ترحيب
ترحيب بكم في طاقة مستدامة: إمداد المستقبل.
تزداد طلب الكهرباء العالمي كل عام. أكثر الناس، والأجهزة، ومحطات البيانات، والمواصلات الكهربائية: جميعها تستهلك الكهرباء من الشبكة. لعدة قرون، كانت الوقود الفقตรية (الفحم، والغاز الطبيعي، والنفط) تشكل bulk of تلك الطاقة. إنها تعمل، لكنها تأتي بثمن: إMISSIONS الكربونية، والتلوث الجوي، ومتطلبات محدودة، وInstability السعر المتعلقة بالجيوبروليتك.
الطاقات المتجددة، الشمس، الرياح، المائية، الجوفية، تنتج الكهرباء بدون حرق الوقود. إنها ليست أفكار جديدة. الطواحين الريحية موجودة منذ قرون. محطات الماء الكهربائية ساهمت في التأريخ. ما هو جديد هو النطاق، والسعر المتقلص، وسر انتشارها.
في هذه الدرس، ستتعلم كيف تعمل هذه التكنولوجيات في الواقع، وكيف تجمع الشبكة كل شيء، ومكان الوظائف.
كيف يعمل الشبكة
شبكة الكهرباء
شبكة الكهرباء هي آلة يجب أن توازن بين الإمداد والطلب في الوقت الفعلي. الكهرباء لا يمكن تخزينها بسهولة: في أي ثانية معينة، يجب أن يكون الإنتاج تقريبًا مساوياً للاستهلاك. الإنتاج الزائد وارتفاع التردد. الإنتاج الناقص وبقع سوداء أو غائبة.
تعتمد شبكات التraditional على الإنتاج القابل للتحكم: المحطات التي يمكن تشغيلها أو تثبيتها على امرأة. محرك غاز طبيعي يمكنه التبديل في دقائق. محطة فحم تtakes ساعات. النووية تعمل على قاعدة ثابتة.
تجعل الطاقات المتجددة تحديًا: الشمس والرياح هي متغيرة. تغلق الشمس، يموت الرياح. هذا لا يجعلها غير قادرة على العمل: هذا يجعل إدارة الشبكة أكثر مثيرًا للاهتمام. التحول الطاقوي ليس فقط عن بناء خلايا شمسية. إنها عن إعادة تصميم كيفية توازن النظام بأكمله بين الإمداد والطلب.
مصطلحات رئيسية ستجدونها في هذا الدرس:
- القدرة: القوة الأقصى التي يمكن لمنتج الكهرباء أن ينتجها، مقاسة بالواط (كيلو واط، ميغاواط، جيجاواط).
- قدرة التأثير: نسبة الإخراج الفعلي إلى الإخراج الأقصى المحتمل عبر الوقت. لوحة شمسية بقدرة تأثيرية 25% تنتج بمتوسط ربع القدرة الأقصى المحددة.
- النفاذ الأساسي: المستوى الأدنى من الطلب على شبكة التوزيع عبر فترة 24 ساعة.
- الطلب الأقصى: أعلى نقطة استهلاك الطاقة، عادة في الساعة العاشرة من النهار عندما تعمل المكيفات بجد.
الضوئية والأنواع المختلفة لللوحات الشمسية
كيف تعمل لوحات الشمسية
تتحول لوحة شمسية أشعة الشمس مباشرة إلى كهرباء باستخدام تأثير الضوئية (PV). عندما تصطدم فوتونات أشعة الشمس مع مادة ثنائية القطب (عادة السيليكون)، تطرح الإلكترونات. تلك الإلكترونات تتدفق في الدائرة، مما ينتج عن ذلك كهرباء مرتدة (DC).
هناك ثلاث أنواع رئيسية من لوحات الشمسية:
- المنوصلية: مقطوعة من كريستال السيليكون الواحد. أعلى كفاءة (20-24%)، أغلى ثمن، معترف بها بملامسة سوداء متساوية.
- المتعدد الكريستالي: مصنوعة من قطع السيليكون المذابة. نسبة كفاءة أقل قليلا (15-20%)، أقل تكلفة التصنيع، مع مظهر بلوري متجعد.
- الخفي: طبقة رقيقة من مادة ضوئية (مثل كادميوم تيلوريد) مسطحة على زجاج أو خيطية. نسبة كفاءة أقل (10-13%) ولكن خفيفة الوزن، مرنة، واقتصادية. تستخدم في تطبيقات متكاملة في المباني.
محولات ومراقبة العرض
خلايا الطاقة الشمسية تنتج طاقة متردد (DC)، لكن الشبكة الكهربائية والمعدات الرئيسية تعمل على التيار المتردد (AC). يقوم المحول بتحويل الطاقة من DC إلى AC. في أنظمة المنازل، هناك نوعان رئيسيان هما:
- محولات السلسلة: محول مركزي واحد لجميع الخلايا. أكثر تكلفة، لكن إذا كانت خلايا واحدة مظللة، فإنها تؤدي إلى انخفاض مستوى السلسلة بأكملها.
- المحولات الصغيرة: محول صغير لكل خلايا. أكثر تكلفة، لكن كل خلايا تعمل بشكل مستقل، لذا لا يؤثر ظلام خلايا واحدة على الخلايا الأخرى.
تسويه الشبكة يتيح لصاحبي المنازل بيع الكهرباء الزائدة إلى الشبكة. سيتم تركيب ساعة المتر بشكل عكسي عندما تنتج أكثر من ما تستهلك. تتفاوت السياسات على نطاق واسع حسب الولاية والشركة الكهربائية: بعضها يقدم اعتمادية بأسعار التجزئة، والبعض الآخر يقدم أسعار البيع بالجملة، والبعض الآخر يوقف تطبيق تسويه الشبكة بالكامل.
مقياس: أنظمة السطح مقابل محطات الطاقة الشمسية
أنظمة السطح المنزلية عادةً ما تتراوح بين 5-15 كيلو واط. محطات الطاقة الشمسية المتوسطة تزيد عن 1 جيجاواط: تغطي آلاف الهكتارات ببعض أنظمة اتباع الشمس عبر الأرض. الاقتصاد مختلف في كل مقياس: أنظمة السطح تتعامل مع أسعار الكهرباء المتجرية، في حين أن محطات الطاقة المتوسطة تتنافس في الأسعار بالجملة.
تصميم محطات الرياح وقدرتها
كيف يعمل توربينات الرياح
تحويل توربين الرياح طاقة الكينية من الهواء المتحرك إلى كهرباء. التشكل الأساسي:
- أذرع المروحة: عادةً ثلاثة، مصممة مثل أجنحة الطائرات. تدفق الرياح فوق السلك يؤدي إلى التباعد، مما يؤدي إلى دوران المروحة. يمكن أن تصل أذرع المعاصرة إلى أكثر من 100 متر في الطول.
- الغطاء: المأوى في الجزء العلوي من المبنى الذي يحتوي على المروحة (في توربينات المروحة المزودة بمكابح), محرك, & أنظمة التحكم. بعض التصاميم الحديثة تستخدم محركات مباشرة، مما يزيل المكابح بالكامل.
- البرج: من الصلب أو الأسمنت، عادةً ما يصل ارتفاعه بين 80-160 مترًا. البرج الأطول يوصل برياح أكثر سرعة وثباتًا.
- الأساس: تتم الإقامة على الأرض على ألواح من الصلب. تستخدم توربينات الرياح بحرية أعمدة مرفقة أو أساسيات جاكيت أو منصات مائية.
القوة في الرياح
تستند قوة الرياح إلى كوب سرعة الرياح. إذا ضاعفت سرعة الرياح، ستحصل على ثمانية أضعاف القوة. وهذا يشرح لماذا يهم اختيار الموقع كثيرًا: الموقع الذي يمتلك متوسط 15 ميل في الساعة من الرياح ينتج طاقة أكبر بكثير من الموقع الذي يمتلك 10 ميل في الساعة.
على الأرض مقابل بحرية
الرياح على الأرض أقل تكلفة في الإنشاء وتشغيل. تسيطر الولايات المتحدة على المرتفعات الغربية والتنمية البشرية على الرياح على الأرض. تتراوح عوامل القدرة عادةً بين 25-45%.
الرياح بحرية أكثر تكلفة لكن المكافأة هي أكثر وفرة ورياح ثابتة ومتوسطة عوامل القدرة (40-60%). الرياح بحرية تبتعد عن النزاعات حول استغلال الأراضي والانتقاد البصري. سيتحول ساحل الولايات المتحدة الشرقي إلى تطوير كبير بحرية، مع مشاريع مثل Vineyard Wind بجانب ماساتشوستس.
التشتت
الرياح متغيرة. تتدفق بسرعة أكبر في الليل من خلال النهار في العديد من المواقع، وهو أمر مفيد بشكل خاص مع الطاقة الشمسية. لكن هناك أيام هادئة، ويمكن أن تفرض الأعاصير إغلاق المرويات للسلامة. إدارة التشتت ليست عن تكنولوجيا واحدة: إنها عن تنوع المخزون والخزن، والذي سنقدمه في الموضوع التالي.
تقنيات تخزين الطاقة
لماذا يهم تخزين الطاقة
الشمس تنتج عندما يكون الشمس مشرقة. الرياح تُفاجأ عندما تُفاجأ. لكن الناس يريدون الكهرباء في الساعة 7 مساءً عندما يعودون إلى المنزل وينطفئون الضوء ويتجهون إلى الطعام وتشارج سيارتهم. تخزين الطاقة يربط الفجوة بين وقت إنتاج الطاقة ووقت استهلاكها.
تخزين بطاريات
البطاريات الليثيوم-يون تحتل السوق الحالية. نفس الكيمياء في هاتفك وكمبيوتر المكتب، مقلدة إلى وحدات كبيرة الحجم مثل حاويات الشحن. Megapack تيسلا، بطاريات الشبكة من Fluence، وعدة من المنافسين ينتشرون الميجاواط-الساعات من التخزين في جميع أنحاء العالم.
- قوة: وقت الاستجابة السريع (مليثان)، قابل للتركيب، انخفاض تكاليف.
- عيوب: 4 ساعات هي المدة العادية (ليس كافياً لحدث يومي متعددين)، تكاليف البيئة لاستخراج الليثيوم، التدهور مع الوقت.
الكيماويات البطارية الأخرى تظهر: بطاريات الرياح-النهر (Form Energy) توعز 100+ ساعات تخزين بأسعار منخفضة. بطاريات الصوديوم-يون تبتعد عن الليثيوم بالكامل. بطاريات التدفق (مثل vanadium redox) يمكن أن تزيد من مدة الاستمرارية بشكل مستقل عن القوة.
ضخ الماء
أقدم وأكبر نوع من تخزين الشبكة. الماء يتم ضخه إلى محطة صعودا عندما تكون الكهرباء رخيصة، ثم يتم إطلاقها نزولاً من خلال المرواح عندما تكون الكهرباء غالية. أكثر من 90% من تخزين الشبكة في العالم هو ضخ الماء. إنه مثبت، طويل الأجل، ويمكن تخزين كميات ضخمة من الطاقة: لكنه يتطلب جغرافياً محددة (مستودعان في ارتفاعات مختلفة).
مفتاح الحمام
في كاليفورنيا وشبكات الرياح الشمسية الأخرى، يتشكل الطلب الإجمالي (الطلب الكلي دون إنتاج الشمس) في صورة مثل طائر عند رسمها على مدار اليوم. خلال الظهيرة، تملأ الشمس الشبكة وتقل الطلب الإجمالي. في المساء، تختفي الشمس والطلب يرتفع بسبب عودة الناس إلى المنزل. يجب أن يرتفع شبكة الجيررر سريعاً لملء الفجوة: رقبة طائرة حادة.
يتعمق مفتاح الحمام بشكل أكبر كل عام مع إضافة المزيد من الطاقة الشمسية. تخزين الطاقة، وإدارة الطلب (دفع العملاء لتبديل استهلاكهم)، وترتيب استخدام الوقت هي استراتيجيات لتصغير رقبة الطائر.
شبكة ذكية
شبكة ذكية تستخدم الملاحة بالأشعة تحت الحمراء والتحكم الآلي والتواصل في كلا الاتجاهين لإدارة تيارات الكهرباء بشكل ديناميكي. الأقراص الذكية تسمح للشركة التي تنتج الكهرباء بالرؤية للمستهلكين في الوقت الفعلي. المفاتيح الآلية تتحول للكهرباء حول العيوب. برامج الاستجابة الطلبية تُرسل إشارات إلى الأجهزة لخفض الاستهلاك خلال الفترات القصوى. التحول من شبكة بسيطة (تدفق كهرباء واحد من محطات الطاقة الكبيرة إلى مستهلكين_passive) إلى شبكة ذكية (توزع، متفاعلة، استجابة) هو أهم من التحول في إنتاج الطاقة نفسه.
الهيدرواليكية والجيوبرمائية والنيوكليرية والهيدروجين
الطاقة الهيدرواليكية
الماء المنساب يدور حول المرويات. إنها بسيطة وثابتة وتقدم حوالي 16% من الكهرباء في العالم. يمكن لتاجرات الماء الكبيرة (مثل سد هوفر أو ثلاثة غورج) توليد جيجاوات. الطاقة الهيدرواليكية الصغيرة النهرية تستخدم جزءًا من نهر صغير يدور حول المرويات دون سد كبير.
- ميزات: قابل للتنفيذ في الوقت المناسب، عمر طويل (50-100+ سنوات)، تكاليف التشغيل المنخفضة، يُستخدم كتحصين ضد الفيضانات ومصدر للمياه.
- سلبيات: التأثير البيئي (تغيير أنظمة الأنهار، إزالة المجتمعات)، يعتمد على الجغرافيا، حساس للجفاف، تم تطوير معظم المواقع الجيدة بالفعل.
الطاقة الجيوبرمائية
الحرارة من داخل الأرض تدير توربينات بخارية. تنتج أيسلندا 25% من إنتاجها الكهربائي من الجيوثرمال. تمتلك الولايات المتحدة الغربية موارد جيوثرمالية كبيرة.
- ميزات: إمداد مستمر للطاقة (يعمل 24/7)، مساحة صغيرة جدًا للتربة، انبعاثات قريبة من الصفر.
- سلبيات: محدود الموقع (يحتاج إلى حرارة متاحة)، تكاليف التنقيب المسبقة العالية، مخاطر التنقيب في موارد غير كافية.
- نشاط: الأنظمة الجيوثرمالية المزودة (EGS) تُخترق المياه إلى الصخور الجافة المليئة بالحرارة لإنشاء محفوظات اصطناعية، مما قد يفتح الجيوثرمال في أي مكان. تعرض شركات مثل Fervo Energy هذا التكنولوجيا.
الطاقة النووية
تُقسم ذرات اليورانيوم بواسطة الانشطار النووي لإنتاج الحرارة، التي تدير توربينات بخارية. تعمل الطاقة النووية على إنتاج حوالي 10% من إنتاج الطاقة الكهربائية في العالم مع انبعاثات كربونية قريبة من الصفر أثناء التشغيل.
- ميزات: كثافة طاقية كبيرة، موثوقية إمداد مستمر، مساحة صغيرة للتربة، انبعاثات طويلة العمر قليلة.
- سلبيات: تكاليف الإنشاء العالية وتimeslong{الوقت الطويل}، تخزين النفايات المشعة (آلاف السنين)، تحديات الرأي العام، التعقيد التنظيمي.
- نشاط: المراكز النووية الصغيرة المعايرة (SMRs) تعرض المراكز النووية المصفوفة الصغيرة المصنوعة في المصنع، الطاقة النووية الأقل تكلفة والأقل خطورة. تعمل شركات مثل NuScale & X-energy على الحصول على موافقة NRC.
الهيدروجين
الهيدروجين ليس مصدر طاقة: هو حامل للطاقة. يجب إنتاجه باستخدام طاقة من مكان آخر.
- الهيدروجين الأخضر: يتم إنتاجه بواسطة تحليل الماء باستخدام الكهرباء المتجددة. نظيف ولكن مكلف حاليًا.
- الهيدروجين الرمادي: يتم إنتاجه من الغاز الطبيعي بواسطة التكرير بال�لي المائي. رخيص ولكن ينتج ثاني أكسيد الكربون.
- الهيدروجين الأزرق: الهيدروجين الرمادي مع محاولة استرجاع الكربون. فعالية المخاوف.
يعد الهيدروجين الأكثر وعدًا في تطبيقات لا يمكن إلكترونها بسهولة: الصناعة الثقيلة (صناعة الصلب)، وسوق الشاحنات الطويلة، والشحن، وتخزين الطاقة لفترات طويلة.
العمل في الطاقة المتجددة
سوق العمل في الطاقة المتجددة
الانتقال إلى الطاقة يخلق وظائف أسرع من أي قطاع تقريبًا. ي列ت مكتب إحصاء العمل الأمريكي فني توربينات الرياح ومستخدم نظام الشمسية بين أكثر الوظائف نموًا. لكن خيارات العمل تصل إلى أبعد من الصعود إلى الأبراج وتركيب الألواح الشمسية.
مستخدم نظام الشمسية: تصميم، تركيب، وصيانة أنظمة الشمسية السكنية وال تجارية. العمل الجسدي على سقوف المباني. الأجر المتوسط حوالي 47,000 دولار، لكن المستخدمين الخبراء والأقسام العليا للأجر تكتسبون أجرًا أكثر. مدخل: المدرسة الفنية، التأهيل، أو التدريب على العمل.
فني توربينة الرياح: صيانة وتصليح توربينات الرياح، غالباً في ارتفاعات تزيد عن 80 متر. يتطلب الارتياح للارتفاع، التميز الميكانيكي، وموافقة على العمل في المواقع البعيدة. الأجر المتوسط حوالي 57,000 دولار. التدريب: درجة فنية مدتها سنتان في علم التوربينات الرياح.
مهندس كهربائي: تصميم أنظمة الطاقة، العكس، توصيل الشبكة، وأنظمة التحكم. يتطلب درجة البكالوريوس، والشهادة المهنية مفيدة. الأجر المتوسط حوالي 100,000 دولار. التخصص في أنظمة الطاقة أو الطاقات المتجددة يفتح الباب في شركات الطاقة، المشاريع، ومنتجي الأجهزة.
فني الطاقة: تقييم المباني من حيث كفاءة الطاقة، توصية التحسينات، واعتماد التوفير. يجمع بين المعرفة الفنية والكفاءة في التواصل. التأهيل: BPI (Building Performance Institute) أو RESNET HERS Rater.
شهادة NABCEP: توفر لجنة شمال أمريكا المرخصة لمختصي الطاقة شهادة قياسية في مجال الشمسية. يحصل المستخدمين والتصاميم المرخصين بالشهادة على أجر أعلى ويفضل من قبل الموظفين. الشهادات تشمل: المهني في تركيب نظام الشمسية، المتخصص في تصميم الشمسية، ومتخصص ببيع التكنولوجيا الشمسية.
مسارات أخرى: مطور مشروع، مهندس تخزين الطاقة، مدير شبكة، المختص بالتزام البيئة، محلل سياسات الطاقة، مدير بناء على مستوى الشركة، مخطط توفير الشحن لسيارات الوقود الكهربائي. المجال واسع ومتسع النمو.
ما يجمع بينها جميعًا
كل واحدة من هذه الوظائف تتطلب فهم الأساسيات التي تعلمتها في هذا الدرس: كيف يعمل توليد الطاقة، وكيف تعمل شبكة التكافؤ بين الطلب والاستجابة، وكيف تملأ التخزين الفجوات، وكيف تتناسب التقنيات المختلفة معًا. والأشخاص الذين ينجحون في مجال الطاقة النظيفة هم مدمنون على التفكير في الأنظمة.
