سباق البطاريات .. حلول تخزين الطاقة المتجددة

#حيدر_حرز_يوسف 

العمل على قدم وساق ويتم استثمار المليارات في تقنيات التخزين الضرورية لتسريع استبدال الوقود الأحفوري بمصادر الطاقة المتجددة.

ستساعد مئات حاويات الشحن المنتشرة في اصقاع مختلفة وخاصة الارياف وخارج المدن المليئة بخلايا البطاريات في توصيل واضافة الطاقة إلى الشبكات الكهربائية وستوفر خدمة أساسية لإدارة الاستخدام المتزايد لطاقة الرياح والطاقة الشمسية ، والتي يتقلب عرضها مع الطقس لتحقق الحلم الاخضر مستقبلا .

من المقرر أن تصبح محطات البطاريات هذه مشهدًا مألوفًا في المستقبل القريب في الكثير من بلدان العالم واولها بريطانيا وأماكن أخرى من العالم. أصبحت مصادر الطاقة المتجددة مثل الرياح والطاقة الشمسية أرخص من الوقود الأحفوري في معظم أنحاء العالم ، ولكنها تحتاج إلى التخزين لتكون مصدرًا مستقرًا وبمرونه ومناورة عالية جدا. وتعهد رئيس الوزراء البريطاني ، بوريس جونسون ، الأسبوع الماضي ، بتركيب ما يكفي من توربينات الرياح لتشغيل كل منزل بحلول عام 2030 ، لكن ذلك سيتطلب حلولًا لإدارة الإمداد المتقطع للطاقة.

هذا هو المكان الذي نضع فيه البطاريات (الأجهزة التي تخزن الكهرباء كطاقة كيميائية. بطاريات الليثيوم أيون)، المستخدمة في الهواتف المحمولة وسيارات تسلا الكهربائية وهي تكنولوجيا التخزين المهيمنة حاليًا ، لمساعدة شبكات الكهرباء في إدارة إمدادات الطاقة المتجددة المتزايدة. قال إيلون ماسك ، الرئيس التنفيذي لشركة Tesla ، إنه يتوقع أن تكون أعمال الشركة في مجال الطاقة - بما في ذلك توريد الطاقة الشمسية وبطاريات الليثيوم أيون الضخمة للشبكة - كبيرة مثل أعمالها في مجال السيارات على المدى الطويل.

ولكن إلى جانب بطاريات الليثيوم أيون ، فإن تقنيات التخزين الأرخص والأطول مدة ستكون مطلوبة عند استبدال محطات الطاقة التي تعمل بالوقود الأحفوري بالكامل والسماح باستخدام الطاقة المتجددة بنسبة 100 في المائة.

أطلقت حكومة المملكة المتحدة الأسبوع الماضي ثورة الطاقة الخضراء وهي عبارة عن صندوق ابتكار للطاقة قيمته مليار جنيه إسترليني للمساعدة في تسويق تقنيات جديدة منخفضة الكربون. وتشمل هذه بطارية هواء سائل يتم تصنيعها بواسطة Highview Power  خارج مانشستر.

 بدون التخزين ، سيكون من الصعب على البلدان تقليل استخدامها بشكل كبير لمحطات الطاقة التي تعمل بالغاز والفحم وتقليل الآثار الضارة لتغير المناخ ، من ارتفاع مستويات سطح البحر إلى الظروف الجوية القاسية.

 

من تقنيات البطاريات التي تستخدم مواد خام وفيرة إلى الصخور البركانية ، وخزانات مليئة بالهواء السائل والأنظمة التي تخفض الأوزان أسفل أعمدة المناجم المهجورة ، تتسابق الشركات لتطوير المفصل الذي سيفتح الطاقة المتجددة على نطاق واسع بحلول منتصف القرن. إنها مهمة مدعومة من قبل العديد من قادة الأعمال البارزين ، بما في ذلك مؤسس Microsoft بيل جيتس وماسايوشي سون من SoftBank

 

يقول الخبراء  "إذا كنا نريد إزالة الكربون بالكامل ، فستكون كل هذه التقنيات مطلوبة". "لكن حجم الاستثمار الذي تحتاجه لإحداث تأثير على أي شيء هو مليارات الدولارات." سلسلة التوريد "بدون مخزون" كل يوم يجب أن تتطابق شبكات الكهرباء باستمرار بين العرض والطلب - وهو إنجاز يصبح أكثر صعوبة عندما تستبعد محطات تعمل بالفحم والغاز والتي توفر مصدرًا موثوقًا وثابتًا للطاقة.

في الربع الأول من هذا العام ، وفرت مصادر الطاقة المتجددة رقماً قياسياً بنسبة 47 في المائة من كهرباء المملكة المتحدة. ومع ذلك ، خلق هذا النجاح مشكلة بعد أسابيع فقط عندما انخفض الطلب على الطاقة بنسبة تصل إلى 20 في المائة بعد أول إغلاق وطني لفيروس كورونا في مارس. تصبح مهمة الشبكة الوطنية أكثر صعوبة عندما يصل توليد الكهرباء من مصادر الطاقة المتجددة إلى حوالي 50 في المائة من الإجمالي - فهي تحتاج إلى مساعدة التوربينات الكبيرة لمحطات الوقود الأحفوري لتخفيف التقلبات في النظام. مع انخفاض الطلب ، كان ذلك يعني أن حصة مصادر الطاقة المتجددة من مزيج الطاقة تجاوزت النصف ، واضطر المهندسون في مركز التحكم في الشبكة الوطنية إلى إجراء عملية موازنة دقيقة ، تضمن جزء منها زيادة استخدام التخزين - الدفاع ، كما يقول المدافعون ، عن توسيع نطاق التكنولوجيا. 

ان الطاقة الشمسية والرياح هي أرخص أشكال التوليد في العديد من البلدان ، لكنك تحتاج إلى هذا التخزين لجعله يعمل بمجرد حصولك على تغلغل الطاقة المتجددة إلى حجم معين من مزيج الطاقة لديك .

ان أكثر من 97% من تخزين الطاقة في العالم حاليا يتم باستخدام الكهرباء لضخ المياه إلى خزان مرتفع ثم إطلاقها ، مما يؤدي إلى تشغيل التوربينات لتوليد المزيد من الكهرباء ، ما يسمى بـ "ضخ المياه". يعمل خزان الماء كوسيلة لتخزين الطاقة. لكن هذه الأنظمة تواجه تحديات بسبب الجغرافيا ويمكن أن تكون محدودة بسبب زيادة ندرة المياه في المستقبل. 

تتمثل ميزة بطاريات الليثيوم أيون في إمكانية وضعها في أي مكان ويمكنها توفير الطاقة للشبكة بسرعة كبيرة ، كما هو الحال في السيارات الكهربائية و يمكن أن تستجيب في أجزاء من الثانية وتوفر بشكل عام ما يصل إلى أربع ساعات من التخزين ، مما يساعد الشبكات على التعامل مع الانقطاعات المفاجئة في توليد الكهرباء ، ولكنها أقل فعالية من حيث التكلفة على المدى الطويل.

كذلك من التحديات يخشى السكان المحليون على سلامتهم ، بعد سلسلة من حرائق البطاريات على مدى السنوات القليلة الماضية. كان هناك 33 حريقًا في منشآت في كوريا الجنوبية بين عامي 2017 و 2018 فقط ، ووقعت حوادث أكثر مؤخرًا في المملكة المتحدة والولايات المتحدة.

خليط من التقنيات

يمكن للتقنيات البديلة أن تتيح تخزينًا أكثر أمانًا لكميات كبيرة من الطاقة لفترات زمنية أطول ، مما يسمح بتكامل أكبر بين طاقة الرياح والطاقة الشمسية. ولكن يجب زيادة حجمها بسرعة لتلبية الطلب المتزايد وتصبح تنافسية من حيث التكلفة.

في كانون الثاني (يناير) ، أصدرت لجنة كاليفورنيا للطاقة ، وهي وكالة التخطيط وسياسة الطاقة الأولية في الولاية الأمريكية ، دعوة لتخزين الطاقة على المدى الطويل - المعرَّف على أنه توفير الطاقة لأكثر من 10 ساعات - بما يكفي لتخزين ما يكفي من الطاقة الشمسية ليوم واحد للاستخدام بين عشية وضحاها.

 

من بين الفائزين بالمناقصة شركة Invinity Energy Systems ، وهي شركة تستخدم بطاريات كبيرة تعتمد على الفاناديوم ، وهي مادة خام تستخدمها صناعة الصلب لزيادة قوة المعدن. تستخدم بطاريات تدفق الأكسدة والاختزال - التي طورتها وكالة ناسا لأول مرة في السبعينيات - خزانات كبيرة من الإلكتروليتات المشحونة بشكل منفصل لتخزين الطاقة ، مما يجعل توسيع السعة أسهل من البطاريات التقليدية.

إن بطاريات الفاناديوم يمكن أن تخزن ما بين ثماني إلى 10 ساعات من الطاقة المتجددة خلال النهار ونشرها خلال ذروة الطلب ، أو بين عشية وضحاها ، مما يساعد على وضع حد أدنى لأسعار الطاقة. كما أنه اكثر امان لأنهم يستخدمون إلكتروليت قائم على الماء. كما أنها تدوم لفترة أطول من خلايا أيونات الليثيوم - ويمكن أن تستمر لمدة 30 عامًا.

في وسط مدينة داليان ، شمال شرق الصين ، تبني شركة Rongke Power أكبر بطارية فاناديوم في العالم. عند  200MW/800MWh ، سيكون حجمها أكثر من ثلاثة أضعاف حجم أكبر تركيب لبطارية ليثيوم أيون في العالم في كاليفورنيا. سيساعد شبكة الكهرباء في مقاطعة لياونينغ على دمج طاقة الرياح بشكل أفضل.

يقول لي بين ، مدير التسويق في Rongke: "لن يُسمح لنا بتركيب بطارية ليثيوم أيون كبيرة الحجم في وسط المدينة ، [بسبب مخاوف تتعلق بالسلامة]". "لم يتم حل مشكلات السلامة في بطاريات الليثيوم أيون."

ومع ذلك ، فإن أسعار الفاناديوم شديدة التقلب وارتفعت إلى 127 دولارًا للكيلوغرام الواحد في نوفمبر 2018 قبل أن تنخفض إلى 25 دولارًا للكيلوغرام اليوم ، مما قد يكون له تأثير على تكلفة الإنتاج.

يعتقد الخبراء أن التقنيات يجب أن تعتمد على مواد أكثر وفرة من تلك المستخدمة في بطاريات الليثيوم أيون والفاناديوم مثل الألومنيوم والكبريت والكالسيوم والأنتيمون. في عام 2005 ساعد في تطوير بطارية معدنية سائلة تستخدم الكالسيوم والأنتيمون وإلكتروليت الملح المصهور. الشركة التي طورتها ، Ambri ، كانت مدعومة منذ البداية من قبل مؤسس مايكروسوفت بل غيتس.

تهدف بطارية Ambri إلى تخزين الطاقة لمدة تزيد عن ست ساعات وان تكلفتها يمكن أن تقل عن 150 دولارًا للكيلوواط / ساعة عند نشرها على نطاق واسع ، مما يجعلها أرخص من أنظمة الليثيوم أيون الحالية.