تخزين الطاقة في الشبكة

تُعد بطاريات الليثيوم أيون أكثر أنواع البطاريات استخدامًا في تطبيقات الشبكة الكهربائية، وذلك اعتبارًا من عام 2024.بعد تطبيق البطاريات في المركبات الكهربائية، أصبحت بطاريات الشبكة الكهربائية تتطلب كثافة طاقة أقل مقارنةً بالمركبات الكهربائية ، مما يسمح بالتركيز بشكل أكبر على التكاليف، وإمكانية الشحن والتفريغ المتكرر، والعمر الافتراضي. وقد أدى ذلك إلى التحول نحو بطاريات فوسفات الحديد الليثيوم (بطاريات LFP)، التي تُعد أرخص وأطول عمراً من بطاريات الليثيوم أيون التقليدية. ^{[ 17 ]}

تتراجع تكاليف البطاريات بسرعة؛ فقد انخفضت بنسبة 90% بين عامي 2010 و2023. ^{[ 18 ]} اعتبارًا من عام 2024تُشكّل أنظمة المرافق واسعة النطاق ثلثي السعة المضافة، بينما تُشكّل التطبيقات المنزلية (خلف العداد) الثلث المتبقي. ^{[ 19 ]} تُعدّ بطاريات الليثيوم أيون مناسبة جدًا للتخزين قصير المدى (أقل من 8 ساعات) نظرًا لتكلفتها المنخفضة وتدهورها المرتبط بحالات الشحن العالية . ^{[ 20 ]}

المركبات الكهربائية

تتمتع أساطيل المركبات الكهربائية بسعة بطاريات إجمالية كبيرة، يمكن استخدامها لتخزين الطاقة في الشبكة الكهربائية. ويمكن تحقيق ذلك من خلال تقنية "المركبة إلى الشبكة" (V2G)، حيث تخزن السيارات الطاقة عندما لا تكون قيد الاستخدام، أو عن طريق إعادة استخدام بطاريات السيارات عند انتهاء عمرها الافتراضي. وتتراوح سعة بطاريات السيارات عادةً بين 33 و100 كيلوواط/ساعة؛ ^{[ 22 ]} وللمقارنة، قد يستهلك منزل نموذجي من الطبقة المتوسطة العليا في إسبانيا حوالي 18 كيلوواط/ساعة يوميًا. ^{[ 23 ]} وبحلول عام 2030، قد تتمكن بطاريات المركبات الكهربائية من تلبية جميع احتياجات التخزين قصيرة الأجل على مستوى العالم. ^{[ 24 ]}

اعتبارًا من عام 2024تم تنفيذ أكثر من 100 مشروع تجريبي لتقنية V2G على مستوى العالم. ^{[ 25 ]} قد يكون تأثير شحن V2G على عمر البطارية إيجابيًا أو سلبيًا. فزيادة دورات الشحن والتفريغ قد تؤدي إلى تدهور أسرع، ولكن بفضل الإدارة الأفضل لحالة الشحن وعمليات الشحن والتفريغ الأكثر سلاسة، قد تُطيل تقنية V2G عمر البطاريات. ^{[ 25 ] [ 26 ]} يمكن استخدام البطاريات المستعملة لتخزين الطاقة في الشبكة الكهربائية لمدة ست سنوات تقريبًا، حيث تنخفض سعتها من حوالي 80% إلى 60% من سعتها الأصلية. وتُعد بطاريات فوسفات الحديد الليثيوم (LFP) مناسبة بشكل خاص لإعادة الاستخدام، لأنها تتدهور بشكل أقل من بطاريات الليثيوم أيون الأخرى، كما أن إعادة تدويرها أقل جاذبية نظرًا لانخفاض قيمة موادها. ^{[ 25 ]}

في بطاريات التدفق التأكسدي-الاختزالي ، تُخزَّن الطاقة في سوائل موضوعة في خزانين منفصلين. عند الشحن أو التفريغ، تُضخ السوائل إلى خلية تحتوي على الأقطاب الكهربائية. يمكن تعديل كمية الطاقة المخزنة (التي يحددها حجم الخزانات) بشكل منفصل عن الطاقة الناتجة (التي يحددها سرعة المضخات). ^{[ 28 ]} تتميز بطاريات التدفق بانخفاض تكلفتها الرأسمالية لفترات الشحن والتفريغ التي تتجاوز 4 ساعات، وطول عمرها (سنوات عديدة). تُعد بطاريات التدفق أقل كفاءة من بطاريات الليثيوم أيون من حيث كفاءة الطاقة ، حيث تتراوح كفاءتها بين 60% و75%. تُعد بطاريات الفاناديوم التأكسدي-الاختزالي أكثر أنواع بطاريات التدفق تطورًا من الناحية التجارية، حيث تُصنّعها حوالي 40 شركة حتى عام 2022.[ ^{29 ]​}

تُعدّ بطاريات أيونات الصوديوم بديلاً محتملاً لبطاريات أيونات الليثيوم، فهي أقل قابلية للاشتعال ^{[ 30 ]} وتستخدم مواد أرخص وأقل حساسية. تتميز بكثافة طاقة أقل، وربما عمر افتراضي أقصر. إذا تم إنتاجها على نطاق مماثل لبطاريات أيونات الليثيوم، فقد تنخفض تكلفتها بنسبة تتراوح بين 20% و30% [28]. قد ^{تكون بطاريات الحديد} والهواء مناسبة لتخزين الطاقة لفترات أطول من بطاريات التدفق (أسابيع)، لكن هذه التقنية لا تزال قيد التطوير ^{[ 31 ] .}

يمكن استخدام الهيدروجين كوسيط تخزين طويل الأمد. ^{[ 36 ]} يُنتج الهيدروجين الأخضر من التحليل الكهربائي للماء ويُحوّل مرة أخرى إلى كهرباء في محرك احتراق داخلي أو خلية وقود ، بكفاءة دورة تبلغ حوالي 41%. ^{[ 37 ]} يُتوقع أن يكون الهيدروجين الأخضر، إلى جانب التخزين الحراري، الأنسب لتخزين الطاقة الموسمية. ^{[ 38 ]}

يمكن تخزين الهيدروجين فوق سطح الأرض في خزانات أو تحتها بكميات أكبر. يُعد التخزين تحت الأرض أسهل في الكهوف الملحية ، ولكن عددًا محدودًا فقط من المواقع يتمتع بتكوين جيولوجي مناسب. ^{[ 39 ]} يمكن تخزين الهيدروجين على نطاق أوسع في الصخور المسامية، كما هو الحال في حقول الغاز الفارغة وبعض طبقات المياه الجوفية ، ولكن قد ينطوي هذا النوع من التخزين على بعض العيوب. على سبيل المثال، قد يتسرب جزء من الهيدروجين أو يتفاعل لتكوين كبريتيد الهيدروجين (H₂S) أو الميثان . ^{[ 40 ]}

يمكن تحويل الهيدروجين إلى أمونيا من خلال تفاعله مع النيتروجين في عملية هابر-بوش . الأمونيا، وهي غاز في درجة حرارة الغرفة، أغلى إنتاجًا من الهيدروجين، إلا أنها تُخزّن بتكلفة أقل. يُخزّن الهيدروجين عادةً في خزانات عند ضغط يتراوح بين مرة وعشر مرات الضغط الجوي ، وفي درجة حرارة -30 درجة مئوية (-22 درجة فهرنهايت) ، في حالته السائلة. ^{[ 41 ]} للأمونيا استخدامات متعددة إلى جانب كونها ناقلة للطاقة، فهي أساس إنتاج العديد من المواد الكيميائية، وأكثر استخداماتها شيوعًا هو الأسمدة. ^{[ 42 ]} يمكن استخدامها لتوليد الطاقة مباشرةً، أو تحويلها أولًا إلى هيدروجين. كما أنها تُستخدم كوقود في النقل البحري . ^{[ 43 ]}  

من الممكن تحويل الهيدروجين إلى ميثان عبر تفاعل ساباتير ، وهو تفاعل كيميائي يجمع بين _ثاني أكسيد الكربون والهيدروجين . في حين أن التفاعل الذي يحول أول أكسيد الكربون من الفحم المُغَزَّى إلى ميثان _{ناضج ، فإن} عملية تكوين الميثان من _ثاني أكسيد الكربون أقل نضجًا. يمكن تحقيق كفاءة تصل إلى حوالي 80% في اتجاه واحد، أي أن حوالي 20% من طاقة الهيدروجين تُفقد في التفاعل. ^{[ 44 ]}

تُخزّن العجلات الدوارة الطاقة على شكل طاقة ميكانيكية. وهي مناسبة لتوفير مستويات عالية من الكهرباء خلال دقائق، كما يمكن شحنها بسرعة. تتميز بعمرها الطويل، ويمكن استخدامها في بيئات ذات درجات حرارة متفاوتة على نطاق واسع. هذه التقنية ناضجة، لكنها أغلى من البطاريات والمكثفات الفائقة، ولا تُستخدم بكثرة. ^{[ 45 ]}

اعتبارًا من عام 2023كانت الطاقة الكهرومائية المخزنة بالضخ (PSH) أكبر شكل من أشكال تخزين الطاقة في الشبكة على مستوى العالم، بسعة مركبة تبلغ 181 جيجاوات ، متجاوزة السعة المجمعة لتخزين الطاقة على نطاق المرافق وتخزين البطاريات خلف العداد، والتي بلغ مجموعها حوالي 88 جيجاوات. ^{[ 46 ]}

يُعدّ نظام تخزين الطاقة الكهرومائية بالضخ (PSH) فعالاً للغاية في إدارة التقلبات اليومية في الطلب على الطاقة. فخلال فترات انخفاض الطلب، يُضخّ الماء إلى خزان مرتفع، وخلال فترات ذروة الطلب، يُطلق الماء المخزّن لتوليد الكهرباء عبر التوربينات. ^{[ 47 ]} يتميز النظام بكفاءة تتراوح بين 75% و85%، ويستجيب بسرعة لتغيرات الطلب، عادةً في غضون ثوانٍ إلى دقائق. ^{[ 48 ]}

بينما تتطلب أنظمة تخزين الطاقة الشمسية التقليدية ظروفًا جغرافية محددة، فقد طُرحت تصاميم بديلة. تشمل هذه التصاميم استخدام كهوف ملحية عميقة أو بناء هياكل مجوفة في قاع البحر ، حيث يعمل المحيط كخزان علوي. ^{[ 47 ]} ومع ذلك، غالبًا ما يكون بناء أنظمة تخزين الطاقة الشمسية مكلفًا ويستغرق وقتًا طويلاً، وقد يكون له آثار بيئية واجتماعية كبيرة على المجتمعات المجاورة. ^{[ 47 ]} يمكن أن يؤدي تركيب ألواح شمسية عائمة على الخزانات إلى زيادة كفاءة أنظمة تخزين الطاقة الشمسية. تقلل هذه الألواح من تبخر المياه وتستفيد من التبريد الناتج عن سطح الماء، مما يحسن أيضًا من كفاءة توليد الطاقة. ^{[ 49 ]}

يمكن تشغيل السدود الكهرومائية ذات الخزانات الكبيرة لتوفير ذروة التوليد في أوقات ذروة الطلب. يُخزَّن الماء في الخزان خلال فترات انخفاض الطلب، ويُطلق عبر المحطة عند ارتفاع الطلب. ورغم أنه لا يتم تخزين الكهرباء فعليًا، إلا أن التأثير الصافي مشابه لتأثير التخزين بالضخ. توفر السدود الكهرومائية عادةً سعة تخزين أكبر من أنظمة التخزين بالضخ المخصصة. قد يلزم إجراء تحسينات على هذه السدود لتتمكن من الاستجابة للطلب المتغير. على سبيل المثال، قد يلزم استثمار إضافي في خطوط النقل، أو تركيب توربينات إضافية لزيادة ذروة إنتاج السد. ^{[ 50 ]}

تُستخدم السدود عادةً لأغراض متعددة. فإلى جانب توليد الطاقة، غالبًا ما تؤدي دورًا في الحماية من الفيضانات وحماية النظم البيئية، فضلًا عن توفيرها للأنشطة الترفيهية، وتوفير المياه للري . وهذا يعني أنه ليس من الممكن دائمًا تغيير طريقة تشغيلها بشكل كبير، ولكن حتى مع انخفاض مرونتها، قد تظل تؤدي دورًا هامًا في الاستجابة للتغيرات في إنتاج طاقة الرياح والطاقة الشمسية. ^{[ 51 ]}

تشمل الطرق البديلة التي تستخدم الجاذبية تخزين الطاقة عن طريق تحريك كتل صلبة كبيرة لأعلى عكس الجاذبية. ويمكن تحقيق ذلك داخل مناجم قديمة ^{[ 52 ]} أو في أبراج مصممة خصيصًا حيث تُرفع أوزان ثقيلة لتخزين الطاقة وتُترك لتنزلق بشكل مُتحكم فيه لإطلاقها. ^{[ 53 ] [ 54 ]}

تُخزّن تقنية تخزين الطاقة بالهواء المضغوط (CAES) الكهرباء عن طريق ضغط الهواء. ويُخزّن الهواء المضغوط عادةً في كهوف جوفية كبيرة. ويمكن استخدام الهواء المتمدد لتشغيل التوربينات، ما يحوّل الطاقة مرة أخرى إلى كهرباء. ولأن الهواء يبرد أثناء تمدده ، يلزم إضافة بعض الحرارة في هذه المرحلة لمنع تجمده. ويمكن توفير هذه الحرارة من مصدر منخفض الكربون، أو في حالة تقنية CAES المتقدمة، عن طريق إعادة استخدام الحرارة المنبعثة عند ضغط الهواء. اعتبارًا من عام 2023توجد ثلاثة مشاريع متقدمة لتخزين الطاقة الهوائية المضغوطة قيد التشغيل في الصين. ^{[ 55 ]} تتراوح الكفاءة النموذجية لأنظمة تخزين الطاقة الهوائية المضغوطة المتقدمة بين 60% و80%. ^{[ 56 ]}

تتمثل إحدى طرق تخزين الطاقة الكهربائية في ضغط الهواء وتبريده، وتحويله إلى هواء سائل ، والذي يمكن تخزينه وتمديده عند الحاجة، لتشغيل توربين لتوليد الكهرباء. تُعرف هذه الطريقة بتخزين طاقة الهواء السائل (LAES). ^{[ 57 ]} يُبرد الهواء إلى درجة حرارة -196 درجة مئوية (-320.8 درجة فهرنهايت) ليصبح سائلاً. وكما هو الحال مع الهواء المضغوط، يلزم توفير الحرارة لعملية التمديد. في حالة تخزين طاقة الهواء السائل، يمكن استخدام الحرارة الصناعية منخفضة الجودة لهذا الغرض. ^{[ 45 ]} تتراوح كفاءة الطاقة في تخزين طاقة الهواء السائل بين 50% و70%. اعتبارًا من عام 2023  تنتقل تقنية تخزين الطاقة بالليزر من مرحلة ما قبل التسويق إلى مرحلة التسويق. ^{[ 58 ]} ومن البدائل المتاحة ضغط ثاني أكسيد الكربون.₂ لتخزين الكهرباء. ^{[ 59 ]}