كيفية تخزين الطاقة المتجددة وأهميتها المستقبلية

لم يكن تخزين الطاقة المتجددة إجراءً مُتبعاً بسبب التكلفة الباهظة، حيث كانت تكتفي الدول ببناء المزيد من محطات الطاقة العاملة على حرق الوقود الأحفوري من أجل تلبية الطلب المتزايد على الطاقة، ولكن أدى في الوقت ذاته إلى ظهور مشاكل بيئية نتيجة حرق كمياتٍ كبيرةٍ منه، وطرح مفهوم في تخزين الطاقة كتقنية تمكينية لمعالجة مشكلة الطلب المتزايد على الطاقة بسبب التزايد السكاني، وحل مجدي في الحد من مشكلة التلوث البيئي.

نناقش في هذا المقال مفهوم تخزين الطاقة وانعكاساته العديدة على المجتمع، إضافة إلى أشهر طرق تخزين الطاقة وأهم تطبيقاته. فإن كنت مهتماً بهذا الموضوع وتبحث عن معلوماتٍ واسعة في هذا الشأن فهذا المقال موجَه إليك. 

Energy Storage تخزين الطاقة

يشير مصطلح تخزين الطاقة إلى تجميع الطاقة المنتجَة في وقتٍ واحدٍ لاستخدامها لاحقاً في الأوقات التي تعاني تقلّبات في معدلات الطلب على الطاقة، أو نقصاً في إنتاجها باستخدام البطاريات أو بطاريات تخزينية قابلة للشحن

عند تخزين الطاقة، تُحوَّل الطاقة من أشكال صعبة التخزين إلى أشكال أكثر ملائمة وقابلة للتخزين بفتراتٍ تخزينيةٍ تقصر أو تطول حسب التقنيات المستخدة في عملية التخزين..

تاريخ تخزين الطاقة

عُرف مفهوم تخزين الطاقة منذ القديم مع انتشار الطاقة الكهرومائية التي تعمل بمبدأ تخزين الطاقة الميكانيكية، ثم تحويلها إلى طاقة كهربائية عبر السدود الضخمة التي كانت تعد مواقع رئيسية لتخزين الطاقة.

ثم جاء القرن العشرين الذي اعتمد في توليد الطاقة الكهربائية بالدرجة الأولى على حرق الوقود الأحفوري الذي نتج عنه مشاكل بيئية عديدة أهمها تلوث الهواء وظاهرة الاحتباس الحراري والتوافر الطاقي.

دفعت هذه المشكلات العديد من الدول حول العالم إلى التحوُّل إلى مصادر الطاقة المتجددة مثل طاقة الشمس وطاقة الرياح التي تتسم بالاستدامة، ولكن بعدم الثبات والاستقرارية، ما أدى إلى تزايد الاهتمام بتخزين الطاقات المتولدة عنها لاستخدامها حسب الحاجة.

فوائد تخزين الطاقة

توجهت الأنظار إلى تخزين الطاقات ولا سيما المتولذة عن مصادر الطاقة المتجددة على اعتباره خطوة فعالة في مواجهة أزمة الطاقة في العالم، علماً أن تخزين الطاقة هو العامل الأساسي في عملية التحول الطاقي من الوقود الأحفوري إلى مصادر الطاقات المتجددة الذي اتبعته معظم الدول الأوروبية.

نلخص في هذه الفقرة أهم فوائد التي يحققها تخزين الطاقة.

1- توفير المال

على الرغم من التكلفة الأولية المرتفعة لتركيب الالواح الشمسية على أسطح المنازل، إلا أن الاعتماد عليها في تزويد المنازل أو الشركات بالكهرباء يعود بقدر كبير من التوفير في فواتير الكهرباء على المدى الطويل.

من ناحية أخرى، يساعد تخزين الطاقة الشركات في تفادي حالات انقطاع الكهرباء التي قد تتسبب في أضرار كبيرة للعمل والسماح لها بمواصلة العمل وبالتالي توفير أي نفقات مترتبة على الانقطاعات المفاجئة للكهرباء.

2- تحسين الموثوقية والمرونة

يوفّر تخزين الطاقة طاقةً احتياطيةً تُستخدم في وقت الحاجة لحل المشكلات الناتجة عن انقطاع الكهرباء المفاجئ، ما يعني مرونة وثقة أكبر في الشبكة الكهربائية.

3- الحدّ من الآثار البيئية

يساهم تخزين الطاقة في زيادة كفاءة محطات الطاقة وتوليد الكهرباء وتحسُّن أدائها، لا سيما في  التحكُّم بنسبة انبعاثات غازات الدفيئة GreenHouse Gas في الجو.

من ناحية أخرى، يُغني ارتفاع كفاءة محطات الطاقة عن بناء محطات توليد طاقة إضافية لتوليد الكهرباء عبر حرق الوقود الأحفوري وإطلاق كميات كبيرة من الملوثات. ويزيد من فرص الاستفادة من مصادر الطاقات المتجددة كالرياح والشمس بكفاءة أكبر إلى جانب الوقود الأحفوري، ثم تُحوِّل هذا المزيج الطاقي بصورة تدريجية إلى مصادر أكثر نقاوة بنسب قليلة أو صفرية من أي مصادر كربونية ملوثة للبيئة.

4- دمج الطاقات المتجددة

تعد تقنية تخزين الطاقة تقنية فعالة في تحقيق التحول الطاقي الكامل للطاقات المتجددة؛ لكونها تسمح لمحطات الطاقة أن تُدخل الطاقات المتجددة بشكل أفضل وكفاءة أكبر.

لكن كلما زاد عدد محطات الطاقات المتجددة، ازدادت الحاجة إلى تحقيق التوازن بين معدلات إنتاجيتها من الطاقة وكميات الطلب على الكهرباء؛ الأمر الذي يحققه تخزين الطاقة من خلال جعل الطاقات المتجددة قابلة للنشر نتيجة الربط بين المرارد المتجددة وتقنية التخزين. 

تطبيقات تخزين الطاقة

تتعدّد استخدامات الطاقة المُخزّنة، ويمكن أن نلخّصها في الاستخدامات التالية:

1- منازل

يساعد تخزين الطاقة في حل مشكلة الطلب المتزايد على الطاقة المنزلية والمؤسساتية، حيث أنها تعالج مشكلة الانقطاعات الكهربائية المتكررة وترفع درجة الموثوقية والمرونة في الشبكة الكهربائية العامة.

من أجل تحقيق الغرض، تنتج العديد من الشركات بطاريات تخزين للطاقة قابلة لإعادة الشحن بغرض تخزين فائض الطاقة المتولدة من المصادر المتجددة ولا سيما الألواح الشمسية شايعة الاستخدام في المنازل والمؤسسات.

2- الشبكة الكهربائية

تعدّ السدود الكهرومائية المصدر الأول والمخزن الأكبر للطاقة المتجددة؛ ولأن السد الكهرومائيّ لا يخزّن الطاقة مباشرة من مصادر غير مستقرة، فإنه يوازن الشبكة عن طريق خفض إنتاجه والاحتفاظ بمياهه عند توليد الطاقة بواسطة الطاقة الشمسية أو الرياح.

3- تكييف الهواء

يمكن استخدام تقنية تخزين الطاقة الحرارية في تكييف الهواء، مع تصدر أنظمة تكييف الهواء التجارية الحصة الأكبر في ذروة الأحمال الكهربائية. ففي عام 2009 استُخدم التخزين الحراري في أكثر من 3300 مبنى في أكثر من 35 دولة.

4- النقل

يُشاع استخدام الوقود الهيدروكربوني السائل في وسائل النقل، ولأن الإمداد المستمرّ بالكهرباء المتولدة عن الطاقة المتجددة يشكّل تحدياً، لذلك تُستخدم النظم الكهروضوئية المثبَّتة على أسطح المباني؛ لتشغيل شبكات النقل العام خلال الفترات التي يزداد فيها الطلب على الكهرباء. 

تطور قطاع تخزين الطاقة

 بدأ قطاع الطاقات المتجددة بأسعار باهظة للتقنيات المٌُستخدمة في توليد الطاقة منها مثل الشمس والرياح، ولم يُنظر إلى أي منها على اعتبار كونها حلولاً عمليةً على نطاقٍ واسعٍ. أما اليوم، أصبحت الطاقات المتجددة ذات قدرة تنافسية عالية لبدائل الفحم والغاز التقليدية.

ثم بسبب انخفاض الأسعار، وتشجيع الحكومات، والتقلبات المناخية، بدأ التوجه إلى تخزين الطاقة المتولدة عن الموارد المتجددة بالانتشار، ولا سيما مع وجود توقعات بتصدر استخدامها على المستوى العالمي مقارنة بالوقود الأحفوري بحلول عام 2024، وازدياد الطلب على الكهرباء مع ظهور المركبات الكهربائية واحتمال أن تحل محل السيارات العاملة على الوقود الأحفوري.

طرق تخزين الطاقة المتجددة

تُبذل جهودٌ حثيثةٌ في سبيل إيجاد طرق لتخزين الطاقة الفائضة المُستخرجة من مصادر الطاقة المتجددة التي تتسم بعدم الانتظام والاستقرار.

 فيما يلي أفضل 6  طرق معتمدة لتخزين الطاقة:

1- تخزين الطاقة باستخدام البطاريات

تعد البطاريات الطريقة الأكثر شيوعا في تخزين الطاقة وتحتل بطاريات الليثيوم أيون الصدارة حيث تُستخدم بنسبة 90% من تخزين الطاقة بالبطاريات على شبكة الكهرباء العالمية وفقاُ لمعهد دراسات البيئة والطاقة في واشنطن.

في بطاريات الليثيون أيون، يخزن الليثيوم في القطبين الكهربائيين (الأنود والكاثود) ثم يحمل الإلكتروليت أيونات الليثيوم موجبة الشحن. من قطب الأنود باتجاه قطب الكاثود، وتتراوح كفاءة بطاريات الليثيون أيون بين 85% و 90% حسب تقرير عن مجلس الطاقة العالمي لعام 2020، يعاب عليها أنها تفقد كفاءتها بمرور الوقت على الرغم من تكلفة تصنيعها الباهظة .

تعتمد هذه الطريقة في تخزينها للطاقة ثم توليد الكهرباء على الخطوات التالية

• توصيل القطب السالب البطارية بقطب كهربائي (الأنود)
• توصيل القطب الموجب البطارية بقطب كهربائي (الكاثود)
• توليد تيار كهربائي من التفاعل الكيميائي بين الإلكتروليت (مادة سائلة من الأيونات المسحونة كهربائيا داخل البطارية) مع مواد الاقطاب الكهربائية.

2- تخزين الطاقة المائية بتقنية الضخ

تعتمد هذه التقنية على خزانين للمياه  لغرض تخزين الطاقة. تُستخدم الطاقة الفائضة في ضخ المياه من الخزان السفلي إلى العلوي، ولكن عند الحاجة إلى الكهزباء، تُطلق المياه من الخزان العلوي باتجاه الخزان السفلي عبر التوربينات المسؤولية عن توليد الكهرباء. تبلغ كفاءة تخزين الطاقة المائية بين 75% و 85% بحسب تقرير مجلس الطاقة العالمي لعام 2022

3- تخزين الطاقة الحرارية بتقنية الضخّ

تتمثل هذه التقنية باستخدام الكهرباء المتولدة من مصادر الطاقة المتجددة لغرض تسخين مواد مثل الحصى ثم الاحتفاظ بدرجة الحرارة الناتجة داخل خزان معزول لاستخدامها لاحقاُ في توليد الكهرباء عند الحاجة. تتراوح مدى كفاءة هذه التقنية بين 50  و 70%

4- تخزين الطاقة بقوة الجاذبية

تسمح هذه الطريقة بتخزين كميات ضخمة غير مسبوقة من الطاقة على مدى وقت طويل بين 6-_14 ساعة قابلة للتجديد. تعتمد على مبدأ رفع كتلة صخرية ضخمة هيدروليكياً، ثم ضخ الماء تحت مكبس صخري قابل للتحرك باستخدام مضخ كهربائي بهدف رفع الكتلة الصخرية.

في أوقات عدم توليد الطاقات المتجددة بشكل كافي، يُرسل الماء الموجود تحت ضغط مرتفع بسب الكتلة الصخرية إلى توربين من أجل توليد الكهرباء باستخدام مولدات.

5- تخزين الطاقة بالهواء المضغوط

في هذه التقنية، يجُمع الهواء من الغلاف الجوي باستخدام ضواغط كهربائية، ثم يُخزّن على شكل هواء مضغوط في أسطوانات معدنية أو في كهوف للمياه الجوفية المالحة أو الصخرية غير الصالحة للشرب في باطن الأرض حيث يحل الهواء المضغوط محل المياه الجوفية. عند الحاجة للطاقة، يُستخدم ضغط الهواء المُخزن في تشغيل مولذات الطاقة الكهربائية.

 تبلغ كفاءة النظام بين 70 و 80% وفقا لمجلس الطاقة العالمي. يتوزّع أهم مركزين لتخزين الطاقة الهوائية المضغوطة في هونتورف بألمانيا الذي تأسس في عام 197،  وفي ألاباما منذ عام 1991.

6- تخزين الهيدروجين

هي واحدة من أشكال تخزين الطاقة الكيماوية؛ تعتمد هذه الاستراتيجية على مبدأ  تحويل الكهرباء إلى هيدروجين عبر عملية تسمى التحليل الكهربائي، بغرض تحليل الماء إلى عناصره الهيدروجين والأكسجين، ثم يُخزّن الهيدروجين لاستخدامه كوقود في توليد الكهرباء أو تشغيل مركبات الهيدروجين.

تتراوح كفاءة هذه التقنية في تخزين الطاقة بين 35٪ و 55٪ وفقًا لتقرير مجلس الطاقة العالمي لعام 2020. ولكن خلايا وقود الهيدروجين مكلفة جداً، لأنها تتطلب معادن باهظة الثمن مثل البلاتين.

مستقبل تخزين الطاقة

مع عدم ثبات مصادر الطاقة المتجددة كالرياح والشمس، يتركز اهتمام الشركات مثل Gravitricity على قوة الجاذبية في توليد الطاقة وتخزينها. إلى جانب ذلك، تسعى الشركات إلى امتلاك القدرة والمرونة في تحويل الطاقة من شكل إلى آخر بسهولة ويسر حسب الحاجة والطلب. على سبيل المثال، تحويل الكهرباء إلى هيدروجين أخضر عن طريق التحليل الكهربائيّ أو الهيدروجين إلى كهرباء في خلايا الوقود أو توربينات الاحتراق

تعلم الدول الدور الرئيسي لتخزين الطاقة في مقاومة التغيرات المناخية وفي التحول العالمي باتجاه محطات الطاقة المعتمدة على المصادر المتجددة للوصول في النهاية إلى توليد كهرباء صفرية الانبعاثات الكربونية. حيث أن تخزين الطاقة يساعد في الحفاظ على المنظومات الكهربائية في حالة ثبات وتوازن رغم التقلب في توافر المصادر المتجددة، وبالتالي الحفاظ على صفرية الانبعاثات الكربونية بتكلفة معقولة بالإضافة إلى الثقة في تلبية الحاجة من الكهرباء.

من ناحية أخرى، من المتوقع أن تشهد البطاريات خلال السنوات القليلة القادمة كتقنية تخزينية للطاقة نمواً كبيراً في السوق، وتكون بوابة لحلول فعالة فيما يتعلق بمسألة تخزين الطاقة المتولدة من المصادر المتجددة على مستوى المحطات.

ختاماً، يعدّ تخزين الطاقة المتجددة خطوةً أساسيةً في  تقليل الاعتماد على الوقود الأحفوري، مثل النفط والفحم الذي يُنتج ثاني أكسيد الكربون وغازات الدفيئة الأخرى التي تسبّب تغيرات في المناخ، وتتوجه الدول إلى التحول الطاقيّ على مصادر الطاقة البديلة إضافة إلى تخزين الطاقة المتولدة عنها لاستخدامها وقت الحاجة. ما رأيك بهذه الخطوة وهل تجد تخزين الطاقة المتولدة عن المصادر المتجددة حلاً مجدياً للطلب المتزايد على الطاقة حول العالم؟