاجات تبريد الأغذية.

وتتطلب طبيعة عمل القوات المسلحة ضرورة تواجد الأفراد والمعدات في المناطق النائية سواء على الحدود الدولية أو في الصحراء، وتحتاج هذه القوات إلى حفظ الطعام لمدة كبيرة لذلك استخدمت الثلاجات التي تُبرِد بالطاقة الشمسية.

(2) تستخدم الطاقة الشمسية في توليد الكهرباء لأغراض الإنارة، وإدارة الطلمبات لاستخراج المياه الجوفية.

تحظى طاقة الرياح بنصيب كبير في التطبيقات العسكرية، حيث تستغل بقدرات عالية، مما يتيح تنفيذ مشروعات لطاقة الرياح على مستوى كبير كالآتي:

(أ) تستخدم طاقة الرياح مع نظام مشترك للديزل بالاستعانة بالحاسب الآلي للتحكم والمراقبة، وتعطي المروحة الواحدة 200 كيلووات ساعة فلو استُخدمت خمس مراوح، أمكن توفير ميجاوات واحد ساعة، كافية لتوفير طاقة كهربائية لمنطقة عسكرية، ووحدات السيطرة الخاصة بها، ويتم نقل الكهرباء باستخدام الكابلات الهوائية المعزولة المعلقة على أعمدة خشبية، وذلك لمراعاة النواحي العملياتية، بحيث تمنع أي تداخل يحتمل على أجهزة الرادار، كما تعطي فرصة لزيادة عدد الخطوط الكهربائية، دون الحاجة إلى استخدام أعمدة إضافية، كما أن استخدام الكابلات الهوائية المعزولة يمنع أي تداخل ناتج عن الموجات الكهرومغناطيسية من الكابل مع أجهزة الإرسال والاستقبال اللاسلكي.

(ب) تستخدم طاقة الرياح في تحليه مياه البحر، لاستخدامها في المناطق العسكرية النائية التي تفتقر إلى وجود المياه العذبة، وكذا في المناطق الصحراوية القريبة من البحر.

(3) استخدام الطاقة المولدة من الكتلة الحيوية

لقي موضوع توليد الطاقة من المخلفات العضوية بالتخمير اللاهوائي وهو ما يعرف باسم تقنية الإنتاج الحيوي، اهتماماً كبيراً في جميع التطبيقات، وتجدر الإشارة إلى أن تكنولوجيا الغاز الحيوي لا تسهم في حل مشكلة الطاقة فحسب، ولكنها تسهم أيضاً في حل مشكلتي نقص الغذاء، وزيادة التلوث البيئي.

وتمثل تقنية الغاز الحيوي أهمية خاصة في الاستخدامات العسكرية؛ نظراً لكونها وسيلة لمكافحة التلوث، وإعادة استخدام مياه الصرف الصحي، ومخلفات المطابخ، في المعسكرات والمدن العسكرية.

ب. استخدام الطاقة المتجددة في المجال المدني

(1) الاستخدام المنزلي التجاري

(أ) تسخين المياه لأغراض الاستحمام والغسيل والتنظيف، باستخدام المجمعات الشمسية دون تحويلها إلى أي شكل آخر من أشكال الطاقة. وهو أرخص وأنظف أنواع الطاقة على الإطلاق.

(2) يُعد تسخين المياه بالطاقة الشمسية مستخدماً المسطح الماص الشمسي من التقنية الجاهزة المتقدمة اقتصادياً، التي قد انتشرت بصورة عريضة في أكثر من استخدام.

(3) تسخين المياه بالطاقة الشمسية، لا يمثل بنداً أساسياً في ميزانية الدولة.

(2) الاستخدام الزراعي

(أ) تجفيف المنتجات الزراعية.

(ب) الصوبات الشمسية.

(3) الاستخدام الصناعي

(أ) اتجهت بعض المصانع لاستخدام الطاقة الشمسية في بعض عمليات التسخين والتبخير، خاصة في مصانع الأغذية، والبلاستيك، والصباغة، بالإضافة إلى المخابز الآلية، والعديد من الصناعات الأخرى التي تتطلب درجة حرارة متوسطة أو منخفضة.

(ب) تقطير المياه.

(ج) شحن بطاريات محطات التقوية التليفزيونية واللاسلكية.

(د) إضاءة الممرات الملاحية.

(هـ) أجهزة الإنذار الملاحية.

(و) نظام تشغيل مكبرات الصوت.

(ز) تشغيل التليفزيونات في الساحات الشعبية.

(ح) ثلاجات حفظ الأدوية في الوحدات الصحية.

(ط) شحن البطاريات الكهربائية.

(ي) مضخات الري الشمسية لرفع المياه لري الأراضي الزراعية.

(ك) تشغيل وحدات تحليه المياه.

(ل) كهربة القرى النائية.