Firming weather dependent renewable generation yields single digit system level energy returns

تخيل أنك تحاول تزويد مدينة ضخمة وصاخبة بالطاقة. لديك أسطول من الألواح الشمسية وتوربينات الرياح، وهي رائعة في توليد الكهرباء عندما تشرق الشمس وتهب الرياح. لكن هناك مشكلة: الشمس لا تشرق في الليل، والرياح لا تهب دائمًا، خاصة خلال أسابيع الشتاء الطويلة والمظلمة. وللحفاظ على الأنوار مضاءة على مدار الساعة طوال أيام الأسبوع، فأنت بحاجة إلى "خطة احتياطية" يمكنها التدخل عندما تأخذ الطبيعة استراحة. هذا هو عالم "عائد الطاقة على الاستثمار" (EROI). فكر في (EROI) كأنه "هامش ربح" للطاقة. إذا أنفقت وحدة واحدة من الطاقة لبناء محطة طاقة، وأعطتك هذه المحطة 10 وحدات طاقة على مدار حياتها، فإن عائد الطاقة على الاستثمار الخاص بها هو 10. هذه صفقة رائعة! ولكن إذا أنفقت وحدة واحدة لتحصل على 1.1 وحدة فقط، فإن عائد الطاقة على الاستثمار هو 1.1، وهو بالكاد يكفي لإبقاء الأنوار مضاءة، ناهيك عن بناء المستشفيات أو المدارس أو صواريخ الفضاء. السؤال الكبير الذي يطرحه العلماء هو: عندما نضيف كل الأشياء الإضافية اللازمة لجعل الطاقة الشمسية وطاقة الرياح موثوقة (مثل البطاريات العملاقة أو محطات الغاز الاحتياطية)، هل يختفي هذا "الربح"؟

هذه الورقة البحثية، التي كتبها هانس بيتر بيك، تغوص بعمق في هذا السؤال تحديدًا. إنها تعمل كدفتر حسابات ضخم لنظام طاقة مستقبلي. بدلاً من النظر فقط إلى لوح شمسي واحد على سطح منزل، يبني المؤلف "نموذج أسطول" — شبكة طاقة خيالية ضخمة لوسط أوروبا تعتمد بنسبة 80% على الرياح و20% على الشمس. ثم تسأل الدراسة: "ماذا يحدث لربح الطاقة لدينا عندما نضيف العمل الشاق المطلوب لجعل هذه الطاقة المعتمدة على الطقس موثوقة؟". تجد الورقة أنه بينما تبدو الألواح الشمسية رائعة بمفردها، إلا أنه في اللحظة التي تضيف فيها أنظمة "التدعيم" (الاحتياط) اللازمة للحفاظ على الأنوار مضاءة خلال عواصف الشتاء، ينخفض ربح الطاقة بشكل كبير. في الواقع، فإن أكثر خيارات الاحتياط موثوقية التي تم اختبارها (مثل تخزين الهيدروجين أو محطات الغاز) تقلص ربح الطاقة إلى أرقام أحادية، أو حتى تقترب من الصفر. تشير الورقة إلى أنه بدون فائض عالٍ من الطاقة، قد تكافح مجتمعاتنا الحديثة والمعقدة من أجل البقاء، ناهيك عن الازدهار.

حلم اللوح الشمسي الوحيد

لنبدأ بطل قصة حلمنا: اللوح الشمسي. بمفرده، يعتبر اللوح الشمسي نجمًا متألقًا. إذا نظرت فقط إلى التركيبة — اللوح والأسلاك والعاكس — فإنه يتمتع بربح طاقة مذهل. في الأجزاء المشمسة من وسط أوروبا، مقابل كل وحدة طاقة تُستخدم لبنائه، قد يعطي 15 إلى 20 وحدة على مدار عمره. هذا يشبه شراء تذكرة بـ دولار واحد والفوز بـ 20 دولارًا. يبدو الأمر وكأنه تذكرة يانصيب رابحة!

لكن هنا تكمن حبكة القصة: اللوح الشمسي هو "صديق للطقس الجميل" فقط. فهو يعمل فقط عندما تكون الشمس ساطعة. وإذا كنت تريد تشغيل مدينة بأكملها، فلا يمكنك الاعتماد فقط على أصدقاء الطقس الجميل. أنت بحاجة إلى خطة احتياطية للأيام الممطرة، والليالي الغائمة، وتلك الفترات الشتوية الطويلة المرعبة حيث بالكاد تطل الشمس ورؤيتها ضعيفة والرياح ساكنة تمامًا. يطلق العلماء على هذا الاحتياج للتدعيم اسم "التدعيم" (firming). إنه الفرق بين امتلاك بطانية للنزهة (الطاقة الشمسية) وبين امتلاك خيمة كاملة مع مدفأة (الطاقة المستقرة).

تكلفة الخطة الاحتياطية

تبني الورقة محاكاة ضخمة لشبكة طاقة لمعرفة ما يحدث عندما نحاول تحويل ذلك "الصديق للطقس الجميل" إلى "زميل سكن موثوق". ينشئ المؤلف سيناريو يأتي فيه 80% من الطاقة من الرياح و20% من الشمس. هذا المزيج جيد لأن الرياح تهب غالبًا عندما لا تكون الشمس ساطعة، ولكن حتى هذا المزيج لديه نقطة ضعف: أحيانًا، تأخذ الرياح والشمس استراحة في نفس الوقت. تسمى هذه الأحداث "Dunkelflaute" (وهي كلمة ألمانية منمقة تعني "الركود المظلم").

وللبقاء على قيد الحياة خلال هذه الفترات المظلمة، تختبر الورقة ثلاث استراتيجيات احتياطية مختلفة، والنتائج صادمة نوعًا ما.

1. بنك البطاريات (الإصلاح قصير المدى)
تخيل أنك تحاول حل المشكلة باستخدام بطارية عملاقة. البطاريات رائعة لنقل الطاقة من فترة بعد الظهر إلى المساء، مثل نقل بضع تفاحات من سلة ممتلئة إلى أخرى فارغة. ولكن ماذا لو كانت السلة فارغة لأسبوع كامل؟
تحسب الورقة أنه إذا حاولت تخزين طاقة كافية في البطاريات لتستمر لمدة 24 ساعة فقط، فإن ربح الطاقة ينهار. بدلاً من الحصول على 15 وحدة، قد تحصل فقط على 0.7 إلى 2.3 وحدة. لماذا؟ لأن صنع تلك البطاريات الضخمة يتطلب كمية هائلة من الطاقة. الأمر يشبه محاولة حمل حقيبة ظهر مليئة بالطوب للوصول إلى المتجر؛ كلما كانت الحقيبة أثقل، قلّت الطاقة المتبقية لديك لشراء البقالة فعليًا. حتى البطارية التي تدوم 4 ساعات تخفض الربح إلى نطاق 3.4 إلى 7.6. تشير الورقة إلى أنه بينما تكون البطاريات مفيدة للقيلولات القصيرة، إلا أنها ثقيلة جدًا ومكلفة للغاية لحملنا عبر شتاء طويل.

2. خزان الهيدروجين (الإصلاح طويل المدى)
بعد ذلك، تنظر الورقة إلى الهيدروجين. هذا يشبه تحويل الكهرباء إلى غاز، وتخزينه في خزان ضخم تحت الأرض، ثم تحويله مرة أخرى إلى كهرباء عند الحاجة. إنه التخزين النهائي طويل المدى، القادر على الاحتفاظ بالطاقة لأسابد أو أشهر.
ومع ذلك، فإن العملية غير فعالة للغاية. الأمر يشبه محاولة ملء دلو بخرطوم يسرب الماء. عليك ضخ الكثير من الماء (الكهرباء) لكي تحصل على القليل ليبقى في الدلو. وبسبب هذه الخسائر، تحتاج إلى بناء المزيد من الألواح الشمسية وتوربينات الرياح لمجرد ملء الخزان. تجد الورقة أنه حتى مع هذا "التخزين الفائق"، ينخفض ربح الطاقة إلى نطاق 3.4 إلى 7.7. إنه أفضل من بطارية الـ 24 ساعة، لكنه لا يزال في منطقة "الأرقام الأحادية"، وهي منطقة خطيرة لمجتمع حديث.

3. الاحتياط بالغاز (عكاز الوقود الأحفوري)
أخيرًا، تنظر الورقة في إبقاء محطات طاقة الغاز في وضع الاستعداد. هذه المحطات لا تحتاج إلى تخزين الطاقة؛ فهي تحرق الغاز فقط عندما تفشل الرياح والشمس.
النتيجة هنا أكثر وضوحًا. نظرًا لأنه يجب عليك إبقاء هذه المحطات الضخمة مبنية وجاهزة للعمل (حتى لو ظلت خاملة معظم الوقت)، ولأنك ستضطر لحرق الوقود لتشغيلها، فإن ربح الطاقة يهبط بشدة إلى 1.2 إلى 2.6 للغاز الطبيعي المنقول عبر الأنابيب، وأقل من ذلك (1.0 إلى 2.2) للغاز الطبيعي المسال (LNG).
توضح الورقة أنه عند عائد قدره 2، فإنك تنفق نصف إجمالي إنتاج الطاقة الخاص بك فقط لتشغيل محطات الطاقة. إنه يشبه عملًا تجاريًا يذهب فيه نصف إيراداتك لدفع الإيجار، مما يترك القليل جدًا لأي شيء آخر. عند عائد قدره 1، أنت فقط في مرحلة التعادل، وتحت 1، أنت تخسر المال. تشير الورقة إلى أن الاعتماد على احتياطي الغاز قد يبقي الأنوار مضاءة، ولكنه لا يترك سوى القليل جدًا من الطاقة الفائضة لبناء المدارس أو علاج الأمراض أو استكشاف الفضاء.

الخداع "الألبي"

قد تعتقد: "ماذا لو وضعنا ألواحًا شمسية على الجبال الثلجية؟ الثلج يعكس الضوء، لذا يجب أن تعمل بشكل أفضل!" تتحقق الورقة من هذا أيضًا. وتبين أنه بينما تحصل ألواح الجبال على بعض الشمس الإضافية، إلا أن تكلفة بناء الطرق، والدعامات الثقيلة، وخطوط الطاقة في الجبال تلتهم كل ذلك الكسب الإضافي. ينتهي الأمر بربح الطاقة للألواح الشمسية الجبلية ليكون منخفضًا مثل الألواح الشمسية العادية عند إضافة متطلبات الاحتياط. تشير الورقة إلى أن وضع الألواح في تضاريس صعبة لا يحل المشكلة الجوهرية المتمثلة في الحاجة إلى نظام احتياطي ضخم.

الصورة الكبيرة: لماذا هذا مهم؟

إذن، ما هي الخلاصة من دفتر الحسابات الطاقي الضخم هذا؟ تشير الورقة إلى أننا كنا ننظر إلى الطاقة الشمسية وطاقة الرياح بمعزل عن بعضها البعض، مثل الحكم على سيارة من خلال محركها دون النظر إلى الوقود، والإطارات، والسائق. عندما تنظر إلى النظام الكامل اللازم لإبقاء مدينة تعمل بشكل موثوق، فإن "ربح" الطاقة المتجددة يتقلص بشكل كبير.

يجادل المؤلف بأن المجتمع الصناعي الحديث يحتاج إلى ربح طاقة مرتفع (عائد لا يقل عن 7 إلى 10) لدعم أشياء مثل الرعاية الصحية والتعليم والبحث العلمي. إذا كان نظام الطاقة غير فعال لدرجة أنه يضطر لإنفاق معظم طاقته الخاصة فقط لبناء نفسه وصيانته، فلن يتبقى الكثير لبقية المجتمع. تشير الورقة إلى أنه بينما تعتبر الطاقة الشمسية وطاقة الرياح مهمتين، إلا أنهما لا يمكن أن تكونا الحل الوحيد إذا أردنا الحفاظ على عالمنا المعقد يعمل دون نفاد فائض الطاقة. وهي تلمح إلى أننا قد نحتاج إلى أنواع أخرى من الطاقة التي تكون "مستقرة" (تعمل دائمًا) ولديها عائد طاقة مرتفع، مثل الطاقة النووية أو الطاقة الكهرومائية، لسد الفجوة.

باختصار، تحذرنا الورقة من أن الطريق نحو مستقبل أخضر لا يقتصر فقط على وضع المزيد من الألواح على الأسطح. بل يتعلق بفهم التكلفة الباهظة للموثوقية. إذا تجاهلنا تكلفة الاحتياط، فقد نجد أنفسنا مع الكثير من الطاقة الخضراء التي ليست كافية تمامًا لتشغيل العالم الذي نعيش فيه.