اختراق في تخزين الطاقة: المكثف الفائق ذاتي الشحن يضع معايير جديدة في كفاءة الطاقة

شهد الأسبوع الأول من عام 2025 ارتفاعًا ملحوظًا في أسهم الطاقة الشمسية عندما أعلنت شركة Tesla (TSLA ) عن سجلاتها القياسية في نشر أنظمة تخزين الطاقة.

في عام 2024، شركة السيارات الكهربائية، التي ينتج قسم تخزين الطاقة لديها بطاريات سكنية وتجارية لتخزين الطاقة الشمسية، نشرت 31.5 جيجاواط ساعة من منتجات تخزين الطاقة، بينما تم توزيع ما يقرب من 35٪ منها (11 جيجاواط ساعة) في الربع الرابع من عام 2024 فقط.

أصدرت شركة تصنيع البطاريات الصينية Contemporary Amperex Technology Co., Limited (CATL)، التي تزود Tesla بخلية البطاريات، نظام تخزين طاقة قابل للإنتاج الضخم يُدعى TENER العام الماضي. يمتلك النظام سعة 6.25 ميجاواط ساعة وكثافة طاقة 430 واط/لتر مع تحقيق عدم تدهور لمدة خمس سنوات.

هذه التطورات الكبيرة في مجال تخزين الطاقة ذات أهمية حاسمة بسبب الطلب المتزايد على الطاقة. يُدفع هذا الطلب بزيادة عدد السكان العالمي، والتحضر، والنمو الاقتصادي، والتقدم التكنولوجي. وفقًا للوكالة الدولية للطاقة (IEA)، من المتوقع أن يرتفع الطلب العالمي على الكهرباء بمعدل أسرع خلال السنوات الثلاث القادمة، حيث سيزداد بمتوسط 3.4٪ سنويًا حتى عام 2026.

هنا، يمكن لأنظمة تخزين الطاقة المساعدة في تلبية الطلب المتزايد من خلال دعم إمداد الشبكة الكهربائية، والنقل، وأنظمة التوزيع. من خلال التحول إلى آليات التخزين، يضمن مشغلو نظام الشبكة مرونة وموثوقية الشبكة. كما يزيل الاعتماد على الخيارات ذات البصمة الكربونية العالية.

إذن، ما هو تخزين الطاقة بالضبط؟ هو كما يقول الاسم: تخزين الطاقة. يتم ذلك عبر التقاط الطاقة المنتجة أولاً ثم تخزينها للاستخدام لاحقًا بحيث يمكن موازنة العرض والطلب بشكل أفضل.

الآن، تأتي الطاقة بأشكال مختلفة: كهربائية، حرارية، حركية، كيميائية، إشعاعية، وجاذبية. وهذا يعني أنه لتخزين الطاقة، يجب أولاً تحويلها إلى شكل يمكن تخزينه فعليًا حتى يمكن تحويله مرة أخرى إلى طاقة كهربائية.

البطارية القابلة لإعادة الشحن هي جهاز شائع لتخزين الطاقة. إنها موجودة في هاتفك. تخزن هذه البطاريات الطاقة الكيميائية التي تتحول بسرعة إلى كهرباء. مثال آخر شائع وقيم هو السد الكهرومائي. فهو يستغل طاقة المياه المتدفقة لتوليد الكهرباء وتخزينها في خزان.

الوقود الأحفوري هو أيضًا شكل من أشكال تخزين الطاقة. فهو يحتفظ بالطاقة الكيميائية من ضوء الشمس، المحبوسة في النباتات والحيوانات التي تحللت قبل ملايين السنين.

الابتكار في تخزين الطاقة

الطاقة هي حجر الأساس في الاقتصاد الصناعي الحديث. فهي توفر عنصرًا أساسيًا لمعظم الأنشطة البشرية، من الطهي والتدفئة والإضاءة والصحة والتعليم والنقل إلى إنتاج الغذاء والإنتاج الصناعي واستخراج المعادن. نظرًا لأهمية الطاقة للحضارة البشرية، يتم التركيز بشكل كبير على تخزين الطاقة.

تخزين الطاقة الحرارية (TES) هو نوع يشمل التخزين الصلب، والسائل-الهوائي، وتخزين الملح المنصهر. الفائدة الفريدة لهذه التقنية هي فصل طلب التدفئة والتبريد عن إنتاج الطاقة الفوري وتوافر الإمداد.

تخزين الطاقة بالهواء المضغوط هو طريقة أخرى لتخزين الطاقة؛ يتم ضغط الهواء في خزانات التخزين عندما يكون الطلب على الكهرباء منخفضًا ويتم إطلاقه عندما يكون الطلب مرتفعًا.

تخزين الهيدروجين، في الوقت نفسه، هو تقنية ناشئة لتخزين الطاقة. مؤخرًا، ربطت الصين أكبر مشروع متكامل للطاقة الضوئية (PV) وتخزين الهيدروجين في مقاطعة جيانغسو بالشبكة وبدأت توليد الطاقة. يجمع هذا المرفق البحري بين إنتاج الهيدروجين، وتوليد الطاقة الضوئية، وإعادة التزود بالوقود، وتخزين الطاقة. من المتوقع أن يقلل من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون بنحو 309,400 طن سنويًا، و1,125.3 طن من ثاني أكسيد النيتروجين، و562.6 طن من ثاني أكسيد الكبريت.

البطاريات تُحدث تحولًا في تخزين الطاقة. إنها تقود الانتقال إلى نظام طاقة مستدام. كأسرع ما ينمو في مجالها، تهيمن على قطاع الطاقة. وبفضل الابتكار المستمر، أصبحت أكثر ذكاءً، أفضل، وأرخص.

في بحث رائد منذ عدة سنوات، استمر تقريبًا عقدًا من الزمن، قام العلماء من جامعة تشالمرز للتكنولوجيا ومعهد كيه تيه الملكي للتكنولوجيا في السويد بصنع بطارية هيكلية أفضل بعامل 10 مقارنة بأي تجربة سابقة. البطارية الهيكلية هي جهاز تخزين طاقة يمكنه تحمل الوزن كجزء من هيكل.

لصنع بطاريتهم، وضع العلماء طبقة من ‘قماش’ زجاجي كعازل بين القطب الموجب والقطب السالب، وملؤوها بإلكتروليت بوليمري من العصر الفضائي، ثم قاموا بخبزها في الفرن، مما أسفر عن خلية بطارية صلبة ومسطحة ذات كثافة طاقة 24 واط/كغ، صلابة 25 جيجا باسكال، وتتحمل اختبارات الشد في جميع الاتجاهات. هذه البطارية الهيكلية ‘الخالية من الوزن’ تُستخدم أساسًا في السيارات الكهربائية ولكن يمكن أيضًا استخدامها في الدراجات الكهربائية، والأقمار الصناعية، وأجهزة الكمبيوتر المحمولة، والطائرات.

حاليًا، يركز الباحثون على تحسين البطارية أكثر، رغم أن commercialization لم يتحقق بعد.

من أجل إنشاء حلول أفضل، يبحث الباحثون الآن في أنظمة الطاقة ذاتية الشحن. هذه الأنظمة تجمع الطاقة وتخزنها، مما يجعلها مفيدة جدًا في عصر التكنولوجيا القادم، الذي سيتميز بتقنية 5G، وإنترنت الأشياء (IoT)، والذكاء الاصطناعي (AI).

يمكن لهذه الأجهزة ذاتية الشحن لتخزين الطاقة أن توفر طاقة مستقرة، مستقلة، ومستدامة للثورة الصناعية القادمة.

حتى الآن، تم إجراء العديد من المحاولات لدمج تقنيات جمع الطاقة المختلفة مع أجهزة تخزين الطاقة. ويشمل ذلك الخلايا الشمسية، والمولدات الحرارية الكهربائية، ومولدات النانو الكهربائية الاحتكاكية (TENGs)، ومولدات النانو الكهربائية الكهروضغطية (PENGs).

في بحث جديد، بنى العلماء جهاز تخزين طاقة ذاتي الشحن عالي الأداء يمكنه تخزين الطاقة الشمسية بكفاءة.

يحسن الجهاز الجديد بشكل كبير أداء أجهزة المكثفات الفائقة الحالية باستخدام مواد أقطاب تعتمد على المعادن الانتقالية. كما أن الباحثين أنشأوا تقنية تخزين طاقة جديدة من خلال دمج المكثفات الفائقة مع الخلايا الشمسية لتحقيق أداء عالي.

انقر هنا لتتعرف على مستقبل تخزين الطاقة

أجهزة تخزين الطاقة ذاتية الشحن

لتلبية الطلب على أجهزة الطاقة عالية السعة من الجيل التالي التي تعالج الزيادة في استهلاك الطاقة العالمي والاعتماد المتزايد على الأجهزة الإلكترونية المحمولة والذكية، ظهرت الأجهزة ذاتية الشحن كحل مستدام ومصدر طاقة مستقل.

أحد هذه الأجهزة التي تجمع وتخزن الطاقة الشمسية هو الفوتو-مكثف الفائق، الذي يجمع بين الخلايا الشمسية والمكثفات الفائقة. تحوّل خلايا الشمس السيليكونية الطاقة الشمسية إلى طاقة كهربائية، وتخزن المكثف الفائق هذه الطاقة.

في الدراسة الأخيرة، التي دعمتها مؤسسة البحث الوطنية الكورية (NRF) بتمويل من الحكومة الكورية (MSIT) وبرنامج البحث والتطوير DGIST، أظهر الباحثون جهاز تخزين طاقة ذاتي الشحن جديد يدمج خلايا شمسية سيليكونية ومكثفات فائقة من معادن انتقالية ثنائية.

تقنية الفوتوفولطية (PV) السيليكونية البلورية، التي تُعد التقنية الأكثر استخدامًا في مجال الفوتوفولطية، هي في الواقع أداة واعدة لتخزين الطاقة المتجددة، وفقًا لـ ITRPV التي أفادت أن هذه التقنية تمثل ما يصل إلى 95٪ من إجمالي 135 جيجاواط المثبتة في عام 2022.

وفي الوقت نفسه، تحظى الأجهزة الشمسية القائمة على السيليكون باهتمام كبير كمصدر طاقة مهيمن للمستقبل. ويرجع ذلك إلى كفاءتها العالية في تحويل الطاقة، واستقرارها الممتد، وتوافر موادها، وعدم سمّيتها، وتكنولوجيا الإنتاج الراسخة التي تساعد على القابلية للتوسع.

أما بالنسبة للمكثفات الفائقة، فإنها تُستخدم كمرشحين واعدين لتشغيل الأجهزة عالية الأداء بفضل موثوقيتها العالية، وكثافة طاقتها العالية، وعمر دورة طويل، ووقت شحن قصير.

كما أشارت الدراسة، فإن المكثفات ذاتية الشحن ضرورية بسبب الزيادة السريعة في استخدام الأجهزة الإلكترونية المحمولة. وقد أدى ذلك إلى الحاجة إلى نظام يمكن شحنه بسرعة في أي وقت وأي مكان.

ثم هناك الاعتماد المتزايد على مصادر الطاقة المتجددة لحماية البيئة وتعزيز التنمية المستدامة. باستخدام الطاقة الشمسية، تقلل الأنظمة ذاتية الشحن من الحاجة إلى استبدال البطاريات مع تمكين إمداد طاقة فعال حتى في المناطق التي تفتقر إلى شبكات الطاقة.

عامل آخر يدفع المكثفات ذاتية الشحن هو القدرة على الشحن والتفريغ السريع للمكثفات الفائقة، مما يجعلها مفيدة جدًا في حالات الطوارئ أو السيناريوهات التي تتطلب استهلاكًا عاليًا للطاقة.

مكثف فائق عالي الأداء ذاتي الشحن

نظرًا للحاجة إلى المكثفات ذاتية الشحن وفوائدها العديدة، قامت أحدث الأبحاث، التي نُشرت في مجلة Energy الشهر الماضي، بصنع جهاز ذاتي الشحن من خلال دمج مكثف فائق مع خلية شمسية سيليكونية.

لتصميم الأقطاب لهذا الجهاز، استخدم فريق البحث مادة مركبة من كربونات وهيدروكسيد النيكل (Ni). ثم أضاف الفريق أيونات معادن انتقالية مثل المنغنيز (Mn)، والكوبالت (Co)، والنحاس (Cu)، والحديد (Fe)، والزنك (Zn) لتعزيز التوصيل والثباتية للأقطاب.

تسمح هذه الأيونات المعدنية الانتقالية للفريق بمعالجة مشكلة انخفاض التوصيل التي تنشأ عند استخدام أيونات النيكل فقط. أدى إدخال هذه الأيونات إلى إنشاء مركبات ثنائية كمواد للأقطاب، مما وفر توصيلًا كهربائيًا عاليًا، وسعة عكسية، وثباتًا هيكليًا.

أدى ذلك إلى تحسين أداء القطب بشكل كبير، مظهرًا تقدمًا ملحوظًا في كثافة الطاقة والقدرة وثباتية الشحن والتفريغ.

فيما يتعلق بتخزين الطاقة لكل وحدة وزن، حققت الدراسة 35.5 واط·ساعة/كغ، متجاوزة القيم (5-20 واط·ساعة/كغ) المسجلة في الدراسات السابقة. أما بالنسبة لمعدل تدفق الطاقة لكل وحدة، فهو 2555.6 واط/كغ، وهو أعلى بكثير مما حققته الدراسات السابقة وهو 1000 واط/كغ.

مع كثافة طاقة وكثافة قدرة أعلى بكثير، تُظهر الدراسة الأخيرة القدرة على إطلاق طاقة أعلى بسرعة. بهذه الطريقة، يمكن للجهاز المكثف الفائق غير المتناظر توفير إمداد طاقة فوري، حتى للأجهزة ذات القدرة العالية.

وهذا ليس كل شيء؛ فقد أظهر هذا الأداء العالي تدهورًا ضئيلًا عند خضوعه لدورات شحن وتفريغ متكررة، مما يجعله مناسبًا للاستخدام على المدى الطويل أيضًا.

بعد ذلك، دمج الفريق هذا الجهاز مع خلايا شمسية سيليكونية، مما يسمح بتخزين الطاقة الشمسية واستخدامها في الوقت الفعلي. حقق هذا الجمع كفاءة تخزين طاقة تصل إلى 63٪ بينما كانت الكفاءة العامة للجهاز 5.17٪، مما يؤكد إمكاناته للتسويق ويساهم بشكل كبير في تقدم تقنية تخزين الطاقة.

“هذه الدراسة إنجاز مهم، حيث تمثل تطوير أول جهاز لتخزين الطاقة ذاتي الشحن في كوريا يجمع بين المكثفات الفائقة والخلايا الشمسية.”

– جيونغمين كيم، باحث أول في قسم التكنولوجيا النانوية في DGIST

أشار كيم أيضًا إلى أنه باستخدام مواد مركبة قائمة على المعادن الانتقالية، تمكنوا من تجاوز قيود أجهزة تخزين الطاقة وإنشاء حل طاقة مستدام.

لكن هذا ليس نهاية الدراسة، كما صرح دامين لي، باحث في مركز البحث والتطوير (RLRC) بجامعة كيونغبوك الوطنية:

“سنستمر في إجراء أبحاث متابعة لتحسين كفاءة الجهاز ذاتي الشحن وتعزيز إمكاناته للتسويق.”

الشركات المشاركة في المجالات ذات الصلة

الآن، دعونا نلقي نظرة على بعض الشركات التي تقدم وتطور حلول تخزين الطاقة.

1. Tesla

صانع السيارات الكهربائية هذا يشارك أيضًا بشكل كبير في سوق تخزين الطاقة. تشمل منتجاته الطاقية Powerwall وMegapack، التي تدمج حلول تخزين طاقة متقدمة.

بقيمة سوقية تبلغ 1.318 تريليون دولار، تُعد Tesla الشركة الثامنة الأكبر في العالم، بينما يُعد الرئيس التنفيذي إيلون ماسك، الذي يشارك أيضًا في X (سابقًا Twitter)، وSpaceX (SPCX ) ، وNeuralink، وThe Boring Company، أغنى رجل في العالم بثروة صافية تبلغ 437 مليار دولار.

في وقت كتابة هذا المقال، يتداول سهم Tesla عند 412.82 دولار، بارتفاع قدره 1.63٪ هذا العام. يأتي هذا الانطلاقة الخضراء لعام 2025 بعد عام 2024 المتميز، حيث ارتفعت أسهمها بنحو 67٪ في القيمة.

ومن المثير للاهتمام أن معظم مكاسب Tesla جاءت في الشهرين الأخيرين من العام، حيث ارتفع سعرها بنسبة 75٪ عقب فوز الرئيس المنتخب دونالد ترامب في الانتخابات الرئاسية الأمريكية لعام 2025. وكان ماسك في الواقع أكبر متبرع في دورة الانتخابات، حيث أنفق ما لا يقل عن 277 مليون دولار لدعم ترامب ومرشحين جمهوريين آخرين.

مع تولي ترامب المنصب في وقت لاحق من هذا الشهر، من المؤكد أن هناك تطورات إيجابية قادمة لـ Tesla. حتى قبل ذلك، أفادت الشركة بأنها أنتجت حوالي 459,000 مركبة وسلمت أكثر من 495,000 وحدة في الربع الرابع من عام 2024. وبالتالي، بلغ إجمالي إنتاج Tesla لعام 2024 نحو 1,773,443 مركبة، بينما وصلت عمليات التسليم إلى 1,789,226 وحدة. ومع ذلك، واجهت منافسة متزايدة من العملاق الصيني BYD وشركات السيارات الأمريكية التقليدية مثل Ford.

ستعلن Tesla عن النتائج المالية الكاملة للربع الرابع من عام 2024، بما في ذلك صافي الدخل والتدفق النقدي، في 29 يناير 2025. في الربع السابق، أبلغت الشركة عن إيرادات قدرها 25.18 مليار دولار وصافي دخل قدره 2.17 مليار دولار. خلال هذه الفترة، ارتفعت إيرادات السيارات لدى Tesla بنسبة 2٪ لتصل إلى 20 مليار دولار مقارنة بالربع الثالث من 2023، بينما ارتفعت إيرادات توليد الطاقة وتخزينها بنسبة 52٪ لتصل إلى 2.38 مليار دولار.

في الوقت نفسه، سجلت عمليات نشر تخزين الطاقة في الربع الرابع رقمًا قياسيًا جديدًا بلغ 11.0 جيجاواط ساعة، وإجماليًا غير مسبوق قدره 31.4 جيجاواط ساعة للعام بأكمله. بالمقارنة، نشرت Tesla 14.7 جيجاواط ساعة من تخزين الطاقة في العام السابق، وهو ضعف أرقام 2022. كما أن عمليات نشر تخزين الطاقة في عام 2020 كانت مجرد 3.0 جيجاواط ساعة، مما يشير إلى زيادة بمقدار 10 أضعاف في سعة التخزين للشركة خلال أربع سنوات فقط.

جاءت هذه الأرقام مع بدء مصنع جيجا فاكوري في شنغهاي إنتاجًا تجريبيًا هذا الأسبوع، مع توقع بدء الإنتاج الضخم في بداية هذا العام.

2. Enphase Energy

شركة التكنولوجيا الطاقية العالمية، التي توسع نطاق سوقها بنشاط محليًا ودوليًا، تتخصص في حلول الطاقة الشمسية. يشمل ذلك الميكروعاكسات التي تحول الطاقة الشمسية إلى كهرباء، وأنظمة تخزين الطاقة للتطبيقات السكنية والتجارية.

بقيمة سوقية تبلغ 9.74 مليار دولار، يتداول سهم ENPH حاليًا عند 72.15 دولارًا، بارتفاع يزيد عن 5٪ هذا العام. تأتي هذه المكاسب بعد عام 2024 المخيب للآمال، حيث انخفضت أسهمها بأكثر من 46٪. في حين كان أعلى سعر لسهم ENPH في ديسمبر 2022، عندما وصل إلى 339 دولارًا. تمتلك Enphase Energy (ENPH ) ربحية السهم (EPS) (TTM) بقيمة 0.44 ونسبة السعر إلى الأرباح (P/E) (TTM) بقيمة 164.01.

في الربع الثالث من عام 2024، أبلغت الشركة عن إيرادات قدرها 380.9 مليون دولار. وعلى مستوى المناطق، ارتفعت الإيرادات في الولايات المتحدة بنسبة 43٪ مقارنة بالربع السابق مع عودة المخزون إلى المستويات الطبيعية، بينما انخفضت الإيرادات في أوروبا بنسبة 15٪ بسبب تراجع الطلب أكثر. شحنت Enphase ما مجموعه 1,731,768 ميكروعاكسًا في هذا الربع، وهو ما يمثل 730 ميجاواط DC و172.9 ميجاواط ساعة من بطاريات IQ®.

بالنسبة للربع الرابع، تقدر Enphase Energy إيراداتها بين 360 مليون و400 مليون دولار وشحنات تتراوح بين 140 إلى 160 ميجاواط ساعة من بطاريات IQ. بينما من المتوقع أن يكون صافي فائدة قانون خفض التضخم (IRA) بين 38 إلى 41 مليون دولار.

تم تقديم قانون خفض التضخم (IRA) تحت إدارة بايدن بدعم حزبي مشترك. وقد قدم حزمة بقيمة 369 مليار دولار، التي تم توقيعها كقانون في عام 2022، حوافز للطاقة المتجددة عبر ائتمانات ضريبية ومنح واستثمارات. وقد كان ذلك نقطة تحول لقطاع الطاقة المتجددة.

في نهاية الربع الثالث، كان لدى Enphase Energy 1.77 مليار دولار من النقد وما يعادله والأوراق المالية القابلة للتسويق، بينما كان التدفق النقدي الحر 161.6 مليون دولار. وفي الوقت نفسه، حققت الشركة تدفقًا نقديًا من العمليات قدره 170.1 مليون دولار.

خلال هذه الفترة، أطلقت أيضًا برنامجًا قائمًا على الذكاء الاصطناعي لتحسين فهم المستهلكين لاستخدام الطاقة ومساعدتهم على تعظيم مدخراتهم في سوق أسعار الطاقة المتزايد التعقيد من خلال دمج تقدير الطاقة الشمسية والاستهلاك مع تعرفة الكهرباء.

الخلاصة

مع استمرار الطلب العالمي على الطاقة في الارتفاع بشكل كبير، بمعدل أسرع من أي وقت مضى، بسبب موجات الحرارة الشديدة، والنمو الاقتصادي القوي، وبالطبع، الاعتماد المتزايد على تقنيات مثل السيارات الكهربائية (EVs) والذكاء الاصطناعي (AI)، هناك حاجة إلى حلول تخزين الطاقة التي يمكنها المساعدة في تلبية هذا الطلب.

هنا، يمثل تطوير أجهزة تخزين الطاقة ذاتية الشحن عالية الأداء خطوة كبيرة في تقدم تقنية تخزين الطاقة وتلبية الطلب العالمي على الطاقة. وعلى الرغم من أنها لم تُسوق بعد، فإن مثل هذه الابتكارات يمكن أن تساعد في ضمان إمداد طاقة مستقر وموثوق وتفتح إمكانات هائلة في دمج الطاقة المتجددة!

انقر هنا للحصول على قائمة بأفضل أسهم البطاريات.