طاقة الأمواج الجيروسكوبية - استغلال البحر الجامح

تُغطي المحيطات حوالي 70% من سطح الأرض، مما يوفر مصدراً هائلاً للطاقة المتجددة. إمكاناتها هائلة، لدرجة أن طاقة الأمواج وحدها تُعدّ مصدراً رئيسياً للطاقة المتجددة. مقدر سيتجاوز الطلب العالمي الحالي على الكهرباء إذا تم تسخيره بالكامل.

ومع ذلك، فهو مصدر متجدد غير مستغل إلى حد كبير، وبكفاءة عالية التقاط طاقة أمواج المحيط لطالما أثار هذا الأمر إحباط المهندسين.

ولحل هذه المشكلة، لجأ بحث جديد من جامعة أوساكا إلى طريقة مبتكرة: محول طاقة الأمواج الجيروسكوبي (GWEC) الذي يستخدم دولابًا دوارًا داخل هيكل عائم لتحويل حركة الأمواج إلى كهرباء.

يكشف التحليل البحثي أنه من حيث المبدأ، يمكن لهذا الجهاز امتصاص ما يصل إلى نصف طاقة الأمواج الواردة عند أي تردد موجي، مما يوفر طريقة للاستفادة من طاقة المحيط الهائلة غير المستغلة.

مزيج الطاقة الكهربائية العالمي: ارتفاع مصادر الطاقة المتجددة، بينما لا تزال الوقود الأحفوري في الصدارة

مع تغير المناخ يعيث فسادا في جميع أنحاء العالم، من الضروري أن نتحول بعيدًا عن الوقود الأحفوري - مصادر الطاقة غير المتجددة التي تتشكل على مدى ملايين السنين وتسبب مشاكل بيئية كبيرة.

إحدى أكثر الطرق فعالية لتقليل الاعتماد على هذه الوقود الأحفوري هي من خلال مصادر الطاقة المتجددة، والتي تشمل الطاقة الشمسية، وطاقة الرياح، والطاقة الكهرومائية، والطاقة الحرارية الأرضية، والكتلة الحيوية.

هذه المصادر المتجددة طبيعياً انبعاثات غازات الاحتباس الحراريتساهم مصادر الطاقة المتجددة في تعزيز أمن الطاقة الوطني، وتقلل من تعرض الدول للاضطرابات الجيوسياسية. وبفضل هذه المزايا، باتت هذه المصادر تشكل حصة متزايدة من إنتاج الكهرباء العالمي. ففي عام 2024، وفرت... سجلت نسبة 32% من إنتاج الكهرباء العالميوارتفع بنسبة 2% عن العام السابق، حيث نما الطلب الإجمالي على الكهرباء بنسبة 4%، مدفوعاً بمراكز البيانات.

"تفكر الدول في أمنها وأمنها الطاقي أكثر من أي وقت مضى، وأعتقد أن هذا يعني أن الطاقة المتجددة المحلية مثل طاقة الرياح والطاقة الشمسية أصبحت أكثر جاذبية."

- إيوان غراهام، محلل الكهرباء والبيانات في مركز أبحاث الطاقة إمبر قال رويترز العام الماضي

على الرغم من أن قطاع الطاقة المتجددة قدّم 858 تيراواط/ساعة إضافية من الطاقة إلى الشبكة في عام 2024، إلا أن الوقود الأحفوري، بما في ذلك الفحم والنفط والغاز الطبيعي، لا يزال تلبي معظم احتياجات العالم من الطاقة. يُعد الفحم حاليًا أكبر مصدر لتوليد الطاقة، حيث يمثل 34٪ من إنتاج الكهرباء العالمي، بينما تمثل محطات توليد الطاقة بالغاز 22٪.

لكن وفقًا لوكالة الطاقة الدولية (IEA) توقعاتستزداد قدرة الطاقة المتجددة بما يقارب 4,600 جيجاواط بين عامي 2025 و 2030.

من بين جميع مصادر الطاقة المتجددة، تعد الطاقة الشمسية النمو الأسرع مع انخفاض التكاليف وتسارع تبنيها عالميًا، تنمو قدرة طاقة الرياح أيضًا بسرعة، بينما تبقى الطاقة الكهرومائية هي السائدة. الأكبر والأقدم مساهم في الطاقة المتجددة. أما بالنسبة للطاقة الحيوية، فقد بدأت في اكتساب الجروالطاقة الحرارية الأرضية هي كسب الشراكات المؤسسية. يبدو مستقبل الطاقة أكثر استدامة.

تسخير الإمكانات غير المستغلة للمحيط

في مجال الطاقة المتجددة، تُعدّ طاقة المحيطات مصدراً عالمياً هائلاً للطاقة. وتشمل هذه الطاقة تسخير مصادر بحرية متنوعة، كالأمواج والمد والجزر وتحويل الطاقة الحرارية للمحيطات والتيارات البحرية. وتستغل طاقة المد والجزر تيارات المد والجزر المنتظمة، بينما تستخدم تقنية تحويل الطاقة الحرارية للمحيطات تدرجات الحرارة في مياه أعماق المحيطات، أما التيارات البحرية فتستمد طاقتها من تدفقات المحيطات واسعة النطاق.

تُعدّ طاقة الأمواج الشكل الأكثر بحثًا من أشكال الطاقة البحرية، إذ تُحوّل الطاقة الحركية للأمواج إلى كهرباء. وتتميز الأمواج بوفرة قوتها واستمراريتها، كما أنها أقل انقطاعًا من طاقة الرياح أو الطاقة الشمسية. هذه القدرة العالية على التنبؤ تعني إمكانية تسخير حركة الأمواج السطحية على مدار الساعة، مما يجعلها مفيدة للغاية لتحسين تخطيط الشبكة الكهربائية واستقرارها.

شهد هذا المصدر للطاقة عديم الانبعاثات انتشارًا تجاريًا محدودًا، أقل بكثير من مصادر الطاقة المتجددة الناضجة مثل الطاقة الشمسية. وهو يمثل حاليًا أصغر حصة في سوق الطاقة المتجددة. في عام 2024، أضاف العالم 1.6 ميجاوات من قدرة الطاقة البحرية، ليصل إجمالي القدرة التشغيلية إلى حوالي 513 ميغاواط.

يعود هذا التبني البطيء إلى عدة عوامل، منها ارتفاع التكاليف الرأسمالية، والقيود الخاصة بكل موقع، والعقبات التقنية مثل دمج الشبكة. كما أن مهارات القوى العاملة وعدم اليقين التنظيمي من العوامل المؤثرة. عرقلة التقدم في جميع أنحاء القطاع. بالإضافة إلى ذلك، لا تزال صيانة الأجهزة في ظروف المحيط القاسية تشكل تحديًا كبيرًا إلى جانب كفاءة تحويل الطاقة.

ونتيجة لذلك، يواصل الباحثون في الأوساط الأكاديمية والصناعية العمل على تحسين هذه الأنظمة، لجعلها أكثر متانة وقدرة على معالجة عدم انتظام الأمواج. ومن بين هذه الأنظمة التي حظيت باهتمام كبير، محول طاقة الأمواج (WEC)، وهو جهاز يحول الطاقة الحركية للأمواج إلى كهرباء.

يعمل العديد من المبتكرين على تطوير هذه التقنية. فعلى سبيل المثال، دخلت الشركة السويدية CorPower Ocean في شراكة مع شركة OPS Solutions النرويجية من خلال مشروع COMPACT لتقليل تكلفة ووزن أجهزة تحويل طاقة الأمواج (WECs) عن طريق تطوير نموذج أولي لأسطوانة الشد المسبق (PTC). بدعم من برنامج "النمو الأزرق" التابع لمنح المنطقة الاقتصادية الأوروبية، يعمل المشروع على تطوير غلاف ضغط خفيف الوزن لمعالجة تكلفة رأس المال ومتانة الجهاز.

في الوقت نفسه، حقق المطورون مكاسب ملموسة في الأداء. شركة هافكرافت النرويجية وذكرت حققت الشركة معدل تحويل طاقة يزيد عن 80% في أحدث اختباراتها المعملية على نموذج مصغر لوحدة تحويل طاقة الأمواج، بزيادة قدرها 15% عن التجارب السابقة. تُمكّن هذه الخطوة الشركة من تحديد المخاطر، وضمان الجودة، وفهم الأداء، مما سيساعدها على التوسع نحو التسويق التجاري.

"تظهر النتائج أن أبحاثنا تحقق نتائج ملموسة، وأننا نقترب خطوة أخرى من التوصل إلى حل تجاري."

- مدير العمليات نيكولاي هالدين

وفي الوقت نفسه في اسكتلندا، كانت شركة AWS Ocean Energy تقدم وهي عبارة عن عوامة "أرخميدس ويف سوينغ" تحت سطح البحر، تعمل بالضغط، ومصممة لتحويل حركة الأمواج تحت السطح. وقد سجل الجهاز متوسط ​​طاقة يزيد عن 10 كيلوواط، وبلغت ذروتها أكثر من 80 كيلوواط خلال ظروف الأمواج المعتدلة، أي أعلى بنسبة 20% من توقعات الشركة.

صُممت الوحدة المغمورة التي يبلغ ارتفاعها سبعة أمتار لتحمل الظروف القاسية في البيئات البحرية، بما في ذلك العواصف التي تصل قوتها إلى 10 درجات. كما أن تصميمها أحادي الممتص يجعلها مناسبة لتطبيقات الطاقة في المناطق النائية حيث تكون المرونة أمراً بالغ الأهمية.

إلى جانب الأداء التكنولوجي، يكتسب تكامل الأنظمة على نطاق أوسع اهتماماً متزايداً. مؤخراً تشير أبحاث الجدوى إلى¹ لا يشترط أن يكون نشر أجهزة تحويل طاقة الأمواج على حساب الأنشطة الساحلية كالسياحة أو الصيد. بل على العكس، يمكن للمنشآت المصممة بشكل صحيح أن توفر حماية للسواحل.

"من الممكن حماية الساحل من تأثيرات البيئة البحرية وفي الوقت نفسه إنتاج كهرباء نظيفة، وبالتالي دعم تحول الطاقة في البرتغال وتحقيق الاكتفاء الذاتي."

– باولو روزا سانتوس، الرئيس المشارك في CIIMAR

تعكس هذه التطورات تحول القطاع من النماذج التجريبية إلى الحلول العملية.

إطلاق العنان لأقصى امتصاص للطاقة باستخدام الجيروسكوبات

تهدف أجهزة تحويل طاقة الأمواج إلى تحويل حركة الأمواج المستمرة إلى كهرباء قابلة للاستخدام بكفاءة. وبفضل مبادرات الابتكار الوطنية، والتقدم التكنولوجي، والتكامل مع البنية التحتية المحلية، من المتوقع أن يشهد سوق محولات طاقة الأمواج العالمي نموًا ملحوظًا. من المتوقع أن يرتفع من 21.6 مليون دولار في عام 2025 إلى 38.2 مليون دولار في عام 2034بمعدل نمو سنوي مركب قدره 6.5%.

لم تُسوَّق أجهزة تحويل طاقة الأمواج تجارياً بشكل كامل بعد، وذلك بسبب التحديات التقنية والاقتصادية والتنظيمية، لذا لا يوجد حل أمثل واحد حتى الآن. وقد طُرحت أنواع عديدة مختلفة، منها أجهزة امتصاص الطاقة النقطية، وأعمدة المياه المتذبذبة، وأجهزة منع التدفق الزائد، والمخففات، والأنظمة الجيروسكوبية.

مرر للتمرير →

يستخدم محول طاقة الأمواج الجيروسكوبي جيروسكوبًا في نظام استخلاص الطاقة (GPTO) لاستخراج الطاقة من حركة الأمواج. يتكون نظام GPTO من مولد كهربائي وعجلة موازنة مثبتة على إطار دوار. والجدير بالذكر أن نظام GPTO مُحاط بجسم عائم؛ فمع حركة الأمواج، يتحرك الهيكل معها. ويتم تحويل هذه الحركة بواسطة عجلة الموازنة الدوارة إلى طاقة كهربائية. ولأنه يعمل كجيروسكوب، يمكن ضبط سلوك عجلة الموازنة لاستخلاص الطاقة عبر نطاق واسع من ترددات الأمواج، على عكس محولات طاقة الأمواج الأخرى التي تقتصر على نطاق ضيق.

يستفيد النظام من ظاهرة التبادر الجيروسكوبي، الناتجة عن دوران دولاب الموازنة وحركة ميلان الجسم العائم. يحدث التبادر الجيروسكوبي عندما يتفاعل جسم دوار مع قوة خارجية. فعندما تُحرك الأمواج المنصة، يُغير دولاب الموازنة الدوار اتجاهه، وتُولد هذه الحركة، المتصلة بمولد كهربائي، الكهرباء. كما أن وجود الجهاز داخل هيكل يحميه من مياه البحر المالحة، مما يوفر مزايا في الصيانة والسلامة.

تمثل المحولات الجيروسكوبية جهودًا للتغلب على قيود محولات طاقة الأمواج التقليدية، التي غالبًا ما تكون فعالة فقط في ظل ظروف محددة. وقد لجأ تاكاهيتو إيدا، الباحث في جامعة أوساكا، إلى محولات طاقة الأمواج الجيروسكوبية نظرًا لقدرتها على التكيف. في دراسته، نُشر في مجلة ميكانيكا الموائع²، قام إيدا بتقييم ما إذا كان هذا التصميم يمكن أن يدعم توليد الطاقة على نطاق واسع.

قال إيدا: "غالباً ما تواجه أجهزة طاقة الأمواج صعوبات لأن ظروف المحيط تتغير باستمرار. ومع ذلك، يمكن التحكم في النظام الجيروسكوبي بطريقة تحافظ على امتصاص عالٍ للطاقة، حتى مع تغير ترددات الأمواج".

لفهم كيفية عمل النظام، استخدم نظرية الموجات الخطية لنمذجة التفاعل بين أمواج المحيط والجيروسكوب والهيكل. ساعد التحليل الفريق على اكتشاف الإعدادات المثالية لسرعة الدوران وعناصر التحكم في المولد. عند ضبطه بشكل صحيح، يمكن لجهاز تحويل طاقة أمواج المحيط (GWEC) أن يصل إلى أقصى كفاءة امتصاص طاقة نظرية تبلغ النصف عند أي تردد موجي.

وأشار إيدا قائلاً: "يمثل حد الكفاءة هذا قيدًا أساسيًا في نظرية طاقة الأمواج. والمثير للاهتمام هو أننا نعلم الآن أنه يمكن الوصول إليه عبر نطاقات تردد واسعة، وليس فقط عند حالة رنين واحدة."

تحقق الفريق من النتائج من خلال محاكاة عددية في كلٍ من المجالين الزمني والترددي. وأكدت هذه النتائج أن الجهاز يحافظ على كفاءة عالية بالقرب من تردد الرنين، ويعمل بأفضل شكل عندما تتطابق الحركة مع نمط الموجة الطبيعية. ويُظهر هذا التوضيح لمعايير التشغيل إمكانية تطوير أنظمة طاقة موجية فعالة تُسهم في تحقيق أهداف المناخ.

الاستثمار في الطاقة المتجددة

من منظور استثماري، لا تتخصص سوى قلة من الشركات المدرجة في البورصة حصرياً في طاقة الأمواج. ولا يزال هذا القطاع ناشئاً، ويتسم بارتفاع تكاليف البنية التحتية ومحدودية تنفيذ المشاريع. وقد سجلت أسهم الشركات العاملة في مجال طاقة الأمواج أداءً ضعيفاً بشكل عام، نظراً لأن هذه التقنية لا تزال في المراحل الأولى من إثبات جدواها الاقتصادية على نطاق تجاري.

بدلاً من ذلك، سنركز على شركة تمتلك محفظة قوية من مصادر الطاقة المتجددة، وهي في وضع يسمح لها بالاستفادة من نمو الطاقة البحرية بمرور الوقت. NextEra الطاقة ، وشركة (NEE ) هي شركة رائدة في مجال الطاقة المتجددة في الولايات المتحدة، ولديها خبرة واسعة في طاقة الرياح البحرية وتكامل الشبكة الكهربائية.

تعمل الشركة من خلال شركتي نيكستيرا إنرجي ريسورسز (NEER) وفلوريدا باور آند لايت (FPL). تُعدّ FPL شركة مرافق كهربائية خاضعة للتنظيم، وتمتلك قدرة صافية تبلغ 35,052 ميغاواط، ما يجعلها أكبر شركة مرافق كهربائية في الولايات المتحدة من حيث عدد العملاء (12 مليون عميل). يُدرّ هذا النشاط التجاري الخاضع للتنظيم إيرادات وتدفقات نقدية ثابتة، مما يدعم نمو توزيعات الأرباح.

تدير شركة نيكستيرا إنرجي ريسورسز (NEER) محطات توليد الطاقة وتستثمر في الطاقة النظيفة، مثل الوقود المتجدد وخطوط أنابيب الغاز الطبيعي وتخزين الطاقة بالبطاريات. تُعدّ نيكستيرا إنرجي ريسورسز أكبر شركة لتوليد الطاقة المتجددة في العالم، وتواصل توسيع مشاريعها. يدعم نمو أرباحها القوي وصفقاتها التقنية الاستراتيجية آفاق نموها المستقبلي، على الرغم من أنها لا تزال عرضة للتقلبات. سياسات مناهضة الطاقة المتجددة في ظل إدارة ترامب.

يتداول سهم شركة نيكستيرا حاليًا عند 90.79 دولارًا، مقتربًا من أعلى مستوياته، بارتفاع قدره 13.63% منذ بداية العام و32% خلال العام الماضي. ويبلغ ربح السهم (خلال آخر 12 شهرًا) للشركة 3.30 دولارًا، ونسبة السعر إلى الأرباح (خلال آخر 12 شهرًا) 27.63.

تدفع شركة نيكستيرا عائد توزيعات أرباح بنسبة 2.73%. وقد أعلنت الشركة مؤخرًا عن توزيع أرباح ربع سنوية قدرها 0.6232 دولارًا أمريكيًا للسهم الواحد، بزيادة قدرها 10% على أساس سنوي. وسجلت نيكستيرا أرباحًا معدلة قدرها 1.133 مليار دولار أمريكي للربع الرابع من عام 2025، و7.683 مليار دولار أمريكي للعام بأكمله. وأفادت نيكستيرا بتشغيل 7.2 جيجاواط من محطات توليد الطاقة الجديدة، وإضافة 13.5 جيجاواط إلى مشاريعها المتراكمة، ليصل إجماليها إلى 30 جيجاواط. ويشمل ذلك خطة لإعادة تشغيل محطة دوان أرنولد النووية بالتعاون مع جوجل.

قال الرئيس التنفيذي جون كيتشوم: "نعتقد أنه لا توجد شركة أخرى في وضع أفضل لبناء البنية التحتية للطاقة اللازمة لتلبية الطلب المتزايد في أمريكا بشكل موثوق وبأسعار معقولة". وتتوقع الشركة نمو ربحية السهم المعدلة بمعدل نمو سنوي مركب يزيد عن 8% حتى عام 2032. كما تعمل على توسيع نطاق حلول إمدادات الغاز الطبيعي من خلال عمليات استحواذ استراتيجية.

تتوقع شركة NextEra أن يكون ربح السهم المعدل لعام 2026 في نطاق يتراوح بين 3.92 دولار و 4.02 دولار، مع نمو توزيعات الأرباح بنسبة 6٪ سنويًا حتى عام 2028.

خاتمة

مع تزايد الطلب العالمي على الطاقة، مدفوعًا بالظواهر الجوية المتطرفة ومراكز بيانات الذكاء الاصطناعي، يصبح نمو الطاقة المتجددة أكثر أهمية للحد من الانبعاثات. وبينما تهيمن الطاقة الشمسية وطاقة الرياح على استخدام الطاقة المتجددة، فإن طاقة الأمواج لديها القدرة على تسريع التحول نحو طاقة أنظف من خلال توفير مصدر طاقة موثوق وعالي الكثافة.

يمكن أن تساعد الأبحاث المتعلقة بتقنيات مثل طاقة الموجات الجيروسكوبية في التغلب على العوائق التقنية التي تحد من هذا القطاع. وبالتزامن مع السياسات الداعمة والاستثمارات الاستراتيجية، يمكن لهذه التطورات أن تساهم في إطلاق قدرات جديدة كبيرة.

انقر هنا لمعرفة كل شيء عن الاستثمار في أفضل عشرة أسهم في مجال الطاقة المتجددة.

مراجع حسابات

1. كليمنتي، د.، وآخرون. تقييم إنتاج الكهرباء وحماية السواحل لمزرعة أمواج قريبة من الشاطئ بقدرة 500 ميجاوات. الطاقة التطبيقية 379، 124950 (2025). https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2024.1249502
2. إيدا، ت. التحليل الخطي لمحول طاقة الموجة الجيروسكوبي الذي يمتص نصف طاقة الموجة عبر نطاق ترددات واسع. مجلة ميكانيكا الموائع 1029، A20 (2026). https://doi.org/10.1017/jfm.2026.11172