Global system value of tidal stream energy for cost-effective decarbonisation

يتسابق العالم نحو مستقبل تأتي فيه الكهرباء بالكامل تقريبًا من الشمس والرياح. هذا التحول ضروري لوقف تغير المناخ، لكنه يجلب مشكلة معقدة: فالشمس لا تشرق دائمًا، والرياح لا تهب دائمًا. عندما يكون الطقس هادئًا، قد تعاني شبكات الطاقة من نقص، مما يضطر المهندسين إلى بناء كميات هائلة من تخزين البطاريات للاحتفاظ بالطاقة لوقت لاحق. هذه البطاريات باهظة الثات وتتطلب كميات ضخمة من المواد النادرة لبنائها. لطالما عرف العلماء أن المد والجزر يوفران نوعًا مختلفًا من الطاقة؛ فخلافًا للرياح والشمس، يتحرك ارتفاع وانخفاض المحيط بفعل قوة جذب القمر والشمس، مما يجعله أمرًا يمكن التنبؤ به تمامًا ومستقلاً تمامًا عن الطقس. والسؤال الكبير الذي ظل قائمًا هو ما إذا كانت هذه الطاقة الموثوقة تستحق التكلفة العالية لبناء توربينات تحت الماء، أم أنها مجرد فضول محدود النطاق.

لقد أجابت دراسة جديدة أجراها باحثون من جامعة أكسفورد وجامعة بليموث على هذا السؤال أخيرًا من خلال النظر إلى نظام الكهرباء بأكم، بدلاً من مجرد تكلفة محطة طاقة واحدة. لقد استخدموا نموذجًا حاسوبيًا متطورًا لمحاكاة كيفية عمل شبكات الكهرباء في عشرين موقعًا مختلفًا حول العالم، تتراوح من سواحل اسكتلندا العاصفة إلى الجزر المشمسة في إندونيسيا. وفي هذه المحاكاة، اختبروا كيف يؤثر إضافة طاقة التيارات المدية — وهي الطاقة المتولدة من توربينات تحت الماء تدور مع التيار — على التكلفة الإجمالية وتصميم نظام كهرباء صافي الانبعاثات (صفر انبعاثات). وتظهر النتائج أن طاقة المد والجزر أكثر قيمة مما كان يُعتقد سابقًا، ليس لأنها رخيصة البناء، بل لأنها تعمل كشريك مثالي للرياح والشمس، مما يسمح للنظام بأكمله بالعمل مع قدر أقل بكثير من تخزين البطاريات وأقل من إجمالي الموارد.

وجد الباحثون أن قيمة طاقة المد والجزر تعتمد بشكل كبير على مصادر الطاقة الأخرى المتوفرة بالفعل في منطقة ما. ففي الأماكن التي تكون فيها الرياح هي المصدر الرئيسي للطاقة المتجددة، يخلق إضافة طاقة المد والجزر مزيجًا قويًا. ولأن الرياح يمكن أن تكون غير متوقعة لعدة أيام في المرة الواحدة، فإن الشبكات عادة ما تحتاج إلى بناء كميات هائلة من توربينات الرياح الإضافية والبطاريات لضمان وجود طاقة كافية دائمًا. ومع ذلك، فإن المد والجزر يتبع جدولًا صارمًا يمكن التنبؤ به، حيث يرتفع وينخفض مرتين يوميًا مع فترات توقف قصيرة بينهما. وعندما يُضاف هذا الإيقاع المتوقع إلى نظام يعتمد على الرياح، فإنه يسد الفجوات التي تتركها الرياح خلفها. وتظهر الدراسة أنه في هذه المناطق التي تسود فيها الرياح، يمكن لإضافة طاقة المد والجزر أن تخفض التكلفة الإجمالية لنظام الكهرباء بأكثر من 20 بالمائة. ويتم ذلك من خلال تقليل الحاجة إلى تخزين البطاريات بشكل جذري، وهو ما غالبًا ما يكون الجزء الأكثر تكلفة في الشبكة الخضراء. وفي الواقع، انخفضت كمية سعة البطاريات المطللة بنسبة تتراوح بين 20 و55 بالمائة في هذه المحاكاة.

وفي المناطق التي تعد فيها الطاقة الشمسية هي المصدر المتجدد المهيمن، تختلف القصة قليلاً ولكنها تظل إيجابية. فالألواح الشمسية تنتج الطاقة خلال النهار وتتوقف في الليل، وهو نمط منتظم للغاية. وإضافة طاقة المد والجزر هنا تساعد أيضًا، لكن التوفير يكون أكثر تواضعًا، حيث يقلل التكال الإجمالية للنظام بنسبة تقل عن 15 بالمائة بشكل عام. وذلك لأن الطاقة الشمسية والبطاريات جيدة بما يكفي بالفعل للتعامل مع الدورة اليومية لليل والنهار. ومع ذلك، حتى في هذه المناطق المشمسة، لعبت طاقة المد والجزر دورًا حاسمًا؛ فقد قللت من الحاجة إلى تخزين البطاريات بنسبة 15 بالمائة تقريبًا وساعدت في موازنة إمدادات الكهرباء، مما يثبت أن لها مكانًا في أي مزيج من الطاقة المتجددة تقريبًا. وتشير الدراسة إلى أن التوقيت الفريد للمد والجزر يوفر نوعًا من الاستقرار لا تستطيع الرياح والشمس تقديمه بمفردهما.

كانت واحدة من أكثر النتائج إثارة للدهشة هي مدى قدرة طاقة المد والجزر على تقليل البصمة المادية للتحول الطاقي. فبناء عالم صافي الانبعاثات يتطلب مساحات شاسعة من الأراضي لمزارع الطاقة الشمسية ومزارع الرياح، بالإضافة إلى كميات ضخمة من المواد الحرجة مثل الليثيوم للبطاريات. أظهرت عمليات المحاكاة أنه من خلال تضمين طاقة المد والجزر، يمكن خفض المساحة الإجمالية المطلوبة للتطوير بأكثر من 30 بالمائة في العديد من المواقع التي تسود فيها الرياح. وبالمثل، انخفض الطلب على الليثيوم، المطلوب لصنع البطاريات، بشكل كبير. وفي بعض الحالات، انخفضت الحاجة إلى سعة البطاريات بنسبة تصل إلى 80 بالمائة. وهذا يعني أن طاقة المد والجزر يمكن أن تساعد في حل مشكلة أين نبني كل محطات الطاقة الجديدة ومن أين نحصل على المواد اللازمة لبنائها، مما يخفف الضغط على البيئة وسلاسل التوريد العالمية.

نظر الباحثون أيضًا في كيفية تغير قيمة طاقة المد والجزر مع اقتراب العالم من الوصول إلى انبعاثات صفرية الكربون. ففي الأنظمة التي تسود فيها الرياح، تزداد قيمة طاقة المد والجزر فعليًا مع تشديد قيود الكربون. فكلما أصبحت الشبكة أنظف وتعتمد أقل على الوقود الأحفوري، تصبح الحاجة إلى تلك الطاقة المتوقعة والمستقلة عن الطقس أكثر أهمية. وفي المقابل، في الأنظمة التي تسود فيها الطاقة الشمسية، تظل القيمة ثابتة ولكنها لا تنمو بشكل كبير. وحددت الدراسة أن نسبة موارد الرياح إلى الشمس في منطقة ما هي مؤشر جيد لمدى مساعدة طاقة المد والجزر. فإذا كان لدى موقع ما الكثير من الرياح وقليل من الشمس، فمن المرجح أن تكون طاقة المد والجزر موفرًا رئيسيًا للتكاليف. أما إذا كان الموقع مشمسًا جدًا، فستظل طاقة المد والجزر تساعد، لكنها ستكون قطعة أصغر في اللغز.

يتحدى هذا العمل الطريقة القديمة في التفكير بشأن تقنيات الطاقة الجديدة. لفترة طويلة، حكم الخبراء على تقنيات مثل طاقة المد والجزر بناءً على تكلفتها الخاصة لكل وحدة من الكهرباء فقط. ولأن التوربينات تحت الماء مكلفة حاليًا من حيث البناء والصيانة، فقد كان يُنظر إليها غالبًا على أنها باهظة التكلفة للمنافسة مع الألواح الشمسية الرخيصة. وتجادل هذه الدراسة الجديدة بأن هذه الرؤية ضيقة للغاية؛ فهي تشير إلى أن القيمة الحقيقية للتكنولوجيا تكمن في كيفية ملاءمتها للنظام بأكمله. فرغم أن توربينات المد والجزر تكلف أكثر لبنائها من الألواح الشمسية، إلا أنها توفر المال للنظام من خلال تقليل الحاجة إلى مكونات أخرى باهظة الثمن مثل البطاريات وتوربينات الرياح الإضافية. وتخلص الدراسة إلى أن طاقة التيارات المدية ليست مجرد فضول محلي لبعض السواحل المحددة، بل هي أداة ذات أهمية عالمية لبناء مستقبل صافي الانبعاثات أكثر كفاءة وأقل تكلفة وأكثر مرونة.

لقد حرص الباحثون على اختبار نتائجهم مقابل سيناريوهات مختلفة، بما في ذلك التغيرات في تكاليف التكنولوجيا المستقبلية وأنماط مختلفة من الطلب على الكهرباء. وحتى عندما افترضوا أن تكاليف البطاريات أو توربينات الرياح قد ترتفع أو تنخفض بشكل كبير، ظلت فائدة إضافة طاقة المد والجزر ثابتة. وأظهرت عمليات المحاكاة أن طاقة المد والجزر تجعل النظام بأكمله أكثر متانة، مما يعني أنه أقل عرضة للاختلال بسبب التغيرات غير المتوقعة في تكلفة التقنيات الأخرى. وهذه المرونة هي جزء رئيسي من قيمتها. كما أشارت الدراسة إلى أنه بينما توجد أفضل موارد المد والجزر في مواقع محددة، مثل "بنتلاند فيرث" في اسكتلندا و"كوك ستريت" في نيوزيلندا، فإن الفوائد لا تقتصر على هذه المواقع العملاقة فحسب، بل أظهرت المواقع الأصغر حول العالم، بما في ذلك اليابان وإندونيسيا، فوائد كبيرة على مستوى النظام ككل.

في نهاية المطاف، ترسم الورقة البحثية صورة لنظام طاقة مستقبلي يلعب فيه المحيط دورًا مركزيًا. فمن خلال تسخير الإيقاع المتوقع للمد والجزر، يمكننا بناء شبكات كهربائية ليست نظيفة فحسب، بل أرخص وأقل استهلاكًا لموارد الكوكب. يوفر البحث خارطة طريق واضية لمكان وزمان نشر طاقة المد والجزر، مشيرًا إلى أنها قطعة مفقودة حيوية في لغز إزالة الكربون عالميًا. إنها تذكير بأن حل أزمة المناخ سيتطلب مزيجًا متنوعًا من التقنيات، حيث تلعب كل منها وفقًا لنقاط قوتها الفريدة، بدلاً من الاعتماد على حل واحد. إن المد والجزر، بإيقاعه القديم والثابت، يقدم يدًا ثابتة لتوجيه عملية الانتقال نحو عالم مستدام.