الكهرباء منخفضة الكربون

تتميز محطات الطاقة الكهرومائية بطول عمرها التشغيلي، حيث تعمل العديد من المحطات القائمة منذ أكثر من مئة عام. كما تُعدّ الطاقة الكهرومائية تقنية مرنة للغاية من حيث تشغيل شبكة الكهرباء. وتُوفّر محطات الطاقة الكهرومائية الكبيرة أحد أقل الخيارات تكلفةً في سوق الطاقة اليوم، حتى بالمقارنة مع الوقود الأحفوري ، ولا تُصدر أي انبعاثات ضارة مرتبطة بتشغيلها. ^{[ 17 ]} ومع ذلك، عادةً ما تكون انبعاثات غازات الاحتباس الحراري منخفضة في الخزانات ، وقد تكون مرتفعة في المناطق الاستوائية.

تُعد الطاقة الكهرومائية أكبر مصدر منخفض الكربون للكهرباء في العالم، حيث وفرت 15.6٪ من إجمالي الكهرباء في عام 2019. [ ^{18 ] وتُعد} الصين أكبر منتج للطاقة الكهرومائية في العالم بفارق كبير ، تليها البرازيل وكندا .

مع ذلك، توجد عدة عيوب اجتماعية وبيئية هامة لأنظمة الطاقة الكهرومائية واسعة النطاق، منها: تشريد السكان في حال وجودهم في المناطق المزمع إنشاء الخزانات فيها، وانبعاث كميات كبيرة من ثاني أكسيد الكربون والميثان أثناء بناء الخزانات وغمرها بالمياه، واضطراب النظم البيئية المائية والحياة البرية. ^{[ 19 ]} وهناك إجماع قوي الآن على ضرورة تبني الدول نهجًا متكاملًا لإدارة موارد المياه، يشمل تخطيط تطوير الطاقة الكهرومائية بالتعاون مع القطاعات الأخرى المستخدمة للمياه. ^{[ 17 ]}

الطاقة النووية ، بحصة 9٪ من إنتاج الكهرباء العالمي من 440 مفاعل طاقة اعتبارًا من عام 2025. ^{[ 20 ]}

في عام 2010، وفّرت الطاقة النووية ثلثي الطاقة منخفضة الكربون في دول الاتحاد الأوروبي السبع والعشرين، ^{[ 21 ]} حيث تعتمد بعض دول الاتحاد الأوروبي بشكل كبير على الطاقة النووية لتوليد جزء كبير من كهربائها؛ فعلى سبيل المثال، تستمد فرنسا 79% من كهربائها من الطاقة النووية . وبحلول عام 2020، وفّرت الطاقة النووية 47% من الطاقة منخفضة الكربون في الاتحاد الأوروبي، ^{[ 22 ]} حيث حققت الدول التي تعتمد بشكل كبير على الطاقة النووية كثافة كربونية تتراوح بين 30 و60 غرامًا من مكافئ ثاني أكسيد الكربون لكل كيلوواط ساعة. ^{[ 23 ]}

في عام 2021، وصفت اللجنة الاقتصادية لأوروبا التابعة للأمم المتحدة الطاقة النووية بأنها أداة مهمة للتخفيف من آثار تغير المناخ، حيث ساهمت في منع انبعاث 74 جيجا طن من _ثاني أكسيد الكربون على مدى نصف القرن الماضي، ووفرت 20% من الطاقة في أوروبا و43% من الطاقة منخفضة الكربون. ^{[ 24 ]}

تُستخدم الطاقة النووية منذ خمسينيات القرن الماضي كمصدر منخفض الكربون لتوليد الطاقة الكهربائية الأساسية . ^{[ 26 ]} تُنتج محطات الطاقة النووية في أكثر من 30 دولة حوالي 10% من الكهرباء العالمية. ^{[ 27 ]} وبحلول عام 2019، ولّدت الطاقة النووية أكثر من ربع إجمالي الطاقة منخفضة الكربون ، مما يجعلها ثاني أكبر مصدر بعد الطاقة الكهرومائية. ^{[ 28 ]}

تتشابه انبعاثات غازات الاحتباس الحراري الناتجة عن دورة حياة الطاقة النووية - بما في ذلك استخراج اليورانيوم ومعالجته - مع الانبعاثات الناتجة عن مصادر الطاقة المتجددة. ^{[ 29 ]} وتستهلك الطاقة النووية مساحة صغيرة من الأرض لكل وحدة طاقة منتجة، مقارنةً بمصادر الطاقة المتجددة الرئيسية. إضافةً إلى ذلك، لا تُسبب الطاقة النووية تلوثًا للهواء على المستوى المحلي. ^{[ 30 ] [ 31 ]} ورغم أن خام اليورانيوم المستخدم في تشغيل محطات الطاقة النووية مورد غير متجدد، إلا أن الكمية المتوفرة منه تكفي لتوفير إمدادات لمئات أو آلاف السنين. ^{[ 32 ] [ 33 ]} ومع ذلك، فإن موارد اليورانيوم التي يمكن الوصول إليها بطريقة مجدية اقتصاديًا، في الوضع الراهن، محدودة، ومن الصعب على إنتاج اليورانيوم مواكبة الطلب خلال مرحلة التوسع. ^{[ 34 ]} وعادةً ما تتضمن مسارات التخفيف من آثار تغير المناخ، المتوافقة مع الأهداف الطموحة، زيادة في إمدادات الطاقة من الطاقة النووية. ^{[ 35 ]}

يثور جدلٌ حول استدامة الطاقة النووية، ويعود ذلك جزئيًا إلى المخاوف المتعلقة بالنفايات النووية ، وانتشار الأسلحة النووية ، والحوادث . ^{[ 33 ]} يجب إدارة النفايات النووية المشعة لآلاف السنين. ^{[ 33 ]} مقابل كل وحدة طاقة منتجة، تسببت الطاقة النووية في وفيات أقل بكثير نتيجة الحوادث والتلوث مقارنةً بالوقود الأحفوري، كما أن معدل الوفيات التاريخي للطاقة النووية يُضاهي معدل الوفيات الناتج عن مصادر الطاقة المتجددة. ^{[ 36 ]} غالبًا ما تجعل المعارضة الشعبية للطاقة النووية إنشاء محطات الطاقة النووية أمرًا صعبًا من الناحية السياسية. ^{[ 33 ]}

لطالما كان تقليل وقت وتكلفة بناء محطات نووية جديدة هدفًا لعقود، إلا أن التكاليف لا تزال مرتفعة والمدة الزمنية طويلة. ^{[ 37 ]} يجري تطوير أشكال جديدة من الطاقة النووية، على أمل معالجة عيوب المحطات التقليدية. تتميز مفاعلات التوليد السريع بقدرتها على إعادة تدوير النفايات النووية ، وبالتالي يمكنها تقليل كمية النفايات التي تتطلب التخلص الجيولوجي بشكل كبير ، ولكنها لم تُنشر بعد على نطاق تجاري واسع. ^{[ 38 ]} قد توفر الطاقة النووية القائمة على الثوريوم (بدلاً من اليورانيوم) أمنًا طاقيًا أكبر للدول التي لا تمتلك مخزونًا كبيرًا من اليورانيوم. ^{[ 33 ]} قد تتمتع المفاعلات المعيارية الصغيرة بعدة مزايا مقارنة بالمفاعلات الكبيرة الحالية: إذ يُفترض أن يكون من الممكن بناؤها بشكل أسرع، كما أن تصميمها المعياري يسمح بخفض التكاليف من خلال التعلم بالممارسة . ^{[ 39 ]} وتُعتبر أيضًا أكثر أمانًا من محطات الطاقة التقليدية. ^{[ 40 ]}

تسعى عدة دول إلى تطوير مفاعلات الاندماج النووي ، التي من شأنها أن تُنتج كميات قليلة من النفايات دون أي خطر للانفجارات. ^{[ 41 ]} ورغم أن طاقة الاندماج قد حققت تقدماً ملحوظاً في المختبر، إلا أن المدة الزمنية التي تمتد لعقود عديدة للوصول بها إلى مرحلة التسويق ثم الإنتاج على نطاق واسع تعني أنها لن تُسهم في تحقيق هدف الوصول إلى صافي انبعاثات صفرية بحلول عام 2050 للتخفيف من آثار تغير المناخ. ^{[ 42 ]}

الطاقة الشمسية هي تحويل ضوء الشمس إلى كهرباء، إما مباشرةً باستخدام الخلايا الكهروضوئية ، أو بشكل غير مباشر باستخدام الطاقة الشمسية المركزة . تستخدم أنظمة الطاقة الشمسية المركزة عدسات أو مرايا وأنظمة تتبع لتركيز مساحة كبيرة من ضوء الشمس في حزمة صغيرة. أما الخلايا الكهروضوئية فتحول الضوء إلى تيار كهربائي باستخدام التأثير الكهروضوئي . ^{[ 55 ]}

طُوّرت محطات الطاقة الشمسية المركزة التجارية لأول مرة في ثمانينيات القرن الماضي. وتُعدّ محطة SEGS CSP بقدرة 354 ميغاواط أكبر محطة طاقة شمسية في العالم، وتقع في صحراء موهافي بولاية كاليفورنيا. ومن بين محطات الطاقة الشمسية المركزة الكبيرة الأخرى محطة سولنوفا للطاقة الشمسية (150 ميغاواط) ومحطة أنداسول للطاقة الشمسية (150 ميغاواط)، وكلاهما في إسبانيا. أما مشروع أغوا كالينتي للطاقة الشمسية في الولايات المتحدة، بقدرة تزيد عن 200 ميغاواط ، ومنتزه شارانكا للطاقة الشمسية في الهند، بقدرة 214 ميغاواط، فهما أكبر محطات الطاقة الكهروضوئية في العالم . وبلغت حصة الطاقة الشمسية من إجمالي استهلاك الكهرباء العالمي 1% في نهاية عام 2014. ^{[ 56 ]}

الكهرباء الحرارية الأرضية هي الكهرباء المولدة من الطاقة الحرارية الأرضية. تشمل التقنيات المستخدمة محطات توليد الطاقة بالبخار الجاف، ومحطات توليد الطاقة بالبخار الفوري، ومحطات توليد الطاقة بالدورة الثنائية. يُستخدم توليد الكهرباء الحرارية الأرضية في 24 دولة ^{[ 57 ]} ، بينما يُستخدم التدفئة الحرارية الأرضية في 70 دولة. ^{[ 58 ]}

تبلغ القدرة المركبة الحالية في جميع أنحاء العالم 10715 ميغاواط، وتتركز أكبر قدرة في الولايات المتحدة (3086 ميغاواط)، ^{[ 59 ]} والفلبين ، وإندونيسيا . وتتراوح تقديرات إمكانات توليد الكهرباء من الطاقة الحرارية الأرضية بين 35 و2000  غيغاواط. ^{[ 58 ]}

تُعتبر الطاقة الحرارية الأرضية مستدامة لأن كمية الحرارة المستخرجة منها قليلة مقارنةً بمحتوى حرارة الأرض. ^{[ 60 ]} ويبلغ متوسط ​​كثافة انبعاثات محطات الطاقة الحرارية الأرضية القائمة 122 كيلوغرامًا من  ثاني أكسيد الكربون.₂ لكل ميغاواط ساعة (MW·h) من الكهرباء، وهو جزء صغير من ذلك الذي تنتجه محطات الوقود الأحفوري التقليدية. ^{[ 61 ]}

الطاقة المدية هي شكل من أشكال الطاقة الكهرومائية التي تحوّل طاقة المد والجزر إلى كهرباء أو أشكال أخرى مفيدة من الطاقة. بدأ تشغيل أول محطة طاقة مدية واسعة النطاق ( محطة رانس للطاقة المدية ) عام ١٩٦٦. ورغم أنها لم تُستخدم على نطاق واسع بعد، إلا أن الطاقة المدية تحمل إمكانات واعدة لتوليد الكهرباء في المستقبل. وتتميز حركة المد والجزر بأنها أكثر قابلية للتنبؤ من طاقة الرياح والطاقة الشمسية.

تُستخدم تقنية احتجاز الكربون وتخزينه (CCS) لالتقاط ثاني أكسيد الكربون من غازات المداخن المنبعثة من محطات توليد الطاقة أو غيرها من الصناعات، ونقله إلى موقع مناسب حيث يُدفن بأمان في خزان تحت الأرض. وبين عامي 1972 و2017، وُضعت خطط لإضافة تقنية احتجاز الكربون وتخزينه إلى عدد كافٍ من محطات توليد الطاقة التي تعمل بالفحم والغاز لعزل 171 مليون طن من ثاني أكسيد الكربون._{بمعدل مشروعين} سنويًا، ولكن بحلول عام 2021، فشلت أكثر من 98% من هذه الخطط. ^{[ 62 ]} وقد ساهمت التكلفة، وغياب تدابير لمعالجة المسؤولية طويلة الأجل عن_ثاني، ومحدودية القبول الاجتماعي، في إلغاء المشاريع. ^{[ 63 ] : 133}اعتبارًا من عام 2024، لا تزال تقنية احتجاز الكربون وتخزينه قيد التشغيل في خمس محطات طاقة فقط حول العالم. ^{[ 64 ]}

ذكرت الهيئة الحكومية الدولية المعنية بتغير المناخ في تقرير فريق العمل الأول أن "معظم الزيادة الملحوظة في متوسط ​​درجات الحرارة العالمية منذ منتصف القرن العشرين من المرجح أن تكون بسبب الزيادة الملحوظة في تركيزات غازات الدفيئة البشرية المنشأ، والتي تساهم في تغير المناخ . ^{[ 65 ]}

يمثل ثاني أكسيد الكربون (CO2 ₎ نسبة 72 بالمائة من إجمالي انبعاثات غازات الدفيئة البشرية المنشأ (انظر غازات الدفيئة )، وقد زاد تركيزه في الغلاف الجوي من 315 جزءًا في المليون (ppm) في عام 1958 إلى أكثر من 375 جزءًا في المليون في عام 2005. ^{[ 66 ]}

تشكل الانبعاثات الناتجة عن الطاقة أكثر من 61.4% من إجمالي انبعاثات غازات الاحتباس الحراري. ^{[ 67 ]} ويمثل توليد الطاقة من مصادر الفحم التقليدية 18.8% من إجمالي انبعاثات غازات الاحتباس الحراري في العالم، أي ما يقارب ضعف ما ينبعث من النقل البري. ^{[ 67 ]}

تشير التقديرات إلى أنه بحلول عام 2020 سينتج العالم حوالي ضعف كمية انبعاثات الكربون التي كان ينتجها في عام 2000. ^{[ 68 ]}

يأمل الاتحاد الأوروبي في توقيع قانون يلزم جميع الدول الـ 27 الأعضاء بتحقيق صافي انبعاثات غازات دفيئة صفرية في العام المقبل.

من المتوقع أن يرتفع استهلاك الطاقة العالمي من 123 ألف تيراواط/ساعة (421 كوادريليون وحدة حرارية بريطانية ) في عام 2003 إلى 212 ألف تيراواط/ساعة (722 كوادريليون وحدة حرارية بريطانية) في عام 2030. ^{[ 69 ]} كما يُتوقع أن يتضاعف استهلاك الفحم تقريبًا خلال الفترة نفسها. ^{[ 70 ]} ويُلاحظ أسرع نمو في الدول الآسيوية غير الأعضاء في منظمة التعاون الاقتصادي والتنمية ، وخاصة الصين والهند، حيث يدفع النمو الاقتصادي إلى زيادة استهلاك الطاقة. ^{[ 71 ]} ومن خلال تطبيق خيارات الطاقة منخفضة الكربون، يمكن أن يستمر الطلب العالمي على الكهرباء في النمو مع الحفاظ على مستويات انبعاثات الكربون مستقرة.      

يشهد قطاع النقل تحولاً من الوقود الأحفوري إلى المركبات الكهربائية، مثل وسائل النقل الجماعي والسيارات الكهربائية . هذه التوجهات محدودة النطاق، لكنها قد تزيد في نهاية المطاف من الطلب على شبكة الكهرباء بشكل كبير. ^{[ 72 ]}

لطالما تم توفير التدفئة والمياه الساخنة للاستخدام المنزلي والصناعي بشكل كبير عن طريق حرق الوقود الأحفوري مثل زيت الوقود أو الغاز الطبيعي في منازل المستهلكين. وقد بدأت بعض الدول بتقديم حوافز مالية لمضخات الحرارة لتشجيع التحول إلى الكهرباء، مما قد يزيد الطلب على الشبكة بشكل كبير. ^{[ 73 ]}

تفقد محطات توليد الطاقة التي تعمل بالفحم حصتها السوقية مقارنة بالطاقة منخفضة الكربون، وأي محطة تم بناؤها في العقد الثاني من القرن الحادي والعشرين معرضة لخطر أن تصبح أصولاً عالقة ^{[ 74 ]} أو تكاليف عالقة ، ويرجع ذلك جزئياً إلى انخفاض عوامل قدرتها . ^{[ 75 ]}

يتزايد الاستثمار في مصادر الطاقة والتقنيات منخفضة الكربون بوتيرة سريعة. تنتج مصادر الطاقة الخالية من الكربون حوالي 2% من طاقة العالم، لكنها تمثل حوالي 18% من الاستثمار العالمي في توليد الطاقة، حيث جذبت 100 مليار دولار من رأس المال الاستثماري في عام 2006. ^{[ 76 ]}