تستخدم تقنية تحويل الطاقة الحرارية للمحيطات الفرق في درجات الحرارة بين سطح المحيطات الدافئ المُسخن بالطاقة الشمسية والمياه الباردة الأعمق. يمكن أن توفر هذه التقنية مصدر طاقة للعديد من المناطق. على الرغم من أنها موجودة منذ أكثر من 100 عام ، إلا أنها لم تحظ بالاهتمام الكافي. واحدة من الأسباب هي نقص الاهتمام بالتمويل.
مصدر طاقة من البحر
اقترح المهندس الفرنسي جورج كلود (1870-1960) نظام تحويل الطاقة الحرارية للمحيطات في معهد فرنسا عام 1926. تم تصميم هذا النظام لاستخدام مركب مثل الأمونيا السائل (الذي يتميز بنقطة غليان منخفضة جدًا) كسائل عامل. يتدفق الماء الدافئ من سطح المحيط إلى مبادل حراري ، حيث يتسبب الحرارة في تبخر الأمونيا. عندما يتمدد البخار ، يدور شفرات توربينة متصلة بمولد لتوليد الكهرباء. يدخل البخار بعد ذلك مبادل حراري آخر ، حيث يتسبب الماء البارد المضخوك من المحيط العميق في تكثيفه مرة أخرى. يسحب الفرق في الضغط بين الغرفتين البخار حول النظام ، مما يدور التوربينة ويولد الكهرباء. يستخدم بعض هذه الكهرباء لتشغيل المضخات التي تجلب الماء لأعلى ، في حين يتم إرسال الكهرباء الزائدة إلى الشبكة للاستخدام العام.
بداية بطيئة
في عام 1979 ، وقع الرئيس الأمريكي السابق جيمي كارتر قانون تحويل الطاقة الحرارية للمحيطات ، الذي يهدف إلى تعزيز تطوير مجموعة من مصادر الطاقة. قام الباحثون بتطوير محطتين لتحويل الطاقة الحرارية للمحيطات قبالة سواحل هاواي وتم توليد الطاقة الصافية بنجاح. قامت الشركات اليابانية باختبار أنظمتها الخاصة لتحويل الطاقة الحرارية للمحيطات في عام 1981 قبالة سواحل ناورو في المحيط الهادئ. تم توليد 35 كيلووات من الطاقة قبل أن تتعرض المحطة للتدمير في عاصفة. في التسعينات ، قامت المختبرات الطبيعية للطاقة في هاواي بتشغيل محطة تجريبية لتحويل الطاقة الحرارية للمحيطات بقدرة 250 كيلووات لمدة ست سنوات. في الآونة الأخيرة ، قدمت البحرية الأمريكية الدعم لشركة Makai Ocean Engineering في بناء محطة تجريبية لتحويل الطاقة الحرارية للمحيطات بقدرة 105 كيلووات في هاواي. تم توصيل هذه المرافق بالشبكة في عام 2015 وتوفرت كمية كافية من الطاقة لتغذية حوالي 120 منزلًا.
فوائد للجزر الاستوائية
ربما يكون أفضل استخدام لتحويل الطاقة الحرارية للمحيطات هو توفير الطاقة للجزر الاستوائية. على الرغم من توفرها لأشعة الشمس الوفيرة ، إلا أن العديد من هذه الجزر ، وخاصة الجزر الصغيرة والمنخفضة المستوى مثل كيريباس ، تعاني من نقص في الأراضي التي لا يمكن أن تستغني عنها حتى لمزارع الطاقة الشمسية الصغيرة. ومن بين هذه الدول الجزرية الصغيرة النامية ، هناك اهتمام كبير بتحويل الطاقة الحرارية للمحيطات. يعود ذلك إلى أن مياه المحيط والكتلة الحيوية الاستوائية المحيطة بالدول الجزرية الصغيرة تجعلها مستقبلة لامتصاص الكربون الصافي ، ولكنها أكثر تأثرًا من غيرها بتغير درجات حرارة المحيط ومستوياته. بالنسبة لهذه الدول ، يعد التوصل إلى الصفر الصافي مسألة تتعلق بالحفاظ على الذات – إذا لم يتم تباطؤ تغير المناخ ، فسوف تغطي المياه البحارية الارتفاعية الكاملة لهذه الدول.
التحديات والفرص المستقبلية
من الواضح أن التكنولوجيا تعمل ، فلماذا لا تكون السواحل مليئة بمحطات تحويل الطاقة الحرارية للمحيطات التي تولد طاقة رخيصة؟ أحد الأسباب هو أن المحطات تتطلب على الأقل فرقًا في درجة الحرارة بين سطح الماء والماء العميق بحوالي 20 درجة مئوية (68 درجة فهرنهايت). هذه الظروف تحدث فقط بالقرب من خط الاستواء ، بعيدًا عن المناطق التي تحتاج إلى الطاقة بشكل أكبر. مشكلة أخرى هي أن محطات تحويل الطاقة الحرارية للمحيطات تأتي مع تكاليف رأس مالية أولية نسبياً عالية ، مما يجعل التكنولوجيا أقل جاذبية للمستثمرين ، خاصة مع انخفاض تكلفة الطاقة المتجددة مثل الطاقة الشمسية والرياح. تم التخطيط لمحطات تحويل الطاقة الحرارية للمحيطات في بورا بورا ومارتينيك وبورتوريكو ، ولكن بشكل عام ، تم تجاوز تقنية تحويل الطاقة الحرارية للمحيطات بواسطة الطاقة الشمسية والرياح.
هناك أيضًا كفاءة منخفضة نسبيًا للعملية. يتم تحويل فقط حوالي 2 إلى 3 في المائة من الطاقة في مياه البحر إلى كهرباء باستخدام تحويل الطاقة الحرارية للمحيطات. هذا يبدو منخفضًا ، ولكن إذا تم تشغيل المضخات باستخدام الطاقة الشمسية ، فإن الاقتصاديات تعمل فعلاً – طالما يمكنك ضخ حجم كبير من الماء. يشير ورقة بيضاء واحدة إلى أنه سيستغرق ما يعادل أربعة شلالات نياجارا من الماء المتدفق بشكل مستمر عبر مبادلات الحرارة في المحطة لجعل الاقتصاديات تعمل. بالإضافة إلى ذلك ، تكلفة المعدات والأنابيب للقيام بذلك محظورة – وبالتالي تكلفة البدء العالية.
هذا صحيح بشكل مزدوج بالنسبة للمرافق البرية. تشغيل أنبوب ضخم بما فيه الكفاية للعثور على الماء البارد يكلف الكثير من المال. بديل واحد هو بناء المحطة على منصة في البحر وتشغيل الأنبوب مباشرةً. ربما يمكن أن يتم ركن هذه المحطات بالقرب من أجهزة توليد الطاقة الرياحية في البحر ومشاركة الكابل لتشغيل الطاقة على البر. ومع ذلك ، يزيد البناء في البحر أيضًا من التكاليف.
في مقال نشر في Eos ، اقترح جورج هاجرمان ، عالم مشروع كبير في مركز علوم المحيطات الساحلية في جامعة Old Dominion ، استخدام نفق تحت أرض المحيط لجلب الماء البارد إلى محطة برية.
يعمل آخرون على جعل التكنولوجيا أكثر كفاءة من حيث التكلفة عن طريق جعلها أخف وزنًا. في سبتمبر 2023 ، أجرت الصين تجارب بحرية على محطة تحويل الطاقة الحرارية للمحيطات العائمة التي تم تطويرها في مشروع قاده المسح الجيولوجي البحري في قوانغتشو. أثبتت التجربة ، على متن سفينة البحوث البحرية Haiyang Dizhi-2 (“Ocean Geology No. 2”) ، إمكانية التكنولوجيا ذات التكلفة المنخفضة لتحويل الطاقة الحرارية للمحيطات. تخطط الصين أيضًا لإنشاء محطة طاقة تحويل الطاقة الحرارية للمحيطات في بحر الصين الجنوبي في شراكة بين شركة Lockheed Martin ومجموعة Reignwood للبناء المقرة في هونغ كونغ. ستوفر محطة الطاقة الكهربائية الطاقة لمنتجع سياحي سيتم تطويره بواسطة Reignwood.
نعمة للدول الجزرية الاستوائية
ربما يكون أفضل استخدام لتحويل الطاقة الحرارية للمحيطات هو توفير الطاقة للدول الجزرية الاستوائية. على الرغم من توفرها لأشعة الشمس الوفيرة ، إلا أن العديد من هذه الجزر ، وخاصة الجزر الصغيرة والمنخفضة المستوى مثل كيريباس ، تعاني من نقص في الأراضي التي لا يمكن أن تستغني عنها حتى لمزارع الطاقة الشمسية الصغيرة. ومن بين هذه الدول الجزرية الصغيرة النامية ، هناك اهتمام كبير بتحويل الطاقة الحرارية للمحيطات. يعود ذلك إلى أن مياه المحيط والكتلة الحيوية الاستوائية المحيطة بالدول الجزرية الصغيرة تجعلها مستقبلة لامتصاص الكربون الصافي ، ولكنها أكثر تأثرًا من غيرها بتغير درجات حرارة المحيط ومستوياته. بالنسبة لهذه الدول ، يعد التوصل إلى الصفر الصافي مسألة تتعلق بالحفاظ على الذات – إذا لم يتم تباطؤ تغير المناخ ، فسوف تغطي المياه البحارية الارتفاعية الكاملة لهذه الدول.
في عام 2021 ، وقعت SIDS DOCK ، منظمة الطاقة المستدامة ومقاومة التغيرات المناخية للدول الجزرية الصغيرة النامية ، اتفاقًا مع Global OTEC Resources Limited المقرة في المملكة المتحدة للتعاون في تطوير ونشر تكنولوجيا تحويل الطاقة الحرارية للمحيطات. ستبدأ المشروع بمحطة بقدرة 1.5 ميجاوات (MW) تقع على بارجة قبالة ساو تومي وبرينسيب. ستعمل المحطة الصغيرة كنموذج ودليل عملي ويمكن توسيعها لتصبح محطة أكبر أو بواخر صغيرة إضافية. يتم التخطيط لمشروع تحويل الطاقة الحرارية للمحيطات قبالة سواحل ساو تومي وبرينسيب.
تفكر الجزر الأخرى في إقامة محطات على الشاطئ. يعتبر هذا أمرًا جذابًا لأنه على الرغم من أنها مرتبطة بتكاليف بدء عالية ، إلا أنها يمكن أن تدعم أيضًا صناعات ثانوية تعتمد على المياه الباردة مثل تربية البلح البحري.
تم تصميم أنواع أخرى من أنظمة تحويل الطاقة الحرارية للمحيطات ، وتسمى تحويل الطاقة الحرارية للمحيطات المفتوحة (التي تستخدم مياه البحر كسائل عامل ، وتعرضها أولاً لفراغ لتخفيض نقطة غليانها) ، لتحلية مياه البحر أثناء تبخرها ، وتوفير المياه العذبة – وهي سلعة نادرة ومكلفة في العديد من الجزر.
حتى الآن ، كل شيء على ما يرام ، ولكن هناك أيضًا مخاطر محتملة إذا انتشرت هذه التكنولوجيا حقًا. في ورقة بحثية عام 2012 ، وجد باحثو جامعة هاواي في مانوا أن محطة واحدة لتحويل الطاقة الحرارية للمحيطات لن تكون لها تأثير طفيف على بيئة المحيط المحلية. ومع ذلك ، إذا ازدحمت البحار بالمحطات ، فسوف تقوم بتحويل ما يكفي من مياه البحر للقضاء على التدرج الحراري الذي يجعل العملية تعمل في المقام الأول. في ورقة بحثية أحدث قام بها باحثو جامعة هاواي ، نشروها في مجلة علوم وهندسة المحيطات ، استخدموا نمذجة للاستنتاج بأنه يمكن تقليل التأثيرات السلبية عن طريق توجيه المحطات على بعد 100 كيلومتر (كم) على الأقل من الشاطئ وأن “إنتاج الطاقة الكهربائية الكلية لتحويل الطاقة الحرارية للمحيطات بحوالي 2 تيراواط لن يكون له تأثيرات بيئية على نطاق واسع ، ويمكن إنتاج 6 إلى 7 تيراواط شريطة أن تظل التأثيرات المرتبطة بها مقبولة “. لوضع ذلك في الاعتبار ، كان استهلاك الكهرباء العالمي الإجمالي في عام 2022 حوالي 24,400 تيراواط-ساعة. بالإضافة إلى ذلك ، تم العثور على أن عدد المحطات اللازمة لتحقيق الإنتاج الذروي يكفي للتأثير على بعض تدفقات المحيط ، مما يمكن أن يؤثر على المناخ.
ومع ذلك ، يحذر الباحثون من أن هناك حاجة إلى المزيد من العمل في هذه المسائل. على سبيل المثال ، ليس واضحًا كيف ستؤثر الاضطرابات الأصغر على الاحتباس الحراري العالمي.
القيود الأخرى هي ، كما هو متوقع ، التمويل. يبحث SIDS DOCK و Global OTEC حاليًا عن تمويل لبدء المشاريع. ومع ذلك ، يتردد المستثمرون في المساهمة في المشاريع غير المجربة نسبيًا عندما يبدو الطاقة الشمسية والرياح أفضل بديلاً.
في COP28 في ديسمبر ، أبرزت فعالية جانبية نظمتها تحالف الدول الجزرية الصغيرة الأعضاء ضرورة تكنولوجيا تحويل الطاقة الحرارية للمحيطات ونقص التمويل.
أكد وزير البنية التحتية والموارد الطبيعية والبيئة في ساو تومي وبرينسيب ، أديلينو روزا كاردوزو ، أن مشروعهم لا يزال بحاجة إلى دعم مالي إضافي لمكملة ما يساهم به القطاع الخاص.
تأمل الدول الجزرية الاستوائية الأخرى في أن تكون التطورات التالية في تحويل الطاقة الحرارية للمحيطات. لفت الأمين العام لـ SIDS DOCK الدكتور آل بينجر الانتباه في مجلة الطاقة المتجددة إلى أن الدول الجزرية الصغيرة النامية “ليس لديها خيار آخر من حيث الطاقة ، فنحن ننفد من الأراضي ، وليس لدينا الكثير من المساحة للطاقة الشمسية. ولكن لدينا مساحة واحدة لا يمكن أن ننفد منها أبدًا ، وهي محيطاتنا”.
في الواقع ، قد تشير المحيطات أنفسها أيضًا إلى حل لنقص التمويل. إذا تمكنت تحويل الطاقة الحرارية للمحيطات من الاندماج مع مشاريع الطاقة الشمسية والرياح في البحر وتوفير الطاقة الأساسية ومشاركة البنية التحتية مثل الكابلات ، فقد يكون المستثمرون أكثر اهتمامًا.
تكنولوجيات تخزين الكهرباء التي يتم تطويرها لدعم الطاقة المتقطعة مثل الرياح والطاقة الشمسية يمكن أن تعود بالفائدة أيضًا على تحويل الطاقة الحرارية للمحيطات. في المستقبل ، يمكن استخدام منصات تحويل الطاقة الحرارية للمحيطات العائمة لتوليد الكهرباء أو وقود الهيدروجين ، والذي يمكن بعد ذلك شحنه حول العالم.
أو يمكن للسفن الكهربائية المارة أن تتوقف عند محطات تحويل الطاقة الحرارية للمحيطات العائمة لتبديل أو شحن بطارياتها قبل المضي قدمًا. يمكن أن يساعد ذلك أيضًا الدول الجزرية الصغيرة من خلال توفير مصدر جديد للدخل – السيطرة على مصدر طاقة رئيسي.
في الوقت الحالي ، التكنولوجيا جاهزة للتنفيذ ، نحن فقط في انتظار الظروف المناسبة.
Source: https://interestingengineering.com/innovation/100-year-renewable-energy-source
اترك تعليقاً