"حانة "زينك-اي في نظم الطاقة المتجددة غير الوافدة

The Rise of Zinc-Air Batteries in Off-Grid Renewable Energy Systems

إن معظم أجهزة الطاقة المتجددة الموجودة في المناطق النامية، وأجهزة تخزين الطاقة المتجددة، وأجهزة تخزين الطاقة الكهربائية، وأجهزة التموين الريحية، وأجهزة توليد الطاقة المتجددة في المناطق النامية، وأجهزة تخزين الطاقة، وأجهزة تخزين الطاقة ذات النطاقات العالية، وبطارات السعة، قد تغلبت على هذا المكان، ولكن المنافس الأكثر هدوءاً يخرج من المختبرات والمشاريع التجريبية.

ما هي البطاريات الزنكية؟

فبطاريات الزنك - الهواء هي نوع من الخلايا الكهروكيميائية التي تعمل بالهواء المعدني، وبدلا من تخزين المواد النشطة داخل الخلية، تستخدم الأوكسجين من الهواء المحيط كعامل غير محدود تقريبا، ويسهل الأنف الزنك الفلزي عادة في شكل معجنات أو غطاء أو مسحوق، وأثناء التصريف، تُخفض أكاسيد الزنك من الأوكسجين.

وقد جاءت ردود الفعل العامة مباشرة: ٢ زون + ٢ ⁇ ٢ زونو، وهذا التبسيط يولد كثافة نظرية في الطاقة الحجمية تبلغ نحو ٠٠٦ من الألف/لتر أعلى من سعر الليثيوم ٠٠٧ من الألف/لتر، وحوالي درجة أعلى من مستوى الرصاص. ولا تزال الأجهزة العملية تحقق أرقاماً مثيرة للإعجاب، وغالباً ما تكون ٠٥٣-٠٠ من الكيلوغرامات، مما يجعلها واحدة من أكثر التطبيقات قوة الطاقة.

ومن المهم أن البطاريات التي تبث في الهواء الزنك هي البطاريات الرئيسية )غير القابلة للشحن( في شكلها الكلاسيكي، التي تستخدم لعقود في أجهزة الاستماع، وإشارات السكك الحديدية، وخطوط الملاحة، غير أن الانجازات الأخيرة في الخلايا التي تستخدم الزنك - الهوائية والتي تستخدمها الكهرباء - والتي تستخدمها الكهروولات المتقدمة - هي فتح الباب أمام عمليات التكامل العميقة لعدة آلاف وساعة.

المزايا المتعلقة بالنظم غير الزراعية

ارتفاع كثافة الطاقة وخط الوصل

ويجب أن تتناسب المنشآت غير الحادة في كثير من الأحيان مع الضيوف الصغيرة أو البصمات الموجودة، ويمكن أن يشغل مصرف بطارية يبلغ 100 كيلوواط - زنك - جو نصف المساحة المادية لنظام مناظر لليثيوم، وعشرة واحدة من الحامض، وبالنسبة لأبراج الاتصالات النائية، أو محطات الطقس، أو ملاجئ تخفيف الكوارث، وهذا الوزن وكميات حفظ النقل والتركيب.

مواد ثقيلة وخفيضة التكلفة

إن الزنك هو العنصر الـ 24 الأكثر وفرة في قشرة الأرض، حيث تتجاوز الاحتياطيات العالمية 200 مليون طن، ويُلغى ويُصقل في جزء من تكلفة الليثيوم أو الكوبالت أو النيكل، كما أن بطارية الزنك العادية لا تحتوي على أرض نادرة أو معدن متضاربة، ولا يتطلب تصنيعها غرفاً جافة كثيفة الطاقة اللازمة لخلايا الليثيوم.

السلامة البيئية والقابلية للمقارنة البيئية

وتمارس خلايا الزنك - الجو في ضغط كمين وتحتوي على كهرباء ألكالين مائية، ولا تعاني من الركض الحراري، ولا تنتج غازات قابلة للاشتعال في الاستخدام العادي، وهي غير سمية تماما بعد تفريغها - ويمكن إعادة تدوير أكسيد الزنك المستنفد إلى زنك جديد أو استخدامه كمعدات للخنازير.

حياة الشولف الطويلة و مقاومة الحركة الذاتية

ونظراً لأن ردة فعل الأكسجين لا تخزن داخل الزنزانة حتى يتم إزالة التمثال، فإن البطاريات التي تُعد في الهواء منخفضة للغاية، حيث تقل في كثير من الأحيان عن 2 في المائة في السنة عندما تُغلق، مما يجعلها مثالية لنظم الطاقة الاحتياطية التي قد تكون معطلة لمدة أشهر قبل أن يُطلب إليها، وتشتمل التصاميم الحديثة القابلة للشحن على أجهزة مكوك كهربائية لمنع حدوث اعتداءات على الأكسجين أثناء فترة الاستعداد، مما يزيد من العمر التقويم.

التحديات والأخطار الأخيرة

Rechargeability and Cycle Life

وكانت أكبر عقبة تاريخية هي قابلية التراجع في الهواء، وأثناء الشحن، يتطور الأوكسجين من أكسيد الزنك، وتقلّص كميات الكاسود الكربونية بسبب تآكل الكربون، إذ لا يمكن للخليات الجاهزة للشحن أن تدير سوى بضع مئات من دورات الخزن الشمسي اليومي، غير أن البحوث التي تُنشر في دورة توليد الطاقة من ثاني أكسيد الكربون.

إدارة الهواء وحساسية أكسيد الكربون

يحتوي الهواء المحيط على ثاني أكسيد الكربون، وهو رد فعل مع الكهروليت الألكليني لتكوين مبدئيات الكربون التي تستنسخ الكهرومغناطيسي الهواء، وتحتوي الخلايا الحديثة على أكواب ثاني أكسيد الكربون أو أغلفة انتقائية للحفاظ على الأداء. A 2022 ورقة في مجال الاتصالات الطبيعية أظهرت أن تصفية مغلفة بسيطة من ثاني أكسيد الكربون تستخدم 99 هيدروكسيداًاًاً

حدود الكثافة الكهربائية

وعادة ما تقدم خلايا الزنك - الجو الكثافة الحالية المتوسطة - حوالي ٥٠ إلى ١٠٠ ميغاغرام/كميل٢ - مقابل ١-٥ أيون/جيم٢، أما بالنسبة للتطبيقات غير الثابتة التي تتطلب قدرة ثابتة أو منخفضة إلى متوسطة )مثل الإضاءة، ومعدات الاتصال، أو ضخ المياه(، فإن هذا ليس قيدا بالنسبة للنظم التي تحتاج إلى فجرات من الطاقة العالية )مثلا، بدء العمل بالبطاقات الكهربائية(.

تطبيقات نظم الطاقة المتجددة

Solar-Powered Remote Communities

وفي أفريقيا جنوب الصحراء الكبرى وجنوب شرق آسيا، تُنثر شبكات البيوت الشمسية التي تحتوي على مصباح للزنك جو، ومولدات الديزل، وتظهر شركات مثل زامبيا الطاقة الساندردية ، بعد أن توفر البطاريات ذات القدرة على إحداث الاحتراق ما بين 5 و20 كيلو واط وساعة و6 في المائة من شبكات الصيانة الشمسية في القرى غير المزروعة.

باحثات صغيرة في بيئات الجزر

وتواجه الجزر تكاليف كهرباء مرتفعة وتعطلات متكررة في الأحوال الجوية القصوى، ويستخدم مشروع في جزيرة إيغ في اسكتلندا بطارية تبلغ 100 كيلوواط - زينك - جو لاستقرار صغر حجمها البالغ 50 كيلوواط، ويستوعب النظام توليد الفائض خلال فترات الريح العالية والتصريف أثناء فترات الهدوء، ويقلل من قدرة بطارية الزنك - جو على تصريف الأعماق (100 في المائة دون ضرر) مقارنة بحجم الكلفة طويلة.

قوة دعم الهياكل الأساسية الحيوية

وكثيراً ما تعتمد برج الاتصالات في المناطق النائية على مولدات الديزل بسبب طاقة الشبكة غير الموثوق بها، وتوفر البطاريات الزنكية مساندة صمتية نظيفة يمكن أن تُحمّل برج 5 كيلوواط لمدة 48-72 ساعة على شحنة واحدة، وتُظهر الشركة التي يوجد مقرها في الولايات المتحدة Eos Energy Enterprises) منتجات zinc-air

نظم الزراعة والري

وتحتاج مضخات المياه ذات الطاقة الشمسية إلى تشغيل يعوّل عليه في أوقات النهار، ولكن المزارعين كثيرا ما يحتاجون إلى ري إضافي في المساء، ويمكن لبطاريات الزنك - إير تخزين الطاقة الشمسية أثناء النهار وتصريفها لتشغيل المضخات بعد غروب الشمس، ولأن البطارية يمكن أن تكون أقرب إلى الطلب اليومي على الطاقة بدلا من الذروة، فإن تكلفة النظام الإجمالي يمكن أن تكون أقل بنسبة تتراوح بين 30 و 40 في المائة مقارنة بحجم الليثيوم بالنسبة لنفس التطبيق.

Comparative Analysis: Zinc-Air vs. Lithium-Ion vs. Lead-Acid

Parameter	Zinc-Air (Rechargeable)	Lithium-Ion (LFP)	Lead-Acid (AGM)
Energy density (Wh/kg)	350–500	120–160	30–50
Cycle life (80 % DoD)	5,000–10,000+	3,000–6,000	500–1,000
Round-trip efficiency	65–75 %	92–96 %	80–85 %
Safety	Non-flammable, non-toxic	Thermal runaway possible	Acid spill, hydrogen gas
Upfront cost ($/kWh)	100–150	250–400	150–250
Lifespan (years)	15–20	10–15	3–5
Recyclability	100 % (zinc recyclable)	Partial (lithium recovery costly)	High (lead recycling mature)

والمفاضلة واضحة: إن الزنك - الجو يحقق كفاءة أقل ويتطلب إدارة جوية أكثر حذرا، ولكنه يتفوق في التكلفة لكل دورة، والسلامة، والتركيب البيئي، أما بالنسبة للتطبيقات خارج الشبكة التي تكون فيها كفاءة الطاقة أقل أهمية من التكلفة الكلية للملكية، فإن الزنك - جو يكسب بصورة متزايدة المقارنة الاقتصادية.

مسارات البحث والتطوير الحالية

Electrolyte Engineering

ومن المجالات الهامة التي أحرز فيها تقدم تطوير الكهروليت غير الكالينية، مثل النظم المحايدة للحمض أو البترولية، التي تُوقف النمو في الدنمارك وتكوين الكربون، وقد أظهرت دراسة أجريت في عام 2023 من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا وجود كهروليت هجين للزنك الذي أدى إلى زيادة عمر الدورة إلى أكثر من 000 20 دورة في خلية مختبرية، وإذا ما تم توسيع نطاق هذه التطورات، فإنها ستجعل من الزنك - إير - جو قادرة على المنافسة مع التدفق الطويل.

أجهزة الإرسال الجوي المتقدمة

ولا تزال عوامل الحفز على العمل ذات الأداء هي موضوع ساخن، كما أن العمل الذي تم مؤخراً قد حدد أكاسيد البيروفسكيت (مثلاً، لا0.6Sr0.4CoO3) التي تحفز على خفض الأكسجين وتطور الأكسجين بأقل قدر من التدهور، ويجري أيضاً استكشاف الصناعات التحويلية الاصطناعية (3D-طباعة بالكهرباء الخلاعية) من أجل تحقيق أقصى قدر من تدفق الغازات ومسوحة للرد الفعل، مما قد يؤدي إلى رفع كثافة الطاقة المستمرة فوق 500 و/كغ.

تجمعات الهجين

ويدمج بعض المطورين الزنك - جو مع مبادئ سلاسل التدفق: فالزنك يُحل في صهريج كهربائي ويُضخ عبر كومة الخلايا، بينما يُزود الهواء بالتوازي، ويُستخدم هيكل " بطارية التدفق " هذه القدرة على استخدام الكبريتات (حجم الدبابات) من الطاقة (حجمها الساكنة)، مما يجعلها مرنة بالنسبة لمنشآت متعددة المايكوف التي تُبنى على أساسها 100 في جامعة كالتك.

دراسات الحالة في التجزئة

زينك - إير ميكروغريد في شمال كينيا

وفي عام 2022، شمل تقرير BBC] ] 50 كيلوواط شمسية زائد 200 كيلوواط - جو نظام البطاريات التي تم تركيبها في قرية لودوار، كينيا، ويزود النظام عيادة ومدرسة و100 أسرة، وبعد 18 شهراً من التشغيل، فقدت البطارية أقل من 5 في المائة من المولدات الأولية، كما أن مجموع تكلفة اللقاح الذي تم تسليمه هو 0.18 دولار.

US Department of Defense Pilot at Fort Bragg

وقد قام فيلق المهندسين التابع للجيش الأمريكي بتركيب بطارية تبلغ ٥٠٠ كيلوواط في الهواء كجزء من محاكاة قاعدية تعمل على أساس مجهري، وقد نجا النظام من ثلاث سنوات من التدوير اليومي العميق مع عدم الصيانة، ولاحظ الجيش أن عدم قدرة البطارية على التكرار قد ألغى الحاجة إلى نظم قمع الحرائق، مما وفر ما يقدر ب ٠٠٠ ٥٠ دولار في التكاليف الإضافية.

الآثار الاقتصادية والبيئية

التكلفة المخفضة للخزن

وتبين الحسابات التي قدمتها Lazard’s 2023 المستوى من تكاليف تحليل التخزين ] نظم الزنك - الجو التي تحقق نظاماً من طراز LCOS قدره 0.08 - 0.12/كيلوواط لمدة 4 - 8 ساعات من التصريف، وزيادات حافزة منخفضة (0.15 - 0.20) في تطبيقات تصنيعية عالية الدورة وطويلة العمر.

الاقتصاد العلماني ونهاية الحياة

وعلى عكس بطاريات الليثيوم -يون، التي تتطلب عمليات إعادة تدوير معقدة وغير اقتصادية في كثير من الأحيان، يمكن إعادة تدوير خلايا الزنك - الجو المستهلك من خلال البنية التحتية الحالية لصهر الزنك، وتخفض أكسيد الزنك إلى المعدن باستخدام 70 في المائة أقل من الطاقة من إنتاج الزنك الأولي، ويمكن إعادة استخدام أو تحييد المناطق الكهروليتية (هيدروكسيد البوتاسيوم).

التوقعات المستقبلية والإسقاطات السوقية

وقد بلغت قيمة سوق البطاريات العالمية في المنطقة المحيطة بالزنك حوالي 1.2 بليون دولار في عام 2023، ومن المتوقع أن تنمو بمعدل سنوي مركب يبلغ 18 في المائة حتى عام 2030، وفقاً لخطط MarketsandMarkets، ويقود معظم هذا النمو إلى تخزين ثابت للطاقة من أجل التكامل المتجدد، يليه مقياس الطاقة البحرية وخطوط الاتصالات السلكية واللاسلكية التي أعلن عنها عدد من الجهات الفاعلة الرئيسية، بما في ذلك شركات الطاقة الكهربائية والإيسولينية 8

ولا تزال هناك عقبات تقنية، ففجوة الكفاءة المتأصلة (65-75 في المائة مقابل 95 في المائة من الليثيوم - الأيون) تعني أن الزنك - الهواء غير ملائم للتطبيقات التي يجب أن تضغط فيها كل ساعة من ساعات العمل، ولكن بالنسبة للنظم غير الثابتة، كثيرا ما تفوق تكلفة رأس المال وميزات السلامة خسائر الكفاءة، حيث أن المنشآت الكهروديسية ذات الوظائف العالية والتي تنضج وتتحول إدارة الهواء إلى تخلف عن الحد الأقصى.

حالات الإفلاس المحتملة

ويمكن أن تزيل خلايا الزنك - الجو ذات الولاية الصلبة، التي تمر حاليا بمرحلة ما قبل المرحلة الأولية، الهروليت السائل بالكامل، مما يزيد كثافة الطاقة إلى 800 و/كغ، ويمكّن من التشغيل في ظروف شديدة البرودة، وفي الوقت نفسه يجري تطوير بطاريات ذات مقياس رقيق مرن من أجل أجهزة استشعار قابلة للارتداء ومجسات إيوت، مما قد يعجل بتخفيض تكاليف التصنيع التي تعود بالنفع على النظم الثابتة الأكبر.

خاتمة

فبطاريات الزنك - الهواء لم تعد فضولاً متقناً؛ فهي حل عملي وفعال من حيث التكلفة لتخزين الطاقة لنظم الطاقة المتجددة غير الحادة، حيث إن كثافة الطاقة فيها، وانخفاض تكلفة المواد، والسلامة المتأصلة، وحياة الرف الطويل يمكن أن تتصدى للعديد من نقاط الألم التي تواجه المنشآت النائية، وفي حين أن التحديات المتعلقة بقابلية الشحن وإدارة الهواء لا تزال قائمة، فإن التقدم السريع في مجال علوم الطاقة الحفازة وهن يزيل الثغرة، يزيل.