بشر از آغاز حیات خود تاکنون، تلاش کرده با ترفندهای مختلف از تواناییهای بالقوهی نور تاحدممکن استفاده کند. درحالحاضر، پژوهشگران در یکی از تازهترین فعالیتهایشان تلاش میکنند از ریزجلبکهای فلورسنت که ماندگاری بسیاری دارند و از توانایی متصاعدکردن نور برخوردار هستند، برای ساخت نسل جدید پنلهای خورشیدی استفاده کنند. این ریزجلبکها هم در آب شیرین و هم در آب شور یافت میشوند. این جلبکها میتوانند 95 درصد از نور محیط اطراف خود را جذب کنند که از بازده تعداد زیادی از بهترین پنلهای خورشیدی بسیار بیشتر است. پژوهشگران با انجام مطالعهای، به روش استفاده از این جلبکها برای ساخت پنلهای جدید دست یافتهاند و بهاحتمال زیاد میتوانند دراینزمینه موفق شوند.
پژوهشگران با روشهای پیشرفته طیفسنجی جرمی، توانستهاند در دو نوع ریزجلبک، یعنی سیانوباکتریها که با نامهای جلبک فیروزهای و باکتری فیروزهای و سیانوفیتها نیز شناخته میشوند، اطلاعات جزئیتری بهدست آورند. در طیفسنجی جرمی، خصیصههای ساختاری و شیمیایی موجودات با یونش (تبدیل اتمها یا مولکولها به یون با افزودن بار الکتریکی به آنها یا کاستن ذرات باردار مثل الکترون) تجزیهوتحلیل میشود. در این جلبکها، تعداد زیادی از شاخههای ریزی بهنام فیکوبلیزوم وجود دارد که تمام سطح این موجودات میکروسکوپی را پوشانیدهاند و مانند آنتن میزان زیادی از نور اطراف را جذب و آن را به انرژی تبدیل میکنند.
این ساختار جالب و منحصربهفرد ریزجلبکها، آنها را به موادی مناسب و کاربردی برای ساخت پنلهای خورشیدی جدید با کارایی فراوان تبدیل کرده است. هریک از این شاخههای آنتنمانند، از مجموعهای از بلوکهای سازنده تشکیل شدهاند. پژوهشگران در مطالعهای جدید، چهار نوع متفاوت از این بلوکها را شناسایی کردهاند که گام بزرگی در فهم نحوهی عملکرد این جلبکها محسوب است. ریزجلبکهای فلورسنت میتوانند 95 درصد از نور تابیدهشده به خود را جذب کنند این فیکوبلیزوم یا همان آنتنها میتوانند 95 درصد از نور تابیدهشده به خود را جذب کنند.
این قابلیت ریزجلبکها میتواند زمینهساز پیشرفتی بزرگ درزمینهی استفاده از انرژیهای تجدیدپذیر شود؛ زیرا درحالحاضر، بازده اکثر پنلهای فتوولتاییکهای پرکاربرد، تنها بین 10 تا 20 درصد است. آنیکا لینی، یکی از اعضای تیم پژوهشی از دانشگاه بیرمنگام انگلستان، دربارهی ریزجلبکها چنین میگوید: ریزجلبکها موجودات میکروسکوپی شگفتانگیزی هستند که عملکرد آنها بهتر از پنلهای خورشیدی طراحیشدهی مهندسان است. ما با استفاده از یافتههای این پژوهش، میتوانیم گام بزرگی برای استفاده از ریزجلبکها در پنلهای خورشیدی برداریم. پژوهشگران تاکنون به یافتههای کمی برای استفاده از ریزجلبکها در پنلهای خورشیدی دست یافتهاند؛ زیرا آنها ساختار بسیار پیچیدهای دارند و گونههای بسیار متنوعی از آنها وجود دارد؛ اما تکنیکهای استفادهشده در این پژوهش جدید میتواند ورق را برگرداند.
تشخیص بلوکها یا ماژولهای تشکیلدهندهی بلوکهای سیانوباکتریها و جلبکهای قرمز که قبلا ناشناخته بودند (شیوهی جذب نور در هریک از این بلوکها، تنها اندکی متفاوت است)، گام ابتدایی دانشمندان برای پیبردن بهنحوهی ساخت پنلهایی است که بتوانند مانند ریزجلبکها، بیشترین بهره را از نور خورشید ببرند. با اینکه ریزجلبکها در جذب نور بسیار بهتر از پنلهای خورشیدی عمل میکنند، پنلهای فتوولتاییک نیز پیشرفت چشمگیری کردهاند و درحالحاضر، بازده برخی از پنلهای خورشیدی با انجام برخی از تنظیمات تخصصی، نزدیک 30 درصد است.
درضمن تلاش دانشمندان برای دستیابی به فناوریهای جدید دیگر برای افزایش بهرهمندی از انرژیهای تجدیدپذیر ادامه دارد. بهعنوان مثال، آنها مشغول ساخت و توسعهی سوخت مایعی برای ذخیرهی انرژی خورشیدی و بهدنبال تولید برق از آسمان شب هم هستند. پژوهشگران قصد دارند در مطالعهی ریزجلبکها، یک گام جلوتر روند و به دلیل عملکرد خیرکنندهی ریزجلبکها در جذب نور پی ببرند. آنها برای رسیدن به این هدف باید به اطلاعات زیستی بیشتری دربارهی ساختار جلبکها دست پیدا کنند. گفتنی است طبق تخمین پژوهشگران، هنوز 20 نوع کشفنشده از این بلوکها وجود دارد.
صحرای بزرگ آفریقا با وسعت زیاد و ظرفیت دریافت بخش زیادی از انرژی خورشید میتواند به منبع خوبی برای تأمین انرژی سراسر جهان تبدیل شود. آفتاب در صحرای آفریقا بسیار شفاف و داغ است. جدای از سرابها، این منطقه پوشش گیاهی اندکی دارد و بیشترین بخش آن از سنگ، ماسه و تپههای ماسهای تشکیل شده است. خورشید صحرای آفریقا بهاندازهای قوی است که بتوان از آن کل انرژی خورشیدی موردنیاز کرهی زمین را تأمین کرد.
آمار و ارقام این منطقه شگفتانگیز است. اگر صحرای آفریقا یک کشور بود، رتبهی پنجمین کشور بزرگ جهان را به خود اختصاص میداد (بزرگتر از برزیل و کمی کوچکتر از چین و ایالاتمتحده). براساس تخمینهای ناسا، میانگین سالانهی توان خورشیدی دریافتی در هر مترمربع از صحرای آفریقا بین ۲۰۰۰ تا ۳۰۰۰ کیلووات ساعت است. باتوجهبه اینکه مساحت صحرای آفریقا به ۹ میلیون کیلومترمربع میرسد، انرژی کل سالانه (اگر هر سانتیمتر از صحرا با انرژی خورشیدی اشباع شود) بیش از ۲۲ میلیارد گیگاوات ساعت (GWh) خواهد بود. یعنی انرژی یک مزرعهی خورشیدی فرضی به وسعت کل صحرای آفریقا، ۲۰۰۰ برابر بیشتر از انرژی تولیدی بزرگترین نیروگاههای جهان است (تولید ۱۰۰ هزار گیگاوات ساعت، سالیانه). انرژی خروجی چنین مزرعهای برابر با بیش از ۳۶ میلیارد بشکهی نفت در روز است (به ازای هر فرد، پنج بشکه). در چنین سناریویی، صحرای آفریقا میتواند ۷۰۰۰ برابر تقاضای برق اروپا را بدون تولید آلایندههای کربنی، تأمین کند. از طرفی فاصلهی نزدیک صحرای آفریقا به اروپا خود یک مزیت است. کوتاهترین مسافت بین آفریقای شمالی و اروپا در تنگهی جبلالطارق، ۱۵ کیلومتر است. اما حتی در فاصلههای طولانیتر، مثل عرض مدیترانه هم میتوان از این انرژی استفاده کرد. از طرفی طولانیترین کابل برقی زیرآب ۶۰۰ کیلومتر است که بین نروژ و هلند کشیده شده است.
دانشمندان در سالهای گذشته، بهدنبال حل مسئلهی تقاضای فزایندهی انرژی در اروپا بودهاند. دیدگاههای علمی در سالهای اخیر به برنامههای اجرایی جدی تبدیل شدهاند. یکی از بزرگترین پروژهها در این زمینه Desertec بود که در سال ۲۰۰۹ معرفی شد و سرمایهگذاری بانکها و سازمانهای انرژی متعددی را به سمت خود جلب کرد اما پس از پنج سال بهدلیل هزینههای زیاد، اغلب سرمایهگذارها کنار کشیدند و پروژه شکست خورد. چنین پروژههایی با موانع سیاسی، تجاری و اجتماعی متعددی مثل عدم توسعهی سریع منطقهای روبهرو هستند. طرحهای پیشنهادی جدیدتر پروژهی TuNur در تونس با هدف تأمین توان برای بیش از ۲ میلیون خانوار اروپایی یا نیروگاه خورشیدینور در مراکش با هدف صادرات انرژی به اروپا را دربر میگیرند.
در حال حاضر دو فناوری کاربردی برای تولید برق خورشیدی وجود دارد: توان خورشیدی متمرکز (CSP) و صفحات خورشیدی فتوولتائیک که هر کدام مزایا و معایب خود را دارند.
فناوری توان خورشیدی متمرکز از لنزها یا آینهها برای متمرکز کردن انرژی خورشید در یک نقطه استفاده میکند. سپس ازطریق توربینهای معمولی بخار، گرمای متمرکز به برق تبدیل میشود. بعضی سیستمها از نمک مذاب برای ذخیرهسازی انرژی استفاده میکنند. با فناوری نمک مذاب میتوان هنگام شب هم به تولید انرژی پرداخت. به نظر میرسد فناوری CSP بهدلیل استفاده از نور مستقیم خورشید، نبود ابرها و دماهای بالا برای صحرای آفریقا مناسبتر باشد؛ اما عیب این فناوری احتمال پوشیده شدن لنزها و آینهها با طوفانهای شنی و همچنین پیچیدگی سیستمهای گرمایش بخاری و توربینی است. اما مهمترین عیب این فناوری، استفاده از منابع کمیاب آبی است.
از طرفی صفحات خورشیدی فتوولتائیک میتوانند انرژی خورشید را با استفاده از نیمهرساناها بهصورت مستقیم به برق تبدیل کنند. صفحات خورشیدی فتوولتائیک بهدلیل قابلیت اتصال به شبکه یا توزیع در مقیاس ساختمانهای مستقل، رایجترین نوع استفاده از انرژی خورشیدی هستند. این صفحات در هوای ابری هم خروجی قابل قبولی دارند؛ اما درصورتیکه بیشازحد داغ شوند، بازدهی آنها کاهش پیدا میکند؛ بنابراین در مناطقی که دمای تابستان آنها در سایه، بیش از ۴۵ درجهی سانتیگراد و تقاضای انرژی برای دستگاههای تهویهی هوا بالا است، استفاده از این صفحات منطقی نیست. یکی از مشکلات دیگر هم طوفانهای شنی است که روی صفحات را میپوشانند و میتوانند بازدهی آنها را کاهش دهند. در هر دو فناوری برای پاکسازی آینهها و صفحات، وجود آب ضروری است و بنابراین آب به یکی از معیارهای ضروری تبدیل میشود. اغلب پژوهشگرها یکپارچهسازی دو فناوری برای توسعهی یک سیستم هیبریدی را پیشنهاد میدهند. تنها بخش کوچکی از صحرای آفریقا میتواند کل انرژی قارهی آفریقا را تامین کند.
نیروگاه خورشیدی ۱۳٫۶ میلیارد دلاری در بیابان های دبی که در شب نیز برق تولید می کند! در زیر آفتاب سوزان، یک سازه بسیار بزرگ و باشکوه در حال ساخته شدن است. پارک خورشیدی محمد بن راشد آل مکتوم که در قلب بیابان دبی قرار گرفته.
وقتی که این سازه به پایان برسد، این سرمایه گذاری ۵۰ میلیارد درهمی (۱۳٫۶ میلیارد دلاری) می تواند نیروی برق بیش از ۱٫۳ میلیون خانه را تامین کرده و حجم کربن تولید شده در این کشور را به طور سالانه ۶٫۵ میلیون تن کاهش دهد. تنها فازهای ۱ تا ۴ این پروژه باعث می شود که نیروگاه خورشیدی محمد بن راشد آل مکتوم در صدر بزرگ ترین و پرظرفیت ترین پارک خورشیدی در حال توسعه در سراسر جهان قرار بگیرد.
پارک خورشیدی محمد بن راشد آل مکتوم برای آینده طرحهای بزرگی دارد و تولید ۱۰۰۰ مگاوات نیرو را تا سال ۲۰۲۰ و ۵۰۰۰ مگاوات را تا سال ۲۰۳۰ هدف گذاری کرده است. نه تنها این پارک، بزرگترین پارک خورشیدی جهان خواهد شد بلکه مرتفعترین برج خورشیدی جهان را نیز خواهد داشت. این برح ۲۶۰ متری، بخشی از فاز چهارم توسعه است و در ۷۰۰ مگاوات تولید نیروی این نیروگاه سهیم خواهد بود.
بانک جهانی قصد دارد در برنامهای جدید، با هدف توسعهی کاربری منابع تجدیدپذیر سرمایهگذاری مؤثری در سیستمهای پیشرفته باتریهای مقیاسبزرگ کند. جهان در شُرُف گذار جهانی در بخش انرژی است؛ گذاری که بیشترین آثار مثبت آن در اقتصادهای درحالتوسعه احساس خواهد شد. این اقتصادها موقعیتی مهم در رشد و سرمایهگذاری خواهند داشت. کشورهای درحالتوسعه هماکنون نیز به بزرگترین قطبهای تقاضای انرژی تبدیل شدهاند و ازنظر رشد حتی درحال سبقتگرفتن از کشورهای عضو سازمان همکاری و توسعه اقتصادی (OECD) هستند. امروزه، کشورهای درحالتوسعه سرمایهگذاری در بخش انرژیهای تجدیدپذیر را هدایت میکنند. کشورهای جنوب صحرای آفریقا که بیشترین جمعیت بدون دسترسی به برق یا با دسترسی محدود و ضعیف را در خود جای دادهاند، احتمالا برخی از تحولات مهم در این عرصه را شاهد خواهند بود.
آنچه فعلا با قطعیت میتوانیم دربارهی این تغییرات حدس بزنیم، این است که در روند آتی، باتریهای استفادهشده در بخش خودروهای الکتریکی و نیز ذخیرهسازی انرژی شبکه از نقش مهمی برخوردار خواهند بود. نحوهی واکنش دولتها موضوعی بسیار حیاتی است؛ ازاینرو، بانک جهانی نیز با برنامهای متمرکز و ابتکاری بهکمک این حرکت آمده است. پیشبینی میشود بازار جهانی ادوات ذخیرهسازی انرژی (بهغیر از نیروگاههای تلمبه ذخیرهای) بیش از ۶۰۰ میلیارد دلار سرمایه را در ۲۰ سال آینده به ود جذب کند. سرمایهگذاری انرژی نو بلومبرگ پیشبینی میکند این بازار در هر دو سمت شبکه و مصرفکننده (شامل کسبوکارها و تأسیسات صنعتی و منازل) تا سال ۲۰۴۰، با رشد نمایی به ظرفیتی معادل ۷ درصد از کل ظرفیت منصوب برسد.
این انقلاب باتری در سراسر جهان درحالوقوع است و رشد سریع آن بهدلیل کاهش قیمت و نیز مزایای فراوان آن برای شبکهی برق (اعم از کمک به جابهجایی پیک تقاضا برای تلفیق با مولدهای خورشیدی تا بهبود قابلیت اطمینان شبکه) است. انقلاب در انرژی خورشیدی نیز از قبل تأثیرگذار بوده است. بسیاری از کشورها در آفریقا، بهسرعت درحالگسترش سیستمهای متمرکز و بزرگمقیاس تا سیستمهای کوچکتر مقیاس تجاری و خانگی هستند. این تصمیمات با حمایت اقتصادی کشورها شتاب میگیرند. قیمت سیستمهای فتوولتائیک در طول دههی گذشته، تقریبا حدود ۸۰ درصد کاهش یافته است. دراینمیان، باتریها نیز میتوانند با دو مؤلفهی سرعت در اجرا و نصب ماژولار، کمک زیادی به شکوفایی این عرصه کنند.
بهعنوان مثال، کشورهای ساحلی آفریقا، مانند بورکینافاسو و مالی، درحالتوسعهی پارکهای خورشیدی منطقهای هستند که بهعنوان پروژههایی پایلوت برای کشورهای دیگر در غرب آفریقا محسوب خواهند شد. تمرکز این پروژهها، تنها به کاربریهای مسکونی محدود نخواهد بود. یکی از اولویتهای دیگر، تأمین برق بخش کشاورزی و آبیاری و صنایع سبک است. گذار به آیندهای با انرژی کمکربن و مطمئنتر و هزینههای عملیاتی کمتر و تقویت شبکهها مزایای متعددی برای این کشورها دارد که از توسعهی اقتصادی و اجتماعی تا امنیت را دربر خواهد گرفت. وضع مقررات متناسب موضوعی اساسی برای تحقق این مزایا در کشورهای درحالتوسعه است.
سیستمهای ذخیرهی باتری میتوانند تقریبا با قیمتی معادل یکسوم هزینهی ژنراتورهای دیزلی، برق را تأمین کنند و انعطافپذیری بهتری در زنجیرهی تأمین از خود نشان دهند. البته این نوع سیستمها مزایای دیگری هم در پی خواهند داشت. وجود دیزل بیکیفیت و تقلبی مشکلات شدیدی در بخش آلایندگی و سلامت عمومی در سرتاسر قاره پدید آورده است. فروش دیزل در این مناطق، اغلب زیرنظر جرائم سازمانیافته اداره میشود و در غیبت دستگاههای نظارتی، مصرفکنندگان در جوامع فقیر بعضا حتی مجبور میشوند هزینههای بیشتری بابت سوخت بپردازند.
سسیتمهای ذخیرهسازی به روشهای گوناگونی اجراشدنی هستند. ذخیرهسازی انرژی میتواند نقشی مکمل و بعضا جایگزین را در پروژههای زیرساخت انتقال و ژنراتورهای دیزلی و نیروگاهها ایفا کند. پیشازاین، سیستم ذخیرهی تلمبهای چندی
ای نشان دادهاند. درنتیجه، با کاهش سطح نوسانات شبکه، میزان خاموشیهای رخداده نیز کاهش مییابد و هزینههای عملیاتی کمتر میشود و پایداری سیستم نیز درجهت منافع مشتریان افزایش مییابد. در آفریقایجنوبی، شبکهی برق ملی روی توسعهی بزرگترین ظرفیت ذخیرهسازی باتری در منطقه تمرکز کرده که برای یکپارچهسازی ظرفیت فعلی و آتی انرژیهای تجدیدپذیر کشور کفایت خواهد کرد. گامبیا و جمهوری آفریقایمرکزی نیز درصدد بهرهگیری از باتریها برای کمک به تثبیت شبکههای ناپایدار خود هستند. با افزایش کاربرد باتریها در شبکهی برق، تقاضا برای فلزات و موادمعدنی از معادن کشورهای درحالتوسعه رشد خواهد کرد
شکوفایی صنعت باتریها، درصورت مدیریت صحیح، نویدبخش مزایای دیگری نیز خواهد بود. انتظار میرود تا سال ۲۰۵۰، تقاضا برای فلزات و موادمعدنی، مانند لیتیوم، نیکل، منگنز و کبالت که اجزای اصلی باتریهای نسل آینده هستند، ۱۰ برابر افزایش یابد. این درحالی است که معادن بزرگی از این مواد در کشورهای آفریقایی یافت میشوند. یکی از موضوعهای مهم گذار انرژی در آفریقا این موضوع خواهد بود که با اعمال حاکمیت و مدیریت صحیح بر صنایع استخراجی، منافع حاصل از این جهش اقتصادی شامل حال ملل آفریقایی شود و مسائل پایداری و شرایط شغلی در زنجیرههای تأمین مواد نیز مدنظر قرار گیرد. پاییز گذشته، گروه بانک جهانی یکمیلیارد دلار را برای برنامهی توسعهی سرمایهگذاری در کشورهای درحالتوسعه در نظر گرفت. در راستای این برنامه، مشارکت بینالمللی جدیدی برای کمک به گسترش استفاده از تجهیزات ذخیرهسازی انرژی و معرفی فناوریهای جدید به کشورهای درحالتوسعه شکل گرفته است.
باتوجهبه نیاز به توسعهی پایدار شیوههای ذخیرهسازی انرژی در کشورهای درحالتوسعه و فرصت ویژهای که این صنعت برای افزایش دسترسی به برق و تلفیق انرژیهای تجدیدپذیر بهارمغان میآورد، مشارکت ذخیرهسازی انرژی (ESP) قرار است همکاری بینالمللی خود را در زمینههای تحقیقوتوسعهی فناوری، تلفیق سیستم، سیاستها و قوانین موردنیاز کشورهای درحالتوسعه افزایش دهد. تابهامروز، سرمایهگذاریها در مقیاسی کوچک انجام شده که باتوجهبه وضعیت این بازار نوظهور، همچنان مقداری چشمگیری بهشمار میآید. در سطح جهانی، این بانک منابع مالی ۱۵ درصد از ظرفیت ذخیرهسازی باتریهای ثابت را تأمین کرده است. این باتریها بیشتر در پروژههای مینیگرید و جزیرهای با هدف افزایش انعطافپذیری استفاده خواهند شد.
برای مثال، در کشورهای مالی و بورکینافاسو، این بانک بزرگترین پارک خورشیدی منطقه را بههمراه باتریهای خورشیدی تأسیس کرده است. این پروژهها بهصورت همزمان از مزایای مناقصههای استاندارد و روشهای ریسکزدایی برای جلب توجه توسعهدهندگان خصوصی بهره خواهد برد. در برخی مواقع، سرعت گذار انرژی به کشورهای درحالتوسعه وابسته خواهد بود. تاکنون، فناوری باتریهای استفادهشده در مقیاس شبکه اساسا فقط دراختیار کشورهای عضو سازمان همکاری و توسعهی اقتصادی بود؛ اما با بهاشتراکگذاری تجارب و تشریح مزایای سیستمهای ذخیرهسازی باتری میتوان این راهکار جدید را بهعنوان عاملی برای رشد اقتصادی در کشوهای جهان سوم بهکار گرفت.