Kerry Rippy

في العقود الأخيرة، انخفضت تكلفة توليد الطاقة من الرياح والطاقة الشمسية بشكل كبير.

هذا هو أحد الأسباب التي تجعل وزارة الطاقة الأميركية تتوقع أن تكون الطاقة المتجددة أسرع مصادر الطاقة نموًا في الولايات المتحدة حتى عام 2050.

ومع ذلك، لا يزال تخزين الطاقة مكلفًا نسبيًا. ونظرًا لأن توليد الطاقة المتجددة لا يكون متاحًا طوال الوقت – يحدث عندما تهب الرياح أو تشرق الشمس – فإن التخزين أمر أساسي.

بصفتي باحثًا في المختبر الوطني للطاقة المتجددة “NREL”، أعمل مع الحكومة الفيدرالية والصناعة الخاصة لتطوير تقنيات تخزين الطاقة المتجددة. في تقرير حديث، قدّر الباحثون في NREL أن هناك إمكانية لزيادة سعة تخزين الطاقة المتجددة في الولايات المتحدة بنسبة تصل إلى 3000% بحلول عام 2050.

إليكم ثلاث تقنيات ناشئة يمكن أن تساعد في تحقيق ذلك.

شحنات أطول

من البطاريات القلوية للأجهزة الإلكترونية الصغيرة إلى بطاريات الليثيوم أيون للسيارات وأجهزة الكمبيوتر المحمول، يستخدم معظم الناس البطاريات في العديد من جوانب حياتهم اليومية بالفعل. ولكن لا يزال هناك مجال كبير للنمو.

على سبيل المثال، قد تكون البطاريات عالية السعة ذات أوقات التفريغ الطويلة – حتى 10 ساعات – ذات قيمة لتخزين الطاقة الشمسية في الليل أو زيادة مدى السيارات الكهربائية. في الوقت الحالي، هناك عدد قليل جدًا من هذه البطاريات قيد الاستخدام. ومع ذلك، وفقًا للتوقعات الحديثة، من المحتمل أن يتم تثبيت بطاريات بسعة تصل إلى 100 جيجاواط بحلول عام 2050. وللمقارنة، فإن هذا يعادل 50 ضعف قدرة توليد الطاقة لسد هوفر. هذا يمكن أن يكون له تأثير كبير على جدوى الطاقة المتجددة.

تعمل البطاريات عن طريق إحداث تفاعل كيميائي يُنتج تدفقًا للتيار الكهربائي.

إحدى أكبر العقبات هي الإمدادات المحدودة من الليثيوم والكوبالت، اللذين يُعدَّان حاليًا أساسيين لصنع بطاريات خفيفة الوزن وقوية. ووفقًا لبعض التقديرات، سيتم استنفاد حوالي 10% من الليثيوم في العالم وجميع احتياطيات الكوبالت تقريبًا بحلول عام 2050.

علاوة على ذلك، تُستخرج حوالي 70% من الكوبالت في العالم في الكونغو، في ظروف وثقتها التقارير منذ فترة طويلة بأنها غير إنسانية.

يعمل العلماء على تطوير تقنيات لإعادة تدوير بطاريات الليثيوم والكوبالت، وتصميم بطاريات تعتمد على مواد أخرى. وتخطط شركة Tesla لإنتاج بطاريات خالية من الكوبالت في غضون السنوات القليلة المقبلة. ويهدف آخرون إلى استبدال الليثيوم بالصوديوم، الذي له خصائص مشابهة جدًا لليثيوم، ولكنه أكثر وفرة بأضعاف.

بطاريات أكثر أمانًا

أولوية أخرى هي جعل البطاريات أكثر أمانًا. فأحد مجالات التحسين هو الإلكتروليتات – الوسط، وغالبًا ما يكون سائلاً، ويسمح بتدفق الشحنة الكهربائية من الأنود، أو القطب السالب، إلى الكاثود، أو القطب الموجب للبطارية.

عندما تكون البطارية قيد الاستخدام، تتحرك الجسيمات المشحونة في الإلكتروليت لتحقيق التوازن بين شحنة الكهرباء المتدفقة من البطارية. وغالبًا ما تحتوي الإلكتروليتات على مواد قابلة للاشتعال. وإذا تسربت يمكن أن ترتفع حرارة البطارية وتشتعل أو تذوب.

يعمل العلماء على تطوير إلكتروليتات صلبة، مما يجعل البطاريات أكثر متانة. إذ من الصعب جدًا على الجسيمات التحرك عبر المواد الصلبة مقارنةً بالسوائل، ولكن النتائج المشجعة على نطاق المختبر تشير إلى أن هذه البطاريات قد تكون جاهزة للاستخدام في السيارات الكهربائية في السنوات المقبلة، مع تواريخ مستهدفة للتسويق في وقت مبكر من عام 2026.

بينما ستكون البطاريات ذات الحالة الصلبة مناسبة للإلكترونيات الاستهلاكية والسيارات الكهربائية، فإن العلماء يسعون لتصميمات سائلة بالكامل تُسمَّى بطاريات التدفق لتخزين الطاقة على نطاق واسع.

تتكون بطارية التدفق النموذجية من خزانين من السوائل يجري ضخهما عبر غشاء محصور بين قطبين.

في هذه الأجهزة، يكون كل من الإلكتروليت والأقطاب الكهربائية سوائل. وهذا ما يسمح بشحن سريع للغاية، ويجعل من السهل صنع بطاريات كبيرة جدًا. وحاليًا، هذه الأنظمة مكلفة جدًا، لكن الأبحاث مستمرة لخفض التكلفة.

تخزين ضوء الشمس كحرارة

في بعض الحالات، تكون حلول تخزين الطاقة المتجددة الأخرى أقل تكلفة من البطاريات. على سبيل المثال، تستخدم محطات الطاقة الشمسية المركزة مرايا لتركيز ضوء الشمس، مما يسخن مئات أو آلاف الأطنان من الملح حتى يذوب. يُستخدم هذا الملح المنصهر بعد ذلك لتشغيل مولد كهربائي، تمامًا كما يُستخدم الفحم أو الطاقة النووية لتسخين البخار وتشغيل مولد في المحطات التقليدية.

يمكن أيضًا تخزين هذه المواد المسخنة لإنتاج الكهرباء عندما يكون الجو غائمًا، أو حتى في الليل. هذا النهج يسمح للطاقة الشمسية المركزة بالعمل على مدار الساعة.

يمكن تكييف هذه الفكرة للاستخدام مع تقنيات توليد الطاقة غير الشمسية. فعلى سبيل المثال، يمكن استخدام الكهرباء المولدة من طاقة الرياح لتسخين الملح لاستخدامه لاحقًا عندما لا تكون الرياح تهب.

لا تزال الطاقة الشمسية المركزة مكلفة نسبيًا. وللتنافس مع أشكال أخرى من توليد وتخزين الطاقة، تحتاج إلى أن تصبح أكثر كفاءة. وإحدى الطرق لتحقيق ذلك هي زيادة درجة الحرارة التي يُسخن عندها الملح، مما يمكن من إنتاج الكهرباء بكفاءة أكبر. ولسوء الحظ، الأملاح المستخدمة حاليًا غير مستقرة عند درجات الحرارة العالية. لذا، يعمل الباحثون على تطوير أملاح جديدة أو مواد أخرى يمكنها تحمل درجات حرارة تصل إلى 1.300 درجة فهرنهايت (705 درجة مئوية).

إحدى الأفكار الرائدة للوصول إلى درجات حرارة أعلى تتضمن تسخين الرمال بدلاً من الملح، حيث يمكنها تحمل درجات الحرارة الأعلى. ثم تُنقل الرمال باستخدام سيور ناقلة من نقطة التسخين إلى التخزين. وقد أعلنت وزارة الطاقة، مؤخرًا، عن تمويل محطة طاقة شمسية مركزة تجريبية تعتمد على هذا المفهوم.

وقود متجدد متقدم

تعدُّ البطاريات مفيدة لتخزين الطاقة على المدى القصير، ويمكن أن تساعد محطات الطاقة الشمسية المركزة في تحقيق استقرار الشبكة الكهربائية. ومع ذلك، تحتاج شركات المرافق أيضًا إلى تخزين كميات كبيرة من الطاقة لفترات غير محددة. وهذا هو دور الوقود المتجدد مثل الهيدروجين والأمونيا. ستقوم شركات المرافق بتخزين الطاقة في هذه الأنواع من الوقود عن طريق إنتاجها باستخدام فائض الطاقة، عندما تولد توربينات الرياح والألواح الشمسية كهرباء أكثر مما يحتاج إليه عملاء شركات المرافق.

يحتوي الهيدروجين والأمونيا على طاقة أكثر لكل رطل مقارنة بالبطاريات؛ لذا، فإنهما يعملان في الحالات التي لا تعمل فيها البطاريات. على سبيل المثال، يمكن استخدامهما لشحن الأحمال الثقيلة وتشغيل المعدات الثقيلة، وكوقود للصواريخ.

اليوم، تُصنّع هذه الأنواع من الوقود، بشكل أساسي، من الغاز الطبيعي أو الوقود الأحفوري غير المتجدد من خلال تفاعلات غير فعالة. ولكن، على الرغم من أننا نفكر فيه كوقود صديق للبيئة، فإن معظم غاز الهيدروجين اليوم يُصنع من الغاز الطبيعي.

يبحث العلماء عن طرق لإنتاج الهيدروجين وأنواع الوقود الأخرى باستخدام الكهرباء المتجددة. على سبيل المثال، من الممكن إنتاج وقود الهيدروجين عن طريق تقسيم جزيئات الماء باستخدام الكهرباء. والتحدي الرئيسي هو تحسين العملية لجعلها فعالة واقتصادية. والفائدة المحتملة ضخمة، وهي طاقة غير محدودة ومتجددة بالكامل.

إعداد: وحدة الترجمات بمركز سمت للدراسات
المصدر: BIG THINK