كيف يمكن للغاز الطبيعي التسبب في طفرة الطاقة المتجددة؟

تنتشر الطاقة الشمسية وطاقة الرياح بسرعة في الولايات المتحدة. فهي تمثل حوالي 19% من توليد الطاقة اليوم، وقد تصل إلى أكثر من 40% بحلول عام 2030. وستحل هذه الطاقة النظيفة محل الفحم بسرعة، ويتوقع الكثيرون أنها ستحل محل الغاز الطبيعي أيضًا. لكن هذا خطأ: في الواقع، ستعتمد الطاقة الشمسية وطاقة الرياح على الغاز لعقود قادمة.

اليوم، تعد الطاقة الشمسية وطاقة الرياح منخفضة التكلفة نسبيًا، ومن المرجح أن تنخفض الأسعار أكثر. لكنها ليست مثل الوقود الأحفوري - فهي ما يُعرف بالطاقة المتجددة المتغيرة (VRE) - مما يعني أنها تنتج الكهرباء فقط عندما تشرق الشمس أو تهب الرياح.

وفي بعض الأحيان يكون هذا الاختلاف متوقعًا. على سبيل المثال، لا تولد الطاقة الشمسية الطاقة في الليل، وتولد طاقة أقل في الشتاء. لكن بعض الاختلاف غير متوقع؛ يمكن أن تستمر الغيوم أو جفاف الرياح لأسابيع في كل مرة. لا تشكل "عجز الطاقة المتجددة المتغيرة" هذه مشكلة طالما أن الرياح والطاقة الشمسية تشكلان نسبة صغيرة من توليد الكهرباء. ولكن مع هيمنة هذه المصادر، كيف يمكننا سد الفجوات عندما يكون العرض من مصادر الطاقة المتجددة منخفضا؟

وتضيف شركات المرافق الكهربائية حاليا الكثير من بطاريات الليثيوم أيون قصيرة المدة (4 ساعات) لمعالجة التباين اليومي والساعي، وتوفير ما يكفي من الطاقة في المساء عندما يكون الطلب مرتفعا. وتتوقع وزارة الطاقة أن يتسارع هذا الاتجاه، ولكن في حين أن هذه البطاريات موثوقة ويمكن تشغيلها بضغطة زر، فإنها تحل فقط عجز مصادر الطاقة المتجددة لبضع ساعات في كل مرة.

إن عجز مصادر الطاقة المتجددة الأطول أمدا هو مسألة أخرى. ماذا يحدث عندما يستمر العجز لأسابيع أو أشهر؟ كيف نبقي الأضواء مضاءة؟ تظهر الدراسات التفصيلية - على سبيل المثال، من الجمعية الملكية في المملكة المتحدة - أنه يمكن أن تكون هناك فترات متواصلة من سوء الأحوال الجوية، مما يؤدي إلى عجز سنوي يصل إلى 20٪ من إجمالي إنتاج الشبكة (في شبكة خالية من الكربون تماما).

وفي الوقت الحالي، عندما ترتفع الطلب أو ينقطع العرض، نلجأ بشكل أساسي إلى "محطات الذروة" - محطات الغاز التي تعمل بدورة واحدة لتشغيل التوربينات لتوليد الكهرباء. إن هذه المحطات أقل كفاءة من محطات توربينات الغاز ذات الدورة المركبة، كما أن طاقتها أكثر تكلفة، لذا يتم الاحتفاظ بها كاحتياطي ويتم دفع المال لها لتوفير الطاقة الاحتياطية، مما يضمن توفر طاقة الطوارئ الكافية دائمًا. عادة، يدفع مشغلو الشبكة حوالي 15٪ من الطلب على الطاقة في أوقات الذروة كطاقة احتياطية. أي أقل من ذلك، قد يكون هناك انقطاعات في التيار الكهربائي. أي أكثر من ذلك، يتم إهدار المال. في حين أن استخدام الطاقة المتجددة المتغيرة متواضع نسبيًا، يمكن لمحطات الذروة تغطية عجز الطاقة المتجددة المتغيرة.

ولكن مع تزايد حصة الطاقة المتجددة العضوية في الشبكة الإجمالية، فإن تأثير الأحداث الجوية المعاكسة سوف يصبح أكثر إلحاحا، وسوف يصبح العرض أكثر تقلبا. وسوف تحتاج الشبكة التي تحتوي على 40% من الطاقة المتجددة العضوية إلى مزيد من التأمين لضمان استمرار تشغيل الأضواء. وهناك بدائل للطاقة التي تعمل بالغاز، وتقنيات يمكنها تخزين الطاقة لفترات طويلة جدا وتوفيرها عند الطلب على نطاق واسع - وخاصة الهيدروجين، والطاقة الكهرومائية، والهواء المضغوط. والطاقة الكهرومائية رخيصة التشغيل، وهي تقنية ناضجة وراسخة، وتدوم مولداتها لعقود من الزمن. لكننا نزيل المزيد من السدود مما نبني، ولا توجد شهية للولايات المتحدة لعشرات السدود الضخمة الجديدة التي ستكون مطلوبة. وعلى العكس من ذلك، يعاني الهيدروجين الأخضر من كفاءة منخفضة للغاية - يستغرق الأمر 100 كيلوواط / ساعة من الكهرباء الخضراء لتوفير 40 كيلوواط / ساعة من الكهرباء المخزنة القابلة للإرسال - وهو مكلف للغاية لصنعه وتخزينه، في حين أن النقل مكلف أيضًا ويمكن أن يسبب انبعاثات خطيرة.

وعلاوة على ذلك، لن يصبح الهيدروجين فجأة أرخص بسرعة، مثل الرياح والطاقة الشمسية. يعمل الهواء المضغوط حاليًا بكفاءة حوالي 50٪. إن التحسن الكبير سوف يتطلب تبريد الهواء ثم إعادة تسخينه، وهو أمر مكلف عندما يتم تخزين الهواء لفترات طويلة. ولن توفر البطاريات الكهروكيميائية المضافة الآن إلى الشبكة مزيجًا من المدة الطويلة وقابلية التوسع الهائلة والتكاليف المنخفضة المطلوبة.

لجعل شبكة تهيمن عليها الطاقة المتجددة المتغيرة ممكنة، يجب استخدام الغاز الطبيعي كتأمين ضد عجز الطاقة المتجددة المتغيرة. ولهذا السبب تتوقع وزارة الطاقة أن تنمو سعة محطات الذروة بالفعل أثناء انتقال الطاقة النظيفة، ولماذا لا تتوقع انخفاضًا كبيرًا في سعة CCGT أيضًا.

ومع ذلك، فإن وظيفة طاقة الغاز سوف تتغير. اليوم، تُستخدم محطات CCGT  في المقام الأول كطاقة أساسية ثابتة، وهو مصدر طاقة يستخدم بنسبة 100٪ من الوقت، مع توفر سعة إضافية من خلال محطات الذروة. ومع بدء انتقال الطاقة الخضراء بالكامل، ستتحول محطات CCGT من إنتاج طاقة أساسية إلى توفير التأمين ضد انقطاع العرض، تمامًا كما تفعل محطات الذروة اليوم.

وفي النهاية، يمكننا أن نأمل في بناء شبكة خضراء بدون انبعاثات. في هذا العالم، سيتم التخلص التدريجي من انبعاثات الغاز تمامًا. ولكن هل من الممكن أن يتم استبدال الغاز بمصادر وقود جديدة مثل الطاقة الحرارية الأرضية أو حتى الاندماج النووي، أو ربما يقضي احتجاز الكربون على الانبعاثات من محطات توليد الطاقة التي تعمل بالغاز، أو ربما تنضج تقنيات التخزين القابلة للتطوير أخيرًا بحيث يمكن أن تصبح تأمين الطاقة للغد. ولكن بشكل عام، من الواضح أننا لا نملك كل التكنولوجيا التي نحتاج إليها، وأننا بحاجة إلى بذل المزيد من الجهود لتحسين تلك التقنيات الحاسمة، والتي لا يزال العديد منها غير جاهز للنشر التجاري الكامل.

وفي الوقت نفسه، يتعين علينا أن نفهم أن الغاز في الولايات المتحدة سيكون ممكّنًا حاسمًا لطاقة الرياح والطاقة الشمسية، مما يوفر الموثوقية للشبكة التي لا تستطيع الرياح والطاقة الشمسية وحدها توفيرها. وإذا كنا جادين بشأن إزالة الكربون، فهذا هو المطلوب: وجهة نظر واقعية للمدى القريب والمتوسط، والتزام مالي ضخم لتطوير التقنيات الحاسمة التي ستوفر طاقة رخيصة وموثوقة، وفهم واقعي للدور المتغير ولكن الحاسم للغاز في شبكة خالية من الكربون، حيث ستظل هناك حاجة إليه لعقود قادمة.