موارد الطاقة المتجددة وتوزيعها في الولايات المتحدة

The Geographic and Technological Landscape of Renewable Energy in the United States

وتشكل موارد الطاقة المتجددة العمود الفقري للانتقال إلى اقتصاد منخفض الكربون في الولايات المتحدة، ومع تزايد الزخم في مجال السياسات، وانخفاض تكاليف التكنولوجيا، وزيادة الطلب على الكهرباء النظيفة، ومصادر الطاقة المتجددة مثل الطاقة الشمسية والريحية والكهربائية والطاقة الحرارية الأرضية والكتلة الأحيائية، تتوسع بسرعة، غير أن توزيع هذه الموارد على نطاق البلد بعيد عن النظام الموحد، وتخلق العوامل الجغرافية والأنماط المناخية والهياكل الأساسية القائمة مزايا وتحديات إقليمية متميزة.

وتمتلك الولايات المتحدة بعض أفضل موارد العالم المتجددة، ووفقا لـ U.S. Information Administration]، فإن المصادر المتجددة تمثل نحو 21 في المائة من مجموع توليد الكهرباء في الولايات المتحدة في عام 2023، مع نمو ريادي في الرياح والطاقة الشمسية، ومع ذلك فإن عدم التوافق المكاني بين المناطق ذات الموارد العالية ومراكز التوزيع السكاني يتطلب تخطيطا قويا لنقل الطاقة، وفحصا لعقبات تخزين الطاقة، وتوسيع نطاق تصميم الأسواق.

الأنواع الرئيسية لموارد الطاقة المتجددة

الطاقة الشمسية

فالطاقة الشمسية هي أكثر الموارد المتجددة المتاحة في الولايات المتحدة سهولة، وإن كانت شدتها تختلف اختلافا كبيرا عن طريق الطول والمناخ، فلوحات الفوتوفولتيكي تحول ضوء الشمس مباشرة إلى الكهرباء، بينما تستخدم الطاقة الشمسية في توليد الحرارة التي تدفع الأربينات، وتزيد المزارع الشمسية على نطاق واسع، والمنشآت السطحية، والمشاريع الشمسية المجتمعية على نحو يزيد عن القدرة المتنامية في البلد)٢٤(.

وتشمل المزايا الرئيسية انخفاض أسعار النفط الخام التي انخفضت بأكثر من 80 في المائة خلال العقد الماضي، والحد الأدنى من الانبعاثات التشغيلية، وتشمل التحديات التدخُّل (الذي يولد فقط خلال ساعات النهار)، والنزاعات في استخدام الأراضي في المناطق ذات القيمة الإيكولوجية أو الزراعية العالية، والحاجة إلى الطاقة الاحتياطية أو التخزين الاحتياطي خلال فترات تضاءل الشمس.

الطاقة الفائزة

وتسخير الطاقة الريحية الحركية من الانتقال إلى التربينات، التي تتجمع عادة في مزارع الرياح الكبيرة، وتتوسع الرياح على الشاطئ والبحار في الولايات المتحدة، حيث تزيد طاقة السواحل على 150 جي دبليو، وتزيد سرعة الرياح في المناطق الساحلية الكبرى والسواحل الأطلسية البحرية، مما يجعلها مواقع رئيسية، وتمتد رقائق التوربينات الحديثة ذات النطاق الترددي على ارتفاع أكبر من مساحة كرة القدم، وترتفع فيها الرياح بشكل ثابت.

إن تكلفة الطاقة المتدنية للريح هي الآن من بين أقل مصادر توليد الطاقة، ولكنها تواجه تحديات في الجلوس تتصل بالضوضاء والأثر البصري ووفيات الطيور والتدخل في الرادار، فالرياح البحرية، التي لا تزال ناشئة في الولايات المتحدة، تستفيد من الرياح القوية والمتسقة، ولكنها تتطلب هياكل أساسية بحرية باهظة التكلفة، وتحسين الموانئ، والسفن المتخصصة.

الطاقة الكهرمائية

وتتوفر الطاقة الكهرمائية أكبر مصدر للطاقة المتجددة في الولايات المتحدة، حيث توفر حوالي ٦ في المائة من مجموع الجيل، وتعتمد على تدفق المياه عادة من السدود على الأنهار إلى التربينات العمودية، وقد بنيت معظم الطاقة الكهرمائية الكبيرة منذ عقود، حيث تتركز السدود الرئيسية في منطقة شمال غرب المحيط الهادئ، ووادي تينيسي، وحوض نهر كولورادو غيروس.

إن توليد الهيدروجين قابل للإرسال ويمكن أن يُهز بسرعة لموازنة الريح المتغيرة والناتج الشمسي، غير أن الآثار البيئية مثل هجرة الأسماك المعطلة، وتدفقات الرواسب المتغيّرة، والميثان من الخزانات قد أدت إلى وقف العمل بالمناقشات في بعض المناطق، وهناك مشاريع جديدة ذات أحجام كبيرة نادرة، وتركز النمو على تحسين المرافق القائمة، وتضيف جيلاً إلى السدود الإيكولوجية غير المقوى، وتضع مشاريع صغيرة ذات مستويات منخفضة من الأقدام.

الطاقة الحرارية الأرضية

وتنتج أجهزة قياس الطاقة الحرارية الأرضية من داخل الأرض لتوليد الكهرباء أو توفير التدفئة المباشرة، وتنتج الولايات المتحدة أكبر منتج في العالم للكهرباء الحرارية الأرضية، حيث يتكون نحو 3.7 من الأسلحة العالمية من القدرة المركبة، في كاليفورنيا ونيفادا، وتحتاج النباتات الحرارية الأرضية التقليدية إلى خزانات من المياه الساخنة أو كسور في أعماق يسهل الوصول إليها، وهي أكثر وفرة في الدول الغربية على امتداد شبكة خام المحيط الهادئ.

فالحيوان الحراري الجغرافي يوفر ميزة فريدة: حمولة أساسية، 24/7 كهرباء نظيفة ذات بصمة أرضية صغيرة، غير أن التنمية محدودة بسبب ارتفاع تكاليف الاستكشاف والحفر، وعدم التيقن من الموارد، ومخاطر الزلزال المستحث، وترمي التكنولوجيات الجديدة، مثل نظم الطاقة الحرارية الأرضية المغلقة، إلى الحد من هذه الحواجز.

الكتلة الأحيائية والطاقة الأحيائية

وتستخدم الطاقة الأحيائية مواد عضوية - فوليتس خشبي، ومخلفات زراعية، ونفايات صلبة بلدية، ومحاصيل الطاقة المخصصة لإنتاج الكهرباء أو الحرارة أو الوقود السائل، وتملك الولايات المتحدة حوالي 20 جي دبليو من طاقة الكتلة الحيوية، ومعظمها من نفايات الخشب في صناعة منتجات الجنوب والغابات، وتنتج الإيثانول من الذرة والديزل الأحيائي من فول الصويا، مع إجراء بحوث جارية في مادة التغذية الخلوية.

ويُرسل الديموقراطيات الحيوية ويمكنها استخدام الهياكل الأساسية الموجودة لمصانع الفحم مع تحويل الوقود، ومن المفارقات أن حياد الكربون فيها يناقش: فحرق الكتلة الأحيائية يُطلق ثاني أكسيد الكربون الذي قد يستغرق عقوداً لإعادة إسكانه من خلال إعادة النمو، في حين أن انبعاثات سلسلة الإمداد وتغيرات استخدام الأراضي تؤدي إلى تعقيد تحليل دورة الحياة، كما أن الكتلة الأحيائية تواجه المنافسة على الأراضي التي تنتج الأغذية والنظم الإيكولوجية الطبيعية.

التوزيع الإقليمي للموارد المتجددة

جنوب غرب: سماح دومينيك

وتستقبل صحراء موجاف وسونورا جنوب غرب الولايات المتحدة الأمريكية وكاليفورنيا ونيفادا ونيو مكسيكو وأجزاء من كولورادو وأوتاه أعلى عزلة شمسية في الأمة، وتوفر صحاري موجافي وسونورا مساحة واسعة من الأراضي ذات الغطاء الغيومي الأدنى، مما يجعلها مثالية للمزارع الشمسية الكبيرة، وتظهر كاليفورنيا وحدها أكثر من 40 جي دبليو من الطاقة الشمسية في عام 2024، ومشروع باور سولايت.

كما أن كاليفورنيا تؤدي إلى ولايات شمسية على سطح الأرض وبرامج شمسية مجتمعية، بينما تستفيد نيفادا من الطاقة الشمسية العالية والقرب من حمولة لاس فيغاس المتزايدة، وقد أدى الجمع بين الجنوب الغربي من الموارد الشمسية العالية، والأراضي المتاحة، والسياسات الداعمة إلى جعلها مركز التنمية الشمسية في الولايات المتحدة، غير أن ندرة المياه لتنظيف الألواح وتبريدها، وازدحام انتقالها، والآثار البيئية على النظم الإيكولوجية الصحراوية هي شواغل مستمرة.

أصناف كبيرة: ممر الطاقة الشتوية

The Great Plains, extendinging from Texas north to the Dakotas and Montana, form the windest region on the continent. The National Renewable Energy Laboratory’s wind resource maps show Class 5 -7 winds (very high potential) across much of Kansas, Nebraska, Oklahoma, Iowle, and the Texas farm

وتولد أيوا وكانساس أكثر من 40 في المائة من الكهرباء من الرياح، في حين بدأت مشاريع الرياح البحرية قبالة سواحل المحيط الأطلسي والمحيط الهادئ تكملة للموارد على الشاطئ، وتواجه البلاستيكات الكبرى تحديات: تتفاوت طاقة الرياح مع الطقس، وتتطلب التكامل مع مصادر أخرى أو تخزينها؛ وتمتد مسافات النقل إلى فترة طويلة؛ ويمكن لاتفاقات ملاك الأراضي، واتفاقات الطيور والضرب، والمعارضة المحلية أن تؤخر المشاريع.

منطقة المحيط الهادئ الشمالية الغربية: هب الهيدروليكي

ويستمد حوض نهر كولومبيا، بسلسلة من السدود مثل غراند كولي، الزعيم جوزيف، وبونيفيل، الطاقة المتجددة المنخفضة التكلفة والمرنة إلى شمال غرب المحيط الهادئ وخارجها، وينتج الكوولي الأكبر وحده أكثر من 800 6 ميغاواط، ويدعم نظام الطاقة الاتحادية لنهر كولومبيا الري والفيضانات والترفيه بينما يولد الكهرباء النظيفة.

وقد شكلت وفرة الهيدرو في هذه المنطقة أسواقا للطاقة، حيث أتاحت القدرة الزائدة على تحمل بعض المركبات الكهربائية التي تشحن وتضخها الحرارة، غير أن تغير المناخ يشكل مخاطر: فخفض حزمة الثلج وانخفاض التدفقات الصيفية يمكن أن يقلل من توليد الطاقة، بينما يمكن لإزالة السدود لاستعادة مياه السلمون كما هو مقترح لسدود نهر سنيك السفلى أن تقلل من القدرة، كما أن المنطقة توسع من الطاقة الشمسية والريحية لتنويع مزيج مواردها وتغطية النقص في المياه الموسمية.

كاليفورنيا ونيفادا: الأرض الحرارية الأرضية

إن الجيزر، الذي يقع على بعد 90 ميلا شمال سان فرانسيسكو، هو أكبر حقل حراري جغرافي في العالم، حيث يزيد عدد الطاقة على 500 1 ميغاواط، وهناك مشاريع أخرى ذات شأن في مجال الطاقة الحرارية الأرضية تقع في الوادي الامبراطورية، بالقرب من بحر سالتون، وفي شمال غرب نيفادا، وتستفيد هذه المناطق من تقاطع حدود الصفائح التكتونية التي تقرب الصخرة الساخنة من السطح.

ويوفر الطاقة الحرارية الأرضية طاقة ثابتة خالية من الكربون تكمل الأسطول الشمسي والريحي الكبير في كاليفورنيا، وتقوم إدارة الطاقة في الولايات المتحدة ] ] بدعم البحوث في مجال نظم الطاقة البيئية وتقنيات الاستكشاف المتقدمة لتوسيع نطاق الإمكانات إلى ما وراء البقع الساخنة الحالية، وعلى الرغم من بطء النمو مقارنة بالشمس والريح، فإن موثوقية الطاقة الحرارية الأرضية تجعل من ذلك عنصرا قيما من عناصر الديموكربون المأة تماما.

جنوب شرق ووسط غرب: الكتلة الأحيائية والطاقم المتطور

ولدى الولايات الجنوبية الشرقية، ولا سيما جورجيا وفلوريدا وألباما وكاروليناس، صناعات واسعة النطاق في مجال الحراجة تنتج شرائط خشبية وبقايا الكتلة الحيوية، وتعمل عدة محطات للطاقة الكتلية الأحيائية على نطاق واسع إلى جانب وحدات الفحم الموجودة التي تحولت إلى غابات حرقة، كما أن المنطقة لديها إمكانات شمسية كبيرة، لا سيما في فلوريدا وجورجيا، التي تضيف بسرعة ملوثات متعددة.

ويتمتع متوسط غربي الهند، وهندو، وأوهايو - كوبين بثروات الرياح الجيدة مع تزايد الانتشار الشمسي، ولدى إنديانا وإيلينوي قدرة رياحية كبيرة، بينما يوسع أوهايو نطاق الطاقة الشمسية على الأراضي الزراعية، وتحتاج شبكة نقل الطاقة في المنطقة، التي يديرها برنامج " بي جي إم " و " ميزو " ، إلى تحسين معالجة تزايد التغل المتجدد، كما تنتج دول وسط غربية قدرا كبيرا من الإيثانول والديزل الأحيائي من زراعة الذرة والإنتاج إلى حديدز.

شمال شرق ووسط المحيط الأطلسي: جبهة الرياح البحرية

وفي حين أن الشمال الشرقي لديه موارد ريحية وشمسية متواضعة، فإن إمكاناته في مجال الرياح البحرية هائلة، وقد قام مكتب إدارة الطاقة في المحيطات بإستئجار مناطق للطاقة الريحية قبالة ماساتشوستس، وجزيرة رود، ونيويورك، ونيو جيرسي، وفرجينيا، ويجري تنفيذ مشاريع مثل فينيارد ويند (ماساشوسيتس)، وشركة أوشن ويوند (نيو جيرسي)، تستهدف عشرات من تكاليف الإمداد بالريات أكثر اتساقا من 2035.

وتتمتع نيويورك وماساتشوستس بولاية متجددة عدوانية، وتكمل واردات المنطقة النووية والهيدرائية الموجودة من كندا الرياح البحرية، وتشمل التحديات الترابط الشبكي لنظام ساحلي مقيد، وصراعات صناعة صيد الأسماك، والمعارضة البصرية من المجتمعات الساحلية ذات الكفاءات الجيدة.

التحديات التي تواجه توسيع نطاق توزيع الموارد المتجددة

بنية أساسية وإحالة

ويكمن معظم إمكانات الموارد المتجددة في أبعد ما تكون عن مراكز التحميل الرئيسية، فخطوط نقل الانبعاثات باهظة التكلفة، رهناً بالسماح المتعدد السنوات، وكثيراً ما تواجه معارضة محلية، ويحد عدم وجود ممرات عالية الحركة المباشرة (HVDC) من القدرة على نقل الرياح الرخيصة والشمس من البلاستيك إلى المدن الساحلية، وتظل منظمات التخطيط الأقاليمية مثل MISO و SPP و PJM تعمل على توزيع التكاليف والفوائد، ولكن التقدم بطيء.

تخزين الطاقة وتدخلها

فالمصادر المتجددة المتغيرة تتطلب إما توليد دعم مرن أو تخزينا واسع النطاق، فالهيدرو المضخة توفر حوالي ٢٣ جي دبليو من التخزين، ولكن المواقع الجديدة محدودة، وقد ازداد تخزين البطاريات الليثيومية بسرعة حيث بلغت القدرة على تركيبها ما يزيد على ١٥ جيغاواط في عام ٢٠٢٤، ومعظمها في كاليفورنيا وتكساس، غير أن التكاليف لا تزال تشكل تحديا لتخزين الطاقة الطويلة الأجل )٨-١٠٠ ساعة( عندما تكون الرياح والطاقة الشمسية منخفضة لأيام.

استخدام الأراضي والنزاعات البيئية

وتتطلب المشاريع المتجددة على نطاق العوائد مناطق أرضية كبيرة، تتنافس أحياناً مع الزراعة، والزراعة، والحفظ، والمواقع الثقافية للشعوب الأصلية، وقد أثرت المزارع الشمسية في صحراء موجيف، ومزارع الرياح في البلاستيك الكبير على الدجاج والراب، والأضرار المائية التي تقطع هجرة السالمون، والأماكن التي تنعم فيها بزمام الحوافظ، وحماية الحيوانات البرية، والاشتراكات المجتمعية، هي أمور أساسية للحد من النزاعات والحصول على تصاريح.

السياسات وعدم اليقين التنظيمي

وتتوقف استثمارات الطاقة المتجددة على استقرار السياسات الاتحادية وسياسات الولايات: الائتمان الضريبي للإنتاج الاتحادي، والائتمان الضريبي للاستثمار، ومعايير الحافظة المتجددة، والتسعير الكربوني، وقواعد القياس الصافي، ويوفر قانون تخفيض التضخم لعام 2022 حوافز ضريبية طويلة الأجل، ولكن عدم اليقين بشأن بناء النقل، وإصلاح كوادر الربط، والسياسة على مستوى الولايات (مثلا القيود المفروضة على إصلاح الهواء في بعض الولايات) يمكن أن يُحرز تقدما بطيئا.

سلسلة الإمدادات والقوة العاملة

وقد زاد التصنيع المحلي للألواح الشمسية وعناصر التربين الريحي والبطاريات ولكنه متأخر عن الطلب، وتعتمد الولايات المتحدة اعتمادا كبيرا على واردات الخلايا الفلطائية من جنوب شرق آسيا والعناصر الأرضية النادرة من الصين، وتؤثر النزاعات التجارية والتعريفات والتعطلات السوقية العالمية على الأطر الزمنية للمشروع وتكاليفه، ويلزم توفير قوة عاملة ماهرة للتركيب والصيانة وإدماج الشبكات، مما يتطلب برامج تدريبية محددة الأهداف ومسارات للتلمذة.

فرص النمو والتنمية الاقتصادية

خلق الوظائف والاستحقاقات المحلية

ويستخدم قطاع الطاقة المتجددة بالفعل أكثر من 000 300 أمريكي في مجالات التصنيع، وتطوير المشاريع، والتركيب، والعمليات، كما أن أدوار تقنيي التوربينات الفائزين، ودور الملاهي الشمسية، هي من بين أسرع المهن نموا، وكثيرا ما تستفيد المجتمعات الريفية من مدفوعات الإيجار لمالكي الأراضي، وإيرادات ضريبة الملكية للمقاطعات، ووظائف البناء، ويتيح الطاقة الشمسية المجتمعية، ويوزع جيل الأسر المعيشية والأعمال التجارية تخفيض فواتير الكهرباء مع دعم استقلال الطاقة المحلية.

استقلال الطاقة والأمن

إن تنويع مزيج الطاقة بالمتجددات يقلل من الاعتماد على أسعار الوقود المستوردة العالمية المتقلبة، ولدى الولايات المتحدة موارد محلية وفرة - ريح وحرارة حرارية جغرافية - لا يمكن حظرها أو استنفادها، كما أن شبكة موزعة مع مصادر الطاقة المتجددة المحلية تعزز القدرة على مواجهة الكوارث الطبيعية أو الهجمات الإلكترونية التي قد تعطل محطات الطاقة المركزية.

الابتكار التكنولوجي

وتعود التطورات في كفاءة الطاقة الشمسية (خلايا التون البيروفسكيت)، وبرمجيات الرياح البحرية العائمة، وتكنولوجيا الحفر الحرارية الأرضية، وأجهزة التعقب التي تعمل على شبكة الإنترنت، إلى انخفاض التكاليف وتوسيع نطاق الوصول إلى الموارد.() ولا يزال الأخذ بالرقمنة - استخدام تكنولوجيا المعلومات للتنبؤ بالطقس، والمحارق الذكية، والضوابط الآلية للشبكات - المستويات الأعلى من التغلُّب المتجدِّد للطاقة.()

Climate and Environmental Benefits

إن التوسع في مصادر الطاقة المتجددة هو أكثر الطرق مباشرة لخفض انبعاثات غازات الدفيئة من قطاع الكهرباء، الذي يمثل نحو 25 في المائة من انبعاثات الولايات المتحدة، ويتحول من الفحم والغاز إلى الطاقة الشمسية والريحية والحرارية الأرضية ثاني أكسيد الكربون، وثاني أكسيد الكبريت وأكسيد النيتروجين، وخامات الجسيمات، وتعود الفوائد الصحية من نوعية الهواء المحسنة إلى مستويات كبيرة، لا سيما في المجتمعات المحلية القريبة من محطات الوقود الأحفوري.

النظرة إلى الرأس: الجريم المتجدد المتكامل

ولن يعتمد نظام الطاقة المتجددة في الولايات المتحدة في المستقبل على أي مورد واحد بل على مزيج مهيأ للظروف الإقليمية، وسيوفر الطاقة الكهربائية السائبة، المدعومة بالهيدرو )حيثما تكون متاحة( وبطاريات لتحقيق التوازن اليومي، وسيوفر الطاقة الحرارية الأرضية والكتلة الأحيائية طاقة ثابتة ومرسلة، كما أن ممرات الانتقال - مناطق الربط بين مركبات التوليد ذات التأثير العالي والتردد العالي، مما يتيح المجال للرياح الغربية الكبرى.

وبحلول عام 2035، تهدف ولايات كثيرة إلى توفير 100 في المائة من الكهرباء النظيفة، وتستهدف الحكومة الاتحادية شبكة خالية من الكربون بحلول عام 2035، ويتطلب تحقيق ذلك نشراً واسعاً: يجب أن تنمو القدرة الشمسية والريحية من 300 جيو اليوم تقريباً إلى أكثر من 500 1 غيغاواط، وقد تحتاج القدرة على تخزين الطاقة إلى زيادة خمسين ضعفاً، وهذه الأهداف طموحة ولكنها ممكنة تقنياً، نظراً لاستمرار انخفاض التكاليف ودعم السياسات.

وباختصار، فإن التوزيع الجغرافي للموارد المتجددة في الولايات المتحدة يمثل تطابقا واضحا بين إمكانيات الموارد ونوع الجيل، أما البقايا الجنوبية الغربية في الطاقة الشمسية، والبلاين الكبرى في الرياح، وشمال غرب المحيط الهادئ في مجال الطاقة المائية، وغرب الطاقة الحرارية الأرضية، وجنوب شرق الكتلة الحيوية والشمس الناشئة، وكل منطقة تواجه تحدياتها الخاصة - النقل، والتخزين، واستخدام الأراضي، وإتاحة فرص هائلة للنمو الاقتصادي، وأمن الطاقة، وتحسين الهياكل الأساسية البيئية.