إذا كان مصطلح "الطاقة المتجددة" يجلب إلى الذهن بحرًا من الألواح الشمسية أو توربينات الرياح الشاهقة ، فأنت لست وحدك. أصبح الحصول على الطاقة من الشمس والرياح أكثر شيوعًا. ذلك لأن مصادر الطاقة "النظيفة" هذه تولد الكهرباء دون تلويث الهواء. لا تقل أهمية عن ذلك أنها لا تطلق ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي. غازات الدفيئة هذه تحبس حرارة الشمس وتساهم في تغير مناخنا.
لكن الطاقة الشمسية وطاقة الرياح لديهما عيب كبير:فهي ليست متوفرة دائمًا. تشرق الشمس فقط خلال النهار. تأتي الرياح وتذهب. هناك عدد قليل جدًا من الأماكن التي تكون فيها الرياح ثابتة بدرجة كافية لتوليد الكهرباء طوال الوقت. وبقدر ما يبدو الأمر سهلاً ، فقد أثبت تخزين الطاقة لاستخدامها لاحقًا أنه يمثل تحديًا كبيرًا.
لكن أمواج المحيط؟ كما يمكن لأي شخص بقي بالقرب من الشاطئ أن يخبرك ، فإن الأمواج تصطدم بالشاطئ في الصباح والظهيرة والليل. وهذا يجعلها مثالية لتوليد الطاقة على مدار الساعة. الآن يكتشف العلماء مقدار ما يمكن أن تقدمه موجات الطاقة.
عندما تهب الرياح عبر سطح الماء ، فإنها تخلق موجات. إذا سبق لك أن رأيت قبعات بيضاء في محيط أو بحيرة في يوم عاصف ، فقد رأيت هذا أثناء العمل. تتسبب الرياح في اهتزاز الماء على السطح لأعلى ولأسفل. على الرغم من أنه يبدو أن الماء ينتقل من مكان إلى آخر ، إلا أنه في الواقع لا يذهب بعيدًا جدًا. بدلا من ذلك ، فإنه يتحرك في دوائر - لأعلى ، لأعلى ، لأعلى إلى قمة الموجة ، ثم لأسفل ، لأسفل ، لأسفل الجانب الآخر.
هذا صحيح ، على الأقل ، عندما يكون الماء عميقًا جدًا ، كما هو الحال في المحيط. تسمى تلك الموجات المتمايلة بلطف "بالانتفاخ". لكن الأمواج تتغير عندما تقترب من الشاطئ.
عندما يصبح الماء أكثر ضحالة ، لا يمكنه التحرك في دوائر بعد الآن. الأرض تعترض الطريق. يصطدم الماء بقاع المحيط ، مما يسحق الدائرة في شكل بيضاوي. يشبه إلى حد كبير الشخص الذي يتعثر في شيء ما ، "تتعثر" المياه على الأرض. الجزء العلوي يترنح إلى ما بعد القاع. الموجة "تنكسر" ، تقترب من الشاطئ.
الشرح:ما هي الشبكة الكهربائية؟
تستخدم أنظمة طاقة الأمواج حركة الماء لتوليد الكهرباء. تستخدم بعض أنواع هذه الأجهزة قوة الأمواج المتكسرة. البعض الآخر يستفيد من الانتفاخات. لا يزال البعض الآخر يستخدم ضغط الأمواج بالقرب من قاع المحيط. ومع ذلك ، فإن جميعها لها نفس الهدف:تحويل طاقة الأمواج إلى طاقة كهربائية. يمكن استخدام تلك الكهرباء لتشغيل الشبكة الكهربائية . هذه هي شبكة الكابلات التي تنقل الكهرباء للمنازل والمباني حتى نتمكن من استخدامها.
تقتصر قوة الأمواج على المناطق القريبة من المحيط. بعد كل شيء ، يمكن أن تكون الكابلات التي تحمل الكهرباء طويلة فقط. لكن 40 في المائة من سكان العالم يعيشون على بعد 100 كيلومتر (60 ميلاً) من المحيط. وهذا يعني أنه يمكن تشغيل الكثير من الأضواء وأجهزة التلفزيون والأجهزة اللوحية بواسطة الأمواج.
مع كل هذا الوعد لقوة الأمواج ، يختبر الباحثون مدى نجاح أنواع مختلفة من المولدات في تحويل طاقة المحيط إلى كهرباء. على طول الطريق ، يحاولون التأكد من أن الحياة البحرية لن تتضرر في هذه العملية.
الطاقة حيث تكون مطلوبة
الخطوة الأولى لخلق قوة الموجة؟ معرفة أفضل مكان لوضع محولات الطاقة تلك.
لا تعمل جميع المناطق الساحلية لتوليد طاقة الأمواج. شكل الأرض تحت البحر يغير حجم وشكل الأمواج. محولات طاقة الأمواج مكلفة أيضًا. يجب أن يكون لأفضل البقع الكثير من الحركة الموجية ، ولكن ليس لدرجة أن المحولات قد تتضرر في عاصفة.
الشرح:ما هو نموذج الكمبيوتر؟
لاكتشاف أفضل المواقع ، يلجأ العلماء إلى نماذج الكمبيوتر . جواو موريم ناسيمنتو ونيك كارترايت مهندسان بيئيان في أستراليا. كلاهما يعمل في جامعة جريفيث في ساوثبورت ، كوينزلاند. مهندس بيئي يعمل على تقليل التلوث والنفايات. أراد الزوجان العثور على أماكن جيدة لمحولات طاقة الأمواج على طول الساحل الجنوبي الشرقي لبلدهم. فهي موطن للعديد من المدن الأسترالية الكبيرة. نظرًا لأن الكثير من الناس يعيشون بالقرب من الساحل ، فقد تكون هذه المنطقة رائعة لقوة الأمواج.
بدأ الباحثون بنموذج كمبيوتر موجود يسمى SWAN. (يشير هذا الاسم إلى محاكاة WAves Nearshore.) تم تطوير SWAN بواسطة باحثين في جامعة دلفت في هولندا. يتنبأ بقوة وموقع طاقة أمواج المحيط. للقيام بذلك ، فإنه يأخذ في الاعتبار أشياء مثل الرياح والميزات الموجودة في قاع المحيط والتفاعلات بين موجات متعددة.
قام Morim Nascimento و Cartwright بتكييف SWAN للتقدم إلى جنوب شرق أستراليا. وأضافوا تفاصيل حول عمق المياه في حدود 50 كيلومترا (31 ميلا) من الشاطئ. كما قاموا بوضع بيانات عن الرياح والأمواج في المنطقة. ثم اختبروا النموذج باستخدام بيانات من عوامات في المحيط. قام المهندسون بتعديل النموذج حتى تنبأ عن كثب بكمية طاقة الأمواج التي يتم تسجيلها بواسطة العوامات.
ساعد هذا النموذج الفريق في العثور على "نقاط ساخنة" - أماكن بها ما تصفه كارترايت بأنه "وفرة في طاقة الأمواج". يقع كل موقع على بعد 5 كيلومترات (3 أميال) من الشاطئ بعمق لا يزيد عن 22 مترًا (72 قدمًا). ويوضح أنها مثالية ، لأنه من الأسهل والأرخص الحصول على القدرة على الشواطئ من هذه المواقع مقارنةً بالحصول عليها من أماكن بعيدة.
يقول:"هناك ما يكفي من الطاقة الطبيعية في المحيط". "التحدي هو تسخير وتحويل ما يكفي منها إلى قوة" يمكن للناس استخدامها. جزء من هذا التحدي هو المحيط نفسه. تدق الأمواج باستمرار على المعدات. يمكن للجهاز أيضًا أن يواجه بعض الظروف الجوية القاسية. يقول كارترايت إن موجات العاصفة الكبيرة جدًا يمكن أن تلحق الضرر بالمحولات. ويضيف أن مياه البحر المالحة تتسبب في تآكل أو تكسير أي أجزاء معدنية.
سجادة البحر
يحاول العلماء والمهندسون العديد من الطرق المختلفة للتغلب على هذه التحديات. أدت أفكارهم إلى أنواع عديدة من التصاميم. تطفو بعض المحولات على السطح ، مقيدة بمولدات الأمواج في قاع المحيط. البعض الآخر لديه طرف مثبت في قاع البحر والآخر حر في التقليب من جانب إلى آخر حيث تغسل الأمواج فوقه. لا يزال البعض الآخر يستخدم ضغط الهواء أو الماء لتوليد الكهرباء.
يشبه أحد أحدث الأنظمة إلى حد ما سجادة مسطحة. صمم محمد رضا علم وفريقه في جامعة كاليفورنيا في بيركلي المحول لتقليد قاع البحر الموحل. يوضح علم أن الأماكن التي يوجد بها الكثير من الطين جيدة في امتصاص الموجات القادمة. غالبًا ما يتجه الصيادون في البحار الضحلة إلى المناطق الموحلة عندما يضرب الطقس القاسي. القوارب المعلقة هناك محمية من الأمواج العاتية لأنها تركب عاصفة.
يعتقد عالم أنه إذا كان الطين يستطيع امتصاص هذا القدر من الطاقة ، فإن محول الطاقة الذي يعمل مثل الطين يجب أن يفعل الشيء نفسه. هذا من شأنه أن يجعلها فعالة للغاية في حصاد طاقة الموجة.
جزء "السجادة" من المحول الخاص به مصنوع من لوح ناعم من المطاط. تقع بالقرب من قاع البحر ، حيث يمكن أن تنحني وتنثني جنبًا إلى جنب مع الأمواج. عندما يتحرك لأعلى ولأسفل ، فإنه يدفع الأعمدة داخل وخارج مضخة المكبس. تقوم المضخة بتحويل حركة المكبس إلى كهرباء ، والتي تنتقل بعد ذلك على طول كابل إلى الشبكة الكهربائية.
يقول عالم إن السجادة قادرة على إزالة كل الطاقة تقريبًا من الأمواج. وستكون قادرة على تزويد الكثير من المنازل بالكهرباء. يقول كل ساعة ، "كل متر مربع من السجادة يمكن أن يفرز حوالي 2.5 كيلوواط [من الكهرباء] من المياه بالقرب من ساحل كاليفورنيا." هذا هو ضعف كمية الكهرباء التي يستخدمها منزل أمريكي نموذجي كل ساعة
يقول علام:"إذا أردنا الحصول على نفس الطاقة من الطاقة الشمسية ، فنحن بحاجة إلى 14 مترًا مربعًا [151 قدمًا مربعًا] من الألواح الشمسية." هذا يساوي 14 ضعفًا! ويقول إن السجادة الموجية بالحجم الكامل ربما يبلغ عرضها حوالي 10 أمتار (33 قدمًا) وطولها 20 مترًا (66 قدمًا). لذلك يجب أن تكون قادرة على توليد 500 كيلوواط من الكهرباء في الساعة - ما يكفي لتشغيل أكثر من 400 منزل - على مدار الساعة.
المواقع الأخرى ، مثل شمال أوروبا ، لديها موجات أكثر نشاطًا. يلاحظ علم أن السجادة الموجية هناك يمكن أن تولد المزيد من الكهرباء. على الجانب الآخر ، لم تتمكن الموجات الأضعف في أماكن مثل خليج المكسيك من ضخ نفس القدر من الكهرباء في شبكة الطاقة الكهربائية.
يرتكز الهيكل بأكمله على قاع البحر فوق قاع البحر مباشرةً. لذا فهو بعيد عن الأنظار تمامًا. هذا مهم للعديد من الأشخاص الذين يقضون وقتًا على الشاطئ. لا يحبون رؤية الهياكل الكبيرة المولدة للطاقة (مثل توربينات الرياح) عندما يكونون في الخارج للسباحة أو الإبحار. في الواقع ، تقع العديد من مزارع الرياح بعيدًا عن الشاطئ ، لذلك لا يراها الأشخاص الذين يستمتعون بالشاطئ. ومع ذلك ، يمكن أن تكون السجادة الموجية قريبة من الشاطئ. هذا يعني أن الكابلات التي تنقل الكهرباء إلى الشبكة يمكن أن تكون أقصر بكثير. وبالتالي فإن الكهرباء التي تولدها السجادة يجب أن تكون أقل تكلفة.
هل هو مفيد للبيئة؟
ليس هناك شك في أن إيجاد مصادر جديدة للطاقة المتجددة مفيد للبيئة. تلوث أقل وانبعاثات غازات دفيئة أقل مفيد للبشر والنباتات والحيوانات. لكن مصادر الطاقة النظيفة يمكن أن تسبب مشاكل.
يمكن لتوربينات الرياح أن تقف في طريق الطيور والخفافيش المهاجرة ، على سبيل المثال. (تشير بعض التقديرات إلى أن مئات الآلاف من هذه الحيوانات قد تموت كل عام بسبب الاصطدام بالشفرات الدوارة الضخمة). ويعني الارتفاع المنخفض لمحولات طاقة الأمواج أنها لن تتداخل على الأرجح مع الحيوانات المهاجرة. تقول ديبوراه جريفز:"نحن بحاجة إلى التفكير بعناية في تفاعلهم مع البيئة البحرية". هي مهندسة محيطات في جامعة بليموث في إنجلترا.
أحد المخاوف هو أي تأثيرات بيئية لامتصاص كل تلك الطاقة من الموجات القادمة. (بعد كل شيء ، هذه هي الطريقة التي يولدون بها الكهرباء - عن طريق تحويل طاقة الأمواج إلى طاقة كهربائية.) ستؤدي الطاقة المستمدة من الأمواج إلى تقليل مقدار الطاقة التي ستبقى مع استمرار الموجات في اتجاه الشاطئ. ستكون أصغر ، على الأقل لبعض المسافة. يمكن أن تؤدي الموجات الأصغر إلى تقليل اختلاط العناصر الغذائية داخل عمود الماء (أي الماء بين جزء معين من قاع المحيط والسطح فوقه). ويقول جريفز إن ذلك قد يؤثر على الأنواع التي تعيش هناك. وتضيف:"لكنها يمكن أن تكون مفيدة أيضًا". بعد كل شيء ، يمكن أن تساعد "محولات طاقة الأمواج في توفير بعض الحماية للسواحل" عن طريق تقليل التآكل.
يمكن أن تؤثر المولدات الكهربائية أيضًا على كيفية تفاعل الحياة البرية. تصطاد العديد من الطيور والثدييات البحرية الأسماك في المناطق التي قد تكون مواقع مثالية لمحولات الأمواج. من الممكن أن تجذب المحولات الأسماك إليها إذا لجأت المخلوقات الصغيرة التي تأكلها إلى هناك. وهذا بدوره يمكن أن يجذب الحيوانات المفترسة الجائعة. قد يساعد هذا في تعزيز الحياة البحرية في المنطقة. لكن الأسماك والفقمات والحيوانات الأخرى قد تتشابك أيضًا في كابلات طويلة تثبت محولات الطاقة العائمة على السطح. لذلك يجب على الباحثين دراسة المكان الذي يريدون تثبيت هذه المحولات فيه للتأكد من أنها لن تضر بالنظم البيئية المحلية.
مصدر قلق آخر:المحولات ستصدر ضوضاء. قد يمثل ذلك مشكلة للأسماك والدلافين والحيوانات الأخرى التي تعتمد على الصوت للعثور على الطعام أو التواصل. يتسبب الضجيج العميق للقارب والصوت العالي للسونار في جميع أنواع المشاكل لحيوانات المحيط. قد تكافح هذه المخلوقات للعثور على الطعام أو تصبح مشوشة. ومع ذلك ، يقول جريفز ، من غير المرجح أن تخلق محولات الموجات مستويات عالية من الضوضاء. سيحدث الجزء الأكثر ضوضاءً عندما يتم تثبيت المحولات في البداية في بعض المواقع. بمجرد أن يبدأوا الجري ، يجب أن يكونوا هادئين إلى حد ما.
أسئلة الفصل الدراسي
على الجانب الإيجابي ، قد تصبح المحولات قاعدة للشعاب المرجانية الاصطناعية إذا استحوذت الطحالب أو بلح البحر أو البرنقيل أو الشعاب المرجانية على الهيكل وبدأت في النمو. توفر هذه الشعاب المرجانية الحماية للأسماك والحياة البحرية الأخرى. يمكن أن تزيد تنوع الحياة البحرية في المنطقة. يمكن أن تكون مفيدة ، طالما أن هذه المخلوقات لا تتداخل مع حركة محول الموجة.
يقول جريفز:"من الموارد الهائلة للمحيطات ، تمتلك طاقة الأمواج القدرة على تقديم مساهمة كبيرة نحو احتياجات الطاقة النظيفة في المستقبل". لكنها تحذر من أنه "يجب القيام بذلك بطريقة مستدامة ، في وئام مع البيئة البحرية".
