نقدم لكم ملخص الوحدة الحادية عشرة: مصادر الطاقة – Energy Resources لمادة الكيمياء للصف التاسع الفصل الدراسي الثاني المنهج العماني

 ١-١١ الطاقة التي نستخدمها

يعتمد سكان الأرض اعتمادًا كبيرًا على الشمس باعتبارها المصدر الرئيسي لمعظم الطاقة التي يستخدمونها في حياتهم اليومية. فالشمس نجمٌ هائل يبعد عن الأرض نحو 150 مليون كيلومتر، ويُرسل كميات ضخمة من الطاقة الحرارية والضوئية عبر الفضاء خلال دقائق معدودة. وبفضل هذه الطاقة تقوم النباتات بعملية التمثيل الضوئي، وتحتفظ الحيوانات بالدفء، وتتحرك الهواء في صورة رياح، وتتبخر مياه المحيطات لتتكون السحب والأمطار.

لو اقتربنا من الشمس أكثر لأحرقنا في جو حار لا يحتمل العيش فيه، شبيه بسطح كوكب الزهرة الذي تبلغ درجة حرارته نحو 400 درجة مئوية. وعلى الجانب الآخر، لو ابتعدنا عنها كثيرًا لعشنا في برد قارس كجو البرد في الفضاء الخارجي. ومن مظاهر قدرة الله تعالى أن المسافة الفاصلة بين الأرض والشمس جعلت الحياة ممكنة، إذ تبلغ درجة الحرارة على سطح الأرض في المتوسط نحو 15 درجة مئوية تقريبًا.

على الرغم من أن الشمس مصدر هائل للطاقة، فإننا نادرًا ما نستخدمها مباشرة. فأنت تجلس تحت أشعة الشمس في صباح يوم بارد، لكنها مشمس لتدفئة جسمك، وقد تصمم البيت ليواجه الجهة المشمسة في الجهة المناسبة لتجميع الطاقة الضوئية والحرارية المنه. ولهذا فإن معظم الطاقة التي نستخدمها تأتي من الشمس بصورة غير مباشرة، ومثال على ذلك الوقود الأحفوري والرياح والطاقة الكهرومائية.

تُشير الإحصاءات العالمية إلى أن أكثر من ثلاثة أرباع استهلاك الطاقة العالمي عام 2015 كان مصدره الوقود الأحفوري، وتحديدًا الفحم الحجري والنفط والغاز الطبيعي. وتُستخدم الطاقة الشمسية المباشرة في البلدان المشمسة في السخانات الشمسية التي تُسخن الماء للاستخدام اليومي، وفي الخلايا الشمسية التي تحوّل ضوء الشمس إلى طاقة كهربائية عبر ظاهرة فيزيائية دقيقة.

الخلية الشمسية (Solar Cell) جهاز يحوّل الطاقة الضوئية للشمس مباشرة إلى طاقة كهربائية حين يسقط الضوء عليها. وقد أصبحت تكاليف هذه الخلايا أرخص مع الوقت وأصبح من الممكن توليد الكهرباء بها في المناطق التي لا تتوفر فيها الكهرباء الشبكية، كالمناطق الصحراوية وجوانب الطرق والأماكن النائية. كما تُستخدم على نطاق واسع في تشغيل المركبات الفضائية والأقمار الصناعية بعيدًا عن الأرض.

طاقة الرياح والأمواج

تتسبب الشمس في تكون الرياح والأمواج معًا. فالشمس تُسخّن أجزاء من الغلاف الجوي بشكل غير منتظم، فتتمدد الهواء الساخن وتتحرك الهواء البارد ليحل محله في حركة مستمرة تُسمى الرياح. وتتشكل الأمواج في البحر نتيجة احتكاك الرياح بسطح الماء وضغطها عليه. وهكذا فإن طاقة الرياح والأمواج هي في جوهرها طاقة شمسية محولة.

أقامت الدول توربينات كثيرة لاستخراج طاقة من الرياح، منها طواحين الهواء التقليدية التي تطحن الحبوب وتضخ المياه، ومنها التوربينات الهوائية الحديثة القادرة على إنتاج الكهرباء. وتنتج كل توربينة رياح في محطة ضخمة طاقة تلبي احتياج عشرات الآلاف من المنازل بالكهرباء. ولكن لا يمكن الاعتماد الكلي على طاقة الرياح لأن الأيام التي لا تهب فيها الريح لا تُنتج فيها كهرباء، وهذا يُشكل تحديًا للتخزين والاعتمادية.

تُعدّ تقنية إنتاج الطاقة من أمواج البحر أكثر صعوبة من غيرها. إذ تستخدم هذه التقنية إحدى الطرائق؛ إما عن طريق أنبوب يضخ الماء عموديًا أو أفقيًا داخله إلى مولد كهربائي، وإما باستخدام طريقة أخرى تعتمد على ضغط الماء المتحرك. وتتطلب هذه المحطات عادة مناطق بها سواحل مفتوحة وأمواج منتظمة.

وقود الكتلة الحيوية والوقود الأحفوري

يُعدّ الخشب من الأمثلة على وقود الكتلة الحيوية (Biomass fuel). فأشكاله الأخرى تشمل روث الحيوانات والغاز الحيوي (Biogas) الذي ينشأ من تخمّر المواد العضوية. كما أن كل الطاقة التي نستخدمها في المجتمعات التي تعتمد على الزراعة تأتي أساسًا من الكتلة الحيوية.

الوقود الأحفوري هو النفط والفحم الحجري والغاز، ويتكون من هيدروكربونات وهو ما يُسميه العلماء (Fossil fuel). فالفحم الحجري مثلًا تكوّن من الأشجار التي عاشت في العصر الكربوني منذ 286-360 مليون سنة، وقد اكتسبت تلك الأشجار طاقتها من الشمس عبر عملية التمثيل الضوئي. ولما حرقنا الوقود الأحفوري، فإننا نُحرر طاقة كانت مُخزنة فيه منذ الملايين من السنين.

ينتج عن احتراق الوقود الأحفوري ثاني أكسيد الكربون الذي يزيد من الاحتباس الحراري، وغازات أخرى ملوثة للجو كثاني أكسيد الكبريت. ومع ذلك يظل الوقود الأحفوري المصدر الأكثر أهمية للطاقة حتى اليوم لأن كمية الطاقة المتوفرة من كل وحدة كتلة كبيرة جدًا.

الوقود النووي والطاقة الكهرومائية

يتكوّن اليورانيوم الوقود النووي في الأجزاء العميقة من الأرض، وهو طاقة مُركّزة جدًا تحتاج إلى متطلبات كثيرة وضوابط صارمة لاستخدامها. تستقبل المحطة النووية حمولة واحدة شاحنة من الوقود النووي الجديد كل أسبوع تقريبًا، في حين تحتاج محطة كهرباء تعمل بالفحم الحجري إلى قطار كامل من الفحم كل ساعة لتوليد الكمية ذاتها من الكهرباء.

الطاقة الكهرومائية (Hydroelectric energy) تحصل من مياه الأمطار والأنهار المحجوزة خلف السدود، إذ يُشغّل جريان الماء توربينات تولّد الكهرباء. وتستطيع محطات الطاقة الكهرومائية توليد كميات كبيرة من الكهرباء بطريقة نظيفة وموثوقة. ولكن يمكن أن تكون مصدرًا للمشكلات البيئية أيضًا إذ قد يُغرق الخزان أراضي صالحة للزراعة ويُدمر حياة الكائنات البرية.

طاقة المد والجزر (Tidal energy) هي طاقة وضع الجاذبية المخزنة في مياه البحار والمحيطات في المد العالي. وعندما يكون مستوى المياه مرتفعًا، يمكن السماح للمياه بالتدفق عبر توربينات داخل الخزان، لتتولد الكهرباء. الطاقة الحرارية الجوفية (Geothermal energy) هي الطاقة المخزنة في الصخور الساخنة في باطن الأرض. وللاستفادة من هذه الطاقة، يُضخ الماء إلى الصخور الحارة فتتحول إلى بخار عالي الضغط يمكن استخدامه لإنتاج الكهرباء.

مصادر الطاقة المتجددة وغير المتجددة

تُوصف المصادر التي تستنفد باستمرارية استخدامها ثم تزول نهائيًا بأنها مصادر طاقة غير متجددة (Non-renewable sources). في المقابل، تُوصف المصادر التي تتجدد باستمرار بأنها مصادر طاقة متجددة (Renewable sources). الوقود الأحفوري والوقود النووي مصادر غير متجددة، في حين أن طاقة الرياح والطاقة الشمسية والطاقة الكهرومائية وطاقة المد والجزر والطاقة الحرارية الجوفية كلها مصادر متجددة.

يجب علينا التحول نحو «اقتصاد الطاقة» المبني على مصادر الطاقة المتجددة. فمصادر الطاقة التي ستستنفد تمثل تهديدًا لاستدامة الحضارة الإنسانية في المستقبل، خاصةً أن حرق الوقود الأحفوري يُسبب تغيرات مناخية تؤثر على المحيطات والمناطق الساحلية ويُذيب الجليد القطبي ويرفع منسوب المياه.

الكفاءة واستخدام الطاقة بشكل أفضل

الكفاءة (Efficiency) هي النسبة المئوية للطاقة التي تتغيّر إلى طاقة مفيدة. فلا يمكن لأي جهاز أن يكون كفاءته 100%، لأنها تُهدر دائمًا طاقة حرارية. والمعادلة الحسابية للكفاءة هي:

الكفاءة = (القدرة المفيدة الخارجة ÷ القدرة الداخلة) × 100%

كلما كانت الكفاءة أعلى، كلما قلّ الهدر في استخدام الطاقة. وتبلغ كفاءة السخانات الكهربائية 100% لأنها تحوّل كل الطاقة الكهربائية إلى طاقة حرارية مفيدة، في حين تبلغ كفاءة المحطات الكهربائية التي تعمل بالغاز نحو 50% فقط. ولتحسين كفاءة الطاقة يمكن استخدام المصابيح الموفرة بدلًا من المصابيح ذات الفتيل التنغستيني، وتحسين عزل المباني، وتطوير وسائل النقل العام.