يعد الانتقال إلى اقتصاد خالٍ من انبعاثات غازات الدفيئة (GHG) هدفًا تسعى إليه العديد من البلدان. تم اقتراح نُهج وجداول زمنية مختلفة ، لكنها تنطوي جميعها على اعتماد أكبر على الكهرباء لتشغيل الأجزاء الرئيسية من الاقتصاد ، بما في ذلك النقل والصناعة والمباني السكنية / التجارية.
في هذه المقالة ، سنسلط الضوء على بعض النتائج الرئيسية من تقرير منظور إزالة الكربون السنوي للولايات المتحدة (ADP) لعام 2022. يبحث هذا التقرير في سيناريوهات مختلفة لتحقيق اقتصاد خالٍ من الصفر. يُطلق على النهج الذي سنركز عليه هنا “السيناريو المركزي” ، والذي يتبع جدولًا زمنيًا لتحقيق صافي صفر بحلول عام 2050.
المساهمين الرئيسيين في غازات الدفيئة
دعونا ننظر أولاً إلى المصادر الرئيسية للطلب على الطاقة والانبعاثات المقابلة لها لعام 2021. تشكل الطاقة المستخدمة في النقل والصناعة والمباني التجارية والسكنية الجزء الأكبر من الطلب على الطاقة ، حيث يساهم النقل بشكل أكبر في انبعاثات غازات الدفيئة ، بينما يأتي إنتاج الكهرباء من المحطات التي تعمل بالفحم أو الغاز في المرتبة الثانية.
دعنا الآن نلقي نظرة على الإسقاطات الواردة في تقرير ADP هذا.
افتراضات السيناريو المركزي
يعتمد السيناريو المركزي على الافتراضات الرئيسية التالية:
- إنه المسار الأقل تكلفة لتحقيق صافي انبعاثات غازات الدفيئة الصفرية بحلول عام 2050 في الولايات المتحدة. إنه يفترض كهربة عالية من جانب الطلب وقيود قليلة على جانب العرض. تزداد قدرة توليد الكهرباء بأكثر من ثلاثة أضعاف عن المستويات الحالية.
- يستمر إنتاج طاقة الوقود الأحفوري في هذا السيناريو ، وإن كان بمستوى منخفض للغاية ، في خلق أقل من 20٪ من إجمالي الطاقة بحلول عام 2050 ، مقارنة بـ 80٪ في عام 2021. صافي استخدام الوقود الهيدروكربوني السائل والغازي هو من المتوقع أن ينخفض من 64 إكساجول اليوم إلى 17 إكساجول في عام 2050.
- تساهم مصادر الطاقة المتجددة بنسبة 67٪ من الطاقة المنتجة بحلول عام 2050. ومن حيث توليد الكهرباء ، تهيمن طاقة الرياح وإنتاج الطاقة الشمسية ، حيث تساهم معًا بأكثر من 85٪ من الإنتاج بحلول عام 2050.
- ويشمل عزل الكربون لتحقيق الهدف الصافي الصفري عند مستوى 449 ميغا طن من ثاني أكسيد الكربون2/سنة.
- مقارنة بالسيناريو الأساسي (أي الاستمرار في المسار الحالي لإمدادات الطاقة والطلب عليها وتوليد ما يقرب من 5 جيجا طن من ثاني أكسيد الكربون2 ما يعادله في السنة) يحتوي السيناريو المركزي على تكلفة مضافة قدرها 236 مليار دولار في السنة ، أي ما يقرب من 0.6 ٪ من إجمالي الناتج المحلي. هذه التكلفة يتم تعويضها أكثر من المدخرات المتوقعة في الرعاية الصحية من جودة الهواء المحسنة.
دعنا الآن نلقي نظرة على العرض والطلب بمزيد من التفصيل.
توقعات امدادات الطاقة
كما هو مبين في الشكل 2 ، من المتوقع أن ينخفض إجمالي إمدادات الطاقة في ظل السيناريو المركزي ، حيث تستفيد الكفاءات الأعلى في مساحة تطبيق الطلب الرئيسية من زيادة الكهرباء وتفوق الطلب الإضافي على الطاقة من النمو السكاني. من المتوقع أن يبلغ إجمالي توليد الكهرباء حوالي 5000 جيجاوات بحلول عام 2050 ، حيث يساهم توليد الطاقة الشمسية والرياح معًا بأكثر من 85 ٪ من هذا.
تشمل التحديات على جانب العرض ما يلي:
- تحديث الشبكة: من المحتمل أن يؤدي تقليل الخسارة في كل من تحويل الطاقة وتوزيعها إلى اعتماد واسع النطاق لتوزيع HVDC ومحولات الحالة الصلبة جنبًا إلى جنب مع محولات الطاقة المعيارية القائمة على مواد ذات فجوة نطاق واسعة مثل كربيد السيليكون والقدرة على الحصول على ثنائية الاتجاه في تدفق الطاقة لمواقع توليد الطاقة المتجددة ، سواء على المستوى التجاري أو السكني. ويشمل ذلك أيضًا سهولة توصيل السيارة بالشبكة وغيرها من المخططات المماثلة حتى يتمكن العميل من استخدام بطارية السيارة الكهربائية كمصدر طاقة منزلي.
- يتطلب التبني الواسع للمركبات الكهربائية شبكة شحن واسعة تلبي متطلبات الشحن السريع (مثل المستوى 3 DCFC) وتقنية بطارية أكثر كفاءة.
- بحلول عام 2050 ، من المتوقع وجود حوالي 400 جيجاوات من تخزين الطاقة في السيناريو المركزي لتقرير ADP ، مع وجود الغالبية العظمى من هذا في تخزين قصير المدى (بضع ساعات) يعتمد على البطارية. التخزين طويل الأجل (أيام أو أسابيع) ، مثل تخزين الطاقة الحرارية (TES) ، وتخزين الهيدروجين وضخ الهيدروجين ، سيلعب أيضًا دورًا رئيسيًا لتلبية الطلب بشكل أفضل مقابل تأخر العرض في الطاقة المتجددة.
- يتم تلبية التدفئة الشتوية الحالية إلى حد كبير بالغاز ، ويمكن أن يؤدي تحويل هذا إلى نظام قائم على الكهرباء إلى خلق تحديات. يجب أن تكون المضخات الحرارية الأكثر كفاءة والتخزين الحراري والهيدروجين جزءًا من الحل.
توقعات الطلب على الطاقة
كما هو مبين في الشكل 3 ، من المتوقع أن ينخفض إجمالي الطلب على الطاقة عبر القطاعات الرئيسية للمباني السكنية / التجارية والنقل بسبب الحلول عالية الكفاءة. وخير مثال على ذلك هو EV ، حيث تكون الطاقة الكهربائية أكثر كفاءة من محرك الاحتراق الداخلي في تحريك السيارة. تدفئة المساحات السكنية ، والتي تمثل أكثر من 40٪ من استهلاك الطاقة المنزلية في الولايات المتحدة ، تعمل حاليًا بالكهرباء بنسبة 37٪. ومن المتوقع أن تصل هذه النسبة إلى 92٪ بحلول عام 2050.
يكمن التحدي الأكبر في الكهربة في بعض الصناعات مثل إنتاج المواد الكيميائية السائبة ، وخاصة تلك التي تتطلب حرارة عالية حيث يكون استبدال الوقود الأحفوري في مثل هذه التطبيقات أكثر صعوبة. بالنسبة للعمليات التي تحتاج إلى أحمال تسخين أقل من 750 درجة مئوية ، من المتوقع أن تساهم الكهرباء بحوالي 50٪ ، مع احتلال الهيدروجين لجزء كبير من الباقي. من المتوقع أن تعتمد الصناعات مثل الحديد والصلب بنسبة 100 ٪ على الهيدروجين للتدفئة ، مع تشغيل الكهرباء لمحركات الماكينة والتدفئة والتهوية وتكييف الهواء المستخدمة في إنتاجها. وبالمثل ، من المتوقع أن تعتمد الشاحنات الثقيلة وسكك الشحن بشكل كبير على الهيدروجين.
تم تقدير توليد البخار ليشكل 38٪ من استخدام طاقة التصنيع العالمية (44 EJ) في 2005. في السيناريو المركزي لتقرير ADP ، TES الخالية من الأحافير (مثل الملح المصهور) جنبًا إلى جنب مع المضخات الحرارية عالية الحرارة والكهرباء / تمثل الغلايات ذات الوقود المزدوج> 50٪ من إنتاج البخار بحلول عام 2050.
يقدم تقرير ADP 2022 عدة مسارات لإزالة الكربون. من المتوقع أن يتسارع الاتجاه الملحوظ في زيادة استخدام الطاقة الشمسية وطاقة الرياح في السنوات القادمة. من المتوقع أن تؤدي التحسينات الرئيسية في شبكة الطاقة للتوليد والتوزيع والتخزين إلى زيادة الكفاءة والتكيف مع التباين في توليد الطاقة المتجددة. يُنظر إلى زيادة الكهرباء في التطبيقات السكنية والتجارية والنقل والصناعية على أنها ضرورية لتحقيق صافي انبعاثات غازات الدفيئة الصفرية ، على الرغم من أن كل قطاع سيواجه تحديات في قطاعات معينة.
