وفقًا للقياسات المثبتة، يبلغ متوسط كثافة قدرة الإشعاع الشمسي خارج الغلاف الجوي للأرض مباشرةً 1366W/m2، والمعروف على نطاق واسع باسم «الثابت الشمسي». وتعريف المتر هو واحد على 10 مليون من خط زوال الأرض الممتد من القطب الشمالي إلى خط الاستواء؛ انظر الشكل .1. وهذا التعريف ما زال دقيقا تبعًا للقياسات الحديثة؛ لذا فإن نصف قطر الأرض يساوي . إذن فالقدرة الإجمالية للإشعاع الشمسي التي تصل إلى الأرض هي:

الثواني في اليوم هو 86400، وفي المتوسط، عدد الأيام في العام هو 365.2422. وهكذا

يكون إجمالي طاقة الإشعاع الشمسي التي تصل إلى الأرض كل عام:

أو EJ/year 5460000. ولأخذ فكرة عن هذا المقدار من الطاقة، دعنا نقارنه بالاستهلاك العالمي السنوي للطاقة انظر الشكل -2-. فيما بين عامي 2005 و2010، وصل الاستهلاك السنوي للطاقة للعالم بأسره إلى نحو EJ 500. وهكذا، فإن نسبة 0.01 بالمائة فقط من الطاقة الشمسية السنوية التي تصل إلى الأرض يمكنها أن تفي باحتياجات العالم كله من الطاقة.

شكل 1-1: الطاقة الشمسية السنوية التي تصل إلى سطح الأرض. يبلغ متوسط القدرة الشمسية على الأرض .1366W/m2. ويصل طول خط زوال الأرض، تبعا لتعريف المتر m 10000000. ويبلغ إجمالي الطاقة الشمسية التي تصل إلى سطح الأرض كل عام

شكل 1الاستهلاك العالمي للطاقة فيما بين عامي 1980 و 2030 المصدر: إدارة معلومات وهي الجهة التابعة للحكومة الأمريكية التي تقدم إحصائيات الطاقة الرسمية. التاريخ: «التقرير السنوي عن الطاقة الدولية لعام 2004 مايو - يوليو (2006)، التوقعات إدارة معلومات الطاقة، تقرير «توقعات الطاقة الدولية» الصادر في عام 2007.

لا يصل كل الإشعاع الشمسي الساقط على الغلاف الجوي الأرضي إلى سطح الأرض. فنحو 30 بالمائة من الإشعاع الشمسي ينعكس في الفضاء ونحو 20 بالمائة منه يمتص من جانب السحب والجزيئات في الهواء؛ انظر الفصل الخامس. فنحو ثلاثة أرباع سطح الأرض مسطحات مائية، ولكن حتى إذا كان بالإمكان استغلال 10 بالمائة فقط من إجمالي الإشعاع الشمسي فإن 0.1 بالمائة منها فقط يمكنها أن تمد العالم بأسره بالطاقة. من المثير للاهتمام أن نقارن الطاقة الشمسية السنوية التي تصل إلى الأرض بالاحتياطي الإجمالي المثبت لأنواع الوقود الحفري المتعددة؛ انظر الجدول 1. توضح الأرقام أن الاحتياطيات الإجمالية المثبتة للوقود الحفري تمثل نحو 1.4 بالمائة من الطاقة الشمسية التي تصل إلى سطح الأرض سنويا. في واقع الأمر، أمكن استغلال نسبة صغيرة فقط من الطاقة الشمسية. ويصل الاستهلاك السنوي الحالي للطاقة المولدة من الوقود الحفري إلى نحو .300EJ. وإذا استمر المستوى الحالي لاستهلاك الوقود الحفري، فإن الاحتياطي الإجمالي للطاقة المولدة منه سينفد في نحو مائة عام. حاليا، لا يزال استخدام الطاقة المتجددة يمثل نسبة صغيرة من إجمالي الطاقة المستهلكة؛ انظر الجدول 2 يوضح الشكل-3 نسبة الأنواع المختلفة من الطاقة في الولايات المتحدة الأمريكية في عام 2006 ويمثل استخدام الطاقة الشمسية من خلال تقنية الخلايا الكهروضوئية 0.07 بالمائة فقط من إجمالي الطاقة المستهلكة، ولكن عالميًّا، تعد الطاقة الشمسية المولدة من الخلايا الكهروضوئية مصدر الطاقة الأسرع نموا ستصبح تلك الطاقة يومًا ما المصدر السائد للطاقة. ويعرض الشكل4 تنبوا بهذا قام به الاتحاد الألماني لصناعة الطاقة الشمسية.

جدول 1 الاحتياطيات المثبتة لأنواع الوقود الحفري المختلفة.

الجدول 2

شكل 3 استهلاك الطاقة في الولايات المتحدة الأمريكية في عام 2006. المصدر: «مراجعة الطاقة السنوية لعام 2006، الصادرة عن إدارة معلومات الطاقة وحدة الطاقة في التقرير الأصلي هي الكواد، أي: نحو [10¹⁸ أو EJ. انظر الملحق أ. في عام 2006، كان إجمالي الطاقة المستهلكة في الولايات المتحدة الأمريكية ؛ أي نحو 100E؛ لذا فإن قيمة الطاقة تقريبا بالضبط نسبتها المئوية وعليه فإن الطاقة الشمسية المتولدة من الخلايا الكهروضوئية تمثل فقط 0.07 بالمائة من إجمالي الطاقة المستهلكة في عام 2006.

تعد حتمية استبدال الطاقة الشمسية بالوقود الحفري في نهاية الأمر ببساطة؛ حقيقة جيولوجية فالاحتياطي الإجمالي القابل للاستخراج من النفط الخام متناه. على سبيل المثال، كانت الولايات المتحدة الأمريكية أكبر منتج للنفط في العالم فيما سبق. بحلول عام 1971، نفد نحو نصف احتياطي النفط الخام القابل للاستخراج في الولايات الأمريكية المتجاورة

(أي: الثماني والأربعين ولاية ذات الحدود المشتركة). ومنذ ذلك الحين، بدأ ينخفض إنتاج النفط الخام في هذه المنطقة ومن ثم تعين إنتاج النفط الخام من مناطق ذات ظروف جيولوجية وبيئية أكثر صعوبة، ولم يؤد هذا إلى زيادة تكلفة التنقيب عن النفط وحسب، بل إلى زيادة كمية الطاقة المستخدمة لإنتاج النفط الخام أيضًا. ولتقييم مدى فائدة أي عملية إنتاج للطاقة، عادةً ما يُستخدم «عائد الطاقة على الطاقة المستثمرة»، الذي يُعرف أيضًا بـ «ميزان الطاقة»، وهذا تعريفه

في ثلاثينيات القرن العشرين، وصلت قيمة عائد الطاقة على الطاقة المستثمرة لإنتاج النفط الخام إلى نحو 100 وفي عام 1970، كانت .25. وبالنسبة للتنقيب عن النفط في أعماق البحار، تكون القيمة نحو 10 أما عن النفط الصخري والغاز الصخري والنفط الرملي فلها قيم أقل. فإذا قَلَّتْ هذه القيمة بالنسبة لأي عملية إنتاج لطاقة لتصل إلى نحو 1، فلا فائدة من الاستمرار فيها. على الجانب الآخر، على الرغم من أن تكلفة الكهرباء المولدة من الشمس حاليا أكبر من تكلفة الكهرباء المولدة من أنواع الوقود الحفري فإن التقنية الأولى في تطور مستمر وتكلفتها في انخفاض مستمر، في نحو عام 2015، ستكون تكلفة الكهرباء الشمسية أقل من تلك الخاصة بالكهرباء العادية، حتى نصل إلى «تكافؤ الشبكة». بعد ذلك، سيحدث نمو سريع في إنتاج الكهرباء الشمسية؛ ارجع

الشكل 1-4

شكل 4: اتجاه صناعة الطاقة في القرن الحادي والعشرين مصدر المعلومات الاتحاد الألماني لصناعة الطاقة الشمسية عام 2007 .

إن القوة المحركة لثورة الطاقة في القرن الحادي والعشرين هي الاقتصاد؛ ونظرا لأن المصادر الطبيعية الخاصة بالوقود الحفري والمواد النووية متناهية فإن تكلفة إنتاجها ستزيد مع الوقت. أما عن طاقة الإشعاع الشمسي والمادة الخام المستخدمة في صنع الخلايا الشمسية والسيليكون، فهي غير قابلة للنفاد، كما أن إنتاج الخلايا الشمسية على نطاق واسع سيُخفض تكلفتها. وفي وقت ما ستكون تكلفة الكهرباء المولدة من الشمس أقل من تلك الخاصة بالكهرباء التقليدية بحيث نصل إلى ما يُطلق عليه «تكافؤ الشبكة» في عام 2007، كان من المقدر أن يتحقق هذا التكافؤ فيما بين عامي 2020 و 2030 وبعد ذلك، سيحدث توسع كبير في الطاقة المولدة من الشمس. وتشير التطورات الأخيرة إلى أن هذا التكافؤ سيحدث في عام 2015. كما سيحدث الانتشار السريع لهذا النوع من الكهرباء في وقت سابق على ذلك المحدد في هذا التنبؤ الصادر في عام 2007.