حلول تخزين الطاقة الشمسية: زيادة الكفاءة بأكثر من مرتبة واحدة في اختراق التحويل

“القدرة العالمية على توليد الكهرباء المتجددة تتوسع بسرعة أكبر من أي وقت خلال الثلاثة عقود الماضية،” قال الوكالة الدولية للطاقة في تقرير نُشر في وقت سابق من هذا العام.

هذا النمو، وفقًا للمنظمة الدولية المستقلة التي تتخذ من باريس مقراً لها، يقدم “فرصة حقيقية لتحقيق” هدف مضاعفة القدرة العالمية ثلاث مرات، الذي تم تحديده في مؤتمر التغير المناخي COP28، بحلول نهاية هذا العقد.

لقد نمت القدرة المتجددة بشكل ملحوظ خلال العقد الماضي، مع لعب الطاقة الشمسية دورًا رئيسيًا في ذلك. في عام 2023، أنتجت المصادر المتجددة 30٪ من كهرباء العالم، وساهمت الطاقة الشمسية الكهروضوئية في ثلاثة أرباع الزيادات الجديدة في القدرة المتجددة العالمية.

هذا منطقي، نظرًا لأن تكلفة الطاقة الشمسية تستمر في الانخفاض، لتصبح أرخص من الفحم. بالإضافة إلى تقديم فوائد اقتصادية مثل استقرار التكلفة على مدى طويل، تعزز الطاقة الشمسية أيضًا القدرة على الصمود وتقلل من انبعاثات الكربون.

ومع ذلك، بالرغم من هذه الفوائد وحقيقة أن 50٪ من استهلاك الطاقة النهائي العالمي يُستخدم للتدفئة، لا يزال استخدام الطاقة الشمسية منخفضًا مقارنةً بمصادر الطاقة الأحفورية.

ذلك لأن للطاقة الشمسية قيودها الفريدة، بما في ذلك عدم توفرها في الليل، بينما يتركز استهلاك الطاقة في المساء. ثم هناك التغير المناخي الذي يؤثر على كل من الطلب والعرض.

“نحتاج إلى التفكير في كيفية تأثير التغير المناخي على نظام الطاقة ككل لأنه، للأسف، لا نظام توليد كهرباء محصن من تأثيرات التغير المناخي.”

– روماني ويب، نائب مدير مركز سابين للقانون المتعلق بالتغير المناخي في كلية كولومبيا للمناخ

عند الحديث عن تأثير المناخ، تجعل موجات الحرارة المتكررة الألواح الشمسية أقل كفاءة، بينما يضغط الطلب المتزايد على التبريد على الشبكة ويؤثر سلبًا على النظام. وقد تبين أن الأعاصير تقلل من توليد الفوتوفولطية بين 18٪ و60٪، بينما يمكن للأعاصير الاستوائية خفض الإشعاع الشمسي بنسبة 80٪. يمكن للطقس القاسي مثل مخاطر الرياح أن يتسبب في مزيد من الضرر للبنية التحتية للطاقة الشمسية.

كل هذه القيود تعني أن تخزين الطاقة الشمسية الفعال يمكن أن يفتح مجموعة واسعة من الإمكانات.

تمكن حلول التخزين الفعالة من تخزين الطاقة الفائضة لاستخدامها في أوقات الذروة عندما تغرب الشمس. بهذه الطريقة، يمكن موازنة الأحمال الكهربائية بناءً على الطلب والعرض وتوفير تدفق طاقة مستمر.

كما يوفر تخزين الطاقة الشمسية حماية خلال الأحداث المزعجة مثل حرائق الغابات، حيث تصبح شبكة الطاقة عرضة للانقطاعات.

إذن، ما هي حلول التخزين هذه؟ بشكل عام، تنتمي إلى ثلاث فئات رئيسية؛ البطارية، والميكانيكية، والحرارية. من بين هذه، تُعد البطاريات، وخاصة بطاريات الليثيوم أيون، الطريقة الأكثر شيوعًا وفعالية من حيث التكلفة لتخزين الطاقة الشمسية.

ومع ذلك، يواصل الباحثون ابتكار حلول جديدة باستمرار. نهج جديد تمامًا لجمع وتخزين الطاقة الشمسية بشكل أكثر كفاءة يتضمن استخدام استراتيجيات تحسس غير مستكشفة.

جمع وتخزين الطاقة الشمسية بشكل أكثر كفاءة

لمعالجة المشكلة الأساسية المتعلقة بحدود استخدام الطاقة الشمسية عالميًا—تقطع توافرها المباشر—طور الباحثون في جامعة يوهانس جوتنبرغ ماينز (JGU) وجامعة سيغن نظامًا جزيئيًا لتخزين الطاقة الشمسية.

على عكس أنظمة تخزين الطاقة الحرارية التقليدية التي تخزن الطاقة لفترات قصيرة فقط، يمكن للأنظمة الجزيئية لتخزين الطاقة الشمسية أن تحتفظ بها لفترة ممتدة، من عدة أسابيع إلى شهور. ذلك لأن الطاقة الشمسية تُخزن هنا على شكل روابط كيميائية.

تعمل الأنظمة الجزيئية لتخزين الطاقة الشمسية من خلال امتصاص جزيئات متخصصة أو مفاتيح ضوئية للطاقة الشمسية أولاً، ثم إطلاقها كحرارة عند الطلب.

حتى هذا النظام ليس خاليًا من التحديات. المشكلة الرئيسية في تنشيط المفاتيح الضوئية هي التوازن بين امتصاص ضوء الشمس بكفاءة وسعة تخزين الطاقة. وهذا يحد من الأداء الكلي للأنظمة الجزيئية لتخزين الطاقة الشمسية.

لذلك، أجرى فريق البحث في ماينز وسيغن دراسة لتجاوز هذه المشكلة باستخدام نهج جديد.

تم تقديم فئة جديدة من المفاتيح الضوئية في سيغن أولاً، والتي أظهرت إمكانات تخزين طاقة هائلة مقارنةً ببطاريات الليثيوم أيون التقليدية.

تُعد كيمياء البطاريات الأكثر انتشارًا، حيث تتضمن هذه البطاريات خلية أو عدة خلايا ليثيوم أيون بالإضافة إلى لوحة دوائر. تحتوي خلية ليثيوم أيون على أقطاب، أنود، كاثود، إلكتروليت ينقل الكهرباء، مجمعات تيار، وفاصل. أما المفتاح الضوئي، فهو جزيء يغير هندسته البنيوية وخصائصه الكيميائية عند تعرضه للإشعاع الكهرومغناطيسي.

المفتاح الضوئي الجديد، رغم إمكاناته الاستثنائية في تخزين الطاقة، كان محدودًا في وظيفته إلى التفعيل بواسطة الضوء فوق البنفسجي (UV). يمتلك الضوء فوق البنفسجي أطوال موجية تتراوح بين 10-400 نانومتر ويشكل جزءًا صغيرًا فقط من طيف الشمس.

لذلك، اقترحت الدراسة الأخيرة تقنية جمع ضوء غير مباشرة. تشبه هذه التقنية طريقة جمع الضوء في عملية التمثيل الضوئي. هنا، يتم دمج مركب ثانٍ، وهو مادة حساسة تُظهر قدرة عالية على امتصاص الضوء المرئي. وفقًا للبروفيسور كريستوف كيرزيغ من قسم الكيمياء بجامعة JGU، الذي قاد الدراسة مع طالب الدكتوراه تيل زاهرنجر:

“في هذا النهج، تمتص المادة الحساسة الضوء ثم تنقل الطاقة إلى المفتاح الضوئي، الذي لا يمكن تنشيطه مباشرة تحت هذه الظروف.”

باستخدام هذا النهج الجديد، عززت فرق البحث كفاءة تخزين الطاقة الشمسية بأكثر من مرتبة واحدة. يمثل هذا التقدم الكبير في تحويل الطاقة فتحًا لتطبيقات محتملة لكل من حلول التدفئة المنزلية وتخزين الطاقة على نطاق واسع.

كما أجرى فريق البحث القائم في ماينز تحليلات طيفية دقيقة لاستكشاف النظام المعقد بهدف فهم الآلية الأساسية.

سيساعد الحصول على فهم تفصيلي لكيفية عمل النظام على “دفع حد جمع الضوء بشكل كبير،” كما قال المؤلف الأول زاهرنجر، مضيفًا أن ذلك قد يحسن أيضًا كفاءة تحويل الضوء إلى طاقة كيميائية مخزنة.

في ظروف التشغيل، كل فوتون يُمتص قادر على تحفيز عملية تكوين رابطة كيميائية. وهذا نادرًا ما يُلاحظ في التفاعلات الضوئية نتيجة لوجود عدة قنوات فقدان للطاقة.

نجح الباحثون في إثبات صلابة عملية النظام من خلال تكرار دورة التخزين والإطلاق للطاقة عدة مرات باستخدام ضوء الشمس، مما يبرز إمكانات النظام للتطبيقات الواقعية.

أحدث التطورات في جمع وتخزين الطاقة الشمسية

نظرًا للدور الكبير الذي تلعبه الشمس في مزيج الطاقة المتجددة، أصبحت محور تركيز متزايد بين الباحثين والشركات والمبادرات الحكومية، التي تسعى إلى فهم أعمق لكيفية عملها وتطوير حلول أفضل لجمع الطاقة وتخزينها.

تركز أبحاث جديدة من جامعة ولاية نورث كارولينا على توفير فهم أعمق لـ ما يحدث في الخلايا العضوية عندما يتحول ضوء الشمس إلى كهرباء. لتصوير الواجهات التي يتحول فيها طاقة الضوء إلى شحنات كهربائية، طور الباحثون طريقة جديدة، الميكروسكوب الماسح المسبار، واستخدموها لتحسين كفاءة الخلايا الشمسية.

مصنوعة من مواد بوليمرية قائمة على الكربون، تمتلك الخلايا الشمسية العضوية إمكانات للاستخدام في تطبيقات شمسية مرنة وخفيفة الوزن وكذلك في تطبيقات النوافذ شبه الشفافة أو الشفافة بالكامل، لكنها ليست فعّالة مثل تقنيات الشمسية البيروفسكايت أو السيليكون في تحويل الضوء إلى كهرباء.

ذلك لأن هذه الخلايا تتكون من مزيج من مادتين؛ إحداهما تجمع الإلكترونات (المانح) ثم يجب أن تتفاعل مع الثانية لنقلها (المستقبل)، والواجهات بينهما مسؤولة عن فقدان الجهد، وبالتالي تقيد كفاءة الخلايا الشمسية العضوية.

وجدت الدراسة الأخيرة أن كلًا من الفارق الطاقي بين مواد المانح والمستقبل المكوّنة، وكذلك الاضطراب الطاقي على الواجهات، يسببان فقدان الجهد.

وفقًا للمؤلف المشارك أرام أماسيان، أستاذ علوم المواد والهندسة في جامعة ولاية نورث كارولينا، فإن اختيار مواد ذات فروق طاقة قليلة يقلل من فقدان الجهد. يمكن للمعلمات المتعلقة بالمذيب والمعالجة التي تقلل الاضطراب الواجهاتي أن تقلل أكثر من فقدان الطاقة.

قامت دراسة أخرى حديثة بمهمة تقدير موثوق لسعة أنظمة تخزين الطاقة المنزلية للحصول على فكرة عن نشر أنظمة الطاقة الشمسية السكنية الفعّالة في المستقبل.

لهذا، قدم الباحثون تقنية تقدير سعة قابلة للتوسع، تشمل ثلاث خطوات رئيسية: تحديد متى تكون نظام التخزين في سعة كاملة ومتى تكون فارغة، وحساب السعة بين هاتين الحالتين.

ثم استُخدمت لقياس 21 نظامًا قائمًا على بطاريات الليثيوم أيون في منازل خاصة بألمانيا على مدى ثماني سنوات. كشف التحليل أن الأنظمة فقدت في المتوسط 2-3٪ من سعتها سنويًا.

ومن الجدير بالذكر أن هذه الطريقة يمكن أن يستخدمها المصنعون وشركات الطاقة الشمسية لتقدير سعة أنظمة تخزين الطاقة الخاصة بهم. علاوة على ذلك، نشر الباحثون مجموعة بيانات شاملة تتضمن 14 مليار نقطة بيانات تمتد لأكثر من 100 عام، يمكن استخدامها لإجراء دراسات إضافية أو لتدريب نماذج حسابية.

في وقت سابق من هذا العام، في يونيو، طور الباحثون أيضًا نظامًا مبتكرًا لجمع الضوء يمكنه “امتصاص كمية كبيرة من طاقة الضوء في طبقة رقيقة نسبياً،” مشابهًا للأنظمة الطبيعية لجمع الضوء.

بفضل بنية نطاق تشبه أشباه الموصلات غير العضوية، يمكنه امتصاص الضوء بانكروماتية عبر النطاق المرئي بالكامل، بينما يتيح استخدام معاملات امتصاص عالية للـ الأصباغ العضوية امتصاص كمية كبيرة من الطاقة.

يحتوي النظام على أربعة أصباغ مروكايانين مختلفة تُطوى وتُرصّ بشكل قريب، مما يتيح نقل طاقة فائق السرعة وفعّال داخل النظام. وقد تبين أن النظام قادر على تحويل 38٪ من طاقة الضوء المُشعّ.

من أجل تخزين فعال للطاقة الشمسية وتقليل فقدان التحويل، اجتمع باحثون من جميع أنحاء العالم في وقت سابق من هذا العام لـ دراسة ديناميكيات التحول الضوئي والكيميائي لتصميم جزيء أكثر ملاءمة للوظائف المطلوبة.

يبحث الباحثون عن النوربورنادين لهذا الغرض، وهو إيزومر هيدروكربوني يحتوي على حلقتين جزيئيتين، وعند تعرضه للضوء فوق البنفسجي يتحول إلى كوادريسيكلان أكثر توترًا.

نظرًا لأن كثافة الطاقة الصافية لنظام النوربورنادين-كوادريسيكلان تقارن ببطارية الليثيوم أيون، إذا أمكن التحكم في عكس التحويل بشكل موثوق، يمكن تحقيق وحدة شمسية فعّالة ومناسبة لتخزين الكهرباء.

التركيز على جزيئات الهيدروكربون يوفر طريقة فعّالة من حيث التكلفة لا تتطلب أي معادن نادرة ويمكن إعادة تدويرها أو التخلص منها بسهولة. جميع هذه التطورات الحديثة في القطاع تشهد على التركيز المتزايد على تعزيز اعتماد الطاقة الشمسية عالميًا.

الشركات التي تستفيد من هذا التقدم

الآن، سنستعرض اثنين من أبرز الأسماء التي يمكن أن تستفيد من أو تقدم نظام تخزين طاقة شمسية جزيئي. هذان الاسمان هما NextEra Energy, Inc. (NEE ) وEnphase Energy, Inc. (ENPH )، وكلاهما من الشركات الأمريكية ويشاركان بنشاط في مجال الطاقة المتجددة.

1. NextEra Energy (NEE )

معروفة باستثماراتها في تقنيات الطاقة المتجددة، يمكن لـ NextEra Energy الاستفادة من هذه التقنية من حيث كفاءة التخزين.

بقيمة رأس مال سوقية تبلغ 161 مليار دولار، يتم تداول أسهم NextEra حاليًا بسعر 78.37 دولار، بارتفاع يزيد عن 29٪ هذا العام حتى الآن. تمتلك الشركة ربحية السهم (EPS) (TTM) قدرها 3.37 ومضاعف السعر إلى الأرباح (P/E) (TTM) 23.24، وتدفع عائد توزيعات بنسبة 2.63٪.

قامت شركة بنية الطاقة التحتية مؤخرًا بالإبلاغ عن النتائج المالية للربع الثالث من عام 2024، كاشفةً أن صافي الدخل ارتفع إلى 1.85 مليار دولار، مقارنةً بـ 1.29 مليار دولار في الربع الثالث من 2023. ارتفعت الأرباح المعدلة للسهم بنسبة 10٪ على أساس سنوي. وفقًا للرئيس التنفيذي جون كيتشوم، تُظهر هذه النتائج “أداءً ماليًا وتشغيليًا ثابتًا مستمرًا”.

في الوقت نفسه، حققت شركة Florida Power & Light Company (FPL) المملوكة لـ NextEra Energy صافي دخل قدره 1.29 مليار دولار، بينما بلغت نفقاتها الرأسمالية 2 مليار دولار، وزاد رأس المال التنظيمي المستخدم بنسبة 9.5٪ على أساس سنوي. متحدثًا عن تأثير الأعاصير هيلين وميلتون على عملائه في فلوريدا، أشار كيتشوم إلى أن “الاستثمارات في تعزيز البنية التحتية وتكنولوجيا الشبكة الذكية من FPL منعت مئات الآلاف من الانقطاعات”.

الآن، أضافت NextEra Energy Resources، للربع الثاني على التوالي، حوالي 3 جيجاواط من مشاريع الطاقة المتجددة والتخزين الجديدة إلى قائمة أعمالها المتأخرة. كما أعلنت عن اتفاقيات مع عميلين من قائمة Fortune 50 لتطوير مشاريع الطاقة المتجددة والتخزين، بإجمالي يصل إلى 10.5 جيجاواط حتى عام 2030.

“الأداء القوي المستمر لأعمالنا وحجمنا وخبرتنا وتقنيتنا سيمكننا من الاستفادة من الفرصة التي يجلبها الطلب المتزايد على الطاقة لقطاعنا.”

– كيتشوم، الرئيس التنفيذي لـ NextEra Energy

في الأسبوع الماضي، دخلت شركة الطاقة النظيفة الرائدة في اتفاقية لبيع وحدات أسهم بقيمة 1.5 مليار دولار إلى مؤسسات مالية كبرى، بما في ذلك جولدمان ساكس، جيه بي مورغان، وميزوهو. ستُستخدم الأموال للاستثمار في مشاريع الطاقة والطاقة المتعلقة بالذكاء الاصطناعي وسداد التزاماتها من الأوراق التجارية المستحقة.

مع تزايد الطلب على الطاقة من مراكز بيانات الذكاء الاصطناعي وتوجه الشركة لتوسيع أعمالها في الطاقة المتجددة، تجري NextEra Energy أيضًا دراسات وتناقش مع الجهات التنظيمية الفدرالية إعادة تشغيل محطة الطاقة النووية دوين أرنولد في أيوا.

2. Enphase Energy, Inc. (ENPH )

متخصصة في محولات الطاقة الشمسية والتخزين، قد توسع Enphase Energy أيضًا لتشمل تخزينًا جزيئيًا مبتكرًا إذا كان تجاريًا قابلًا للتطبيق لتعزيز مرونة الطاقة وكفاءتها للمستهلكين.

بقيمة رأس مال سوقية تبلغ 11.8 مليار دولار، يتم تداول أسهم Enphase حاليًا بسعر 87.46 دولار، بانخفاض 33.87٪ هذا العام. تمتلك الشركة ربحية السهم (EPS) (TTM) قدرها 0.44 ومضاعف السعر إلى الأرباح (P/E) (TTM) 198.82. في الربع الثالث من 2024، أبلغت شركة التكنولوجيا الطاقة العالمية عن إيرادات قدرها 380.9 مليون دولار وهوامش إجمالية غير GAAP بنسبة 48.1٪. خلال هذه الفترة، قامت Enphase بشحن أكثر من 1.73 مليون ميكروإنفرتر و172.9 م.واط من البطاريات.

في الوقت نفسه، أنهى المورد العالمي الرائد لأنظمة الطاقة الشمسية والبطاريات القائمة على الميكروإنفرتر الربع بأرصدة نقدية حرة قدرها 161.6 مليون دولار، بينما بلغ إجمالي النقد وما في حكمه والأوراق المالية القابلة للتسويق 1.77 مليار دولار.

خلال هذه الفترة، أطلقت Enphase برنامجًا قائمًا على الذكاء الاصطناعي لتحسين استخدام الطاقة من خلال دمج توقعات الطاقة الشمسية والاستهلاك مع تعرفة الكهرباء لمساعدة المستهلكين على تعظيم التوفير.

في أكتوبر، بدأت الشركة بشحن محولات IQ8™ الميكروية لدعم الألواح الشمسية ذات القدرة العالية في دول مختارة، وسعت دعمها لبرامج خدمات الشبكة (أو محطات الطاقة الافتراضية) في ولايات أمريكية مختارة، وأطلقت محولات IQ8X الميكروية بأطول ضمان سكني قياسي يبلغ 25 سنة في أستراليا.

في الشهرين السابقين لذلك، أطلقت أقوى نظام Enphase Energy حتى الآن، وأعلنت عن حل لتوسيع أنظمة قياس صافي الطاقة (NEM) القديمة في كاليفورنيا دون عقوبة، وأطلقت موصلات NACS لشواحن IQ EV، وشحنت محولات IQ8 الميكروية لدعم وحدات شمسية ذات قدرة عالية في دول مختارة عبر أوروبا. كما قدمت IQ Energy Management لتمكين دعم أسعار الكهرباء الديناميكية وتكامل شواحن السيارات الكهربائية ومضخات الحرارة من أطراف ثالثة في هولندا.

تستعد الشركة الآن لإطلاق شاحن IQ® EV من الجيل الثاني، وبطارية IQ ثلاثية الطور مع احتياطي، ومجموعة IQ® Balcony Solar للسوق الأوروبية، بينما سيظهر نظام الطاقة من الجيل الرابع، الذي يضم IQ® Meter Collar، وبطارية IQ بسعة 10 كواط ساعي، ومجمع IQ® محسّن، في الولايات المتحدة في أوائل العام المقبل.

بشكل عام، انخفضت مبيعات Enphase في أوروبا بنسبة 15٪ مقارنةً بالربع الثاني بسبب “تراجع إضافي في الطلب الأوروبي”، بينما أدى عودة المخزون إلى مستويات طبيعية إلى رفع إيراداتها في الولايات المتحدة بنسبة 43٪ على التوالي.

الخلاصة

في ظل الدفع العالمي نحو الطاقة المتجددة، برزت الطاقة الشمسية كلاعب بارز في تقديم حل نظيف وفير. ومع ذلك، يتأثر اعتمادها عالميًا بالتكلفة، والحلول الأكثر كفاءة، ونقص البنية التحتية، من بين عوامل أخرى.

توفر التطورات الحديثة، التي تتراوح بين التخزين الجزيئي للطاقة الشمسية إلى ابتكارات الخلايا الشمسية العضوية، إمكانات كبيرة لجعل الطاقة الشمسية أكثر كفاءة، وتساعد في تلبية الطلب العالمي على الطاقة، حتى في الظروف الصعبة، وتمهد الطريق لمستقبل مستدام.

انقر هنا للحصول على قائمة بأفضل أسهم الطاقة الشمسية.