صناعة

دعم الطاقة المتجددة: يبدو المستقبل مشرقًا لتخزين الطاقة

دعم الطاقة المتجددة: يبدو المستقبل مشرقًا لتخزين الطاقة

منطقة اختبار الجهد العالي ومنطقة اختبار المحولات على السطح الخارجي لمختبر تخزين الطاقة (ESL) ، خليج 3 في مرفق تكامل أنظمة الطاقة (ESIF) في المختبر الوطني للطاقة المتجددة. [مصدر الصورة: دينيس شرودر / نريل]

أصبح تخزين الطاقة على نحو متزايد جزءًا حيويًا من نشر تقنيات الطاقة المتجددة ، ويرجع ذلك إلى حد كبير إلى الطبيعة المتقطعة لبعض أنظمة الطاقة المتجددة ، لا سيما طاقة الرياح والطاقة الشمسية ، والتي نادرًا ما تولد الطاقة عندما يكون الطلب عليها أكبر. وبالتالي فإن دور تخزين الطاقة هو مواجهة الاختلالات التي يسببها هذا التقطع.

في الوقت الحاضر ، تستخدم المرافق محطات التحميل الأساسي للحفاظ على الإمداد. العديد من هذه المحطات تعمل بالفحم والطاقة النووية وتدعمها محطات متابعة الحمل أو "التدوير" ، والتي عادة ما تكون الغاز الطبيعي أو الطاقة الكهرومائية.

تتميز الطاقة المخزنة بأنها متوفرة بشكل أسرع من التوربينات التي تعمل بالطاقة وتخزن الطاقة الزائدة وتحررها عند الحاجة. حتى الآن ، تم ضخ الشكل السائد لتخزين الطاقة المائية ، بناءً على الخزانات حيث يمر الماء عبر المولدات التي تحول الطاقة الكامنة إلى كهرباء. عندما يكون الطلب منخفضًا ، يتم استخدام سعة التوليد الزائدة لضخ المياه من مستوى منخفض إلى خزان أعلى. عندما يزداد الطلب ، يتم إعادة المياه إلى الخزان السفلي ، مروراً بالتوربين الذي يولد الكهرباء. يرتبط هذا النهج بشكل كبير ببلدان مثل النرويج وأجزاء من الولايات المتحدة وويلز. في النرويج ، تبلغ سعة التخزين التي يتم ضخها في الحال 25-30 جيجاوات ، والتي يمكن توسيعها إلى 60 جيجاوات.

في الوقت الحالي ، يتم حاليًا تركيب ما لا يقل عن 140 جيجاوات من تخزين الطاقة على نطاق واسع في شبكات الكهرباء في جميع أنحاء العالم ، وتتكون الغالبية العظمى منها (99 في المائة) من ضخ المياه (PSH) مع ما تبقى من مزيج من البطاريات المضغوطة تخزين طاقة الهواء (CAES) والحذافات والهيدروجين. سيتطلب إزالة الكربون من قطاع الكهرباء ما يقدر بنحو 310 جيجاوات من تخزين إضافي للكهرباء المتصلة بالشبكة في الولايات المتحدة وأوروبا والصين والهند ، وفقًا لآفاق تكنولوجيا الطاقة (ETP) 2014.

ومع ذلك ، هناك مناقشات عالمية متزايدة تدور حول ، أولاً ، في أي ظروف معينة يكون تخزين الطاقة ضروريًا فعليًا لدعم تكامل الطاقة المتجددة ، وثانيًا ، ما هي أنواع تكنولوجيا تخزين الطاقة التي من المحتمل أن نراها من خلال البحث والتطوير عملية التسويق.

على سبيل المثال ، فيما يتعلق بالسؤال الأول ، يقول أموري لوفينز من معهد روكي ماونتن في كولورادو بالولايات المتحدة الأمريكية ، إن تخزين الطاقة قد لا يكون ضروريًا في الواقع.

علاوة على ذلك ، على الرغم من كل الانتقادات الموجهة إلى الطاقة الشمسية وطاقة الرياح من بعض جهات قطاع الطاقة ، وجدت دراسة أجراها علماء في جامعة ستانفورد في مارس 2014 أن طاقة الرياح يمكن أن تنتج بالفعل ما يكفي من الكهرباء الفائضة لدعم ما يصل إلى 72 ساعة من الطاقة المخزنة.

مزرعة الرياح في ريو غراندي دو سول في البرازيل [مصدر الصورة: إدواردو فونسيكا ، فليكر]

وهذا يعني أن صناعة الرياح يمكنها بسهولة التعامل مع فترات الهدوء لمدة ثلاثة أيام في توافر الرياح ، وبالتالي يمكنها أن تنمو وتحافظ على نفسها بمساعدة تخزين الطاقة. ومع ذلك ، هناك حاجة إلى مزيد من العمل للطاقة الشمسية حيث أن بعض التقنيات الشمسية ، مثل السيليكون البلوري ، تنمو بسرعة كبيرة لدرجة أنها أصبحت أحواض طاقة صافية ، في جوهرها تستهلك طاقة أكثر مما تعيده للشبكة. أظهرت دراسة ستانفورد أن معظم التقنيات الكهروضوئية لا يمكنها تحمل سوى 24 ساعة من التخزين ، ولكن هذا لا يزال يعني أنه يمكن نشر أنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية بتخزين كافٍ لتزويد الكهرباء في الليل.

ميزة أخرى للرياح هي أن عائد الطاقة على الاستثمار (EROI) أفضل بكثير من الطاقة الشمسية ، مع قدرة توربينات الرياح على توليد ما يكفي من الكهرباء في غضون بضعة أشهر لتسديد كل الطاقة المطلوبة في بنائها. مع الطاقة الشمسية ، يكون وقت الاسترداد أكثر من عامين.

والأكثر تشجيعًا هو حقيقة أنه إذا تبين أن تخزين الطاقة مطلوب ، فإن جميع أنواع التقنيات الجديدة قيد التطوير في الوقت الحالي ، ويبدو العديد منها واعدًا جدًا بالفعل.

بالإضافة إلى هذه التقنيات الجديدة ، هناك بعض الأفكار المبتكرة الشيقة للغاية التي يقدمها عدد من الأشخاص ذوي الخبرة العالية في هذا القطاع. خذ على سبيل المثال المدونة الخاصة بالعالم الاسكتلندي المجهول الذي يدعو إلى حل تخزين فريد من شأنه تخزين الطاقة من الطاقة الشمسية وطاقة الرياح باستخدام أكياس مملوءة بالهيدروجين تحت الماء.

يجادل عالم اسكتلندي بأنه يمكن تركيب الألواح الكهروضوئية على منصات ، إما بشكل فردي أو منقط في الفراغات بين التوربينات في مزارع الرياح. سيتم الاحتفاظ بالألواح الكهروضوئية فوق مستوى الماء ولكن أقل من المستوى الذي يتداخل فيه وجودها مع تدفق الرياح. سيتم بعد ذلك استخدام غاز الهيدروجين لتخزين الطاقة المتولدة من منصات الطاقة المتجددة.

مفهوم عالم اسكتلندي مثير للاهتمام لتخزين طاقة الرياح والطاقة الشمسية والهيدروجين (الصورة: عالم اسكتلندي)

الطريقة التي ستعمل بها هي هذه. سيتم إرسال فائض طاقة الرياح والطاقة الشمسية الكهربائية عبر كابل تحت البحر لتشغيل التحليل الكهربائي عالي الطاقة تحت الماء ، والذي سيتم استخدامه بعد ذلك لصنع الهيدروجين المضغوط. سيتم تخزين هذا في أكياس غاز قابلة للنفخ تحت الماء ، ليتم نقلها من كيس الغاز إلى المنصة حيث ستعمل على تزويد مولدات التوربينات التي تعمل بالغاز أو خلايا وقود الهيدروجين ، لتوليد الكهرباء عند الطلب في جميع الظروف الجوية.

تستخدم أكياس رفع الهواء بالفعل في أعمال الغطس والإنقاذ وهي متوفرة بأحجام تصل إلى 50 مترًا مكعبًا. لذلك ، يجادل سكوتيش ساينتست ، أنه ينبغي أن يكون من الممكن صنع أكياس غاز أكبر بكثير أو حفر عدة أكياس غاز معًا.

يتم تنفيذ هذا النوع من النهج بشكل أفضل في البحار العميقة لأن ضغط الماء يتناسب مع العمق ، مما يسمح بضغط الهيدروجين بشكل أكثر كثافة. سيسمح هذا بتخزين المزيد من الهيدروجين والمزيد من الطاقة في أكياس الغاز القابلة للنفخ. وفي الوقت نفسه ، يمكن للأكسجين الناتج عن عملية التحليل الكهربائي إما أن ينفجر بعيدًا أو يتم تخزينه بحيث يمكن أن يزيد من كفاءة النظام مع تقليل المنتجات الثانوية لاحتراق أكسيد النيتروجين التي تنتجها المولدات التي تعمل بالهيدروجين.

يجب أن يستخدم التحليل الكهربائي تحت سطح البحر محلول إلكتروليت مخصص من أجل إنتاج الأكسجين كغاز الأنود ، لأن التحليل الكهربائي المباشر لمياه البحر ينتج غاز الكلور عند الأنود. هذا سام ويصعب التخلص منه. لذلك ، يجب فصل محلول الإلكتروليت المركز عن مياه البحر بواسطة غشاء شبه منفذ ، مما يسمح للمياه النقية بالمرور عبره بالتناضح من مياه البحر المخففة.

نظرًا للضغط الذي يمارسه البحر تحت الماء ، لن تكون هناك حاجة إلى وعاء احتواء عالي الضغط للإلكتروليت ، كما هو مطلوب بواسطة أنظمة التحليل الكهربائي عالية الضغط التي تعمل على السطح. سيكون الغشاء شبه المنفذ كافيًا للاحتفاظ بمحلول الإلكتروليت.

يقترح عالم اسكتلندي أنه يمكن نشر الطاقة الشمسية البحرية قبالة الساحل الغربي لإفريقيا ، بين جزر الكناري وجزر كابر فيردي. يمكن أن تكون هناك منطقة أخرى محتملة لنشر هذا النظام في مكان ما حول إسبانيا أو في البحر الأبيض المتوسط. سيتم نقل الكهرباء من هذه المناطق عن طريق موصلات بينية تحت البحر ، كما هو الحال مع مزارع الرياح البحرية.

يمكن العثور على البحار العميقة ، المطلوبة لتخزين الهيدروجين ، على سبيل المثال على عمق أكبر من 4000 متر ، في مناطق معينة من المحيط الأطلسي ، إلى الجنوب الغربي من خليج بسكاي. على هذا الأساس ، يجادل الباحث الاسكتلندي بأن منطقة واحدة مناسبة بشكل خاص لهذا النوع من العمليات ، يمكن أن تكون فقط إلى الغرب والجنوب الغربي من جزر الكناري وإلى الشمال من جزر الرأس الأخضر. ومع ذلك ، قد لا يكون هذا قريبًا بما يكفي لتزويد أوروبا الغربية ، نظرًا لتكاليف كبلات التوصيل الأطول.

حتمًا ، قوبلت هذه الفكرة ببعض الانتقادات. على سبيل المثال ، يشير أحد التعليقات على المدونة إلى تسرب الأكياس الهوائية. ومع ذلك ، يجادل سكوتيش ساينتست بأن الضغط خارج الكيس هو نفسه الضغط الداخلي سيمنع ذلك. في الأساس ، الطريقة الوحيدة لتسرب جزيئات الغاز ، أو الذرات في حالة الهيليوم ، عبر الوسادة الهوائية ، ستكون عن طريق الانتشار ، الأمر الذي يتطلب تدرج ضغط للتغلب على حاجز الطاقة. يعترض نفس التعليق على أن الضغط المضاد للهيدروجين ، الموجود أيضًا في الماء ، سيكون منخفضًا جدًا ، ولأن جزيئات الهيدروجين صغيرة جدًا ، فإنها ستنتشر عبر معظم المواد.

رداً على ذلك ، يقترح العالم الاسكتلندي أنه يمكن استخدام التجارب مع أكياس الغواص المملوءة بالهيدروجين لتقييم هذا الاحتمال وجمع المزيد من البيانات. يلاحظ تعليق آخر على المدونة أن هناك براءات اختراع موجودة بالفعل للأغشية البوليمرية المشحونة أيونيًا والتي من شأنها التغلب على أي مشاكل تتعلق بانتشار الغاز خارج الكيس. علاوة على ذلك ، تتم معالجة التحديات المرتبطة بتخزين الهيدروجين من خلال الأطر العضوية المعدنية (MOFs) ، وهي مركبات تتكون من أيونات معدنية أو مجموعات منسقة مع جزيئات عضوية تشكل هياكل أحادية أو ثنائية أو ثلاثية الأبعاد يمكن استخدامها لتخزين الغازات مثل الهيدروجين وثاني أكسيد الكربون.

يواصل العالم الاسكتلندي القول إن فرق الضغط عبر جدار الكيس قد يختلف من "لا شيء على الإطلاق ، في الجزء السفلي من كيس الغاز ، إلى الاختلاف في ضغط الماء بين ضغط الماء الأعلى في قاع الكيس إلى ضغط الماء المنخفض وأعلى الكيس حسب اختلاف الارتفاع بمعدل اختلاف جو واحد لكل 10 أمتار. لذلك ، بالنسبة لفرق ارتفاع يبلغ 5 أمتار بين أسفل وأعلى كيس الغاز ، سيكون فرق الضغط 0.5 ضغط جوي في أعلى الكيس ".

بمعنى آخر ، سيكون تدرج الضغط منخفضًا إلى حد ما.

هناك مشكلة أخرى محتملة تتمثل في المسافة التي سيتم نقل الكهرباء خلالها. يقترح العالم الاسكتلندي أن هذا يمكن التغلب عليه من خلال تطوير خطوط نقل جهد أعلى. علاوة على ذلك ، فإن دمج الطاقة الشمسية الكهروضوئية مع توربينات الرياح وتخزين الطاقة في مكان بعيد من شأنه أيضًا أن يجعل من الممكن تطوير نظام توليد الكهرباء المشترك الذي سيوفر في حد ذاته قدرة الطاقة القصوى لخط النقل.

المناقشات والمناقشات حول أفكار مثل هذه ستستمر حتماً لعدة سنوات حتى الآن. ومع ذلك ، فإن هذه المناقشة على وجه الخصوص توضح التفكير الابتكاري الجاري حاليًا فيما يتعلق بتخزين الطاقة ، وهذا مجرد هيدروجين تتم مناقشته هنا - هناك العديد من الأفكار الواعدة الأخرى التي يتم البحث عنها باستخدام مجموعة متنوعة من الأساليب المختلفة. أضف كل ذلك ويبدو أنه سيكون هناك سوق مثير للاهتمام للغاية يتم تطويره لتقنيات تخزين الطاقة في السنوات القادمة ، إذا لم يكن موجودًا بالفعل.

لكن دعونا نلقي نظرة على هذا بمزيد من التفصيل. ما الذي يحدث هناك بالفعل؟

مؤخرًا ، في 19 ينايرالعاشر هذا العام ، أعلنت IHS أن التخفيضات في تكلفة البطاريات ، جنبًا إلى جنب مع برامج التمويل الحكومية ومناقصات المرافق ، أدت إلى زيادة بنسبة 45 في المائة في خط أنابيب تخزين الطاقة العالمي على مدار الربع الرابع من عام 2015 (الربع الرابع) مقارنة بالربع السابق لتصل إلى 1.6 جيجاواط في الربع الرابع 2015.

يُظهر الإعلان عن العديد من المشاريع الكبيرة في نهاية عام 2015 أن صناعة التخزين بدأت في الانتقال من مرحلة البحث والتطوير ، بما في ذلك المشاريع الإيضاحية ، إلى المشاريع القابلة للتطبيق تجاريًا. وتضمنت هذه طلبية 90 ميغاواط من STEAG لسوق الاحتياطي الأساسي في ألمانيا و 75 ميغاواط من العقود التي منحتها شركة PG&E لمجموعة من الشركات التي تستخدم مختلف التقنيات الراسخة والناشئة.

تتوقع IHS أن يتم تشغيل ما يقرب من 900 ميجاوات من مشاريع البطاريات المتصلة بالشبكة العالمية في عام 2016 ، مما يدعم المضاعفة المتوقعة لتخزين الطاقة المتصلة بالشبكة العالمية المثبتة. ومن بين المنشآت المخطط لها ، سيكون 45 بالمائة منها في الولايات المتحدة و 20 بالمائة أخرى في اليابان.

لسوء الحظ ، هذا موضوع واسع حقًا ، وهو موضوع لا يزال في مهده فيما يتعلق بمعظم التقنيات خارج البطاريات والتخزين بالضخ. لذلك فإن نظرة عامة شاملة حقًا على ما يجري في قطاع تخزين الطاقة سوف تشغل عدة صفحات أخرى حتى الآن. لذلك ، توقع المزيد من المقالات حول تخزين الطاقة قبل وقت طويل جدًا ، والنظر في مستوى أعمق لبعض الأبحاث الجارية هناك.

شاهد الفيديو: وثائقي طاقة المستقبل (ديسمبر 2020).