رغم أن أول إنتاج للكهرباء يمكن أن يدعى إنتاجًا فعليًا تم عبر أسلوب التفاعل الكيميائي ، حيث اخترع العالم الإيطالي فولتا الخلية الكهربائية في أوائل القرن التاسع عشر ، إلا أن معظم الإنتاج الحالي للكهرباء يعتمد على المولدات الكهربائية الضخمة التي تقوم بإنتاج كميات كبيرة من الكهرباء كل يوم ، تغطي الاستخدامات البشرية لهذه الطاقة الحيوية . في هذا المقال سنتعرف على الأساليب المختلفة لعملية إنتاج الكهرباء او كيفية توليد الكهرباء، وكذلك عملية نقلها إلى مناطق الاستهلاك .
كيفية توليد الكهرباء : الطرقة المختلفة لعملية إنتاج الكهرباء
تعريف الكهرباء
الكهرباء ، بمعناها العام لا الفيزيائي ، هي نوع من أنواع الطاقة السارية ، تنشأ نتيجة لوجود فرق في الجهد بين قطبين ، تحتاج الكهرباء حتى تسري إلى دائرة مغلقة من القطب الموجب إلى القطب السالب (اصطلاحًا ، وإلا فالحقيقة أن الشحنات تنتقل من القطب السالب إلى القطب الموجب) يتم إنتاج الكهرباء باستخدام مجموعة متنوعة من الطرق ، ويمكن تقريبًا تحويل الكهرباء إلى أي نوع آخر من أنواع الطاقة بشكل سهل جدًا ، حيث من الممكن أن تتحول إلى طاقة حركية في المحركات الكهربائية ، وإلى طاقة ضوئية في المصابيح ، وإلى طاقة حرارية في المواقد والسخانات الكهربائية ، وإلى طاقة كيميائية في عملية شحن البطاريات . كما من الممكن إنتاج الكهرباء عبر مجموعة مختلفة من أنواع الطاقة ، مثل الطاقة الحركية كما في المولدات الكهربائية ، والطاقة الكيميائية ، كما في البطاريات ، والطاقة الضوئية كما في الخلايا الشمسية .
تاريخ إنتاج الكهرباء
إدراك الناس لوجود الكهرباء أمر مثبت تاريخيًا منذ أزمنة كبيرة ، فقد عرفت بعض الشعوب الأسماك التي تنتج شحنات كهربائية قوية ، وأسموها الأسماك الصاعقة ، أيضًا الكهرباء الساكنة التي تنتج من احتكاك بعض الأجسام كان القدماء على دراية بها وسجلوا ملاحظات كثيرة بشأنها ، أيضًا ظاهرة البرق كانت من الأمور التي أولاها القدماء الكثير من الدراسة ، ومن المعروف أن البرق ينتج بسبب ظواهر كهربائية . لكن الإدراك الحقيقي للكهرباء لم يحدث إلى بعد أن اخترع العالم الإيطالي فولتا في أوائل القرن التاسع عشر الخلية الكهربائية ، التي كانت عبارة عن أقطاب من الزنك والنحاس موضوعة في سائل حمضي ، والتي هي مشابهة جدًا في أسلوب عملها للبطاريات الحالية ، وقد بدأ من هذا الوقت الاهتمام بالكهرباء كأمر جديد مثير للاهتمام .
الانتقال إلى الكهرباء المنتجة عبر المولدات
ظل التيار الكهربائي الذي يتم إنتاجه عبر الخلية الكهربائية ضعيفًا جدًا ولا يسمح إلا بإجراء بعض التجارب العلمية عليه ، لكن اكتشاف العلاقة بين المغناطيسية وبين الكهرباء أدى إلى ابتكار مايكل فارادي المولد الكهربائي ، الذي كانت فكرته تعتمد على تحريك ملف في مجال مغناطيسي مما يسمح بإنتاج تيار كهربائي متفاوت القوة (تيار متردد) ، وجدير بالذكر أن فكرة المولد الكهربائي هي نفس فكرة المحرك الكهربائي ، لكن مع عكس العملية . كان المولد الذي اكتشفه مايكل فارادي غير عملي ولا يمكن استخدامه في إنتاج الكهرباء بشكل تجاري ، لكنه على أي حال كان أول آلة تقوم بالاستفادة بالعلاقة بين المغناطيسية والكهربية من أجل إنتاج الكهرباء ، تطور مولد فارادي كثيرًا منذ ذلك الوقت ، ولكن ظلت الفكرة التي ابتكرها مستخدمة حتى اليوم في عمليات إنتاج الكهرباء التي تتم في العالم بأكمله .
تستخدم المولدات الكهربائية كما أسلفنا لإنتاج معظم الطاقة الكهربائية المستخدمة على مستوى العالم ، لكن هناك دومًا حاجة إلى مصدر لتزويد المولدات الكهربائية بالطاقة الحركية اللازمة من أجل عملها ، مصدر الحصول على هذه الطاقة يختلف باختلاف نوع المولد الكهربائي ، في السطور الآتية نورد الأنواع الأكثر استخدامًا من المولدات الكهربائية من أجل إنتاج الكهرباء على مستوى العالم:
المولدات التي تعمل عن طريق الفحم
كان الفحم من أوائل المواد التي استخدمت في إدارة التوربينات البخارية من أجل إنتاج الكهرباء ، حيث يتميز الفحم بكونه مصدرًا رخيصًا جدًا للطاقة ، وما يزال الفحم هو الوقود الأكثر استخدامًا على مستوى العالم من أجل إنتاج الكهرباء ، حيث تنتج حوالي 40% من الكهرباء عالميًا من مولدات تعتمد على الفحم ، رغم انخفاض محتوى الفحم من الطاقة ، إلا أنه يعتبر من أرخص المواد وأكثرها توافرًا لتشغيل المولدات الكهربائية ، من ناحية أخرى ، يعتبر الفحم من أكثر أنواع الوقود تلويثًا للبيئة ، فعند القيام بعملية حرق الفحم للحصول على الطاقة تخرج كمية من الانبعاثات الغازية والكربونية أعلى بكثير من غيره من أنواع الوقود الأخرى .
المولدات التي تعمل عن طريق الغاز
سمحت الاكتشافات الغازية الكبيرة مؤخرًا لنمو صناعة إنتاج الكهرباء عن طريق الغاز الطبيعي ، يتميز الغاز الطبيعي بمحتواه الحراري العالي مقارنة بالفحم والبترول ، وهو أيضًا من أفضل أنواع الوقود الحفري من ناحية ملائمته للبيئة ، حاليًا تبلغ حصة الغاز الطبيعي من إنتاج الكهرباء حوالي 20% ، وهي في ازدياد مستمر ، نظرًا للاكتشافات الكبيرة التي يتم الكشف عنها كل يوم ، وأيضًا بسبب الدعوات المتزايدة لاستخدامه بدلاً من الفحم الملوث للبيئة .
المولدات التي تعمل عن طريق البترول
البترول هو أحد أنواع الوقود المستخدمة في إنتاج الكهرباء ، من ناحية تلويث البيئة ، يقع البترول بين الفحم وبين الغاز ، لكنه على أي حال لا يمثل إلا 5% من الإنتاج العالمي للكهرباء ، إذ يشيع استخدامه في السيارات والسفن والطائرات ، لأنه الوقود الأكثر ملائمة لوسائل النقل المتحركة .
المولدات التي تعمل عن طريق الطاقة النووية
منذ أن تم اكتشاف الطاقة النووية ، تم استخدامها بشكل متزايد في إنشاء محطات توليد كهرباء تعمل باستخدام الطاقة الحرارية الهائلة التي يتم الحصول عليها في قلب المفاعل النووي ، تعتبر الطاقة النووية نظيفة إلى حد كبير في إنتاج الكهرباء ، لكنها تحتاج إلى الكثير من المعرفة العلمية وإجراءات السلامة من أجل الحفاظ على سلامة المنشآت النووية ومنع الوقود النووي أو المخلفات النووية من التسرب إلى البيئة المحيطة بالمفاعل ، حاليًا يبلغ إسهام الطاقة النووية 13% من إجمالي إنتاج الكهرباء في العالم ، وهناك دول تعتمد بشكل أساسي على الطاقة النووية في إنتاج الكهرباء داخل أراضيها ، مثل فرنسا التي تنتج حوالي 77% من احتياجاتها من الطاقة الكهربائية عن طريق المفاعلات النووية ، وسلوفاكيا التي تنتج 56 .8% ، وهنجاريا التي تنتج 53 .6 ، بينما تنتج الولايات المتحدة 19 .5% فقط من طاقتها الكهربائية من المولدات النووية .
المولدات التي تعمل عن طريق المصادر المتجددة
الطاقة المتجددة هي أفضل وأنظف أنواع الطاقة ، وكذلك هي أكثرها كفاءة اقتصادية ، الطاقة المتجددة هي تلك الطاقة التي يتم الحصول عليها من مصادر طبيعية أو مرتبطة بمصادر طبيعية ، مثل حركة المياه عبر السدود ، والطاقة المنتجة من الرياح ، والطاقة الحرارية الموجودة في باطن الأرض ، والطاقة الشمسية ، تشكل هذه الطاقة حوالي 16% فقط من إنتاج الكهرباء على المستوى العالمي ، لكن هناك أصوات تتعالى شيئًا فشيئًا للاستفادة من الطاقة المنتجة عن طريق الطاقة المتجددة في إنتاج الكهرباء ، للحفاظ على البيئة من الانبعاثات الحرارية التي تخرج من أنواع الوقود الحفري الذي يتم حرقه بشكل دوري من أجل إنتاج الكهرباء ، وهناك دول بالفعل وصلت إلى مرحلة الاكتفاء الذاتي من الكهرباء عن طريق المصادر المتجددة ، مثل ليسوتو ، وبوتان ، وباراجواي ، وألبانيا ، وموزمبيق ، وزامبيا ، والكونغو ، ونيبال ، وإثيوبيا ، وبوروندي ، كل هذه الدول اعتمدت بشكل أساسي على السدود المائية الموجودة في أراضيها من أجل إنتاج الكهرباء ، أيضًا آيسلندا تستخدم السدود مع الطاقة الحرارية الموجودة في باطن الأرض من أجل إنتاج معظم الطاقة الكهربائية فيها . في ما يلي بعض مصادر إنتاج الطاقة الكهربائية عن طريق المصادر المتجددة:
الطاقة المنتجة عن طريق السدود
تعتبر هذه الطاقة أكبر مصدر للطاقة المتجددة المستخدمة لإنتاج الكهرباء ، حيث يتم استغلال تدفق المياه من خلف السد في تدوير توربينات عملاقة تستخدم لإنتاج الكهرباء ، أكبر دولة تقوم بإنتاج الطاقة الكهربائية عن طريق السدود هي الصين ، التي تنتج ما يقارب من 1000 جيجاوات من الطاقة سنويًا ، تليها البرازيل ، التي تنتج حوال 450 جيجاوات سنويًا ، أما الدول العربية ، فمنها مصر ، التي تنتج 15 جيجاوات عن طريق السد العالي ، والسودان التي ينتج 7 جيجاوات ، والعراق التي ينتج 5 .3 جيجاوات ، وسوريا التي تنتج 3 .2 جيجاوات سنويًا .
الطاقة المنتجة عبر توربينات الرياح
تعتبر هذه الطاقة واعدة جدًا ، حيث أصبحت حصتها من عمليات إنتاج الطاقة عن طريق المصادر المتجددة تزداد عامًا بعد آخر ، والتقنيات المستخدمة في إنتاج الطاقة الكهربائية عبر الرياح تتطور بشكل مستمر ، من أهم الدول في إنتاج الطاقة الكهربائية عبر الرياح ، الولايات المتحدة ، التي تنتج 140,000 ميجاوات من الطاقة عن طريق الرياح سنويًا ، والصين التي تنتج 95,000 ميجاوات ، ومن الدول العربية ، مصر ، التي تنتج 1260 ميجاوات ، والمغرب التي تنتج 728 ميجاوات ، والأردن التي تنتج 60 ميجاوات .
الطاقة المنتجة عبر الخلايا الشمسية
الطاقة المنتجة عبر الخلايا الشمسية مكلفة جدًا ، واستخداماتها تنحصر في الأماكن النائية التي يصبح من غير الاقتصادي القيام بالتوصيلات الكهربائية إليها ، لكن التقنيات المستخدمة في إنتاج الطاقة عبر الخلايا الشمية تتطور يومًا بعد يوم ، ومن الدول الرائدة في إنتاج الطاقة عن طريق الخلايا الشمسية ، ألمانيا ، التي تنتج 26,000 ميجاوات سنويًا ، وإيطاليا التي تنتج 19,000 ميجاوات سنويًا ، ومن الدول العربية ، مصر التي تنتج 237 ميجاوات سنويًا .
الطاقة المنتجة عن طريق الوقود الحيوي
الوقود الحيوي هو الوقود الذي يتم الحصول عليه من المنتجات الزراعية ، وهو يعتبر وقودًا متجددًا ، ﻷن الزراعة مستمرة ولا تتوقف ، حيث يمكن زراعة الأرض لآلاف من المرات أو من المخلفات الحيوية ، مثل الجيف ، والبقايا النباتية وكذلك المخلفات المنزلية والصناعية ، هناك بعض المحاصيل التي يتم استخدامها في الحصول على الوقود مثل الذرة ، واستخدام هذا الوقود يساهم في تنظيف البيئة من بعض المخلفات ، من الدول الرائدة في استخدام الوقود الحيوي ، الولايات المتحدة التي تنتج 71,000 ميجاوات سنويًا من الكهرباء باستخدام الوقود الحيوي ، والصين التي تنتج 44,000 ميجاوات ، ومن الدول العربية ، السودان ، التي تنتج 510 ميجاوات ، والمغرب التي تنتج 500 ميجاوات ،
التيار المتردد والتيار المستمر
هناك نوعين أساسيين من التيار الكهربائي المستخدم بشكل تجاري:
التيار المتردد
وهو التيار المتغير في الشدة ، حيث توجد علاقة بين شدة التيار (وفرق الجهد أيضًا) وبين الزمن ، هذا التيار هو المستخدم في المنازل بشكل عام ، وهو التيار الذي يتم الحصول عليه من المولدات الكهربائية ، يمكن استخدام هذا التيار المتردد بشكل مباشر ، في الإضاءة على سبيل المثال ، حيث أن تردد التيار يكون غير ملحوظ (تردد التيار في المنازل يتراوح بين 50 إلى 60 هرتز في الثانية ، وهو ما يعني أن التيار يهبط من أعلى قيمة له إلى أقل قيمة 50 أو 60 مرة في الثانية الواحدة) هذا التردد الكبير لا تستطيع العين البشرية ملاحظته ، لذلك من الممكن استخدامه بشكل مباشر في الإضاءة وفي تشغيل المحركات وغير ذلك من الاستخدامات ، لكن هناك بعض التطبيقات تحتاج إلى التيار المستمر .
التيار المستمر
هو التيار الذي يتم إنتاجه عن طريق البطاريات ، وهو تيار ثابت الشدة ، يمكن تحويل التيار المتردد إلى تيار مستمر عن طريق استخدام المحولات الكهربائية ، وهذا التيار هو الذي تعمل عليه الأجهزة الإلكترونية الدقيقة ، بدءًا من التلفاز والراديو ، وأجهزة الكمبيوتر ، والهواتف المحمولة ، ويتم التحويل إلى هذا النوع من التيار الكهربائي عن طريق المحولات التي تستخدم مع هذه الأجهزة .
تخزين الكهرباء أم نقلها ؟
تخزين الكهرباء
أحد المشاكل الرئيسية في الطاقة الكهربائية أنه لا يمكن تخزينها بشكل مباشر ، لذلك لجأ بعض العلماء إلى التفكير في تحويل الطاقة الكهربائية إلى أنواع أخرى من الطاقة ، ومن ثم إعادة تحويلها إلى كهرباء عند الحاجة ، أشهر الطرق لفعل ذلك هي البطاريات القابلة للشحن ، حيث يتم عن طريق تفاعلات كيميائية معينة تحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة كيميائية مخزنة في البطارية ، ومن ثم بعكس التفاعل الكيميائي يتم الحصول على الطاقة الكهربائية مرة أخرى ، عيب هذه الطريقة أنها مكلفة جدًا ، ولا تصلح لتخزين كميات كبيرة من الكهرباء ، استخدام البطاريات القابلة للشحن فقط يقتصر في الوقت الحالي على تشغيل الأجهزة الإلكترونية الصغيرة ، مثل الهواتف المحمولة ، وأجهزة اللابتوب ، وماكينات الحلاقة ، والكشافات اليدوية ، السيارات الكهربائية ما تزال تحت التطوير ، حيث يسعى العلماء إلى التغلب على معوقات مثل ، ارتفاع الزمن اللازم لشحن البطارية ، وزيادة الطاقة المخزنة فيها ، وصناعة بطاريات تدوم لفترات أطول ، وأيضًا التغلب على موضوع غلاء ثمن البطاريات .
نقل الكهرباء
بالنظر إلى الصعوبات التي تحدثنا عنها بشأن تخزين الكهرباء ، وجد العلماء أن أفضل الطرق للاستفادة من الطاقة الكهربائية هي نقلها بشكل آني بعد إنتاجها ، واستخدامها من قبل المستهلكين بشكل مباشر ، هذه الطريقة تمكن من الاستفادة من الكهرباء بدون الحاجة إلى القيام بعملية التخزين المكلفة والتي تحتاج إلى تجهيزات تكنولوجية خاصة ، يتم نقل الكهرباء باستخدام أسلاك معدنية من مناطق الإنتاج عبر شبكة ضخمة تنتهي بالمستهلكين المباشرين ، سواءً كان المستهلك هو شقة سكنية ، أو مصنع ، أو غير ذلك .
تقليل شدة التيار الكهربائي وزيادة فرق الجهد قبل نقل الكهرباء
وجد العلماء أن الطاقة المفقودة تقل كثيرًا إذا ما تم زيادة فرق الجهد بين مناطق الإنتاج والتوزيع ، حيث أن الطاقة الكهربائية تتناسب مع فرق الجهد ، لكنها تتناسب مع مربع شدة التيار الكهربائي فقط ، لذلك يتم خفض شدة التيار الكهربائي ، وزيادة فرق الجهد حتى يصل إلى آلاف من الفولتات ، ومن ثم يتم إعادة القيم الملائمة للاستخدام مرة أخرى عبر المحولات الكهربائية الموجودة بقرب مناطق الاستخدام . بهذه الطريقة يتم تقليل الفقد في الطاقة الكهربائية إلى أقل حد ممكن .
كما رأينا ، الكهرباء هي نوع من أنواع الطاقة السارية ، وقد بدأ إنتاج الكهرباء في بداية القرن التاسع عشر ، عن طريق الخلية الكهربائية ، لكن في الوقت الحالي أغلب إنتاج الكهرباء في العالم يتم عبر المولدات الكهربائية ، ووضحنا الأساليب المختلفة لإنتاج الكهرباء عبر المولدات ، بعد ذلك تطرقنا أيضًا إلى نوعي التيار الكهربائي: المتردد والمستمر ، وكذلك تطرقنا إلى أسلوب تخزين الكهرباء في مقابل أسلوب نقلها مباشرة من مناطق الإنتاج إلى مناطق الاستهلاك ، وأوضحنا أنه يتم تقليص شدة التيار الكهربائي وزيادة فرق الجهد قبل إجراء عملية نقل الكهرباء .
