مزيد من الطاقة، أقل من ثاني أكسيد الكربون – النهج المتعدد الجوانب لتقنية البطاريات الجديدة نحو الاستدامة

البطارية أم التقاط الكربون؟ لماذا لا كليهما؟

الدفع نحو الطاقة الخضراء والكهربائية مدفوع أساسًا بالحاجة إلى خفض انبعاثات الكربون في سياق تغير المناخ. ومع ذلك، فإن الطاقة الشمسية وطاقة الرياح بطبيعتها متقطعة.

لذلك، كلما زادت الطاقة الخضراء التي تغذي الشبكة، زادت الحاجة إلى بطاريات على مستوى المرافق لتخزين الطاقة خلال فترات الإنتاج القصوى وإعادة توزيعها على الشبكة في وقت لاحق. من المرجح أن تستخدم بطاريات المرافق تركيبات كيميائية مختلفة تمامًا عن بطاريات السيارات الكهربائية، لأنها لا تعمل تحت نفس القيود:

• لا حاجة للكثافة العالية أو الوزن الخفيف، يمكن تخزين بطاريات المرافق على الأرض في محطات الطاقة أو المواقع المخصصة.
• حساسية شديدة للتكلفة الإجمالية (البناء + التشغيل).
• ضرورة استخدام مواد رخيصة ومتوفرة لنشرها على نطاق واسع، مع الاستغناء عن معادن مثل الكوبالت والبلاتين والبلاديوم، إلخ (أو من الناحية المثالية حتى الليثيوم).
• ضرورة عمر طويل جدًا دون تدهور السعة، ويفضل أن يكون في نطاق عدة عقود.

كان هذا موضوعًا استكشفناه بعمق في مقالتنا “مستقبل تخزين الطاقة – تقنية بطاريات المرافق”، حيث أدرجنا معظم التركيبات الكيميائية المحتملة قيد التطوير لهذا التطبيق.

جميع هذه البطاريات تعمل لجعل الطاقة الخضراء أكثر جدوى من الناحية الاقتصادية وتُعتمد على نطاق واسع، مما سيقلل من انبعاثات الكربون. ومع ذلك، لا يساهم أي منها مباشرة في خفض الانبعاثات أو التقاط الكربون.

حتى ما يُسمى ببطاريات CO2 ستعيد انبعاث CO2 بمجرد تفريغ الكهرباء.

يمكن أن يتغير ذلك بفضل تصميم بطارية جديد رائد، قد لا يقتصر على تخزين الطاقة فحسب، بل ينتج أيضًا الهيدروجين ويُلتقط الكربون بشكل دائم.

بطاريات التقاط الكربون

التقاط الكربون هو فكرة أخذ CO2 المنبعث عادةً وتحويله إلى منتجات مفيدة. يمكنك قراءة المزيد عن تقنيات التقاط الكربون المختلفة في هذه المقالة من Energy Tracker.

المصدر: EnergyTracker

حتى الآن، كان مثل هذا العملية شيئًا يُضاف إلى العمليات الصناعية وتمثل تكلفة إضافية دون منتج عملي سوى التقاط الكربون. العملية نفسها لم تكن مفيدة.

ناقشنا حالة التقاط الكربون الحالية بمزيد من التفصيل في مقالتنا “أفضل 5 أسهم لتقنية التقاط الكربون للاستثمار فيها”.

قد يكون الباحثون في مختبر أوك ريدج الوطني قد وجدوا طريقة لجعل التقاط الكربون جزءًا أساسيًا من شبكة الطاقة الخضراء والبطاريات المرتبطة بها. نشروا نتائجهم في مجلة مصادر الطاقة، تحت عنوان “أصل تعطيل بطارية Na–CO2 المائية وتخفيفه لتخزين الطاقة على المدى الطويل”.

التحسين على المفهوم السابق

بطارية التقاط الكربون هي تحسين للبطاريات التقليدية من نوع معدن‑CO2 التي تدور بين CO2 ومعدن (M)، والذي يمكن أن يكون صوديوم (Na)، ليثيوم (Li)، أو مغنيسيوم (Mg): CO2 ↔ MxCO3.

مشكلة متكررة في بطاريات معدن‑CO2 هي ترسيب منتجات التفريغ الصلبة مثل M2CO3(s) (M = Li أو Na)، Al2(C2O4)3(s)، أو MgCO3(s) على سطح القطب، مما يؤدي غالبًا إلى انسداد بنية القطب المسامية.

هذا الانسداد يؤثر سلبًا على البطارية، ويقلل سعتها بسرعة.

لتجاوز هذه المشكلة، طور الباحثون بطاريتين محتملتين، إحداهما تعتمد على الصوديوم والأخرى على الألمنيوم، وكلاهما من مواد وفيرة ومنخفضة التكلفة.

تعتمد بطارية Na‑CO2 على محفز من الحديد‑النيكل، وهو أرخص بكثير من معظم المحفزات في الصناعة.

على عكس التصاميم السابقة، لا تُطلق بطارية CO2 الجديدة CO2 في شكل غازي، بل يذوب ناتج الكربونات في الكهرل السائل.

يمكن بعد ذلك الاحتفاظ بهذه الكربونات داخل البطارية أو جمعها عندما تتراكم وتترسب في شكل صلب. يمكن للصناعة الدوائية أو صناعة الأسمنت استخدامها.

الغازات الوحيدة التي تُطلق هي الأكسجين والهيدروجين، والتي لا تساهم في تغير المناخ ويمكن حتى التقاطها لإنتاج الطاقة أو الوقود.

المصدر: Oak Ridge National Laboratory

تجاوز التحديات الهندسية

يبدو هذا الفكرة مبهرة لدرجة أنه قد يكون مفاجئًا أنها لم تُنفذ من قبل.

السبب هو أن تحقيقها عمليًا كان يتطلب تجاوز عدد من القضايا التقنية.

أولاً، يجب فصل الأقطاب في غرف رطبة وجافة مع موصل أيون صلب بينها. أدى الموصل إلى إبطاء حركة الإلكترونات، مما قلل من كفاءة البطارية.

ثانيًا، هذا النوع من بطاريات Na‑CO2 ليس محصنًا من مشكلة تراكم الفيلم على القطب كما في بطاريات CO2. ومع ذلك، وجد الباحثون، باستخدام مجاهر متقدمة جدًا وأجهزة أشعة سينية، أن نبضات الشحن والتفريغ غير المتساوية تمنع تراكم الفيلم على القطب.

“نحن نبلغ للمرة الأولى أن الخلية المعطلة يمكن إعادة تنشيطها.

ووجدنا أصل التعطيل والتنشيط. إذا قمت بشحن وتفريغ البطارية بشكل متماثل لفترة طويلة، فإنها تموت في مرحلة ما. إذا استخدمت البروتوكول الذي وضعناه لخلتنا، فإن احتمال الفشل يكون ضئيلًا جدًا.

Ruhul Amin – الباحث الرئيسي في المشروع

ربما بشكل أكثر إبهارًا، يمكن لهذه البطاريات التقاط CO2 باستخدام الطاقة المخزنة، وليس فقط عندما يرتفع إنتاج الطاقة المتجددة، مما يمنحها مرونة أكبر. كما يمكن أن تجعلها مناسبة تمامًا لالتقاط الكربون من محطات الطاقة القمة التي تعتمد على الوقود الأحفوري لتوليد الطاقة عندما يكون الرياح ضعيفة أو الشمس لا تسطع.

الانتقال إلى التصميم التجاري

مع إثبات مفهوم بطارية CO2 التي يمكن إعادة تنشيطها، سعى الفريق إلى تحسين الأداء ليتوافق مع متطلبات بطارية على مستوى المرافق قابلة للتطبيق.

لهذا، طوروا بطارية Al‑CO2 بناءً على نفس مبدأ نموذج Na‑CO2.

حقق النموذج الأولي نتائج ملحوظة، لا سيما:

• 600 ساعة (25 يومًا) من التشغيل دون فقدان السعة.
• سعة تخزين كافية لأكثر من 10 ساعات من الكهرباء لاستخدامها لاحقًا.

ما التالي؟

استخدام مياه البحر كوسيط مائي يمكن أن يحسن بشكل كبير سرعة البطارية وإنتاج الهيدروجين + الأكسجين من خلال إنشاء المبيض من ذرات الكلور في الماء. لذا، قد تعمل هذه البطارية مع منتجات فرعية أكثر فائدة مما كان متوقعًا في البداية.

تحدٍ آخر سيكون نقل تصميم بطارية الألمنيوم‑CO2 إلى نطاق أوسع يناسب نشرًا حقيقيًا على مستوى المرافق.

عمل آخر قيد التنفيذ هو العودة إلى بطارية الصوديوم‑CO2 وتطوير غشاء سيراميك دقيق وكثيف ومستقر ميكانيكيًا لفصل غرف البطارية لجعلها تنافسية تجاريًا.

شركات البطاريات

نظرًا للقيود السابقة، هناك عدد قليل من الشركات المتخصصة في بطاريات CO2. ومع ذلك، فإن الشركات المبتكرة في مجال البطاريات التي لديها تاريخ في تبني التكنولوجيا الجديدة بسرعة ستتمكن من الاستفادة من التقدم في هذا المجال لتطوير تركيبات كيميائية جديدة إذا لزم الأمر.

1. شركة BYD المحدودة (BYDDF)

تُعد BYD الشركة الرائدة في مجال السيارات الكهربائية في الصين، حيث باعت 1,860,000 مركبة في عام 2022، وإيرادات بلغت 20 مليار يورو في عام 2022، وتُعد واحدة من أكبر الشركات الخاصة في البلاد.

بدأت الشركة كمورد أول لبطاريات الليثيوم‑آيون لشركة Motorola في عام 2000 ودخلت قطاع السيارات في عام 2003. اليوم، تنشط أيضًا في الحافلات والقطارات وأشباه الموصلات وتخزين طاقة البطاريات.

المصدر: Byd Company

بفضل حجمها الهائل، “تجاوزت BYD شركة LG لتصبح ثاني أكبر مورد بطاريات EV في العالم”

بعيدًا عن سوق السيارات الكهربائية، تسعى BYD، مثل Tesla (TSLA ) ، إلى استغلال إمدادها الضخم من البطاريات لأسواق أخرى. أطلقت بشكل ملحوظ Battery-Box للاستخدام السكني، باستخدام تركيبة فوسفات الحديد الليثيوم الخالية من الكوبالت. كما تقدم حزمة New Energy التي تجمع بين حلول الطاقة الشمسية والتخزين.

من خلال الجمع بين Battery-Box وNew Energy، نظام تخزين الطاقة (ESS) من BYD قد شحن أكثر من 14 جيجاواط‑ساعة من سعة التخزين.

تمتلك BYD سلسلة إمداد كاملة من خلايا البطاريات المعدنية إلى حزم البطاريات. ساعدها ذلك في إنشاء حل إعادة تدوير خاص بها، باستخدام بطاريات السيارات القديمة كخزن ثابت أو إعادة تدوير كامل للبطاريات عبر قسم فرعي في عام 2022.

توسّع BYD الآن في الخارج، خاصة في أوروبا، مع خطط لمضاعفة حصتها السوقية الصغيرة إلى أربعة أضعاف، بالإضافة إلى الإنتاج المحلي في المجر، بسعة 150,000 مركبة سنويًا يمكن مضاعفتها إلى 300,000. قد يضغط ذلك على الشركات المصنعة المحلية وTesla، مع سعر الآن في نطاق السيارات التي تعمل بالوقود.

التوسع في الولايات المتحدة أكثر حذرًا مع تصاعد التنافس بين الولايات المتحدة والصين، مع فرض تعريفة 100٪ على السيارات الصينية في ربيع 2024.

المصدر: BYD

مع آفاق نمو قوية في أمريكا الجنوبية وآسيا وأوروبا، بالإضافة إلى موقع مهيمن في الصين، السوق الرائدة للسيارات الكهربائية، فإن سهم BYD هو البديل الأقل شهرة وأقل تقييمًا من حيث مضاعفات القيمة مقارنةً بـ Tesla.

2. شركة تكنولوجيا أمبيركس المعاصرة المحدودة (300750.SZ)

تُعد شركة CATL الصينية بأبعد ما تكون أكبر شركة بطاريات في العالم إذا تم الحكم على ذلك وفقًا لحجم البطاريات. أنتجت في عام 2022 ما يقرب من نصف بطاريات العالم بالجيجاواط‑ساعة.

كما تمتلك بعضًا من أكثر بطاريات فوسفات الحديد الليثيوم تقدمًا، والتي قد تكون حلاً لإنشاء بطاريات أرخص وأكثر “كثافة كافية” للسيارات الكهربائية منخفضة التكلفة.

تمتد خبرة CATL في كيمياء البطاريات إلى خيارات أخرى أيضًا. على وجه الخصوص، تم الإعلان عن بطارية الصوديوم‑آيون المثيرة للإعجاب بقدرة 160 واط/كغ في عام 2021. استبدال الليثيوم بالصوديوم المتوفر والرخيص يقدم بديلاً عن الليثيوم، الذي كان سعره متقلبًا وعاليًا في السنوات الأخيرة. وللتطبيقات التي لا تزال تحتاج إلى الليثيوم، تستثمر CATL أيضًا 1.4 مليار دولار لتطوير إنتاج الليثيوم في بوليفيا.

ولكن عندما يتعلق الأمر بأداء البطاريات، تتصدر CATL المشهد. أولاً، أعلنت عن بطارية بقدرة 330 واط/كغ “مليون ميل” فائقة المتانة التي تشحن إلى 80٪ في 5 دقائق وتستعد للتسويق. من المتوقع أن تستخدم Tesla هذه البطارية في المستقبل وستصبح المعيار الجديد للسيارات الكهربائية عالية الأداء.

كما أعلنت مؤخرًا عن بطارية “مكثفة” بقدرة 500 واط/كغ، والتي ستكون كثيفة بما يكفي لتشغيل السيارات الكهربائية طويلة المدى والطائرات. تدعي أيضًا أنها وجدت طريقة لجعل البطاريات تتعامل مع الطقس البارد بشكل أفضل، لكن هذه لا تزال نقطة ضعف في التقنية ومشكلة للسيارات الكهربائية في البلدان الباردة.

قد يسعى قادة السيارات الكهربائية مثل Tesla و BYD، أو الشركات الجديدة الطموحة مثل Toyota، لتطوير تقنيتها الخاصة للبطاريات كميزة فريدة. لكن باقي صناعة السيارات، بما في ذلك الشركات الألمانية والأمريكية واليابانية، تبحث عن شركاء لمواكبة السباق نحو بطاريات متقدمة. وهذا يشمل على وجه الخصوص Ford، Nio، BAIC، Volvo & BMW، Honda، و Mercedes Benz.

تمتلك CATL حجم إنتاج يمكنها من الاستفادة القصوى من وفورات الحجم في تصنيع البطاريات. كما أن حجم مبيعاتها الكبير يغذي مباشرة الخبرة العلمية وميزانية البحث والتطوير الضخمة، مما يسمح بمزيد من الابتكارات. وبما أنها ليست شركة تصنيع سيارات، فهي شريك أفضل لمعظم الصناعة مقارنةً بمنافسيها المباشرين مثل BYD و Tesla.

في الوقت الحالي، ركزت الشركة في الغالب على السيارات الكهربائية. قد تتجه نحو بطاريات على مستوى المرافق مع نمو إنتاج الطاقة المتجددة في الصين وتطور التقنية.

في المجمل، يشكل هذا حجة قوية لتظل CATL رائدة العالم في إنتاج البطاريات. ومع ذلك، لا ينبغي نسيان التوترات المتصاعدة بين الولايات المتحدة والصين، وقد يتورط سهمها في صراع القوى بين أكبر اقتصادين في العالم.