Table of Contents
وترتكز تكنولوجيات تخزين الطاقة على تحديث نظم الطاقة، مما يتيح تكامل مصادر الطاقة المتجددة المتغيرة مثل الطاقة الشمسية والريحية، وتحسين استقرار الشبكة، وتوفير الطاقة الاحتياطية، غير أن القدرة الاقتصادية لأية تكنولوجيا تخزين لا تتوقف على التكلفة الأولية فحسب، بل على مجموع تكاليف دورة الحياة - وهي النفقات التراكمية المتكبدة من التصنيع والتركيب من خلال التشغيل والصيانة، والتحلل النهائي لتكاليف التشغيل، يتيح مقارنة بين المنافع وخيارات محاسبة المشاريع وصانعي الدورات.
استعراض عام لتكنولوجيات تخزين الطاقة
ويمكن تصنيف نظم تخزين الطاقة على نطاق واسع على شكل طاقة تخزنها - كيميائيا أو ميكانيكيا أو حراريا أو كيميائية، وتظهر كل تكنولوجيا خصائص أداء متميزة )الكثافة الطاقة، والقدرة على توليد الطاقة، والوقت اللازم للاستجابة، وحياة الدورة( وما يقابلها من بيانات التكاليف، وتشمل الأنواع الرئيسية التي تسيطر حاليا على السوق أو التي تنطوي على وعود هامة ما يلي:
- Lithium-ion (Li-ion) batteries] - widely used in electric vehicles and grid-scale applications due to high energy density and falling costs.
- Flow batteries] (مثلاً، فاناديوم ريدوكس، زنك - برومين) - مناسبة للطول، وتخزين القدرات الكبيرة مع توسيع مستقل للطاقة.
- Pumped hydro storage] (PHS) - the most grown and largest installed capacity globally, relying on gravitational potential energy.
- Comppressed air energy storage] (CAES) — stores energy by compressing air in underground hydrorns or tanks for later expansion through turbines.
- Thermal energy storage] — stores heat or cold in materials such as molten salt, chilled water, or phase change materials; often coupleed with concentrating solar power or district cooling.
- Flywheels] — store kinetic energy in a rotating mass for short-duration, high-power applications like frequency regulation.
وتبرز تكنولوجيات جديدة مثل تخزين الطاقة السائلة - الجوية، والتخزين المحتوي على الجاذبية، والهيدروجين (عن طريق خلايا الكهرباء والوقود) ولكنها لا تزال أقل نضجا تجاريا؛ ولا تزال تكاليف دورة حياتها قائمة.
عناصر تحليل تكاليف دورة الحياة
ويغطي تحليل دورة الحياة الشاملة جميع التكاليف على الحياة المتوقعة للنظام، وفيما يتعلق بتخزين الطاقة، تقسم هذه التكاليف إلى عدة فئات رئيسية.
النفقات الرأسمالية (الاختصار)
وتشمل هذه الوثيقة تكلفة وسائل التخزين (الخلايا المبطنة، والهكهف الجوي المضغوط، والمستودعات، والدوارة، ومعدات تحويل الطاقة (اللافتات، والمصحات، والتركيب)، والتوازن بين الزرع (التحليل، والتحكم)، والتركيب، وكثيرا ما يهيمن هذا الاستثمار الأولي على معادلة دورة الحياة، وخاصة بالنسبة للتكنولوجيات ذات القدرة العالية على العمل مثل الهيدروجين ومركبات الكربون.
التشغيل والصيانة (ملحقة)؛
وتشمل تكاليف التشغيل عمليات التفتيش الروتينية والإصلاحات واستبدال المعدات التكميلية والعمل والأصناف الاستهلاكية.
تكاليف الاستبدال وإنهاء المعيشة
وقد تتدهور عناصر التخزين كثيراً بمرور الوقت وتتطلب استبدالاً جزئياً أو كاملاً، ففي البطاريات التي تعمل بالليثيوم، يقلل الجدول الزمني ودورة النمو من القدرة، ويحتاج عادة إلى استبدال بعد 10-15 سنة، وتستغرق البطاريات المتدفقة فترة أطول من عمر الكهرباء السائل، ولكنها قد تحتاج إلى صبغة كهربية دورية واستبدال المضخات، كما أن تكاليف التخلص من المعدات التي تصلح للأماكن، وإعادة تدويرها، لا سيما بالنسبة للمواد الخطرة.
فقدان الكفاءة والتحلل
وتبيّن كفاءة استخدام الطاقة في المرحلتين مدى استرجاع الطاقة الصالحة للاستخدام لكل وحدة مخزنة، ويعني ذلك أن استخدام الطاقة الأقل تكلفة يجب أن يُشترى (أو يُفقد)، وزيادة تكاليف التشغيل الفعالة، مثلاً، تحقق البطاريات اللينيون بصورة روتينية نسبة 85-95 في المائة من الطاقة المتجددة، بينما تتراوح قدرة هذه الفئة من 40 إلى 70 في المائة (تتم على التكوين)، بالإضافة إلى أن تدهور البطاريات يقلل من القدرة على الاستخدام على مر الزمن، مما يقلل من الإيرادات من التكلفة وقد يتطلب ذلك.
تكلفة رأس المال والتمويل
ويؤثر متوسط التكلفة المرجح لرأس المال تأثيرا كبيرا على التكلفة المخفضة للتخزين، لا سيما بالنسبة للمشاريع الكثيفة رأس المال، وقد تواجه التكنولوجيات أو المشغلين الأكثر عرضة للخطر دون وجود سجلات ثابتة للتعقب معدلات فائدة أعلى وأقساط تأمين، والعائدات المطلوبة، وبالتالي فإن المخاطر المالية عنصر ضمني للتكاليف يختلف باستحقاق التكنولوجيا وبيئة تنظيمية.
التكلفة المقيدة للخزن كمقياس قياسي
ومقارنة تكاليف دورة الحياة بمختلف تكنولوجيات التخزين باختلاف عمر المحللين وقدراتهم وأدائهم، يستخدم المحللون تكلفة التخزين المرتدة.() وتعرب الشركة عن مجموع تكلفة دورة الحياة المخفضة لكل وحدة من وحدات الكهرباء المفرغة (دولار/ساعة أو دولار/كيلوواط) وهي تمثل جميع عناصر التكلفة المذكورة أعلاه، وعمر النظام، ومعدل الخصم، والاستخدام المفترض (دورات في السنة).
وتشمل المعايير الرئيسية في حساب نظام إدارة الأراضي: التكلفة الثابتة والمتغيرة، وتكاليف الاستبدال، ومعدل التحلل، وعدد دورات التماثل الكاملة في السنة، ونظراً لأن التخزين كثيراً ما يُنشر في تطبيقات متعددة (التحكيم بالطاقة، وضبط القدرات، وتنظيم التردد)، فإن حالة الاستخدام المحددة تؤثر تأثيراً كبيراً على نظام إدارة المخاطر، وسيستخدم نظاماً يومياً في إطار نظام احتياطي للمعاملات، على نطاق واسع.
التحليل الاقتصادي المقارن للتكنولوجيات
وندرس أدناه موجزات تكاليف دورة الحياة لكل تكنولوجيا رئيسية، استنادا إلى التقارير الأخيرة عن الأدب والصناعة، ونلاحظ أن التكاليف المطلقة تتغير بسرعة، لذلك نؤكد على العوامل الرئيسية التي تؤدي إلى تغيير المستويات النسبية.
ليثيوم - آيون باتري
وقد أصبح التقلبات الحالية هي التكنولوجيا المهيمنة للتخزين القصير الأجل )١-٤ ساعة( نظرا للانخفاض الشديد في التكاليف، وارتفاع الكفاءة، والنموذج، وقد أدى نظام " ليزر " ( " تيار " ) إلى انخفاض متوسط العمر )٢٠٠ ١ دولار( إلى نحو ٠٥٢ دولارا/كيلو دولار في عام ٢٠٢٤.
البطاريات المتفجرة
أما البطاريات ذات التدفق الفوقي للغاز الفوقي، فهي تضعف الطاقة الكهربائية وأجهزة الطاقة - وهي ببساطة تزيد من تخزين الطاقة بجزء من تكلفة الأكياس الإضافية، مما يجعل البطاريات السائلة قادرة على المنافسة بصفة خاصة بالنسبة للتخزين المتوسط الأجل (6-12 ساعة) وتزيد التكاليف الثابتة حالياً عن السائل (300-500 دولار/كيلومترات) ولكن مع بقاء دورة طويلة جداً (20 سنة) ودرجة التحلل الأدنى.
تخزين الهيدروجين المأجور
أما المياه المأهولة فلا تزال أكبر قدرة تخزين عالمية حتى الآن، إذ أن تكاليف دورة حياتها تهيمن عليها نفقات هندسة ومعدات مدنية عالية جدا: ٥٠٠ ١ دولار - ٠٠٠ ٥ دولار/كيلوواط من الطاقة الكهربائية )مقارنة ب ٢٠٠ دولار - ٦٠٠ كيلو متر مربع من أجل البطاريات( ومع ذلك، فإن محطات التزود بمقياسات ضغط الدم تعمل لمدة ٥٠ - ٨٠ سنة مع الحد الأدنى من العناصر الرئيسية )التي قد تحتاج الى تجديد جغرافي منخفض التكلفة بعد ٣٠ سنة(.
تخزين الطاقة الجوية المطبعية
)٥( انظر: )١( انظر: )١( انظر:
تخزين الطاقة الحرارية
أما الخزن الحراري فيمكن أن يقترن في كثير من الأحيان بمصانع الطاقة الحرارية الشمسية (الملح المسيل) أو يستخدم لتبريد (خزن القمح) في المباني التجارية، وتختلف التكاليف اختلافا كبيرا حسب متوسط الاستخدام والتطبيق، أما بالنسبة للطاقات الشمسية المركَّزة التي تحتوي على 6-12 ساعة من التخزين المغنطيسي للملح، فإن مجموع نظام كابكس يتراوح بين 000 5 و 000 7 دولار/كيلومترات، ولكن عنصر التخزين وحده قد يكلف 20 دولارا/كتاريا.
العجلات الطائرة
وتخزن الطاقة الكهربائية مباشرة كطاقة حركية تناوبية، وهي ذات كثافة عالية جدا في الطاقة )استجابة سريعة( ويمكن أن تدور ملايين المرات بأقل قدر من التدهور، غير أن قدرتها على الطاقة محدودة توفر ١-١٠٠ كيلوواط لمدة ثوان، ويمكن أن تبلغ سرعة تشغيل الشبكة ٣٠٠-٦٠٠ كيلوواط في نظام التزود بالبطاقات الضوئية، مع وجود تطبيقات منخفضة جدا، ولكن مع إضافة فراغات في مجال الطاقة.
اتجاهات التكاليف والتوقعات المستقبلية
وتتجه تكاليف تخزين الطاقة إلى مسار هبوطي حاد عبر تكنولوجيات متعددة، مدفوعاً بحجم التصنيع، والابتكار في المواد، وتحسين العمليات، وبالنسبة لليثيوم، انخفضت أسعار عبوات البطاريات إلى أقل من 100 دولار/كه في عام 2023 (BloombergNEF)، ومن المتوقع إجراء تخفيضات أخرى إلى 50-60 دولار/كيلوواط بحلول عام 2030، مما سيخفض مستوى النظام إلى أقل من 100 دولار/كواه، مما يقل كثيراً عن الكم.
كما أن تكاليف بطارية التدفق آخذة في الانخفاض مع اقتراب خطوط الإنتاج؛ ولا تزال أسعار الفاناديوم متقلبة، ولكن الكيمياء البديلة (العضوية الكبيرة، والكروم الحديدي) يمكن أن تدفع تكاليف أقل من 100 دولار/كيلوواط للكهرباء، وتهدف إدارة تخزين الطاقة الطويلة الأجل التابعة للولايات المتحدة إلى تخفيض التكاليف بنسبة 90 في المائة بحلول عام 2030 بالنسبة للنظم التي تقدم 10 ساعات إضافية، وتشمل هذه البطاريات المضخة والجيل الثاني من إنتاج المواد الكيميائية.
وتواجه الهيدروجين المأهولة فترات طويلة من الرصاص، ولكن جهازاً جديداً من أجهزة الاستنشاق " مغلقة " (يستخدم خزانات مخصصة بدون أجسام المياه الطبيعية) يكتسب مكامن، إذ إن وزارة الطاقة في الولايات المتحدة Hydropower Vision تشير إلى أن أكثر من 30 جيه من المواقع المحتملة لجهاز PHS توجد بها آثار بيئية متوسطة.
ومن المتوقع أن تصل درجة المتطورة من حيث معدلات التعادل بين أجهزة الاتصال اللاسلكية والهيدروا المضخة في مناطق كثيرة، لا سيما حيث تكون الظروف الجيولوجية مواتية، وفي الوقت نفسه، يصبح التخزين الحراري عنصراً محورياً في محطات الجيل القادم من نظام الأفضليات المعمم، حيث تُستهدف شركة LCOE تحت الـ 50 دولار/MWh.
وتعجل المبادرات السياساتية بهذه الاتجاهات، إذ أن الائتمانات الضريبية للإنتاج لأغراض التخزين (يشمل الآن الباب 48 من الائتمان الضريبي للاستثمار في الولايات المتحدة التخزين المستقل) ومعايير الحافظة المتجددة التي تتضمن ولايات التخزين تعزز النشر، كما أن مبادرة الاتحاد الأوروبي بشأن " باتري 2030+ " ، والتوسع الهائل في صناعة البطاريات في الصين، تزيد من تخفيض تكاليفها.
الآثار المترتبة على السياسات والاستثمار
ويوفر تحليل تكاليف دورة الحياة الأساس لسياسة فعالة لتخزين الطاقة، وينبغي لصانعي السياسات أن يصمموا حوافز تعكس القيمة الكلية للنظام - وليس التكلفة الرأسمالية فقط - لتجنب خيارات التكنولوجيا دون الأوتوماتيكية، فعلى سبيل المثال، فإن الإعانة التي ترتبط فقط بالتكلفة الأولية ستفضل البطاريات اللازمة لتطبيقات قصيرة الأجل، ولكنها قد تغفل الفوائد الطويلة الأجل لمصنع مائي مضخم يبلغ ٥٠ عاما، ويحتاج تخزين طويل الأجل غير مؤكد )٦-٢٤ ساعة( إلى آليات دعم مختلفة.
ينبغي للمستثمرين والمطورين أن يستخدموا نظام LCOS المعدل حسب حالة استخدامهم المحددة، ومعدل الخصم، والتدهور المتوقع، وتعتمد التكنولوجيا الصحيحة على تواتر الدورة، ومدة الطلب، والموقع، واحتياجات الشبكة، ويمكن للنظم الهجينة (مثل الليثيوم من أجل الاستجابة السريعة زائدا بطاريات التدفق أو CAES) أن تُحدِّد تكاليف دورة الحياة الإجمالية إلى أقصى حد.
وينبغي أن يستهدف تمويل البحث والتطوير عناصر التكلفة التي تهيمن على كل تكنولوجيا: بالنسبة لليليوني، وتحسين طول العمر وتدهوره؛ وبالنسبة لبطاريات التدفق، وتخفيض حجم الطاقة الكهربائية، وتكاليف الكهرباء؛ بالنسبة للهيدرو المضخة ووكالة الفضاء الأوروبية، والحد من تكاليف الأشغال المدنية والآثار البيئية؛ ويمكن لإعادة التدوير وتطبيقات الحياة الثانية (مثل البطاريات الإلكترونية المتقاعدة للتخزين الثابت) أن تزيد من تخفيض تكاليف الاستثمار في دورة الحياة.
خاتمة
ويكشف التحليل الاقتصادي لتكاليف دورة الحياة أنه لا توجد تكنولوجيا واحدة لتخزين الطاقة تكون مثالية لجميع التطبيقات، فبالنسبة للقصر، والسيناريوهات العالية الدراجة، وبطاريات الليثيوم توفر أدنى مستوى من تكنولوجيا التزود بالكميات المميتة، مع استمرار انخفاض التكاليف المتوقعة، وبالنسبة لتخزين الطاقة لمدة طويلة (8 ساعات أو أكثر)، تصبح الطاقة المضخة، والهيدروا، والبطاريات ذات التدفق أكثر فعالية من حيث التكلفة، ولا سيما عندما يُنظر في معدلات الخصمود والخيار الطويل الأجل.