تعطي مصادر الطاقة المتجددة دفعة كبيرة لسوق تخزين الطاقة

ولا يزال يتم توليد الكهرباء عن طريق حرق الوقود الأحفوري – الفحم والنفط والغاز – والذي يمثل أيضاً 75% من إجمالي إنتاج الطاقة في العالم، ولكن المصادر المتجددة تلعب دوراً متزايداً في تزويد الشبكة بالطاقة النظيفة. إن مفهوم تخزين الطاقة لاستخدامها عند الحاجة ليس جديدا. كانت الطاقة الكهرومائية هي الطريقة الأكثر اقتصادا لتخزين الطاقة لعدة قرون، وذلك بالاعتماد على السدود أو الخزانات. عندما يتم إطلاق الماء، تعمل قوة سحبه على تشغيل مولد توربيني لإنتاج الكهرباء. وعلى الرغم من أن هذه الطريقة لا تعمل إلا إذا كانت الكهرباء وفيرة ورخيصة لأنه يجب ضخ المياه بشكل دوري إلى الأحواض، إلا أن كفاءتها لا تزال تمثل معيارًا للأنظمة الأخرى.

ولأن الطاقة الكهرومائية تعتمد على الكهرباء الرخيصة، فقد أضيفت أشكال أخرى من مصادر الطاقة المتجددة، بما في ذلك الطاقة الشمسية وطاقة الرياح. إذا انخفض الإشعاع الشمسي المباشر بنسبة 10% فقط في الأيام الصافية والجافة، فسيتم حجبه خلال الأيام الكثيفة الغائمة. ولا يجوز لنا أن نطلب من آلهة الرياح في الأساطير اليونانية أن تهب الرياح في الأماكن التي يتم تركيب طواحين الهواء فيها، ومن هنا تتزايد أهمية تقنيات تخزين الطاقة الجديدة في إعادة التوازن بين العرض والطلب في أنظمة الطاقة. تعتبر تقنيات تخزين الطاقة هذه أيضًا حيوية لتحسين استقرار الشبكة وموثوقيتها من خلال توفير وظائف مثل موازنة الشبكة والتحكم في التردد، والتي تهدف إلى تقليل تقلبات الشبكة وتوفير إمدادات ثابتة من الطاقة.

حجم السوق لأنظمة تخزين الطاقة المتقدمة

تقرير حديث ¹ تصنيف سوق أنظمة تخزين الطاقة المتقدمة نيخيل كيتاواديويقدر المستشار الرئيسي لشركة Future Market Insights أن قيمة السوق العالمية بلغت 79.2 مليار دولار أمريكي في عام 2023 ومن المتوقع أن تصل هذا العام إلى 87.6 مليار دولار أمريكي. والأمر اللافت للنظر هو أن نموها المركب (CAGR) من المتوقع أن يصل إلى 9.5٪ بين عامي 2024 و2034 (9.9٪ في الولايات المتحدة). وهذا يعني أنه في نهاية عام 2034، سيصل السوق إلى 218.0 مليار دولار أمريكي. ومن المتوقع أن تتطور اليابان بمعدل نمو سنوي مركب يبلغ 11.1% في نفس الإطار الزمني، في حين من المرجح أن يرتفع السوق في الصين بمعدل نمو سنوي مركب يبلغ 10.4%.

يتوسع سوق أنظمة التخزين بوتيرة سريعة بسبب التطورات الأخيرة في تقنيات تخزين البطاريات، ومتطلبات استقرار الشبكة، والحاجة إلى دمج مصادر الطاقة المتجددة في الشبكة. ويُعزى أحد المساهمة المهمة أيضًا إلى التنظيمات الحكومية الداعمة، والإعانات، والحوافز. وتشكل جميع الجهود أيضًا جزءًا من خطة عالمية للتأكيد على إزالة الكربون والاستدامة التي يحفزها الابتكار وفرص الأعمال الجديدة. ومن بين التطبيقات المختلفة، من المرجح أن يحصل قطاع تخزين الشبكة على معدل نمو سنوي مركب بنسبة 9.3٪ من عام 2024 إلى عام 2034، وفي عام 2024، من المقرر أن يستحوذ قطاع التكنولوجيا الميكانيكية على 49.8٪ من حصة السوق العالمية.

الأنواع الرئيسية لأنظمة تخزين الطاقة

بطاريات ليثيوم أيون (LIB)

ينتشر استخدام بطاريات الليثيوم أيون على نطاق واسع في التطبيقات الاستهلاكية والبدوية بسبب كثافة الطاقة الجيدة، لكن اعتمادها على الشبكة لا يزال يتأثر بالتحديات الرئيسية: التكلفة والسلامة وقصر العمر وإعادة التدوير. مثل حمض الرصاص، تتكون بطارية الليثيوم أيون القابلة لإعادة الشحن من خلية واحدة أو أكثر لتوليد الطاقة. تحتوي كل خلية على قطب موجب (كاثود)، وقطب سالب (أنود)، وفاصل بوليمر لمنع حدوث دوائر قصيرة بين الكاثود والأنود، وإلكتروليت، وهو سائل مصنوع من مذيبات عضوية شديدة الاشتعال. تتكون الفواصل المشبعة بالإلكتروليتات من غشاء رقيق مسامي يتم وضعه بين الأقطاب الكهربائية الموجبة والسالبة.

يتكون القطب الموجب عادة من مادة كيميائية تسمى أكسيد الليثيوم والكوبالت (LiCoO₂) بالإضافة إلى النيكل والمنجنيز بنسب مختلفة. في الإصدارات الأحدث، يتم تصنيع الكاثود من LFPS وهو مزيج من فوسفات الحديد الليثيوم (LiFePO₄) لتجنب تكلفة النيكل والكوبالت. إذا تم شحن البطارية، يتم تجريد الكاثود من بعض أيونات الليثيوم المشحونة بشكل إيجابي، والتي تهاجر عبر المنحل بالكهرباء إلى القطب الموجب، حيث تبقى. خلال هذه العملية، تقوم البطارية بتخزين الطاقة. مع تفريغ البطارية، تعود أيونات الليثيوم عبر الإلكتروليت إلى الكاثود الموجب، مما يولد الطاقة التي تشغل البطارية. وفي كلتا العمليتين، تتبع الإلكترونات الاتجاه المعاكس للأيونات الموجودة في أسلاك الدائرة الخارجية.

في عام 2023، تم اختيار Tesla وHabitat Energy وRES كشركاء في المشروع من قبل شركة TagEnergy الناشئة للطاقة النظيفة لنظام تخزين طاقة البطارية بقدرة 100 ميجاوات / 200 ميجاوات في الساعة (BESS) الذي سيتم تركيبه في شمال يوركشاير خلال ساعتين. ستقوم Tesla بتزويد نظام بطاريات الليثيوم أيون Megapack 2XL. تم إطلاق Megapack في عام 2019، ويمكن لحزمة Megapack الواحدة تخزين ما يصل إلى 3.9 ميجاوات/ساعة من الكهرباء، أي ما يعادل متوسط ​​استهلاك 3600 منزل في ساعتين. كل وحدة عبارة عن حاوية ذات حجم مماثل للحاوية متعددة الوسائط. باختصار، يعمل هذا التخزين المعتمد على البطاريات على موازنة تدفق الطاقة المتجددة، ويساعد على دعم ذروة الطلب ويساهم في إنشاء بنية تحتية للطاقة أكثر نظافة وأكثر مرونة.

تخزين طاقة الهواء المضغوط (CAES)

عند استخدامه مع طاحونة هوائية، يعمل نظام تخزين الطاقة هذا عن طريق استخدام الكهرباء لضغط الهواء خارج ساعات الذروة، والذي يتم بعد ذلك تخزينه في أنفاق كبيرة تحت الأرض (الكهوف الملحية مثالية). عندما تتباطأ سرعة الرياح أو يزداد الطلب على الكهرباء، يتم إطلاق الهواء المضغوط ويمر عبر التوربينات لتوليد الكهرباء. العيب الرئيسي لـ CAES هو انخفاض كفاءتها في استخدام الطاقة وكثافتها، الأمر الذي يتطلب مرافق تخزين كبيرة. عند ضغط الهواء، يتم تبديد بعض الطاقة بسبب توليد الحرارة، والتي لا يمكن استعادتها بالكامل. من السمات الجذابة لـ CAES هو عمرها الافتراضي الذي يزيد عن 40 عامًا وأكثر من 13000 دورة. الطاقة في حدود عدة مئات ميغاوات.

تخزين طاقة دولاب الموازنة (FES)

يعمل FES عن طريق تسريع الدوار (الحذافة) إلى سرعة عالية جدًا والحفاظ على الطاقة في النظام في شكل طاقة دورانية، معبرًا عنها بـ (½ I w²) حيث I,w يدل على زخم القصور الذاتي للدوار والسرعة الزاوية، على التوالي. لاستعادة الطاقة التي تم طرحها واستغلالها، يمكن تطبيق عزم الدوران على دولاب الموازنة لجعلها تدور بقيمة w متزايدة. لتجنب الخسائر الميكانيكية، يتم الاحتفاظ بالجسم الدوار في فراغ عديم الاحتكاك ويتم تعليقه بواسطة مجال مغناطيسي. تستخدم معظم الأنظمة الكهرباء لتسريع وإبطاء دولاب الموازنة، ولكن من الممكن أيضًا استخدام الطاقة الميكانيكية بشكل مباشر لتطبيق عزم الدوران على أي جسم دوار، مثل الآلات أو السيارات. تقترن دولاب الموازنة بمولد محرك يستخدم إلكترونيات الطاقة للتواصل مع شبكة المرافق. يمكن لأنظمة FES تخزين مستويات ميغاجول (MJ) من الطاقة قابلة للتطوير بسهولة عند تكوينها في البنوك.

تخزين طاقة الهواء السائل (LAES)

يمكن لتركيبات LAES أن توفر تخزينًا واسع النطاق للطاقة على المدى الطويل بمئات الميجاوات من الإنتاج، وذلك باستخدام الحرارة أو البرودة الصناعية المهدورة من التطبيقات الأخرى لزيادة تحسين كفاءة النظام. يمكن لهذه التكنولوجيا المبتكرة والمرنة أن تسمح بتخزين الطاقة بتعريفات منخفضة وإطلاقها بتعريفات عالية، مما يجعلها جذابة للشركات الجديدة. يتم استخدام كهرباء الشبكة الزائدة لتبريد الهواء المحيط إلى درجات الحرارة المبردة، أي إلى النقطة التي يصبح فيها سائلاً ويتم تخزينه في خزان معزول عند ضغط منخفض. يتم إرجاع الهواء السائل إلى غاز عن طريق تعريضه للهواء المحيط أو باستخدام الحرارة المهدرة. يتم بعد ذلك تشغيل التوربينات بواسطة الغاز المتوسع في أوقات زيادة الطلب لإنتاج الطاقة. يمكن أن تحتوي صهاريج التخزين على ما بين 50 و600 ميجاوات ساعة من الطاقة لمدة تتراوح بين 4 و20 ساعة.

تخزين الكهرباء بالحرارة بالضخ (PHES)

يشبه PHES التخزين المائي الذي يتم ضخه، ولكن بدلاً من ضخ المياه صعوداً، يتم ضخ الحرارة من مصدر حراري (-160 درجة مئوية) إلى مصدر حراري آخر (+500 درجة مئوية) باستخدام مضخة حرارية عكسية/محرك حراري مشابه من حيث المبدأ لكيفية عمل مضخة حرارية عكسية/محرك حراري. تعمل وحدة التكييف. يتم بعد ذلك عكس تشغيل المضخة الحرارية لاستعادة الطاقة، حيث يتم أخذها من المخزن الساخن ووضعها في المخزن البارد. تنتج هذه العملية عملاً ميكانيكيًا يستخدم لتوليد الكهرباء. إحدى مزايا هذا النظام على الأنظمة الأخرى هو أنه يتفاعل بشكل أسرع بكثير من أنظمة تخزين الشبكة الأخرى، حيث يعمل خلال دقائق. مادة تخزين الحرارة هي الصخور المكسرة. وتربط دائرة مغلقة مملوءة بالغاز العامل المخزنين، الضاغط والموسع. يعتبر الغاز مثل الأرجون مثاليًا كغاز عامل لأنه يسخن ويبرد أكثر بكثير من الهواء لنفس زيادة/نقصان الضغط.

بطاريات تدفق الأكسدة (RFB)

أنظمة RFB، على عكس بطاريات الحالة الصلبة (مثل أيون الليثيوم أو أيون الليثيوم)، تقوم بتخزين طاقة الشبكة الزائدة في محاليل إلكتروليتية سائلة من خلال تفاعلات الاختزال الكيميائي والأكسدة (الأكسدة والاختزال). بطارية التدفق هي في الأساس جهاز كهروكيميائي يستغل اختلافات الطاقة في حالات الأكسدة لعناصر معينة (غالبًا معادن) لتخزين الطاقة أو تفريغها. تكمن خصوصية RFBs في أن الأنواع النشطة تذوب في إلكتروليتات سائلة، مع حدوث التفاعل في الواجهة الصلبة والسائلة بين المحلول النشط والقطب الكهربائي الخامل. وهذا يختلف عن البطاريات الأخرى مثل بطاريات الليثيوم أيون أو بطاريات الحالة الصلبة، حيث يحدث التفاعل في الأقطاب الكهربائية الصلبة. محلولان إلكتروليت (يشار إليهما غالبًا باسم negolyte و بوزوليت) تتدفق عبر الغشاء. يحدث نقل الأيونات عبر الغشاء، مصحوبًا بتدفق التيار الكهربائي عبر دائرة خارجية. يتم تخزين الطاقة في المنحل بالكهرباء، وليس في مادة القطب كما هو الحال في البطاريات التقليدية.

تتمتع بطاريات الأكسدة والاختزال بميزة كبيرة مقارنة ببطاريات Li-ion وغيرها من بطاريات الحالة الصلبة من حيث القدرة على التكيف وعمر الدورة (RFB> 25000 دورة؛ Li-ion <10000) ولكنها متخلفة عن LIB في كثافة الطاقة: 25-35 واط ساعة لتر^-1، مقابل 260 وات لتر^-1. يمكن قياس تصنيفات الطاقة والطاقة لبطارية تدفق الأكسدة بسهولة لتطبيق معين عن طريق ضبط حجم المكدس أو حجم صهاريج التخزين التي تحتوي على المنحل بالكهرباء.

تخزين الطاقة المغناطيسية فائقة التوصيل (SMES)

يقوم جهاز SMES بتخزين الكهرباء كمجال مغناطيسي بدلاً من الطاقة الكيميائية أو الحركية أو المحتملة. يتم إنتاج هذا المجال عن طريق تدفق التيار المستمر عبر ملف فائق التوصيل مستغلًا ظاهرة الموصلية الفائقة التي تظهر تحت درجة حرارة حرجة (مبردة)، تتراوح عادة بين -269 درجة مئوية إلى -193 درجة مئوية. يتطلب الحفاظ على المجال الكهرومغناطيسي القليل جدًا من الطاقة لأن المقاومة الكهربائية تساوي الصفر تقريبًا، لذا سيستمر التيار في التدفق إلى أجل غير مسمى تقريبًا حتى بعد إزالة الجهد. الطاقة المخزنة في مغناطيس SMES قادرة على إطلاق ميجاوات من الطاقة خلال جزء صغير من الدورة لتحل محل الفقد المفاجئ للطاقة المضمنة. تعد أنظمة SMES تقنية تخزين فعالة للغاية، ولكنها تتميز بكثافة طاقة منخفضة جدًا وليست مجدية اقتصاديًا. تُظهر أنظمة SMES كفاءة إجمالية تقترب من 100% بينما تتراوح بطاريات Li-ion من 80% إلى 90%، ويبقى تخزين الطاقة الكهرومائية بين 70% إلى 85%. وفي التطبيقات التي تكون فيها الطاقة متقطعة أو متفرقة، كما هو الحال في الشبكات الصغيرة الريفية، يكون الحفاظ على الطاقة من خلال التخزين الفعال مفيدًا.

مراجع

¹ https://www.futuremarketinsights.com/reports/advanced-energy-storage-system-market
²مختبر أنظمة الطاقة وتخزين الطاقة (eseslab.com)

التدوينة الطاقة المتجددة تعطي دفعة كبيرة لسوق تخزين الطاقة ظهرت للمرة الأولى على Power Electronics News.