صناعة تخزين الطاقة والطاقة المتجددة

يعتبر تخزين الطاقة باستخدام البطاريات - للمنازل والشركات وشبكة الكهرباء - صناعة شديدة الحداثة في وادي السليكون، يقودها التقدم المحرز في كيمياء البطاريات والسياسات الحكومية الرامية إلى دعم التقنية الناشئة. ما هو مفتاح استخدام مختلف أنواع الطاقة البديلة مثل الطاقة الشمسية وطاقة الرياح؟ إنه التخزين الذي يضمن لنا الاستفادة من الطاقة حتى عندما تكون الشمس غائبة والرياح ساكنة.
وقد اخترعت البطارية منذ حوالي 200 سنة بواسطة أليساندرو فولتا في جامعة بادوا بإيطاليا، حيث نتج عن اختراعه حقل علمي جديد هو الكيمياء الكهربائية، وتقنيات جديدة مثل الطلاء الكهربائي. وكانت البطارية الأولى عبارة عن مجموعة من القطع المعدنية من الزنك والفضة، يفصل بينها الورق المقوى ويغمرها محلول ملحي. وكانت نقطة الانطلاق في تصميم البطارية هي وجود قطبين - في هذه الحالة معادن مختلفة التركيب – ومحلول كهربائي - في هذه الحالة الملح المذاب في الماء. فالعلم يتسم بالبساطة، وعلم البطاريات واضح ومباشر، والحاجة إلى التخزين على مستوى الشبكة ملحة، ولكن الحقيقة ببساطة هي أنه لا توجد اليوم أي تقنية بطاريات قادرة على تلبية متطلبات الأداء الملح للشبكة التي تتمثل في الطاقة العالية بدرجة غير عادية، وطول عمر الخدمة، والانخفاض الشديد في التكلفة. ونحن بحاجة إلى التفكير في المشكلة بطريقة مختلفة، فنحن بحاجة إلى التفكير بشكل أضخم، ونحن بحاجة إلى التفكير بشكل أرخص.
ويتزايد بشكل متسارع إنشاء مصادر الطاقة المتجددة، مثل توربينات الرياح والمزارع الضوئية. ولكن الطبيعة المتقطعة للطاقة المتجددة تعني أن المستثمرين في الطاقة المتجددة سيواجهون قواعد ربط صارمة وسيفقدون إيرادات إذا لم تطابق ذروة الإنتاج ذروة الأحمال. وتؤدي الإمدادات المتقطعة إلى تكرار تقليص الطاقة، مما يقلل من الإنتاج السنوي، ويمد في أجل العائد على الاستثمار. ومن خلال تخزين الطاقة عندما تكون الرياح نشيطة أو الشمس مشرقة، ثم استخدامها في أوقات الأحمال العالية، فإن مشغلي مصادر الطاقة المتجددة يعلمون أنهم سيستطيعون الحصول على القيمة الكاملة لأصولهم المستثمرة من خلال استغلال فرص ذروة التسعير.
وتقدم نظم تخزين الطاقة مجموعة واسعة من المزايا والخدمات الأخرى لمشغلي مصادر الطاقة المتجددة على النحو التالي:
• يمكنهم تثبيت الإنتاج المتفاوت في كثير من الأحيان من مصادر الطاقة المتجددة لتحسين جودة الطاقة.
• زيادة وقت التكثيف لتحقيق القيمة في وقت مبكر.
• يمكن لمشغلي مصادر الطاقة المتجددة أن يصبحوا أكثر ثقة بالدخول في مناقصات الأسواق اليومية وتلبية المتطلبات المستقبلية.
• يلغي التحمل العالي لظروف البيئية القاسية تكاليف تشغيل التدفئة أو أنظمة التبريد الخارجية، مما يسمح للبطاريات بالتواجد في البيئات الأكثر تطرفا.
• ويمكن نقلها حيثما يقرر مشغلوها عبر تحديد موقع التوربينات أو المزارع الضوئية.
• تسمح مختلف برمجيات نظام التحكم الذكية بالتكامل التام مع أنظمة الشبكة الأكثر شيوعا.
• تحقيق أقصى فائدة من الأصول المتجددة، ومنع حالات التقليص ومساعدة المشغلين على الوفاء بمتطلبات الربط البيني.
وتستخدم معظم البطاريات الموظفة في أنظمة الطاقة المتجددة نفس التفاعلات الكهربائية والكيميائية مثل بطاريات الرصاص الحمضية المستخدمة في السيارات. ولكن خلافا لبطاريات السيارات فهي مصممة خصيصا للتدوير العميق. ومعظم أنظمة الطاقة المتجددة تستخدم البطاريات التي تخزن ما بين عشرات ومئات أضعاف الطاقة الناتجة من بطارية السيارة، ولكن هذا لا يضمن توافر أداء ثابت من البطاريات. وينبغي للمرء أن يضع في اعتباره الطاقة الاحتياطية في حال أصبحت البطاريات فارغة بسبب نقص الطاقة المتجددة في النظام أو الاستهلاك المفرط للطاقة.
والبطاريات لا تناسب منطقة المعيشة حيث تحتوي على المواد الكيميائية الخطرة داخلها، لذلك يجب احتواؤها لتجنب التسرب. كما أنها تطلق الهيدروجين والأكسجين عند شحنها، ولذلك يجب وضعها في الهواء الطلق. ويجب تنظيف أطرافها ووصلاتها دوريا لتجنب الفاقد في الطاقة، ويجب أيضا أن يضاف الماء المقطر إلى البطاريات بشكل روتيني. وأخيرا فإنها تحتاج إلى "التعادل" مع زيادة الشحن المقننة في بعض الأحيان للحفاظ على حالة شحن متساوية في الخلايا الفردية.
إن موارد الطاقة المتجددة ذات الطبيعة المتقطعة - مثل طاقة الرياح والطاقة الشمسية - مقيدة بحكم طبيعتها، حيث تعتمد هذه المصادر على توافر ظروف طبيعية - مثل الرياح أو الشمس - لتوليد الطاقة. وفي حالة عدم توافر تلك الظروف لأي سبب من الأسباب، فإنها تصبح مصادر كهرباء غير موثوق بها، مما يمثل مشكلة رئيسية مع تزايد الجهود الرامية إلى استخدام الطاقة المتجددة في أجزاء كثيرة من العالم. ويوفر استخدام البطاريات لتخزين الطاقة حلا ذكيا يجمع بين التوافق مع حلول الشبكة الذكية وبيانات الطقس لنشر مصادر الطاقة تلك على أوسع نطاق بالكفاءة المرجوة.