مستقبل تخزين الطاقة – تقنية بطاريات على نطاق المرافق

احتياج شبكة الطاقة للبطاريات

تطورت البطاريات من مكوّن رخيص في الإلكترونيات الصغيرة إلى مكوّن رئيسي مكلف في ثورة السيارات الكهربائية. لكن هناك قطاع آخر بجانب التنقل يتطلب كمية متزايدة من سعة البطاريات: شبكة الطاقة.

تزداد نسبة الطاقة المتجددة كجزء من إجمالي توليد الكهرباء. لكنها أيضاً أكثر تقلباً من محطات الطاقة التي تعمل بالوقود الأحفوري، حيث تنتج الطاقة غالباً عندما تشرق الشمس أو تهب الرياح. قد لا يتزامن ذلك مع أوقات الذروة في الاستهلاك، التي غالباً ما تكون في المساء أو الشتاء. لا تخزن شبكة الطاقة أي كهرباء لكنها تحتاج إلى التوازن بين الإنتاج والاستهلاك في جميع الأوقات.

لذلك كلما زاد توليد الطاقة المتجددة، زادت الحاجة إلى بطاريات للحفاظ على استقرار شبكة الطاقة. هذا مجال استثمار كبير في الطاقة الجديدة، حيث من المقرر أن تتجاوز مشاريع بطاريات المرافق الحالية القدرة الحالية بأكثر من ثلاثة أضعاف بحلول عام 2025.

المصدر: EIA

في الوقت الحالي، يستخدم الكثير من هذه الحدائق البطارية بطاريات ليثيوم-أيون. لكن قد يتغير ذلك.

احتياجات مختلفة

في الوقت الحالي، تطور صناعة البطاريات أساساً لتلبية احتياجات الإلكترونيات الصغيرة وسوق السيارات الكهربائية. ذلك لأن كلاهما يشتركان في متطلبات مماثلة للبطارية المثالية:

• صغيرة وخفيفة الوزن، وبالتالي ذات كثافة عالية تُقاس بوحدة واط‑ساعة/كغ.
• تعمل في نطاق درجة حرارة “عادي”.
• ليست حساسة جداً للسعر.
• يمكن أن تستمر على الأقل 5‑10 سنوات، مع شحن كامل تقريباً كل يوم.

بالنسبة لهذا المجموعة المحددة من المعايير، كانت تقنية الليثيوم‑أيون حتى الآن هي الأفضل لتقنية البطاريات. قد يتغير ذلك قريباً مع إمكانيات مثل البطاريات الصلبة، الصوديوم‑أيون، أو بطاريات الفوسفات الحديدية (LFP) كبدائل محتملة. يمكنك قراءة المزيد عن ذلك في مقالتنا: “مستقبل التنقل – تقنية البطاريات”.

لكن بطاريات شبكة الطاقة / بطاريات المرافق الكبيرة لها احتياجات مختلفة تماماً.

• لا توجد قيود صارمة على الوزن. البطاريات لا تتحرك إلى أي مكان لذا الوزن الذي قد يعيق سيارة كهربائية ليس مشكلة.
• لا توجد قيود صارمة على المساحة. ستُبنى حدائق البطاريات على أراضي رخيصة حول محطات الطاقة. لا حاجة لتعبئتها بإحكام داخل إطار حاسوب أو سيارة كهربائية.
• درجات الحرارة العالية ليست مشكلة كبيرة. إذا كانت كيميائية معينة تعمل بشكل أفضل عند 200°C، فهذا لن يطهي ركاب السيارة الكهربائية. ومع ذلك، في معظم البلدان، سيتعين على البطاريات تحمل الطقس البارد، حيث إن الحفاظ عليها دافئة في الشتاء سيكون مكلفاً للغاية. وهذا ما قد تواجهه بطاريات الليثيوم.
• تكلفة كل واط‑ساعة هي العامل الأهم.
• كلما طالت عمر البطارية، كلما يمكن استهلاك تكلفتها على مدى فترة طويلة، حيث تعتاد شركات المرافق على الاستثمار على مدى 30‑40 سنة.

نظرًا لاختلاف الاحتياجات بين السيارات الكهربائية وبطاريات المرافق الكبيرة، ليس من المفاجئ أن تُطوَّر تقنيات جديدة وكيميائيات بطاريات جديدة لتوفير حلول أكثر فعالية من حيث التكلفة لشركات الطاقة ومشغلي الشبكات.

عمليًا، يمكننا توقع أن “تفوز” عدة تقنيات لتخزين الطاقة معاً، حيث تكون بعضها أكثر ملاءمة لتوازن الشبكة الفوري، وبعضها الآخر لمقاييس زمنية مختلفة (ساعات، أسابيع، مواسم كاملة).

المصدر: CleanTech

بينما يقدم هذا المقال نظرة عامة على الموضوع، قد ترغب أيضاً في قراءة هذا التقرير التفصيلي من Ara Ake حول أنظمة تخزين الطاقة الثابتة.

كيميائيات بطاريات جديدة لتطبيقات على نطاق الشبكة

كيميائيات جديدة مستمدة من السيارات الكهربائية

إن بناء البطاريات هو لعبة التوسيع. يمكن لأكبر دفعات الإنتاج، مع أعمق سلاسل الإمداد، تحقيق وفورات الحجم وبالتالي تكلفة أقل لكل واط‑ساعة.

لهذا السبب، تراهن العديد من شركات بطاريات المرافق على كيميائيات بطاريات منخفضة التكلفة تُستخدم بالفعل في السيارات الكهربائية لاستبدال التخزين القائم على الليثيوم‑أيون.

بطاريات LFP

إحدى الخيارات هي LFP (فوسفات الليثيوم‑الحديد)، وهو مرشح جيد لبطاريات السيارات الكهربائية منخفضة التكلفة، وكيميائية بطارية لا تعتمد على الكوبالت والنيكل المكلفين. كما أنها تدوم أطول من بطاريات الليثيوم‑أيون، مما يجعلها أكثر اقتصاداً على المدى الطويل. هذا متوفر بالفعل في حلول جاهزة على نطاق المرافق، بما في ذلك من قادة القطاع مثل CATL أو BYD.

بطاريات الصوديوم-أيون

إلى جانب الكوبالت والنيكل، يمكن أن يكون الليثيوم نفسه مكلفاً أحياناً، اعتماداً على تقلبات سعر الليثيوم. لذا فإن استبداله بالصوديوم المتوفر قد يساعد على خفض الأسعار أكثر. إنها أقل كثافة طاقة (واط‑ساعة/كغ) قليلاً مقارنةً بـ LFP، لكنها أيضاً أرخص، لذا قد تكون مرشحاً أفضل لبطارية يمكن أن تعمل في كل من السيارات الكهربائية وشبكة الطاقة.

بطاريات تدفق الأكسدة والاختزال

هذه الفئات من البطاريات تعتمد على العملية الكيميائية للأكسدة والاختزال للمعادن. يمكن استخدام مجموعة متنوعة من المعادن المختلفة لبطاريات تدفق الأكسدة والاختزال، بالإضافة إلى أنواع أخرى من تدفقات الأيونات.

المصدر: CellCube

بطاريات الحديد-الهواء

تعمل هذه البطاريات باستخدام أكسدة الحديد (المعروفة عادةً بالصدأ). تنتج البطاريات الكهرباء عبر أكسدة الحديد، ثم تعكس العملية باستهلاك الكهرباء.

الميزة الرئيسية هي أن استخدام مواد رخيصة للغاية قد يجعل هذه البطاريات فعّالة من حيث التكلفة. يدعي مؤيدو هذه التقنية أن بطاريات الحديد‑الهواء ستكون أرخص بـ10 مرات، وتؤدي أفضل، وتستمر 17 مرة أطول. العيب المتمثل في كبر حجمها وثقلها وبطئ شحنها أو تفريغها لا ينبغي أن يكون مشكلة لتطبيقات المرافق الكبيرة. شركات مثل Form Energy تبني بالفعل مرافق لتصنيع هذه البطاريات على نطاق واسع.

بطاريات الزنك

باستخدام معدن رخيص آخر، تشمل هذه البطاريات عدة خيارات مثل الزنك‑برومين، الزنك‑منغنيز، أو الزنك‑هواء. الميزة الرئيسية لهذه التقنية هي سعتها التخزينية الطويلة جداً، مع خسائر/تفريغ قليلة جداً. قد يجعل ذلك منها مرشحاً جيداً لتخزين طاقة الرياح، حيث قد تمتد أيام بلا رياح لعدة أسابيع، وهو ما قد تواجهه تقنيات البطاريات ذات التخزين الأقل دواماً. “من المتوقع أن تشكل بطاريات الزنك 10٪ من سوق التخزين بحلول 2030، وفقاً لمحلل الطاقة Avicenne Consulting“. من الشركات البارزة في هذا المجال Redflow (الزنك‑برومين) وZinc8 (الزنك‑هواء).

بطاريات تدفق الفاناديوم – VRFB

الفاناديوم هو معدن يُستخدم اليوم أساساً في إنتاج الفولاذ المقاوم للصدأ. في البطاريات، يمكن أن يخلق بطاريات مناسبة للدورات اليومية وتنعيم منحنى إنتاج الطاقة المتجددة خلال اليوم، بفضل قدرتها على التعامل مع ما لا يقل عن 10 دورات شحن‑تفريغ يومياً، مع احتفاظ جيد للطاقة حتى 24 ساعة. يمكن أن تكون عمر البطارية طويلاً جداً، يصل إلى 20‑25 سنة، وحتى ذلك الحين قد تحتاج فقط إلى استبدال أجزاء الإطار البلاستيكية، مع إمكانية إعادة تدوير المكونات المعدنية تقريباً بالكامل.

القطاع نشط جداً، مع شركات مثل CellCube، Invinty Energy Systems، Rongke Power، وVRB Energy تعمل على هذه التقنية.

بطاريات الملح البحري / بطاريات الماء المالح

يعتمد هذا المفهوم على تدفق أيونات الملح عبر غشاء لتخزين الطاقة. بعض إصدارات هذه البطارية التي تصنعها Salgenx لا تستخدم غشاءً على الإطلاق، مما يقلل التكاليف، التعقيد، والصيانة، لكن مع إلكتروليت مخصص لا يختلط مع الماء.

بطاريات المعدن المنصهر

المفهوم مبني على صهر الألمنيوم، عملية تستهلك كميات هائلة من الكهرباء؛ ماذا لو يمكن عكسها؟

تأتي الكثير من تكاليف البطاريات من صعوبات تصنيعها. تحتاج الأنودات والكاثودات إلى أن تكون مفصولة تماماً لتجنب الاختصارات.

في بطارية المعدن المنصهر، تكون جميع المكوّنات الثلاثة الرئيسية—الأنود، الكاثود، والإلكتروليت—سائلة. تنفصل تلقائياً عن بعضها بفضل اختلاف الكثافات السائلة. عدم وجود مكوّنات صلبة قد يزيد من عمر البطارية نظرياً بشكل كبير، كما يسمح بشحن وتفريغ سريع جداً وإمكانية إعادة تدوير كاملة.

تسعى شركة Ambri، التي تستخدم بطارية من الكالسيوم والنتن، إلى إنتاج 200,000 خلية بطارية سنوياً في مصنعها الجديد بحلول 2024، وقد كانت موردًا لمايكروسوفت منذ 2022.

المصدر: Ambri

تعمل شركة NGK insulator أيضاً على بطارية صوديوم‑كبريت ملحية منصهرة، وتعمل شركة FZSoNick على بطارية صوديوم‑نيكل‑كلوريد.

بطاريات الهيدروجين المعدني / نيكل الهيدروجين

تدور هذه البطاريات حول تحويل الهيدروجين إلى ماء ثم أكسدة معدن. بينما النيكل ليس المعدن الوحيد الممكن ككاثود في هذه التقنية (يمكن أن تكون البدائل منغنيز أو رصاص أو حديد)، فهو الأكثر شيوعاً وكثافة طاقة أعلى.

هذا هو نوع البطارية المستخدمة من قبل ناسا على محطة الفضاء الدولية (ISS).

ستتمتع هذه التقنية بميزة كونها آمنة جداً، مع صيانة صفرية وإدارة نطاق واسع من درجات الحرارة (-40 إلى +60°C).

تُروّج هذه التقنية بشكل ملحوظ من قبل Enervenue، التي خرجت من وضع التخفي في 2020، وعرضت نسخة جديدة من بطاريتها بمتانة 30 سنة و30,000 دورة تم إطلاقها في سبتمبر 2023. تُطوّر بطاريات الهيدروجين‑منغنيز شركة RFC Power.

بطاريات CO2

ارتفاع مستويات CO2 هو الدافع وراء الدفع نحو الطاقة المتجددة والكهربائية، وبالتالي الحاجة المتزايدة للبطاريات أيضاً. لذا سيكون من السخرية أن تُستَخدم نفس الجزيء لتخزين طاقة المتجدات.

Noon Energy بطارية CO2 تفصل CO2 إلى كربون وأكسجين لتخزين الطاقة. تعمل بطارية التدفق تحت ضغوط ودرجات حرارة عالية تتراوح بين 50 إلى 200 بار و600 إلى 800 °C. تم تطوير هذا النوع من البطاريات أولاً لمركبة المريخ المستكشفة “Perseverance”.

يجب ألا يُفهم هذا على أنه نفس “بطارية CO2” من Energy Dome، التي تعتمد على دورة سائل وتبخر CO2، مما يجعلها ليست بطارية حقيقية، بل أقرب إلى تخزين طاقة غاز مضغوط.

بطاريات الصوديوم-كبريت

كانت هذه البطاريات، حتى الآن، محصورة في تطبيقات تُحافظ فيها البطارية على درجات حرارة عالية (300°C). قد لا تكون هذه مشكلة لتطبيقات المرافق الكبيرة. ومع ذلك، لا تزال التقنية جديدة إلى حد ما وتفتقر إلى التوسع والإنتاج الضخم حالياً. جعل هذه البطاريات طويلة العمر أيضاً قد يكون تحديًا تقنياً.

بطاريات البوليمر

تُعرف أيضاً باسم “بطاريات بلاستيكية”، يستخدم هذا المفهوم بوليمر موصل بدلاً من الليثيوم أو معادن أخرى. الميزة الرئيسية لهذا المفهوم هي أنه يعتمد على تصنيع بسيط ومواد متوفرة بسهولة. البطارية الناتجة ستكون أيضاً طويلة العمر وسهلة التشغيل بأمان.

Polyjoule، شركة ناشئة من MIT، هي إحدى القادة في هذه الفكرة. لكن قد لا تكون على المدى الطويل نوع بطارية يمكنه خفض التكاليف بقدر بعض البدائل الأخرى.