تقنية تخزين الطاقة الكهربائية الفائضة (الحل الأمثل) – د. عماد ناجي الشافعي*

إن عملية تخزين الطاقة الكهربائية لها أهمية اقتصادية قد تساهم جزئياَ في اعادة التوازن للطاقه وتقليل الخسائر من الفائض الغير مستفاد منه.  فيمكن تخزين الفائض من التيار الكهربائي من المحطات الكهربائية في أوقات غير الذروة، ومن ثَم اعادة استخدامه في أوقات الذروة.

وهناك أكثر من طريقة لتخزين الطاقة الكهربائية الفائضة من التيار الكهربائي أوالصادرة من ألواح الأشعة الشمسية أو توربينات الرياح ليتم اعادة الاستفادة من التيار الكهربائي المخزن فيها في أوقات الذروة أو في أوقات المساء. ونسرد هنا ثلاث طرق رئيسية لتخزين الطاقة الكهربائية الفائضة (أنظر الصورة أدناه) وهي كالتالي:

1. تخزين الطاقة الكهربائية بالطرق الكيميائية التي تعتمد على تخزين الطاقة في البطاريات الكهروكيميائية السائلة أوالصلبة ، أو استخدام الطرق الكهروكيميائية لتحويل الماء إلى هيدروجين وتخزينه.
2. تخزين الطاقة الكهربائية بالطرق الحرارية كصهر الملح بالحراره ، أو تبخير المياه أوتجميدها، أو تجميد غاز النيتروجين.
3. تخزين الطاقة الكهربائية بالطرق الميكانيكية كالحذافة الميكاينيكة ، أو تخزين الطاقة برفع الماء بالمضخات إلى الخزانات والسدود المرتفعة ، أو تخزين الهواء المضغوط واعادة استخدامه.

وهناك العديد من المشاريع الكبيرة التى تهدف إلى الاستفادة من تخزين الطاقة الكهربائية الفائضة بسعة تصل الى فوق 1 الى 2800 ميغاوات للمشروع الواحد. حيث نجد هناك عدة مشاريع قائمه في الولايات المتحدة تصل الى 46 مشروع وتليها اسبانيا بـ 24 مشروع والصين بـ 15 مشروع وكندا بسبعة مشاريع. وتعتبرمشاريع تخزين الطاقة بالبطاريات هي الأكثر عدداً حيث يصل عددها إلى أكثر من 64 مشروع ، بالرغم من أن اجمالي الميغاوات الذي يتم تخزينه بالبطاريات يصل الى 2500 ميغاوات وهي أقل من الطاقة الاستيعابية لتخزين التيار الكهربائي مقارنةً بمشاريع الطاقة الحرارية لصهر الملح والتي تُقدر طاقتها الاستيعابية بأكثر من 6400 ميغاوات في الساعة. ونجد أن المشاريع التي تعتمد على بطاريات الليثيوم في تخزين الطاقة الكهربائية هي الأكثر انتشاراً. إلا أن الطاقة التخزينية لبطاريات الليثيوم تعتبرأقل مقارنةً بالبطاريات الأخرى حيث تصل طاقتها التخزينية الى 590 ميغاوات.

اضافة إلى ذلك، البطاريات الأخرى مثل تلك المصنوعة من الأسيد والرصاص (Lead acid) أوالتى تعمل بأيونات الفنيديم (Vanadium redox) أو الصويدم والكبريت (Sodium-Sulfur) أو الزنك والكلور (zinc chlorine redox) نجدها هي الأقل تكلفة والأكثر اماناَ و أكبر في الطاقة الاستيعابية لتخزين الطاقة الكهربائية من بطاريات الليثيوم. و تقدر اجمالي الطاقة الاستيعابية لتخزين الكهرباء للبطاريات من غير الليثيوم حوالي أكثر من 2000 ميغاوات من الطاقة الكهربائية الفائضة لإعادة استخدامها في أوقات الذروة.

كما يمكن استخدام هذه البطاريات أيضاً لتخزين الطاقة الشمسية واعادة استعمالها في أوقات المساء. ومن الجدير بالذكر ان هذه البطاريات كما يعتقد لها عُمر افتراضي (حوالي خمسة سنوات لبعضها) من التشغيل المستمر. ولكن هذه الحلول لتخزين الطاقة بالبطاريات ليست دائمه ويجب أخذ الاعتبارات الاقتصادية بحاجتها للاستبدال والصيانة الدورية وإضافة سعات اضافية في حالة الاحتياج.

أما بالنسبة إلى مشاريع تحويل الطاقة الفائضة بطريقة ضغط الهواء وتخزينه ومن ثم اعادة استخدامه لتشغيل التوربينات الكهربائيه فهي احدى مشاريع تخزين الطاقة بالطرق الميكانيكية. وقد تم تجربة هذه التقنية في الولايات المتحدة الامريكية وألمانيا بسعة 870 الى 2860 ميغاوات. ففي هذه المشاريع يتم ضغط الهواء باستخدام المولدات التى تعمل على الكهرباء في الأوقات الأقل ذروة. وترسل كميات هائلة من الهواء المضغوط إلى خزانات أرضية كبيرة محبوسة في القبب الملحية تحت الأرض لتخزين كميات عالية من الهواء تحت ضغط  1000 PSI. وفي أوقات الذروة يصعد الهواء المضغوط من تحت الأرض إلى الأنابيب الحرارية (Heat Exchanger) وبعد ذلك يتم تسخين الهواء إلى أكثرمن 530 درجة مئوية باضافة قليل من الغاز الطبيعي في وحدة صغيره تسمى غرفة الاحتراق قبل ارساله إلى التوربينات الكهربائية لانتاج الكهرباء من الهواء الساخن. وقد ساهمت هذه المشاريع الكهربائيه في توفير الطاقة الكهربائية لأكثر من 11000 منزل في أوقات الذروة.

كما يمكن استخدام التيار الكهربائي الفائض من شركات الكهرباء في أوقات غير الذروة بطريقة تسخين الملح المصهور وهي احدى الطرق الحرارية لتخزين الطاقة كما هو في جنوب أسبانيا  حيث تساهم في توفير طاقة كهربائية بمعدل 1030 ميغاوات ويتم الاستفادة منها بمعدل 150 ميغاوات لكل ساعة ويغذي هذا المشروع الكهربائي أكثر من 10000 منزل في أوقات الذروة.

وتستخدم تقنية صهر الملح أيضاً في مشاريع الطاقة المتجددة ودمجها في استخدام الأشعة الشمسية المركزة لتسخين الملح وصهره. ولابد من استخدام أملاح لها درجة ذوبان بين 300-500 درجة مئوية مثل نترات الصوديم المخلوطة بنترات البوتاسيم ولها سعه حرارية عالية لتسخين المياه إلى درجة الغليان، وبالتالي ينقل بخار الماء الساخن لتشغيل توربينات الطاقة ذات احجام 50-200 ميغاوات في الساعة والتي تزود التيار الكهربائي لأكثر من 10000-40000 منزل لمدة زمنية بين 3-17 ساعات يومياً.

كما نجد في أسبانيا أكثر من 24 مشروع قائم لتخزين الطاقة الكهربائيه من الطاقة الشمسية بطريقة صهر الملح وبطاقة استيعابية تفوق 50 ميغاوات في الساعة للمشروع الواحد. ويبلغ اجمالي الطاقة الكهربائية المنتجة من مشاريع الأشعة الشمسية المركزة حوالي 2300 ميغاوات في الساعة. و هناك أكثر من 7 مشاريع مماثلة في الولايات المتحدة تعمل بطاقة كهربائية 1700 ميغاوات لكل ساعة ، وقد بدأت هذه التكنولجيا في الانتشار حول أرجاء العالم مؤخراً  ^(1،2).

ومن أهم الحلول الميكانيكة الكبيرة لتخزين الطاقة، اعادة ضخ المياه الى السدود التي تعتبر من أهم الطرق لمشاريع تخزين الطاقة الكهربائية. حيث يتم استغلال الطاقة في أوقات أقل ذروة لضخ المياه إلى السدود و مِن ثُم يتم تشغيل التوربينات الهيدروليكية العملاقة لتوليد الكهرباء في أوقات الذروة.  ونجد أن هذا النوع من المشاريع قادر على انتاج طاقة كهربائية بسعة تتجاوز 1000 الى 3600 ميغاوات للمشروع الواحد وهي كافية لتغذية عدة مدن بالكهرباء.

علماً بأن طريقة اعادة ضخ المياة (pumped hydroelectric energy storage) هي المفضله في العديد من البلدان مثل الصين حيت تنتج 32 غيغاوات من الطاقة الكهربائية وكذلك اليابان تنتج 28 غيغاوات والولايات المتحدة 22 غيغاوات والاتحاد الاوربي 40 غيغاوات نظراً لوفرة المياة والبحيرات والانهار ووفرة جميع أحجام السدود.

وعليه تكمن أهمية تخزين الطاقة الكهربائية واستغلال الفائض من الكهرباء بشكل يعود بالفائدة الاقتصادية والحل الأمثل لمشاكل الضغط على شبكة الكهرباء في أوقات الذروة. اضافة إلى امكانية تخزين الطاقة المستدامة من الأشعة الشمسية والرياح لتوفير الطاقة الكهربائية.

*دكتوراه في الهندسة الكيميائية

المصادر:

1. https://en.wikipedia.org/wiki/List_of_energy_storage_projects
2. https://en.wikipedia.org/wiki/List_of_solar_thermal_power_stations
3. https://en.wikipedia.org/wiki/List_of_pumped-storage_hydroelectric_power_stations
4. https://en.wikipedia.org/wiki/Pumped-storage_hydroelectricity
5. https://en.wikipedia.org/wiki/Castaic_Power_Plant