بطارية الجاذبية

بطارية الجاذبية هي نوع من أجهزة تخزين الطاقة التي تخزن طاقة الجاذبية - وهي طاقة الوضع التي تُعطى لجسم ما عندما يتم رفعه ضد قوة الجاذبية .

في أحد التطبيقات الشائعة، عندما توفر مصادر الطاقة المتجددة ، كالرياح والطاقة الشمسية، طاقةً تفوق الحاجة الفورية، تُستخدم الطاقة الفائضة لرفع كتلة ما عكس قوة الجاذبية لتوليد طاقة وضع جاذبية. وعندما يحتاج المستهلكون لاحقًا إلى طاقة تفوق قدرة المصادر على توفيرها، تُخفض الكتلة لتحويل طاقة الوضع إلى كهرباء باستخدام مولد كهربائي . ورغم إمكانية استخدام كتل صلبة ككتل الخرسانة، إلا أن توليد الطاقة الكهرومائية بالتخزين الضخّي ، وهو الأكثر شيوعًا، يعتمد على ضخ المياه إلى ارتفاعات أعلى ثم توجيهها عبر توربينات مائية لتوليد الكهرباء. ^{[ 1 ]}

من التطبيقات القديمة والبسيطة ساعة البندول التي تعمل بثقل، حيث  يمكن لوزن 1 كجم وحركة 1 متر أن تخزن ما يقارب 10 نيوتن متر، أو ما يعادل 10 جول ، أو 10 واط ثانية، أو 1/360 من واط ساعة. للمقارنة، يمكن لبطارية ليثيوم أيون نموذجية من نوع 18650 ^{[ 2 ]} أن تخزن حوالي 7 واط ساعة، أي ما يعادل 2500 ضعف الطاقة بوزن 1/20 من وزن البطارية.  يحتاج إنسان وزنه 100 كجم إلى صعود درج مكون من عشرة طوابق (25 مترًا) ليعادل وزن خلية البطارية الصغيرة. أما كينغ كونغ الذي يزن 10 أطنان ويتسلق مبنى ارتفاعه 250 مترًا ثم يسقط، فيعادل وزنه 7 كيلوواط ساعة من طاقة بطارية الجاذبية ، وهو حجم بطارية دراجة نارية كهربائية صغيرة، أو بطارية تخزين الطاقة المنزلية من الجيل الأول من تسلا باور وول .

إن استخدام وزن بحجم حافلة ^{[ 3 ]} مصنوع من خردة الحديد ، يزن 700 طن، يتم إنزاله في بئر منجم بعمق 1000 متر ، سيوفر 1900 كيلوواط ساعة، ولكن بسعر يزيد عن 100 دولار أمريكي ^{[ 4 ]} للطن الواحد من خردة الحديد، سيكلف 70000 دولار أمريكي، وهو مبلغ يكفي في عام 2023 لشراء أكثر من 500 كيلوواط ساعة من بطاريات الليثيوم أيون بسعر 139 دولارًا أمريكيًا للكيلوواط ساعة. ^{[ 5 ]}

لتحدي البطاريات الكيميائية على كوكب الأرض، حيث تبلغ قيمة التسارع الأرضي حوالي 9.8  م/ث²، واختلافات الارتفاع محدودة بارتفاع الجبال أو قيعان المحيطات، لا يمكن زيادة سوى الكتلة، وذلك باستخدام المياه في بحيرتين على الأقل لتوليد الطاقة الكهرومائية بالتخزين الضخّي . على سبيل المثال، يمكن تخزين ما يصل إلى 4 جيجاوات ساعة من الطاقة في محطة ماركرسباخ في ألمانيا، والتي تعمل منذ عام 1979، باستخدام خزانين مائيين بسعة تزيد عن 6 ملايين متر مكعب (6 ملايين طن من الكتلة) مع فرق ارتفاع ( ضغط هيدروليكي ) يبلغ 288  مترًا (945  قدمًا). تستطيع التوربينات ضخ أو توليد طاقة تصل إلى 1045 ميجاوات لعدة ساعات، وعادةً ما تُكمل دورتين كاملتين من الضخ والتوليد خلال 24 ساعة. في ألمانيا، اعتبارًا من يونيو 2024، يمكن للتخزين الضخّي استيعاب طاقة إجمالية تبلغ 39 جيجاوات ساعة ^{[ 6 ]،} بينما تبلغ سعة تخزين البطاريات أكثر من 14 جيجاوات ساعة، مع قدرة مركّبة ^{[ 7 ]} تقل قليلاً عن 10 جيجاوات لكل منهما. تُقدّر سعة السيارات الكهربائية التي تعمل بالبطاريات في ألمانيا، والبالغ عددها 1.4 مليون سيارة، بحوالي 102 جيجاواط/ساعة ^{[ 8 ]} اعتبارًا من يونيو 2024؛ ولا يُمكن إلا لعدد قليل منها إعادة الطاقة إلى المنازل أو شبكة الكهرباء. قبل خمس سنوات من افتتاح محطة ماركرسباخ، بدأ العمل في محطة دينورفيغ لتخزين الطاقة بالضخ في سنودونيا (إيري) بشمال ويلز. افتُتحت المحطة عام 1984، باستخدام محجر مهجور كخزان، وبآلات داخل جبل. تبلغ سعة تخزينها حوالي 9.1 جيجاواط/ساعة (33 تيرا جول)، ويمكنها توفير طاقة قصوى تبلغ 1728 ميجاواط. تُوصف بأنها أكبر محطة لتخزين الطاقة بالضخ في أوروبا. ^{[ 9 ]} سبق تطوير محطة دينورفيغ افتتاح محطة فيستينيوج الأصغر حجمًا عام 1963 ، بسعة 1.44 جيجاواط/ساعة، وقدرة إنتاج قصوى تبلغ 360 ميجاواط.

كانت ساعة البندول ، التي اخترعها كريستيان هويغنز عام 1656، أقدم شكل من أشكال الأجهزة التي تستخدم الجاذبية لتشغيل الحركة الميكانيكية. كانت الساعة تعمل بقوة الجاذبية باستخدام آلية ميزان ، مما يجعل البندول يتحرك ذهابًا وإيابًا. ومنذ ذلك الحين، تطورت بطاريات الجاذبية إلى أنظمة تستطيع استغلال قوة الجاذبية وتحويلها إلى كهرباء لتخزين الطاقة على نطاق واسع.

طُوّر أول نظام لتخزين الطاقة الكهرومائية بالضخّ الجاذبي في سويسرا عام 1907. وفي عام 1930، وصلت تقنية تخزين الطاقة بالضخّ إلى الولايات المتحدة الأمريكية عبر شركة كونيتيكت للكهرباء والطاقة. وبحلول عام 2019، بلغ إجمالي القدرة العالمية لتخزين الطاقة الكهرومائية بالضخّ 168 جيجاواط. ^{[ 10 ]} تمتلك الولايات المتحدة قدرة 23 جيجاواط من هذه التقنية، ما يُمثّل نحو 2% من نظام إمداد الطاقة و95% من تخزين الطاقة على نطاق المرافق في الولايات المتحدة. وتُعدّ الكهرباء المُخزّنة بالضخّ الجاذبي حاليًا أكبر أشكال تخزين الطاقة في الشبكة الكهربائية على مستوى العالم. ^{[ 11 ] [ 12 ] [ 13 ] [ 14 ]}

في عام 2012، قام مارتن ريديفورد وجيم ريفز بتطوير أول نموذج أولي عامل لـ GravityLight ، وهي بطارية جاذبية صغيرة الحجم متوفرة الآن تجاريًا في بعض البلدان. ^{​​[ 15 ]}

شركة "إنرجي فولت" ، وهي شركة سويسرية تأسست عام 2017، تخزن الكهرباء باستخدام رافعة ترفع وتخفض كتلًا خرسانية. ^{[ 16 ] [ 17 ] [ 18 ]} في أواخر عام 2020، استخدم نموذج أولي تم بناؤه في أربيدو-كاستيون ست رافعات على برج بارتفاع 110 أمتار لنقل كتل خرسانية تزن 35 طنًا بسعة 80 ميغاواط ساعة. ^{[ 19 ] [ 20 ]} في مايو 2024، قامت شركة "تشاينا تيانيينغ" (CNTY) بتشغيل نظام تخزين الطاقة بالجاذبية "رودونغ إي في إكس" (GESS) بقدرة 25 ميغاواط/100 ميغاواط ساعة، والواقع في مقاطعة رودونغ (عند الإحداثيات 32.526 شمالًا و121.091 شرقًا). ^{[ 21 ]} من جهة أخرى، في سبتمبر 2025، تعاقدت شركة Energy Vault Holdings على توريد 3 جيجاوات ساعة من أنظمة تخزين طاقة البطاريات (BESS) من شركة REPT BATTERO Energy Co Ltd الصينية المصنعة لبطاريات الليثيوم أيون لمشاريع في الولايات المتحدة. ^{[ 22 ]}

قامت شركة Gravitricity، التي أسسها بيتر فرانكل في عام 2011 ، ببناء نموذج أولي لبطارية جاذبية بطول 15 متراً وبقدرة 250 كيلوواط بالقرب من إدنبرة ، اسكتلندا، والتي بدأت عمليات التشغيل التجريبية والربط بالشبكة في أبريل 2021. ^{[ 23 ] [ 24 ] [ 25 ]}

قد تختلف بطاريات الجاذبية في تصميمها وبنيتها، لكنها جميعًا تستخدم نفس خصائص الفيزياء لتوليد الطاقة. طاقة الوضع التثاقلية هي الشغل اللازم لتحريك جسم في الاتجاه المعاكس لجاذبية الأرض ، ويُعبر عنها بالمعادلة التالية:

${\displaystyle U=mgh}$

أين${\displaystyle U}$هي طاقة الوضع التثاقلية،${\displaystyle m}$كتلة الجسم،${\displaystyle g}$يمثل التسارع الناتج عن الجاذبية الأرضية (9.8  م/ث² ^على سطح الأرض)، و${\displaystyle h}$يمثل ارتفاع الجسم. باستخدام مبدأ الشغل والطاقة ، يمكن التعبير عن إجمالي كمية الطاقة المتولدة بالمعادلة التالية:

${\displaystyle \Delta E=mg(h_{1}-h_{2})}$

أين${\displaystyle E}$وهي إجمالي كمية الطاقة المتولدة و${\displaystyle h_{1}}$و${\displaystyle h_{2}}$يمثل الارتفاعان الابتدائي والنهائي للجسم. يرتبط تغير الطاقة ارتباطًا مباشرًا بالإزاحة الرأسية للكتلة؛ فكلما ارتفعت الكتلة، زادت طاقة الوضع التثاقلية المخزنة. كما يرتبط تغير الطاقة ارتباطًا مباشرًا بكتلة الجسم؛ فكلما زادت الكتلة، زاد تغير الطاقة.

على سبيل المثال، يجب رفع وزن كتلته 1000  كجم ( طن متري واحد ) إلى ارتفاع حوالي 367 مترًا (1200 قدم) لتخزين طاقة 1 كيلوواط ساعة .    

في بطارية الجاذبية، تُرفع كتلة لتوليد طاقة وضع جاذبية تُحوّل إلى كهرباء. تخزن بطاريات الجاذبية طاقة الوضع الجاذبية برفع كتلة إلى ارتفاع معين باستخدام مضخة أو رافعة أو محرك. بعد رفع الكتلة، تُخزّن طاقة وضع جاذبية معينة بناءً على كتلتها وارتفاع رفعها. ثم تُحوّل طاقة الوضع الجاذبية المخزنة إلى كهرباء. تُخفض الكتلة لتسقط عائدةً إلى ارتفاعها الأصلي، مما يؤدي إلى دوران مولد كهربائي وتوليد الكهرباء.

تختلف تكلفة بطاريات الجاذبية باختلاف تصميمها.

تبلغ تكلفة تشغيل محطات الطاقة الكهرومائية المخزنة بالضخ 165 دولارًا أمريكيًا لكل ميغاواط/ساعة، مع تكلفة تخزين مُعدّلة (LCOS) تبلغ 0.17 دولارًا أمريكيًا لكل كيلوواط/ساعة. ^{[ 39 ] [ 40 ]} وتعمل المضخات والتوربينات في أنظمة الطاقة الكهرومائية المخزنة بالضخ بكفاءة تصل إلى 90%. ^{[ 41 ]}

من المتوقع أن تبلغ تكلفة النموذج التجريبي لشركة Gravitricity بقدرة 250  كيلوواط 1.25 مليون دولار، مع وعد بعمر افتراضي يصل إلى 50 عامًا وكفاءة تتراوح بين 80 و90%. وقد أظهرت مراجعة مقارنة أجريت عام 2018 للمشروع نتائج إيجابية نظرًا لعمره الافتراضي الطويل ونسبة الطاقة إلى التكلفة. ^{[ 42 ]}

يمكن لبطاريات الجاذبية أن تجعل الطاقة الشمسية وطاقة الرياح أكثر جدوى، حيث يمكنها تخزين الطاقة الزائدة التي تنتجها خلال ساعات الذروة وتوزيعها لاحقًا عند الحاجة. ^{[ 30 ] [ 43 ]}

صُممت بطاريات الجاذبية لتُستخدم مع حلول الطاقة المتجددة التي تتغير مصادرها (كالشمس والرياح وغيرها) باستمرار ولا تتوافق بالضرورة مع الطلب. ويُؤمل أن تكون تكلفتها على المدى الطويل أقل من تكلفة البطاريات الكيميائية، وأن تُسبب مشاكل بيئية أقل من حلول التخزين التقليدية الأخرى، مثل تخزين المياه بالضخ. ومن المتوقع أن تتمكن أنظمة بطاريات الجاذبية من توفير الطاقة بسرعة خلال فترات ذروة الاستهلاك، مما قد يسمح لها بتكملة أو استبدال محطات توليد الطاقة التي تعمل بالوقود الأحفوري . ومن المتوقع أن تتمكن أنظمة الأوزان الفردية من توليد الطاقة الكاملة في أقل من ثانية. ^{[ 23 ]}

من بين طرق تخزين الطاقة طويلة الأمد منخفضة الكربون، تُعدّ الطاقة الكهرومائية المُخزّنة بالضخ الأقل تكلفةً حاليًا، مع أنه من المتوقع أن تتجاوزها بطاريات الليثيوم أيون في المستقبل. ^{[ 44 ] : 38} وتُعتبر الطاقة الكهرومائية المُخزّنة بالضخ، وغيرها من طرق التخزين طويلة الأمد، ذات مخاطر بيئية وأمنية منخفضة مقارنةً بتقنية البطاريات، حيث يُعدّ العامل الجيولوجي العامل المُحدِّد الوحيد. ^{[ 44 ] : 45-47}

من عام 1870 إلى عام 1930، ^{[ 45 ]} استُخدم مصطلح "بطارية الجاذبية" لوصف مجموعة من أنواع البطاريات الشائعة التي استُخدمت فيها الجاذبية للحفاظ على المكونات الكيميائية منفصلة بناءً على كثافاتها. ^{[ 46 ]}

• تخزين الطاقة بواسطة دولاب الموازنة
• تخزين الطاقة في الشبكة
• الطاقة الكهرومائية المخزنة بالضخ