خارج الشبكة

تُعدّ أنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية، التي تستخدم طاقة الشمس، من أكثر حلول الطاقة شيوعًا للمباني غير المتصلة بشبكة الكهرباء. تسمح مصفوفات الطاقة الشمسية الكهروضوئية (الألواح الشمسية) بتحويل طاقة الشمس إلى طاقة كهربائية. وتعتمد هذه الأنظمة على الإشعاع الشمسي ودرجة الحرارة المحيطة. تشمل المكونات الأخرى اللازمة لنظام الطاقة الشمسية الكهروضوئية منظمات الشحن، والمحولات، وأنظمة التحكم في الإيقاف السريع. ^{[ 9 ]} تُمكّن هذه الأنظمة المواقع غير المتصلة بشبكة الكهرباء من توليد الطاقة دون الحاجة إلى ربطها بالشبكة. تُقيّم بلومبيرغ لتمويل الطاقة الجديدة، كل ثلاثة أشهر، الشركات المصنعة بناءً على مشاريعها الفعلية خلال الربع السابق، وتنشر قائمة بمصنّعي وحدات (ألواح) الطاقة الشمسية من المستوى الأول.

يمكن تسخير طاقة الرياح بواسطة توربينات الرياح. تتكون توربينات الرياح من شفرات تدفعها الرياح، وعلب تروس، وأجهزة تحكم، ومولدات، ومكابح، وبرج. ^{[ 10 ]} وتعتمد كمية الطاقة الميكانيكية المستخرجة من توربين الرياح على سرعة الرياح، وكثافة الهواء، ومساحة دوران الشفرات، ومعامل القدرة الديناميكية الهوائية للتوربين. ^{[ 11 ]}

حيثما تتوفر المياه بوفرة، تُعدّ الطاقة الكهرومائية حلاً واعداً لتوليد الطاقة. تتضمن محطات الطاقة الكهرومائية واسعة النطاق إنشاء سدود وخزانات، بينما تستخدم محطات الطاقة الكهرومائية الصغيرة توربينات في الأنهار ذات مستويات المياه الثابتة. ^{[ 12 ] [ 13 ]} وتعتمد كمية الطاقة الميكانيكية المُولّدة على تدفق المياه، وحجم التوربين، وكثافة المياه، ومعامل الطاقة، على غرار توربينات الرياح. كما يمكن استخدام طاقة الأمواج والمد والجزر لتزويد المناطق الساحلية بالطاقة. ^{[ 14 ]}

عندما تُنتج مصادر الطاقة المتجددة طاقةً غير مطلوبة حاليًا، تُوجَّه الطاقة الكهربائية عادةً لشحن بطارية. يحل هذا مشكلة انقطاع التيار الكهربائي الناتجة عن عدم استقرار إنتاج مصادر الطاقة المتجددة، ويسمح بتعديل أحمال المباني. انظر هنا للاطلاع على رسم توضيحي لكيفية تحديد حجم نظام الطاقة الشمسية الكهروضوئية والبطاريات خارج الشبكة. ^{[ 15 ]} تشمل البطاريات الشائعة بطاريات الرصاص الحمضية وبطاريات الليثيوم أيون. ^{[ 16 ]} توجد بطاريات محمولة وأخرى ثابتة. تُستخدم محطات الطاقة المحمولة هذه غالبًا في المناطق النائية، نظرًا لعدم حاجتها إلى تركيب وإمكانية استخدامها في سيناريوهات متنوعة. ^{[ 17 ]} تطورت تقنية هذه البطاريات المحمولة بشكل كبير على مر السنين. تستخدم معظم محطات الطاقة المحمولة نوعين من بطاريات الليثيوم أيون: بطاريات النيكل والمنغنيز والكوبالت، وبطاريات فوسفات الحديد والليثيوم. ^{[ 18 ]}

للحماية من مشاكل انقطاع التيار الكهربائي وأعطال الشبكة، تلجأ العديد من المجتمعات غير المتصلة بالشبكة إلى إنشاء أنظمة طاقة هجينة. تجمع هذه الأنظمة بين مصادر الطاقة المتجددة التقليدية مثل الطاقة الشمسية الكهروضوئية، وطاقة الرياح، والطاقة الكهرومائية الصغيرة، والبطاريات، أو حتى مولدات الديزل. قد يكون هذا الحل أرخص وأكثر فعالية من مدّ أو صيانة شبكات الكهرباء إلى المجتمعات المعزولة. ^{[ 19 ]}

تاريخياً، كانت التطبيقات البعيدة، مثل المنارات ومحطات الأرصاد الجوية وما شابهها، والتي تستهلك كمية صغيرة ولكن مستمرة من الطاقة، تُشغَّل بواسطة مولدات الطاقة الكهروحرارية بالنظائر المشعة (RTGs)، حيث تُستخرج النظائر المشعة اللازمة إما من الوقود النووي المستهلك أو تُنتَج في منشآت مخصصة. وقد استخدم كل من الاتحاد السوفيتي والولايات المتحدة العديد من هذه الأجهزة على الأرض، كما أن جميع مسبارات الفضاء البعيدة تقريباً التي وصلت إلى ما وراء مدار المريخ (وحتى بعضها في النظام الشمسي الداخلي) كانت مزودة بمولدات الطاقة الكهروحرارية بالنظائر المشعة لتوفير الطاقة في الأماكن التي لا تُنتج فيها الألواح الشمسية كمية كافية من الكهرباء لكل وحدة كتلة.

الكهرباء المنتجة من الخلايا الكهروضوئية هي تيار مستمر ، ويتم تخزينها في البطاريات على هذا النحو . ستغني المباني التي تعمل بالتيار المستمر عن الحاجة إلى تحويل التيار المتردد إلى تيار مستمر . يُستخدم ثلث الكهرباء المنزلية حاليًا كتيار مستمر لتشغيل الأجهزة الإلكترونية ، ومصابيح LED ، وغيرها من الأجهزة . يشهد سوق الأجهزة المنزلية التي تعمل بالتيار المستمر نموًا متزايدًا، وهو أمر ضروري لتوفير منزل يعمل بالتيار المستمر بنسبة 100%. يتطلب تحويل منزل يعمل بالتيار المتردد إلى تيار مستمر استبدال لوحة التوزيع الكهربائية ، وقواطع الدائرة ، والصمامات بمكونات متوافقة مع التيار المستمر . في نظام القياس الصافي ، أي لبيع الطاقة الفائضة إلى الشبكة، سيظل هناك حاجة إلى محول كهربائي ، وكذلك لاستخدام الشبكة كاحتياطي، في حال استمرار استخدام نظام كهربائي متصل بالشبكة . لا ينتقل التيار المستمر بكفاءة عبر خطوط الكهرباء لمسافات طويلة، ولكن إذا تم توليده وتخزينه في بطاريات في الموقع، فإنه يكون أكثر كفاءة بنسبة 10-20% عند الاحتفاظ به كتيار مستمر وتشغيل الأجهزة بهذه الطريقة دون تحويل . ^{[ 20 ] [ 21 ] [ 22 ]}

تُعدّ الجداول والبرك والأنهار والبحيرات القريبة مصادر سهلة للمياه العذبة. كما يمكن النظر في استخدام المحيطات مع توفير حلول تحلية مناسبة.

تتضمن هذه الطريقة التقليدية الحفر إلى حيث يوجد الماء بوفرة تحت الأرض، عادةً إلى مستوى المياه الجوفية أو إلى طبقة المياه الجوفية، واستخراجه للاستخدام، أو تجميعه من الينابيع حيث تتدفق المياه الجوفية إلى السطح. ^{[ 31 ]} تشمل أنظمة إيصال المياه الجوفية إلى المباني مضخات تعمل بالطاقة الشمسية أو طاقة الرياح، أو مضخات يدوية. ^{[ 32 ]} يجب فحص مياه الآبار بانتظام، وعند حدوث أي تغييرات في طعمها أو رائحتها أو مظهرها، لضمان جودتها. ^{[ 33 ]}

يعتمد هذا النظام على الأحوال الجوية لتوفير المياه. تُصمَّم أنظمة تجميع مياه الأمطار بناءً على احتياجات المستخدمين من المياه وخصائص هطول الأمطار المحلية. ^{[ 34 ]} تُوجَّه مياه الأمطار عادةً من سطح المبنى إلى خزانات المياه حيث تُخزَّن لحين الحاجة إليها.

ثمة طريقة أخرى أقل اكتفاءً ذاتيًا، تتمثل في جلب كميات كبيرة من المياه النظيفة إلى الموقع الذي تُخزّن فيه. ويعتمد هذا النظام على توفر مياه الشرب النظيفة في أماكن أخرى، وعلى نقلها إلى الموقع غير المتصل بشبكة الكهرباء. ^{[ 35 ]}

تتمتع مولدات المياه الجوية بإمكانات كبيرة لتوليد المياه خارج الشبكة. ^{[ 36 ]}

يسمح الحاجز المادي بمرور الماء ويمنع الشوائب الموجودة فيه، وإذا كان المرشح دقيقًا بدرجة كافية، فإنه يستطيع ترشيح الملوثات البيولوجية. ^{[ 37 ]}

من أجل تطهير المياه، يتم إدخال مواد مثل الكلور وثاني أكسيد الكلور والأوزون التي تقتل الكائنات الدقيقة. ^{[ 38 ]}

يستخدم نظام الأشعة فوق البنفسجية مصابيح تُصدر ضوءًا فوق بنفسجيًا في الماء المُرشح لقتل جميع أنواع الفيروسات والبكتيريا والأوليات. ^{[ 39 ]}

يتمثل أحد الأساليب الأقل شيوعًا في تطبيق تيار كهربائي على الماء المضاف إليه محلول ملحي صغير لتطهيره من الملوثات البيولوجية. ^{[ 40 ]} وبالاقتران مع الترشيح، يُعد هذا وسيلة لتوفير مياه شرب آمنة.

قد تحتوي بعض المياه الجوفية على مستويات عالية من الملوحة ^{[ 41 ]} وقد تكون غير صالحة للشرب، ويتم تثبيت هذه النسبة عن طريق التقطير. ويمكن للمجتمعات الساحلية الاستفادة من الحصول على المياه من المحيط باستخدام محطات تحلية المياه التي تزيل الملح.

يؤدي وجود بعض المعادن في الماء إلى تكوين ماء عسر، مما قد يتسبب في انسداد الأنابيب مع مرور الوقت، ويؤثر على الصابون والمنظفات، وقد يترك رواسب على الأكواب والأطباق. تعمل أنظمة تليين الماء على إضافة أيونات الصوديوم والبوتاسيوم التي تُسبب ترسب المعادن العسرة. ^{[ 42 ]}

ساهمت أنظمة الكهرباء المركزية الموثوقة في توفير إمدادات ثابتة، مما عزز المجتمعات واقتصاداتها. ^{[ 48 ]} توفر الكهرباء فرصًا لتحسين الإنتاجية والتعلم والاستخدامات الصحية في المنازل، مثل الطهي دون استخدام مصادر وقود الكتلة الحيوية الملوثة، ومع ذلك، اعتبارًا من عام 2016، كان 20% من سكان العالم يعيشون بدونها. ^{[ 49 ]} تشير التقديرات إلى أن سد الفجوة من النقص الحالي في توفير الكهرباء عبر الشبكة إلى الوصول الشامل إليها سيتطلب 17 تريليون دولار أمريكي و30 عامًا حتى مع وضع جدول زمني صارم. ^{[ 50 ]} يرى الباحثون أن نقص البنية التحتية المركزية للطاقة قد يؤدي إلى ضعف القدرة على مواجهة الأضرار التي تلحق بالإنتاجية والممتلكات نتيجة لتغير المناخ والظروف الجوية القاسية. ^{[ 50 ] [ 51 ]} بالإضافة إلى ذلك، تتضاءل مزايا توليد وتوزيع الطاقة المركزية في ظل التدهور المناخي الناتج عن توليد الطاقة بالوقود الأحفوري، والتعرض لظواهر جوية متطرفة والتلاعب الإلكتروني، وتزايد تعقيد عمليات التصميم والتنظيم. ^{[ 48 ]}

يمكن لأنظمة الطاقة اللامركزية خارج الشبكة أن تشكل بديلاً مؤقتاً مستداماً لتوسيع شبكات الكهرباء الوطنية لتشمل سكان المناطق الريفية. ^{[ 51 ]} ويمكن لمن يستخدمون الطاقة المحدودة خارج الشبكة كخطوة أولى نحو الوصول إلى الشبكة الكهربائية لاحقاً، أن يكتسبوا المعرفة والسلوكيات والمنتجات المتعلقة بكفاءة الطاقة، مما يعزز مرونة شبكات الكهرباء مع زيادة موثوقيتها ^{[ 51 ]} وتحقيق حيادها الكربوني . ومع ذلك، فإن توفير الكهرباء خارج الشبكة لمستخدمي المناطق الريفية دون تضمين التدريب والتثقيف حول استخدامها وتطبيقاتها قد يؤدي إلى نقص في استغلالها. ^{[ 50 ] [ 52 ]} ولمواجهة هذا الاحتمال، ينبغي أن تعكس أنظمة الطاقة خارج الشبكة البنى الثقافية والقيم والأعراف السائدة في المجتمعات المضيفة. ^{[ 49 ] [ 53 ]}

يمكن لأنظمة الكهرباء المستقلة عن الشبكة تزويد المنازل الفردية أو المجتمعات المحلية بالطاقة ضمن شبكة مشتركة تُعرف بالشبكة المصغرة . ويمكن تشغيلها بمصادر الطاقة المتجددة أو بالوقود الأحفوري التقليدي. في كينيا، بدأت بلدة مبكيتوني مشروعًا مجتمعيًا لشبكة مصغرة تعمل بالديزل (مشروع مبكيتوني للكهرباء [MEP]) عام ١٩٩٤ باستثمار يقارب ٤٠,٠٠٠ دولار أمريكي، وتوسع المشروع لاحقًا ليخدم ١٠٥ منازل و١١٦ مبنى تجاريًا وتعليميًا وحكوميًا وصحيًا. ^{[ ٥٤ ]} أظهر مشروع مبكيتوني للكهرباء تأثيرات غير متوقعة على العرض والطلب، حيث زاد الحرفيون الذين يستخدمون أدوات تعمل بالكهرباء من إنتاجيتهم بشكل كافٍ لتسبب انخفاضًا في قيمة منتجاتهم، مما استدعى خفض أسعارها؛ إلا أن زيادة حجم المبيعات عوضت هذه الخسائر في نهاية المطاف. ^{[ 54 ]} سهّلت الكهرباء التي وفرتها مبادرة الطاقة المتجددة (MEP) تخزين المنتجات الزراعية في درجات حرارة منخفضة، بالإضافة إلى ضخ المياه من الآبار، مما أتاح للطلاب الذين كانوا يقضون ساعات طويلة يوميًا في جلب المياه، استغلال ذلك الوقت للدراسة مساءً على ضوء الكهرباء. ^{[ 54 ]} كما ساهمت الكهرباء التي وفرتها مبادرة الطاقة المتجددة في زيادة ساعات التدريس وتحسين خدمات الصرف الصحي في المدارس المحلية من خلال الإضاءة الكهربائية وضخ المياه. ^{[ 54 ]} حقق مشروع مبادرة الطاقة المتجددة خارج الشبكة فوائد مباشرة وغير مباشرة عديدة لأفراد المجتمع، ونظرًا لتركيز المبادرة على تشجيع استخدامات الكهرباء، وقدرة المجتمع على دفع رسوم رمزية مقابل استخدامها، فقد حقق المشروع استردادًا للتكاليف بنسبة 94% خلال السنوات العشر الأولى من تشغيله. ^{[ 54 ]}