تقنيات تخزين الطاقة الشمسية بقلم/ محمود حسين الحاج

التخزين يساعد الطاقة الشمسية على المساهمة في إمداد الكهرباء حتى عندما لا تكون الشمس مشرقة ويمكن أن يساعد أيضًا في تخفيف الاختلافات الناتجة من كيفية تدفق الطاقة الشمسية على الشبكة وتُعزى هذه الاختلافات إلى التغيرات في كمية ضوء الشمس الذي يضيء على الألواح الكهروضوئية (PV) أو تركيز أنظمة الطاقة الشمسية الحرارية (CSP) ،كما يمكن أن يتأثر إنتاج الطاقة الشمسية بالموسم أو الوقت من اليوم أو السحب أو الغبار أو الضباب أو العوائق مثل الظلال والمطر والثلج والأوساخ.
في بعض الأحيان يتم وضع تخزين الطاقة في موقع مشترك مع نظام الطاقة الشمسية أو يوضع بجواره، وأحيانا يكون نظام التخزين منفردًا، وكلا التكوينين يمكن أن يساعدا بشكل أكثر فاعلية في دمج الطاقة الشمسية في مكونات انتاجية الطاقة.
ما هو تخزين الطاقة؟
يشير مصطلح “التخزين” إلى التقنيات التي يمكنها التقاط الكهرباء وتخزينها كشكل آخر من أشكال الطاقة (كيميائية، حرارية، ميكانيكية) ثم إطلاقها لاستخدامها عند الحاجة.
بطاريات الليثيوم أيون هي إحدى هذه التقنيات، على الرغم من أن استخدام تخزين الطاقة لا يكون أبداً فعالًا بنسبة 100٪ (حيث يتم دائمًا فقد بعض الطاقة في تحويل الطاقة واستعادتها) ويتيح التخزين الاستخدام المرن للطاقة في أوقات مختلفة عن وقت توليدها، لذلك يمكن أن يزيد التخزين من كفاءة النظام ومرونته، ويمكنه تحسين جودة الطاقة من خلال مطابقة العرض والطلب.
تختلف مرافق التخزين في كلٍّ من سعة الطاقة، وهي الكمية الإجمالية للطاقة التي يمكن تخزينها (عادةً بالكيلوواط / ساعة أو ميغاواط / ساعة)، وسعة الطاقة هي كمية الطاقة التي يمكن إطلاقها في وقت معين (عادة بالكيلوواط أو ميغاواط)، كما يمكن استخدام قدرات طاقة مختلفة للتخزين لإدارة المهام المختلفة، وسيضمن التخزين قصير الأجل الذي يستمر لبضع دقائق فقط تشغيل محطة الطاقة الشمسية بسلاسة أثناء تقلبات الإنتاج بسبب مرور السحب، في حين أن التخزين طويل الأجل يمكن أن يساعد في توفير الإمداد على مدار أيام أو أسابيع عندما يكون إنتاج الطاقة الشمسية منخفضًا أو أثناء تقلبات الطقس المختلفة على سبيل المثال.
مزايا الجمع بين التخزين والطاقة الشمسية:
1. موازنة أحمال الكهرباء – بدون تخزين، يجب توليد الكهرباء واستهلاكها في نفس الوقت، مما قد يعني أن مشغلي الشبكة يأخذون بعض الأجيال في وضع عدم الاتصال، أو “تقليصها” لتجنب مشاكل التوليد الزائد وموثوقية الشبكة. على العكس من ذلك، قد تكون هناك أوقات أخرى، بعد غروب الشمس أو في الأيام الملبدة بالغيوم، عندما يكون هناك القليل من إنتاج الطاقة الشمسية، ولكن هناك الكثير من الطلب على الطاقة.
– مع التخزين، الذي يمكن ملؤه أو شحنه عندما يكون التوليد مرتفعًا واستهلاك الطاقة منخفضًا، ثم يتم الاستغناء عنه عندما يكون الحمل أو الطلب مرتفعًا، فعندما يتم تخزين بعض الكهرباء التي تنتجها الشمس يمكن استخدام هذه الكهرباء متى احتاجها مشغلو الشبكة بما في ذلك بعد غروب الشمس وبهذه الطريقة يعمل التخزين كوثيقة تأمين لأشعة الشمس.
2. توليد الطاقة الشمسية (الثبات) يمكن للتخزين قصير المدى أن يضمن أن التغييرات السريعة في التوليد لا تؤثر بشكل كبير على ناتج محطة الطاقة الشمسية. على سبيل المثال يمكن استخدام بطارية صغيرة للتغلب على اضطراب جيل قصير من سحابة عابرة مما يساعد الشبكة في الحفاظ على إمداد كهربائي “ثابت” موثوق به ومتسق.

3. توفير المرونة حيث يمكن للطاقة الشمسية والتخزين توفير طاقة احتياطية أثناء الانقطاع الكهربائي كما يمكن الحفاظ على المرافق الحيوية التي تعمل لضمان استمرار الخدمات الأساسية مثل الاتصالات، ويمكن أيضًا استخدام الطاقة الشمسية والتخزين في الشبكات الصغيرة والتطبيقات الأصغر حجمًا مثل وحدات الطاقة المحمولة.
أنواع تخزين الطاقة
النوع الأكثر شيوعًا لتخزين الطاقة في شبكة الطاقة هو ضخ الطاقة الكهرومائية، ومن ثم تقنيات التخزين التي تقترن في الغالب بمحطات الطاقة الشمسية هي التخزين الكهروكيميائي (البطاريات) مع محطات الطاقة الكهروضوئية والتخزين الحراري (السوائل) مع محطات الطاقة الشمسية المركزة، وقد يكون للأنواع الأخرى من التخزين مثل تخزين الهواء المضغوط والحذافات خصائص مختلفة بالإضافة إلى التفريغ السريع جدًا والسعة الكبيرة جدًا مما يجعلها جذابة لمشغلي الشبكة.
الطاقة الكهرومائية بالضخ والتخزين
هي تقنية لتخزين الطاقة تعتمد على الماء حيث تُستخدم الطاقة الكهربائية لضخ المياه إلى خزان عندما يكون الطلب على الطاقة منخفضًا، ثم في وقت لاحق يمكن السماح للمياه بالتدفق إلى أسفل المنحدرات وتشغيل التوربينات لتوليد الكهرباء عندما يكون الطلب مرتفعًا.
ضخ السائل المائي عبارة عن تقنية تخزين مجربة ومختبرة جيدًا تم استخدامها في الولايات المتحدة منذ عام 1929. ومع ذلك، فهي تتطلب مناظر طبيعية وخزانات مناسبة، والتي قد تكون بحيرات طبيعية أو من صنع الإنسان عن طريق بناء السدود، وتتطلب تصاريح تنظيمية طويلة إلى جانب أوقات التنفيذ الطويلة ورأس مال أولي كبير، والذي يؤثر على موازنة الطاقة في تحقيق قيمة خدمات ضخ الطاقة المائية بشكل كامل لدمج مصادر الطاقة المتجددة المتغيرة، مما قد يجعل فترة الاسترداد المالي طويلة. هذه بعض أسباب عدم بناء محطات ضخ المياه مؤخرًا.
التخزين الكهروكيميائي
كثير منا على دراية بالبطاريات الكهروكيميائية، مثل تلك الموجودة في أجهزة الحاسوب والهواتف المحمولة، فعندما يتم تغذية البطارية بالكهرباء فإنها تسبب تفاعلًا كيميائيًا ويتم تخزين الطاقة. وعندما يتم تفريغ البطارية يتم عكس هذا التفاعل الكيميائي مما ينتج عنه جهد كهربائي بين اتصالين كهربائيين مما يتسبب في تدفق التيار خارج البطارية. ويعتبر أكثر التخزين الكهروكيميائي شيوعًا لخلايا بطاريات ليثيوم أيون، بالإضافة إلى الخيارات الشائعة الأخرى والتي تشتمل على بطاريات الرصاص الحمضية والصوديوم والنيكل.
تخزين الطاقة الحرارية
تخزين الطاقة الحرارية هو مجموعة من التقنيات التي يتم فيها استخدام سائل مثل الماء أو الملح المصهور أو مادة أخرى لتخزين الحرارة، يتم بعد ذلك تخزين مادة التخزين الحراري هذه في خزان معزول حتى تكون هناك حاجة إلى الطاقة، حيث يمكن استخدام الطاقة مباشرة للتدفئة والتبريد أو يمكن استخدامها لتوليد الكهرباء.
في أنظمة تخزين الطاقة الحرارية المخصصة للكهرباء تُستخدم الحرارة لغلي الماء حيث يقوم البخار الناتج بتشغيل التوربينات وينتج طاقة كهربائية باستخدام نفس المعدات المستخدمة في محطات توليد الكهرباء التقليدية، ويعد تخزين الطاقة الحرارية مفيدًا في محطات الطاقة الشمسية المركزة التي يركز ضوء الشمس على جهاز استقبال لتسخين سائل عامل، وقد تم استكشاف ثاني أكسيد الكربون فوق الدرجة الحرجة كسائل عامل يمكن أن يستفيد من درجات الحرارة المرتفعة ويقلل من حجم النباتات المولدة.
تخزين دولاب الموازنة
دولاب الموازنة عبارة عن عجلة ثقيلة متصلة بعمود دوار يمكن أن يؤدي إنفاق الطاقة إلى جعل العجلة تدور بشكل أسرع، ثم يمكن استخلاص هذه الطاقة من خلال ربط العجلة بمولد كهربائي، والذي يستخدم الكهرومغناطيسية لإبطاء العجلة وإنتاج الكهرباء، على الرغم من أن الحذافات يمكن أن توفر الطاقة بسرعة إلا أنها لا تستطيع تخزين الكثير من الطاقة.
تخزين الهواء المضغوط
تتكون أنظمة تخزين الهواء المضغوط من أوعية كبيرة، مثل الخزانات أو التكوينات الطبيعية مثل الكهوف، حيث يقوم نظام ضاغط بضخ الأوعية المليئة بالهواء المضغوط ثم إطلاق الهواء واستخدامه في تشغيل التوربينات التي تنتج الكهرباء، وغالبًا ما تستخدم أنظمة تخزين طاقة الهواء المضغوط الحالية الهواء الصادر كجزء من دورة طاقة الغاز الطبيعي لإنتاج الكهرباء.
الوقود الشمسي
وهي استخدام الطاقة الشمسية لإنشاء أنواع وقود جديدة يمكن حرقها (حرقها) أو استهلاكها لتوفير الطاقة، وتخزين الطاقة الشمسية بشكل فعال في الروابط الكيميائية، من بين أنواع الوقود المحتملة التي يفحصها الباحثون الهيدروجين المنتج بفصله عن الأكسجين الموجود في الماء، وكذلك الميثان الناتج عن الجمع بين الهيدروجين وثاني أكسيد الكربون، والميثان هو المكون الرئيسي للغاز الطبيعي والذي يشيع استخدامه لإنتاج الكهرباء أو تدفئة المنازل.
البرك الشمسية
حيث تعمل البرك الشمسية أيضًا مع أنظمة الطاقة الشمسية الحرارية المركزة، والبركة الشمسية عبارة عن جسم مائي يجمع الطاقة الشمسية ويخزنها كحرارة، لذا فان مبدأ عملها هو عكس الحمل الحراري الطبيعي.
بطبيعة الحال عندما يصطدم ضوء الشمس ببركة مالحة فإنه يسخن أولاً الماء في قاع البركة فتصبح هذه المياه أقل كثافة ومن خلال الحمل الحراري ترتفع جزيئاتها إلى السطح.
أما في البرك الشمسية العكس هو الصحيح حيث يتم بناء البرك لعرقلة الحمل الحراري ثم تتلقى البركة الملح بكمية كافية لتشبع الماء تمامًا في القاع، وعندما يسخن الماء كالعادة لا يختلط الماء شديد الملوحة مع الماء الأكثر سخونة تمامًا مع الماء الأقل ملوحة والماء البارد على السطح، ومن ثم يحدث الخلط خفيف والحمل بشكل منفصل في الماء العلوي والسفلي، وهذا التأثير يقلل من فقدان الحرارة بشكل كبير، ويمكن أن تسخن المياه الأكثر ملوحة حتى 90 درجة مئوية بينما يحافظ الجزء العلوي على درجة حرارة منخفضة تصل إلى 30 درجة مئوية، في وقت لاحق يمكن توجيه المزيد من المياه المالحة الساخنة إلى التوربينات التي تتحول إلى توليد الكهرباء عندما يكون الطلب مرتفعًا.
التخزين الافتراضي
وهي تخزين الطاقة عن طريق تغيير كيفية استخدامنا للأجهزة التي لدينا بالفعل، على سبيل المثال من خلال تدفئة المبنى أو تبريده قبل ذروة الطلب على الكهرباء المتوقعة، لذلك يمكن للمبنى “تخزين” هذه الطاقة الحرارية بحيث لا يحتاج إلى استهلاك الكهرباء في وقت لاحق من اليوم، حيث يعمل المبنى نفسه بمثابة ترمس من خلال تخزين الهواء البارد أو الدافئ، كما يمكن تطبيق عملية مماثلة على سخانات المياه لنشر الطلب على مدار اليوم.

اعداد وكتابة/ محمود حسين الحاج
الهيئة العامة للتعليم التطبيقي والتدريب
معهد التدريب المهني