اليابان | خلايا البيروفسكايت: ثورة في الطاقة الشمسية ستغير العالم تستعد للانطلاق في اليابان

لحظة حرجة للطاقة الشمسية

لقد استثمرت الحكومة اليابانية في الطاقة الشمسية كوسيلة للحد من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون وغيره من الغازات المسببة للانحباس الحراري العالمي، ولكن الصناعة تقترب من لحظة حرجة. ففي حين تمكنت شركات الطاقة الشمسية من بيع منتجاتها لشركات الكهرباء بأسعار مرتفعة بسبب نظام تعريفة التغذية الخاص، وساعدت البلديات في زيادة استخدام الألواح الشمسية من خلال إعاناتها الخاصة، بدأت مشاكل واضحة في الظهور، مثل الاحتكاك مع السكان المحليين بشأن وضع مواقع الطاقة الشمسية.

ألواح شمسية جرفت مع الأرض في انهيار أرضي. (بإذن من وزارة الاقتصاد والتجارة والصناعة)

وفقًا لاستطلاعات وزارة الشؤون الداخلية والاتصالات اليابانية، تواجه 40% من البلديات في اليابان التي اعتمدت على توليد الطاقة الشمسية مشاكل متنوعة. تشمل هذه التحديات الانهيارات الأرضية، التي تحدث عند تركيب المرافق الشمسية على لأراضي المنحدرة. ورغم أن هذه الأراضي توفر تكلفة أقل وتزيد من تعرض الألواح للشمس، فإنها تكون عرضة للأضرار الناجمة عن الأمطار الغزيرة. بالإضافة إلى ذلك، اشتكى السكان في بعض المناطق من الضوء الساطع المنعكس من الألواح الشمسية. كما تفاقمت هذه المشكلات نتيجة التفسيرات غير الكافية المقدمة من شركات الطاقة الشمسية للسكان المحليين قبل تركيب الأنظمة.

وفي إطار جهود الحكومة اليابانية لتحقيق الحياد الكربوني بحلول عام 2050، وضعت هدفًا طموحًا يتمثل في رفع نسبة الكهرباء المولدة من الطاقة الشمسية إلى ما بين 14% و16% بحلول عام 2030، وهو ما يعادل ضعف نسبة الطاقة الشمسية في السنة المالية 2019. ومع ذلك، فإن الوكالة اليابانية للموارد الطبيعية والطاقة تشير إلى أن اليابان، نظرًا لطبيعتها الجبلية، قد استغلت بالفعل معظم الأراضي المسطحة المتاحة لتوليد الطاقة الشمسية، مما يشكل تحديًا للنمو المستقبلي في هذا القطاع مقارنة بالدول الصناعية الكبرى الأخرى التي لديها مساحات أكبر من الأراضي المسطحة.

مع تفاقم حدة تغير المناخ، وارتفاع درجات الحرارة في الصيف إلى مستويات قياسية وزيادة الأمطار الغزيرة، تتزايد الحاجة إلى إعادة النظر في استراتيجيات الطاقة. يشكل قطاع الطاقة أكثر من 80٪ من إجمالي انبعاثات الكربون، مما يجعله عنصرًا رئيسيًا في جهود مكافحة تغير المناخ. ومع ذلك، فإن المخاوف المستمرة بشأن إعادة تشغيل المفاعلات النووية بعد الكوارث الطبيعية مثل الزلازل والتسونامي، تجعل من الصعب الاعتماد عليها كحل طويل الأمد.

في ظل هذه التحديات، يصبح التوسع في استخدام الطاقة المتجددة أمرًا ضروريًا. فإلى جانب الطاقة الشمسية، التي تواجه قيودًا مرتبطة بالتضاريس الجبلية في اليابان، يمكن أن تلعب طاقة الرياح، والطاقة الحرارية الأرضية، والطاقة المائية الصغيرة دورًا مهمًا في تعزيز الاعتماد على مصادر الطاقة النظيفة. لتحقيق الأهداف المناخية، يجب توجيه الاستثمارات والتطوير التكنولوجي نحو تنويع مصادر الطاقة المتجددة، مع الحرص على معالجة التأثيرات البيئية والاجتماعية المرتبطة بمشاريع الطاقة الجديدة.

طاقة المستقبل

في ظل التحديات البيئية المتزايدة، يبرز تطوير ”بيروفسكايت“ أو الخلايا الشمسية المرنة ذات الأغشية الرقيقة كحل مبتكر يجذب اهتمامًا متزايدًا. تعتمد هذه الألواح على توليد الطاقة من خلال تعريض المواد شبه الموصلة لأشعة الشمس، كما هو الحال مع الألواح الشمسية التقليدية. إلا أن الألواح الحالية المصنوعة من السيليكون الهش والمحمية بطبقة زجاجية تكون ثقيلة الوزن، حيث يصل وزنها إلى حوالي 10 كيلوغرامات لكل متر مربع.

على النقيض من ذلك، تأتي الألواح الشمسية المرنة كجيل جديد من تقنيات الطاقة الشمسية، حيث تستند إلى خلايا تغطيها طبقة مولدة للطاقة من مركب ذو بنية بلورية يُعرف باسم البيروفسكايت. هذه الخلايا محمية بمادة واقية على كلا الجانبين، لكنها تتميز بأنها رقيقة للغاية ومرنة، مما يجعل وزنها يعادل عُشر وزن الألواح السيليكونية التقليدية. هذا التحول نحو الخلايا المرنة يفتح الباب أمام إمكانية تطبيقات أوسع في مجالات متنوعة مثل الأسطح المنحنية والأجهزة القابلة للارتداء، ويعد خطوة نحو تحقيق كفاءة أكبر وتخفيف الأعباء اللوجستية المتعلقة بنقل وتركيب الألواح الشمسية.

هذه الخصائص الفريدة للخلايا الشمسية المرنة تفتح آفاقًا جديدة لاستخدامها بطرق مبتكرة، مما دفع الشركات المصنعة لتكثيف جهودها لتطوير هذه التقنية المتقدمة. على سبيل المثال، شركة سيكيسوي الكيميائية، التي تستهدف تسويق الجيل الجديد من خلايا البيروفسكايت الشمسية بحلول عام 2025، تواجه تدفقًا متزايدًا من الاستفسارات من شركات متعددة الصناعات والحكومات المحلية، مما يعكس الاهتمام الكبير بإمكانيات هذه التقنية.

ورغم أن السعر الأولي لهذه الخلايا الشمسية الجديدة قد يكون مرتفعًا، إلا أن موريتا تاكيهارو، الذي يقود مشروع تطوير الخلايا الشمسية في شركة سيكيسوي، يشير إلى أن هناك عوامل قد تجعل استخدامها أكثر جدوى اقتصاديًا على المدى الطويل. على سبيل المثال، في حال تم فرض ضريبة الكربون في المستقبل، فقد تكون تكلفة استخدام الخلايا الجديدة أقل مقارنة بالتقنيات الحالية. كما أن العديد من الشركات الكبرى تولي اهتمامًا كبيرًا بالعوامل الأخرى مثل تعزيز قيمتها المؤسسية وإبراز المسؤولية الاجتماعية، وهو ما يجعل هذه الخلايا الشمسية خيارًا جذابًا لها في سياق التنمية المستدامة.

موريتا تاكيهارو من شركة سيكيسوي للكيماويات يحمل نموذجًا أوليًا لخلية شمسية مرنة بيروفسكايت (© موتشيدا جوجي)

تصور فني لناطحة سحاب مخططة في أوتشيسايوايتشو، طوكيو، والتي ستولد الكهرباء من خلال الخلايا الشمسية المصنوعة من البيروفسكايت في جدرانها. (بإذن من شبكة كهرباء طوكيو)

تسعى شركات تصنيع الخلايا الشمسية ذات الأغشية الرقيقة إلى استغلال إمكانات هذه التكنولوجيا لتوسيع استخدامها في مواقع لا يمكن للألواح الشمسية التقليدية المصنوعة من السيليكون أن تعمل بها بكفاءة. على سبيل المثال، الأسطح الكبيرة في المصانع والمستودعات، التي توفر تعرضًا ممتازًا لأشعة الشمس، غير مناسبة للألواح السيليكونية الثقيلة. في المقابل، الألواح الشمسية المرنة وخفيفة الوزن تقدم حلاً مثاليًا، وقد أعرب العديد من العملاء المحتملين عن اهتمامهم باستخدام هذه التكنولوجيا الجديدة.

في إطار تطوير واختبار هذه الألواح، تقوم شركة سيكيسوي للكيماويات بتجربة مبتكرة في محطة طوكيو الدولية للرحلات البحرية، حيث يتم تثبيت الألواح المرنة على الأسطح المنحنية مثل الأعمدة، مما يظهر المرونة التي تتمتع بها هذه الخلايا في استخدامات غير تقليدية.

بالإضافة إلى ذلك، الألواح الشمسية السيليكونية ليست مناسبة للاستخدام على الجدران الرأسية، وهو ما دفع الشركات إلى تطوير حلول جديدة. على سبيل المثال، من المخطط أن تحتوي ناطحة سحاب مكونة من 43 طابقًا، التي سيتم الانتهاء منها في العام المالي 2028 في أوتشيسايوايتشو بمنطقة هيبيا في طوكيو، على خلايا شمسية ذات أغشية رقيقة تغطي جدرانها الخارجية، ومن المتوقع أن تولد أكثر من 1000 كيلووات من الطاقة.

إضافة إلى ذلك، يمكن أن تصبح الألواح الشمسية المثبتة على الجدران خيارًا عمليًا في المناطق التي تشهد تساقطًا كثيفًا للثلوج، حيث تصبح الألواح المثبتة على الأسطح غير فعالة بسبب تراكم الثلوج. لكن الألواح على الجدران يمكن أن تستفيد من انعكاس ضوء الشمس لتوليد الطاقة خلال فترات النهار المشرقة، مما يوفر حلاً مثاليًا لهذه المناطق.

حلم عام 2050

إن الإنتاج الأولي للخلايا الشمسية المرنة سيتطلب استثمارات كبيرة في البنية التحتية للمصانع وتغطية تكاليف الاستهلاك، ما سيؤدي إلى ارتفاع أسعار هذه الألواح عند طرحها في السوق. ولكن مع مرور الوقت وازدياد حجم الإنتاج، ستنخفض التكاليف تدريجياً، مما سيسهم في توسيع نطاق تبني هذه التكنولوجيا المبتكرة. في هذا السياق، شركة توشيبا لأنظمة الطاقة والحلول تخطط لإطلاق منتج يعتمد على هذه التقنية بين العامين 2025 و2030. وتستند استراتيجيتها إلى رؤية طويلة المدى، حيث ترى الشركة أنه بحلول عام 2050، سيكون من الممكن تركيب الخلايا الشمسية المرنة في كل مكان في المناطق الحضرية، ما يوفر إمكانيات هائلة لتحقيق طاقة نظيفة وفعالة في المدن.

رؤية لاستخدام الألواح الشمسية المرنة في المناطق الحضرية. (© 2021–24 شركة توشيبا، جميع الحقوق محفوظة)

إذا أصبحت الخلايا الشمسية الجديدة أكثر تكلفة في البداية، فإن إمكانيات استخدامها ستتوسع بشكل ملحوظ مع مرور الوقت. شركة توشيبا ترى في هذه التكنولوجيا فرصة لتعزيز القطاع الزراعي، الذي يعاني من نقص حاد في العمالة. من خلال استخدام الخلايا الشمسية المرنة في البيوت البلاستيكية، يمكن تقليل الحاجة إلى الأيدي العاملة بشكل كبير، حيث ستساهم في تنظيم درجة الحرارة والرطوبة داخل البيوت الزراعية، وأتمتة عمليات مثل رش المواد الكيميائية والأسمدة باستخدام الطائرات بدون طيار.

كما تعمل الشركة على تطوير ألواح شمسية قابلة للدحرجة، يمكن نشرها بسهولة في المساحات المتاحة كمصدر طاقة طارئ في حالات الكوارث. هذه الألواح المرنة ستوفر حلاً سريعاً وفعالاً لتوليد الطاقة في مواقع تضررت من الكوارث الطبيعية أو غيرها، مما يسهم في تحسين استجابة الطوارئ واستدامة إمدادات الطاقة.

أجرت شركة توشيبا تجربة بالتعاون مع حكومة منطقة طوكيو الحضرية حول استخدام الألواح الشمسية المرنة في البيوت البلاستيكية. (بإذن من مركز أبحاث الزراعة والغابات في منطقة طوكيو الحضرية)

يوضح ساكوراي يوسوكي، الذي يرأس مجموعة تطوير الخلايا الشمسية من الجيل القادم في شركة توشيبا، أن هذه التكنولوجيا لديها إمكانات واعدة لتوليد الطاقة حتى في الأماكن المغلقة، حيث يقول: ”إذا كان هناك قدر معين من الضوء الطبيعي يدخل، فيمكننا استخدام الخلايا المرنة لتوليد الطاقة في هذه البيئات.“ تعمل الشركة حاليًا بالتعاون مع حكومة العاصمة طوكيو لاختبار كفاءة هذه الخلايا الشمسية في الأماكن المغلقة، لا سيما في المناطق ذات التعرض الجيد لأشعة الشمس، مثل المناطق القريبة من النوافذ والجدران الستارية (الجدران الخارجية للمباني الحديثة التي توفر الحماية من العوامل الجوية فقط دون أن تكون هيكلية).

كما أن هناك إمكانية لاستخدام هذه الخلايا في مجال السيارات الكهربائية كمصدر احتياطي للطاقة. فعلى الرغم من أن بعض السيارات الهجينة الحالية تقدم ألواح شمسية من السيليكون على الأسطح كخيار، فإن الخلايا المرنة، بفضل وزنها الخفيف وكفاءتها العالية، تمثل بديلاً أكثر فعالية. في هذا السياق، تعمل شركة إينيكوات تكنولوجيز، وهي شركة ناشئة من جامعة كيوتو، بالتعاون مع تويوتا على تطوير ألواح شمسية جديدة يمكن استخدامها في المركبات المستقبلية، مما يعزز من كفاءة استخدام الطاقة.

مزايا أمن الطاقة

إن زيادة الاعتماد على الطاقة الشمسية ومصادر الطاقة المتجددة الأخرى تمثل خطوة مهمة نحو تعزيز أمن الطاقة في اليابان. في الوقت الحالي، يعتمد مزيج الطاقة الياباني بشكل كبير على الطاقة الحرارية، التي تتطلب استيراد الوقود الأحفوري مثل النفط والفحم والغاز الطبيعي. في السنة المالية 2021، بلغ الاكتفاء الذاتي من الطاقة في اليابان 13.3٪ فقط، مما جعلها في المرتبة السابعة والثلاثين بين الدول الأعضاء في منظمة التعاون الاقتصادي والتنمية البالغ عددها 38 دولة. وفي ظل ارتفاع أسعار النفط نتيجة غزو روسيا لأوكرانيا، تلقت الاقتصاديات المعتمدة على واردات الوقود الأحفوري، مثل اليابان، ضربة كبيرة. لذا، فإن زيادة الاكتفاء الذاتي من الطاقة بات أمرًا حتميًا لتقليل التأثيرات السلبية للمخاطر الجيوسياسية.

في الوقت الحالي، تعتمد الألواح الشمسية التقليدية على السيليكون في توليد الكهرباء، والذي يأتي بشكل كبير من الصين. لكن الألواح الشمسية الجديدة تعتمد على اليود، وهو مادة تمتلك اليابان قدرة كبيرة على إنتاجها، حيث تعد ثاني أكبر منتج له في العالم. هذا الاعتماد على المواد المنتجة محليًا يقلل من المخاطر المحتملة لتوقف سلاسل التوريد، كما حدث في صناعة أشباه الموصلات نتيجة التوترات بين الولايات المتحدة والصين.

الإنتاج المحلي للاستخدام المحلي

مع تفاقم تغير المناخ وزيادة شدة موجات الحر، أصبحت تكلفة الكهرباء المرتفعة مصدر قلق خطير للمنازل والشركات على حد سواء. فالكهرباء المنقولة من محطات حرارية بعيدة تكون مكلفة بسبب الحاجة إلى مرافق وشبكات طاقة رئيسية. في المقابل، تُعد الكهرباء المنتجة محليًا، مثل الطاقة الشمسية، أرخص بطبيعتها. وعلى عكس الوقود الأحفوري، فإن ضوء الشمس يُعتبر موردًا متاحًا بحرية ودون تكلفة تشغيلية.

يقول موريتا من شركة سيكيسوي للكيماويات: ”بمجرد أن نبدأ الإنتاج الضخم، يمكننا خفض تكلفة المنتجات، وبالتالي في مرحلة ما، سنتمكن من بيع الألواح للاستخدام المنزلي. على الرغم من أنها قد تكون أكثر تكلفة بشكل فردي مقارنة بالألواح الشمسية التقليدية المصنوعة من السيليكون، إلا أنها أرخص من حيث التكلفة الإجمالية، بدءًا من عملية التركيب وصولاً إلى التخلص منها.“

وفقًا لحسابات شركة توشيبا، إذا تم تركيب الألواح الشمسية المرنة ذات كفاءة تحويل الضوء إلى كهرباء بنسبة 15.1٪ على جميع الأسطح وبعض جدران المباني في البلديات الـ 23 في وسط طوكيو، فإنها ستولد طاقة تعادل طاقتين نوويتين، أو ما يعادل ثلثي استهلاك الطاقة المنزلية السنوي في المنطقة.

ومع ذلك، من الضروري إجراء تخفيضات كبيرة في الأسعار وتحسين التكنولوجيا والتصميم، مثل تعزيز متانة الألواح الشمسية، لتحويل هذه الرؤية المستقبلية إلى واقع ملموس.

ما زال هناك العديد من العقبات التي يجب التغلب عليها لتحقيق هذا الهدف، لكن الفوائد المحتملة تجعل العمل على تطوير هذه التكنولوجيا أمرًا ملحًا للمستقبل.

(نشر النص الأصلي باللغة اليابانية في 28 أغسطس/آب 2024، الترجمة من الإنكليزية. صورة العنوان الرئيسي: لوحة شمسية مرنة مثبتة على عمود تستخدم لإضاءة علامة ”طوكيو“ في محطة طوكيو الدولية للرحلات البحرية كجزء من تجربة أجرتها شركة سيكيسوي للمواد الكيميائية. © موتشيدا جوجي من Nippon.com)