انطلاقة الطاقة الخضراء تنتظر علاج معضلة التخزين

من جدار بحري تشتد به الرياح على ساحل شمال كنت في إنجلترا، تشير ماري كينج إلى أميال من أراضي المستنقعات الزراعية الخالية حيث سيكون هناك قريبا الآلاف من الألواح الشمسية وإحدى أكبر منشآت البطاريات في البلاد.
على بعد ميل من كنيسة نورمان في قرية جريفني، ستساعد مئات حاويات الشحن المليئة بخلايا البطاريات على توصيل الطاقة إلى شبكة المملكة المتحدة الكهربائية. ستوفر خدمة أساسية لإدارة الاستخدام المتزايد لطاقة الرياح والطاقة الشمسية، التي يتقلب عرضها مع الطقس، وتفي بوعود السياسيين بمستقبل أكثر اخضرارا.
تقول كينج، وهي متقاعدة كانت تعمل في الخدمات المالية في لندن: "نطاق هذا المشروع هو ما يقلقني. نحن لسنا ضد الطاقة المتجددة – لكننا نرى فقط أنها يجب أن تكون في المكان المناسب".
من المتوقع أن تصبح محطات البطاريات هذه مشهدا مألوفا في جميع أنحاء المملكة المتحدة وأماكن أخرى. أصبحت مصادر الطاقة المتجددة مثل الرياح والطاقة الشمسية أرخص من الوقود الأحفوري في معظم أنحاء العالم، لكنها تحتاج إلى التخزين لتكون مصدرا مستقرا ويحتوي على مقومات الحياة. في الأسبوع الماضي، تعهد رئيس الوزراء البريطاني بوريس جونسون بتركيب ما يكفي من توربينات الرياح لتزويد كل منزل بالكهرباء بحلول 2030، لكن ذلك سيتطلب حلولا لإدارة الإمداد المتقطع للطاقة.
هذا هو المكان الذي يشكل الوضع المناسب للبطاريات – الأجهزة التي تخزن الكهرباء كطاقة كيميائية. بطاريات أيون الليثيوم، المستخدمة في الهواتف المحمولة وسيارات تسلا الكهربائية، هي تكنولوجيا التخزين المهيمنة حاليا ويتم تركيبها من كاليفورنيا إلى أستراليا، وعلى الأرجح في كنت، لمساعدة شبكات الكهرباء على إدارة الإمدادات المتزايدة للطاقة المتجددة. قال إيلون ماسك، الرئيس التنفيذي لشركة تسلا، إنه يتوقع أن تكون أعمال الشركة على المدى الطويل في مجال الطاقة – بما في ذلك توريد الطاقة الشمسية وبطاريات أيون الليثيوم الضخمة للشبكة – كبيرة مثل أعمالها في مجال السيارات.
لكن إلى جانب بطاريات أيون الليثيوم، فإن تكنولوجيات التخزين الأرخص التي تدوم فترات أطول – ومعظمها ليست ذات كفاءة اقتصادية من حيث التكاليف حتى الآن – ستكون مطلوبة للاستبدال التام لمحطات توليد الكهرباء التي تعمل بالوقود الأحفوري والسماح باستخدام الطاقة المتجددة بنسبة 100 في المائة. في الوقت الحالي، محطات توليد الكهرباء التي تعمل بالغاز تقوم بسد الفجوة من مصادر الطاقة المتجددة لتوفير إمدادات مستقرة من الطاقة لفترة أطول مما تستطيعه البطاريات الحالية.
جزء من الثورة الصناعية الخضراء التي أطلقتها حكومة المملكة المتحدة الأسبوع الماضي هو صندوق ابتكار للطاقة بميزانية مليار جنيه للمساعدة على الإنتاج التجاري لتكنولوجيات جديدة منخفضة الكربون. وتشمل هذه بطارية هواء سائل تصنعها شركة هايفيو باور خارج مانشستر.
من دون التخزين سيكون من الصعب على الدول تقليل استخدامها بشكل كبير لمحطات توليد الكهرباء التي تعمل بالغاز والفحم وتقليل الآثار الضارة لتغير المناخ، من ارتفاع مستويات سطح البحر إلى الظروف الجوية القاسية.
من تكنولوجيات البطاريات التي تستخدم مواد خام وفيرة إلى الصخور البركانية، وخزانات مليئة بالهواء السائل والأنظمة التي تنزل الأثقال أسفل أعمدة المناجم المهجورة، تتسابق الشركات لتطوير الفتح الكبير التالي الذي سيفتح مغاليق الطاقة المتجددة على نطاق واسع بحلول منتصف القرن. وهو مسعى مدعوم من قبل عدد من قادة الأعمال البارزين، بمن فيهم بيل جيتس مؤسس مايكروسوفت وماسايوشي سون من سوفت بانك.
يقول روري مكارثي، وهو محلل في شركة وود ماكينزي لاستشارات الطاقة: "إذا كنا نريد إزالة الكربون بالكامل، فستكون كل هذه التكنولوجيات مطلوبة. لكن حجم الاستثمار الذي نحتاج إليه لإحداث تقدم ملحوظ في أي شيء هو مليارات الدولارات".

سلسلة توريد من دون مخزون

في كل يوم، يجب أن تقوم شبكات الكهرباء باستمرار بالمطابقة بين العرض والطلب – وهو إنجاز يصبح أكثر صعوبة بكثير عندما تتخلص من المحطات التي تعمل بالفحم والغاز التي توفر إمدادا ثابتا وموثوقا للطاقة. دونالد سادواي، وهو أستاذ كيمياء كندي في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، يشبه الشبكة بأنها "أكبر سلسلة إمداد في العالم، من دون مخزون".
في الربع الأول وفرت مصادر الطاقة المتجددة مستوى قياسيا بلغ 47 في المائة من كهرباء المملكة المتحدة. مع ذلك، سبب هذا النجاح مشكلة بعد أسابيع فقط عندما انخفض الطلب على الطاقة بنسبة تصل إلى 20 في المائة بعد أول إغلاق وطني لفيروس كورونا في آذار (مارس). تصبح مهمة الشبكة الوطنية أكثر صعوبة عندما يصل توليد الكهرباء من مصادر الطاقة المتجددة إلى نحو 50 في المائة من الإجمالي – فهي تحتاج إلى مساعدة توربينات دوارة كبيرة لمحطات الوقود الأحفوري لتخفيف التقلبات في النظام.
مع انخفاض الطلب، كان ذلك يعني أن حصة مصادر الطاقة المتجددة من مزيج الطاقة قد تجاوزت النصف، واضطر المهندسون في مركز التحكم في الشبكة الوطنية إلى إجراء عملية موازنة دقيقة، اشتمل جزء منها على زيادة استخدام التخزين – وهو، كما يقول المدافعون، يبرهن على صحة التوسع في التكنولوجيا.
وتبين أنها حالة اختبار للكيفية التي ستكون عليها الشبكة في المستقبل، عندما تكون هناك حصة أكبر من الطاقة المتجددة، كما يقول بيتر كافانا، الرئيس التنفيذي لشركة هارموني إنيرجي، التي تزود الشبكة بالكهرباء من ست بطاريات أيون ليثيوم من تسلا في بول على الساحل الجنوبي لإنجلترا.
يقول: "الطاقة الشمسية وطاقة الرياح هما أرخص أشكال التوليد في عدد من الدول، لكنك تحتاج إلى هذا التخزين لجعله ينجح بمجرد حصولك على (...) حجم معين من مزيج الطاقة لديك، كما رأينا خلال كوفيد. كوفيد أثبت صحة الحجة التجارية الداعية إلى تخزين البطاريات قبل خمسة أعوام من موعدها".
أكثر من 97 في المائة من عمليات تخزين الطاقة في العالم تتم حاليا باستخدام الكهرباء لضخ المياه إلى خزان مرتفع ثم إطلاقها، ما يؤدي إلى تشغيل التوربينات لتوليد المزيد من الكهرباء، وهو ما يسمى "ضخ طاقة المياه". يعمل خزان الماء وسيلة لتخزين الطاقة. لكن هذه الأنظمة تواجه تحديات بسبب الجغرافيا ويمكن أن تكون محدودة بسبب زيادة ندرة المياه في المستقبل.
تتمثل ميزة بطاريات أيون الليثيوم في أنها يمكن وضعها في أي مكان ويمكنها توفير الكهرباء للشبكة بسرعة كبيرة، كما هي الحال في السيارات الكهربائية. يمكن أن تستجيب خلال أجزاء من الألف من الثانية وتوفر بشكل عام ما يصل إلى أربع ساعات من التخزين، ما يساعد الشبكات على التعامل مع الانقطاعات المفاجئة في توليد الكهرباء، لكنها أقل فعالية من حيث التكلفة على المدى الطويل. في المملكة المتحدة، توفر أغلبية بطاريات أيون الليثيوم الكبيرة الطاقة لمدة 30-90 دقيقة.
يخشى السكان المحليون، مثل كينج، على سلامتهم بعد سلسلة من حرائق البطاريات على مدى الأعوام القليلة الماضية. كان هناك 33 حريقا في منشآت في كوريا الجنوبية خلال 2017 و2018 فقط، ووقعت حوادث في الفترة الأخيرة في المملكة المتحدة والولايات المتحدة.

خليط من التكنولوجيات

يمكن للتكنولوجيات البديلة أن تتيح تخزينا أكثر أمانا لكميات كبيرة من الطاقة ولفترات زمنية أطول، ما يسمح بتكامل أكبر مع طاقة الرياح والطاقة الشمسية. ولكن يجب زيادة حجمها بسرعة لتلبية الطلب المتزايد ولتصبح تنافسية من حيث التكلفة.
في كانون الثاني (يناير) أصدرت لجنة كاليفورنيا للطاقة، وهي وكالة التخطيط وسياسة الطاقة الأساسية في تلك الولاية الأمريكية، دعوة لتخزين الطاقة على المدى الطويل – المعرف على أنه تزويد الطاقة لأكثر من عشر ساعات – بما يكفي لتخزين يوم من الطاقة الشمسية من أجل الاستخدام أثناء الليل.
من بين الفائزين بالمناقصة كانت إنفينيتي إنيرجي سيستمز Invinity Energy Systems، وهي شركة تستخدم بطاريات كبيرة تعتمد على الفاناديوم، وهي مادة خام تستخدمها صناعة الصلب لزيادة قوة المعدن. هذه البطاريات التي تسمى بطاريات تدفق الأكسدة والاختزال – التي طورتها وكالة ناسا لأول مرة في السبعينيات – تستخدم خزانات كبيرة من الإلكترولايتات المشحونة بشكل منفصل لتخزين الطاقة، ما يجعل توسيع السعة أسهل من البطاريات التقليدية.
يقول مات هاربر، كبير الإداريين التجاريين في الشركة، إن بطاريات الفاناديوم يمكن أن تخزن ما بين ثماني إلى عشر ساعات من الطاقة المتجددة خلال النهار ونشرها خلال ذروة الطلب، أو أثناء الليل، ما يساعد على وضع حد أدنى لأسعار الكهرباء. يقول: "من المرجح أن تخمد حريقا أكثر من إشعاله"، لأنها تستخدم إلكترولايت القائم على الماء. كما أنها تدوم لفترة أطول من خلايا أيون الليثيوم – ويمكن أن تستمر لمدة 30 عاما.
في وسط مدينة داليان، شمال شرقي الصين، تبني شركة رونجكي للكهرباء أكبر بطارية فاناديوم في العالم. بمعدل 800 ميجا واط ساعة، سيكون حجمها أكبر بثلاث مرات من أكبر منشأة لبطاريات أيون الليثيوم في العالم في كاليفورنيا. وستساعد شبكة الكهرباء في مقاطعة لياونينج على إحداث تكامل أفضل مع طاقة الرياح.
يقول لي بين، مدير التسويق في رونجكي: "لا يسمح لنا بتركيب بطارية أيون الليثيوم كبيرة الحجم في وسط المدينة، بسبب مخاوف تتعلق بالسلامة. لم يتم حل مشكلات السلامة في بطاريات أيون الليثيوم".
لكن أسعار الفاناديوم متقلبة للغاية. ارتفعت إلى 127 دولارا للكيلوجرام في تشرين الثاني (نوفمبر) 2018 قبل أن تنخفض إلى 25 دولارا للكيلوجرام اليوم، ما قد يكون له تأثير في تكلفة الإنتاج.
يعتقد البروفيسور سادواي، من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، أن التكنولوجيات يجب أن تعتمد على مواد أكثر وفرة من المواد المستخدمة في بطاريات أيون الليثيوم والفاناديوم مثل الألومنيوم والكبريت والكالسيوم وحجر الكحل. في 2005 ساعد البروفيسور سادواي على تطوير بطارية معدنية سائلة تستخدم الكالسيوم وحجر الكحل وإلكترولايت الملح المصهور. الشركة التي طورتها، أمبري، كانت مدعومة منذ البداية من قبل جيتس، الذي استثمر فيها بعد مشاهدة محاضرات للبروفيسور سادواي عبر الإنترنت.
تهدف بطارية أمبري إلى تخزين الطاقة لمدة تزيد على ست ساعات ويعتقد سادواي أن تكلفتها يمكن أن تقل عن 150 دولارا لكل كيلو واط ساعة عند نشرها على نطاق واسع، ما يجعلها أرخص من أنظمة أيون الليثيوم الحالية. يقول: "نريد المضاربة على سعر بطاريات أيون الليثيوم".
لم تجد الشركة حتى الآن زبونا تجاريا كبيرا، ويحذر سادواي من الخط الزمني الطويل لتطوير كيميائيات بطاريات جديدة: يقول: "هذه تكنولوجيا صعبة، إنها صناعة ثقيلة، إنها ليست مثل كتابة برنامج للحاسوب. هذا صعب حقا".

طريقة العصر الحجري

هناك آخرون يبحثون عن خيارات التخزين، وهم يتجنبون البطاريات تماما ويجربون الحلول الطبيعية والفيزيائية المشابهة لضخ الطاقة المائية – التي يمكنها إرسال الطاقة على مدار 20 ساعة – لكن دون الحاجة إلى الخزانات الطبيعية.
خارج مدينة هامبورج الألمانية، يوجد مبنى خرساني كبير رمادي اللون من دون نوافذ مكتوب على واجهته بأحرف أرجوانية "مرحبا بكم في العصر الحجري الجديد". يتم تشغيل المحطة من قبل شركة سيمنز جاميزا، ثاني أكبر شركة لتصنيع توربينات الرياح في العالم، وتستخدم ألف طن من الصخور البركانية من النرويج لتخزين 130 ميجا واط من الطاقة على شكل حرارة، ما يوفر طاقة كافية لنحو ثلاثة آلاف منزل ألماني، أو ما يقارب 750 سيارة كهربائية.
تستخدم الكهرباء لتسخين الصخور البركانية أولا إلى 600 درجة مئوية على الأقل. يمكن تخزين الطاقة لمدة تصل إلى أسبوع، لكن الهدف هو إرسال الطاقة أثناء الليل. يمكن تركيب النظام في محطات الطاقة التي تعمل بالفحم التي تغلق وتستخدم توربيناتها، وفقا لحسن أوزديم، رئيس مشاريع الابتكار في شركة سيمنز جاميزا.
يقول: "يمكنك تحويلها إلى مرافق تخزين عملاقة. تبحث أكبر المرافق بشكل مستميت عن خيار حياة ثانية لأنه لا يمكنك بيعها – لا أحد يشتري محطات كهرباء تعمل بالفحم. نحن نعرض استمرار تشغيلها بهدف الحفاظ على البيئة".
في ضواحي مانشستر هناك مشروع مماثل يتشكل في موقع محطة كهرباء تم إيقاف تشغيلها – باستخدام أوعية من الهواء السائل بدلا من الصخور البركانية. بدأت شركة هايفيو باور العمل في معملها الذي تبلغ قدرته 250 ميجا واط في ترافورد إنيرجي بارك في تشرين الثاني (نوفمبر) بعد فوزها بمنحة قدرها عشرة ملايين جنيه من وزارة الأعمال والطاقة والاستراتيجية الصناعية في المملكة المتحدة.
يقول خافيير كافادا، الرئيس التنفيذي للشركة: "أيون الليثيوم هو تكنولوجيا رائعة، لكنه صغير جدا أمام التحديات التي تواجهها الشبكة. أنموذج العمل القائم على التخزين طويل الأمد هو التأكد من استخدام كل طاقة الرياح والطاقة الشمسية".

أيون الليثيوم .. التكنولوجيا المسيطرة

على الرغم من مزاياها المختلفة، ستجد هذه التكنولوجيات صعوبة في التغلب على النطاق التصنيعي الذي يتميز به أيون الليثيوم، المدفوع بزيادة الاستثمار في السيارات الكهربائية على مدى العقد الماضي. انخفض سعر بطاريات أيون الليثيوم 87 في المائة بالقيمة الحقيقية بين 2010 والعام الماضي، إلى نحو 156 دولارا لكل كيلو واط ساعة، وفقا لبلومبيرج نيو إنيرجي فاينانس.
من المرجح أن ينخفض هذا السعر أكثر. على الصعيد العالمي من المتوقع أن يرتفع تركيب البطاريات بهدف التخزين في الشبكة إلى 741 جيجا واط ساعة بحلول 2030، معظمها من أيون الليثيوم، بقيادة الولايات المتحدة والصين، وفقا لشركة وود ماكينزي. يكفي جيجا واط ساعة واحدة لتزويد الكهرباء إلى مليون منزل لمدة ساعة.
إضافة إلى ذلك، الهيدروجين، الذي يتم إنتاجه من خلال التحليل الكهربائي للماء، يمكن أن يبرز باعتباره حلا تنافسيا لتخزين الطاقة لفترات زمنية أطول. يمكن تخزين الهيدروجين في الكهوف تحت الأرض أو في حقول النفط والغاز المستنفدة.
يقول هيو برينان، المدير الإداري لشركة هايف إنيرجي، إن الشركة التي تخطط لموقع كلايف هيل للطاقة الشمسية والتخزين بالقرب من جريفني، هي الآن بصدد تحديد أي تكنولوجيا ستستخدم لبطاريتها لكن من المرجح أن تختار أيون الليثيوم.
يقول: "إنها مثل محاولة عدم شراء آيفون. من المربح أيضا توفير تخزين الطاقة على المدى القصير للاستفادة من أسعار الطاقة المختلفة"، مضيفا أن الشركة تخطط لتركيب ما لا يقل عن 200 ميجا واط ساعة من البطاريات.
لكن هناك في جريفني لافتات معلقة خارج الكنيسة وبجانب الطريق عليها صور لأقنعة الغاز وشعار "لا توجد محطة للطاقة الشمسية!" تشير كينج ومقيمون آخرون إلى أنهم لا يعارضون التوسع في الطاقة المتجددة، لكنهم يأملون في استخدام تكنولوجيا تخزين أخرى للموقع.
تقول كينج: "رغم كل المخاطر، فإنها لا تمنحهم قدرة هائلة على تخزين الطاقة. إذا كانت هناك تكنولوجيا مختلفة أكثر أمانا، فمن الواضح أننا سنرحب بها".

ما وراء أيون الليثيوم

يتطلب تخزين الطاقة المتجددة تكنولوجيات منخفضة التكلفة لها دورات حياة طويلة، يمكن شحنها وتفريغها عدة مرات، وتكون آمنة ويمكنها تخزين طاقة كافية بتكلفة اقتصادية لمطابقة الطلب.
بطاريات تدفق الأكسدة والاختزال من الفاناديوم تستخدم خزانين يحتويان على إلكترولايتات سائلة موجبة وسالبة الشحنة يتم ضخها عبر غشاء في خلية. البطاريات لديها تحلل أقل من أيون الليثيوم ودورة حياة أطول.
يتم تبريد الهواء السائل إلى درجة 196 مئوية تحت الصفر، وبعد ذلك يتم تخزينه في خزانات. ثم يتم تسخينه بحيث يدفع التوربين لتوليد الكهرباء. هناك تكنولوجيا بديلة تستخدم الهواء المضغوط الساخن لتخزين الطاقة في كهوف مبنية لهذا الغرض.
تخزين الجاذبية يتضمن رفع كتل ثقيلة لأعلى ولأسفل أعمدة المناجم المهجورة كوسيلة لتخزين الطاقة وتوليدها.
تخزين الطاقة الحرارية: مالتا، وهي شركة مدعومة من قبل مؤسسة بريكثرو إينرجي فينتشرز، التابعة لبيل جيتس، تخزن الطاقة على شكل حرارة في شكل أملاح منصهرة. تقول الشركة إن التكنولوجيا يمكن أن تدوم أكثر من 20 عاما وهي مناسبة لمدة تزيد على ست ساعات من التخزين.
تستخدم البطاريات المعدنية السائلة معادن تنفصل بشكل طبيعي عند تسخينها لتشكيل كاثود وأنود مفصول بإلكترولايت ملحي. بمجرد تسخينها مبدئيا، تحافظ البطارية على درجة حرارة تشغيلها المرتفعة عن طريق توليد الحرارة عند التفريغ والشحن.
البطاريات منخفضة التكلفة التي تستخدم مواد خام رخيصة مثل الحديد والكبريت والزنك توفر بدائل لتكنولوجيا بطاريات أيونات الليثيوم. مثلا، تقول شركة تطوير البطاريات التي تعتمد على الزنك، EOS، إن بطاريتها لديها القدرة على تفريغ الطاقة على مدار ثلاث إلى 12 ساعة. فورم إنيرجي، وهي شركة ناشئة يدعمها بيل جيتس، تقول إن بطاريتها يمكن أن تخزن الطاقة من الناحية العملية من حيث التكلفة لمدة تصل إلى 150 ساعة.
الهيدروجين: استخدام الكهرباء لإنتاج الهيدروجين هو طريقة لتخزين الطاقة، لكن هناك خسارة لا يستهان بها للطاقة في هذه العملية، ما يجعلها أقل كفاءة من البطاريات.