من النفايات إلى الطاقة – كيف يمكن للكتلة الحيوية من الصنوبر أن تحول تخزين الطاقة

بطارية شجرة الصنوبر

مع تزايد حصة الطاقة المتجددة في شبكة الكهرباء، ومع تحول العديد من الأنظمة إلى الكهرباء مثل التدفئة والنقل، هناك حاجة إلى المزيد من البطاريات لموازنة توليد الطاقة المتقطعة من الشمس والرياح.

هذا يثير تساؤلاً حول استدامة شبكة طاقة خضراء بالكامل، حيث إن البطاريات تستهلك الكثير من الموارد الطبيعية.

لذلك، من المهم تطوير تصاميم بطاريات أكثر صداقة للبيئة، مع الاستفادة المثالية من الموارد الوفيرة أو غير المستخدمة. سيساعد استخدام موارد أقل ندرة أيضاً في خفض التكاليف.

يمكن أن يشمل ذلك، على سبيل المثال، استبدال الليثيوم بالصوديوم الأكثر وفرة، إما في بطاريات أيون الصوديوم أو بطاريات الصوديوم الصلبة.

يجري الآن تطوير خيار آخر يتمثل في إعادة تدوير مخلفات صناعة الأخشاب. يستخدم باحثون في جامعة إقليم الباسك في إسبانيا الكتلة الحيوية للصنوبر لصنع نوع جديد من البطاريات. ونشروا نتائجهم في مجلة Journal of Power Sources¹ تحت عنوان “مكثف أيون الليثيوم المستمد من نفايات الغابات: تخزين طاقة عالي القدرة ومستدام”.

المكثف مقابل البطاريات

عند الحديث عن تخزين الطاقة الكهربائية، هناك تقنيتان رئيسيتان: المكثفات الفائقة والبطاريات.

تُعرف البطاريات على نطاق أوسع وتخزن الطاقة على شكل شحنة كيميائية كهربائية في الأيونات، عادةً ما تكون معادن.

تعمل المكثفات الفائقة بطريقة مختلفة، حيث تخزن الإلكترونات على سطح مادة المكثف. يتيح ذلك لها تحريك الشحنة الكهربائية بسرعة كبيرة، مما يجعلها قادرة على تقديم كميات كبيرة من الطاقة تقريبًا في لحظة.

المصدر: Quarktwin

نظرًا لعدم وجود تفاعل كيميائي وحركة أيونات، تميل المكثفات الفائقة إلى أن تكون أكثر متانة من البطاريات.

ومع ذلك، عادةً ما تكون سعة الشحنة الكلية للمكثفات الفائقة أقل من البطاريات، مما يحد من تطبيقها لتخزين الطاقة. كما أنها تواجه مشكلة التفريغ الذاتي بسرعة نسبية عندما لا تُستخدم، وهو أمر يمثل تحديًا لأي تطبيق تخزين مثل السيارات الكهربائية وتخزين طاقة الشبكة.

“المكثفات الفائقة غير مناسبة لتزويد النظام بالطاقة على مدى فترة طويلة؛ على عكس البطاريات، تُستخدم إذا أردنا كمية كبيرة من الطاقة خلال فترة قصيرة.”

إيدر غويكوليا – أستاذ في جامعة إقليم الباسك

البطاريات-المكثفات الهجينة

طور الباحثون نظامًا هجينًا يدمج أجزاءً من المكثفات وأجزاءً من بطاريات أيون الليثيوم، يُعرف بمكثف أيون الليثيوم (LIC).

ويضم قطبًا من المكثف مصنوعًا من الكربون، وقطبًا من بطارية أيون الليثيوم مصنوعًا من الليثيوم.

المصدر: Battery Power Tips

يحظى هذا المفهوم بشعبية متزايدة، وقد طُرحت بعض مكثفات أيون الليثيوم تجاريًا بالفعل وأثبتت أنها خيار ميسور التكلفة للتطبيقات الثابتة مثل توربينات الرياح، ولتطبيقات التنقل الكهربائي مثل عربات الترام والحافلات الكهربائية.

“هذا يوفر مزايا كلا النظامين: يمكن تخزين طاقة عالية القدرة (كما في البطاريات)، ويمكنه العمل بمستويات طاقة عالية ويستطيع تحمل العديد من دورات الشحن والتفريغ (مثل المكثفات الفائقة).”

إيدر غويكوليا – أستاذ في جامعة إقليم الباسك

حتى الآن، كان تصنيع مكثفات أيون الليثيوم يتطلب «التطعيم»، أي إضافة ذرات أخرى إلى جزء قطب المكثف. يعزز ذلك الأداء، لكنه يجعل الخيار أقل جاذبية للتطبيقات الصناعية لأنه يزيد تعقيد عملية التصنيع وتكلفتها.

العثور على القطب الكربوني المناسب

أحد المواد التي تُستخدم غالبًا في الـ LIC هو الكربون بأشكال مختلفة.

يُعد الجرافيت خيارًا شائعًا بفضل كهرسلبيته الممتازة، لكنه يعاني محدودية التوافر.

تشمل البدائل عالية التقنية الجرافين والجرافدايين والأنابيب النانوية الكربونية، وقد تتمتع بخصائص كهربائية أفضل، إلا أن إنتاجها أكثر صعوبة.

المصدر: Semantic Scholar

الخيارات الأقل تقنية هي الكربون الناعم والصلب، عادةً ما يُستخرج من مواد غنية بالكربون عبر التحليل الحراري. للأسف، البنية غير المنتظمة للغاية لكليهما تجعل توصيلهما أقل من الجرافيت.

هنا توصل الباحثون إلى فكرة تعزز جودة الكربون المستخدم في الـ LIC وتعيد تدوير نفايات صناعة الخشب.

فماذا لو استخدموا مصدرًا للكربون منظمًا بدرجة عالية على المستوى الجزيئي لصنع القطب الكربوني؟

الكربون المنشط من خشب الصنوبر

منطقة الباسك في إسبانيا، حيث يتواجد الباحثون، غنية نسبيًا بالغابات وتتمتع بصناعة معالجة الخشب النشطة. وهذا يعني توفر كمية كبيرة من الكتلة الحيوية من خشب الصنوبر على شكل نشارة في المناشير المحيطة.

حتى الآن، كانت هذه النشارة تُهدر في الغالب كنفاية، مع قلة التطبيقات بسبب صغر حجم الجزيئات.

يُنتج الكربون المنشط من خلال التفعيل الكيميائي لمادة غنية بالكربون عند درجات حرارة عالية، باستخدام عوامل تفعيل مثل KOH أو H3PO4 أو H2O. عند الكربنة، يميل المنتج إلى الاحتفاظ بالتركيب الشكلى والبنية الدقيقة للمادة الأصلية.

قام الباحثون بإنتاج مادة قطب قائمة على الكربون من النشارة، باستخدام فرن ومواد كيميائية بسيطة (ورخيصة) مثل هيدروكسيد البوتاسيوم وكلوريد الهيدروجين.

اكتشف الباحثون أن العملية يمكن أن تخلق مادة كربونية بخصائص أفضل لتطبيقات البطاريات مقارنةً بإنتاج الكربون الصلب التقليدي.

المصدر: Journal Of Power Sources

“الكربون مصطلح عام جدًا، لكن هناك العديد من الأنواع المختلفة. ليس كل الكتلة الحيوية توفر الكربون المناسب لهذا التطبيق، لكننا أظهرنا أن نتائج مرضية للغاية يمكن الحصول عليها من كتلة صنوبر insignis.”

Ruiz de Larramendi

بناء بطاريات أفضل

باستخدام تلك المادة الكربونية، قام الباحثون ببناء الـ LIC الخاص بهم واختباره.

وجدوا أن النظام التجريبي يمتلك كثافة طاقة تصل إلى 105 واط·ساعة/كغ، مع الحفاظ على 60٪ من السعة بعد 10,000 دورة.

هذا أداء ملحوظ بشكل عام لنظام بطارية، فمثلاً، نظام LIC متصل بالشبكة ويجري 10,000 دورة، دورة واحدة يوميًا، سيظل يعمل بكفاءة 60٪ بعد 27 سنة.

كما أن العملية حسّنت بشكل جذري عن الأقطاب القائمة على الكربون السابقة، إذ لم تتطلب مادة صعبة الإنتاج (مثل الجرافين أو الأنابيب النانوية)، ولا تطعيمًا مكلفًا للكربون.

بشكل عام، كانت عملية التصنيع بأكملها منخفضة التقنية نسبيًا واقتصادية، مما يجعلها واعدة للتطبيقات التجارية.

“كانت العملية لإنتاج الأقطاب كفءً في استهلاك الطاقة. لم تتجاوز درجات حرارة التوليف 700 درجة مئوية، واُستخدمت إضافات اقتصادية.”

رويز دي لاراميندي – أستاذ في جامعة إقليم الباسك

التطبيقات المستقبلية

من نموذج مختبري إلى منتج تجاري، هناك العديد من الخطوات التي لا تزال بحاجة إلى اتخاذها. أولاً، من المحتمل أن يؤدي تحسين مكون أيون الليثيوم في الـ LIC إلى كثافة طاقة أعلى وربما متانة أفضل.

على سبيل المثال، ثبت أن هياكل البطاريات ذات الخلايا السداسية تحسن متانة بطاريات أيون الليثيوم بصورة جذرية، ويمكن القول إن الأمر نفسه ينطبق على مكثفات أيون الليثيوم.

يجب أيضًا إجراء مزيد من التوصيف لتحديد أي المواد الخشبية مناسبة أو غير مناسبة، لمعرفة ما إذا كانت أنواع أشجار أخرى ومناطق أخرى يمكن أن توفرها كذلك.

“إنه يمثل بديلاً فعالًا من حيث التكلفة ومستدامًا لتحسين المكثفات التقليدية لأيون الليثيوم. المواد المستخرجة من الكتلة الحيوية توفر فرصًا عظيمة لتطوير أنظمة تخزين طاقة عالية القدرة صديقة للبيئة وفعّالة من حيث التكلفة. من المهم متابعة هذا الخط البحثي.”

إيدر غويكوليا – أستاذ في جامعة إقليم الباسك

لذلك، من المرجح أن يستغرق الأمر ما بين 5 إلى 9 سنوات قبل أن يصبح أول LIC تجاري يستخدم هذا الاكتشاف متاحًا للبيع. لكنه قد يحسن بشكل جذري استدامة إنتاج البطاريات من الأجهزة الإلكترونية وتخزين الطاقة المتجددة.

لكن في السيارات الكهربائية، من المرجح أن تشكل كثافة الطاقة الأقل قليلًا من البطاريات الخالصة مشكلة، ولذلك قد تتفوق حلول أخرى مثل بطاريات الحالة الصلبة على مكثفات أيون الليثيوم.

(see also “أفضل 5 أسهم للبطاريات الصلبة للمراقبة أو الشراء”)

الاستثمار في تقنيات البطاريات المتقدمة

تُعد البطاريات في صميم اتجاه الكهربة، وهو مسعى ضخم بقيمة تريليونات الدولارات يهدف إلى إزالة الوقود الأحفوري من مصادر طاقتنا.

يمكنك الاستثمار في الشركات المرتبطة بالبطاريات عبر العديد من الوسطاء، وستجد هنا على securities.io توصياتنا لأفضل الوسطاء في الولايات المتحدة، وكندا، وأستراليا، والمملكة المتحدة، والعديد من الدول الأخرى.

إذا لم تكن مهتمًا باختيار شركات بطاريات محددة، يمكنك أيضًا النظر في صناديق المؤشرات المتداولة للبطاريات مثل Amplify Lithium & Battery Technology ETF (BATT)، وصندوق Global X’s Lithium & Battery Tech ETF (LIT)، أو WisdomTree (WT ) Battery Solutions UCITS ETF، والتي ستوفر تعرضًا أكثر تنوعًا للاستفادة من نمو صناعة البطاريات.

شركة تخزين الطاقة

تسلا

الرائد بلا منازع في سوق السيارات الكهربائية هو تسلا، التي كانت في طليعة ثورة السيارات الكهربائية.

ربما أكبر إسهام لتسلا ليس التكنولوجيا بل صورة السيارات الكهربائية. فقد غيرت سيارة رودستر 1.0، ذات الأداء المقارن لسيارة بورش (وبسعر مشابه تقريبًا)، توقعات الناس تمامًا بشأن السيارات الكهربائية.

نعم، يمكن للسيارات الكهربائية تقليل انبعاثات الكربون وتكون “خضراء”. لكن فجأة، اكتسبت أيضًا عامل “البرودة”. حول ذلك السيارات الكهربائية من “تضحية ضرورية لإنقاذ الكوكب” إلى “مستقبل النقل”.

تسعى تسلا أيضًا لتصبح أول شركة تحقق القيادة الذاتية الكاملة/روبوتاكسي، بالاعتماد على كل سيارة تسلا على الطريق لتوفير تدفق بيانات لا مثيل له، متفوقة على جميع منافسيها مجتمعين.

المصدر: Tesla

بالإضافة إلى الأنظمة الروبوتية، وكذلك حاسوب كورتيكس الفائق (واحد من أكبر مجموعات تدريب الذكاء الاصطناعي في العالم)، عززت السيارات ذاتية القيادة صورة تسلا كشركة تشبه الخيال العلمي تتجاوز السيارات الكهربائية.

المصدر: X

تُشغل سيارات تسلا بأحد أفضل البطاريات في العالم. تم تزويدها من قبل باناسونيك، ولاحقًا من قبل CATL، ومؤخرًا من قبل BYD، بينما تصمم بطارياتها الخاصة أيضًا.

أخيرًا، تنشط تسلا في قطاع الطاقة، من خلال أعمال الألواح الشمسية (Solar Roof) والبطاريات الثابتة للمنازل (Powerwall) وعلى مستوى المرافق (Megapack).

المصدر: Tesla

لا يزال هذا خط أعمال ناشئًا، لكنه قد يصبح على المدى الطويل كبيرًا مثل جزء تصنيع المركبات لتسلا.

لقد نشرت بالفعل 10 جيجاواط ساعة من Megapack في أكثر من 1500 موقع، مع تسارع وتيرة التركيب بسرعة كبيرة.

المصدر: Tesla

بين مبيعات السيارات المتزايدة بسرعة وأنظمة البطاريات على مستوى المرافق التي تنمو بسرعة أكبر، تُعد تسلا مستهلكًا ومزودًا رائدًا للبطاريات في العالم.

وربما قريبًا، ستكون رائدة أيضًا في المركبات الذاتية، والروبوتات، والذكاء الاصطناعي.

تُعد تسلا واحدة من أكثر الشركات قيمة في العالم، حيث ارتفع سعر سهمها بشكل كبير في السنوات القليلة الماضية. وتعكس جزء كبير من قيمتها السوقية الحالية تفاؤلًا قويًا بشأن مستقبلها.

كان هذا أقل صحة قليلًا بعد الضجة التي أعقبت انتخابات ترامب، والتي يبدو أنها تتراجع، ربما جزئيًا بسبب الجدل المحيط بدور إيلون ماسك في عملة DOGE.

لذلك، حتى مع التكنولوجيا المثيرة للإعجاب، سيرغب المستثمرون في التحقق مما إذا كان السعر الذي يدفعونه لتسلا مبررًا بالنمو المستقبلي وما إذا كان الشعور حول الشركة لا يزال قويًا كما كان في السابق.

آخر الأخبار عن تسلا

مرجع الدراسة:

^{1. Jon Rodriguez-Romero, Idoia Ruiz de Larramendi, Eider Goikolea. (2025). Journal of Power Sources. المجلد 629, 15 فبراير 2025, 235961 https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S037877532401913X?via%3Dihub}