مستقبل قطاع الطاقة دائمًا ما ارتبط بحقيقة أن الإنسانية ستتعلم كيفية تخزين الطاقة بفعالية واستخدامها حسب الحاجة. يأتي المستقبل الآن بثقة أكبر وبكفاءة مختلفة. تُحدد كفاءة تقنيات التخزين بالنسبة بين الطاقة المفيدة المستخدمة وإجمالي كمية الطاقة التي تلقتها النظام. بعبارة أخرى، يُقيَّم كفاءة البطاريات بالنسبة لفقدان الطاقة أثناء التخزين مقارنة بالكمية الإجمالية للطاقة التي “صبت في النظام”. ومن المثير للاهتمام أن تقييم كفاءة البطاريات غالبًا ما يتم بالمقارنة مع محرك الاحتراق الخارجي، الذي يبلغ كفاءته 23%، وفقًا للبيانات الشائعة. في معظم الحالات، وفقًا للمعلومات الرسمية بالطبع، تُظهر جميع أنظمة تخزين الطاقة عوامل كفاءة أعلى بكثير من تلك المحركات ذات الاحتراق الخارجي.

طرق تخزين الطاقة الاكثر شهرة

بطاريات ليثيوم أيون

تعتبر بطاريات ليثيوم أيون من أنواع تخزين الطاقة المحتملة والمثيرة للإعجاب. بالرغم من كونها باهظة الثمن في السابق، إلا أنها بدأت تصبح أكثر توافرًا ورخصًا. يعتبر تخزين الطاقة في بطاريات ليثيوم أيون واحدًا من أكثر الطرق فعاليةً. ولكن، يجب أخذ في الاعتبار أن البطارية تبدأ في التدهور مع مرور الوقت.

من الإيجابيات: سرعة الإنشاء (بنى ماسك المشروع في أستراليا خلال 100 يوم)، وإخراج الطاقة المخزنة إلى الشبكة بشكل تقريبي فوري (أجزاء من الثانية).

من السلبيات: السعر، التدهور، التخلص (أو عدمه).

تنتج تسلا بطاريات ليثيوم أيون سواء للاستخدام المنزلي أو الصناعي (بدون الحديث عن بطاريات السيارات الكهربائية). وفي الظروف المثالية، يكون كفاءة البطاريات تقريبًا متساوية. ولكن الظروف المثالية نادرة. فكفاءة محول الطاقة لبطارية تسلا باوروول، وهي بطارية منزلية، تبلغ 90%. ويتم ذكر هذا الرقم لـ “الدورة الكاملة” لشحن/تفريغ البطارية: “التيار المتردد إلى البطارية والعودة إلى التيار المتردد”، كما هو محدد في مواصفات البطارية. أما معدلات أداء نظام البطارية الصناعية، تسلا باورباك، فتتراوح حوالي 88 – 89%. وإذا كانت سعة باورباك الواحدة 210 كيلووات-ساعة، فبعد دورة تخزين واحدة، ستتوفر حوالي 186-187 كيلووات-ساعة للاستخدام مرة أخرى. هذا إذا كانت البطارية جديدة وتعمل في درجة حرارة مثالية. وتُذكر معدلات أداء نظام التخزين للتشغيل في درجة حرارة 25 درجة مئوية – إذ تضر درجات الحرارة العالية أو المنخفضة كفاءة بطارية الليثيوم أيون، على الرغم من أن المواصفات تشير إلى أنها يمكن أن تعمل في درجات حرارة تتراوح بين -25 درجة مئوية إلى + 50 درجة مئوية.

تشير الدراسات إلى أنه إذا كانت البطارية مشحونة بالكامل لبعض الوقت (قصير) في درجة حرارة الغرفة تبلغ 40 درجة مئوية، فإن سعتها (قدرتها على تخزين الطاقة) ستنخفض بنسبة 35% خلال عام واحد، حتى لو تم استخدامها بمقياس صغير. واحدة من المشكلات الرئيسية مع أنظمة الليثيوم أيون هي تدهورها مع مرور الوقت. درجة التدهور تعتمد على شدة استخدام البطارية – مدى تشغيلها خلال الأوقات الذروة، وكم مرة تم تفريغها حتى الصفر. ولكن بشكل عام، بعد عشر سنوات، تقل سعة البطارية إلى مستويات “غير مربحة اقتصاديًا” (هذا ينطبق على المرافق الصناعية) – 50 – 70% من السعة المعلنة للبطاريات الجديدة. سعة أقل تعني كفاءة أقل. ينتج التدهور مشكلة أخرى مع بطاريات الليثيوم أيون – التخلص منها. بالإضافة إلى الليثيوم أيون، هناك بطاريات تعتمد على معادن أخرى. ولكن كفاءتها أقل قليلا. وكذلك التكلفة. أدناه بيانات الباحثين من الصين. يتم وصف عدد دورات الشحن والتفريغ، وسلامة الاستخدام، وكثافة الطاقة، والتكلفة والكفاءة.

تقدر تكلفة بطاريات ليثيوم أيون (حتى يناير 2018) بنحو 213 – 640 دولار لكل كيلووات-ساعة، بينما تقدر تكلفة بطاريات الرصاص والكربون بنحو 142 – 213 دولار لكل كيلووات-ساعة، وتقدر تكلفة بطاريات الفاناديوم بتدفق بنحو 425 دولار لكل كيلووات-ساعة.

التحويل الكهربائي إلى الغاز

المزايا: يمكن توفير الميثان مباشرة إلى شبكات الغاز، ونقل الحاويات.

العيوب: كفاءة منخفضة.

عملية التحليل الكهربائي مكلفة. المنطق بسيط: تستخدم الكهرباء الزائدة لإنتاج الهيدروجين في عملية التحليل الكهربائي. بعد ذلك، يمكن تحويل الهيدروجين إلى ميثان إذا كان هناك مصدر للكربون “بالقرب من” المكان. يتم تخزين الغاز في حاويات خاصة ويتم إخراجه عند الحاجة. يُظهر كفاءة استخدام الطاقة بوضوح عند تحويل الكهرباء المتجددة إلى هيدروجين ثم إلى ميثان.

على الرغم من أن العلماء يقومون بأبحاث في مجال التحليل الكهربائي عند درجات حرارة عالية وعملية التحول إلى ميثان، إلا أن كفاءتها تتجاوز 75%. يعتبر التحليل الكهربائي عند درجات حرارة خاصة عالية تصل إلى حوالي 800 درجة مئوية ميزة كبيرة لزيادة كفاءة تقنية تحويل الطاقة إلى الغاز. نحن في انتظار (أو نستثمر في التكنولوجيا). تعتبر تقنية التحويل الكهربائي إلى الغاز الأكثر كفاءة لتخزين الطاقة على المدى الطويل. مع خسائر كبيرة في الشحن والتفريغ خلال اليوم، فإن تقنية التحويل الكهربائي إلى الغاز غير ملائمة. على سبيل المثال، ستقوم الشركة الفرنسية HDF Energy ببناء مزرعة شمسية في غينيا الفرنسية، ضمن إطارها سيتم إنشاء تخزين طاقة الهيدروجين للفترات الطويلة، ولكن للفترات القصيرة – بطاريات ليثيوم أيون. ستكون سعة المزرعة الشمسية 55 ميجاوات، وسعة بطارية تخزين الهيدروجين – 130 ميجاوات-ساعة، وسعة البطارية ليثيوم أيون – 10 ميجاوات/ساعة.

محطات طاقة التخزين بالضخ

ليست محطات طاقة التخزين بالضخ بحالة حداثة مثل بطاريات ليثيوم أيون أو تخزين الهيدروجين. فقد اجتازت اختبار العقود، وهي التكنولوجيا الوحيدة للتراكم المستخدمة في أوكرانيا. في الآونة الأخيرة، تم استخدامها بشكل متزايد، لأنه بعد إطلاق السوق، يتعين توازنها بشكل أكبر. المزايا: تخزين مكلف، سعات عالية. العيوب: بناء مكلف ومطول، الحاجة إلى مناظر طبيعية مناسبة. البيانات عن كفاءة محطة طاقة التخزين بالضخ في تاشليك.

المزايا: تخزين بتكلفة منخفضة، سعات عالية

العيوب: بناء مكلف ومطول، الحاجة إلى مناظر طبيعية مناسبة

في وضع التوليد، تبلغ الكفاءة القصوى 87% (كفاءة تحويل الطاقة أثناء توليد الكهرباء في عملية تصريف المياه)؛ في وضع الضخ (ضخ المياه إلى الخزان العلوي) – 90.8%. نحن نؤكد – الكفاءة القصوى. بشكل عام، تتراوح كفاءة محطات طاقة التخزين بالضخ حوالي 0.75، مما يعني أنه من كل 100 كيلووات-ساعة يتم أخذها من النظام من قبل محطة طاقة التخزين بالضخ، يتم إرجاع 75 كيلووات-ساعة. وهذا ينطبق على التقنيات الحديثة، بالإضافة إلى أنه إذا كان الحديث عن محطات طاقة التخزين بالضخ التي تم بناؤها في الستينيات، فإن الكفاءة يمكن أن تكون عند مستوى 40%. بالطبع، يعتمد ذلك أيضًا على حجم السد، وموقعه المناخي، وعوامل أخرى تؤثر على كمية المياه في الخزان، والتي بدورها تؤثر على كفاءة محطة طاقة التخزين بالضخ.

أنظمة تخزين الطاقة بالجاذبية

المزايا: بناء سريع وتكلفة منخفضة نسبيًا.

العيوب: تقنية جديدة ذات كفاءة غير مؤكدة.

يستند مبدأ العمل على الجاذبية والاحتكاك، وبشكل أساسي، يشبه ذلك محطات طاقة التخزين بالضخ. ولكن بدون ماء. مثال مثير للاهتمام عن تخزين الجاذبية تم إنشاؤه من قبل الشركة الأمريكية (Advanced Rail Energy Storage North America) باستخدام سكة حديدية صغيرة في نيفادا. بدلاً من ضخ المياه إلى الخزان العلوي عند تخزين الطاقة، يرفع مشروع ARES عربات بالتحميل إلى أقرب نقطة للقمة، وعند إخراج الطاقة، يتم خفض العربات من الهضبة.

تم إنشاء مثال مثير للاهتمام عن تخزين الجاذبية من قبل الشركة الأمريكية (Advanced Rail Energy Storage North America) باستخدام سكة حديدية صغيرة في نيفادا. بدلاً من ضخ المياه إلى الخزان العلوي عند تخزين الطاقة، يقوم مشروع ARES برفع العربات المحملة بالرصاصة أقرب إلى قمة التل؛ عند إخراج الطاقة، يتم خفض العربات من التل. تم تجهيز كل من العربات بمولد قوته 2 ميغاواط، حيث يعمل عند الرفع كمحرك كهربائي، وعند النزول يُعيد الطاقة إلى الشبكة. يُقدر كفاءة النظام بأكمله بنسبة 80 – 86%. يبلغ الفارق في الارتفاع بين النقاط 900 متر (وهذا فارق ارتفاع كبير جدًا، حيث أن معظم محطات التخزين بالضخ لا تحتوي على ذلك)، مع الأخذ في الاعتبار أن طول المسارات التي تتحرك عليها العربات هو 8 كيلومترات. في ذروته، يُخرج النظام حتى 50 ميغاواط من القدرة. وهذا يعادل حوالي 1.5 ميغاواط من كل من 32 عربة (بما في ذلك جميع الخسائر).

يُقال إن إطلاق العربات في الحركة يكون سريعًا جدًا – من 5 إلى 10 ثوانٍ. هذا ليس بمثلية الحال مع بطاريات ليثيوم أيون، ولكن في المنطقة التي تم فيها إنشاء المشروع، يتم توازن عدم انتظام مصادر الطاقة المتجددة أساسًا من قبل محطات توليد الطاقة الحرارية بالغاز، التي تكون نشطة لمدة نصف ساعة. كانت تجربة ARES محدودة بالفعل بالاختبارات على مسافة 240 مترًا. بالإضافة إلى ذلك، يصر النقاد على أن الكفاءة التي تتراوح بين 80-86% ممكنة فقط مع مسار قصير للعربة، وكلما زادت فترات الهبوط والارتفاع الطويلة، زادت الخسائر.

كانت تجربة ARES محدودة بالاختبارات على مسافة 240 مترًا. بالإضافة إلى ذلك، يصر النقاد على أن الكفاءة التي تتراوح بين 80-86% ممكنة فقط مع مسار قصير للعربة، وكلما زادت فترات الهبوط والارتفاع الطويلة، زادت الخسائر. مشروع آخر ليس أقل إثارة يعمل على نفس المبدأ الجاذبي – تخزين الطاقة في برج. يعتمد مبدأ العمل على وجود رافعة بست نجوم تقف في الوسط، وتوجد أسطوانات من الخرسانة تزن 35 طنًا متريًا على بعد منها. عند حدوث فائض في الكهرباء الشمسية أو الرياح، يتم تنشيط المحرك الكهربائي، والرافعة، التي تتحكم فيها خوارزمية تلقائية، ترفع الكتل الخرسانية واحدة تلو الأخرى، مكدسة حول محورها لتشكيل برج. يتم “شحن” نظام التخزين عندما تنشأ الرافعة برجًا من الكتل الخرسانية حول نفسها. يمكن للبرج تخزين 20 ميغاواط-ساعة من الطاقة. عندما يكون هناك نقص في الكهرباء في الشبكة، يبدأ النظام في الاتجاه المعاكس، ويتم توفير الكهرباء للشبكة بفضل الطاقة الجاذبية. عندما يعمل الشبكة على مستوى منخفض، تعود المحركات إلى العمل – باستثناء أنه بدلاً من استهلاك الكهرباء، يتم تشغيل المحرك بالاتجاه المعاكس بواسطة الطاقة الجاذبية وبالتالي إنتاج الكهرباء.

تم تطوير هذا النظام لتخزين الطاقة من قبل شركة البداية السويسرية Energy Vault. تقع مرفق العرض التوضيحي في إيطاليا، بالقرب من ميلانو. بينما الخرسانة أكثر كثافة من الماء بكثير، فإن رفع كتلة خرسانية يتطلب (وبالتالي يمكن تخزينه) الكثير من الطاقة أكثر من خزان مياه بنفس الحجم، كما يشير المطورون. كفاءة مثل هذا النظام تبلغ حوالي 85%.

تخزين الطاقة الحرارية

المزايا: تكلفة منخفضة.

العيوب: غير فعّال جدًا، ومناسب فقط لتخزين الطاقة على المدى الطويل.

قبل بضع سنوات، قدمت شركة سيمنز، التي تعمل بنشاط في تطوير طاقة الرياح، حلاً لتخزين الطاقة في شمال ألمانيا. يتم تحويل الطاقة الزائدة التي تنتجها مزارع الرياح إلى حرارة، ويتم استخدام هذه الحرارة لتسخين الأحجار (تصل درجة حرارتها إلى 600 درجة مئوية)، والتي تحمى بغطاء معزول. عندما يكون هناك حاجة للكهرباء الإضافية، تحول التوربينات البخارية الطاقة الحرارية مرة أخرى إلى كهرباء. هذه هي الخطة الأساسية لعمل تخزين الطاقة “على الأحجار الساخنة”.

المشروع ذاته ذو تكلفة منخفضة في التنظيم، ولكن كفاءته لا تزال منخفضة. من المخطط أن تكون قدرة مرفق التخزين بالحجر بالحجم الكامل قادرة على استيعاب حوالي 36 ميغاواط-ساعة من الطاقة في حاوية تحتوي على حوالي 2000 متر مكعب من الصخور. باستخدام مرجل، يمكن للحرارة المتراكمة توليد بخار بمقدار يمكن أن تنتجه التوربين البخاري المدمج من سيمنز ما يصل إلى 1.5 ميغاواط من الكهرباء على مدار 24 ساعة في اليوم. في مراحل التطوير الأولية، ستكون كفاءة تخزين الحجر حوالي 25%. في المستقبل، يوجد للمفهوم الكفاءة المحتملة بنسبة حوالي 50%. بمعنى آخر، من الـ 36 ميغاواط-ساعة التي تدخل التخزين، يبقى 18 ميغاواط-ساعة عند الإخراج.