M

MLOG

العربية

اكتشف العلم وراء تخزين الطاقة، وتقنياته المتنوعة، وتطبيقاته العالمية، ومستقبل حلول الطاقة المستدامة في جميع أنحاء العالم.

علم تخزين الطاقة: نظرة عالمية

يعد تخزين الطاقة أمرًا بالغ الأهمية لمستقبل مستدام. إنه يسد الفجوة بين مصادر الطاقة المتجددة المتقطعة مثل الطاقة الشمسية وطاقة الرياح ومتطلبات الطاقة المستمرة للمجتمع الحديث. يتعمق هذا المقال في علم تخزين الطاقة، ويستكشف التقنيات المختلفة، ويدرس تطبيقاتها العالمية.

لماذا يهم تخزين الطاقة

يعيد التبني المتزايد لمصادر الطاقة المتجددة تشكيل مشهد الطاقة العالمي. ومع ذلك، فإن مصادر الطاقة المتجددة مثل الطاقة الشمسية والرياح متغيرة بطبيعتها. لا تشرق الشمس دائمًا، ولا تهب الرياح دائمًا. يعالج تخزين الطاقة هذه المتقطعة، مما يسمح لنا بالتقاط الطاقة الزائدة خلال فترات التوليد المرتفعة وإطلاقها عندما يكون الطلب مرتفعًا أو عندما تكون مصادر الطاقة المتجددة غير متوفرة.

يوفر تخزين الطاقة فوائد عديدة:

أنواع تقنيات تخزين الطاقة

تلبي تقنيات تخزين الطاقة المختلفة التطبيقات والقياسات المختلفة. إليك نظرة عامة على بعض الطرق البارزة:

1. تخزين الطاقة الكهروكيميائية (البطاريات)

البطاريات هي الشكل الأكثر شيوعًا لتخزين الطاقة. إنها تحول الطاقة الكيميائية إلى طاقة كهربائية من خلال التفاعلات الكهروكيميائية.

بطاريات الليثيوم أيون

تهيمن بطاريات الليثيوم أيون (Li-ion) على السوق نظرًا لكثافة طاقتها العالية، وعمرها الطويل، ومعدل التفريغ الذاتي المنخفض نسبيًا. يتم استخدامها في الأجهزة الإلكترونية المحمولة، والسيارات الكهربائية، والتخزين على نطاق الشبكة. تعمل بطاريات Li-ion عن طريق نقل أيونات الليثيوم بين القطب الموجب (القطب السالب) والقطب السالب (القطب الموجب) من خلال المنحل بالكهرباء. يؤدي تحرك هذه الأيونات إلى توليد تيار كهربائي.

مثال: يعد نظام Tesla's Megapack نظام بطاريات ليثيوم أيون على نطاق واسع يستخدم لتثبيت الشبكة وتخفيف الذروة. تنشر العديد من البلدان حول العالم، من أستراليا إلى المملكة المتحدة، أنظمة Megapack لتعزيز البنية التحتية للطاقة المتجددة لديها.

التحديات: تواجه بطاريات Li-ion تحديات تتعلق بالتكلفة والسلامة (الانهيار الحراري) وتوافر المواد الخام مثل الليثيوم والكوبالت. يركز البحث على تطوير مواد كاثود بديلة وتحسين أنظمة إدارة البطاريات لمعالجة هذه المشكلات.

بطاريات الرصاص الحمضية

تعد بطاريات الرصاص الحمضية تقنية ناضجة تم استخدامها لأكثر من قرن. إنها غير مكلفة وموثوقة ولكنها تتمتع بكثافة طاقة أقل وعمر أقصر من بطاريات Li-ion. تُستخدم بطاريات الرصاص الحمضية بشكل شائع في تطبيقات السيارات وأنظمة الطاقة الاحتياطية وتركيبات الطاقة الشمسية خارج الشبكة.

مثال: في العديد من البلدان النامية، لا تزال بطاريات الرصاص الحمضية حلاً فعالاً من حيث التكلفة لتخزين الطاقة من أنظمة الطاقة الشمسية المنزلية، وتوفير الكهرباء للأسر التي لا تتمتع بإمكانية الوصول إلى الشبكة.

بطاريات التدفق

تقوم بطاريات التدفق بتخزين الطاقة في محاليل كهرلية سائلة يتم ضخها عبر الخلايا الكهروكيميائية. إنها توفر قابلية توسع عالية، وعمرًا طويلاً، وتحكمًا مستقلاً في الطاقة والطاقة. تعتبر بطاريات التدفق مناسبة للتخزين على نطاق الشبكة والتطبيقات التي تتطلب تفريغًا طويل المدة.

مثال: تقوم العديد من الشركات بتطوير ونشر بطاريات تدفق الأكسيد الفاناديوم (VRFBs) لتثبيت الشبكة وتكامل الطاقة المتجددة. هذه البطاريات مناسبة بشكل خاص للتطبيقات التي تتطلب أوقات تفريغ طويلة، مثل توفير الطاقة الاحتياطية خلال فترات طويلة من الغطاء السحابي أو انخفاض الرياح.

بطاريات الحالة الصلبة

تحل بطاريات الحالة الصلبة محل المنحل بالكهرباء السائل في بطاريات ليثيوم أيون التقليدية بمنحل بالكهرباء صلب. يوفر هذا مزايا محتملة من حيث السلامة وكثافة الطاقة والعمر. تعد بطاريات الحالة الصلبة تقنية واعدة للسيارات الكهربائية وغيرها من التطبيقات.

التحديات: يعد توسيع إنتاج بطاريات الحالة الصلبة والتغلب على التحديات المتعلقة بالمقاومة البينية من مجالات البحث المستمرة.

بطاريات أيونات الصوديوم

تستخدم بطاريات أيونات الصوديوم الصوديوم، وهو عنصر وفير وغير مكلف، كحامل للشحنة. إنها توفر بديلاً منخفض التكلفة محتملًا لبطاريات Li-ion لتخزين الشبكة والتطبيقات الأخرى.

التحديات: تتمتع بطاريات أيونات الصوديوم بشكل عام بكثافة طاقة أقل من بطاريات Li-ion. ومع ذلك، يهدف البحث الجاري إلى تحسين أدائها.

2. تخزين الطاقة الميكانيكية

تقوم أنظمة تخزين الطاقة الميكانيكية بتخزين الطاقة عن طريق تحريك أو ضغط وسط ماديًا.

تخزين الطاقة الكهرومائية بالضخ (PHS)

يعد تخزين الطاقة الكهرومائية بالضخ الشكل الأكثر استخدامًا لتخزين الطاقة على نطاق واسع على مستوى العالم. يتضمن ضخ المياه من خزان سفلي إلى خزان أعلى خلال فترات انخفاض الطلب أو توليد الطاقة المتجددة الزائدة. عندما تكون الطاقة مطلوبة، يتم إطلاق الماء، ويتدفق إلى أسفل عبر التوربينات لتوليد الكهرباء.

مثال: تمتلك الصين أكبر سعة تركيبية لتخزين الطاقة الكهرومائية بالضخ في العالم، حيث تستخدمها لدمج كميات كبيرة من طاقة الرياح والطاقة الشمسية في شبكتها. وبالمثل، تعتمد العديد من البلدان في أوروبا وأمريكا الشمالية على تخزين الطاقة الكهرومائية بالضخ لتحقيق استقرار الشبكة.

التحديات: يتطلب PHS ظروفًا جيولوجية محددة (اختلافات في الارتفاع وتوافر المياه) ويمكن أن يكون له تأثيرات بيئية تتعلق باستخدام الأراضي والموارد المائية.

تخزين الطاقة بالهواء المضغوط (CAES)

يتضمن تخزين الطاقة بالهواء المضغوط ضغط الهواء وتخزينه في كهوف تحت الأرض أو خزانات فوق الأرض. عندما تكون الطاقة مطلوبة، يتم إطلاق الهواء المضغوط وتسخينه، ثم يتمدد عبر التوربينات لتوليد الكهرباء.

مثال: تعمل محطات CAES الحالية في ألمانيا والولايات المتحدة. يتم تطوير أنظمة CAES المتقدمة لتحسين الكفاءة وتقليل الاعتماد على الغاز الطبيعي لتسخين الهواء المضغوط.

التحديات: يتطلب CAES تكوينات جيولوجية مناسبة لتخزين الهواء ويمكن أن يكون له كفاءة منخفضة نسبيًا للرحلة ذهابًا وإيابًا.

الحذافات

تقوم الحذافات بتخزين الطاقة عن طريق تدوير دوار ثقيل بسرعات عالية. يمكن تحويل الطاقة الحركية المخزنة في الحذافة مرة أخرى إلى كهرباء عند الحاجة. توفر الحذافات أوقات استجابة سريعة وعمرًا طويلاً، مما يجعلها مناسبة لتنظيم التردد والنسخ الاحتياطي للطاقة على المدى القصير.

مثال: تُستخدم أنظمة تخزين طاقة الحذافة لتحسين جودة الطاقة في المرافق الصناعية ولاستقرار الشبكة في المناطق ذات الانتشار العالي للطاقة المتجددة.

التحديات: تتمتع الحذافات بكثافة طاقة منخفضة نسبيًا مقارنة بالبطاريات ويمكن أن تعاني من فقدان الطاقة بسبب الاحتكاك ومقاومة الهواء.

3. تخزين الطاقة الحرارية (TES)

يتضمن تخزين الطاقة الحرارية تخزين الطاقة في شكل حرارة أو برد. يمكن تحقيق ذلك باستخدام مواد مختلفة، مثل الماء أو الأملاح المنصهرة أو مواد تغيير الطور (PCMs).

الطاقة الشمسية المركزة (CSP) مع TES

تستخدم محطات الطاقة الشمسية المركزة المرايا لتركيز ضوء الشمس على جهاز استقبال، والذي يسخن سائل العمل. يمكن استخدام الحرارة مباشرة لتوليد الكهرباء أو تخزينها في أنظمة تخزين الطاقة الحرارية، مما يسمح للمحطة بتوليد الكهرباء حتى عندما لا تشرق الشمس.

مثال: تستخدم محطة الطاقة الشمسية نور ورزازات في المغرب تخزين الطاقة الحرارية بالملح المنصهر لتوفير الكهرباء على مدار 24 ساعة في اليوم. تمتلك إسبانيا أيضًا سعة كبيرة من CSP مع TES المتكاملة.

التدفئة والتبريد المركزية

يمكن استخدام تخزين الطاقة الحرارية في أنظمة التدفئة والتبريد المركزية لتخزين الحرارة أو البرودة الزائدة المتولدة خلال ساعات الذروة. يمكن بعد ذلك استخدام هذه الطاقة المخزنة لتلبية ذروة الطلب، مما يقلل من تكاليف الطاقة وتحسين الكفاءة.

مثال: تستخدم العديد من المدن في الدول الإسكندنافية تخزين الطاقة الحرارية في أنظمة التدفئة المركزية الخاصة بها لتخزين الحرارة الزائدة من العمليات الصناعية أو حرق النفايات.

تخزين الثلج

تقوم أنظمة تخزين الثلج بإنشاء الجليد خلال ساعات الذروة واستخدامه لتبريد المباني خلال ساعات الذروة. هذا يقلل من الطلب على الكهرباء ويقلل من تكاليف الطاقة.

مثال: يستخدم تخزين الثلج بشكل شائع في المباني التجارية والمستشفيات ومراكز البيانات لتقليل تكاليف التبريد.

4. تخزين الطاقة الكيميائية

يتضمن تخزين الطاقة الكيميائية تخزين الطاقة في شكل روابط كيميائية. يعد إنتاج الهيدروجين وتخزينه مثالًا رئيسيًا.

تخزين طاقة الهيدروجين

يمكن إنتاج الهيدروجين من خلال التحليل الكهربائي للماء باستخدام الطاقة المتجددة. يمكن بعد ذلك تخزين الهيدروجين بأشكال مختلفة، مثل الغاز المضغوط، أو الهيدروجين السائل، أو هيدريدات المعادن. عندما تكون الطاقة مطلوبة، يمكن استخدام الهيدروجين في خلايا الوقود لتوليد الكهرباء أو الحرارة أو وقود النقل.

مثال: تستثمر العديد من البلدان في مشاريع إنتاج الهيدروجين وتخزينه، بهدف استخدام الهيدروجين كوقود نظيف للنقل والصناعة وتوليد الطاقة. على سبيل المثال، لدى اليابان خطط طموحة لاستخدام الهيدروجين لتشغيل اقتصادها.

التحديات: لا يزال إنتاج الهيدروجين وتخزينه ونقله مكلفًا نسبيًا. يعد تطوير تقنيات فعالة من حيث التكلفة وفعالة لتخزين الهيدروجين وخلايا الوقود أمرًا بالغ الأهمية لاعتماده على نطاق واسع.

التطبيقات العالمية لتخزين الطاقة

يتم نشر تخزين الطاقة في تطبيقات مختلفة حول العالم:

مستقبل تخزين الطاقة

مستقبل تخزين الطاقة مشرق، مع البحث والتطوير المستمر يركز على:

رؤى قابلة للتنفيذ:

  1. ابق على اطلاع: حافظ على اطلاع دائم على أحدث التطورات في تقنيات وسياسات تخزين الطاقة.
  2. ضع في اعتبارك تخزين الطاقة لمنزلك أو عملك: قم بتقييم الفوائد المحتملة لدمج تخزين الطاقة في نظام الطاقة الخاص بك.
  3. دعم سياسات الطاقة المتجددة: الدعوة إلى السياسات التي تعزز تطوير ونشر الطاقة المتجددة وتخزين الطاقة.

الخلاصة

يعد تخزين الطاقة مكونًا أساسيًا لمستقبل الطاقة المستدامة. فهو يمكّن من دمج مصادر الطاقة المتجددة، ويحسن موثوقية الشبكة، ويقلل الاعتماد على الوقود الأحفوري، ويمكّن الأفراد والمجتمعات من السيطرة على طاقتهم. مع تقدم التكنولوجيا وانخفاض التكاليف، سيلعب تخزين الطاقة دورًا متزايد الأهمية في تحويل مشهد الطاقة العالمي.