أول خريطة عالمية تحدد أفضل المواقع لطاقة التيارات البحرية المستدامة

مع تزايد الطلب العالمي على الكهرباء، تتعرض مصادر الطاقة التقليدية لضغوط متزايدة.

تُوفر المحيطات، التي تغطي أكثر من 70% من سطح الأرض، إمكانات هائلة لإنتاج طاقة نظيفة من مصادر متجددة مثل التيارات والأمواج المحيطية.

مع ذلك، لا يزال تطوير الطاقة المتجددة البحرية في مراحله الأولى مقارنةً بطاقة الرياح والطاقة الشمسية.

ويتمثل أحد التحديات في تحديد المواقع الأكثر جدوىً وجدوىً اقتصاديًا لمشاريع طاقة التيارات البحرية.

وبينما ركزت العديد من الدراسات على تقييم موارد طاقة التيارات البحرية الإقليمية، إلا أن التقييم العالمي القائم على البيانات الفعلية ظل غائبًا حتى الآن.

باستخدام بيانات مُقاسة لأكثر من 30 عامًا من برنامج الانجراف العالمي (GDP) التابع للإدارة الوطنية للمحيطات والغلاف الجوي، تُقدم دراسة فريدة من كلية الهندسة وعلوم الحاسوب بجامعة فلوريدا أتلانتيك التقييم العالمي الأكثر شمولاً لطاقة تيارات المحيطات حتى الآن، وجنوب شرق فلوريدا.

التركيز على تقدير كثافة الطاقة

استكشف الباحثون إمكانية التقاط الطاقة الحركية من تيارات المحيطات، مع التركيز على تقدير كثافة الطاقة وتغيراتها بمرور الوقت والموقع.

يشمل الناتج المحلي الإجمالي (GDP) حوالي 1250 عوامة مُتتبعة بالأقمار الصناعية لقياس تيارات المحيطات ومواقعها.

في هذه الدراسة، استخدم الباحثون أكثر من 43 مليون نقطة بيانات من مارس 1988 إلى سبتمبر 2021.

كشفت النتائج، المنشورة في مجلة الطاقة المتجددة، أن المياه قبالة الساحل الشرقي لفلوريدا وجنوب أفريقيا أظهرت باستمرار كثافة طاقة عالية، مما يجعلها مثالية لتوليد الكهرباء من تيارات المحيطات.

وتحديدًا، أظهرت هذه المناطق كثافة طاقة تزيد عن 2500 واط لكل متر مربع، وهي قيمة أعلى بمرتين ونصف من كثافة الطاقة في موارد طاقة الرياح “الممتازة”.

كما أن المياه الضحلة نسبيًا – بعمق حوالي 300 متر – تعزز ملاءمتها لاستخراج الطاقة باستخدام توربينات تيارات المحيطات. في المقابل، لم تُظهر مناطق مثل اليابان وأجزاء من أمريكا الجنوبية كثافة طاقة مماثلة عند هذه الأعماق.

إمكانات كبيرة لحصاد الطاقة

قالت الدكتورة م. حسان سادوجيبور، المؤلفة الرئيسية ومساعد أبحاث الدراسات العليا في كلية الهندسة وعلوم الحاسوب”، كشفت دراستنا أن حوالي 75% من إجمالي المناطق ذات الكثافة العالية للطاقة، والتي تغطي حوالي 490,000 كيلومتر مربع من المحيط، تتراوح مستويات الطاقة فيها بين 500 و1,000 واط لكل متر مربع، وهذا يشير إلى وجود إمكانات كبيرة لحصاد الطاقة من تيارات المحيطات، وخاصة في المناطق التي تكون فيها كثافة الطاقة معتدلة ولكنها مهمة لإنتاج الطاقة المستدامة”.

وأضافت: “كما توفر دراستنا رؤى ثاقبة حول العوامل التي يمكن أن تؤثر على دقة تقديرات توليد الطاقة، مثل الظروف البيئية وطرق القياس”.

سواحل جنوب شرق أفريقيا

توجد كثافات طاقة عالية، تزيد عن 2000 واط لكل متر مربع، قبالة الساحل الجنوبي الشرقي للولايات المتحدة الأمريكية، من فلوريدا إلى كارولاينا الشمالية، وعلى طول السواحل الشرقية والجنوبية الشرقية لأفريقيا (الصومال، كينيا، تنزانيا، جنوب أفريقيا، ومدغشقر).

وتُلاحظ كثافات طاقة أقل في شرق المحيط الهادئ (اليابان، فيتنام، والفلبين)، وشمال أمريكا الجنوبية (البرازيل وغويانا الفرنسية)، والساحل الشرقي لأستراليا.

دقة تقديرات كثافة الطاقة

من النتائج الرئيسية للدراسة دقة تقديرات كثافة الطاقة، ففي أمريكا الشمالية واليابان، اتسمت الحسابات بموثوقية عالية، مما زاد من ثقة توقعات إمكانات الطاقة، إضافةً إلى ذلك، أكدت المقارنات مع الدراسات الحالية موثوقية النتائج في هذه المناطق، حيث تطابقت تقديرات كثافة الطاقة بشكل وثيق مع القياسات التي تم الحصول عليها من خلال طرق قياس أخرى، ومع ذلك، كان تقييم مناطق مثل جنوب أفريقيا وأجزاء من أمريكا الجنوبية، وخاصةً قبالة شمال البرازيل وغويانا الفرنسية، أصعب بسبب محدودية البيانات أو تقلب ظروف المياه بشكل كبير.

بيانات محدودة

قال الدكتور يوفي تانج، المؤلف المشارك والأستاذ المشارك في قسم الهندسة الكهربائية وعلوم الحاسوب في جامعة فلوريدا أتلانتيك، ومدير مركز FPL لتقنيات الطاقة الذكية (وزميل معهد FAU للاستشعار وهندسة أنظمة الشبكات المدمجة “إن مناطق مثل البرازيل وجنوب أفريقيا لديها بيانات محدودة، مما يؤثر على دقة توقعات الطاقة، ويزيد من صعوبة تقييم إمكاناتها الكاملة لاستخراج الطاقة”.

سيُحسّن توسيع نطاق جمع البيانات فهمنا ويُطلق العنان لكامل إمكانات الطاقة، على سبيل المثال، يُمكن للدراسات الخاصة بكل منطقة باستخدام مُحللات دوبلر الصوتية للتيار أن تُحسّن تقدير إنتاج الطاقة للتوربينات المغمورة.

جنوب أفريقيا واليابان

تُظهر النتائج أيضًا أن مناطق مثل جنوب أفريقيا واليابان، رغم ارتفاع كثافة الطاقة فيها، تُشكّل تحديات أكبر نظرًا لعمق المياه وتعقيد أنماط التدفق. وتزيد مناطق المياه العميقة (1000 متر أو أكثر) من صعوبة استخراج الطاقة.

قال جيمس هـ. فانزويتن، الحاصل على درجة الدكتوراه، والمؤلف المشارك والأستاذ المساعد في قسم هندسة المحيطات والميكانيكا بجامعة فلوريدا أتلانتيك: “إن العلاقة بين العمق وكثافة الطاقة أمر بالغ الأهمية لوضع التوربينات وتصميمها.

تتواجد تيارات المحيط القوية بالقرب من سطح البحر حيث يتراوح عمق المياه الإجمالي عادةً بين 250 مترًا وأكثر من 3000 متر”.

يُشكّل هذا تحدياتٍ كبيرة، إذ تتطلب التوربينات أنظمة إرساء متطورة للحفاظ على استقرارها وتشغيلها.

كما يُثير العمق المتزايد مخاوف بشأن تكلفة وتعقيد التركيب والصيانة، مما يجعل من الضروري تطوير تقنيات متخصصة لهذه البيئات الصعبة.

تلعب التغيرات الموسمية أيضًا دورًا هامًا في توافر الطاقة. ففي الأشهر الأكثر دفئًا في نصف الكرة الشمالي (من يونيو إلى أغسطس)، تُلاحظ كثافة طاقة أعلى في مناطق مثل فلوريدا واليابان وشمال البرازيل، مما يتوافق مع زيادة الطلب على الطاقة خلال هذه الأشهر.

وبالمثل، تُسجل جنوب أفريقيا أعلى كثافة طاقة خلال أشهرها الأكثر دفئًا (من ديسمبر إلى فبراير).

تشير هذه الأنماط الموسمية إلى أن طاقة التيارات البحرية قد تتوافق جيدًا مع فترات ارتفاع الطلب على الكهرباء المرتبطة بزيادة استخدام مكيفات الهواء، مما يجعلها مصدرًا موثوقًا للطاقة المتجددة.

قالت الدكتورة ستيلا باتالاما، عميدة كلية الهندسة وعلوم الحاسوب: “تعتمد التقديرات الدقيقة لطاقة تيارات المحيطات على عوامل حاسمة، مثل كثافة البيانات ونوعها وتقلب تدفقها”.

وأضافت: “تُبرز نتائج هذه الدراسة ضرورة دراسة هذه المتغيرات بعناية، وستُسهم خصائص الطاقة المُقدمة في ضمان دمج طاقة تيارات المحيطات بكفاءة في المشهد الأوسع للطاقة المتجددة”.