ما المقصود بتخزين الطاقة؟

يمكن للقدرة على تخزين الطاقة أن تسهل دمج الطاقة النظيفة والطاقة المتجددة في شبكات الطاقة والاستخدام اليومي على أرض الواقع. على سبيل المثال، يعمل تخزين الكهرباء من خلال البطاريات على تشغيل السيارات الكهربائية، بينما تساعد أنظمة تخزين الطاقة على نطاق واسع المرافق على تلبية الطلب على الكهرباء خلال الفترات التي لا تنتج فيها موارد الطاقة المتجددة الطاقة.

يمكن للتوسع في الطاقة المتجددة الذي أصبح ممكنًا بفضل تخزين الطاقة أن يحل محل بعض طرق إنتاج الطاقة القائمة على الوقود الأحفوري ويقلل من إنتاج الطاقة القائمة على الوقود الأحفوري والآثار البيئية. ويمكن لهذا التقدم أن يساعد البلدان على تحقيق أهدافها في تحقيق صافي أهدافها الصفرية.

يعود تاريخ البطارية، وهي من أشهر الاختراعات المصممة لتخزين الكهرباء، إلى عام 1800. حيث استخدم الفيزيائي الإيطالي أليساندرو فولتا كومة من أقراص النيكل وأقراص الزنك والوسادات المبللة بالماء المالح لتوصيل التيار الكهربائي. وبعد حوالي 60 عامًا، اخترع الفيزيائي الفرنسي غاستون بلانتي بطارية قابلة لإعادة الشحن باستخدام الرصاص وحمض الكبريتيك - والمعروفة باسم بطارية الرصاص الحمضية.

ثم، في أوائل القرن التاسع عشر، ابتكر المخترع الأمريكي Thomas Edison نوعًا مختلفًا من البطاريات القابلة لإعادة الشحن، والذي استخدم النيكل والحديد. وطور المهندس الكيميائي الكندي Lewis Urry لاحقًا النموذج الأولي للبطارية القلوية الحديثة في عام 1957، بعد البحث في استخدام Edison للزنك.

وثمة شكلان آخران من أشكال تخزين الطاقة المستخدمة منذ فترة طويلة هما التخزين المائي المضخي وتخزين الطاقة الحرارية. وقد استُخدم التخزين المائي المضخي، وهو نوع من تخزين الطاقة الكهرومائية، منذ عام 1890 في إيطاليا وسويسرا قبل أن ينتشر في جميع أنحاء العالم.

تم استخدام تخزين الطاقة الحرارية (TES) في صناديق الثلج المصممة لحفظ الطعام في أوائل القرن التاسع عشر. ساعدت أنظمة تخزين الطاقة الحرارية الحديثة في تدفئة المباني وتبريدها منذ أوائل القرن العشرين.

يمكن قياس قدرة توليد الكهرباء في أنظمة تخزين الطاقة بطريقتين:

1. . تُقاس
2. سعة الطاقة أو الكمية القصوى من الكهرباء التي يتم توليدها بشكل مستمر بالوات، مثل الكيلووات (kW) والميجاوات (MW) والجيجاوات (GW).
   
   
3. .
4. تُقاس سعة الطاقة أو الكمية الإجمالية للطاقة المخزنة بالكيلووات/ساعة (kWh) والميجاوات/ساعة (MWh) والجيجاوات/ساعة (GWh).

عادةً ما تدعم أنظمة تخزين الطاقة الكهربائية (ESS) الشبكات الكهربائية. تشمل أنواع أنظمة تخزين الطاقة ما يلي:

• .
• التخزين المائي بالمضخة
• أنظمة تخزين طاقة البطارية
• الحَذّافَات
• تخزين طاقة الهواء المضغوط
• تخزين الطاقة الحرارية
• تخزين الهيدروجين
• المكثفات الفائقة

يمكن مقارنة التخزين المائي بالمضخة، والمعروف أيضًا باسم الطاقة الكهرومائية للتخزين بالضخ، ببطارية عملاقة تتكون من خزانين للمياه بارتفاعات مختلفة. يتم ”شحن“ ما يسمى بالبطارية عندما يتم استخدام الطاقة لضخ المياه من خزان سفلي إلى خزان أعلى.

يقوم نظام تخزين الطاقة ”بتفريغ“ الطاقة عندما يتم إطلاق المياه التي تسحبها الجاذبية إلى الخزان المنخفض الارتفاع وتمر عبر توربين على طول الطريق. تولد حركة المياه عبر التوربينات الطاقة التي يتم تغذيتها في أنظمة الشبكة الكهربائية.

يُعد التخزين المائي المضخّي أكثر تقنيات تخزين الطاقة انتشارًا حول العالم، وفقًا لتقرير International Energy Agency، حيث يمثل 90% من تخزين الطاقة العالمي في عام 2020.¹ واعتبارًا من مايو 2023، تتصدر الصين دول العالم في قدرة التخزين الضخّي التشغيلية بقدرة 50 جيجاوات، وهو ما يمثل 30% من القدرة العالمية²

نظام التخزين بالبطاريات (BESS) هو نظام كهروكيميائي يسمح بتخزين الكهرباء كطاقة كيميائية وإطلاقها عند الحاجة إليها. تشمل الأنواع الشائعة بطاريات الرصاص الحمضية وبطاريات الليثيوم أيون، بينما تشمل التقنيات الأحدث بطاريات الحالة الصلبة أو بطاريات التدفق.

تهيمن بطاريات الليثيوم أيون حاليًا على سوق تخزين البطاريات على نطاق الشبكة. واعتبارًا من عام 2023، كانت أكبر منشأة لتخزين بطاريات الليثيوم أيون في العالم في مقاطعة مونتيري بكاليفورنيا، بسعة 550 ميجاوات.³ تُستخدم بطاريات الليثيوم أيون أيضًا في السيارات الكهربائية.

من المتوقع أن تتجاوز حلول التخزين بالبطاريات التخزين الكهرومائي عن طريق الضخ في حصة السوق في السنوات القادمة، حيث تستثمر الدول حول العالم بشكل أكبر في حلول التخزين بالبطاريات على نطاق الشبكة. ففي الولايات المتحدة، على سبيل المثال، من المتوقع أن تتضاعف سعة البطارية المركبة في عام 2024، مع وجود معظم تركيبات نظام التخزين بالبطاريات (BESS) الجديدة في تكساس وكاليفورنيا.⁴

وفي حين أن معظم الاستثمارات في مجال تخزين الطاقة بالبطاريات في العالم تحدث في الاقتصادات الكبيرة والمتقدمة، فإن الدول النامية تتلقى المساعدة لتركيبات التخزين من خلال برامج مثل شراكة البنك الدولي لتخزين الطاقة.

الحذّافة هي جهاز تخزين الطاقة الميكانيكية في عجلة دوارة تخزن الطاقة الحركية. تُستخدم الكهرباء "لشحن" العجلة من خلال جعلها تدور بسرعات عالية، بينما يخزن دوران العجلة بسرعة ثابتة تلك الطاقة.

أنظمة حذافات تخزين الطاقة (FESS) هي تقنية موفرة للطاقة ولكن يمكنها تفريغ الكهرباء لفترات زمنية أقصر من طرق التخزين الأخرى. وفي حين أن أمريكا الشمالية تهيمن حاليًا على سوق الحذافات العالمية (يمكن العثور على أنظمة تخزين الطاقة ذات الحذافة الكبيرة في نيويورك وبنسلفانيا وأونتاريو)، يتزايد الطلب في أوروبا.⁵

تعمل تقنية الطاقة هذه باستخدام الكهرباء لضغط الهواء وتخزينه تحت الأرض، غالبًا في الكهوف. لتوليد الكهرباء، يتم إطلاق الهواء وتشغيله عبر توربين مرتبط بمولد كهربائي. هناك عدد قليل من محطات تخزين الطاقة من الهواء المضغوط (CAES) التي تعمل حول العالم، بما في ذلك الصين وكندا وألمانيا والولايات المتحدة.

يمكن العثور على تخزين الطاقة الحرارية (TES) في محطات الطاقة الكهربائية الشمسية الحرارية التي تستخدم أنظمة الطاقة الشمسية المركزة (CSP). تستخدم هذه الأنظمة ضوء الشمس المركز لتسخين السوائل، مثل الماء أو الملح المنصهر. يمكن استخدام البخار المنبعث من السائل لتوليد الكهرباء على الفور، كما يمكن تخزين السائل في خزانات للاستخدام في وقت لاحق.

يمكن تحويل الكهرباء إلى هيدروجين لتخزينها من خلال التحليل الكهربائي للماء—باستخدام الكهرباء لتقسيم جزيئات الماء إلى هيدروجين وأكسجين. يتم إطلاق الطاقة عند استخدام الهيدروجين كوقود لتوليد الكهرباء وكذلك للنقل. يعد التخزين الهيدروجين تقنية أساسية لخلايا الوقود التي تولد الكهرباء من خلال التفاعلات الكيميائية.

المكثفات الفائقة هي أجهزة كهروكيميائية فائقة تخزن الطاقة عن طريق تجميع الشحنات الكهربائية على أقطاب كهربائية (موصلات كهربائية) مملوءة بمحلول إلكتروليت. ويمكنها تفريغ الكهرباء بسرعة ولها دورات حياة طويلة. وتُعد في بعض الأحيان بدائل محتملة لبطاريات أيونات الليثيوم ولكنها ذات كثافة طاقة أقل.⁶

تمتد فوائد أنظمة التخزين إلى الشبكات الكهربائية نظرًا لقدرتها على تعويض إمدادات الطاقة المتقلبة. يمكن لأنظمة تخزين الطاقة الكهربائية (ESS) الاحتفاظ بالكهرباء الزائدة عندما تكون متوفرة، غالبًا خلال فترات الاستهلاك المنخفض للكهرباء في الليل وفي الصباح. بعد ذلك، يمكن لأنظمة تخزين الطاقة الكهربائية المساهمة بإمدادات الكهرباء في الأوقات التي لا تساهم فيها مصادر الطاقة الأولية بشكل كافٍ، خاصة خلال ساعات الذروة من استخدام الطاقة، مثل فترة بعد الظهر والمساء.

كما يمكن لأنظمة حذافات تخزين الطاقة المملوكة لعملاء الشبكة أن توفر طاقة احتياطية في حالات الطوارئ في أثناء انقطاع الشبكة ويمكن دمجها في الشبكات الكهربائية الصغيرة. 

يمكن أن تساعد المرونة التي توفرها أنظمة حذافات تخزين الطاقة لشبكات الطاقة على دمج الطاقة المتجددة والخضراء (سواء كانت الطاقة المتجددة التي يتم تركيبها على مستوى المرافق أو موارد الطاقة الموزعة الأصغر حجمًا) في أنظمة الطاقة التي كانت تعتمد سابقًا على الوقود الأحفوري. يمكن لمشاريع تخزين الطاقة المتجددة أن تساعد على استقرار تدفق الطاقة من خلال توفير الطاقة في الأوقات التي لا تولد فيها مصادر الطاقة المتجددة الكهرباء. على سبيل المثال، فهي توفر الطاقة في الليل لمنشآت الطاقة الشمسية ذات الخلايا الكهروضوئية أو خلال الأيام الهادئة التي لا تدور فيها توربينات الرياح.

وعلى العكس من ذلك، فإن أنظمة تخزين الطاقة الكهربائية مفيدة أيضًا في الحالات التي تنتج فيها مصادر الطاقة المتجددة كهرباء زائدة—توليد الطاقة الشمسية في فترة ما بعد الظهيرة المشمسة أو توليد طاقة الرياح في الأيام العاصفة، على سبيل المثال. تضمن حلول تخزين الطاقة المتجددة عدم إهدار فائض الطاقة الكهربائية.

يُعد الدعم الذي يوفره تخزين الطاقة للشبكات الكهربائية أمرًا أساسيًا في مساعدة البلدان على الانتقال إلى الطاقة النظيفة وتحقيق مستقبل خالٍ من الانبعاثات. ومع زيادة استخدام البلدان للطاقة المتجددة، يمكنها تقليل اعتمادها على طاقة الوقود الأحفوري. ويمكن لهذا التحول أن يحد بشكل كبير من انبعاثات غازات الاحتباس الحراري ويساعدها على تحقيق الاستدامة في استهلاك الطاقة وإنتاجها.

يختلف طول الفترة الزمنية التي يمكن أن تزود فيها الطاقة الكهروضوئية بالكهرباء حسب مشروع تخزين الطاقة ونوعه. تزود أنظمة تخزين الطاقة ذات الفترات القصيرة بالطاقة لبضع دقائق فقط، بينما يوفر تخزين الطاقة النهاري الطاقة لساعات. توفر أنظمة الضخ المائي والهواء المضغوط وبعض أنظمة تخزين الطاقة بالبطاريات تخزينًا نهاريًا، بينما تدعم أنظمة البطاريات الأخرى والحَذّافَات التخزين لمدة قصيرة.

قد تكون تكاليف الطاقة العالية ومُدَد التخزين القصيرة عقباتٍ أمام اعتماد بعض أنظمة تخزين الطاقة، ولكنّ الباحثين يعملون على تذليل تلك العقبات. قد تمكّن الابتكارات في التقنية أنظمة التخزين الكهربائية منخفضة التكلفة من توفير الكهرباء لمدة 10 ساعات أو أكثر، مما قد يزيد من استقرار إمدادات الكهرباء مع زيادة مصادر الطاقة المتجددة.

يحظى تطوير مثل هذا التخزين طويل الأجل للطاقة (LDES) أيضًا بدعم صانعي السياسات، حيث تقوم دول مثل إسبانيا والمملكة المتحدة والولايات المتحدة بتطوير خطط لتشجيع مشاريع LDES.