دور تخزين الطاقة في تحقيق التوازن بين الإمداد والطلب بالطاقة

الدور الحاسم لتخزين الطاقة في محاجر الطاقة الحديثة

فخزن الطاقة لم يعد تكنولوجيا نشيطة؛ بل هو حجر الزاوية في نظام الطاقة الحديث، حيث أن العالم يعجل بتحوله إلى مصادر الطاقة المتجددة مثل الرياح والطاقة الشمسية، فإن التقلب المتأصل لهذه المصادر يخلق تحديا أساسيا: فالكهرباء يجب أن تولد في اللحظة التي يستهلك فيها، ولا يمكن أن تستمر شبكات تخزين الطاقة هذه الفجوة، مما يؤدي إلى زيادة الطاقة الفائضة عندما يتجاوز الجيل الطلب ويحرره عند حدوث تجاوزات في الطلب.

ويتزايد بسرعة سوق تخزين الطاقة العالمية، ووفقا لما ذكرته الوكالة الدولية للطاقة، يتوقع أن تزيد قدرة تخزين البطاريات المركبة أكثر من عشرة أضعاف بحلول عام 2030، وذلك بسبب انخفاض التكاليف والسياسات الداعمة، وهذا النمو ليس فقط بشأن منشآت الشبكة الواسعة النطاق؛ كما أنه يشمل نظما خلف المتر في المنازل والأعمال التجارية، فضلا عن مشاريع على نطاق المرافق يمكن أن تخزن مئات الساعات المتوسطة الحجم، وتفهم دور تكنولوجيات تخزين الطاقة في المستقبل.

مؤسسة تخزين الطاقة: كيف يتوازن العرض والطلب

وفي جوهرها، يُحدِّد تخزين الطاقة توقيت توليد الكهرباء من الاستهلاك، وتعمل شبكات الطاقة التقليدية على نموذج متكافئ زمنياً: تُجمّع المولدات أو تُضاهي الطلب في الوقت الحقيقي، ويُعمل هذا بشكل جيد مع مصادر موفّرة مثل الفحم والغاز الطبيعي والهيدرو، ولكن المتجددات غير قابلة للإرسال، وكثيراً ما لا تشرق الشمس في الليل، وتقلبات سرعة الريح.

وبالإضافة إلى الدورات اليومية، يوفر التخزين أيضا خدمات أساسية للشبكات مثل تنظيم الترددات، ودعم الفولط، والاحتياطي العمودي، مثلا، يمكن لبطاريات الليثيوم أن تستجيب لانحرافات التردد في الثانية، أسرع بكثير من المولدات التقليدية، وهذا الرد السريع يساعد على الحفاظ على استقرار الشبكة، خاصة وأن الطاقة المتجددة الموجودة في اللافقاريات يمكن أن تحل محل المولدات الكهربائية المتزامنة، وقدرة تخزين الطاقة في فصل الشتاء على نحو دقيق إلى ساعات.

المهام الرئيسية لخزن الطاقة في عمليات المحايدة

• Load Leveling:] Reducing top demand by discharging stored energy during high-consumption periods, lowering infrastructure costs.
• Renewable Firming:] Smoothing out the output of changings so that they can be sented reliably.
• Backup Power:] Providing uninterrupted electricity during grid outages, critical for hospitals, data centers, and emergency services.
• Black Start Capability:] Restoring a power grid after a total blackout without relying on external power.

التكنولوجيات التي تُستخدم لتقوية ثورة التخزين

وتتنوع مشهد تكنولوجيات تخزين الطاقة، حيث تتميز كل منها بخصائص فريدة تناسب التطبيقات المختلفة، وأبرزها اليوم هو ] تخزين البطاريات الليثيومية - الأيون ، الذي شهد تخفيضات كبيرة في التكاليف - أكثر من 80 في المائة في العقد الماضي - التي تقودها صناعة المركبات الكهربائية، غير أن تكنولوجيات أخرى تكتسب أيضاً أرضاً، ولا سيما بالنسبة للاحتياجات الأطول مدة أو على نطاق أوسع.

البطاريات الليثيوم - الأيون

وتهيمن الليثيوم على سوق تخزين الأثاث القصير (ساعة إلى 4 ساعات) وتزيد كثافة الطاقة فيها وكفاءتها (85 إلى 95 في المائة) وتجعل الاستجابة السريعة من الأفضل تنظيم الترددات والقدرة على الذروة، وتظهر تركيبات مثل احتياطي طاقة القرن الجزرية في جنوب أستراليا، وهو أصلا مرفق متعدد الأطراف من طراز MW/129 MWh (منذ توسيع نطاقه)، أن البطاريات يمكن أن تثب شبكة وتخفض التكاليف.

تخزين الهيدروليكات المأهولة

أما المياه المأهولة فلا تزال أكبر شكل من أشكال تخزين الشبكة حسب القدرة، إذ تمثل نحو 90 في المائة من الطاقة المخزنة العالمية، وتستخدم خزانين في ارتفاعات مختلفة، وتضخ المياه في ارتفاعات كبيرة، وتصدر في أثناء ارتفاع الطلب، إلى توربينات، وتزيد الطاقة الهيدروجينية المضخة من حيث الحجم الكبير (مئات من الميغاوات إلى غيغاوات) وطول فترات الضخ.

تخزين الطاقة الجوية المطبعية

وتخزن الوكالة الطاقة باستخدام فائض الكهرباء لضغط الهواء في كهوف أو صهاريج تحت الأرض، وعند الحاجة، يتم إطلاق الهواء المضغوط وتسخينه وتوسيعه من خلال توربين لتوليد الكهرباء، كما أن محطات الكيمياء التقليدية، مثل مرفق 290 ميغاواط في هنتروف، ألمانيا، يمكن أن تكون لها كفاءة تتراوح بين 40 و50 في المائة، ولكن الجيل الجديد من التراكمات الحرارية التي تصل إلى 70%.

البطاريات المتفجرة

وتعتمد البطاريات المتطايرية، مثل البطاريات الحمراء للفاناديوم، وتخزن الطاقة بالكهرباء السائلة التي تضخ من خلال كومة خلوية، وتحلل الطاقة والقدرة على الطاقة: وتتوقف تقديرات الطاقة على حجم الكوادر، بينما تعتمد القدرة على الطاقة على حجم الصهاريج، مما يجعلها قابلة للتوسع في تخزين البطاريات الطويلة (4-12 ساعة) مع انخفاض طفيف في تكاليف الطاقة على آلاف الدورات.

تخزين الطاقة الحرارية

ويستلزم التخزين الحراري الحصول على الحرارة أو البرودة للاستخدام في وقت لاحق، وفي محطات توليد الطاقة، يستخدم تخزين الملح المغنطيسي بتركيز الطاقة الشمسية لتوليد الكهرباء بعد غروب الشمس، ويمكن للعمليات الصناعية أن تستخدم التخزين الحراري في نقل حمولات التبريد أو استعادة حرارة النفايات، كما يستخدم التخزين الحراري في المباني، مثل تخزين الثلج في تكييف الهواء، مما يقلل من حجم الطلب على الكهرباء.

التكنولوجيات الناشئة: الهيدروجين وخزن الجاذبية

أما الهيدروجين الأخضر، الذي ينتج عن طريق التحلل الكهربائي باستخدام الكهرباء المتجددة، فهو شكل من أشكال تخزين الطاقة الكيميائية، ويمكن تخزين الهيدروجين في الصهاريج أو الكهوف الجوفية لأسابيع أو أشهر، ثم يستخدم في خلايا الوقود أو توربينات الاحتراق لتوليد الطاقة، ويوفر تخزينا موسميا ولكنه يعاني من ضعف كفاءة الطوارئ (30-40 في المائة) وتكاليف خرسانية عالية.

الفوائد التي تتجاوز التوازن: القيمة المتعدّدة الدفع للخزن

وفي حين أن الدور الرئيسي لتخزين الطاقة هو تحقيق التوازن بين العرض والطلب، فإن فوائده تمتد عبر سلسلة القيمة الكهربائية بأكملها من جيل إلى آخر مستخدم، وكثيرا ما تُجمع هذه الفوائد، مما يعني أن وجود أصل واحد من أصول التخزين يمكن أن يوفر خدمات متعددة في آن واحد، مما يزيد من قدرتها على البقاء اقتصاديا.

الموثوقية والارتقاء

ويحسن التخزين موثوقية الشبكة بتوفير احتياطيات سريعة الاستجابة يمكن أن تحول دون حدوث انقطاع في المجارير، وفي حالة حدوث اضطراب كبير، مثل كارثة طبيعية أو هجمة إلكترونية، نظم تخزين لا مركزية - خاصة عندما تكون أجزاء من الجزيرة المجمعة - الكانتية من الشبكة أو توفر الطاقة في حالات الطوارئ، فعلى سبيل المثال، بعد إعصار ماريا في بورتوريكو، ظلت نظم تخزين الطاقة الشمسية - المتعددة - تعمل في مرافق حرجة تعمل منذ أسابيع.

إدماج المتجددات المتغيرة

فبدون تخزين، يمكن أن تؤدي عمليات اختراق كبيرة للريح والشمس إلى تقليص )الطاقة المكشوفة( وعدم استقرار الشبكة، ويتيح التخزين للمصانع المتجددة تحويل ناتجها إلى مطابق للطلب، مما يقلل من الحاجة إلى تحقيق توازن في الغازات، وفي كاليفورنيا، تكون ظاهرة " منحنى الدونات " - حيث يبلغ الجيل الشمسي ذروته بعد الظهر، ولكن الطلب على الصرير بعد غروب الشمس يجري التصدي له من خلال منشآت البطارية الضخمة.

ألف - الجوانب الاقتصادية والبيئية

ويقلل تخزين الطاقة من الحاجة إلى محطات القمم الباهظة التكلفة وتحسينات النقل، ومن خلال تأجيل استثمارات الهياكل الأساسية، يمكن للمرافق أن تنقذ بلايين الطاقة، كما أن تخزينها يقلل من أسعار الكهرباء بالجملة عن طريق تزييف أكثر جيل تكلفة، ومن الناحية البيئية، يتيح التخزين زيادة التغلغل في الطاقة المتجددة، والحد من انبعاثات غازات الدفيئة وملوثات شبكات الهواء، وقد تبين من دراسة أجراها مختبر الطاقة المتجددة الوطني أن إضافة 30 جي دبليو من المخزن إلى 100 مليون طن.

استحقاقات المستهلكين والمستهلكين

ويسمح التخزين خلفه بالعملاء المقيمين والتجاريين بتقليص رسوم الطلب التي يتكبدونها، واستهلاك المزيد من جيلهم الشمسي، والحصول على الطاقة الاحتياطية، وفي بعض الأسواق، يمكن للزبائن المشاركة في برامج الاستجابة للطلبات، والحصول على الإيرادات عن طريق القيام ببطارياتهم أثناء الإجهاد الشبكي، ويتسع نطاق الوصول إلى هذه الفوائد.

التحديات التي تواجه الانتشار الواسع النطاق

ورغم النمو السريع، يواجه تخزين الطاقة عدة حواجز هامة يجب التغلب عليها للوصول إلى النطاق اللازم لشبكة مخفضة تماما من الكربون.

التكلفة والقابلية للرؤية الاقتصادية

وفي حين انخفضت تكاليف بطارية الليثيوم -يون انخفاضاً كبيراً، فإن تكاليف رأس المال الأولية لا تزال مرتفعة بالنسبة للعديد من التطبيقات، ولا سيما التخزين الطويل الأجل، وتتفاوت التكلفة المخفضة للتخزين على نطاق واسع حسب التكنولوجيا وحالة الاستخدام، وبالنسبة للعديد من خدمات الشبكة، يجب أن يتنافس التخزين مع أجهزة ذروة الوقود الأحفوري التي لها تكاليف وقود منخفضة (غاز طبيعي) ولكن الانبعاثات المرتفعة، كما أن عدم وجود هياكل سوقية واضحة تقدر إلى حد بعيد الفوائد المتعددة من التخزين - 8 - 41 يمكن أن يعوق الاستثمار.

العمر، التحلل، السلامة

وتتدهور البطاريات بمرور الوقت ومع التدوير، مما يؤثر على قدرتها وعمرها، إذ أن نظم الليثيوم تدوم عادة 10-15 سنة، وعندها يجب استبدالها أو إعادة استخدامها، وقد أفيد عن شواغل تتعلق بالسلامة، مثل المجرى الحراري والحرائق، في بعض المنشآت، مما يؤدي إلى وضع أنظمة وشروط تأمين أكثر صرامة، ومع ذلك فإن إعادة التدوير وإدارة الهرم لا تزال تواجه صناعات غير ناضجة (20 عاما متناميا).

المسائل البيئية ومسائل الموارد

وتنجم عن التعدين في الليثيوم والكوبالت وغيرها من المعادن الحيوية آثار بيئية واجتماعية، وتثير الشواغل الجيوسياسية بشأن سلاسل الإمداد استثمارات في التعدين المحلي والكيمياء البديلة، ويمكن أن تغير الهيدروجين المأهولة و CAES المعالم والنظم الإيكولوجية، غير أن تقييمات دورة الحياة تبين عموما أن للتخزين آثار بيئية أقل بكثير من البدائل التي تستخدم الوقود الأحفوري، لا سيما عندما تكون الطاقة المتجددة، وتحسين إعادة تدوير البطاريات وتطوير المواد المستدامة هي مجالات بحث نشطة.

الهيكل التنظيمي والأسواق

ولم تصمم أسواق كهرباء كثيرة في الاعتبار، وقد تصنف أصول التخزين على أنها توليد أو نقل أو شيء آخر، مما يؤدي إلى عدم اليقين التنظيمي، ويمكن أن تكون عمليات الترابط طويلة ومكلفة، ولا يزال التخزين محظورا في بعض المناطق على توفير بعض الخدمات أو يواجه شحنات مزدوجة للكهرباء المستخدمة والمخزنة، ويعمل صانعو السياسات على إزالة هذه الحواجز، ولكن التقدم المحرز غير منتظم على الصعيد العالمي.

مستقبل تخزين الطاقة: الاتجاهات والتوقعات

وتتطور صناعة تخزين الطاقة بوتيرة سريعة للتنفس، وستشكل اتجاهات عديدة مسارها خلال العقد المقبل.

التطوير الطويل الأجل للتخزين

ونظرا لأن التغلغل المتجدد يتجاوز ٥٠-٦٠ في المائة في بعض الشبكات، فإن الحاجة إلى التخزين الذي يمكن أن يُصرف لمدة ١٠ أو ١٠٠ أو حتى ٠٠٠ ١ ساعة تصبح حاسمة، وترمي إدارة تخزين الطاقة الطويلة الأجل التابعة للولايات المتحدة إلى تخفيض التكاليف إلى ٠,٠٥ دولار كهرومغناطيسي للتخزين لمدة تتجاوز ١٠ ساعات، كما يمكن أن تحل تكنولوجيات مثل بطاريات التدفق وبطاريات الحديد )مثل الطاقة الاستيعابية( وكمية الخضراء.

التكوين الرقمي والتكامل الذكي

وتُستفد البرامجيات المتقدمة والاستخبارات الاصطناعية والآويت إلى أقصى حد عندما تُشحن وتُخزّن من أجل تحقيق أقصى قدر من القيمة، كما أن التوأم الرقمي والمحللين التنبؤين يحسنان إدارة دورة الحياة، ويستخدم المشغلون المزروعون في استخدام أصول التخزين كجزء من محطات توليد الطاقة الافتراضية ونظم الطاقة التفاعلية، كما أن ارتفاع المركبات الكهربائية يؤدي إلى إنشاء أسطول تخزين واسع النطاق يمكن استغلاله لخدمة الشبكة عن طريق المركبات (V2G).

رأس المال من السياسات والاستثمار

وتضع الحكومات في جميع أنحاء العالم أهدافا طموحة للتخزين وتقدم حوافز، وتستدعي خطة الاتحاد الأوروبي المتعلقة بإعادة نشر كميات كبيرة من التخزين، وفي الولايات المتحدة، يتضمن قانون تخفيض التضخم ائتمانات ضريبية للاستثمار في تخزين الوحدويين (التي كانت متاحة سابقا فقط بالاقتران مع الطاقة الشمسية)، وتقود الصين في كل من الصناعة التحويلية والنشر، ويتدفق الاستثمار الخاص إلى مخازن ومصانع خامات.

التكامل مع القطاعات الأخرى

فالجمع بين القطاعات لا يطمس الخطوط بين الكهرباء والحرارة والنقل، وسيمكن التخزين من كهربة التدفئة والنقل بسلاسة ذروة الطلب واستيعاب الجيل المتجدد الزائد، مثلا، يمكن لنظم الطاقة الكهربائية إلى الماء أن تخزن فائض الطاقة الريحية كمياه ساخنة في شبكات تدفئة المناطق، وبالمثل فإن الكهرباء لإنتاج الهيدروجين يمكن أن تعمل كعبء مرن يرتفع فيه الكهرباء بطريقة أخرى.

الخلاصة: تخزين الطاقة كقاعدة خلفية من الجريم النظيف

فخزن الطاقة ليس مجرد ميسر للطاقة المتجددة، بل هو حجر الزاوية لنظام طاقة مستدام يمكن الاعتماد عليه، ويحتمل تحمله، ومن الموازنة بين تقلبات دقيقة إلى دقيقة إلى الطاقة المتغيرة عبر المواسم، فإن التخزين يكشف عن كامل إمكانات الرياح والطاقة الشمسية، وفي حين أن التحديات لا تزال قائمة، فإن سرعة وتيرة الابتكار وتكاليف الهبوط تجعل من التخزين استثماراً جذاباً بصورة متزايدة للمرافق والأعمال التجارية والمالكين في المنازل على حد سواء.

For further reading on this topic, explore the U.S. Department of Energy’s Energy Storage Program], the ]IEA’s grid-scale storage analysis], and the National Renewable Energy Laboratory’s research on storage integration