تتصدَّر الشمس دوماً خيارات مصادر الطاقة البديلة التي يُراد بها أن تحل − ولو جزئياً − محل الوقود الأحفوري (النفط والغاز والفحم). ويبدو هذا الاختيار بديهياً لعدة أسباب. فالشمس كانت دوماً موجودة ومتوهجة تغمر كوكبنا بالضياء والدفء منذ 5 مليارات سنة. كما أن الطاقة الناتجة عنها تستتبع مخاطر أقل إذا ما قورنت بالطاقة النووية مثلاً.. وثمة تقديرات أولية تشير إلى أن مقدار الإسقاط الشمسي الواقع على صحراء الربع الخالي وحده كفيل بتغطية حاجة الكوكب بأسره من الطاقة الكهربائية.
لِمَ لا تحل الشمس − والحال كذلك − محل الوقود الأحفوري بالكليَّة؟ لم لا تحرك الكهرباء الشمسية سياراتنا وتضيئ بيوتنا بدلاً من الاعتماد على المفاعلات النووية والفحم وسواها من مصادر الطاقة الأقل أماناً؟

يُروى أن منارة الإسكندرية كانت مزوَّدة عند قمتها بمرآة كبيرة يتم تسليطها على سفن الأعداء فتسقط عليها أشعة الشمس وتحترق. سواء أكانت هذه القصة حقيقية أم مختلقة إلا أنها تشهد بفهم قديم للأدوار المتعددة لأشعة الشمس، نلحظه عند جدَّاتنا اللواتي استخدمن هذه الأشعة لتجفيف الغسيل. لكن فهم العلاقة الفيزيائية بين الضوء وموجات الطاقة لم يتحقق إلا بدايات القرن العشرين، ولم تظهر أول خلية كهروضوئية إلا عام 1954م في مختبرات (بيل) الأمريكية، وكانت تلك أول خلية يسعها أن تشغل جهازاً إلكترونياً.

منذ ذلك التاريخ وحتى اليوم، باتت «الطاقة الشمسية» بمنزلة الوعد والحلم لمصادر الطاقة البديلة للنفط. فالشمس تشعّ بتفاعلاتها النووية بعيداً على مسافة 150 مليون كيلومتر عن الأرض، هي آمن بكثير من المفاعلات النووية الصناعية التي تُرعبنا بحوادثها المحتملة. والشمس – عكس الرياح – تغطي الأرض كلها. كما أنها – عكس النفط والفحم – مصدر طاقة متجدد لا ينضب. بل إن مصادر الطاقة المتنوعة تبدو معتالة على الشمس. فحرارة الشمس تسخِّن الهواء في الغلاف الجوي الأرضي وترفعه للطبقات العليا. ويتحرك الهواء البارد ليملأ الفراغ. هذه الحركة هي ما نسميه رياحاً. وغني عن الذكر أن الحيوانات والنباتات التي عاشت وماتت قبل ملايين السنين قبل أن تتحول بقاياها إلى نفط وغاز وفحم، تلك الكائنات غذّت أجسامها طاقة أشعة الشمس.

لكنَّ مزيداً من التفكر في الأمر قد يكشف أن حلم الاستغناء بالشمس عن مصادر الطاقة الأخرى ليس وردياً، ولن يكون كاملاً كما قد يبدو لأول وهلة. فهناك تعقيدات تقنية ولوجستية عدة تعترض سبيل ذلك. إذ إن استغلال الطاقة الشمسية قائم على تحويل أشعة الشمس إلى طاقة كهربائية ذات فرق جهد (يقاس بالفولت) بواسطة ما يعرف بالخلايا «الفولت-ضوئية» المصنوعة أساساً من أشباه موصلات كالسليكون. والأسئلة الكبرى التي تطرح نفسها هنا، هي: ما مدى كفاءة هذه الخلايا؟ هل يسعها أن تنتج مقادير مهولة من الطاقة تنير مدننا الضخمة وتشغل المصانع ومحطات التحلية وأجهزتنا الكهربائية والإلكترونية المتعددة؟ هل يمكن لطائراتنا وبوارجنا و1,2 مليار سيارة أن تسير – ولو جزئياً – بفضل خلايا الطاقة الشمسية هذه؟ لأن النفط ومشتقاته يؤدي كل هذه المهمات على نحو جيِّد حتى الآن، ويتوقع أن تستمر كذلك إلى 100 سنة مقبلة. لِمَ التفكير في الطاقة الشمسية كبديل للنفط إذاً؟

لنبدأ بالخلية الضوئية
تبدو الطاقة الشمسية مغرية لعدة أسباب: فهي أولاً طاقة نظيفة لا تنتج عنها ملوثات. وثانياً فإن مصدرها يتوهج على الدوام بإشعاع لا ينضب، وإن كان مركزاً على مناطق دون مناطق عبر كوكبنا. وهذا السبب الثاني – يوحي – بكونها طاقة رخيصة كذلك. ثالثاً؛ الطاقة الشمسية سهلة التحويل إلى كهرباء وذلك بفضل التطور في صناعة الخلايا الشمسية.

الأسطح الصقيلة الزرقاء التي نراها في صور محطات الطاقة الشمسية ما هي إلا دارات كهربائية مطبوعة على ما يُعرف بالخلية الشمسية أو «الكهرو-ضوئية». ويتم وصل الخلايا الشمسية معاً لتشكل وحدة توليد طاقة كهربائية بفرق جهد معيَّن (12 فولتاً مثلاً) على هيئة تيار كهربي مستمر (AC). وبتجميع عدة خلايا معاً يصير لدينا لوح شمسي يمكن تثبيته على سطح البناية أو هيكل السيارة.

منذ أن ظهرت الخلية الكهروضوئية الأولى قبل ستة عقود وعنصر (السليكون) يُعد المكون الأشهر لها. يتم تصميم الخلية في رقاقة مُعالجة بشكل خاص لتشكل حقلاً كهربائياً ذا قطبين: موجب وسالب. وعندما تصل الطاقة الضوئية إلى الخلية، تقوم فوتونات ضوء الشمس بتحفيز حركة الإلكترونات إلى مستوى أعلى من الطاقة الحركية. يتم تجميع الإلكترونات المحفّزة على شكل تيار كهربائي إذا تم وصل نواقل كهربائية إلى الطرفين السالب والموجب. ويخضع تصميم الخلايا الكهروضوئية لتقنيات عدة معقدة لرفع كفاءتها، من ذلك رشها بمواد كيميائية لزيادة تفاعلاتها وتزويدها بمواد تقلل الانعكاس لتركيز أشعة الشمس عليها أكثر. والخلية الكهروضوئية العادية بمساحة 4 بوصات مربعة تُنتج ما يقارب 1.5 واط من الطاقة الكهربائية في ظهيرة يوم مشمس، ويبلغ متوسط عمر اللوح الشمسي 25 عاماً.

بدأ الاستغلال الحقيقي للألواح الشمسية مع بدايات استكشاف الفضاء كمصدر منطقي للطاقة المتجددة في غياهب الفضاء الخارجي. ولا تزال أشعة الشمس خياراً مثالياً لتشغيل آليات الأقمار الصناعية والمركبات التي لا يزال أحدها (Opportunity) في الخدمة على سطح المريخ منذ يناير 2004م.

ومع انخفاض تكلفة الخلايا الكهروضوئية وزيادة إنتاجها انخفضت أسعارها وتنوعت استخداماتها في الأجهزة اليومية، بدءاً من ساعات المعصم والآلات الحاسبة الصغيرة. فاليوم يزخر العالم بالمنتجات والمركبات التي تشتغل بطاقة الشمس، فضلاً عن المجتمعات التي تعتمد على محطات هائلة لحصد طاقة الشمس حول العالم.

حظوة متزايدة
حظيت الطاقة الشمسية باهتمام عالمي كبير كبديل واعد وبالذات مع الارتفاع في سعر النفط بعد عام 1973م. ومنذ ذلك التاريخ وحتى اليوم، لا تزال الطاقة الشمسية محل اهتمام متصاعد من الجهات البحثية والاستثمارية وتلك المناصرة لأشكال الطاقة الخضراء. وثمة مشاريع طموحة جداً في أمريكا وأوروبا واليابان والهند لتوليد مقادير عالية من الكهرباء الشمسية، فضلاً عن مبادرات عدة في المناطق النائية التي لا تصلها شبكات الكهرباء التقليدية في العالم الثالث.

ففي صحراء موهافي بجنوب كاليفورنيا، افتتحت محطة للطاقة الشمسية في فبراير 2015م كأكبر محطة لإنتاج الكهرباء من الطاقة الشمسية في العالم، تبلغ قدرتها 550 ميغا واط. وهي تستخدم نحو 8,8 مليون لوح من الكادميوم في هيئة خلايا شمسية.

ولا تفتأ الأخبار ترد بخصوص مشاريع لاستغلال طاقة الشمس في تطور منتجات ووسائل نقل متطورة. لعل أشهرها الطائرة (هيليوس) التي طورتها وكالة (ناسا) وحققت نتائج مبهرة قبل أن يتحطم نموذجها الرابع في المحيط الأطلسي قبالة سواحل هاواي عام 2003م. وهناك عدة محاولات معروفة لإنتاج سيارات شمسية. وتطورت الجهود البحثية في هذا الصدد إلى منافسات بين فرق الطلاب الجامعيين لتصميم مركبات تقطع مسافات بعيدة بكفاءة ضمن عدة (سباقات شمسية) تقام سنوياً في كل من أستراليا وأمريكا.

تحدّيات مختلفة
لكن، وعند الحديث عن تولد الطاقة الكافية لحياة الأحياء والمدن، فإن منظومة الطاقة الشمسية تتجاوز محض الألواح الشمسية. وستظهر لنا حينذاك تحديات قد تحدّ من حماستنا لهذه الفكرة.

فالخلايا الشمسية مثلاً هشة وسريعة العطب. وتتم حمايتها غالباً عبر وضع طبقة زجاجية فوقها. لكنها تظل حساسة أمام عوامل الطقس من سحب وأمطار والظواهر الجوية كالبرَد الذي قد يدمرها. ويُعد الغبار عدواً لدوداً للألواح الشمسية لأنه يحد من كفاءتها وقد يعطلها تماماً خاصة في المناطق الصحراوية التي هي الأنسب أصلاً لاستغلال وهج شمسها الوافر والمستمر.

كما أن تصميم محطات الطاقة الشمسية يمثِّل تحدياً هندسياً؛ لأنها يجب أن تقام في مناطق مفتوحة لا تطل عليها أية أبنية أو تضاريس مرتفعة تسقط ظلالها على الألواح خلال النهار فتعطل كفاءتها. وهذه الدقة في الحسابات تتم أيضاً على مستوى الألواح والرقائق التي توضع متقاربة بشكل مائل لتلتقط الكم الأكبر من إشعاع الشمس، لكن متباعدة بشكل يجعل كل رقيقة في منأى عن ظل الرقيقة المجاورة. طبعاً فالمساحات الفارغة هذه تُعد هندسياً بمنزلة الهدر لمورد كان يمكن استغلاله لحصد مزيد من ضوء الشمس.

مشكلة النظام الكهروضوئي الكبرى هي في صلب تعريفه، ذلك أنه معتمد كلياً على الشمس التي لا تلبث أن تغرب آخر النهار. ولخلق نظام طاقة متوازن بواسطة الألواح الشمسية، يجب تحديد المطلوب منه؛ هل ينتج الطاقة أثناء النهار فقط أم في النهار والليل؟ لأن الخيار الثاني يستلزم تأمين نوع من أنظمة تخزين الطاقة نهاراً لاستهلاكها ليلاً. وهذه الإشكالية تنسحب كذلك على وسائل المواصلات التي يراد لها أن تشتغل بالطاقة الشمسية. تخيل أنك تقود سيارتك الشمسية في يوم صحو، لتفاجئك سحابة عابرة. إن سيارتك هنا ستتباطأ وربما تقف. والحلول لهذه المشكلة تتراوح بين تزويد سيارتك ببطارية كهربائية احتياطية مكلفة وثقيلة، وبين اعتماد خزان وقود ثانوي – للطوارئ – وهي كلها حلول معقدة وغير عملية ولا مقبولة بالنظر للسهولة الكبيرة التي نتحرك بها بفضل منظومة الوقود النفطي الحالية.

من المشكلات الأخرى التي تواجه نظم الطاقة الشمسية هي في كونها تولد تياراً مستمراً. وللتكامل مع شبكات التيار الكهربي المنتشرة حول العالم لتزود المنازل والمنشآت بالطاقة، فلا بد من توصيل منظومة الطاقة الشمسية بمحوِّل للتيار الكهربائي من مستمر إلى متردد. ومن شأن ذلك أن يزيد من تكلفة الإنتاج الكليّة بطبيعة الحال.

هل هي حقاً فعالة؟
لتتحول أية تقنية إلى منتج فعالٍ ومنتشر في السوق، فلا بد أن تكون الجدوى الاقتصادية لها ذات مردود مقنع إن لم يكن عالياً. في مجال الطاقة تحديداً فإن الأماني الطيبة لا تكفي. وحتى مع وجود تجارب عدة لإمداد المناطق الفقيرة والنائية بالطاقة الشمسية، يظل سؤال التكلفة والمردود ملحاً بل وحاسماً. ويمكن صياغة هذا السؤال على النحو التالي: كيف تتغير تكلفة الإنتاج لكل كيلو واط في الساعة؟

ففي دراسة نشرت عام 2014م، حول التكلفة لكل كيلو واط في الساعة لعدة تقنيات بديلة مقارنة بمشتق النفط (الغازولين). يظهر جلياً أن الغازولين متفوق كثيراً على الطاقة الشمسية تحديداً في هذا الصدد. دون حساب التكاليف الإضافية الخاصة بالنقل والتخزين والصيانة.

ولوضع هذه التكاليف الإضافية في السياق، نشير إلى أنه في العام 2012م كان متوسط تكلفة الكهرباء على المستهلكين في الولايات المتحدة (المستهلك الأكبر للطاقة في العالم) 9.84 سنت لكل كيلو واط ساعة، بما في ذلك تكلفة نقل وتوزيع الكهرباء. وهذا يعني أن محطة رياح جديدة ستكلف أكثر من 50 في المئة لكل كيلوواط ساعة لإنتاج الكهرباء، ومحطة جديدة للطاقة الشمسية أكثر من 200 في المئة على الأقل لكل كيلوواط ساعة، مقارنة بتقنيات الوقود الأحفوري من نفط وخلافه.

مع ذلك وبالنظر للتذبذب في أسعار النفط وبالنظر للتطورات التقنية المتوقعة، ومع الضغط الكبير على الوقود الأحفوري تظل الطاقة الشمسية بديلاً معتبراً لإنتاج جزء من الطاقة الكهربائية، وتخفيف جزء من العبء الذي يتحمله النفط ومشتقاته في عالم يزداد شراهة للطاقة كل يوم.

التجربة السعودية
تتميز المملكة العربية السعودية بموقع فريد على الخريطة الشمسية للعالم. إذ إن أراضيها تتمتع بسطوع قوي ومستمر لأشعة الشمس على مدار العام. وتقدَّر «القدرة الشمسية» للمملكة بنحو 7 مليارات ميغا واط ساعي في العام وفقاً للمختبر الوطني للطاقة المتجددة في كولورادو.

والمشاريع الرائدة بالمملكة لاستغلال الطاقة الشمسية قديمة. نذكر منها مشروع القرية الشمسية بالعُيينة الذي كان خلال الثمانينيات الميلادية واحداً من 10 مشاريع دولية مشابهة والأكبر من نوعه في العالم. وتشير الدلائل إلى وجود نية قوية لاستعادة هذه الريادة الشمسية.

فوفقاً لتقرير نشرته (بلومبرغ بيزنس ويك) في أوائل 2015م، فإن المملكة العربية السعودية تخطط لاستثمار 109 مليارات دولار في منشآت الطاقة الشمسية لتوليد %20 من الاستهلاك المحلي للكهرباء بحلول عام 2032م، وهو ما يعادل 41 غيغا واط، متخطية بذلك المنتج الأول عالمياً؛ ألمانيا. وسيكون لهذه الخطط تأثير كبير على المملكة نظراً لاعتماد الاقتصاد السعودي على النفط كسلعة تصدير أولى. كما أن توليد الكهرباء وتحلية المياه يقتطعان نحو %40 من مجمل الاستهلاك المحلي للنفط.

وفي المجال البحثي التطويري، فقد نجح فريق من جامعة الملك فهد للبترول والمعادن في تصميم وتصنيع أول سيارة شمسية، وأول سيارة عربية عموماً، تُسجّل في نظام SAE الأمريكي، وهي السيارة «وهج» التي شاركت نسختها الأولى بنجاح في السباق الشمسي بأستراليا عام 2011م.

أما مدينة الملك عبدالله للطاقة الذرية والمتجددة (KACARE) التي تتمتع بشخصية اعتبارية مستقلة، منذ إنشائها في 2010م بموجب مرسوم ملكي، فتهتم بالمساهمة في التنمية المستدامة في المملكة من خلال استخدام العلوم والبحوث والصناعات ذات الصلة بالطاقة الذرية والمتجددة، وهي تولي اهتماماً كبيراً بالطاقة الشمسية.

وتعمل المؤسسة العامة لتحلية المياه المالحة (SWCC) منذ 2013م، على إنشاء ثلاث محطات لتحلية المياه تعمل بالطاقة الشمسية في كل من: حقل وضبا وفَرسان. وهناك محطتان لتحلية المياه تعملان بالطاقة الشمسية حالياً في الخفجي والجبيل. ويعود التقدم المحرز في تحلية المياه بالطاقة الشمسية إلى مشروع بحثي مشترك بين شركة «آي بي إم» للأبحاث ومدينة الملك عبدالعزيز للعلوم والتقنية.

ومن الواضح، في ضوء هذه المبادرات الطموحة، أن المملكة العربية السعودية تستعد لتصبح لاعباً رئيساً في سوق الطاقة الشمسية المزدهرة. كما أن توجه المملكة لتشجيع الاستثمار في مجال الطاقة المتجددة من الممكن أن يساعدها على أن تصبح منتجاً رئيساً للطاقة الشمسية في المستقبل. وهو مجال ستعضده بلا شك مشاريع الربط الكهربي الطموحة والمتوقعة على مستوى الخليج والعالم العربي