تخزين الطاقة لشبكة الكهرباء: نظرة على تقنيات البطاريات في 2023

حاجة شبكة الكهرباء إلى تخزين الطاقة

تطورت البطاريات من مكوّن رخيص في الأجهزة الإلكترونية الصغيرة إلى مكوّن أساسي ومكلف في السيارات الكهربائية. وهناك قطاع آخر يتطلب سعات متزايدة: شبكة الكهرباء. يقدم هذا المقال نظرة على التقنيات المطروحة في 2023؛ لذا ينبغي قراءة أهداف الإنتاج والتوقعات في سياقها التاريخي.

تزداد حصة الطاقة المتجددة من توليد الكهرباء. وتتغير خصوصاً إمدادات الشمس والرياح بحسب الطقس، وقد لا تتزامن مع ذروة الطلب. ويجب على منظومة الكهرباء تحقيق التوازن المستمر بين الإنتاج والاستهلاك؛ ويسمح التخزين بنقل استخدام الطاقة المتاحة إلى وقت آخر.

يمكن للبطاريات المساهمة في استقرار الشبكة، إلى جانب شبكات النقل وإدارة الطلب ووسائل التخزين الأخرى. ففي ديسمبر 2022، توقعت إدارة معلومات الطاقة الأمريكية أن تصل قدرة بطاريات التخزين في الولايات المتحدة إلى نحو 30 غيغاواط بنهاية 2025، مقابل 7.8 غيغاواط قيد التشغيل في أكتوبر 2022. وهذا توقع للقدرة، لا لسعة الطاقة المقاسة بالغيغاواط-ساعة.

المصدر: EIA

في عرض عام 2023، كانت كثير من منشآت التخزين تستخدم بطاريات ليثيوم-أيون، مع استمرار تطوير تقنيات أخرى.

احتياجات مختلفة

تطورت صناعة البطاريات أساساً لخدمة الأجهزة الإلكترونية الصغيرة والسيارات الكهربائية. ويشترك هذان السوقان في عدة متطلبات:

• الحجم الصغير والوزن الخفيف والطاقة النوعية المرتفعة، المقاسة بالواط-ساعة/كغ.
• العمل ضمن نطاق درجات حرارة مناسب للتطبيق.
• الموازنة بين السعر والوزن والأداء والسلامة.
• عمر مناسب، غالباً لا يقل عن 5–10 سنوات بحسب الاستخدام ودورات الشحن والتفريغ.

تستجيب بطاريات ليثيوم-أيون لهذه المتطلبات جيداً. وتمثل بطاريات الحالة الصلبة مساراً للتطوير، بينما تنتمي بطاريات صوديوم-أيون إلى عائلة أخرى. أما فوسفات حديد الليثيوم (LFP) فهو نفسه أحد أنواع ليثيوم-أيون. للمزيد، اقرأ مقالنا «مستقبل التنقل – تقنية البطاريات».

أما البطاريات الثابتة لشبكة الكهرباء فلها أولويات مختلفة.

• الوزن أقل تقييداً منه في السيارة، لكن النقل والتركيب والأساسات تظل عوامل مهمة.
• قد تكون قيود المساحة أقل، لكن تكاليف الأرض والتراخيص ومساحة الموقع لا تختفي.
• يمكن استخدام كيميائيات تعمل داخلياً عند 200°م أو أكثر مع العزل والتحكم الحراري وتدابير السلامة المناسبة. كما تؤثر البرودة والطاقة اللازمة للتدفئة في الكفاءة.
• تكلفة الواط-ساعة مهمة، إلى جانب الكفاءة والقدرة والتكلفة الكلية للطاقة المعاد تسليمها.
• يسمح العمر الطويل بتوزيع تكلفة الاستثمار على سنوات أكثر. وتخطط شركات الكهرباء لبعض البنى التحتية على مدى 30–40 عاماً، لكن ذلك لا يعني أن كل بطارية تدوم هذه المدة.

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.

يمكن أن تنجح عدة تقنيات معاً؛ فبعضها يلائم الموازنة الفورية وبعضها التخزين لساعات أو أيام. أما التخزين لأسابيع أو مواسم فيحتاج إلى تصميم خاص، وقد يستفيد أيضاً من وسائل غير البطاريات.

المصدر: CleanTech

بينما يقدم هذا المقال نظرة عامة على الموضوع، قد ترغب أيضاً في قراءة هذا التقرير الصادر عن Ara Ake في مارس 2023 حول التخزين الثابت بالبطاريات.

كيميائيات بطاريات جديدة لتطبيقات على نطاق الشبكة

كيميائيات جديدة مستمدة من السيارات الكهربائية

قد تقلل أحجام الإنتاج الكبيرة وسلاسل الإمداد الراسخة التكلفة لكل واط-ساعة. لذلك تُدرس أيضاً الكيميائيات المستخدمة بالفعل في السيارات الكهربائية، بما فيها أنواع ليثيوم-أيون الأقل تكلفة.

بطاريات LFP

فوسفات حديد الليثيوم (LFP) كيمياء من عائلة ليثيوم-أيون، لا تستخدم الكوبالت أو النيكل في المادة الفعالة للكاثود. وقد تكون أقل تكلفة وأطول عمراً من بعض الكيميائيات الغنية بالنيكل، بحسب المنتج وظروف التشغيل. وكانت الحلول التجارية متاحة بالفعل من شركات مثل CATL أو BYD.

بطاريات الصوديوم-أيون

قد يساعد الصوديوم الوفير في تقليل الاعتماد على الليثيوم وتقلبات سعره. وكانت الخلايا المبكرة من صوديوم-أيون عادة أقل في الطاقة النوعية من LFP. لكن السعر النهائي يتوقف على المواد والإنتاج والنظام الكامل؛ فرخص المادة الخام لا يضمن بطارية أرخص. وتشمل التطبيقات المحتملة السيارات والشبكات.

بطاريات تدفق الأكسدة والاختزال

تخزن بطاريات التدفق الطاقة في إلكتروليتات تخضع لتفاعلات أكسدة واختزال. ويمكن استخدام معادن مختلفة أو مركبات عضوية. وليست كل التقنيات الواردة أدناه بطاريات تدفق.

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.

يوفر الحديد الوفير إمكانية خفض التكلفة. وقد صُممت أنظمة Form Energy لتفريغ الطاقة مدة تصل إلى 100 ساعة؛ وهذه مدة تفريغ وليست عمراً أطول بـ17 مرة. وكانت تخفيضات التكلفة المعلنة أهدافاً تقنية لا ضمانات عامة. ويظل الوزن والمساحة والكفاءة وسرعة الشحن عوامل تؤثر في التصميم. وقد بدأت Form Energy إنشاء مصنعها في مايو 2023 وأعلنت الإنتاج التجريبي في سبتمبر 2024.

بطاريات الزنك

باستخدام معدن رخيص آخر، تشمل هذه البطاريات عدة خيارات مثل الزنك‑برومين، الزنك‑منغنيز، أو الزنك‑هواء. وتختلف الخصائص بين هذه الأنواع؛ فليست جميعها قادرة على التخزين لأسابيع بفقد ضئيل. وقد تساعد الأنظمة المصممة للتخزين الطويل في فترات ضعف الرياح. ونسب النص الأصلي إلى Avicenne Consulting توقعاً بأن بطاريات الزنك قد تمثل 10% من سوق التخزين بحلول 2030. كان ذلك توقعاً لا حصة متحققة. ومن أمثلة الشركات المذكورة في 2023 Redflow (الزنك‑برومين) وZinc8 (الزنك‑هواء).

بطاريات تدفق الفاناديوم – VRFB

يُستخدم الفاناديوم أساساً عنصراً سبائكياً في الفولاذ، وليس أساساً في الفولاذ المقاوم للصدأ وحده. ويمكن لبطاريات تدفق الفاناديوم خدمة الدورات اليومية ونقل استخدام إنتاج الطاقة المتجددة بين الأوقات. وتعتمد مدة التفريغ على الخزانات والقدرة؛ فلا يصح جمع عشر دورات كاملة يومياً مع تفريغ مدته 24 ساعة بوصفهما أداءً عاماً متزامناً. وقد يصل العمر التصميمي إلى 20–25 عاماً، لكن حزم الخلايا وأجزاء أخرى قد تحتاج إلى صيانة أو استبدال. ويمكن إعادة استخدام الإلكتروليت وتدويره. ومن الشركات العاملة في المجال CellCube، Invinity Energy Systems، Rongke Power، وVRB Energy تعمل على هذه التقنية.

بطاريات الملح البحري / بطاريات الماء المالح

تتنوع أنظمة التخزين ذات الإلكتروليتات الملحية. ويستخدم بعضها أغشية لفصل الأوساط أو تنظيم انتقال الأيونات. وتعرض Salgenx نظاماً بلا غشاء يستخدم إلكتروليتات خاصة وأطواراً لا تمتزج. وهذا وصف من المصنع لنظامه، ولا ينطبق على جميع بطاريات الماء المالح.

بطاريات المعدن المنصهر

تخزن بطاريات المعدن السائل الطاقة بتفاعلات كهروكيميائية عكسية عند درجات حرارة مرتفعة. وليست ببساطة عملية صهر الألمنيوم معكوسة.

ترتبط بعض تكاليف البطاريات بصعوبات التصنيع؛ إذ يجب فصل الأنود والكاثود على النحو المناسب لمنع الدوائر القصيرة.

قد تشكل المواد الفعالة للقطبين والإلكتروليت ثلاث طبقات سائلة، يفصل بينها اختلاف الكثافة وعدم الامتزاج. وتبقى الحاوية وأجزاء أخرى صلبة. وقد يدعم هذا التصميم المتانة، لكنه لا يضمن عمراً غير محدود أو شحناً فورياً أو إعادة تدوير كاملة.

في إعلان عام 2022، عرضت شركة Ambri، التي تستخدم الكالسيوم والأنتيمون، خطة مصنع بطاقة إنتاجية سنوية قدرها 200 ألف خلية، مع تسليمات متوقعة في 2023. ولا يثبت ذلك بلوغ الإنتاج الفعلي لهذا المستوى في 2024. وفي سبتمبر 2022 أعلنت نظاماً تجريبياً لمايكروسوفت (MSFT ). وهذا لا يعادل توريداً تجارياً مستمراً لجميع مراكز بياناتها. وفي يوليو 2024 أعلنت Ambri اكتمال بيعها والخروج من إجراءات Chapter 11.

المصدر: Ambri

في سياق عام 2023، كانت NGK Insulators تسوّق بالفعل بطاريات صوديوم-كبريت ذات أملاح منصهرة، بينما كانت FZSoNick تقدم بطاريات صوديوم-نيكل-كلوريد.

بطاريات معدن-هيدروجين / نيكل-هيدروجين

تجمع بطاريات نيكل-هيدروجين بين قطب هيدروكسيد/أوكسي هيدروكسيد النيكل وتفاعلات عكسية لإنتاج الهيدروجين وأكسدته في إلكتروليت قلوي. ولا تقتصر على تحويل الهيدروجين إلى ماء ثم أكسدة معدن. وتستخدم عائلات أخرى من بطاريات معدن-هيدروجين مواد كاثود أخرى، مثل المنغنيز أو الرصاص أو الحديد.

استُخدمت تقنية نيكل-هيدروجين سابقاً في البطاريات التي شغلت محطة الفضاء الدولية التابعة لناسا. وقد استُبدلت بطاريات المحطة ببطاريات ليثيوم-أيون بين 2017 و2021.

تقترح EnerVenue نسخة ثابتة قليلة الصيانة ولا تتعرض للانفلات الحراري. وتعتمد نطاقات الحرارة، بما فيها -40 إلى +60°م المذكورة تاريخياً، على المنتج والاختبارات، ولا تنطبق على كل بطاريات معدن-هيدروجين.

تعمل على هذه التقنية شركة EnerVenue التي كشفت عن أنشطتها في 2020. وفي سبتمبر 2023 قدمت نسخة جديدة بعمر تصميمي متوقع قدره 30 عاماً و30 ألف دورة. وهذه مواصفات تصميمية، لا سجل تشغيل فعلي امتد ثلاثين سنة. وتطور بطاريات تدفق هيدروجين-منغنيز شركة RFC Power، المعروفة اليوم باسم Certain Energy.

بطاريات ثاني أكسيد الكربون

يدفع ارتفاع تركيز ثاني أكسيد الكربون إلى التحول نحو الطاقة المتجددة والكهرباء، ومن ثم زيادة الحاجة إلى التخزين. وفي الوقت نفسه، تُطوّر تقنيات تستخدم هذا الجزيء نفسه لتخزين الطاقة.

Noon Energy تطور تخزيناً كهروكيميائياً يفصل CO₂ إلى كربون صلب وأكسجين أثناء الشحن، ثم يعكس التفاعل أثناء التفريغ. وذكر الوصف التاريخي 50–200 بار و600–800°م لمشروع معين، لا مواصفات عامة مؤكدة لجميع المنتجات. وترتبط التقنية بالتحليل الكهربائي بأكسيد صلب، لكن تجربة MOXIE على المركبة الجوالة بيرسيفيرانس أنتجت الأكسجين من CO₂ ولم تكن بطارية تخزين.

أما «بطارية CO₂» من Energy Dome فتستخدم تخزيناً حرارياً ميكانيكياً يقوم على ضغط CO₂ وتسييله وتمديده. وكلمة بطارية هنا اسم تجاري، لا تفاعل كهروكيميائي مماثل لنظام Noon.

بطاريات الصوديوم-كبريت

تعمل بطاريات صوديوم-كبريت ذات الحرارة المرتفعة عند نحو 300°م، وتحتاج إلى العزل والتحكم الحراري. ويمكن استخدامها في تطبيقات ثابتة مصممة على نحو مناسب. ولم تكن تقنية تفتقر للإنتاج التجاري في 2023؛ فقد بدأت NGK تسويقها في 2002 والإنتاج الكامل في 2003. أما أبحاث التشغيل عند حرارة الغرفة فهي مسار آخر. وفي أكتوبر 2025 أعلنت NGK إيقاف الإنتاج الجديد والمبيعات للمشاريع الجديدة.

بطاريات البوليمر

تستخدم بطاريات البوليمرات الموصلة، مثل منتجات PolyJoule، بوليمرات عضوية بدلاً من المواد الفعالة المعدنية التقليدية. ولا ينبغي خلطها بكل بطارية ذات إلكتروليت بوليمري قد تظل تستخدم الليثيوم. وتهدف إلى الجمع بين المواد المتاحة والتصنيع القابل للتوسع وإدارة حرارية أبسط؛ وتظل السلامة والعمر والتكلفة مرتبطة بالمنتج.

Polyjoule، التي انطلقت من أبحاث معهد MIT، تطور هذه التقنية. وتعتمد قدرتها التنافسية على التطبيق والتكلفة الكلية للطاقة المخزنة والمعاد تسليمها.