تخزين الكهرباء – أفضل 8 تقنيات لحفظ الطاقة

تخزين الكهرباء هو فن الحفاظ على الطاقة الكهربائية للاستخدام المستقبلي. وفي عصر تحول الطاقة، تتمتع هذه التكنولوجيا بأهمية كبيرة. فهو يجعل من الممكن التعويض عن انقطاع مصادر الطاقة المتجددة مثل الطاقة الشمسية وطاقة الرياح، وبالتالي يوفر المفتاح لدمج اكثر كفاءة لهذه الموارد في شبكات الكهرباء لدينا. تهدف هذه المقالة إلى تقديم نظرة شاملة لتخزين الكهرباء، بدءًا من طرقها التقليدية المختلفة وحتى التقنيات الناشئة. وسوف نستكشف أيضًا دورها الحاسم في التنقل الكهربائي وموازنة الشبكة وآفاق مستقبل طاقة أكثر استدامة بحلول عام 2050.

كيف يتم تخزين الكهرباء؟

يمكن تخزين الكهرباء بعدة طرق. وتشمل الطرق التقليدية استخدام البطاريات والتخزين المائي والحراري. في الوقت الحاضر، يتم أيضًا استخدام تقنيات حديثة مثل المكثفات الفائقة والحذافات. تقوم كل من هذه التقنيات بتحويل الطاقة الكهربائية إلى شكل يمكن تخزينه وإطلاقه حسب الحاجة. يعتمد اختيار الطريقة المناسبة على متطلبات النظام المحددة والقيود البيئية.

طرق تخزين الكهرباء التقليدية

البطاريات التقليدية

– كيف تخزن الكهرباء في البطارية؟
تقوم البطارية بتخزين الكهرباء من خلال تفاعل كيميائي عكسي بين مكوناتها المتمثلة في خلية واحدة أو ذات طرفين، عندما يتم شحن البطارية، تضطر الإلكترونات إلى التدفق من الطرف السالب (الأنود) إلى الجانب الموجب (الكاثود)، مما يؤدي إلى تراكم الطاقة الكهربائية. عند التفريغ، ينعكس هذا التفاعل، مما يؤدي إلى إطلاق الإلكترونات المخزنة وتوليد الكهرباء التي يمكن الاستفادة منها.

تعد البطاريات التقليدية من أكثر الطرق شيوعًا لتخزين الكهرباء. وهي تأتي في أنواع مختلفة، بما في ذلك حمض الرصاص، والنيكل والكادميوم، وأيونات الليثيوم، ولكل منها خصائصها المميزة. تعتبر بطاريات الرصاص الحمضية موثوقة وغير مكلفة، ولكن كثافة طاقتها محدودة، مما يجعلها أقل ملاءمة للتطبيقات عالية الأداء. في المقابل، تُستخدم بطاريات الليثيوم أيون على نطاق واسع في التطبيقات المتنقلة والثابتة نظرًا لكثافة الطاقة العالية وانخفاض معدل التفريغ الذاتي ودورة الحياة الطويلة. ومع ذلك، يمكن أن تكون اكثر تكلفة للشراء.

فوائد :
– توافر واسع في السوق.
– تكنولوجيا ناضجة مع خيارات متنوعة.
– إمكانية التكامل في العديد من التطبيقات.

سلبيات :
– التكلفة العالية لبعض التقنيات.
– إمكانية تدهور الأداء مع مرور الوقت.

التخزين الهيدروليكي

يستخدم التخزين الهيدروليكي (يطلق عليه كذلك اسم – التخزين بالضخ) خزانات المياه على ارتفاع لتخزين الطاقة في شكل محتمل. عند الحاجة إلى الكهرباء، يتم إطلاق الماء لتدوير التوربينات، ثم توليد الكهرباء. هذه الطريقة فعالة بشكل خاص للتخزين واسع النطاق وغالباً ما تستخدم في محطات الطاقة الكهرومائية. وتكمن مزايا التخزين المائي في سعته التخزينية الكبيرة وقدرته على الاستجابة السريعة للطلب، مما يجعله خيارا مثاليا لتحقيق استقرار الشبكات الكهربائية.

فوائد :
– سعة تخزينية كبيرة.
– الاستجابة السريعة للطلب.

سلبيات :
– المتطلبات الطبوغرافية المحددة.
– التأثير البيئي المحتمل.

التخزين الحراري

– كيفية تخزين الطاقة الحرارية؟
يعمل التخزين الحراري عن طريق تحويل الكهرباء إلى حرارة باستخدام المقاومات الكهربائية أو المضخات الحرارية. يتم بعد ذلك تخزين هذه الحرارة في مواد عازلة، مثل السائل الحراري أو مادة صلبة متغيرة الطور. عند الحاجة إلى الكهرباء، يتم تحويل الحرارة مرة أخرى إلى كهرباء باستخدام توربين أو محرك حراري. يتميز التخزين الحراري بانخفاض التكلفة مقارنة بتقنيات التخزين الأخرى، كما أنه من التقنيات الصديقة للبيئة لإنتاج الكهرباء،

مبدأ التشغيل :
– تحويل الكهرباء إلى حرارة.
– تخزين الحرارة في المادة .
– إعادة تحويل الحراره إلى كهرباء.

التطبيقات والقيود :
– تطبيقات في محطات الطاقة الشمسية الحرارية والطاقة الحرارية الأرضية.
– ويمكن استخدامها في التدفئة أو إنتاج الكهرباء المباشر.
– القيود المتعلقة بكفاءة عملية التحويل الحراري.

تقنيات تخزين الكهرباء الحديثة

التخزين بواسطة المكثفات الفائقة

تقوم المكثفات الفائقة بتخزين الكهرباء على شكل أيونات ممتزة على سطح الأقطاب الكهربائية المسامية. وعلى عكس البطاريات، فهي لا تنطوي على تفاعلات كيميائية، مما يسمح بالشحن والتفريغ بشكل أسرع بكثير. وهي مناسبة بشكل خاص للتطبيقات التي تتطلب دورات شحن وتفريغ سريعة، مثل السيارات الكهربائية وأنظمة استعادة الطاقة.

مميزات :
– عمر افتراضي طويل جدًا ودورات شحن/تفريغ سريعة.
– كثافة طاقة عالية.

تخزين الطاقة بواسطة الحذافات

– ما هي حذافات تخزين الطاقة؟
تقوم الحذافة أو دولاب الموازنة بتخزين الطاقة في شكل دوران ميكانيكي. وإليك كيف يعمل:

• مرحلة الشحن: عند توفر الكهرباء الزائدة، يتم استخدامه لتدوير دولاب الموازنة بسرعة عالية. تعمل هذه العملية على تحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة حركية، يتم تخزينها على شكل دوران.

• مرحلة تخزين الطاقة: تستمر دولاب الموازنة في الدوران بسرعة عالية. يتم الحفاظ على الطاقة الحركية الناتجة بفضل المكونات والمحامل الميكانيكية عالية الجودة، مما يقلل من خسائر الاحتكاك.

• مرحلة التفريغ: عند الحاجة إلى الكهرباء، تتباطأ سرعة دولاب الموازنة، وفي المقابل سيتم تحويل الطاقة الحركية إلى كهرباء قابلة للاستخدام. ويتم ذلك عن طريق عكس العملية الأولية، وذلك باستخدام الحركة الدوارة لتوليد الكهرباء.

– ملاحظة:
لا يمكن تخزين الكهرباء كما هي لأنها في الواقع عبارة عن طاقة متحركة. وللحفاظ عليها، في الأول يتم تحويلها إلى شكل آخر من أشكال الطاقة. وعندما نحتاج إليها في وقت من الأوقات، نقوم بتحويلها مرة أخرى إلى كهرباء. ومع ذلك، في كل مرحلة من هذه التحولات، يتم فقدان جزء من الطاقة. وقد تكون هذه الخسارة أكثر أو أقل أهمية، حسب الظروف. إنه يشبه إلى حد ما فقدان القليل من الماء في كل مرة تقوم فيها بنقله من حاوية إلى أخرى.

تخزين البطاريات المتقدم

يعتمد تخزين البطاريات المتقدم على الاستخدام المتقدم لمجموعات جديدة من المواد والتقنيات للتفوق على البطاريات التقليدية، مثل بطاريات الليثيوم ايون. ومن الأمثلة على ذلك بطاريات ليثيوم-الكبريت وليثيوم-الهواء. 

تهدف هذه التطورات إلى تقليل تكاليف أنظمة تخزين الكهرباء وزيادة كثافة الطاقة المولدة، أي كمية الطاقة التي يمكن للبطارية تخزينها لكل وحدة حجم أو وزن. كما أنهم يستكشفون أيضًا مواد أقل تكلفة وأكثر وفرة، مما يقلل الاعتماد على المواد النادرة. وعلى الرغم من أن هذه التقنيات لا تزال في مرحلة البحث والتطوير، إلا أنها تعد بإحداث ثورة في تخزين الكهرباء من خلال تقديم حلول أكثر كفاءة واقتصادية واستدامة لتلبية الطلب المتزايد على الطاقة.

فوائد :
– إمكانية الحصول على كثافات طاقة أعلى بكثير.
– التقليل من المواد الباهظة الثمن والنادرة المستخدمة في البطاريات.

تخزين الطاقة بالتبريد

يعتمد تخزين الطاقة بالتبريد (Cryogenic energy storage) على استخدام المواد المبردة، مثل الهواء السائل أو النيتروجين السائل، لتخزين الطاقة. تَعمل هذه العملية المبتكرة عن طريق تبريد هذه الغازات إلى درجات حرارة منخفضة للغاية، وتحويلها إلى سوائل. يتم بعد ذلك تخزين الطاقة كسائل مبرد في خزانات معزولة لتقليل الخسائر الحرارية. عند الحاجة إلى الكهرباء، يتم تسخين السائل، مما يؤدي إلى تبخره وتشغيل التوربينات التي تولد الكهرباء. تساعد هذه التقنية على تَوفير سعة تخزينية عالية وقدرة على التخزين لفترات طويلة من الزمن، مما يساهم بشكل كبير في التقدم نحو نظام طاقة أكثر استدامة ومرونة.

تخزين الكهرباء في الألومنيوم

قد يصبح تخزين الكهرباء أكثر كفاءة وبأسعار معقولة بفضل مشروع مبتكر: تخزين الكهرباء من الألومنيوم. تعتمد هذه الفكرة الثورية على قدرة الألومنيوم على تخزين كميات كبيرة من الطاقة بشكل مضغوط وبتكلفة منخفضة. ومن خلال شحن الألمنيوم، يتم تحويله إلى مادة تفاعلية يمكنها بعد ذلك إطلاق الكهرباء عند الحاجة إليها. وبفضل قابليته العكسية العالية ووفرة معدن الألومنيوم في بيئتنا، يقدم هذا المشروع لمحة واعدة عن مستقبل حفظ الكهرباء.

لماذا يتم تخزين الطاقة الكهربائية؟

يعتبر تخزين الكهرباء ركيزة أساسية لانتقالنا إلى نظام طاقة أكثر استدامة. تقوم محطات توليد الطاقة بتخزين الكهرباء لعدة أسباب مهمة:

• إدارة الطلب والعرض:
  يتغير معدل استهلاك الكهرباء على مدار اليوم بسبب الاختلافات في الاستخدام والاحتياجات. يساعد تخزين الكهرباء على تلبية الطلب خلال فترات الذروة، عندما يكون الاستخدام في أعلى مستوياته، ويطلق الطاقة خارج فترات الذروة، مما يساعد في الحفاظ على التوازن بين العرض والطلب.

• استقرار شبكة الكهرباء:
  شبكات الطاقة حساسة للتقلبات المفاجئة عند الطلب على الكهرباء أو الظروف الجوية. يوفر تخزين الكهرباء القدرة على توفير فائض للطاقة وبسرعة عند الحاجة إليها بشكل عاجل، مما يحافظ على استقرار الشبكة وموثوقيتها.

• تكامل الطاقة المتجددة:
  تعتبر مصادر الطاقة النظيفة، مثل الشمس والرياح، متقطعة ولا تنتج الكهرباء دائمًا عندما يكون الطلب مرتفعًا. ومن خلال حفظ الكهرباء المنتجة خلال فترات الإنتاج الزائد، يمكن لمحطات الطاقة المتجددة توفير الكهرباء عند الحاجة.

• أمن الطاقة:
  يوفر تخزين الكهرباء احتياطيًا استراتيجيًا يمكن تعبئته في حالات الطوارئ، مثل انقطاع التيار الكهربائي أو الكوارث الطبيعية، مما يضمن إمدادات مستقرة وموثوقة من الكهرباء.

تخزين الكهرباء في المنازل

يعد تخزين الكهرباء في المنزل حلاً حاسماً لتحسين استخدام الطاقة. تقوم البطاريات المنزلية، بتخزين الكهرباء المنتجة من موارد متجددة، مثل الألواح الشمسية، واستخدامها بشكل طبيعي عندما يكون الطلب مرتفعا أو في غياب الإنتاج المحلي. 

بالإضافة إلى ذلك، تشتمل أنظمة تخزين الطاقة الشمسية على بطارية لتخزين الكهرباء خلال فترات الإنتاج الزائد، مما يجعلها متاحة للاستخدام لاحقًا. ويعزز هذا النهج الاستهلاك الذاتي ويزيد من تقليل وتوفير فواتير الكهرباء. ومن خلال الجمع بين هذه التقنيات الجديدة وأنظمة إدارة الطاقة الذكية، يمكن لأصحاب المنازل تحقيق أقصى قدر من كفاءة استهلاكهم للكهرباء وتقليل اعتمادهم على شبكات الكهرباء الوطنية.

خاتمة

في الختام، يعد تخزين الكهرباء ركيزة أساسية لانتقالنا إلى مستقبل طاقة أكثر استدامة. من التقنيات التقليدية إلى الأساليب الناشئة المبتكرة، يساعد كل نهج على تحقيق أقصى قدر من كفاءة شبكات الطاقة لدينا. سواء كان ذلك من خلال البطاريات المتقدمة أو التخزين الحراري أو المشاريع المبتكرة. ويمهد هذا المجال المتطور باستمرار الطريق نحو إمدادات كهرباء أكثر موثوقية ومرونة وصديقة للبيئة.