بناءً على الأشكال المختلفة لتخزين الطاقة،تقنيات تخزين الطاقةويمكن تقسيمها إلى خمس فئات: تكنولوجيا تخزين الطاقة الميكانيكية، تكنولوجيا تخزين الطاقة الكهروكيميائية، تكنولوجيا تخزين الطاقة الكهربائية، تكنولوجيا تخزين الطاقة الكيميائية، وتكنولوجيا تخزين الطاقة الحرارية.
◇تكنولوجيا تخزين الطاقة الكهربائية
◇تكنولوجيا تخزين الطاقة الكيميائية
تكنولوجيا تخزين الطاقة الميكانيكية
وكما هو معروف، توجد في الطبيعة أشكال مختلفة من الطاقة الحركية والطاقة الكامنة، مثل المياه الجارية، والرياح الطبيعية، والمد والجزر، والأمواج؛ تولد الأنشطة البشرية أيضًا قدرًا كبيرًا من الطاقة الحركية والمحتملة، مثل نقل الأشخاص والمركبات والسفن والسوائل. وجميع هذه الطاقات، سواء تلك المتولدة في الطبيعة أو تلك المتولدة عن الأنشطة البشرية، هي مصادر طاقة متجددة. الطاقة الميكانيكية هي مجموع الطاقة الحركية والطاقة الكامنة، وهي كمية فيزيائية تمثل حالة الحركة والارتفاع لجسم ما. يمكن تحويل الطاقة الحركية والطاقة الكامنة لجسم ما إلى بعضها البعض؛ في عملية التحويل المتبادل بين الطاقة الحركية والطاقة الكامنة، يظل إجمالي كمية الطاقة الميكانيكية ثابتًا، أي يتم الحفاظ على الطاقة الميكانيكية.
تخزين الطاقة الميكانيكية هو تقنية تقوم بتحويل الطاقة إلى طاقة ميكانيكية للتخزين ومن ثم تحويلها مرة أخرى إلى طاقة كهربائية عند الحاجة. تشمل طرق تخزين الطاقة الميكانيكية الشائعة تخزين الطاقة المائية بالضخ، وتخزين الهواء المضغوط، وتخزين طاقة دولاب الموازنة. تتميز تقنيات تخزين الطاقة الميكانيكية عادةً بكثافة طاقة عالية وقدرات استجابة سريعة وعمر خدمة طويل، مما يجعلها مناسبة لتنظيم الشبكة وإمدادات الطاقة في حالات الطوارئ. يختلف وقت تخزينها وحجمها اعتمادًا على التقنية المحددة، ويتراوح من دقائق إلى أيام، ويمكن أن تلبي احتياجات تخزين الطاقة المتنوعة.
تخزين المياه بالضخ:
يعد التخزين المائي بالضخ حاليًا أكثر تقنيات تخزين الطاقة على نطاق واسع -استخدامًا. يستخدم الكهرباء لضخ المياه من خزان منخفض المستوى-إلى خزان عالي المستوى-، مما يؤدي إلى تخزين الطاقة الكامنة فيه. خلال فترات ذروة الطلب على الكهرباء، يتم إطلاق المياه لتوليد الكهرباء من خلال التوربينات. تتميز هذه الطريقة بكفاءة تحويل عالية نسبيًا (عادةً 70%-85%)، وهي مناسبة لتنظيم اختلافات الوادي -الذروة في شبكة الطاقة، وتوفر سعة تخزين كبيرة وتشغيلًا مستقرًا.
غالبًا ما يستخدم التخزين المائي الذي يتم ضخه لدعم تكامل شبكة الطاقة المتجددة، وتحقيق التوازن بين تقلبات العرض والطلب، ويمتلك مدة تخزين طويلة وقدرة احتياطية قوية. ويظهر مبدأها في الشكل 1-1.
تخزين طاقة الهواء المضغوط:
يتضمن تخزين طاقة الهواء المضغوط ضغط الهواء باستخدام ضاغط يعمل بالكهرباء وتخزينه في كهوف أو خزانات أو أوعية ضغط تحت الأرض. عندما يزداد الطلب على الكهرباء، يتم إطلاق الهواء المضغوط المخزن، وتسخينه، واستخدامه لتشغيل التوربينات لتوليد الكهرباء. عادةً ما يوفر تخزين طاقة الهواء المضغوط إمكانات تخزين طاقة كبيرة-على المدى الطويل-بكفاءة تتراوح بشكل عام من 50% إلى 70%. ويمكن تحسين هذه الكفاءات بشكل أكبر عند دمجها مع تقنيات استعادة الحرارة. وهي مناسبة للتكامل مع محطات توليد الطاقة الكبيرة-التي تعمل بالطاقة المتجددة لتعزيز مرونة الشبكة واستقرارها.
تخزين الطاقة دولاب الموازنة:
يستخدم تخزين طاقة دولاب الموازنة محركًا لقيادة دولاب الموازنة بسرعة عالية، وتحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة حركية للتخزين. عند الحاجة، تستخدم دولاب الموازنة مولدًا لتحويل الطاقة الحركية مرة أخرى إلى طاقة كهربائية. تُعرف تقنية تخزين الطاقة ذات دولاب الموازنة بسرعة الاستجابة السريعة للغاية (عادةً في نطاق المللي ثانية) ودورة الحياة العالية (ما يصل إلى مئات الآلاف من الدورات)، مما يجعلها مناسبة لسيناريوهات تخزين الطاقة-المدى القصير والعالية-، مثل تنظيم تردد الشبكة وإمدادات الطاقة غير المنقطعة (UPS). يتمتع تخزين طاقة دولاب الموازنة بكفاءة تحويل عالية عادةً، حيث تصل إلى 85%-95%، ولكن وقت تخزينها قصير نسبيًا، ويستخدم عادةً لموازنة تقلبات الطاقة على المدى القصير-. يوضح الشكل 1-2 الرسم التخطيطي لنظام طاقة تخزين الطاقة دولاب الموازنة.
تكنولوجيا تخزين الطاقة الكهروكيميائية
تخزين الطاقة الكهروكيميائية هي تقنية تقوم بتحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة كيميائية من خلال التفاعلات الكهروكيميائية، وتخزينها ومن ثم تحويلها مرة أخرى إلى طاقة كهربائية عند الحاجة إليها. جوهرها هو تخزين وإطلاق الطاقة من خلال عملية شحن وتفريغ البطاريات. تتمتع تقنية تخزين الطاقة الكهروكيميائية بمزايا مثل سرعة الاستجابة السريعة والكفاءة العالية والتركيب المرن والتصميم المعياري، مما يجعلها مناسبة لسيناريوهات مثل شبكة الطاقة المتجددة-تنظيم التردد المتصل وتنظيم الوادي في الذروة-وإمدادات الطاقة في حالات الطوارئ. حاليًا، تشتمل تقنيات تخزين الطاقة الكهروكيميائية السائدة على بطاريات الرصاص-الحمضية، وبطاريات النيكل-هيدريد المعدن، وبطاريات الليثيوم-أيون، وبطاريات أيون الصوديوم-، وبطاريات التدفق، ولكل منها أداء فريد وسيناريوهات تطبيق وإمكانات تطوير. مع تزايد نسبة الطاقة المتجددة، يلعب تخزين الطاقة الكهروكيميائية دورًا حاسمًا في تحويل هيكل الطاقة العالمي ويمثل ضمانًا مهمًا لتحقيق نظام طاقة نظيف{10}ومنخفض الكربون وآمن.
بطاريات الرصاص-الحمضية:
تعد بطاريات الرصاص-الحمضية-تقنية مخزنة للطاقة الكهروكيميائية راسخة ومستخدمة على نطاق واسع. يتضمن مبدأهم استخدام الرصاص وأكاسيده كمواد إلكترود موجبة وسالبة، والمحلول المائي لحمض الكبريتيك كمحلول إلكتروليت، للشحن والتفريغ من خلال تفاعل كهروكيميائي. تتميز بطاريات الرصاص-الحمضية بمزايا مثل انخفاض تكلفة الإنتاج، والتكنولوجيا الناضجة، والموثوقية العالية، والمقاومة القوية للشحن الزائد والتفريغ الزائد-، وتستخدم على نطاق واسع في بطاريات بدء تشغيل السيارات، وإمدادات الطاقة الاحتياطية، وأنظمة تخزين الطاقة. ومع ذلك، تتمتع بطاريات الرصاص الحمضية-بكثافة طاقة منخفضة ودورة حياة محدودة وتحتوي على رصاص سام يمكن أن يلوث البيئة إذا تم التخلص منها بشكل غير صحيح. وعلى الرغم من ذلك، لا تزال بطاريات الرصاص-الحمضية تحتل مكانة هامة في بعض المجالات، وخاصة في التطبيقات الحساسة من حيث التكلفة-. في المستقبل، ستكون إعادة التدوير الصديقة للبيئة وتحسين أداء بطاريات الرصاص-الحمضية بمثابة اتجاهات رئيسية لتطوير هذه التكنولوجيا.
بطاريات النيكل-ميتال هيدريد (NiMH):
بطاريات NiMH هي تقنية تخزين الطاقة الكهروكيميائية التي تستخدم هيدروكسيد النيكل كقطب موجب وهيدريد النيكل كقطب سلبي. إنها توفر مزايا مثل كثافة الطاقة العالية، والصداقة البيئية، ودورة الحياة الطويلة. بالمقارنة مع البطاريات التقليدية، لا تحتوي بطاريات NiMH على المخاطر الكيميائية المرتبطة بالكادميوم والموليبدينوم، مما يجعلها أكثر صداقة للبيئة. ولذلك، فهي تستخدم على نطاق واسع في الأدوات الكهربائية، والمركبات الهجينة، والأجهزة الإلكترونية المحمولة. كما أنها تتمتع بكفاءة تفريغ شحن عالية- ويمكن أن تعمل بثبات في بيئات مختلفة. السمة الرئيسية لبطاريات النيكل هي الشحن الزائد القوي وتحمل التفريغ الزائد-، مما يجعلها ممتازة في التطبيقات التي تتطلب شحنًا وتفريغًا متكررًا. على الرغم من أن ظهور بطاريات أيون الليثيوم- في السنوات الأخيرة أدى إلى انخفاض الحصة السوقية لبطاريات NiMH، إلا أنها لا تزال تحتفظ بمكانتها في مجالات تطبيق محددة.
بطاريات الليثيوم-أيون:
بطاريات الليثيوم-أيون هي تقنية لتخزين الطاقة الكهروكيميائية التي تحقق الشحن والتفريغ من خلال إدخال واستخلاص أيونات الليثيوم بين الأقطاب الكهربائية الموجبة والسالبة. أدى وزن الليثيوم الخفيف وكثافة الطاقة العالية إلى الاستخدام الواسع النطاق لبطاريات الليثيوم-أيون في الأجهزة الإلكترونية المحمولة، والمركبات الكهربائية، وتخزين الطاقة المتجددة. توفر بطاريات الليثيوم-أيون مزايا مثل عمر الدورة الطويل وعدم وجود تأثير على الذاكرة، ولكن لديها أيضًا بعض المخاوف المتعلقة بالسلامة، مثل الانفلات الحراري الناتج عن الشحن الزائد والتفريغ الزائد-. ومع التقدم التكنولوجي، تحسنت السلامة والأداء الكهروكيميائي لبطاريات الليثيوم-أيون بشكل مستمر، في حين انخفضت التكاليف، مما يجعلها واحدة من بطاريات تخزين الطاقة الأكثر استخدامًا على نطاق واسع في السوق اليوم. في المستقبل، من المتوقع أن يؤدي تطوير تقنيات مثل -الشوارد الكهربائية ذات الحالة الصلبة والأنودات-المعتمدة على السيليكون إلى زيادة تحسين الأداء الكهروكيميائي وسلامة بطاريات الليثيوم-.
بطاريات أيون الصوديوم-:
تعد بطاريات أيونات الصوديوم- تقنية جديدة لتخزين الطاقة الكهروكيميائية سريعة التطور في السنوات الأخيرة. يشبه مبدأ عملها مبدأ بطاريات أيون الليثيوم-، حيث تتداخل أيونات الليثيوم وتزيل التداخل بين الأقطاب الكهربائية الموجبة والسالبة للشحن والتفريغ. تكمن مزايا بطاريات أيون الصوديوم- في وفرة موارد الصوديوم وانخفاض تكلفتها، واستقلالها عن قيود موارد الليثيوم، مما يجعلها مناسبة بشكل خاص لتطبيقات تخزين الطاقة على نطاق واسع-. على الرغم من أن كثافة الطاقة الخاصة بها أقل من كثافة بطاريات أيون الليثيوم-، فإن بطاريات أيون الصوديوم- تظهر أداءً جيدًا من حيث استقرار الدورة، وأداء درجة الحرارة المنخفضة-، والسلامة، مما يظهر وعدًا كبيرًا للتطوير المستقبلي. في الوقت الحالي، تركز الأبحاث المتعلقة ببطاريات أيون الصوديوم- على تحسين كثافة الطاقة وإطالة عمر الدورة وتقليل تكاليف التصنيع. ومع التقدم التكنولوجي المستمر، من المتوقع أن تصبح بطاريات أيونات الصوديوم- أحد الحلول المهمة لتخزين الطاقة-على نطاق واسع في المستقبل.
بطارية التدفق:
بطاريات التدفق هي تقنية تخزين الطاقة الكهروكيميائية حيث يتم تخزين المنحل بالكهرباء في خزان خارجي. يتضمن مبدأهم تخزين وإطلاق الطاقة من خلال التفاعلات الكهروكيميائية بين اثنين من الشوارد المختلفة داخل البطارية. من الخصائص المهمة لبطاريات التدفق طاقتها القابلة للتعديل بشكل مستقل وإخراج الطاقة؛ يمكن توسيع سعة التخزين عن طريق زيادة كمية الإلكتروليت المخزنة، مما يجعلها مناسبة بشكل خاص لتطبيقات تخزين الطاقة الكبيرة-والطويلة-المدى. تشمل الأنواع الشائعة من بطاريات التدفق بطاريات تدفق الأكسدة والاختزال الفاناديوم وبطاريات تدفق الزنك/البروم. توفر بطاريات التدفق عمرًا طويلًا وأمانًا جيدًا وصداقة للبيئة، لكن استثمارها الأولي مرتفع ونظام البطارية معقد. ومع التقدم التكنولوجي، تظهر تدريجيًا إمكانات بطاريات التدفق في تخزين الطاقة على نطاق واسع-، خاصة في تكامل شبكات الطاقة المتجددة وتطبيقات تنظيم الشبكات.