تخزين الطاقة ENERGY STORAGE

يقصد بتخزين الطاقة الاحتفاظ بالطاقة المنتجة في وقت ما للإفادة منها لاحقا. غالبا ما يكون الغرض من ذلك هو تقليل أثر عدم التوازن بين الطلب على الطاقة وانتاجها. كما يطلق على الجهاز المسؤول عن تخزين الطاقة عموما باسم المراكم Accumulator أو البطارية Battery.

م. طارق المحمدي – مستشار تقني

هناك صور عديدة للطاقة مثل الكهربائية، الحرارية، طاقة الوضع، الطاقة الحركية، طاقة الجاذبية، الطاقة الكيميائية، الطاقة النووية، وعادة يتم التحويل بين هذه المصادر لتسهيل عملية تخزين الطاقة وقد يكون تخزين الطاقة قصير المدى أو ممكنا لفترة أطول حسب التقنيات المتوفرة.

تعد السدود المائية (والتي تخزن الطاقة في خزانات كبية عالية في صورة طاقة وضع ثقالية) من الطرق الأكثر شيوعا لتخزين الطاقة سواء السدود الطبيعية التقليدية أو المعتمدة على المضخات. يمكن أيضا تخزين الطاقة (في الشبكات الكهربائية) على نطاق واسع بتجميع طرق متنوعة وتعرف حينها بتخزين طاقة الشبكة Grid Energy Storage.

من الأمثلة الأخرى على طرق تخزين الطاقة

• البطارية القابلة للشحن: وتقوم بتخزين الطاقة الكيميائية القابلة للتحويل إلى طاقة كهربائية.
• مخازن الجليد: لتخزين الجليد ليلا بكلفة رخيصة وتعويض الطلب نهارا في التبريد.
• مخازن الهيدروجين: لتوليد غاز الهيدروجين من الماء بالتحليل الكهربائي واستخدامه لاحقا كوقود.

تبرز أهمية تخزين الطاقة بجلاء عند الحديث عن الطاقة المتجددة ومصادرها فالطاقة الشمسية مثلا لا يمكن استغلالها بصورة مباشرة سوى في أوقات النهار كما أنها تتأثر بحالة الطقس والغيوم بينما تنعدم تقريبا في المساء بعد غروب الشمس في ظل الافتقار لطرق تخزينها ما يسبب اختلالا كبيرا في الموازنة بين ذروة الطلب والإنتاج فيما يعرف بمنحنى البط Duck Curve. بالمثل نجد أن طاقة الرياح غير قابلة للسيطرة بسهولة وقد تنتج طاقة إضافية أثناء عدم الحاجة لها.

طرق تخزين الطاقة

تتنوع الطرق حسب سهولة وكلفة التخزين كما أن بعض هذه الطرق بالغة القدم. من هذه الطرق:

تخزين ميكانيكي: بواسطة أدوات ميكانيكية مباشرة مثل رفع أثقال صلبة LWS أو ضخ مياه لمرتفعات عالية PSH أو دفع عربات ثقيلة للتحرك في سكة صعودا ونزولا وكل هذه الطرق تهدف لتخزين طاقة الوضع Potential Energy ثم اسقاطها عند الحاجة والإفادة منها في صورة طاقة حركية kinetic energy وتعرف هذه التقنيات اليوم ببطاريات الجاذبية Gravity Batteries.

من الشركات التي نهجت طريقة الأثقال الصلبة شركات مثل ARES Energozapas، EnergyVaultyوGraviticitry ويتم انتاج وحدات تخزين تصل إلى 20 ميجاوات ساعي وقدرات تصل إلى 10 ميجاوات وبكفاءة تتراوح بين 85% و95% وزمن تخزين يتجاوز عشرات السنين.

تعد طريقة التخزين بالضخ المائي Pumped Storage Hydroelectricity – PSH الأكبر والأكثر تطبيقا وتستخدم المياه وهناك مقترحات لاستعمال سوائل أثقل من المياه بأضعاف لتقليل الحالة لارتفاعات عالية. بدأت تقنية الصخ الكهرومائي في أوائل القرن التاسع عشر حتى بلغت سعتها التخزينية 168 جيجاوات حسب تقديرات 2019 بكفاءة بلغت بعضها 90% كما أنها تمثل قرابة 99% من إجمالي سعات التخزين حول العالم حسب تقديرات معهد أبحاث الطاقة الكهربائية EPRI 2012.

في الصورة مثال لسد مجمع سير ادم بيك في شلالات نياجرا بكندا والذي يستعمل طريقة التخزين بالضخ الكهرومائي لتوفير إضافي من الكهرباء قدره 174 ميجاوات في أوقات الذروة.

هناك أيضا طريقة تخزين الطاقة بالهواء المضغوط Compressed Air Energy Storage – CAES حيث يتم ضغط كمية كبيرة من الهواء في حاويات للإفادة منها لاحقا وهي مناسبة للتخزين قصير المدى. مثال ذلك تخزين طاقة الرياح غير المستقرة وإعادة تفريغها بشكل منتظم لمولدات الرياح. يمكن أيضا زيادة كفاءة منظومة تخزين الهواء المضغوط عبر الإفادة من الطاقة الحرارية المتبادلة أثناء الضغط والتفريغ.

من الطرق الميكانيكية الأخرى لتخزين الطاقة، التخزين بالحدافة

(Flywheel Energy Storage (FES، وتعتمد فكرة تدوير قرص ذي كتلة كبيرة يعرف بالحدافة للوصول إلى سرعات دورانية عالية جدا تتجاوز عشرات آلاف الدورات للدقيقة الواحدة وحسب مبادئ حفظ الطاقة يؤدي هذا لتخزين الطاقة في صورة طاقة حركية دورانية يفاد منها عند الطلب. عادة ما تضاف هذه الآلية إلى منظومة مجمعة من المولد والمحرك الكهربائي وتتمتع بمحتوى طاقة عالي يتجاوز 100 وات ساعي لكل كيلوغرام كما أنها رخيصة الكلفة ولا تحتاج صيانة غالبا.

تخزين حراري TES

وفيه يتم استغلال الحرارة المنبعثة وتخزينها مؤقتا. أحد طرق التخزين الحراري تتمثل في التخزين الحراري الموسمي STES حيث يفاد من الحرارة أو البرودة بعد أشهر من تجميعها من مخلفات الطاقة أو الموارد الطبيعية.

يعد Drake Landing Solar Community في كندا مثالا نموذجيا للتخزين الحراري بهذه الطريقة حيث أن 97% من الحرارة المستغلة سنويا تأتي من المجمعات الشمسية الموضوعة على الأسقف. يمكن أيضا الإفادة من الطاقة الحرارية الكامنة في بعض المواد كما في المياه والبخار LHTES.

هناك تقنية تخزين حراري أخرى تستغل التبريد الفائق للهواء حتى يصل لمرحلة الإسالة وقد تم تطبيقها في المملكة المتحدة في 2012 كما أن شركة Highview تعتزم بناء وحدة في شمال بريطانيا بقدرة 50 ميجاوات وسعة تخزينية تتراوح بين 250-400 ميجاوات ساعة.

يمكن كذلك تحويل الطاقة الكهربائية الفائضة إلى طاقة حرارية مخزنة ثم الإفادة منها عبر دورات رانكن وبرايتون وأعلن المركز الألماني لعلوم الفضاء في 2020 بدء إنشاء أول بطارية كارنو بهذه التقنية لتعمل بنطاق واسع وسعة تخزينية تبلغ 1 جيجاوات ساعة.

مؤخرا أثبتت طريقة تخزين الحرارة بواسطة الملح المذاب Molten Salt كفاءة وتطبيقا واسعا عبر تسخين واذابة كميات كبيرة من الملح بمجمعات شمسية في النهار في الوقت الذي يعمل بخار الماء الساخن بحرارة الشمس على تدوير تربينات وفي الليل يمتص بخار الماء حرارة الملح المذاب ويستمر بالتالي في تدوير التربينات.

تخزين كهروكيميائي Electrochemical

تعد البطاريات القابلة للشحن مثالا نموذجيا لطرق تخزين الطاقة الكهروكيميائية وتتوفر بأشكال وأحجام مختلفة من بطاريات الساعات إلى بطاريات شبكات الميجاوات. تتألف البطاريات الكهروكيميائية عادة من مجموعة من الخلايا الكهروكيميائية المتصلة على التوالي والتوازي لتحقيق الجهود والتيارات العملية.

تعتمد الخلية الكهروكيميائية على تفاعلات الأكسدة والاختزال بين طرفيها والمحلول وتتكون كل خلية من نصفي خليتين في كل منها يغطس قطب معدني مختلف عن الآخر ولكل نصف خلية محلولها الخاص ويتراوح جهد الخلية الواحدة بين 1 و3 فولت.

تنقسم البطاريات الكهروكيميائية القابلة للشحن إلى

• بطارية المركم الرصاصي الحمضية Lead Acid Battery.
• بطاريات النيكل كادميوم NiCd: هذه البطاريات تم حظرها من قبل الاتحاد الأوروبي منذ 2004 بسبب سمية الكادميوم.
• بطارية النيكل هيدريد الفلز NiMH: أصبحت البديل الأمثل لبطاريات النيكل كادميوم.
• بطارية أيونات الليثيوم Lithium-ion battery: تناسب العديد من الأجهزة الالكترونية وتتميز بأعلى نسبة طاقة إلى كتلة وتفريغ ذاتي بطيئ في حال عدم الاستعمال.
• بطارية أيونات الليثيوم والبوليمر: تتميز بخفة وزنها.
• بطارية التدفق.

هناك نوع آخر من التخزين الكهروكيميائي يعرف بالمتسعات الفائقة Supercapacitors ويرمز لها أيضا ELDC وهي وسيط بين المكثفات والبطاريات وتتميز بسعة تخزينية تفوق سعة المكثفات العادية 10000 مرة تقريبا رغم صغر سعتها مقارنة بالبطاريات القابلة للشحن التي تصل 10% ومع ذلك فهي تتفوق على البطاريات بكثافة قدرة تصل 10 إلى 100 ضعف ما يجعلها أسرع في دورات الشحن والتفريغ.

تخزين كيميائي غازي

وفيه يتم تحويل الطاقة الكهربائية عند ذروة الإنتاج إلى وقود غازي مثل الهيدروجين أو الميثان بواسطة التحليل الكهربائي. لاحقا يتم استعمال مخزون الوقود في انتاج الطاقة الحرارية أو الكهربائية عند ذروة الطلب.
يمكن أيضا تحويل الهيدروجين إلى مواد سائلة مثل الميثانول والأمونيا وهي مواد أسهل في السيطرة من الغازات وأكثر أمانا للنقل.

تخزين كهربائي

يمكن تخزين الطاقة الكهربائية ذات التيار الكهربائي المستمر بصورة ساكنة بين لوحين معدنين معزولين عن بعضهما وتسمى هذه الوحدات بالمتسعات الكهربائية أو المكثفات الكهربائية Capacitors ثم تفريغها عند الحاجة. سعة المتسعات الكهربائية أقل بكثير من البطاريات القابلة للشحن (بمئة ألف مرة تقريبا) ولكن تطبيقاتها في مجال الالكترونيات واسعة سواء في التخزين المؤقت أو تصفية الإشارات وتوليدها.

يمكن تخزين الكهرباء أيضا بواسطة المغانط ذات الموصلية الفائقة (Superconducting Magnets (SMES وبكفاءة تتجاوز 95%. تتم العملية بواسطة تمرير تيار كهربائي مستمر في ملف موصل فائق تم تبريده إلى درجة أقل من درجة توصيله الفائق وحينها يمكن تخزين التيار دون فقد لفترات طويلة جدا ولاحقا يمكن إعادة تفريغ الملف فائق الموصلية.

يمكن الإفادة من الطرق السابق ذكرها في تخزين الطاقة بأقل التكاليف في الدول النامية وخاصة مجتمعنا اليمني سواء على مستوى الفرد أو المجتمع أو الدولة وخصوصا عند التعامل مع موارد الطاقة المتجددة.