تعرف وحدة الطاقة الحرارية بالنسبة للانسان بأنها كمية الحرارة اللازمة لرفع درجة حرارة كيلو غرام واحد من الماء من درجة أربعة سنتغراد الى درجة خمسة سنتغراد فوق الصفر.
اتخذت السعرة الحرارية (الحريرة) مقياسا لقـوة الغذاء. توفر السعرات الحرارية الطاقة التي يحتاج إليها جسم الإنسان ليبقى حياً.
وفي الغذاء ، توجد السعرات الحرارية في الكاربوهيدرات (كالنشا والسكر) ، وفي الدهون والبروتينات. أما الدهون فتوفر أكثر من ضعفي عدد السعرات الحرارية بكل جرام مقارنة بالكاربوهيدرات والبروتينات ، وهكذا فان الغرام الواحد من الغليكوز مثلا قد يولد في الجسم حرارة تعادل 3,74 سعرات حرارية والغرام من الدهون يولد حرارة مقدارها 9,4 سعرات حرارية وغرام واحد من النشاء يولد 4,19 سعرات حرارية .

مصدر الطاقة / قيمة الطاقة :

الطاقات المتجددة

الطاقات المتجددة هي الطاقات التي نحصل عليها من خلال تيارات الطاقة التي يتكرر وجودها في الطبيعة على نحو تلقائي ودوري، وهي بذلك على عكس الطاقات غير المتجددة الموجودة غالباً في مخزون جامد في الأرض لا يمكن الإفادة منها إلا بعد تدخل الإنسان لإخراجها منه.

تتمثل الطاقات المتجددة في العالم عموماً بالطاقة الشمسية وطاقة الرياح وطاقة المياه وطاقة الكتلة الحيوية. أما الطاقات المتجددة الأخرى، كطاقة الأمواج وطاقة الحرارة الجوفية، فإننا لن نتطرق إليها لاعتقادنا بان استثمارها في المستقبل القريب غير ممكن أو أنها أقل أهمية إستثمارية في الوقت الحاضر . وبغض النظر عن إمكان الحصول على طاقة كهربائية أو حرارية أو ميكانيكية من الطاقات المتجددة، فانه يتوجب علينا في الحقيقة أن نفكر في العديد من الأسئلة قبل الشروع بالتحدث التفصيلي عن استخدام الطاقات المتجددة:

أولاً، كيف نستفيد من الطاقات المتجددة ؟
ثانياً، ما هو الهدف من استخدام هذه الطاقات؟
وأخيراً هل ان استخدام الطاقات المتجددة مجدي اقتصادياً مقارنة بالطاقات المتوافرة الأخرى؟
والآن لنحاول الإجابة عن الأسئلة السابقة من خلال الأفكار التالية :


مزايا استخدام الطاقات المتجددة

إن الطاقة الشمسية تتميز بكونها طاقة نظيفة خالية من كل أشكال التلوث وتشكل علاجاً لمشكلة التغيرات المناخية والتخفيف من ضغط الفـقر، خلافا للطاقات التقليدية وما يترتب على استعمالها من تلوث للبيئة وانتشار للأوبة والأمراض. وما هو معلوم الآن أن احراق البترول والفحم والغاز لانتاج الطاقة الكهربائية يولد اشكالاً من التلوث وغازات تتسبب الاحتباس الحراري. ومن جهة أخرى فان هناك مخاطر هائلة ناتجة من استخدام الأورانيوم كوقود للحصول على الطاقة النووية .

إن استخراج الطاقة من المنابع المتجددة يتم بطريقة لامركزية، وان الطاقة الشمسية تنتج وتستهلك محلياً وأنه ينظر في الطاقة الهوائية في إطار اقليمي. ولا تتطلب هاتان الطاقتان أن تنقلا الى المستهلكين بواسطة شبكة وطنية واسعة من خطوط التوتر العالي حيث توفر هذه الموارد طاقة تنتج وتستخدم محلياً، في قلب وسط المدينة كما في عمق الأرياف. وقد بينت دراسة للجمعية الأوروبية لصناعة الطاقة الجوفية (EPIA) << أنه بإدخال اللواقط الشمسية على أربعين في المئة من السطوح (وخصوصاً السطوح الأفقية الصناعية أو التجارية) وعلى 15 في المئة من واجهات الأبنية (بعض أقسام المباني الأماعية وناطحات السحاب) يمكن لبلد مثل ألمانيا أن ينتج 30 في المئة من طاقته الكهربائية.>>

في خصوص صدور نفايات سامة عن الطاقة الجوفية فان السيد ( أرنو مين )، مدير شركة "أبكس بي.بي. سولار، وهي فرع من شركة نفط "بي.بي" في مجال الطاقة الشمسية ، شدد على أنه في تصنيع لواقـط الطاقة الجوفية يتم استخدام السيلييوم كما أيضاً أنواع من الحوامض ( الأسيد) ومن المواد المذوِّبة ومن مركبات غاز الفلور. وكل هذا يعاد استخدامه في وجهة أخرى ولا تفرز أي مواد سامة في البيئة.
هذه البدائل هي طاقات متجددة ولها طابع الديمومة, لا تنضب وتساهم بشكل كبير بالتخفيف من حدة استخدام الطاقة التقليدية والتي يتراجع مخزونها تبعا لارتفاع معدلات الاستهلاك.


ماهي أسباب تراجع الاهتمام بالطاقات المتجددة ؟

وزيرة البيئة والتنمية المستدامة في فرنسا السيدة روزلين باشلو، التي أقامت مقارنة بين الـ3600 ميغاوات التي ينتجها المفاعل النووي في شينون بما يماثلها من الطاقات المتحددة قالت: " أنه للاستغناء عن مفاعل شينون يجب أن نبني 2000 مركز هوائي ينتج كل منها 2 ميغاوات، ثم أنها لا تعمل إلا لثلث الوقت. وإذا أردت اعتماد الحرارة الجوفية يجب أن تنشر الصحون الشمسية على مساحة 3600 هكتار بكلفة تسليم الطاقة أغلى بخمسة أضعاف (...). أضف الى ذلك أن الشبكة الشمسية تفرز بقايا سامة بدرجة كبيرة ".

كما أن التيار الشمسي لا يزال باهظ الكلفة وذاك لأن "الطاقة الكهربائية النووية تستأثر منذ ثلاثين عاماً بالقسم الأكبر من المساعدات الرسمية في مجال الأبحاث وتطوير الطاقة، فيما 2% في المئة فقط من الاعتمادات الرسمية تمنح لانواع الطاقة المتجددة وقد انخفضت بنسبة 40% في المئة في موازنة وكالة البيئة والتحكم بالطاقة في العام 2003 "، بحسب وزير البيئة الفرنسي السابق( إيف كوشيه).

إن استهلاك الطاقة المتجددة تأثر بتراجع البحث العلمي الرسمي والمساعدات المخصصة لهذا المجال ابتداء من العام 1982. وحصل هذا القطاع من الطاقة على 7,7% من قروض البحث والتنمية المخصصة للطاقة خلال فترة 1987إلى2002 مقابل 8,4% في فترة 1974حتى 1986م .

1 - الطاقة الشمسية

ان جميع مصادر الطاقة الموجودة على الأرض قد نشأ أولاً من الطاقة الشمسية. والطاقة الشمسية بدورها هي طاقة الاندماج النووي للمواد المكونة لجرم الشمس نفسه. وقد كان استخدام الطاقة الحرارية للشمس معروفاً منذ آلاف السنين في المناطق الحارة، إذ استخدمت الطاقة الشمسية في تسخين المياه وفي تجفيف بعض المحاصيل والمواد الغذائية (اللحوم ) لحفظها من التلف. أما في عصرنا هذا فان الأبحاث والتجارب تقوم على محاولة استغلال طاقة الشمس في إنتاج طاقة كهربائية وفي تدفئة المنازل وتكييف الهواء وصهر المعادن وغيرها من التطبيقات الضرورية.
تصل الطاقة الشمسية إلى الأرض ضوءاً أو طاقة إشعاعية. ففي اليوم الصحو وحين تكون الشمس عمودية فان طاقتها الإشعاعية تصل إلى سطح الأرض الخارجي بمعدل 1كيلو واط/ م2 أي انها مصدر وفير لو أمكن تجميعه واستغلاله للوفاء بحاجة الإنسان.
وتوجد طرائق رئيسية ثلاث لاستغلال الطاقة الشمسية: الأولى بتجميع حرارتها للاستغلال المباشر في التبريد والتسخين؛ والثانية باحتجاز حرارة الشمس لإنتاج البخار من أجل تشغيل مولد كهربائي؛ والثالثة باستغلال ضوء الشمس لتوليد الكهرباء مباشرة من خلال الخلايا الكهرضوئية (P.V. Cells).

على الصعيد العملي،يعود تاريخ الاهتمام بالطاقة الشمسية كمصدر للطاقة في بداية الثلاثينات حيث تركز التفكير حين ذاك علي إيجاد مواد وأجهزة قادرة على تحويل طاقة الشمس إلى طاقة كهربائية وقد تم اكتشاف مادة تسمى السيلينيوم التي تتأثر مقاومتها الكهربائية بمجرد تعرضها للضوء وقد كان هذا الاكتشاف بمحض الصدفة حيث أن أساس البحث كان لإيجاد مادة مقاومتها الكهربائية عالية لغرض تمديد كابلات للاتصالات في قاع المحيط الأطلسي.

واخذ الاهتمام بهذه الظاهرة يتطور حتى بداية الخمسينات حين تم تطوير شرائح عالية القوة عن مادة السليكون تم وضعها بأشكال وأبعاد هندسية معينة وقادرة على تحويل أشعة الشمس إلى طاقة كهربائية بكفاءة تحويل (6?) ولكن كانت التكلفة عالية جداً ، هذا وقد كان أول استخدام للألواح الشمسية المصنعة من مادة السليكون في مجال الاتصالات في المناطق النائية ثم استخدامها لتزويد الأقمار الصناعية بالطاقة الكهربائية حيث تقوم الشمس بتزويد الأقمار الصناعية بالطاقة الكهربائية حيث تكون الشمس ساطعة لمدة (24) ساعة في اليوم ولازالت تستخدم حتى يومنا هذا ولكن بكفاءة تحويل تصل إلى ( 16?) وعمر افتراضي يتجاوز العشرون عاماً.

ثم تلت فترة الخمسينات والستينات فترة مهمة أخرى في مجال الاهتمام بالطاقة الشمسية كمصدر بديل للطاقة،  وفي النصف الثاني للسبعينات حينما أعلن العرب حظر تصدير النفط إلى الغرب بدأت دول عديدة تعطي اهتمام بالغ بالطاقة الشمسية واستخدامها وقد أثمرت هذه الفترة في نشر وتطور تكنولوجيا الطاقة الشمسية حيث انتشر استخدامها في مجالات عديدة مثل: الاتصالات - والنقل - والإنارة ... وغيرها ، وقد أصبحت الطاقة الكهربائية المولدة من الشمس في المناطق التي تكون فيها الطاقة الشمسية عالية مثل اليمن تنافس المصادر التقليدية للطاقة من ناحية التكلفة الاقتصادية ويتطلب ذلك تصميم أنظمة الطاقة الشمسية المتكاملة لتوليد وخزن الكهرباء ومن ثم تحويلها من تيار مستمر إلى تيار متردد مثل الكهرباء التي نستخدمها في منازلنا جميعاً .

الأبنية الشمسية: أنشئ حديثاً حقل جديد يعرف باسم "الهندسة المعمارية الشمسية" (Solar Architecture) وهذا الاختصاص يقوم على استخدام الطاقة الشمسية في مجالات إنارة المنازل وتدفئتها من خلال وضع تصاميم خاصة للنوافذ واستعمال العوازل الشفافة. وقد أثبتت التجارب ان الإشعاع الشمسي يستطيع أن يؤمن أكثر من 80 في المئة من التدفئة لمنازل واقعة في مناطق غير مشمسة كسكوتلندا مثلاً.
توليد الكهرباء عن طريق برج القوى (Power Tower) : وهو عبارة عن مصفوفة كبيرة من المرايا توضع على الأرض وتوجه باستمرار نحو الشمس لتوجيه انعكاساتها نحو غلاية بخارية ذات ضغط عالٍ، حيث يستخدم هذا البخار في إدارة مولد كهربائي.

2 - طاقة الرياح والمياه

إن طاقة الرياح : هي القدرة التي تمتلكها الريح والتي تمكنها من تحريك الأشياء ، أي هي الطاقة الحركية ( الميكانيكية ) التي يمتلكها الهواء نتيجة الحركة .
وطاقة المياه : هي الطاقة الكامنة أو القدرة التي تملكها الكميات الهائلة من المياه سواء في المسطحات المائية أو الأنهار الجارية والشلالات حيث القدرة الحركية للمياه تكون في أوج ذروتها .

إستخدمت طاقة الرياح منذ أقدم العصور في توليد الطاقة اللازمة لتشغيل الطاحونات الهوائية وكذلك في تسيير السفن في عرض البحار. وطاقة الرياح المجانية هي بالأساس طاقة شمسية , إذ أن أشعة الشمس التي تسخن الهواء تؤدي ألى تصاعد هذالطبقات الهوائية الحارة إلى أعلى تاركة تحتها فراغا يتم ملأه بالهواء الباردة الذي ينساب كرياح. وهذه الرياح تحتوي على طاقة يتم إستخدامها اليوم في توليد الكهرباء على نطاق واسع في أنحاء مختلفة من العالم . إلاّ انه نظراً إلى عدم ثبات سرعة الرياح وعدم استمرارها فقد تأخر استخدامها كوسيلة رئيسية من وسائل توليد الطاقة الكهربائية. ويمكن فهم عدم الثبات في القدرة المنتجة منها عندما نعلم ان القدرة الناتجة من حركة الرياح تتناسب مع سرعة هذه الرياح (V-m/s) مرفوعة إلى الأس الثالث (v3) إضافة إلى ان كفاءة تحويل الطاقة تتوقف على سرعة الرياح ومتحرك الرياح الذي يتمتع بكفاءة تصميمية تصل نظرياً إلى 60 في المئة .
تنتج طاقة الرياح بسبب اختلاف درجات تسخين الشمس للجو الناتج من عدم استواء سطح الأرض. إضافة إلى ذلك فان مورد طاقة الرياح متغير كثيراً، سواء من حيث الزمان أو من حيث الموقع. أما التغيير مع الزمن فيحدث خلال فترات تفصل بينها ثوان (عصفات الريح) أو ساعات (الدورات اليومية) أو شهور (المتغيرات الموسمية). إضافة إلى ذلك فان هناك مشكلة أساسية في تعيين أفضل الأماكن رياحاً وفي تحديد مورد الريح الذي يمكن الحصول عليه عملياً في منطقة معينة.

تتألف محطات الطاقة الرياحية بشكل أساسي من مراوح ومن توربين وملحقات أخرى. فالرياح تحرك المراوح المربوطة بالمولد الذي يقوم بتوليد الكهرباء، وتعمل المحطات الرياحية عندما تتراوح سرعة الرياح بين( 5 -25 ) مترا في الثانية طبقا لقانون بيتز. وفي حالة وضع رياحي جيد من الممكن لهذه المولدات العمل حوالي 6000 ساعة في السنة من مجموع ساعات السنة البالغة 8760 ساعة وبقوة تعتمد على سرعة الرياح. وبمعنى أخر أن محطة الرياح تعمل بما يعادل 2500 ساعة في السنة. فإن كان لدينا محطة لتوليد الكهرباء من الرياح قوتها 1 MW فهذا يعني أن هذه المحطة تولد حوالي 2500 MWh كهرباء في السنة الواحدة.
وتستطيع مثل هذه المحطة أن تولد كهرباء تكفي لسد حاجة حوالي 500 فيللا في السنة الواحدة.كما وإن هذه المحطات يمكنها العمل لمدة تقرب من ال 25 عاما.
ويعتمد إرتفاع هذه المحطات على قوتها وهو يتراوح بين ال 30 وال 100 متر , وهناك أيضا محطات عملاقة جرى نصبها في المانيا. وتعتبر ألمانيا والدانمارك واسبانيا من الدول الرائدة في هذا المجال , إذ تشكل الطاقة الكهربائية المتولدة من الرياح اليوم حوالي 16% من مجموع الطاقة الكهربائية المنتجة في الدانمارك والتي تطمح ألى رفع هذه النسبة الى الخمسين في المئة في العام 2030. ومن المؤمل أن تشكل الكهرباء المتولدة من الرياح نسبة العشرة في المئة من مجموع الكهرباء المنتجة في العالم في العام(2015) .


ومن المساوىء التى تنسب لهذا النوع من المحطات هي الحاجة لحجز مساحات كبيرة قد لا تكون متوفرة دائما أو أنها تشوه مناظر بعض المناطق , بالإضافة الى الضجيج الذي يرافق عملها ، غير ان التطور التقني اليوم قد أزال الكثير من الضجيج الى حد أنه لايمكن سماع أزيز المراوح إلا عند الأقتراب منها كثيرا. وإذا ماقيست إيجابيات هذا البديل فإن مساوءها تتضائل بل تختفي.
فمحطة رياحية بقوة 1MW تستطيع أن تقلل من توليد ثاني أوكسيد الكربون بما يعادل 2500 طن في العام, فيما تقل نسبة الكبريتات المتسربة الى الجو بنسبة 3 طن في العام, وأما النترات المتسربة الى الطبيعة فتقل بما يعادل 2,5 طن في العام, لو تم توليد نفس كمية الكهرباء بمصادر الطاقة التقليدية كالفحم والنفط .

وتشابه المحطات الريحية نظيرتها المائية من حيث الغاية وهي اتخلاص الطاقات الكهربائية عموماً . والمحطات المائية تتألف عادة من عنفات تدور بفعل طاقة المياه الجارية من الفتحات المصممة لانسياب المياه عبر السدود المقامة كحاجز لحقن المياه وزيادة قدرتها الكامنة قدر المستطاع ، تولد هذه العنفات نتيجة دورانها الطاقة الكهربائية ، وتتركز هذه المحطات في مناطق الغزارة المائية التي تتمتع بالديمومة طوال فترات السنة وقد ازداد أخيراً الاهتمام الدولي بالمحطات المائية الصغيرة (Microhydro Stations) حيث القدرة الإنتاجية أقل من 100 كيلو واط. فبحلول العام 1990 وُضع في الخدمة ما يعادل 20 غيغاواط من هذه المحطات في مختلف أنحاء العالم ، ينتمي 6 غيغاواط منها إلي الصين وحدها. أما الباكستان فقد وضعت في الخدمة أخيراً 90 محطة قدرتها الإجمالية مليون واط.

3 - طاقة الكتلة الأحيائية

إن طاقة الكتلة الأحيائية بالتعريف هي الطاقة الناتجة من المخلفات العضوية والحيوانية والنباتية والآدمية. وسواء كانت هذه المخلفات صلبة أم كانت ماء صناعياً فائضاً أم مخلفات زراعية، فهي بالإمكان معالجة الكثير منها باستخدام "التخمير البكتيري" أو "الاحتراق الحراري" أو تحلل الكائنات الحية المجهرية. ويعطي كل أسلوب منتوجاته الخاصة به مثل الميثان (وهو مركّب رئيسي لغاز الطهي) والكحول والبخار والأسمدة الكيميائية السائلة. ومع تزايد السكان في بيروت والضواحي وزيادة الفضلات أصبح التخلص من هذه النفايات أمراً ملحاً.
ويعد الايثانول (Ethanol) واحداً من أفضل أنواع الوقود المستخلصة من الكتلة الحية، وهو يستخرج من محاصيل الذرة أو السكر. وتجري التجارب باستمرار لإيجاد وسائل اقتصادية لاستخدام الكتلة الحية في توليد الكهرباء. وإحدى هذه الطرائق تكون بحجز غاز الميثان المنطلق من المواد النباتية الذابلة وكذلك من المخلفات الحيوانية ومن ثم استخدامه كوقود في الغلايات البخارية. هنالك أيضاً تجارب أخرى تهدف إلى استخدام الأخشاب في صناعة الكهرباء، فحيث تكون صناعة الورق يمكن استعمال الفضلات الخشبية لتوليد طاقة كهربائية تغذي هذه الصناعات نفسها.

وأخيراً تم التوصل إلى نتيجة مفادها انه لو أضفنا إلى سعر إنتاج الكهرباء من المعامل الحرارية النسبة التي من شأنها التعويض من الضرر اللاحق بالبيئة من جراء بث الملوثات في الجو، لوجدنا ان سعر إنتاج الطاقة الكهربائية من هذه المعامل هو أكثر بـ 0.07 دولار لكل كيلو واط ساعي مقابلة بإنتاج الطاقة الكهربائية من طاقة الرياح.

إن اعتماد تقانة الطاقات المتجددة من شمس ورياح وماء لا يلحق بالبيئة ضرراً يُذكر. ويمكننا القول ان هذا الموضوع، مع ما يرتديه من أهمية، قد يكون كافياً للجزم بأن الطاقات المتجددة سوف تؤدي دوراً أساسياً في المستقبل لتحقيق توازن بين استثمار الموارد الطبيعية وبين المحافظة على الطبيعة.