الطاقة الزرقاء: توليد كهرباء من مزج مياه عذبة بمالحة

عندما تلتقي مياه الأنهار العذبة بمياه البحر المالحة، ينتج عن ذلك تفاعل كيمياوي جذاب ومثير للاهتمام، بوسعنا الاستفادة منه لتوليد طاقة كهربائية تُستخدم لإنارة منازلنا، ولخدمة أغراض أخرى أيضا، كما يوضح فيليب بول في السطور التالية.
حينما يمتزج الماء المالح بنظيره العذب في مصبات الأنهار، يفضي ذلك لحدوث عملية تفاعل كيمياوي يمكن تسخيرها لتوليد الكهرباء، ولكن ذلك ربما يكون أحد أقل مصادر الطاقة الصديقة للبيئة استغلالا على الإطلاق.
ويشير أحد التقديرات إلى أن هذه "الطاقة الزرقاء" وفيرة بقدر يجعلها كافية لتلبية جميع احتياجاتنا، وذلك إذا ما وجدنا وسيلة فعالة للاستفادة منها.
وهنا يظهر سؤال مفاده: هل يمكن أن تشكل تلك "الطاقة الزرقاء" أحدث أشكال "الطاقة الخضراء" أو الصديقة للبيئة؟
على أي حال، ظهر أول المقترحات الخاصة بتوليد ما يُعرف ب"الطاقة الزرقاء" في عام 1954، على يد مهندس بريطاني يدعى آر.إي باتل.
ويُطلق البعض على هذه الطاقة اسم "طاقة الانتقال الأسموزي" أو "الطاقة التناضحية"، وذلك لأنها تستغل التفاعلات الناتجة عن ظاهرة التناضح أو الانتقال الأسموزي.
ولفهم ذلك، يمكن للمرء أن يتخيل محلولَيْن؛ يتألف كلاهما من ماء ممزوجٍ بمادة قابلة للذوبان مثل الملح، ولكن بتركيز مختلف لهذه المادة في كل منهما.
إذا ما فُصِلَ بين هذيْن المحلوليْن بغشاء رقيق "شبه نفاذ"، للسماح للماء فقط - وليس الأيونات الملحية - بالمرور من هذا الجانب إلى ذاك، سيؤدي ذلك إلى انتقال الماء بشكل طبيعي من الجانب الأقل تركيزا من حيث ملوحته، إلى الجانب الأكثر تركيزا.
وسيفضي مرور الماء عبر الغشاء إلى مراكمة الضغط على أحد الجانبين، وهو ما يمكن استخدامه لتنشيط محركات تعمل بقوة الماء (توربينات) لتوليد الطاقة.
لكن حتى سبعينيات القرن الماضي، لم تتسن الاستفادة من فكرة باتل المتعلقة بسبل توليد الطاقة. ففي ذلك الحين، باتت المواد الصناعية اللازمة لصنع الأغشية شبه النفاذة مُتاحة للاستخدام على المستوى التجاري.
وعندها أشار عالم إسرائيلي يُدعى سيدني لوِب إلى إمكانية استخدام هذه المواد في ما وصفه ب"محطات توليد الطاقة عبر استغلال خاصية التناضح"، فقد كان يأمل في أن يؤدي ذلك إلى تسخير الطاقة الناجمة عن امتزاج مياه نهر الأردن العذبة بمياه البحر الميت المالحة.
لكن محطات التوليد هذه لا تعمل بكفاءتها الكاملة عندما تتدفق المياه عبر ذلك الغشاء بأقصى قوة لها، وإنما حينما تتباطأ سرعة ذلك التدفق قليلا.
ويمكن تحقيق هذا الهدف عبر إحداث ضغط على المياه المالحة، مما يؤدي إلى عرقلة تدفق المياه العذبة القادمة من الجانب الآخر من الغشاء.
وقد افتتحت شركة "ستات كرافت" أول محطة لتوليد الطاقة الزرقاء تعمل بهذه التقنية في بلدة "توفت" النرويجية عام 2009؛ بقدرة توليد تصل إلى أربعة كيلو واط، وهي قدرة محدودة للغاية إذا ما قُورنت بنظيرتها التي يمكن توليدها من أي مفاعل نووي صغير؛ تلك التي تصل إلى 5000 كيلو واط.
لكن على الرغم من أن هذه التقنية أثبتت قابليتها للتطبيق بالفعل، فإن الشركة وجدت أنها غير مُجدية اقتصاديا.
لم تُوّلد طاقة كافية لدر أرباح تُعوِض تكاليف البناء والتشغيل والصيانة. وهكذا أغلقت الشركة تلك المحطة عام 2013.
مع هذا، لم يثبط ذلك عزم من يسعون لتطوير تلك الوسيلة لتصبح قابلة للاستخدام على الصعيد التجاري.
ففي معهد "فيتسس" الهولندي للمياه في مدينة يوفاردن؛ بدأت شركة متفرعة عن المعهد تحمل اسم "آر.إي.دي ستاك" استخدام أسلوب آخر لتوليد الطاقة من عملية التناضح، يُطلق عليه اسم "الفصل الغشائي الكهربائي العكسي" في محطة تجريبية لتوليد الطاقة.
ولا يختلف هذا الأسلوب كثيرا عن تقنية "التناضح الناجم عن ممارسة ضغوط كابحة"، إذ يتضمن استخدام أغشية تسمح بنفاذ الأيونات الملحية، وليس جزئيات المياه.
ويمكن القول إن هناك نوعين من الأغشية: أحدهما يسمح بنفاذ أيونات الصوديوم الموجبة الموجودة في الملح، بينما يسمح الآخر بنفاذ نظيرتها من أيونات الكلوريد السالبة الموجودة في الملح أيضا.
ويُستخدم هذان النوعان من الأغشية لجعل المياه أشبه بالشطيرة متعددة الطبقات؛ تتعاقب فيها طبقات المياه المالحة مع نظيرتها من الماء العذب، وذلك تبعا لاختلاف نوع الغشاء المُستخدم بين كل طبقة وأخرى، بينما يسمح بنفاذ أيونات ملحية موجبة، وهو ما يتيح الفرصة لنفاذ نظيرتها السالبة.
ويؤدي اتباع هذا النسق إلى إنتاج جهد كهربائي يمكن عندئذ استخدامه لتوليد دفقة من التيار الكهربائي على نحو مباشر، دون الحاجة إلى استخدام أي محركات تعمل بالضغط.
ولذا، فإن هذا الأسلوب يمكن أن يكون فعالا جدا - من الناحية النظرية - في توليد الطاقة من عمليات مزج المياه العذبة والمالحة.
ويعكف الباحثون العاملون في معهد "فيتسس" كذلك على دراسة إمكانية استخدام أسلوب ثالث في هذا المضمار، يُطلق عليه اسم المزج بالسعة الكهربائية أو (كاب ميكس).
وفي إطار هذا الأسلوب؛ تُضخ المياه المالحة وتلك العذبة بالتبادل إلى داخل غرفة تحتوي على قطبين كهربائيين، يصبحان بمثابة أجهزة لحفظ الشحنات الكهربائية (أو مكثفات كهرباء).
وتزيد هذه العملية من قوة الجهد الكهربائي الناتج عنها.
ومنذ عام 2010، يعكف اتحاد للشركات الأوروبية - تبلغ قيمة أصوله 2.4 مليون يورو (1.7 مليون جنيه استرليني) ويضم كذلك معاهد في هولندا وإيطاليا وبولندا وإسبانيا - على استكشاف الإمكانيات الكامنة في تقنية "كاب ميكس".
اللافت أن ثمة حيلا جديدة في هذا المضمار لم يُكشف النقاب عنها كاملة بعد.
فعلى سبيل المثال، أظهر فريق بحثي من جامعة أوتريخت يقوده العالم الفيزيائي رينيه فان رويي أنه يمكن من حيث المبدأ مضاعفة مقدار الطاقة الناجمة عن استخدام أجهزة (كاب ميكس) لتوليد الكهرباء من "الطاقة الزرقاء"، إذا ما تم تسخين المياه العذبة التي يجري مزجها مع مياه البحر، إلى 50 درجة سيليزية أو نحو ذلك.
ويقول هؤلاء الباحثون إنه ما من حاجة لاستخدام الوقود الأحفوري لتسخين هذه المياه، إذ يمكن ببساطة استخدام المياه العادمة، التي جرى تسخينها بالفعل في إطار عمليات المعالجة الصناعية المختلفة، مثل مياه التبريد المستخدمة في محطات توليد الطاقة أو مراكز البيانات والمعلومات (للحيلولة دون ارتفاع درجة حرارة أجهزة الكمبيوتر الموجودة في هذه المراكز).
وللمصادفة السعيدة، أثبت فريق بحثي تابع لجامعة غرناطة الإسبانية - كان يعمل بشكل مستقل - أن هذا المفهوم قابل للتطبيق على الصعيد العملي، وذلك في ذات الوقت الذي كان فيه الفريق الهولندي يستنبط الإطار النظري الخاص به.
وتعمل خاصية التناضح تلك بصرف النظر عن مستوى تركيز المادة القابلة للذوبان في الماء، وهو ما يجعل هذه الظاهرة قابلة للحدوث مع مادة مثل السكر.
وهكذا فإن "الطاقة الزرقاء" ليست قاصرة على مزج المياه المالحة بتلك العذبة.
ففي عام 2013، أشار فريق بحثي يعمل في معهد "فيتسس" إلى أنه قد يكون من الممكن توليد الكهرباء عبر استخدام غاز ثاني أكسيد الكربون في صورته السائلة، التي قد يتسنى الحصول عليها من محطات توليد الطاقة العاملة بالوقود الأحفوري.
وينحل ثاني أكسيد الكربون بسهولة في الماء، ما ينتج حمض الكربونيك، الذي يتحلل بدوره إلى أيونات البيكربونات والهيدروجين.
ومن الممكن تمرير هذه الأيونات بالتبادل على القطبين الكهربائيين المستخدميْن في تقنية "كاب ميكس"، على ذات الشاكلة التي يتم بها تمرير الأيونات الملحية الموجبة والسالبة المعتادة على هذين القطبين.
وكما يحدث حينما يتم ضخ المياه العذبة والمالحة بالتناوب في إطار عملية المزج باستخدام تقنية "كاب ميكس"، يستلزم هذا الأسلوب الجديد أن تُضخ أولا المياه التي تحتوي على ثاني أكسيد الكربون السائل (وهي تعادل هنا المياه المالحة) ثم ضخ المياه التي تحتوي على الهواء النقي بعد ذلك (لتعادل في هذا السياق المياه العذبة).
ويقول الباحثون إن الغازات التي تنبعث من محطات توليد الطاقة العاملة بالوقود الأحفوري في مختلف أنحاء العالم، تحتوي على كميات من غاز ثاني أكسيد الكربون، بقدر يكفي لتوليد قرابة 850 تيرا واط/ساعة من الكهرباء سنويا، وهو ما يزيد بواقع مئة مرة تقريبا عن الاستهلاك السنوي للكهرباء في المملكة المتحدة بأسرها.
إنها فكرة ثورية ورائعة: فثاني أكسيد الكربون، الذي يشكل عادة جزءا من المشكلة كلما تعلق الأمر بتوليد الطاقة، يمثل هنا جزءا من الحل.