بدائل غير كيميائية للبطاريات من أجل التحول الطاقي

هل البطاريات هي الفكرة الصحيحة؟

النهج المفضّل لإزالة الوقود الأحفوري من الاقتصادات الصناعية هو التحول إلى الكهرباء. الهدف هو استبدال مركبات محركات الاحتراق الداخلي (ICE) بالمركبات الكهربائية (EVs) وإنتاج الحرارة باستخدام مضخات الحرارة بدلاً من الاحتراق. هذا ما بحثناه بالتفصيل في مقالتنا “مستقبل التنقل – تقنية البطاريات”.

المشكلة هي أنه لكي يكون هذا التحول “صديقًا للبيئة” فعليًا، يجب أن تأتي الكهرباء من مصادر متجددة أو مستدامة – والتي قد تشمل الطاقة النووية حسب من تسأل.

في الحالتين، تؤدي تغيّرات طلب الكهرباء خلال اليوم والفصول إلى الحاجة لبناء طاقة احتياطية كبيرة ستبقى غير مُستخدمة معظم الوقت. وهذا صحيح بشكل خاص بالنسبة للطاقة المتجددة، حيث يتراجع أداء الطاقة الشمسية في الشتاءات الباردة والغامضة، ويمكن أن يتوقف الرياح عن الهبوب لأسابيع.

لذلك هناك حاجة ماسة لتخزين الطاقة على المدى الطويل. أحد الحلول يمكن أن يكون بطاريات على مستوى المرافق، مستفيدة من كيميائيات جديدة توفر تكاليف أقل أو مزايا أخرى. هذا ما بحثناه بالتفصيل في مقالتنا “مستقبل تخزين الطاقة – تقنية بطاريات المرافق“. خيار آخر هو إنتاج نوع من الوقود السائل يمكن تخزينه حتى نحتاجه، مثل الهيدروجين السائل أو الأمونيا السائلة، وهو ما فصّلناه في مقالاتنا “الوقود الهيدروجيني الآخر – أفضل 5 أسهم أمونيا خضراء” & “الوقود الحيوي الطحوي: الثورة الطاقة التالية؟”.

ولكن ماذا لو كانت الطريقة المناسبة لتخزين الطاقة لأيام أو أسابيع أو شهور أو حتى سنوات ليست البطاريات؟ في هذه المقالة، سنستعرض جميع الخيارات غير الكيميائية لتخزين الطاقة.

الهواء المضغوط

مزايا الهواء المضغوط

ضغط الهواء يتطلب طاقة كبيرة. يمكن جمع جزء من هذه الطاقة مرة أخرى عند فك ضغط الهواء المخزن.

الميزة الرئيسية لهذه التقنية هي أنها تستخدم فقط أجزاء ميكانيكية مثل الأنابيب والمضخات والخزانات، التي تحتاج فقط إلى مواد بسيطة مثل الفولاذ، بدلاً من مواد نادرة مثل الأرض النادرة، الكوبالت، الليثيوم، إلخ. يمكن حتى الاعتماد على خزان غاز طبيعي مستنفد، مما يوفر “خزانًا” ضخمًا بتكلفة منخفضة جدًا. وبالطبع، الهواء هو مورد مجاني ومتوفر في أي مكان.

المصدر: Electricity Forum

ميزة أخرى هي أن ضغط الهواء تقنية مفهومة جيدًا، مع سلسلة إمداد راسخة للغاية، ويمكن أن تكون جاهزة للتوسّع بسرعة إذا لزم الأمر. كما أنها نظام يمكنه تخزين الطاقة لفترة طويلة جدًا مع خسائر قليلة أو معدومة.

عيوب الهواء المضغوط

المشكلة الرئيسية في جعل الهواء المضغوط فعالًا هي ظاهرة فيزيائية تحدث عند ضغط أي غاز. يتم توليد حرارة أثناء الضغط. عادةً ما يجب تبديد هذه الحرارة لتجنب تلف نظام الضغط، وتتحول إلى طاقة مفقودة. كما يبرد الهواء عند فك الضغط، وغالبًا ما يحتاج إلى أنظمة تدفئة.

يمكن أن تُفقد 30-40٪ من الطاقة بسبب ذلك. قد يكون الوضع أسوأ في التصاميم الأقل كفاءة. حتى الآن، تم تحقيق أفضل كفاءة على نطاق واسع في الصين مع خسائر 30٪، في محطة سعة 400 م.و.ط زانغجياكوا صممتها الأكاديمية الصينية للعلوم.

لذلك، رغم أن الهواء المضغوط قد يكون خيارًا مقبولًا لتخزين منخفض التكلفة على المدى الطويل بين الفصول، فإن الخسائر التي لا مفر منها والتي تتجاوز 30٪ تشكل عبئًا على اقتصاد النظام. فقط إذا أمكن إعادة تدوير الحرارة الناتجة عن الضغط في عملية أخرى يمكن لهذه الأنظمة أن تصبح فعّالة حقًا.

بطاريات الجاذبية

في الفيزياء، يُعتبر أي جسم يصعد أنه يكتسب مستوى أعلى من “الطاقة الكامنة”. تتجلى هذه الطاقة عندما يتحرك الجسم إلى الأسفل بمجرد السماح له بذلك. من هذه الحقيقة نشأت فكرة استخدام الجاذبية لتخزين الطاقة.

الطاقة المائية المضخّة

هذه هي الشكل الأكثر استخدامًا لتخزين الطاقة على مستوى المرافق اليوم، حيث تمثل 90٪ من سعة تخزين الطاقة على الشبكات العالمية في عام 2020، وفقًا لـقاعدة بيانات تخزين الطاقة العالمية لوزارة الطاقة.

توليد الطاقة الكهرومائية يستخدم الطاقة الكامنة في الماء الناتجة عن هطول الأمطار، يخزنها خلف السدود، ثم يطلقها لتوليد الطاقة. تستخدم الطاقة المائية المضخّة الكهرباء لضخ الماء مرة أخرى إلى أعلى محطة الطاقة الكهرومائية.

يمكن أيضًا بناء سد التخزين خصيصًا لأغراض التخزين الضخّ، ويتطلب مجرد تضاريس مرتفعة مقارنةً بسد الطاقة الكهرومائية الضخم الذي يتطلب غالبًا تضاريس جبلية. بدلاً من ذلك، يمكن أيضًا استخدام خزان تحت الأرض.

المصدر: Energy.gov

فقدان الطاقة عادةً يتراوح بين 20-30٪. يمكن أن يستمر التخزين لعدة أشهر مع خسائر محدودة، على الأقل في المناطق التي ليست حارة جدًا. قد تكون متطلبات رأس المال كبيرة، لكن منشآت الطاقة المائية المضخّة تدوم أيضًا لفترة طويلة للغاية.

فكرة مثيرة تم مناقشتها فقط ولم تُختبر على نطاق واسع هي استخدام التحليل الكهربائي لتحويل الماء في ارتفاع منخفض إلى هيدروجين. هذا الهيدروجين، الأخف من الهواء، يُنقل إلى الأعلى “بدون طاقة”. ثم يُعاد تكوينه إلى ماء (مستعيدًا جزءًا من الطاقة المستهلكة في التحليل الكهربائي). يُستخدم هذا الماء مرة أخرى لتوليد الطاقة أثناء نزوله عبر توربين الطاقة الكهرومائية.

على الرغم من أنه قد يكون أكثر كفاءة بشكل عام من الطاقة المائية المضخّة، إلا أن حجم المحللات الكهربائية المطلوبة قد يجعل النظام لا يزال مكلفًا إلى حد كبير.

تخزين الطاقة باستخدام الخرسانة/الصخور

الماء ليس هو الشيء الوحيد الذي يمكن تخزينه لتجميع الطاقة باستخدام الجاذبية. يمكن أيضًا استخدام الصخور، كتل الخرسانة، وغيرها من الأجسام الثقيلة جدًا.

في هذه الحالة، التقنية المطلوبة أبسط حتى من الطاقة المائية المضخّة، حيث تعتمد أساسًا على الرافعات والمولدات لتخزين الطاقة وإعادتها. الرافعات والصخور ليست مواد نادرة أيضًا.

الميزة الكبيرة لهذه الأنظمة هي كفاءتها. معظم الطاقة المفقودة في الطاقة المائية المضخّة يأتي من اضطراب الماء، مما يقلل من كفاءة المضخة. بالمقابل، يمكن للرافعات والكابلات تحقيق خسائر منخفضة تصل إلى 15٪ (أقل بخمس أرباع الخسائر مقارنةً بالطاقة المائية المضخّة).

حاليًا، تدفع الشركات Gravitricity  وEnergy Vault (NRGV ) (NYSE – NRGV) نحو هذه المفاهيم.

تُعيد Gravitricity تدوير مناجم مهجورة للوصول إلى آبار جاهزة وسهلة التعامل بعمق عدة مئات من الأمتار لتخزين الطاقة باستخدام نظام GraviStore الخاص بها.

في المقابل، تستهدف Energy Vault إنشاءات مخصصة، حيث تتحرك الكتل صعودًا وهبوطًا حسب طلب الطاقة.

مع وجود مئات الآلاف من مواقع المناجم حول العالم، قد يكون لهذا إمكانات أكبر مما يدركه الكثيرون ويستفيد من حقيقة وجود البنية التحتية بالفعل. تسعى الشركة إلى شراكة مع العملاق الصناعي السويدي ABB لإنهاء تطوير تقنيتها، بالإضافة إلى الوصول إلى قاعدة عملاء ABB الواسعة في قطاع التعدين.

المصدر: ABB

القيود على “تخزين الطاقة الصلبة” باستخدام الجاذبية هي أن الطاقة المخزنة على بضع عشرات أو مئات من الأمتار ليست كبيرة. أحد الخيارات هو ببساطة امتلاك ما يكفي منها، مثل مئات الآلاف من مناجم Gravitricity، أو “مستودعات” مخصصة ضخمة مثل Energy Vault.

خيار آخر هو الحصول على عمق أكبر بكثير. لهذا، يمكن اعتبار قيعان البحر العميقة القريبة من الشاطئ خيارًا. يمكن لمنصة عائمة أن تقف فوق هذه المنطقة، وتخفض أو ترفع وزنًا على مدى عدة آلاف من الأمتار. يُطلق على هذا المفهوم اسم تخزين الطاقة الجاذبية في المحيط العميق (DOGES). إحدى الشركات التي تعمل على هذا المفهوم هي الشركة الناشئة الفرنسية Sink Float Solutions.

المصدر: SinkFloatSolutions

Sink Float Solutions تدعي إمكانية تحقيق كفاءة تصل إلى 80٪ وتكاليف منخفضة جدًا.

“حاليًا، يمكن للرافعات البحرية ذات أقصى قدرة تحميل رفع كتل تصل إلى 4000 طن، والتي، بسرعة عمودية قدرها 20 كلم/ساعة، تعادل قدرة 200 ميجاواط. يمكن استخدام عدة بكرات في الموقع نفسه بشكل متوازي.”

ستعتمد الاقتصاديات الفعلية لهذه الأنظمة بشكل كبير على متانتها، حيث يُعد التآكل الناتج عن مياه البحر على الأجزاء الميكانيكية هو القلق الرئيسي.

بطاريات الرمل/الحرارة

يُستخدم الكثير من الكهرباء لإنتاج الحرارة، إما للاستخدام الصناعي أو لتدفئة المنازل والشقق في الشتاء. بدلاً من تخزين الكهرباء مثل البطارية الكيميائية، تسعى بطارية الرمل إلى تخزين الحرارة مباشرة.

الفكرة هي بناء صومعة كبيرة (مثل تلك المستخدمة للحبوب)، ملؤها بالرمل، وإضافة عزل لها. ثم يُسخّن الرمل إلى 400°C. نظرًا لأن الرمل يتمتع بموصلية حرارية منخفضة وكتلة حرارية عالية، يمكنه تخزين كمية هائلة من الطاقة. كما أنه مقاوم جدًا، ولا يتعرض لأي ضرر حتى عند هذه الحرارة العالية.

المصدر: Polar Night Energy

يعتمد هذا المفهوم على تقنية بسيطة جدًا، باستخدام أنابيب قياسية، مضخات هواء، مقاومة كهربائية، فولاذ، ورمل منخفض الجودة لا يمكن استخدامه في تطبيقات مثل الخرسانة.

القائد في هذه التقنية هو الشركة الفنلندية Polar Night Energy. هذا مفهوم يعمل بشكل خاص في دول الشمال الأوروبي التي لديها “تدفئة مركزية” مسبقة، حيث يُنتج الماء الساخن للمدافئ في موقع مركزي لعدة مئات أو آلاف الشقق. وهذا واضح في الدول الإسكندنافية، ألمانيا، ومعظم دول أوروبا الشرقية ودول الاتحاد السوفيتي السابق.

نظرًا لأن خسائر الطاقة قليلة جدًا، يمكن تجميع الطاقة خلال أشهر الصيف المشمسة الطويلة (التي قد تستمر 20-24 ساعة/يوم في فنلندا). يمكن بهذه الطريقة تخزين الإنتاج الفائض من الألواح الشمسية لتدفئة البلاد في الشتاء وتقليل الارتفاع الموسمي في طلب الطاقة الناجم عن الحاجة للتدفئة.

يمكننا تخيل أن إصدارات أخرى من هذا المفهوم قد تُستخدم لتدفئة الصوبات الزراعية، أو الاعتماد على أنظمة الطاقة الشمسية الحرارية.

مفهوم مشابه لـ “بطارية الحرارة” يتم تطويره أيضًا من قبل Rondo Energy. يمكن تسخين هذه الطوب إلى 1500°C. بفضل الحرارة العالية، يمكن استخدام هذا التطبيق ليس فقط لتدفئة المناطق، بل أيضًا لتطبيقات صناعية مثل إنتاج الأسمنت، التعدين، الكيميائيات، أو التعدين.

المصدر: Rondo Energy

في الوقت نفسه، تعمل شركة Stiesdal أيضًا على بطارية حرارة باستخدام الصخور المكسرة. من المتوقع أن يتراوح سعة التخزين على الشبكة بين 10 ساعات و10 أيام.

أخيرًا، الشركة العملاقة لإنتاج الأسمنت Holcim تطور أيضًا حلاً يعتمد على الأسمنت، الذي يخزن الحرارة عندما يكون جافًا ويطلقها عندما يُرطب. نظرًا لأن الدورة يمكن تكرارها إلى ما لا نهاية، فمن المتوقع أن تكون منخفضة التكلفة على مدى فترة زمنية طويلة.

تم تصميمه لتخزين أي حرارة فائضة في إعداد صناعي. ربما يمكن استخدامه كتكملة لمحطة ضغط الهواء، مما يقلل الخسارة الناتجة عن تسخين الهواء عند الضغط.

مع 300 كيلواط من الطاقة لكل متر مكعب من الكثافة، يمكنه تخزين الكثير من الطاقة باستخدام عدة آلاف من الأطنان من الأسمنت الرخيص والمتوفر. تم الكشف عن المفهوم فقط في عام 2022، وهو حاليًا قيد التطوير.

العجلات الدوارة

طريقة أخرى لتخزين الطاقة هي الاحتفاظ بها في شكل حركة ميكانيكية. العجلات الدوارة هي أجهزة تخزن الطاقة عن طريق تدوير عجلة ميكانيكية في فراغ على محمل مغناطيسي، بسرعة تصل إلى 20,000 إلى 50,000 دورة في الدقيقة. يمكن للنظام تخزين أو إرجاع الطاقة عن طريق تسريع أو إبطاء العجلة الدوارة.

الميزة الرئيسية لهذه الأنظمة هي أنها سريعة الاستجابة خلال مليثانية قليلة. لذا لا يمكنها فقط تخزين الطاقة، بل يمكنها أيضًا المساعدة في استقرار تردد شبكة الكهرباء، وهو أمر أصعب تحقيقه بدون محطات طاقة مركزية ضخمة مثل محطات الفحم أو الغاز أو النووية.

شركات مثل Siemens Energy قامت بتنفيذ مشاريع تجريبية باستخدام العجلات الدوارة، مثلًا في جنوب أستراليا (ENR.SW ) (ENR.DE ).

شركات ناشئة أخرى تعمل أيضًا على هذا المفهوم مثل Stornetic، مع نظام من المتوقع أن يدوم على الأقل 20 سنة ويصل إلى 100,000 دورة شحن/تفريغ.

المصدر: Stornetic

شركة أخرى هي S4 Energy، لديها 60 م.و.ط تشغيلية أو قيد الإنشاء، وخط أنابيب بسعة 1,050 م.و.ط. يمكن لتفاعل العجلة الدوارة أيضًا أن يساعد في جعل بعض العمليات أكثر كفاءة عند حدوث ارتفاعات مفاجئة في طلب الطاقة، مثل الرافعات في ميناء روتردام، حيث تُستخدم عجلة دوارة لجمع الطاقة مرة أخرى عندما يُخفض الحمل. عجلة الشركة، KINEXT، ثقيلة جدًا (5 أطنان) وتتحرك ببطء نسبيًا (“فقط” 1,800 دورة في الدقيقة)، مما يجعلها طويلة العمر، ذات تكلفة تشغيل منخفضة، وسهلة الصيانة. العجلة الدوارة لديها خسائر طاقة تبلغ 8٪ فقط، وهو أفضل قليلاً من بطاريات الليثيوم أيون.

على الرغم من كفاءتها العالية وسرعتها في الاستجابة، فإن إجمالي الطاقة المخزنة في العجلة الدوارة أقل من حلول أخرى بالنسبة لتكلفتها، لذا من المرجح أن تظل محصورة في تطبيقات متخصصة ولأغراض استقرار تردد الشبكة.

الطاقة الشمسية الحرارية

تحول الألواح الفوتوفولطية أشعة الشمس مباشرة إلى طاقة. بالمقابل، تجمع محطة الطاقة الشمسية الحرارية حرارة الشمس وتُركزها لتوليد الكهرباء. نظرًا لأن الحرارة أسهل في التخزين مع بعض العطالة، يمكن لهذه المحطات الشمسية أن تُنتج الطاقة لساعات عديدة بعد غروب الشمس، عندما يكون استهلاك الطاقة في أقصاه.

هذه الفكرة، التي فقدت شعبيتها في ظل ارتفاع كفاءة الألواح الفوتوفولطية، قد تعود للظهور الآن مع تزايد مشكلة التقطيع المتناوب للطاقة المتجددة مع ازدياد حصتها في مزيج توليد الطاقة.

المصدر: Energy.gov

على الرغم من واعديته، عانى هذا المفهوم تاريخيًا من تكاليف مرتفعة. نقل الحرارة من المجمع إلى المولد كان صعبًا، مع إنتاج حرارة خطرة وهيدروجين نفايات. تصميم آخر يستخدم الأملاح المنصهرة عانى من تسربات ومشكلات موثوقية.

كما أنه يمثل مشكلة للحياة البرية، حيث يمكن أن تُحرق الطيور بانتظام بسبب أشعة الشمس غير المرئية والمركزة جدًا.

في المستقبل، قد تعيد التصاميم الأقل ضخامة وبالتالي الأقل إزعاجًا بيئيًا إحياء الطاقة الشمسية المركزة إلى دائرة الضوء.