هندسة الطاقة

الموسوعة الحرة
الألواح الشمسية
الألواح الشمسية ، أداة لتسخير الطاقة المتجددة
توربينات الرياح
توربينات الرياح ، أداة لتسخير الطاقة المتجددة

هندسة الطاقة مجال هندسي متعدد التخصصات يركز على تحسين أنظمة الطاقة ، وتطوير تقنيات الطاقة المتجددة ، ورفع كفاءة الطاقة لتلبية الطلب العالمي المتزايد عليها بطريقة مستدامة . وتشمل مجالات مثل حصاد الطاقة وتخزينها ، وتحويل الطاقة ، ومواد الطاقة ، وأنظمة الطاقة ، وكفاءة الطاقة ، وخدمات الطاقة ، وإدارة المرافق ، وهندسة المصانع ، ونمذجة الطاقة ، والامتثال البيئي . وباعتبارها من أحدث التخصصات الهندسية، تلعب هندسة الطاقة دورًا محوريًا في مواجهة التحديات العالمية مثل تغير المناخ ، وخفض انبعاثات الكربون ، والانتقال من الوقود الأحفوري إلى مصادر الطاقة المتجددة والطاقة المستدامة . [ 1 ]

هندسة الطاقة هي أحد أحدث التخصصات الهندسية. تجمع هندسة الطاقة بين معارف الفيزياء والرياضيات والكيمياء ، وممارسات الهندسة الاقتصادية والبيئية. يوظف مهندسو الطاقة مهاراتهم لزيادة الكفاءة وتطوير مصادر الطاقة المتجددة. وتتمثل مهمتهم الرئيسية في إيجاد أكثر الطرق كفاءة واستدامة لتشغيل المباني وعمليات التصنيع. يقوم مهندسو الطاقة بتقييم استخدام الطاقة في هذه العمليات، ويقترحون سبلًا لتحسين الأنظمة، بما في ذلك اقتراح أنظمة إضاءة متطورة، وعزل أفضل، وخصائص تدفئة وتبريد أكثر كفاءة للمباني. [ 2 ] ورغم أن مهندس الطاقة يهتم بالحصول على الطاقة واستخدامها بأكثر الطرق ملاءمة للبيئة، إلا أن مجال عمله لا يقتصر على الطاقة المتجددة فقط، مثل الطاقة الكهرومائية والشمسية وطاقة الكتلة الحيوية والطاقة الحرارية الأرضية. كما يعمل مهندسو الطاقة في مجال استخراج النفط والغاز الطبيعي. [ 2 ] [ 3 ]

غاية

يتمثل الهدف الرئيسي لهندسة الطاقة في تحسين إنتاج واستخدام موارد الطاقة مع تقليل هدر الطاقة والحد من الأثر البيئي. يُعد هذا التخصص حيويًا لتصميم أنظمة تستهلك طاقة أقل، وتُحقق أهداف خفض انبعاثات الكربون، وتُحسّن كفاءة الطاقة في العمليات الصناعية والتجارية والسكنية. [ 4 ] غالبًا ما تُطبق هندسة الطاقة على تصميم المباني، مع إيلاء اهتمام كبير لأنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء والإضاءة والتبريد ، وذلك لتقليل أحمال الطاقة وزيادة كفاءة الأنظمة الحالية. يُنظر إلى هندسة الطاقة بشكل متزايد على أنها خطوة هامة نحو تحقيق أهداف خفض انبعاثات الكربون . ونظرًا لأن المباني والمنازل تستهلك أكثر من 40% من الطاقة في الولايات المتحدة، فإن خدمات مهندس الطاقة مطلوبة بشدة. [ 5 ]

تاريخ

لطالما اعتمدت الحضارات الإنسانية على تحويل الطاقة لأغراض متنوعة، بدءًا من استخدام النار وصولًا إلى تطوير دواليب المياه وطواحين الهواء، وانتهاءً بتوليد الكهرباء. بدأ إضفاء الطابع الرسمي على هندسة الطاقة خلال الثورة الصناعية ، وتسارع في منتصف القرن العشرين مع التقدم في أنظمة الطاقة الكهربائية والطاقة النووية وتقنيات الطاقة المتجددة. [ 6 ] أبرزت أزمة النفط عام 1973 الحاجة إلى زيادة كفاءة الطاقة وتحقيق استقلالها، مما أدى إلى وضع برامج حكومية جديدة ومعايير صناعية. بالإضافة إلى ذلك، كشفت أزمة الطاقة عام 1979 عن ضرورة إنجاز المزيد من العمل باستخدام طاقة أقل. وقد سنّت حكومة الولايات المتحدة عدة قوانين لتشجيع زيادة كفاءة الطاقة ، مثل القانون العام الأمريكي 94-413، وهو البرنامج الفيدرالي لحوافز السيارات النظيفة . [ 7 ]

هندسة الطاقة

أبراج نقل الطاقة
أبراج نقل الطاقة الكهربائية

يركز هندسة الطاقة ، التي تُعتبر فرعاً من الهندسة الكهربائية ، على توليد ونقل وتوزيع واستخدام الطاقة الكهربائية. ويشمل هذا المجال الفرعي البنية التحتية الحيوية، مثل محطات توليد الطاقة وشبكات الكهرباء وأنظمة تخزين الطاقة ، لضمان إيصال الطاقة بكفاءة وموثوقية إلى مختلف القطاعات. ومن بين التقنيات الناشئة في هندسة الطاقة تطوير الشبكات الذكية والشبكات الصغيرة وأنظمة تخزين الطاقة المتقدمة، مثل بطاريات الليثيوم أيون وخلايا وقود الهيدروجين ، والتي تُعدّ أساسية لمستقبل دمج الطاقة المتجددة.

الريادة في تصميم الطاقة والبيئة

الريادة في تصميم الطاقة والبيئة (LEED) هو برنامج أنشأه مجلس المباني الخضراء بالولايات المتحدة (USGBC) في مارس 2000. LEED هو برنامج يشجع البناء الأخضر ويعزز الاستدامة في بناء المباني وكفاءة المرافق في المباني.

في عام ٢٠١٢، طلب مجلس المباني الخضراء الأمريكي من شركة بوز ألين هاملتون المستقلة إجراء دراسة حول فعالية برنامج LEED. وقد أكدت هذه الدراسة أن المباني الخضراء تُحقق وفورات كبيرة في الطاقة. ففي الفترة من ٢٠٠٠ إلى ٢٠٠٨، حققت عمليات البناء والتجديد الخضراء وفورات في الطاقة بلغت ١.٣ مليار دولار. ومن هذا المبلغ، ساهمت المباني الحاصلة على شهادة LEED بمبلغ ٢٨١ مليون دولار. كما وجدت الدراسة أن إجمالي أعمال البناء الخضراء قد دعم ٢.٤ مليون وظيفة. [ ٨ ]

كفاءة الطاقة

محطة لتحويل النفايات إلى طاقة، قادرة على حرق النفايات لإنتاج الطاقة.

تُنظر إلى كفاءة الطاقة من زاويتين. الأولى هي إنجاز المزيد من العمل باستخدام نفس كمية الطاقة المُستهلكة. أما الثانية، فهي إنجاز نفس القدر من العمل باستخدام طاقة أقل في النظام. [ 9 ] ومن طرق تحقيق المزيد من العمل باستخدام طاقة أقل، ترشيد استهلاك المواد وإعادة استخدامها وتدويرها في الحياة اليومية. وقد أدى التقدم التكنولوجي إلى استخدامات أخرى للنفايات، مثل محطات تحويل النفايات إلى طاقة ، التي تُحوّل النفايات الصلبة من خلال عملية التغويز أو التحلل الحراري إلى وقود سائل قابل للاحتراق. وذكرت وكالة حماية البيئة أن الولايات المتحدة أنتجت 250 مليون طن من النفايات البلدية في عام 2010. ومن هذه الكمية، يُدفن حوالي 54% في مكبات النفايات، ويُعاد تدوير 33%، بينما يُحوّل 13% إلى محطات استخلاص الطاقة . [ 10 ] في الدول الأوروبية التي تدفع أسعارًا أعلى للوقود، مثل الدنمارك حيث اقترب سعر الغاز من 2.6 دولار للتر (10 دولارات للجالون الأمريكي) في عام 2010، توجد مرافق متطورة لتحويل النفايات إلى طاقة. [ 11 ] في عام 2010، أرسلت الدنمارك 7% من نفاياتها إلى مكبات النفايات، وأُعيد تدوير 69% منها، بينما أُرسلت 24% إلى مرافق تحويل النفايات إلى طاقة. وهناك العديد من الدول الأوروبية الغربية المتقدمة الأخرى التي أخذت هندسة الطاقة في الاعتبار أيضًا. [ 10 ] ومن الأمثلة على ذلك سياسة " تحول الطاقة " الألمانية ، التي حددت هدفًا لتلبية 80% من احتياجات الكهرباء من مصادر الطاقة المتجددة بحلول عام 2050. [ 12 ] 

إحصائيات

اعتبارًا من عام 2023، يتراوح متوسط ​​الراتب السنوي لمهندسي الطاقة في الولايات المتحدة بين 75,000 و95,000 دولار أمريكي، وذلك تبعًا للخبرة والموقع الجغرافي. [ 13 ] ويميل مهندسو الطاقة ذوو الخبرة في مجال الطاقة المتجددة وتخزين الطاقة إلى الحصول على رواتب أعلى نظرًا للطلب المتزايد على الحلول المستدامة. ولا يزال التوزيع الجنساني في هذا المجال مهيمنًا، حيث يشكل المهندسون الذكور حوالي 80%، على الرغم من الجهود المبذولة لزيادة التنوع من خلال المنح الدراسية وبرامج الإرشاد. [ 14 ] ومن المتوقع أن يشهد سوق العمل لمهندسي الطاقة نموًا سريعًا خلال العقد القادم، مدفوعًا بالتحول نحو الطاقة النظيفة والحلول المستدامة لقضايا المناخ المعاصرة. [ 15 ]

تعليم

للحصول على وظيفة مهندس طاقة، يُشترط عادةً الحصول على درجة البكالوريوس في هندسة الطاقة أو المجالات ذات الصلة كالهندسة الميكانيكية أو الكهربائية أو البيئية . وتقدم العديد من الجامعات حاليًا برامج متخصصة في هندسة الطاقة مع التركيز على الطاقة المتجددة وتخزين الطاقة وإدارة الشبكات. كما تُسهم الشهادات المتقدمة، مثل شهادة مدير الطاقة المعتمد (CEM) التي تقدمها جمعية مهندسي الطاقة ، وبرامج الدراسات العليا في أنظمة الطاقة المستدامة، في تعزيز المسارات المهنية. بالإضافة إلى ذلك، أنشأت العديد من الجامعات حول العالم أقسامًا أو مراكز تُقدم شهادات في هندسة الطاقة، وذلك لإعداد المهندسين المستقبليين بشكل أفضل لمسيرتهم المهنية. ومن هذه البرامج شهادة IEP PEM التي تُقدم في جامعة فرجينيا للتكنولوجيا . [ 16 ]

التقنيات الناشئة

بطارية تدفق تستخدم في تخزين الطاقة

تُعيد التقنيات الناشئة في هندسة الطاقة تشكيل طريقة إنتاج الطاقة وتخزينها واستهلاكها. وتُمهّد ابتكاراتٌ مثل ألواح الطاقة الشمسية من الجيل التالي، وتوربينات الرياح الحديثة، وأنظمة تخزين الطاقة (مثل بطاريات التدفق وخلايا وقود الهيدروجين )، وتقنيات الشبكات الذكية ، الطريق لمستقبل طاقة أكثر استدامة. [ 17 ] [ 18 ] وتُعدّ هذه التقنيات بالغة الأهمية في تقليل الاعتماد على الوقود الأحفوري وضمان استقرار أنظمة الطاقة المتجددة. وتشمل التطورات الأخرى تطبيقات الذكاء الاصطناعي والتعلم الآلي لتحسين استخدام الطاقة في الوقت الفعلي، وأنظمة احتجاز الكربون وتخزينه (CCS) للحدّ من الانبعاثات من محطات الطاقة القائمة.

هندسة الطاقة في السياسة والمجتمع

يؤدي مهندسو الطاقة دورًا محوريًا في صياغة سياسات الطاقة ولوائحها على مستوى العالم. وتُعدّ خبراتهم أساسية في وضع معايير كفاءة الطاقة، ودمج الطاقة المتجددة، والحدّ من البصمة الكربونية. وتؤثر مبادرات عالمية مثل اتفاقية باريس والصفقة الخضراء الأوروبية على ممارسات هندسة الطاقة، دافعةً هذا المجال نحو حلول طاقة أكثر استدامة وإنصافًا. إضافةً إلى ذلك، يشارك مهندسو الطاقة بشكل متزايد في التعاون بين القطاعين العام والخاص، حيث يعملون مع الحكومات والشركات لتصميم وتنفيذ مشاريع بنية تحتية ضخمة للطاقة، والتي سيكون لها آثار اجتماعية وسياسية. [ 19 ]

انظر أيضاً

ملحوظات

  1. ↑ غالاغر، كيلي سيمز؛ هولدرين، جون ب.؛ ساغار، أمبوج د. (2006-11-01). "ابتكار تكنولوجيا الطاقة" . المراجعة السنوية للبيئة والموارد . 31 (1): 193-237 . Bibcode : 2006ARER...31..193G . doi : 10.1146/annurev.energy.30.050504.144321 . ISSN 1543-5938 . 
  2. 1 2 هندسة بيركلي (2013).
  3. ↑ محررو AGCAS (2011).
  4. ↑ روزن، مارك أ. (يناير 2013). "الهندسة والاستدامة: المواقف والإجراءات" . الاستدامة . 5 (1): 372-386 . Bibcode : 2013Sust....5..372R . doi : 10.3390/su5010372 . ISSN 2071-1050 . 
  5. ↑ أصدقاء العلوم (2013).
  6. ↑ "المهندسون والثورة الصناعية في بريطانيا في القرن التاسع عشر" . المكتب الوطني للبحوث الاقتصادية . تم الاطلاع عليه بتاريخ 14 أكتوبر 2024 .
  7. ↑ بيرمان (2011).
  8. ↑ بوز ألين هاملتون (2012).
  9. ↑ المعارك والحروق (1999).
  10. 1 2 كروفورد (2013).
  11. ↑ تومسون (2011).
  12. ↑ باك ومورغان (2013).
  13. ↑ توربي، إلكا. "المهندسون: التوظيف والأجور والتوقعات" . مكتب إحصاءات العمل . تم الاسترجاع في 14 أكتوبر 2024 .
  14. ↑ باتريك، أنيتا؛ ريجل-كرومب، كاثرين؛ بورّيغو، مورا (2021). "دراسة الفجوة بين الجنسين في الهوية المهنية للمهندسين" . مجلة المرأة والأقليات في العلوم والهندسة . 27 (1): 31-55 . Bibcode : 2021JWMSE..27...31P . doi : 10.1615/jwomenminorscieneng.2020030909 . ISSN 1072-8325 . PMC 10798663. PMID 38250628 .   
  15. ↑ "تزويد المستقبل بالطاقة: استكشاف ازدياد فرص العمل في مجال الطاقة النظيفة" . lpsonline.sas.upenn.edu . 29 أبريل 2024. تاريخ الاطلاع: 14 أكتوبر 2024 .
  16. ↑ "شهادة مدير الطاقة المحترف" . Cpe.vt.edu . تم الاطلاع عليه بتاريخ 26-04-2020 .
  17. ↑ المأمون، أ.؛ سنداراج، ك.؛ أحمد، ن.؛ أحمد، ن. يو.؛ رحمن، سام؛ أحمد، ر. ب.؛ كبير، محمد ح. (2013). تصميم وتطوير نظام طاقة شمسية منخفض التكلفة للمناطق الريفية . ص 31-35 . doi : 10.1109/SPC.2013.6735098 . ISBN  978-1-4799-2209-3.
  18. ↑ بالات، م. (9 أكتوبر 2009). "مراجعة لتكنولوجيا توربينات الرياح الحديثة" . مصادر الطاقة، الجزء أ: الاستخلاص، والاستخدام، والآثار البيئية . 31 (17): 1561-1572 . Bibcode : 2009EneSA..31.1561B . doi : 10.1080/15567030802094045 . ISSN 1556-7036 . 
  19. ↑ الشيخ، ناصر ج.؛ كوجا أوغلو، دوندار ف.؛ لوتزنهايزر، لورين (2016-07-01). "الآثار الاجتماعية والسياسية للطاقة المتجددة: مراجعة الأدبيات" . التنبؤ التكنولوجي والتغير الاجتماعي . 108 : 102-110 . Bibcode : 2016TFSC..108..102S . doi : 10.1016/j.techfore.2016.04.022 . ISSN 0040-1625 . 

مراجع