انخفضت تكلفة توليد الطاقة باستخدام الرياح، وأشعّة الشمس، بشكل ملحوظ في العقود الماضية، وكان هذا أحد الأسباب التي دفعت بوزارة الطّاقة الأميركيّة إلى توقّع أن تكون الطّاقة المتجدّدة الأسرع نمواً في البلاد بحلول 2050.
إلا إن تخزين الطّاقة لا يزال مكلفاً نسبياً، ونظراً لأنّ توليد الطّاقة المتجدّدة ليس خياراً متاحاً دائماً ويحصل فقط في الأيّام المشمسة وعند هبوب الرياح، فإن التخزين يبقى خياراً لا مفرّ منه.
تقنيات تخزين الطاقة
في تقرير صدر حديثاً عن «المختبر الوطني للطاقة المتجددة»، قدّر باحثون أنّ الولايات المتّحدة قادرة فعلاً على زيادة قدرتها على تخزين الطاقة المتجدّدة بمعدّل 3000 في المائة بحلول 2050.
وستتعرّفون فيما يلي على بعض التقنيات الناشئة التي قد تساعد في تحقيق هذا الهدف:
> شحنات أطول: تتنوّع البطاريات التي يستخدمها معظم النّاس في حياتهم اليومية؛ وأبرزها القلويّة للإلكترونيات الصغيرة، والأيون ليثيوم للسيّارات واللابتوبات، ولكنّ هذه الصناعة لا تزال تحتمل كثيراً من التطوّر والنموّ.
على سبيل المثال؛ تُعدّ البطاريات ذات السعة الكبيرة التي تعمل لفترات طويلة دون الحاجة لشاحن (10 ساعات تقريباً) من الأنواع شديدة الأهميّة لتخزين الطاقة الشمسية ليلاً، أو زيادة نطاق سير السيّارات الكهربائية، إلا إنّ هذه البطاريات متوفّرة بأعدادٍ قليلة جداً اليوم. ولكنّ أحدث التوقعات تشير إلى أنّ أميركا ستشهد تركيب بطاريات بقدرة تقارب 100 غيغاواط بحلول 2050؛ أي أكبر بخمسين مرّة من القدرة الكهربائية التي يولّدها سدّ «هوفر» على نهر كولارادو؛ الأمر الذي قد يكون له تأثير هائل على الطّاقة المتجدّدة.
يصطدم هذا النموّ بعائقٍ كبير؛ وهو محدوديّة مخزون مادتي الأيون ليثيوم والكوبالت شديدتي الأهميّة لصناعة بطاريات قويّة وخفيفة الوزن؛ إذ تشير بعض التقديرات إلى أنّ نحو 10 في المائة من الليثيوم ومجمل احتياطات الكوبالت في العالم سينفد بحلول 2050. علاوة على ذلك، يُستخرج 70 في المائة من احتياطي الكوبالت في العالم من جمهورية الكونغو في ظروف وُصفت دائماً بأنّها غير إنسانيّة.
يعمل العلماء اليوم على تطوير تقنيات لإعادة تدوير بطاريات الليثيوم والكوبالت، ولتصميم بطاريات تعتمد على مواد أخرى. وتخطّط شركة «تسلا» مثلاً لإنتاج بطاريات خالية من الكوبالت في السنوات القليلة المقبلة، بينما تسعى شركات أخرى إلى الاستبدال بالليثيوم الصوديوم لأنّه يملك خصائص مماثلة ويتوفّر بكميّات أكبر بكثير.
> بطاريات أكثر أماناً: يشدّد العلماء اليوم أيضاً على أهميّة صناعة بطاريات أكثر أماناً. يعدّ الإلكتروليت (الكهرل)؛ أي الوسيط السائل الذي يتيح للشحنة الكهربائية التدفّق من مصعد البطارية (القطب السالب) إلى المهبط أو (القطب الموجب)، من أبرز الأمور التي تتطلّب تحسيناً في هذا المجال.
عند استخدام البطارية، تتحرّك الجسيمات المشحونة الموجودة في الإلكتروليت لتحقيق توازن مع شحنة الكهرباء التي تتدفّق خارج البطارية. تحتوي الإلكتروليتات غالباً على مواد قابلة للاشتعال يمكن أن تؤدّي في حال تسرّبت، إلى ارتفاع درجة حرارة البطارية ومن ثمّ إلى احتراقها أو ذوبانها.
يعمل العلماء اليوم على تطوير إلكتروليتات صلبة لزيادة متانة البطاريات؛ لأنّ الجسيمات تجد صعوبة في التحرّك عبر المواد الصلبة. ترجّح النتائج المخبرية المشجّعة أنّ هذه البطاريات قد تصبح متوفّرة في السنوات المقبلة وأن تدخل في الأسواق التجارية مع بداية عام 2026.
قد تكون البطاريات ذات الداخل الصلب مناسبة للإلكترونيات الاستهلاكية والعربات الكهربائية، ولكنّ العلماء يسعون لتطوير تصميم سائل بالكامل يعرف باسم «بطاريات التدفّق» لتخزين الطاقة على نطاق واسع.
تكون الإلكتروليتات والأقطاب الكهربائية في هذا النوع سائلة مهمّتها تسريع عملية الشحن وتسهيل صناعة بطاريات كبيرة الحجم. لا تزال هذه الأنظمة حالياً باهظة التكلفة جداً، ولكنّ الجهود مستمرّة لتقليل تكلفتها.
تخزين أشعّة الشمس
> تركيز أشعة الشمس لتسخين الملح والرمل: في بعض الحالات، تكون تكلفة حلول تخزين الطاقة المتجدّدة الأخرى أقلّ من البطاريات.
تستخدم معامل الطّاقة الشمسية المركّزة المرايا لتركيز أشعّة الشمس التي تسخّن مئات أو آلاف الأطنان من الملح حتّى تذوب. بعدها، يُصار إلى استخدام هذا الملح الذائب لتشغيل مولّد كهربائي مثلما يُستخدم الفحم أو الطاقة النووية لتسخين البخار وتشغيل المولّدات في المعامل التقليديّة.
هذه المواد المسخّنة قابلة للتخزين أيضاً لإنتاج الكهرباء عندما يكون الطقس غائماً أو حتّى في الليل، أي إنّ هذه المقاربة تتيح للطّاقة الشمسية المركّزة العمل طوال الوقت.
يمكن تعديل هذه الفكرة لاستخدامها في تقنيات توليد طاقة غير شمسية؛ إذ يمكن مثلاً استخدام الكهرباء المولّدة من الرياح لتسخين الملح واستخدامه لاحقاً في غياب الرياح.
لا تزال تقنية تركيز الطاقة الشمسية مكلفة جداً وتحتاج إلى زيادة فاعليتها لتتمكّن من منافسة أشكال أخرى من توليد وتخزين الطّاقة. يمكن تحقيق هذا الهدف من خلال زيادة درجة الحرارة التي يُسخّن إليها الملح، مما سيتيح إنتاج كهرباء أكثر فاعلية. لسوء الحظّ، لا تحافظ الأملاح التي تستخدم حالياً على استقرارها في درجات الحرارة المرتفعة، ولكنّ الباحثين يعملون على تطوير أملاح جديدة أو مواد أخرى قادرة على الصمود في درجات حرارة مرتفعة تصل إلى 705 درجات مئوية (1300 درجة فهرنهايت).
يركّز الباحثون اليوم أيضاً على فكرة رائدة للوصول إلى درجة حرارة أعلى تتطلّب تسخين الرمال بدل الملح؛ لأنّها قادرة على الصمود في الحرارة المرتفعة. بعدها، يُصار إلى نقل الرمال في أحزمة ناقلة من نقطة التسخين إلى المخزن. وكانت وزارة الطاقة الأميركيّة قد أعلنت أخيراً عن تمويل مشروع تجريبي لمعمل طاقة شمسية مركّزة يطبّق هذه الفكرة.
> وقود متجدّد متقدم: تعدّ البطاريات حلاً فعّالاً لتخزين الطاقة على المدى القصير، بينما يمكن لمعامل الطاقة الشمسيّة المركّزة أن تساهم في تحقيق التوازن في الشبكة الكهربائية.
ولكنّ المنشآت المستخدمة للطاقة تحتاج إلى تخزين كميّات كبيرة من الطاقة لفترة زمنية غير محدّدة، وهذا الدّور متروك غالباً لأنواع الوقود المتجدّد كالهيدروجين والأمونيا. تخزّن المنشآت الطّاقة من أنواع الوقود هذه من خلال إنتاجها بقدرات كهربائية فائضة عندما تولّد الألواح الشمسية وتوربينات الرياح طاقة كهرباء تفوق الطاقة التي يحتاجها الزبائن.
يحتاج إنتاج الهيدروجين والأمونيا إلى طاقة أكثر لكل كيلوغرام واحد مقارنة بالبطاريات؛ لأنّهما يعملان في الأماكن التي لا تصلح فيها الأخيرة؛ إذ يمكن استخدامهما مثلاً لشحن الأحمال الثقيلة، وتشغيل المعدّات الكبيرة، وحتّى لإطلاق الصواريخ.
تُصنع هذه الأنواع من الوقود غالباً من الغاز الطبيعي أو غيره من أنواع الوقود الأحفوري غير المتجدّد بواسطة تفاعلات ضعيفة جداً. يرى النّاس هذه الأنواع من الوقود على أنها «خضراء»، إلا إنّ معظم غاز الهيدروجين المنتج اليوم مصنوع من الغاز الطبيعي.
يبحث العلماء حالياً عن طرائق لإنتاج الهيدروجين وغيره من أنواع الوقود باستخدام الكهرباء المتجدّدة. على سبيل المثال؛ يمكن صناعة وقود الهيدروجين من خلال فصل جزيئات المياه بواسطة الكهرباء، إلا إنّ التحدّي الأبرز في هذه الوسيلة يكمن في تحسين العملية لتعزيز فاعليتها وجدواها الاقتصادية. أمّا النتيجة المحتملة لها؛ فستكون عظيمة: طاقة لا تنضب، ومتجدّدة بالكامل.
* باحث في «المختبر الوطني للطاقة المتجددة» بالولايات المتحدة
- «فاست كومباني»
- خدمات «تريبيون ميديا»
