علوم القطيف مقالات علمية في شتى المجالات العلمية
Decarbonizing the World: MIT Energy Initiative’s Strategies for Reducing Greenhouse Gas Emissions
(MIT ENERGY INITIATIVE – بواسطة: مبادرة الطاقة بمعهد ماساتشوستس للتقنية)
ملخص المقالة:
ركز مؤتمر مبادرة الطاقة بمعهد ماساتشوستس للتقنية لعام 2023 النقاش حول دور التقدم في التقنية وأنظمة الطاقة الموزعة والتدابير التقنية والاقتصادية والسياسية في التخفيف من تغير المناخ، وأكد المؤتمر دور معهد ماساتشوستس للتقنية في ابتكار الطاقة ومشاركة الطلاب والمناقشات حول السياسات والاستثمار والتعاون الصناعي على النهج المتعدد الأوجه اللازم لمستقبل الطاقة المستدامة.
( المقالة )
يسلط المؤتمر البحثي السنوي لمبادرة الطاقة بمعهد ماساتشوستس للتقنية الضوء على استراتيجيات تنفيذ تخفيضات واسعة النطاق في انبعاثات الغازات الدفيئة في العالم.
انتقل العالم في السنوات الأخيرة إلى حد كبير من المناقشات حول الحاجة إلى الحد من انبعاثات الكربون والتركيز بشكل أكبر على العمل – تطوير وتنفيذ ونشر التدابير التقنية والاقتصادية والسياسية لتحفيز حجم التخفيضات المطلوبة بحلول منتصف القرن. وكانت هذه هي الرسالة التي قدمها روبرت ستونر، المدير المؤقت لمبادرة الطاقة بمعهد ماساتشوستس للتقنية (MITEI)، في كلمته الافتتاحية في مؤتمر مبادرة الطاقة بمعهد ماساتشوستس للتقنية السنوي للأبحاث لعام 2023.
وشمل الحضور في المؤتمر الذي استمر يومين أعضاء هيئة التدريس والباحثين وقادة الصناعة والمالية والمسؤولين الحكوميين والطلاب، بالإضافة إلى أكثر من 50 مشاركًا عبر الإنترنت من جميع أنحاء العالم.
التقنية واقتصاديات العمل المناخي
“نحن عند نقطة انعطاف غير عادية. لدينا هذه النافذة الضيقة في الوقت المناسب للتخفيف من أسوأ آثار تغير المناخ من خلال تحويل نظام الطاقة والاقتصاد لدينا بالكامل”، قال جونا واغنر، كبير الاستراتيجيين في مكتب برامج القروض التابع لوزارة الطاقة الأمريكية، في إحدى الخطب الرئيسية في المؤتمر.
وأضاف أن الحلول موجودة. وتابع: “معظم التقنيات التي نحتاج إلى نشرها للبقاء على مقربة من الهدف الدولي المتمثل في ارتفاع درجة الحرارة بمقدار 1.5 درجة مئوية، أثبتت فعاليتها وجاهزة للانطلاق”. وقال: “لدينا أكثر من 80% من التقنيات التي سنحتاجها حتى عام 2030، ونصف التقنيات على الأقل التي سنحتاجها حتى عام 2050”.
فعلى سبيل المثال، أشار واغنر إلى محطة الطاقة النووية المتقدمة التي تم تشغيلها حديثا بالقرب من أوغوستا، بولاية جورجيا، وهي أول مفاعل نووي جديد يتم بناؤه في الولايات المتحدة منذ جيل، ويتم تمويله جزئيا من خلال قروض وزارة الطاقة. وقال: “سيكون أكبر مصدر للطاقة النظيفة في أمريكا”. وذكر إنه على الرغم من أن تنفيذ كل التقنيات المطلوبة في الولايات المتحدة حتى منتصف القرن سيكلف ما يقدر بنحو 10 تريليون دولار، أو حوالي 300 مليار دولار سنويا، فإن معظم هذه الأموال ستأتي من القطاع الخاص.
استراتيجيات الطاقة الموزعة وفوائدها
بينما تواجه الولايات المتحدة ما وصفه بـ “تسونامي إنتاج الطاقة الموزعة”، قال [واغنر] إن أحد الأمثلة الرئيسية على الإستراتيجية المطلوبة للمضي قدمًا هو تشجيع تطوير محطات الطاقة الافتراضية (VPPs). وقال إن شبكة الكهرباء الأمريكية تنمو، وستضيف 200 غيغاوات من ذروة الطلب بحلول عام 2030.
ولكن بدلا من بناء محطات طاقة جديدة وكبيرة لتلبية تلك الحاجة، يمكن استيعاب جزء كبير من الزيادة من خلال محطات الطاقة الافتراضية، والتي هي “مجموعات من موارد الطاقة الموزعة مثل الطاقة الشمسية على الأسطح مع البطاريات، مثل السيارات الكهربائية وأجهزة الشحن، ومثل الأجهزة المنزلية الذكية، والأحمال التجارية والصناعية على الشبكة التي يمكن استخدامها معًا للمساعدة في تحقيق التوازن بين العرض والطلب تمامًا مثل محطة الطاقة التقليدية”.
فعلى سبيل المثال، من خلال تغيير وقت الطلب لبعض التطبيقات حيث لا يكون التوقيت حرجًا، مثل إعادة شحن المركبات الكهربائية في وقت متأخر من الليل بدلاً من إعادة شحنها مباشرة بعد العودة إلى المنزل من العمل عندما يكون الطلب في ذروته، يمكن تخفيف الحاجة إلى طاقة ذروة إضافية.
وتقدم مثل هذه البرامج “مجموعة واسعة من الفوائد”، بما في ذلك القدرة على تحمل التكاليف، والموثوقية والمرونة، وإزالة الكربون، وخفض الانبعاثات. وأوضح واغنر أن تنفيذ مثل هذه الأنظمة على نطاق واسع يتطلب بعض المساعدة المسبقة. ويقول إن الدفع للمستهلكين مقابل التسجيل في البرامج التي تسمح بمثل هذه التعديلات الزمنية “يمثل غالبية التكلفة” لإنشاء برامج محطة طاقة افتراضية، “وهذا يعني أن معظم الأموال التي يتم إنفاقها على محطات الطاقة الافتراضية تعود إلى جيوب المستهلكين الأمريكيين”. ولكن لتحقيق ذلك، هناك حاجة إلى توحيد عمليات محطة الطاقة الافتراضية “حتى لا نعيد إنشاء العجلة في كل مرة نبدأ عملا تجريبيا أو جهدًا مع مرفق”.
طقس شديد وابتكار الطاقة في معهد ماساتشوستس للتقنية
استشهدت المتحدثة الرئيسية الأخرى في المؤتمر، آن وايت، نائب العميد ونائب الرئيس المساعد لإدارة الأبحاث في معهد ماساتشوستس للتقنية، بالفيضانات المدمرة الأخيرة وحرائق الغابات والعديد من الأزمات الأخرى المرتبطة بالطقس الشديد في جميع أنحاء العالم والتي تفاقمت بسبب تغير المناخ.
وقالت: “لقد رأينا بطرق لا تعد ولا تحصى أن المخاوف المتعلقة بالطاقة والمخاوف المتعلقة بالمناخ هي نفس الشيء. لذا، يتعين علينا أن نعمل بشكل عاجل على تطوير وتوسيع نطاق الحلول المنخفضة الكربون والخالية من الكربون لمنع الاحتباس الحراري في المستقبل.
ويجب علينا أن نفعل ذلك من خلال نهج عملي قائم على النظم، يأخذ في الاعتبار الكفاءة والقدرة على تحمل التكاليف والإنصاف والاستدامة لكيفية تلبية العالم لاحتياجاته من الطاقة”.
دعم الابتكار المبكر ومشاركة الطلاب
أضافت وايت أنه في معهد ماساتشوستس للتقنية، “نحن نحشد كل شيء”. وقالت إن الناس في معهد ماساتشوستس للتقنية يشعرون بإحساس قوي بالمسؤولية تجاه التعامل مع هذه القضايا العالمية، “وأعتقد أن السبب في ذلك هو اعتقادنا بأن لدينا الأدوات التي يمكن أن تحدث فرقًا حقيقيًا”.
وأشارت إلى أن من بين التقنيات الواعدة المحددة التي نشأت من مختبرات معهد ماساتشوستس للتقنية، التطور السريع لتقنية الاندماج النووي الذي أدى إلى إنشاء شركة تابعة لمعهد ماساتشوستس للتقنية، وهي شركة “كومنولث فيوجن سيستمز”، التي تهدف إلى بناء وحدة تجريبية لمفاعل طاقة اندماجي عملي بحلول نهاية العقد.
وشددت على أن هذا نتيجة عقود من الأبحاث، وهي أنواع من الأعمال المحفوفة بالمخاطر في مراحلها المبكرة، والتي يمكن تنفيذها فقط في المختبرات الأكاديمية، بمساعدة المنح الحكومية.
فعلى سبيل المثال، أشارت إلى أكثر من 200 مشروع قدمت مبادرة الطاقة بمعهد ماساتشوستس للتقنية لكل منها أموالاً أولية بقيمة 150 ألف دولار لمدة عامين، بإجمالي يزيد عن 28 مليون دولار حتى الآن. ويشكل هذا الدعم المبكر “جزءا أساسيا من إنتاج ذلك النوع من الابتكار التحويلي الذي نعلم أننا جميعا بحاجة إليه”.
بالإضافة إلى ذلك، ساعد برنامج “المحرك” (The Engine) التابع لمعهد ماساتشوستس للتقنية في إطلاق ليس فقط أنظمة “كومنولث فيوجن”، بل وأيضاً شركة “فورم انرجي” (Form Energy)، وهي شركة تقوم ببناء معمل في ولاية فرجينيا الغربية لتصنيع بطاريات الحديد والهواء المتقدمة لتخزين الطاقة المتجددة، وغيرها الكثير.
حلقات نقاش حول التقنية والسياسة والاستثمار
في أعقاب موضوع دعم الابتكار المبكر، ضم المؤتمر حلقتي نقاش ساهمتا في تسليط الضوء على عمل الطلاب والخريجين وشركاتهم الناشئة ذات الصلة بالطاقة. أولاً، عرض بدء تشغيل للشركات الناشئة، أدارته كاتارينا ماديرا، مديرة برنامج تبادل الشركات الناشئة في معهد ماساتشوستس للتقنية، والذي تضمن عروضاً تقديمية حول سبع شركات فرعية حديثة تعمل على تطوير التقنيات المتطورة التي انبثقت عن أبحاث معهد ماساتشوستس للتقنية. وشملت هذه:
- “ايروشيلد” (Aeroshield)، تطور نوعا جديدا من النوافذ شديدة العزل باستخدام مادة هلامية فريدة من نوعها
- “صوبلايم” (Sublime) التي تعمل على تطوير خرسانة منخفضة الانبعاثات
- “فاوند انرجي” (Found Energy)، تطور طريقة لاستخدام الألومنيوم المعاد تدويره كوقود
- “فير” (Veir)، تطور خطوط الكهرباء فائقة التوصيل
- “ايمفولوم” (Emvolom)، تطوير وقود أخضر رخيص الثمن من غازات النفايات
- “بوسطن ميتال”، تطور عمليات إنتاج منخفضة الانبعاثات للصلب والمعادن الأخرى
- “ترانسيرا” (Transaera)، مع نوع جديد من تكييف الهواء الفعال
- “كاربون ريسايكلينغ انترناشيونال” (Carbon Recycling International)، إنتاج وقود الهيدروجين والغاز الاصطناعي الرخيص.
وفي وقت لاحق من المؤتمر، تضمنت “مسابقة الطلاب” عروضًا تقديمية قدمها 11 طالبًا وصفوا نتائج مشاريع الطاقة التي كانوا يعملون عليها في الصيف الماضي[صيف 2023]. وكانت المشاريع متنوعة مثل تحليل المعارضة لمزارع الرياح في ولاية ماين، وأفضل السبل لتخصيص محطات شحن المركبات الكهربائية، وتحسين إنتاج الطاقة الحيوية، وإعادة تدوير الليثيوم من البطاريات، وتشجيع اعتماد المضخات الحرارية، وتحليل الصراع حول تحديد مواقع مشاريع الطاقة.
وصوّت الحاضرون على جودة العروض التقديمية التي يقدمها الطلاب، وتم إعلان “توري هاغينلوكر” طالبة الهندسة الكهربائية وعلوم الكمبيوتر الفائزة بالمركز الأول عن حديثها حول اعتماد المضخات الحرارية.
كما ظهر الطلاب أيضًا في الإضافة الأولى للمؤتمر: حلقة نقاش بين خمسة طلاب حاليين أو جدد، لإبداء وجهة نظرهم حول قضايا الطاقة وأولوياتها اليوم، وكيف يعملون على محاولة إحداث فرق. وقد صف أندريس ألفاريز، وهو خريج حديث في الهندسة النووية، عمله مع شركة ناشئة تركز على تحديد ودعم أفكار المرحلة المبكرة التي لديها إمكانات [للتحقق].
وتحدثت طالبة الدراسات العليا ديانا جاي من قسم الدراسات الحضرية والتخطيط عن عملها في المساعدة في إطلاق مجموعة تسمى حركة شروق الشمس (Sunrise Movement) لمحاولة دفع تغير المناخ كأولوية قصوى للبلاد، وعملها في المساعدة في تطوير الصفقة الخضراء الجديدة (Green New Deal).
وتحدث بيتر سكوت، وهو طالب دراسات عليا في الهندسة الميكانيكية يدرس إنتاج الهيدروجين الأخضر، عن الحاجة إلى “التخلص التدريجي الجذري والسريع للغاية من الوقود الأحفوري الحالي الموجود” ووقف تطوير مصادر جديدة.
وتحدث أمار ديال، مرشح ماجستير إدارة الأعمال في كلية “سلون” للإدارة في معهد ماساتشوستس للتقنية، عن التفاعل بين التقنية والسياسة، والدور الحاسم الذي يمكن أن تلعبه تشريعات مثل قانون الحد من التضخم في تمكين تقنية الطاقة الجديدة من الصعود إلى مرحلة التسويق التجاري.
وتحدثت شريا راغافان، طالبة الدكتوراه في معهد البيانات والأنظمة والمجتمع، عن أهمية النهج متعدد التخصصات في التعامل مع قضايا المناخ، بما في ذلك الدور المهم لعلوم الكمبيوتر. وأضافت أن أداء معهد ماساتشوستس للتقنية جيد في هذا الصدد مقارنة بالمؤسسات الأخرى، وأن “الاستدامة وإزالة الكربون هي ركيزة أساسية في الكثير من الأقسام والبرامج المختلفة الموجودة هنا”.
وأبلغ مؤخرا بعض المستفيدين من منح الصندوق التأسيسي لمبادرة الطاقة بمعهد ماساتشوستس للتقنية عن التقدم الذي أحرزوه في حلقة نقاش أدارتها المديرة التنفيذية للمبادرة مارثا برود. وأشارت البروفيسور أرييل فورست، الحائز على المنحة التأسيسية، وهو أستاذ الهندسة الكيميائية، إلى أن الحصول على الكهرباء يتركز إلى حد كبير في الشمال العالمي، وأن واحداً من كل 10 أشخاص في جميع أنحاء العالم يفتقر إلى الوصول إلى الكهرباء وأن حوالي 2.5 مليار شخص “يعتمدون على الوقود القذر لتدفئة منازلهم وطهي طعامهم”،
مع ما لذلك من آثار على الصحة والمناخ. ويتضمن الحل الذي يطوره مشروعها استخدام جزيئات الحمض النووي مع المحفزات لتحويل ثاني أكسيد الكربون المحتجز بشكل سلبي إلى إيثيلين، وهو مادة كيميائية ووقود مستخدمة على نطاق واسع. ووصفت البروفيسور كيري كاهوي، أستاذة الطيران والملاحة الفضائية، عملها على نظام لمراقبة انبعاثات غاز الميثان وظروف خطوط الكهرباء باستخدام أجهزة استشعار تعتمد على الأقمار الصناعية.
وقد وجدت هي وفريقها أن خطوط الكهرباء غالبًا ما تبدأ في إصدار ترددات راديوية عريضة النطاق يمكن اكتشافها قبل وقت طويل من فشلها فعليًا بطريقة قد تؤدي إلى نشوب حرائق.
ووصف البروفيسور أدمير ماسيك، الأستاذ المشارك في الهندسة المدنية والبيئية، العمل في تعدين المحيطات بحثًا عن معادن مثل هيدروكسيد المغنيسيوم لاستخدامه في احتجاز الكربون. ويمكن لهذه العملية تحويل ثاني أكسيد الكربون إلى مادة صلبة تكون مستقرة على مر العصور الجيولوجية ويمكن استخدامها كمواد بناء.
وقال البروفيسور كريبا فاراناسي، أستاذ الهندسة الميكانيكية، إن التمويل الأولي من مبادرة الطاقة بمعهد ماساتشوستس للتقنية ساعد على مر السنين بعض مشاريعه التي “أصبحت شركات ناشئة، وبعضها مزدهر”. ووصف العمل الجاري على نوع جديد من المحلل الكهربائي لإنتاج الهيدروجين الأخضر. وقام بتطوير نظام يستخدم الأسطح الجاذبة للفقاعات لزيادة كفاءة المفاعلات الحيوية التي تولد وقود الهيدروجين.
وقد غطت سلسلة من حلقات النقاش على مدار اليومين مجموعة من المواضيع المتعلقة بالتقنيات والسياسات التي يمكن أن تحدث فرقًا في مكافحة تغير المناخ. فعلى الجانب التقني، نظرت إحدى اللجان بقيادة راندال فيلد، المدير التنفيذي لمركز أنظمة الطاقة المستقبلية التابع لمبادرة الطاقة بمعهد ماساتشوستس للتقنية، في العمليات الصناعية الكبيرة التي يصعب إزالة الكربون منها.
ووصف البروفيسور أنطوان ألانور، أستاذ علم المعادن، التقدم المحرز في تطوير عمليات مبتكرة لإنتاج الحديد والصلب، من بين السلع الأكثر استخداما في العالم، بطريقة تقلل بشكل كبير من انبعاثات الغازات الدفيئة.
وقام غريغ ويلسون من شركة “جيرا امريكاز” (JERA Americas)[1] بوصف إمكانية إنتاج الأمونيا من مصادر متجددة لتحل محل الغاز الطبيعي في محطات الطاقة، مما يقلل الانبعاثات بشكل كبير. ووصف البروفيسور يت-مينغ تشيانغ، أستاذ علوم وهندسة المواد، طرق إزالة الكربون من إنتاج الأسمنت باستخدام عملية جديدة منخفضة الحرارة.
وتحدث غويان زانغ، عالم الأبحاث في مبادرة الطاقة بمعهد ماساتشوستس للتقنية، عن الجهود المبذولة لتقليل البصمة الكربونية لإنتاج الإيثيلين، وهي مادة كيميائية صناعية رئيسية، باستخدام عملية كهروكيميائية.
واستكشفت حلقة نقاش أخرى، بقيادة البروفيسور جاكوبو بونغيورنو، أستاذ العلوم والهندسة النووية، المستقبل المشرق للتوسع في الطاقة النووية، بما في ذلك المفاعلات النموذجية الجديدة والصغيرة التي بدأت أخيرًا في الظهور التجاري. وقال البروفيسور بونغيورنو: “لأول مرة حقًا هنا في الولايات المتحدة منذ عقد ونصف على الأقل، هناك الكثير من الإثارة، والكثير من الاهتمام بالطاقة النووية”. وقال المشاركون إن الطاقة النووية تنتج حاليًا ما بين 45 إلى 50 بالمائة من الكهرباء الخالية من الكربون في البلاد، ومع تشغيل أول محطة جديدة للطاقة النووية منذ عقود، فإن المسرح مهيأ لنمو كبير.
وكان احتجاز الكربون وعزله موضوعًا لحلقة نقاش برئاسة ديفيد بابسون، المدير التنفيذي لبرنامج التحديات المناخية الكبرى التابع لمعهد ماساتشوستس للتقنية. ووصف أستاذا معهد ماساتشوستس للتقنية البروفيسور بيتار جالانت والبروفيسور كريبا فاراناسي وممثلو الصناعة إليزابيث بيركلاند من “إكوينور” ولوك هويز من شركة “شيفرون تكنولوجي فنتشرز” التقدم الكبير في الأساليب المختلفة لاستعادة ثاني أكسيد الكربون من انبعاثات محطات الطاقة، ومن الهواء، ومن المحيط، وتحويله إلى وقود أو مواد البناء أو غيرها من السلع الثمينة.
وتناولت نقاشات بعض حلقات النقاش أيضًا الجانب المالي والسياسات المتعلقة بقضية المناخ. وأدار نائب مدير السياسات في معهد مبادرة الطاقة بمعهد ماساتشوستس للتقنية، كريستوفر كنيتيل، حلقة نقاش حول الآثار الجيوسياسية لتحول الطاقة، الذي قال: “كانت الطاقة دائمًا مرادفة للجغرافيا السياسية”.
وقال إنه مع تحول المخاوف من مكان العثور على النفط والغاز إلى مكان وجود الكوبالت والنيكل والعناصر الأخرى التي ستكون هناك حاجة إليها، “نحن لا نشعر بالقلق فقط بشأن مكان وجود رواسب الموارد الطبيعية، ولكننا سنشعر بالقلق أكثر فأكثر بشأن كيفية تحفيز الحكومات لعملية التحول” لتطوير هذا المزيج الجديد من الموارد الطبيعية. وقالت عضو اللجنة البروفيسور سوزان بيرغر، الأستاذة في معهد ماساتشوستس للتقنية: “نحن الآن في لحظة انفتاح فريد وفرصة لإنشاء نظام إنتاج أميركي جديد”، نظام أكثر كفاءة وأقل إنتاجاً للكربون.
وتناولت إحدى حلقات النقاش وجهة نظر المستثمر حول إمكانيات ومزالق تقنيات الطاقة الناشئة. وقالت مديرة الجلسة البروفيسور جاكلين بليس، الأستاذة المساعدة في معهد ماساتشوستس للتقنية سلون: “هناك الكثير من الزخم الآن في هذا المجال. إنه الوقت المناسب حقًا للاستثمار، لكن المخاطر حقيقية. هناك حاجة إلى الكثير من الاستثمارات في بعض التقنيات الكبيرة جدًا وغير المؤكدة”.
وقد تناولت حلقة نقاش أخرى الدور الذي يمكن أن تلعبه الشركات الكبيرة والراسخة في قيادة التحول إلى الطاقة النظيفة. وقال المشرف على حلقة النقاش ج.ج. لاوكاتيس، مدير خدمات الأعضاء في مبادرة الطاقة بمعهد ماساتشوستس للتقنية، إن “حجم هذا التحول هائل، وسيكون أيضًا مختلفًا تمامًا عن أي شيء رأيناه في الماضي.
سيتعين علينا توسيع نطاق التقنيات والأنظمة الجديدة المعقدة في جميع المجالات، من الهيدروجين إلى المركبات الكهربائية إلى الشبكة الكهربائية، بمعدلات لم نفعلها من قبل”. وسيتطلب القيام بذلك جهدًا متضافرًا يشمل الصناعة بالإضافة إلى الحكومة والأوساط الأكاديمية.
*تمت الترجمة بتصرف
المصدر:
الهوامش:
[1] شركة “جيرا امريكاز” (JERA Americas) هي شركة تابعة لشركة “طاقة اليابان لعصر جديد (جيرا)” (Japan Energy for a New Era (JERA))، وهي مشروع ياباني مشترك بين شركة “كهرباء طوكيو” (Tokyo Electric) و “كهرباء تشوبو” (Chubu Electric) . وجيرا هي شركة توليد [كهرباء] ووقود تعمل في جميع أنحاء العالم. وتمتلك شركة “جيرا امريكاز” محطات توليد الطاقة الحرارية والمتجددة ولديها حصة أقلية في محطة تصدير الغاز الطبيعي المسال في فريبورت (Freeport LNG) في تكساس. وتشارك بنشاط في تطوير مشاريع الهيدروجين. وتؤمن جيرا إيمانًا راسخًا بأن الهيدروجين والأمونيا ضروريان لمستقبل خالٍ من الكربون. المصدر: https://www.fchea.org/member-jera