تخزين الطاقة الكهربائيةيشمل بشكل أساسي تخزين الطاقة بالمكثفات الفائقة وتخزين الطاقة فائقة التوصيل. الأول يخزن الطاقة الكهربائية في مجال كهربائي، في حين أن الأخير يخزن الطاقة الكهربائية في مجال مغناطيسي. يتمتع تخزين الطاقة الكهربائية بمزايا كبيرة من حيث كثافة الطاقة وعمر الدورة، ويمكن أن يقلل من تأثير انقطاع الطاقة اللحظي، ويمنع تذبذبات الطاقة ذات التردد المنخفض- في الشبكة، ويحسن خصائص الجهد والتردد.
تخزين الطاقة بالمكثفات الفائقة
المكثفات الفائقة، والمعروفة أيضًا بالمكثفات الكهروكيميائية، هي أجهزة تخزين الطاقة التي تخزن الطاقة من خلال تراكم الشحنات على سطح القطب. تختلف آلية تخزين الطاقة الخاصة بها عن البطاريات التقليدية؛ يقومون بتخزين الطاقة من خلال الشحنة التي تشكلها الطبقة المزدوجة عند واجهة المنحل بالكهرباء - بالقطب الكهربائي. تتميز المكثفات الفائقة بكثافة طاقة عالية للغاية، ودورة حياة طويلة جدًا-، وقدرات تفريغ الشحن السريع-، وبالتالي تجد تطبيقًا واسع النطاق في السيارات الكهربائية، وأنظمة الكبح المتجددة، وإمدادات الطاقة الاحتياطية، وتنظيم تردد الشبكة. ومع ذلك، فإن كثافة طاقة المكثفات الفائقة منخفضة نسبيًا، وأقل بكثير من كثافة بطاريات أيون الليثيوم-، مما يجعلها مناسبة للتطبيقات التي تتطلب تطبيقات طاقة قصيرة-وطويلة الأمد-. في المستقبل، ومع التقدم في علم المواد، من المتوقع أن تزداد كثافة الطاقة للمكثفات الفائقة، وبالتالي توسيع تطبيقاتها في سوق تخزين الطاقة.
يمكن تصنيف المكثفات الفائقة بشكل أساسي إلى ثلاث فئات: المكثفات الكهربائية-المزدوجة الطبقة، ومكثفات فاراداي، والمكثفات الفائقة الهجينة. تستخدم المكثفات الكهربائية ذات الطبقة المزدوجة - مواد الكربون كأقطاب كهربائية، حيث يحدث فصل الشحنة عند السطح البيني السائل - الصلب الذي يتكون من التلامس مع المنحل بالكهرباء، مما يؤدي إلى إنشاء بنية طبقة كهربائية مزدوجة-. تخضع هذه المكثفات لعمليات امتزاز الشحنة الفيزيائية وامتصاصها أثناء الشحن والتفريغ. على الرغم من أن المكثفات الكهربائية-ذات الطبقة المزدوجة تمتلك كثافة طاقة عالية وعمرًا طويلًا، إلا أن كثافة الطاقة بها منخفضة نسبيًا. حاليا، حققت هذه الأجهزة التطبيق التجاري.
تستخدم مكثفات فاراداي أكاسيد معدنية أو بوليمرات موصلة كمواد قطب كهربائي، حيث تتشكل سعة الامتزاز من خلال تفاعلات الأكسدة والاختزال على السطح والمناطق السائبة الضحلة من هذه المواد. يشبه مبدأ تشغيل هذا النوع من المكثفات عملية التفاعل في البطارية؛ نظرًا لمساحات سطح القطب المتشابهة، فإنه يمكن أن يوفر عدة أضعاف سعة مكثف كهربائي مزدوج الطبقة -. ومع ذلك، فيما يتعلق بخصائص الطاقة لتفريغ التيار العالي اللحظي-وعمر الدورة، فإن مكثفات فاراداي لا تعمل بشكل جيد مثل المكثفات الكهربائية مزدوجة الطبقة-. علاوة على ذلك، تواجه مكثفات فاراداي أيضًا تحديات مثل ارتفاع تكاليف التصنيع وعدم نضج التكنولوجيا بشكل كامل بعد.
تشتهر المكثفات الفائقة الهجينة بكثافة الطاقة العالية وعمر الخدمة الطويل. وعلى الرغم من أنها حاليًا في المراحل الأولى من التسويق، إلا أنها تمتلك إمكانات تطوير مستقبلية هائلة.
تخزين الطاقة فائقة التوصيل
تخزين الطاقة فائقة التوصيل عبارة عن تقنية لتخزين الطاقة الكهرومغناطيسية تستخدم الموصلات الفائقة لتخزين الطاقة الكهربائية في حالة خالية من المقاومة-. يتضمن مبدأ عمله توليد مجال مغناطيسي قوي من خلال تيار مباشر في ملف فائق التوصيل، وبالتالي تخزين الطاقة، وإطلاقها من خلال تفريغ التيار عند الحاجة. نظرًا لأن الموصلات الفائقة لا تتمتع بأي مقاومة عند درجات الحرارة المنخفضة، فإن أنظمة تخزين الطاقة فائقة التوصيل يمكن أن تحقق كفاءة شحن وتفريغ عالية للغاية مع عدم فقدان الطاقة تقريبًا. علاوة على ذلك، يتمتع تخزين الطاقة فائق التوصيل بأوقات استجابة سريعة للغاية، حيث يحقق الشحن والتفريغ بالمللي ثانية، مما يجعله مناسبًا لتنظيم الجهد اللحظي والتحكم في التردد في أنظمة الطاقة. ومع ذلك، فإن تكلفة أنظمة تخزين الطاقة فائقة التوصيل مرتفعة، وهي محدودة بشكل أساسي بسبب تطوير المواد فائقة التوصيل وتكنولوجيا التبريد المبردة. ولذلك، تتركز التطبيقات الحالية في الغالب في مجالات خاصة تتطلب-طاقة عالية وتخزين الطاقة على المدى القصير-، مثل استقرار الشبكة والمعدات العسكرية.
تشتمل المواد فائقة التوصيل الشائعة على -موصلات فائقة منخفضة الحرارة مثل Nb-Ti وNb3Sn، وموصلات فائقة -عالية الحرارة مثل أكسيد نحاس الإيتريوم (YBCO) وأكسيد نحاس الكالسيوم والبزموت السترونتيوم (BSCCO). تتميز الموصلات الفائقة ذات درجات الحرارة المرتفعة-بدرجات حرارة حرجة أعلى من الموصلات الفائقة ذات درجات الحرارة المنخفضة-، مما يقلل من متطلبات التبريد ويجعل أنظمة تخزين الطاقة فائقة التوصيل أكثر عملية واقتصادية.