تشير الطاقة المتجددة لتخزين البطاريات إلى الأنظمة التي تلتقط وتخزن الكهرباء المولدة من مصادر متجددة مثل الطاقة الشمسية وطاقة الرياح، ثم تطلقها عند الحاجة. تحل أنظمة تخزين طاقة البطارية (BESS) التحدي الأساسي للطاقة المتجددة: الشمس لا تشرق دائمًا والرياح لا تهب دائمًا، لكن الطلب على الكهرباء لا يتوقف أبدًا.
حجم نمو تخزين البطارية
لقد وصل سوق تخزين البطاريات إلى نقطة انعطاف. تجاوزت سعة بطارية المرافق-في الولايات المتحدة 26 جيجاوات في عام 2024، وهو ما يمثل زيادة بنسبة 66% عن العام السابق. أضاف مزودو الطاقة 10.4 جيجاوات من القدرة الجديدة في عام 2024 وحده، وتشير التوقعات إلى أنه سيتم توفير 18.2 جيجاوات أخرى في عام 2025.
هذه ليست إضافات متواضعة إلى الشبكة. يجمع مشروع Gemini Solar Plus للتخزين في ولاية نيفادا، الذي بدأ تشغيله منذ يوليو 2024، بين مزرعة للطاقة الشمسية بقدرة 690- ميجاوات ونظام بطارية بقدرة 380 ميجاوات قادر على تخزين 1416 ميجاوات في الساعة. تعد منشأة Moss Landing في كاليفورنيا هي الأكبر في البلاد بقدرة 750 ميجاوات. وكانت مشاريع بهذا الحجم مستحيلة اقتصاديا قبل عقد من الزمن.
ويعكس النمو تحولا أوسع نطاقا. على الصعيد العالمي، توسع سوق تخزين طاقة البطاريات بنسبة 44٪ في عام 2024، حيث تم تركيب 69 جيجاوات من السعة. تتوقع شركة Wood Mackenzie أن يتجاوز السوق العالمي 1 تيراواط خلال العقد القادم-أي ما يقرب من سبعة أضعاف القدرة المركبة الحالية. وتقود الصين والولايات المتحدة هذا التوسع، حيث تمثل ولايتي تكساس وكاليفورنيا ما يقرب من 20 جيجاوات من القدرة الإنتاجية للولايات المتحدة.
وما يجعل هذا النمو مستداما هو الاقتصاد. انخفضت تكاليف بطاريات الليثيوم-أيون بأكثر من 90% خلال العقد الماضي، وسيشهد عام 2024 انخفاضًا بنسبة 40% وحده. أدى انهيار الأسعار هذا إلى تحويل تخزين البطاريات من أحد ملحقات الشبكة باهظة الثمن إلى حجر الزاوية المجدي اقتصاديًا لأنظمة الطاقة المتجددة.
كيف يتيح تخزين البطارية الطاقة المتجددة
تخلق الطاقة المتجددة عدم تطابق بين العرض والطلب-والذي تعمل البطاريات على حله. تولد الألواح الشمسية أقصى قدر من الطاقة في منتصف النهار عندما يكون الطلب أقل في كثير من الأحيان، في حين تصل ذروة الطلب على الكهرباء في المساء بعد غروب الشمس. تتبع أنماط الرياح منطقها الخاص، وغالبًا ما تولد المزيد أثناء الليل في العديد من المناطق. وبدون تخزين، فإن هذه الطاقة المتجددة الزائدة إما يتم تقليصها (إهدارها) أو تتطلب محطات الوقود الأحفوري لسد الفجوات.
يتم شحن أنظمة تخزين البطاريات أثناء فترات توليد الطاقة المتجددة الزائدة وتفريغها خلال فترات-الطلب المرتفع. وهذا ليس مجرد أمر نظري-إنه يحدث على نطاق واسع. أثناء ذروة ساعات الطاقة الشمسية في كاليفورنيا، تمتص أنظمة البطاريات جيجاوات من الطاقة الزائدة. عندما يرتفع الطلب المسائي وينخفض توليد الطاقة الشمسية، يتم تفريغ هذه البطاريات نفسها، مما يلغي الحاجة إلى محطات الغاز الطبيعي.
تتضمن الآليات تنسيقًا متطورًا. يستخدم برنامج البطارية الذكي خوارزميات لمراقبة ظروف الشبكة في الوقت الفعلي-، وتحديد متى يتم الشحن، ومتى يتم تفريغه، وبأي معدل. يمكن لأنظمة التحكم الاستجابة لاحتياجات الشبكة بالمللي ثانية، مما يوفر خدمات تتراوح من التثبيت الفوري للتردد إلى تحويل الطاقة لعدة-ساعات.
يتكون نظام بطارية أيون الليثيوم-الشبكة النموذجية-من ثلاثة مكونات رئيسية. تقوم حزمة البطارية نفسها بتخزين الطاقة من خلال التفاعلات الكهروكيميائية. تقوم العاكسات بتحويل التيار المباشر للبطاريات إلى تيار متردد متوافق مع الشبكة. يشمل توازن النظام معدات التبريد، وإخماد الحرائق، وأنظمة المراقبة، والبنية التحتية للاتصال بالشبكة. تعمل هذه المكونات معًا لتحقيق كفاءة رحلة الذهاب والإياب-حوالي 85%، مما يعني أن 85% من الطاقة المستخدمة في الشحن تخرج أثناء التفريغ.
إطار مدة التخزين
يتطلب فهم تخزين البطارية إدراك أن التطبيقات المختلفة تحتاج إلى فترات تخزين مختلفة، وليس كل البطاريات تخدم نفس الغرض.
تنظيم التردد: ثانية إلى دقيقة
يجب أن تحافظ الشبكة الكهربائية على تردد دقيق -60 هرتز في الولايات المتحدة. حتى الانحرافات الصغيرة يمكن أن تلحق الضرر بالمعدات أو تتسبب في انقطاع التيار الكهربائي. تتفوق أنظمة تخزين البطاريات في تنظيم التردد لأنها تستجيب في أجزاء من الثانية، وهو أسرع بكثير من قدرة المولدات التقليدية على زيادة أو خفض التردد.
لا تتطلب هذه التطبيقات سعة طاقة كبيرة. قد يتم تفريغ البطارية لمدة دقائق فقط في كل مرة، عدة مرات في اليوم. القيمة تأتي من السرعة والاستجابة، وليس مدة التخزين.
حلاقة الذروة وتحويل الأحمال: 1-4 ساعات
وهذا يمثل النقطة المثالية لتقنية أيون الليثيوم- الحالية. تم تصميم معظم أنظمة البطاريات التي تم تركيبها في عام 2024 لمدة تتراوح من 1 إلى 4 ساعات من التفريغ. ويتم شحنها خلال فترات الطلب المنخفض-عندما يتجاوز توليد الطاقة المتجددة الاستهلاك، ثم يتم تفريغها خلال فترات ذروة الطلب.
ينجح الاقتصاد لأن هذه البطاريات يمكنها تفريغها يوميًا، وتوليد الإيرادات من خلال خدمات متعددة. فهي تقلل من رسوم الطلب على العملاء التجاريين، وتوفر السعة للشبكة خلال ساعات الذروة، وتوفر الوقت-لاستخدام المراجحة-شراء طاقة رخيصة خارج-وقت الذروة وبيع طاقة وقت الذروة باهظة الثمن.
وتوضح شبكة كاليفورنيا هذا النمط بوضوح. يتم شحن أنظمة البطاريات بانتظام أثناء توليد الطاقة الشمسية الزائدة في منتصف النهار وتفريغها خلال ذروة المساء، وهي ظاهرة تُعرف باسم معالجة "منحنى البط". تتوافق نافذة التفريغ هذه التي تتراوح مدتها من 3 إلى 4 ساعات بشكل مثالي مع الفجوة بين انخفاض الطاقة الشمسية بعد الظهر وانخفاض الطلب على وقت النوم.
ركوب الدراجات يوميًا: 4-10 ساعات
يمكن للأنظمة ذات المدة الأطول- تخزين توليد الطاقة المتجددة في الصباح لاستخدامه في المساء، أو التقاط الطاقة الشمسية بعد الظهر للطلب طوال الليل. قامت دراسة مستقبلية للتخزين أجراها المختبر الوطني للطاقة المتجددة بفحص الأنظمة المصممة لتخزين ما يصل إلى 10 ساعات من الطاقة، وتوقعت أن تعيد هذه الأنظمة تشكيل دور التخزين على نطاق واسع-.
التحدي هو التكلفة. تتطلب كل ساعة تخزين إضافية سعة بطارية أكبر، مما يؤدي إلى ارتفاع تكاليف النظام. قد يتكلف نظام 4-ساعات 160 دولارًا لكل كيلووات في الساعة، بينما يزيد نظام 10-ساعات من تكلفة كل-كيلووات في الساعة نظرًا للخلايا الإضافية المطلوبة. ومع ذلك، فإن انخفاض أسعار البطاريات يجعل أنظمة أيون الليثيوم الأطول عمرًا أكثر قابلية للتطبيق تدريجيًا.
متعدد-يومي إلى موسمي: الفجوة الحالية
تمثل الفترات الممتدة من انخفاض توليد الطاقة المتجددة-التي يطلق عليها أحيانًا أحداث "Dunkelflaute" في أوروبا-مشكلة تخزين لم يتم حلها. خلال فترة 10 أيام من الرياح الضعيفة والشمس المحدودة، ستتطلب تلبية الطلب على الشبكة مساحة تخزين أكبر بكثير مما هو موجود حاليًا.
حسبت شركة Physics World أن المملكة المتحدة ستحتاج إلى ما يقرب من 5 تيراواط-ساعة من التخزين لتغطية عشرة أيام متتالية من-التوليد المنخفض-أكثر من 100 ضعف سعة البطارية الحالية في البلاد. وفي ظل التكاليف الحالية، سيكون هذا باهظ التكلفة. تظل بطاريات الليثيوم-أيون فعالة من حيث التكلفة-فقط للاستخدام اليومي، وليس للتخزين الموسمي أو لعدة أيام-.
وهذه الفجوة هي المكان الذي تدخل فيه التكنولوجيات البديلة إلى الصورة، على الرغم من أن القليل منها وصل إلى النطاق التجاري.
تطور تكنولوجيا البطاريات
تهيمن بطاريات الليثيوم-أيون على عمليات النشر الحالية، إلا أن المشهد التكنولوجي يتنوع بناءً على احتياجات التطبيقات.
فوسفات الحديد الليثيوم يتولى المهمة
في كيمياء أيون الليثيوم-، حدث تحول كبير في عام 2022 تقريبًا. أصبح فوسفات حديد الليثيوم (LFP) هو الكيمياء الأساسية للتخزين الثابت، مما أدى إلى إزاحة بطاريات النيكل والمنغنيز والكوبالت (NMC) التي كانت مهيمنة سابقًا.
يقدم LFP العديد من المزايا لتطبيقات الشبكة. إنه أكثر استقرارًا حراريًا، مما يقلل من خطر الحريق. لا يتطلب الأمر الكوبالت، مما يعالج مخاوف التكلفة والمصادر الأخلاقية. يمكن لبطاريات LFP أن تتحمل المزيد من دورات الشحن-والتفريغ، حيث تدعي بعض الشركات المصنعة أن عمرها الافتراضي يصل إلى 16 عامًا مقارنة بالتدهور الذي كان يعاني منه الأجيال السابقة لمدة 2-3 سنوات.
المقايضة هي كثافة الطاقة. تخزن بطاريات LFP طاقة أقل لكل كيلوغرام من بطاريات NMC، ولكن بالنسبة لتطبيقات الشبكة الثابتة حيث لا يهم الوزن، فإن هذا ليس عيبًا كبيرًا. التكلفة وطول العمر أكثر أهمية، ويفوز LFP في كليهما.
تقوم الصين بتصنيع الغالبية العظمى من بطاريات LFP. وقد خلق هذا التركيز مخاوف بشأن سلسلة التوريد، مما دفع الجهود الأمريكية والأوروبية لبناء القدرة الإنتاجية المحلية. ومع ذلك، تواجه هذه المرافق عيوبًا من حيث التكلفة، حيث تكلف البطاريات الأمريكية والأوروبية ما يقرب من 20% أكثر من نظيراتها المصنعة في الصين-.
البدائل الناشئة للاحتياجات المختلفة
لقد أثارت بطاريات أيونات الصوديوم- الاهتمام كبديل للليثيوم. الصوديوم وفير وغير مكلف-يوجد "طن من الصوديوم في كل مكان"، كما أشار أحد الباحثين في NREL. تعتبر هذه التكنولوجيا أقل عرضة للانفلات الحراري ويمكن أن تكون أرخص بكثير من أيون الليثيوم-. ومع ذلك، فإن بطاريات أيونات الصوديوم- ليست ناضجة تجاريًا بعد لتطبيقات نطاق الشبكة-، وقد أدى انخفاض أسعار LFP إلى تقليل الحاجة الملحة لتطوير البدائل.
تمثل بطاريات التدفق طريقة مختلفة لمشكلة المدة. تقوم هذه الأنظمة بتخزين الطاقة في إلكتروليتات سائلة تتدفق عبر الخلايا، مع خزانات منفصلة للشحنات الإيجابية والسلبية. والميزة هي أن سعة الطاقة تتزايد بشكل مستقل عن سعة الطاقة-يمكنك جعلها تخزن المزيد من الطاقة ببساطة عن طريق استخدام خزانات أكبر. يمكن لبطاريات التدفق نظريًا الحفاظ على قدرتها خلال آلاف الدورات دون أي تدهور.
التحدي هو بصمة المشروع وتعقيده. تتطلب بطاريات التدفق مساحة كبيرة وبنية تحتية كبيرة، مما يجعلها أقل جاذبية من أنظمة أيونات الليثيوم- المدمجة لمعظم التطبيقات. وتظل هذه التكنولوجيا متخصصة، على الرغم من استمرار الأبحاث في مجال الكيمياء المحسنة.
أعلن الباحثون في جامعة كولومبيا عن إحراز تقدم في مجال بطاريات كبريت البوتاسيوم-الصوديوم- في سبتمبر 2024. وتستخدم هذه البطاريات مواد وفيرة وغير مكلفة وحققت نتائج واعدة عند درجات حرارة متوسطة تبلغ حوالي 75 درجة، أي أقل بكثير من 250 درجة + التي تتطلبها التصميمات السابقة. أدى ابتكار الفريق في مجال الإلكتروليت إلى إذابة الرواسب الصلبة المثيرة للمشاكل والتي حدت من الإصدارات السابقة. ويبقى أن نرى ما إذا كان هذا البحث سيُترجم إلى منتجات قابلة للتطبيق تجاريًا، لكنه يشير إلى اتساع نطاق التطوير المستمر للبطاريات.
أداء وتكامل عالميان حقيقيان.-
يتضمن الفرق بين المشروعات التجريبية والنشر على نطاق الشبكة- التعامل مع الحقائق التقنية والاقتصادية المعقدة.
أنظمة التخزين الهجينة المتجددة-
ما يقرب من 3.2 جيجاوات من سعة البطارية البالغة 9.2 جيجاوات التي تمت إضافتها في الولايات المتحدة خلال عام 2024 جاءت من الأنظمة الهجينة-الموجودة مع مزارع الطاقة الشمسية. يخلق هذا الاقتران مزايا تشغيلية تتجاوز مجرد ربط توليد الطاقة المتجددة بالتخزين المنفصل.
يمكن للأنظمة الهجينة مشاركة البنية التحتية للاتصال بالشبكة، مما يقلل من تكاليف الربط البيني والتعقيد. يمكن لكهرباء التيار المستمر الناتجة عن الألواح الشمسية أن تتدفق مباشرة إلى البطاريات المقترنة بالتيار المستمر-من خلال محول، مما يؤدي إلى تجنب فقدان الكفاءة الناتج عن تحويلات التيار المتردد- المتعددة للتيار المستمر. يمكن لمطوري المشاريع تحسين حجم البطارية مقارنة بقدرة الطاقة الشمسية، وفي بعض الأحيان يقومون بتركيب بطاريات مصنفة للحصول على طاقة أكبر من المجموعة الشمسية لتحقيق أقصى استفادة من اتصال الشبكة.
تعمل هذه المرافق الهجينة على تسهيل ملفات توليد الطاقة المتجددة. وبدلاً من ضخ طاقة شمسية شديدة التباين مباشرة إلى الشبكة، تمتص البطارية التقلبات، وتوفر طاقة ثابتة وقابلة للتوزيع. من وجهة نظر مشغل الشبكة، يمكن أن تعمل منشأة تخزين الطاقة الشمسية-زائد-المجهزة بشكل صحيح تقريبًا مثل مولد يمكن التحكم فيه.
خدمات الشبكة وتكديس الإيرادات
لا تعتمد أنظمة تخزين البطاريات على مصدر دخل واحد. يتضمن نموذج الأعمال "تكديس الإيرادات"-تجميع الدخل من خدمات متعددة.
يدفع تنظيم التردد البطاريات للاستجابة بسرعة لانحرافات تردد الشبكة، مما يساعد في الحفاظ على الدقة المطلوبة البالغة 60 هرتز. تعوض أسواق السعة التخزين لكونه متاحًا للتصريف خلال فترات ذروة الطلب، حتى لو لم يتم استدعاؤها. تتضمن مراجحة الطاقة فرض رسوم عندما تكون أسعار الكهرباء بالجملة منخفضة وتفريغها عندما ترتفع الأسعار. يوفر بعض مالكي البطاريات أيضًا سعة احتياطية أو يشاركون في برامج الاستجابة للطلب.
يؤدي هذا التنوع في مصادر الإيرادات إلى تحسين اقتصاديات المشروع ولكنه يضيف أيضًا تعقيدًا. يجب أن يتم تحسين أنظمة إدارة البطارية عبر الفرص التنافسية، وموازنة مدفوعات تنظيم الترددات مقابل فرص مراجحة الطاقة مع ضمان أن البطارية لديها القدرة الكافية لتلبية التزامات سوق السعة.
بيانات الأداء الفعلي
يوضح أداء البطارية-الحقيقي إمكانات التكنولوجيا وحدودها. خلال شهر فبراير 2024، قدمت أنظمة بطاريات تكساس ما يقرب من 1 جيجاوات من الطاقة أثناء حالة طوارئ النظام، مما يدل على موثوقية التخزين عند الحاجة الماسة.
أصبح أسطول البطاريات في كاليفورنيا جزءًا لا يتجزأ من عمليات الشبكة. تعتمد شركة CAISO، مشغل شبكة كاليفورنيا، الآن على البطاريات لإدارة المنحدر المسائي مع انخفاض توليد الطاقة الشمسية. في الأيام العادية، يبدأ تفريغ البطارية في الارتفاع حوالي الساعة 5-6 مساءً، ويبلغ ذروته حوالي الساعة 7-8 مساءً، ثم يتضاءل بحلول الساعة 10 مساءً - وهي دورة تفريغ مدتها 4 ساعات تقريبًا تتوافق مع تحدي منحنى البط في الولاية.
ومع ذلك، تحدث انقطاعات ومشكلات في الأداء. أدت التكوينات الخاطئة ومواطن الخلل في البرامج وفشل المعدات إلى توقف أنظمة البطاريات في الشبكة- عن العمل دون اتصال بالإنترنت بشكل غير متوقع. تُظهر إحصائيات الأعطال العالمية لعام 2018-2023 انخفاض معدلات الفشل مع نضوج الصناعة، لكن أنظمة البطاريات تظل أكثر تعقيدًا وربما عرضة للفشل من المولدات التقليدية.
يقوم المختبر الوطني للطاقة المتجددة بتتبع هذه الأنماط التشغيلية لتوجيه تخطيط الشبكة. يشير تحليلهم إلى أنه مع انتشار البطاريات، فإن ضمان الموثوقية لا يتطلب المزيد من السعة فحسب، بل يتطلب أيضًا التنوع الجغرافي وتكرار النظام.
التحول الاقتصادي وديناميكيات السوق
وقد أدى الانخفاض الكبير في تكاليف تخزين البطاريات إلى إعادة تشكيل اقتصاديات الطاقة، ولكن لا تزال هناك حواجز مالية كبيرة.
وقد فحص تحليل أجرته MIT Technology Review عام 2018 تكلفة الوصول إلى مستويات عالية من اختراق الطاقة المتجددة. ووجدت الدراسة أن بناء توليد الطاقة المتجددة والتخزين اللازم لتحقيق أهداف ولاية كاليفورنيا من شأنه أن يؤدي إلى ارتفاع التكاليف بشكل كبير. عند اختراق الطاقة المتجددة بنسبة 80%، حسب الباحثون أن التكاليف ستتجاوز 1600 دولار لكل ميجاوات-ساعة مقارنة بـ 49 دولارًا لكل ميجاوات في الساعة عند 50% من مصادر الطاقة المتجددة. وحتى مع افتراض أن تكلفة البطاريات ستكلف ما يقرب من{10}ثلث أسعار عام 2018، فقد أصبح الاقتصاد "تهيمن عليه تكلفة التخزين بالكامل"، كما أشار ستيف بريك، محلل فريق عمل الهواء النظيف.
وبعد مرور ست سنوات، انخفضت تكاليف البطارية بالفعل بأكثر من الانخفاض المتوقع-. انخفضت أنظمة بطاريات الحاويات- التي تكلف 250 دولارًا لكل كيلووات في الساعة في عام 2020 إلى أقل من 140 دولارًا لكل كيلووات في الساعة بحلول عام 2023، واستمرت في الانخفاض حتى عام 2024. وقد تنخفض تكاليف مشاريع Wood Mackenzie إلى أقل من 100 دولار لكل كيلووات في الساعة بحلول عام 2030.
تؤدي هذه الانخفاضات في الأسعار إلى تغيير جدوى المشروع. أصبحت مشاريع تخزين البطاريات التي لم يكن لها أي معنى اقتصادي في عام 2018 قادرة على المنافسة الآن. قدم قانون الحد من التضخم إعفاءات ضريبية على الاستثمار للتخزين المستقل في عام 2022، مما أدى إلى تحسين اقتصاديات المشروع وتسريع النشر.
ومع ذلك، فإن حجم الاستثمار المطلوب لا يزال مذهلا. تقدر حكومة المملكة المتحدة أن تخزين البطاريات وتقنيات الشبكات ذات الصلة يمكن أن يوفر نظام الطاقة في المملكة المتحدة ما يصل إلى 40 مليار جنيه استرليني بحلول عام 2050، ولكن الوصول إلى هذه النقطة يتطلب استثمارات أولية ضخمة. وتمثل القدرة المركبة الحالية البالغة 12.5 جيجاوات في كاليفورنيا المليارات من رأس المال المنشور، ومع ذلك فإن هذا لا يغطي سوى جزء صغير من احتياجات التخزين النهائية للولاية.
يعكس التركيز الجغرافي لنشر البطاريات مدى توافق الاقتصاد والسياسة. تمثل ولايتي تكساس (8 جيجاوات تم تركيبها في عام 2024) وكاليفورنيا (12.5 جيجاوات) معًا أكثر من ثلاثة-سعة البطارية في الولايات المتحدة. تتمتع كلتا الدولتين بموارد كبيرة من الطاقة المتجددة، وسياسات داعمة، وأسواق طاقة تكافئ مرونة التخزين ماليًا.
وعلى المستوى الدولي، تقوم الصين بتصنيع ما يقرب من نصف سعة البطاريات العالمية وتهيمن على سلسلة التوريد للمواد الخام. تسيطر الشركات الصينية على أكثر من 60% من قدرة تصنيع بطاريات أيون الليثيوم- وأكثر من 90% من قدرة معالجة المواد الخام مثل الليثيوم والكوبالت والنيكل والجرافيت. ويثير هذا التركيز المخاوف بشأن أمن العرض، كما حفز الجهود الرامية إلى بناء القدرة التصنيعية الغربية، ولو بتكاليف أعلى.
التحديات والقيود
على الرغم من النمو السريع، يواجه تخزين البطاريات عقبات لم يتم حلها والتي تحد من دوره النهائي في تحول الطاقة.
قيود المواد الخام
يتطلب توسيع نطاق تخزين البطاريات إلى مستوى تيراواط كميات هائلة من الليثيوم والكوبالت والنيكل ومواد أخرى. إن تعدين الليثيوم في صحراء أتاكاما في تشيلي والمواقع المماثلة له آثار بيئية كبيرة، بما في ذلك استنزاف المياه والإضرار بالنظام البيئي. وينطوي تعدين الكوبالت، الذي يتركز في جمهورية الكونغو الديمقراطية، على مخاوف أخلاقية وبيئية كبيرة.
مع ارتفاع إنتاج البطاريات إلى 965 جيجاوات-ساعة سنويًا في أوروبا بحلول عام 2030، سيزداد الطلب على المواد بشكل كبير. يمكن أن تؤدي اختناقات سلسلة التوريد إلى إبطاء النشر أو زيادة التكاليف، خاصة إذا أدى الطلب المتنافس على السيارات الكهربائية إلى نقص. يمثل تطوير البنية التحتية لإعادة التدوير والكيمياء البديلة مثل أيون الصوديوم- أحد المسارات للأمام، ولكن لم يتم التوسع بشكل كافٍ حتى الآن لتقليل الضغط على استخراج المواد الخام.
السلامة والمخاوف البيئية
تشكل التركيزات الكبيرة من بطاريات الليثيوم-أيون خطر الحريق. حدثت عدة حرائق-في مرافق تخزين البطاريات عالية المستوى، بما في ذلك الحوادث التي وقعت في منشأة McMicken التابعة للخدمة العامة في ولاية أريزونا في عام 2019 ومواقع أخرى. تشتمل الأنظمة الحديثة على أنظمة متطورة لإخماد الحرائق، والإدارة الحرارية، والمراقبة، ولكن لم يتم القضاء على المخاطر.
يمثل التخلص من نهاية-العمر-تحديًا آخر. تتدهور البطاريات بمرور الوقت، حيث تصل عادةً إلى 70-80% من سعتها الأصلية بعد 10-15 عامًا من الاستخدام. ويتطلب التخلص من هذه الأنظمة بشكل آمن واستعادة المواد القيمة تطوير البنية التحتية لإعادة التدوير التي بالكاد توجد اليوم. يحاول نموذج تقييم إعادة تدوير بطاريات الليثيوم أيون التابع للمختبر الوطني للطاقة المتجددة (NREL) رسم خريطة لسلاسل التوريد وتأثيرات إعادة التدوير، لكن إعادة تدوير البطاريات على نطاق تجاري لا تزال في طور النشوء.
يمكن أن تكون الإلكتروليتات الكيميائية الموجودة في خلايا البطارية مادة كاوية وخطيرة إذا تسربت. يعارض جيران مرافق تخزين البطاريات المقترحة في بعض الأحيان المشاريع بسبب هذه المخاوف البيئية والسلامة، خاصة في المناطق الريفية حيث يمكن أن تتأثر الأراضي الزراعية بالحوادث.
اختناقات الربط البيني وتكامل الشبكة
لا يهم وجود بطاريات جاهزة للتركيب إذا لم تتمكن من الاتصال بالشبكة. لقد أصبحت قائمة انتظار الاتصال البيني في الولايات المتحدة بمثابة عنق الزجاجة الرئيسي. اعتبارًا من عام 2023، واجهت مشاريع تخزين البطاريات التي تسعى إلى الاتصال بالشبكة فترات انتظار قصوى تصل إلى 50 شهرًا من الطلب الأولي إلى اتفاقية التوصيل البيني، وبعد ذلك يستغرق البناء الفعلي سنوات إضافية.
وهذا يعني أن المشاريع التي ستدخل حيز التنفيذ في عام 2025 من المحتمل أن تنضم إلى قائمة انتظار الربط البيني في عام 2018 تقريبًا. وتؤثر التغييرات في سلسلة التوريد وتقلبات التكلفة وتطور التكنولوجيا خلال هذه الجداول الزمنية الطويلة على جدوى المشروع. يتخلى بعض المطورين عن المشروعات في منتصف قائمة الانتظار-إذا تدهورت اقتصادياتها.
تتطلب البنية التحتية للشبكة نفسها ترقيات للتعامل مع عمليات تركيب البطاريات الكبيرة. يجب أن تتكيف أنظمة التوزيع المصممة لتدفق الطاقة-في اتجاه واحد من المولدات المركزية إلى المستهلكين مع التدفقات ثنائية الاتجاه حيث تضخ البطاريات الطاقة أثناء التفريغ. تحتاج أنظمة الحماية ومعدات تنظيم الجهد وبرامج التحكم إلى التحديثات.
مشكلة التكلفة-المدة
ويظل القيد الأساسي اقتصاديًا: حيث تعمل بطاريات أيون الليثيوم- بشكل جيد لمدة 1-4 ساعات ولكنها تصبح باهظة التكلفة للتخزين لعدة-أيام. حسب تحليل عالم الفيزياء لعام 2023 أن تزويد المملكة المتحدة بمساحة تخزين كافية لتغطية عشرة أيام متتالية من توليد الطاقة-المتجددة-منخفضة التكلفة سيكلف حوالي 50 مليار جنيه إسترليني للتخزين المعتمد على الهيدروجين أو مبلغ فلكي معادل للبطاريات بالتكاليف الحالية.
وهذا هو السبب في أن تخزين البطارية وحده لن يتيح شبكات متجددة بنسبة 100%. تتطلب الفترات الممتدة من انخفاض توليد طاقة الرياح والطاقة الشمسية-والتي تحدث في معظم المناطق-إما زيادة هائلة في القدرة المتجددة، أو تطوير تقنيات تخزين طويلة-غير موجودة تجاريًا حتى الآن، أو الاحتفاظ بمصادر توليد قابلة للتوزيع مثل الغاز الطبيعي مع احتجاز الكربون، أو الطاقة النووية، أو الطاقة الحرارية الأرضية.
الطريق إلى الأمام
لقد تحول تخزين البطاريات من كونه تجريبيًا إلى ضروريًا للطاقة المتجددة، لكن دوره يظل أحد العناصر في تحول النظام الأوسع.
يتعلم مشغلو الشبكات كيفية تنسيق الأنظمة المعقدة بشكل متزايد. فبدلاً من السيطرة على بضع مئات من محطات الطاقة الكبيرة، فإنهم يديرون الملايين من الموارد الموزعة بما في ذلك البطاريات والألواح الشمسية وتوربينات الرياح والأحمال التي يمكن التحكم فيها. تساعد خوارزميات الذكاء الاصطناعي والتعلم الآلي على التنبؤ بأنماط توليد الطاقة المتجددة، وتحسين توزيع البطارية، وتحقيق التوازن بين العرض والطلب عبر جداول زمنية من الثواني-إلى-المواسم.
تجسد بورتوريكو إمكانات التخزين في البيئات الصعبة بشكل خاص. إن تعرض الجزيرة للأعاصير وانقطاع التيار الكهربائي الناتج عنها يجعل مرونة الطاقة أمرًا بالغ الأهمية. يساعد المختبر الوطني للطاقة المتجددة (NREL) في نشر أنظمة الطاقة الشمسية -والبطاريات- الفردية في جميع أنحاء بورتوريكو، مما يوفر طاقة احتياطية عند تعطل الشبكة الرئيسية وتقليل الاعتماد على الوقود الأحفوري المستورد باهظ الثمن.
تستمر الأبحاث في التقنيات التي يمكنها معالجة فجوات التخزين المتبقية. بطاريات الهواء-الحديدية، التي يمكنها تخزين الطاقة لمدة 100 ساعة، قيد التطوير. قد تؤدي تحسينات بطارية التدفق إلى تقليل البصمة والتكلفة. يوفر التخزين الحراري-استخدام الكهرباء لتسخين الرمل أو الملح أو المواد الأخرى-مسارًا آخر لتطبيقات طويلة الأمد-، خاصة للحرارة الصناعية. تقوم "البطارية الرملية" في فنلندا بتخزين 8 ميغاوات من الطاقة الحرارية عند درجة حرارة 600 درجة لتوفير التدفئة للمنازل والمرافق المجاورة.
يمثل تكامل التخزين مع تكنولوجيا السيارة-إلى-الشبكة حدودًا أخرى. تحتوي السيارات الكهربائية على سعة بطارية كبيرة تبقى في وضع الخمول معظم الوقت. يمكن أن تسمح تقنية الشحن ثنائي الاتجاه للمركبات الكهربائية بتفريغ الطاقة مرة أخرى إلى الشبكة خلال فترات الذروة، مما يحول ملايين المركبات بشكل أساسي إلى موارد تخزين موزعة. وتستكشف أستراليا ودول أخرى خرائط طريق لجعل هذه التكنولوجيا معيارًا.
وسيكون تصميم السياسات والسوق حاسما. من المرجح أن تشهد المناطق التي تخلق بيئات تنظيمية مواتية وآليات السوق التي تقدر الفوائد المتعددة للتخزين بشكل صحيح نشرًا أسرع. وكانت الإعفاءات الضريبية على التخزين بموجب قانون خفض التضخم في الولايات المتحدة سبباً في تسريع عجلة التنمية؛ ومن الممكن أن يؤدي الدعم السياسي المماثل في ولايات قضائية أخرى إلى دفع النمو العالمي.
ما يتضح من فحص الأدلة هو أن تخزين البطاريات قد انتقل من الهوامش إلى الاتجاه السائد في تخطيط الطاقة. إن الطاقة الإنتاجية البالغة 26 غيغاواط التي تم تركيبها في الولايات المتحدة بحلول نهاية عام 2024، على الرغم من كونها كبيرة، إلا أنها تمثل البداية فقط. تشير توقعات BloombergNEF التي تبلغ 220 جيجاوات من الإضافات السنوية على مستوى العالم بحلول عام 2035 إلى أن معدل النمو الحالي، إذا استمر، سيجعل تخزين البطاريات أمرًا أساسيًا لعمليات الشبكة مثل خطوط النقل أو المحولات.
التكنولوجيا لن تحل كل المشاكل ولا يزال التخزين الموسمي بعيد المنال، وتواجه سلاسل توريد المواد قيودا، ويجب أن تستمر التكاليف في الانخفاض. لكن المسار واضح: فقد توسعت الطاقة المتجددة بسرعة بمجرد انخفاض تكاليفها إلى ما دون مستوى تعادل الوقود الأحفوري؛ ويتبع تخزين البطاريات الآن نفس النمط، والأنظمة اللازمة لإدارة شبكة متجددة بشكل متزايد تتشكل في الوقت الحقيقي.
الأسئلة المتداولة
إلى متى يمكن لأنظمة تخزين البطاريات تخزين الطاقة؟
تم تصميم معظم أنظمة بطاريات أيون الليثيوم-المقياس الشبكي-المثبتة اليوم لمدة تتراوح من 1 إلى 4 ساعات من التفريغ. وهذا يعني أنه يمكنهم توفير قوتهم المقدرة الكاملة لتلك الفترة قبل استنفادها. تمتد بعض الأنظمة الأحدث إلى 6-10 ساعات، لكن الفترات الأطول تؤدي إلى زيادة التكاليف بشكل كبير. تعتمد مدة التخزين على السعة المادية للبطارية (المقاسة بالميغاواط/ساعة) مقسومة على معدل تفريغها (المقاس بالميغاواط).
ما هو العمر الافتراضي لنظام تخزين البطارية-الشبكي؟
عادةً ما تحافظ بطاريات فوسفات حديد الليثيوم الحديثة المستخدمة في التخزين الشبكي على الأداء المناسب لمدة 10-16 عامًا، اعتمادًا على أنماط الاستخدام. تمر أنظمة البطاريات بآلاف دورات الشحن والتفريغ خلال عمرها الافتراضي، مما يؤدي إلى فقدان قدرتها تدريجيًا. بمجرد أن يتدهور الأداء إلى حوالي 70-80% من السعة الأصلية، عادة ما تحتاج البطاريات إلى الاستبدال، على الرغم من استمرار البحث في إعادة استخدام البطاريات المتدهورة للتطبيقات الأقل تطلبًا.
لماذا تنخفض تكاليف البطارية بهذه السرعة؟
هناك ثلاثة عوامل تؤدي إلى انخفاض تكاليف البطارية. أولاً، أدى حجم التصنيع الضخم للسيارات الكهربائية إلى إنشاء أحجام إنتاج أدت إلى خفض تكاليف-الوحدة. ثانيًا، أدت التحسينات الإضافية في كيمياء البطاريات إلى زيادة كثافة الطاقة وتقليل متطلبات المواد. ثالثا، أدت المنافسة بين الشركات المصنعة، وخاصة المنتجين الصينيين، إلى زيادة العرض في عام 2024، مما دفع الأسعار إلى مزيد من الانخفاض. تشير منحنيات التعلم إلى أن التكاليف ستستمر في الانخفاض مع زيادة أحجام الإنتاج التراكمي.
هل يمكن للبطاريات أن تحل محل محطات توليد الطاقة بالغاز الطبيعي بالكامل؟
ليس مع التكنولوجيا الحالية. تتفوق البطاريات في استبدال محطات "الذروة" التي تعمل لبضع ساعات يوميًا أثناء ذروة الطلب. ومع ذلك، فإن محطات الدورة المركبة للغاز الطبيعي-التي تعمل بشكل مستمر وتوفر موثوقية لعدة أيام-يظل من الصعب استبدالها بالبطاريات بسبب قيود المدة والتكلفة. ستحتاج الشبكة المتجددة بالكامل إما إلى بطاريات ضخمة ذات طاقة زائدة، أو تقنيات تخزين طويلة الأمد-غير موجودة تجاريًا بعد، أو توليد بديل منخفض الكربون -قابل للتوزيع مثل الطاقة النووية أو الطاقة الحرارية الأرضية.
كيف تجني أنظمة تخزين البطاريات المال؟
تولد مشاريع تخزين البطاريات إيرادات من مصادر متعددة في وقت واحد، وهي ممارسة تسمى "تكديس الإيرادات". إنهم يحصلون على دخل من خدمات تنظيم الترددات، ومدفوعات سوق السعة مقابل توفرها أثناء فترات الذروة، ومراجحة الطاقة عن طريق شراء طاقة رخيصة خارج-الذروة والبيع أثناء ارتفاع الأسعار، وفي بعض الحالات يطالبون بتخفيض الرسوم أو خدمات الطاقة الاحتياطية. يختلف مزيج مصادر الإيرادات حسب المنطقة وهيكل السوق.
هل أنظمة تخزين البطاريات آمنة؟
تشتمل أنظمة البطاريات ذات النطاق الشبكي- على ميزات أمان شاملة، بما في ذلك أنظمة إخماد الحرائق، والإدارة الحرارية، والمراقبة المستمرة، والضمانات المادية. ومع ذلك، توجد مخاطر أن-بطاريات الليثيوم-أيون قد تشتعل في حالة تلفها أو إدارتها بشكل غير صحيح، وقد وقعت العديد من الحوادث البارزة-. تستمر معايير السلامة في التطور مع نضوج الصناعة، وتتضمن المرافق الحديثة الدروس المستفادة من عمليات النشر السابقة. تعد كيمياء LFP أكثر أمانًا بشكل عام من NMC نظرًا لثباتها الحراري الأفضل.