Arabic:تخزين الطاقة والبطاريات

مقدمة

يؤدي تخزين الطاقة دورًا محوريًا في الأنظمة الكهربائية الحديثة؛ فهو يفصل زمنيًا بين لحظة إنتاج الطاقة ولحظة استخدامها، ويساعد على دمج الطاقة الشمسية وطاقة الرياح، ودعم استقرار الشبكات، وتوفير القدرة الاحتياطية، وتشغيل المركبات والأجهزة المحمولة. وتمثل البطاريات فئة مهمة من تقنيات التخزين، لكنها ليست الفئة الوحيدة؛ فهناك أيضًا التخزين الكهرومائي بالضخ، والهواء المضغوط، والحذافات، والتخزين الحراري، والهيدروجين، والمكثفات الفائقة.

في هذا المقرر ستتعامل مع الموضوع من منظور جامعي يجمع بين الكيمياء الكهروكيميائية، وهندسة الخلية والحزمة، ومقاييس الأداء، والتقادم، والسلامة، وإدارة البطارية، والتدوير، وتطبيقات الشبكة، واقتصاديات الاختيار بين تقنيات التخزين. ستتعلم كذلك كيف تفسر مجموعات بيانات الأداء وكيف تميز بين ادعاء تقني مدعوم بالقياس وبين مقارنة غير عادلة بين تقنيات اختبرت تحت شروط مختلفة.

مثال على نظام تخزين طاقة بالبطاريات داخل حاويات تجارية.

أهداف التعلم

بعد إتمام هذا المقرر يُتوقع أن تكون قادرًا على أن:

1. تشرح وظيفة تخزين الطاقة في الشبكات والمركبات والأنظمة المستقلة، وتميز بين القدرة والطاقة ومدة التفريغ.
2. تفسر المبادئ الكهروكيميائية الأساسية للخلية القابلة للشحن ومسارات الأيونات والإلكترونات.
3. تقارن كيميائيات البطاريات مثل فوسفات حديد الليثيوم، وأكاسيد النيكل والمنغنيز والكوبالت، والرصاص الحمضية، والصوديوم، وبطاريات التدفق.
4. تحلل دور نظام إدارة البطارية في القياس والموازنة والحماية وتقدير حالة الشحن وحالة الصحة.
5. تفسر التقادم الناتج عن الزمن والدورات ودرجة الحرارة وحالة الشحن ومعدل التيار وعمق التفريغ.
6. تقيم مخاطر السلامة مثل الهروب الحراري والجهد المستمر العالي والقوس الكهربائي وتضع ضوابط هندسية مناسبة دون إجراء اختبارات خطرة.
7. تشرح مسارات إعادة الاستخدام والتدوير وتناقش استرجاع المواد والاقتصاد الدائري.
8. تقيم ملاءمة تقنيات التخزين للشبكة باستخدام الكفاءة والمدة والعمر والاستجابة والموقع والكلفة بوصفها معايير مترابطة.
9. تناقش تقنيات التخزين المستقبلية بتمييز واضح بين الحلول التجارية والاتجاهات البحثية الواعدة.

أساسيات تخزين الطاقة ومقاييس الأداء

تخزن المنظومة الطاقة عندما يتوفر فائض أو عندما تكون قيمة الكهرباء منخفضة، ثم تستعيدها عندما يرتفع الطلب أو تصبح خدمات الشبكة أكثر قيمة. لا يجوز الخلط بين القدرة والطاقة: القدرة تقيس معدل تبادل الطاقة وتقاس عادة بالكيلوواط أو الميغاواط، أما الطاقة فتقاس بالكيلوواط ساعة أو الميغاواط ساعة. إذا كان نظام التخزين يملك طاقة قابلة للاستخدام مقدارها 400 ميغاواط ساعة وقدرة اسمية مقدارها 100 ميغاواط، فإن مدة التفريغ النظرية عند القدرة الاسمية تساوي أربع ساعات.

$E=P\times t$

يمثل حاصل قسمة الطاقة على القدرة مؤشرًا سريعًا إلى مدة التخزين، لكنه لا يصف وحده أداء المنظومة؛ فقد تحد أنظمة التحكم ودرجة الحرارة وحدود حالة الشحن من القدرة المتاحة فعليًا. كما أن الطاقة الاسمية لا تساوي دائمًا الطاقة القابلة للاستخدام بسبب حدود الحماية والاحتياطي والتقادم.

من أهم مقاييس المقارنة كفاءة الدورة الكاملة، وهي نسبة الطاقة الكهربائية المستعادة إلى الطاقة الكهربائية الداخلة خلال دورة شحن وتفريغ محددة:

${\eta }_{RT}=\frac{E_{out}}{E_{in}}\times 100\mathrm{\%}$

وتعتمد الكفاءة على معدل القدرة ودرجة الحرارة وحالة الشحن والمعدات المساعدة مثل التبريد والمحولات. لذلك لا تُعامل الكفاءة كرقم ثابت مستقل عن شروط الاختبار. ويجب التمييز بينها وبين الكفاءة الكولومية التي تقارن الشحنة الكهربائية المستخرجة بالشحنة المدخلة إلى الخلية، وبين كفاءة الطاقة التي تتأثر أيضًا بفروق الجهد والمقاومة الداخلية.

وتشمل المقاييس الأخرى: كثافة الطاقة بوحدة واط ساعة لكل كيلوغرام أو لكل لتر، وكثافة القدرة، والعمر الدوري، والعمر التقويمي، ومعدل التفريغ الذاتي، وعمق التفريغ، ومعدل الشحن أو التفريغ، وحالة الشحن، وحالة الصحة، والاستجابة الزمنية. يشير معدل واحد سي تقريبًا إلى شحن أو تفريغ السعة الاسمية خلال ساعة في ظروف الاختبار المحددة، بينما يعني نصف سي زمنًا يقارب ساعتين، مع بقاء القيود الفعلية مرتبطة بالكيمياء وتصميم الخلية.

مثال مبسط على شحن مخزن الطاقة عند الفائض وتفريغه عندما يتجاوز الحمل التوليد المتاح.

على مستوى الشبكة يمكن للتخزين أن يقدم تحويل الطاقة زمنيًا، وتنظيم التردد، والاحتياطي السريع، وتخفيف ازدحام الشبكة، ودعم الجهد، وتقليل قص إنتاج الطاقة المتجددة في بعض الحالات. لا توجد تقنية مثالية لكل خدمة؛ فخدمة التردد تتطلب استجابة سريعة وقدرة عالية، بينما يتطلب نقل الطاقة من النهار إلى الليل سعة طاقة أكبر ومدة أطول.

وفق تقرير وكالة الطاقة الدولية لعام 2024، أضيف عالميًا نحو 42 غيغاواط من تخزين البطاريات خلال عام 2023، وتجاوزت القدرة المستخدمة في قطاع الكهرباء 85 غيغاواط في ذلك العام. كما انخفضت أسعار بطاريات ليثيوم أيون من نحو 1400 دولار لكل كيلوواط ساعة في 2010 إلى أقل من 140 دولارًا لكل كيلوواط ساعة في 2023. هذه أرقام سوقية تاريخية وليست أسعار شراء ثابتة لكل مشروع، إذ تتغير الكلفة بحسب الكيمياء والمدة والحجم ومعدات التوازن والإنشاء والموقع.

مؤشر سوقي من تقرير وكالة الطاقة الدولية	القيمة المرجعية	كيفية قراءته
إضافات تخزين البطاريات عالميًا في 2023	نحو 42 غيغاواط	قدرة جديدة مضافة في سنة واحدة وليست طاقة مخزنة بوحدة غيغاواط ساعة
تخزين البطاريات المستخدم في قطاع الكهرباء عالميًا في 2023	أكثر من 85 غيغاواط	قدرة تشغيلية تقريبية كما وردت في التقرير
تغير سعر بطاريات ليثيوم أيون بين 2010 و2023	انخفاض يقارب 90 بالمئة	اتجاه سوقي طويل الأجل وليس ضمانًا لسعر مشروع معين
حصة فوسفات حديد الليثيوم من تخزين البطاريات الجديد في 2023	نحو 80 بالمئة	يعكس ملاءمة هذه الكيمياء للكلفة والعمر والسلامة في كثير من تطبيقات التخزين

المصدر: تقرير البطاريات وانتقالات الطاقة الآمنة، وكالة الطاقة الدولية، 2024.

كيمياء البطاريات وهندسة الخلية

البطارية القابلة للشحن تحول الطاقة بين الشكلين الكيميائي والكهربائي بواسطة تفاعلات أكسدة واختزال قابلة للعكس ضمن حدود التشغيل. تحتوي الخلية عادة على قطب سالب وقطب موجب وإلكتروليت وفاصل ومجمعات تيار وغلاف. أثناء التفريغ تنتقل الإلكترونات عبر الدائرة الخارجية لتؤدي شغلاً كهربائيًا، بينما تتحرك الأيونات داخل الخلية عبر الإلكتروليت للمحافظة على الاتزان الكهربائي. يمنع الفاصل التلامس الإلكتروني المباشر بين القطبين مع السماح بانتقال الأيونات.

في الأدبيات التطبيقية للبطاريات القابلة للشحن يُستخدم غالبًا لفظ المصعد للقطب السالب والمهبط للقطب الموجب على أساس حالة التفريغ. أما التعريف الكهروكيميائي الصارم فيربط المصعد بموضع الأكسدة والمهبط بموضع الاختزال، ولذلك قد يسبب الشحن انعكاسًا في تسمية الأدوار إذا استُخدم التعريف التفاعلي. في التحليل الهندسي الأفضل أن تذكر بوضوح القطب الموجب والقطب السالب وحالة التشغيل لتجنب الالتباس.

بنية ملفوفة شائعة في بعض الخلايا القابلة للشحن؛ الأرقام تشير إلى أطراف الخلية والغلاف والأقطاب والفاصل.

في الشكل السابق يمكن قراءة البنية وظيفيًا على النحو الآتي: الطرف الخارجي يوصل الخلية بالدائرة، والغلاف يوفر الحماية الميكانيكية، والأقطاب تحمل المواد الفعالة، والفاصل يقلل احتمال التماس الداخلي، بينما تسمح البنية الملفوفة بتعبئة مساحة سطح كبيرة داخل حجم محدود.

بطاريات ليثيوم أيون

لا تشير عبارة ليثيوم أيون إلى كيمياء واحدة. من أشهر كيميائيات القطب الموجب فوسفات حديد الليثيوم ومواد النيكل والمنغنيز والكوبالت. غالبًا ما يستخدم الغرافيت في القطب السالب، مع اتجاهات نحو خلطه بالسيليكون أو تطوير بدائل أخرى. يعتمد كثير من الخلايا التجارية على إلكتروليت عضوي سائل يحوي ملح ليثيوم، وفاصل بوليمري مسامي، ومجمع تيار نحاسي للقطب السالب وألمنيومي للقطب الموجب.

فوسفات حديد الليثيوم لا يحتوي في مادته الفعالة على النيكل أو الكوبالت، ويميل إلى تقديم استقرار حراري جيد وعمر دوري طويل وكلفة تنافسية، لكنه يملك عادة كثافة طاقة كتلية أقل من بعض كيميائيات النيكل الأعلى. أما كيميائيات النيكل والمنغنيز والكوبالت فتتيح كثافة طاقة مرتفعة مفيدة للمركبات، مع حساسية أكبر لتركيب المواد وظروف التشغيل وإدارة الحرارة. لا يجوز اختزال قرار الاختيار في كثافة الطاقة وحدها؛ فالكلفة والعمر والسلامة وتوفر المواد ومتطلبات القدرة عوامل حاسمة.

رسم تخطيطي لآلية خلية ليثيوم أيون أثناء الشحن والتفريغ.

يعرض الفيديو التالي شرحًا عربيًا للمكونات الأساسية وآلية عمل بطاريات الليثيوم، ويمكنك استخدامه للمراجعة بعد قراءة وصف مسارات الأيونات والإلكترونات:

تحميل الفيديو

يوتيوب

قد يقوم يوتيوب بجمع البيانات الشخصية. سياسة الخصوصية

استمرار تجاهل

من الخلية إلى الوحدة والحزمة

تجمع الخلايا على التوالي لرفع الجهد، وعلى التوازي لرفع السعة والتيار الممكن ضمن التصميم. ثم تجمع الخلايا في وحدات ورفوف أو حزم، وتضاف حساسات الجهد والتيار والحرارة، وقواطع وفيوزات، ودوائر موازنة، ونظام تبريد أو تدفئة. في المركبات الكهربائية يضاف تصميم ميكانيكي لمقاومة الصدمات والاهتزاز، بينما تركز نظم الشبكة الكبيرة على العزل، والحماية من الحريق، والتهوية، وفصل الحاويات، وإدارة الطاقة والتحويل بين التيار المستمر والمتناوب.

مثال واقعي على حزمة بطارية لمركبة كهربائية.

نظام إدارة البطارية هو طبقة القياس والحماية والتقدير. يقيس جهود الخلايا وحرارتها والتيار، ويحدد حدود الشحن والتفريغ، ويساعد في موازنة الخلايا، ويقدر حالة الشحن وحالة الصحة. لكنه لا يلغي القيود الفيزيائية أو الكيميائية؛ فخوارزمية ممتازة لا تجعل خلية متدهورة جديدة، بل تساعد على تشغيلها ضمن نافذة آمنة واستخراج معلومات أفضل من القياسات.

الرصاص والصوديوم وبطاريات التدفق

البطارية الرصاصية الحمضية تقنية ناضجة تستخدم ثاني أكسيد الرصاص والرصاص وحمض الكبريتيك، وتبقى مهمة في بدء تشغيل المركبات والطاقة الاحتياطية وبعض التطبيقات الثابتة. ميزتها الأساسية النضج وسلسلة التدوير الراسخة، بينما تشمل القيود كتلة مرتفعة وكثافة طاقة أقل وحساسية للعمر عند التفريغ العميق المتكرر بحسب التصميم.

تضم تقنيات الصوديوم عدة عائلات. تعمل بطاريات الصوديوم أيون قرب درجة الحرارة المحيطة وبمبدأ إدخال وإخراج أيونات الصوديوم من مواد الأقطاب بصورة تشبه من حيث الفكرة بطاريات ليثيوم أيون. ويتميز الصوديوم بوفرة أكبر جغرافيًا، لكن كثافة الطاقة والتصميمات التجارية لا تزال تختلف عن ليثيوم أيون. وهناك بطاريات صوديوم عالية الحرارة مثل الصوديوم والكبريت التي تتطلب إدارة حرارية خاصة.

في بطاريات التدفق تخزن المواد النشطة في إلكتروليتات سائلة داخل خزانات خارج مكدس الخلايا، وتضخ عبر المفاعل الكهروكيميائي. هذه البنية تسمح بدرجة من الفصل بين القدرة، التي ترتبط بحجم المكدس، والطاقة، التي ترتبط بكمية الإلكتروليت وحجم الخزانات. لذلك تعد بطاريات التدفق مرشحة جذابة للتخزين الثابت متعدد الساعات، مع كفاءة طاقة وكثافة طاقة وحجم منظومة تختلف عن بطاريات ليثيوم أيون.

بطارية تدفق فاناديوم في جامعة نيو ساوث ويلز؛ خزانات الإلكتروليت والمضخات ليست ظاهرة في الصورة.

التقادم والأداء وتحليل البيانات

التقادم الدوري يرتبط بتكرار الشحن والتفريغ، بينما يحدث التقادم التقويمي حتى عندما لا تعمل البطارية باستمرار. في بطاريات ليثيوم أيون قد تشمل آليات التدهور نمو طبقة بينية على القطب السالب، وفقد الليثيوم القابل للتدوير، وتدهور المادة الفعالة، وزيادة المقاومة الداخلية، وتغيرات بنيوية في الأقطاب. وقد يؤدي الشحن السريع في ظروف معينة، خصوصًا عند درجات حرارة منخفضة، إلى ترسيب الليثيوم المعدني على القطب السالب، وهو سلوك غير مرغوب فيه.

ترتفع سرعة كثير من التفاعلات الجانبية مع الحرارة، لذلك تمثل إدارة الحرارة عاملًا محوريًا في العمر والسلامة. كذلك قد يؤدي البقاء فترات طويلة عند حالة شحن مرتفعة إلى تسريع بعض آليات التقادم، بينما يؤدي عمق التفريغ الكبير ومعدلات التيار العالية إلى ضغوط إضافية تعتمد شدتها على الكيمياء والتصميم. لا توجد قاعدة واحدة تصلح لكل خلية؛ يجب الرجوع إلى بيانات الشركة المصنعة وبروتوكول الاختبار.

يمكن تمثيل حالة الصحة بصورة مبسطة كنسبة السعة القابلة للقياس حاليًا إلى السعة المرجعية في بداية العمر تحت شروط اختبار متطابقة تقريبًا. وقد تكون حالة الصحة متعددة الأبعاد لأن القدرة والمقاومة الداخلية قد تتدهور بمعدلات مختلفة عن السعة.

رقم الدورة	السعة المتبقية في مجموعة بيانات تعليمية محاكاة	المقاومة النسبية في مجموعة البيانات نفسها
0	100 بالمئة	100 بالمئة
200	98.5 بالمئة	104 بالمئة
400	96.2 بالمئة	109 بالمئة
600	93.4 بالمئة	115 بالمئة
800	90.1 بالمئة	123 بالمئة
1000	86.5 بالمئة	133 بالمئة

تنبيه منهجي: الجدول السابق بيانات محاكاة للتدريب على التحليل، وليست قياسات لمنتج تجاري. استخدمها لحساب معدل تغير السعة، ورسم السعة مقابل عدد الدورات، ومناقشة لماذا لا يكفي مؤشر واحد لوصف حالة الصحة.

للمقارنة ببيانات منشورة، يعرض الجدول التالي قيمًا مختارة من تقييمات استراتيجية لوزارة الطاقة الأمريكية صدرت في 2023. لا تمثل الصفوف اختبارًا موحدًا واحدًا، وبعضها خط أساس وبعضها توقع لنظام مرجعي في 2030؛ لذلك تستخدم للتعلم على قراءة السياق لا لترتيب التقنيات ترتيبًا مطلقًا.

التقنية أو الكيمياء	كفاءة الدورة الكاملة المرجعية	مؤشر العمر	سياق المدة أو النظام
ليثيوم أيون	85 بالمئة	2640 دورة في خط الأساس المذكور	خط أساس في تقييم الاستراتيجية
تدفق فاناديوم	65 بالمئة	10000 دورة للإلكتروليت	توقع لنظام 100 ميغاواط بمدة عشر ساعات في 2030
ضخ مائي	80 بالمئة	عمر تقويمي 60 سنة	توقع لمحطة 100 ميغاواط بمدة عشر ساعات في 2030
صوديوم وكبريت	من 80 إلى 85 بالمئة	نحو 7300 دورة عند عمق تفريغ مرجعي مقداره 80 بالمئة	مدة تفريغ تجارية نموذجية من ست إلى ثماني ساعات في التقييم
صوديوم وكلوريد النيكل	من 80 إلى 85 بالمئة	أكثر من 4500 دورة عند عمق تفريغ مرجعي مقداره 80 بالمئة	مدة تفريغ تجارية نموذجية من ساعتين إلى أربع ساعات في التقييم

مصادر الأداء: تقييم ليثيوم أيون، تقييم بطاريات التدفق، تقييم التخزين الكهرومائي بالضخ، تقييم بطاريات الصوديوم.

السلامة وإدارة المخاطر

السلامة في أنظمة البطاريات تبدأ من تصميم المادة والخلية ولا تنتهي عند برنامج التحكم. من المخاطر المهمة في ليثيوم أيون الهروب الحراري، وهو تتابع ذاتي التسارع من توليد الحرارة والتفاعلات الداخلية يمكن أن يبدأ نتيجة عيب صناعي أو ضرر أو قصر داخلي أو ظروف إساءة تشغيل. وقد تنتقل الحرارة من خلية إلى أخرى إذا لم يحد التصميم من الانتشار. كما توجد مخاطر الجهد المستمر العالي والقوس الكهربائي والغازات الساخنة أو القابلة للاشتعال والدخان ومخاطر معدات التحويل والتبريد.

تتبع إدارة الخطر مبدأ الطبقات: اختيار خلية مناسبة، وتصميم ميكانيكي وفاصل جيد، ومراقبة الجهد والتيار والحرارة، وحدود برمجية ومادية مستقلة، وفصل كهربائي، وإدارة حرارية، وكشف مبكر للغاز أو الدخان عند الحاجة، وتهوية وتصريف ضغط مناسبين، وتقسيم مكاني، وخطة استجابة للطوارئ. لا يجوز الاعتماد على نظام إدارة البطارية وحده بوصفه حاجز السلامة الوحيد.

في المختبر أو المشروع التعليمي لا تفكك خلية ليثيوم أيون ولا تثقبها ولا تسخنها عمدًا ولا تقصر أطرافها ولا تحاول شحنها خارج مواصفات الشركة المصنعة. استخدم بيانات منشورة أو خلايا تعليمية وأنظمة اختبار معتمدة وتحت إشراف مختص عند الحاجة. البطارية المتورمة أو المتضررة ليست مادة مناسبة لتجربة طلابية.

توضح خطة السلامة الاستراتيجية لأنظمة تخزين الطاقة الصادرة عن وزارة الطاقة الأمريكية أن الهروب الحراري يبقى من أهم قضايا السلامة في ليثيوم أيون، وأن التحقق على مستوى النظام وضوابط التصميم ضروريان لمنع الحوادث أو الحد من آثارها. ومن الأمثلة المرجعية في بعض الأسواق معايير وأنظمة اختبار مثل منظومات الاعتماد الخاصة بأنظمة تخزين الطاقة واختبارات انتشار الحريق، لكن المتطلبات القانونية تختلف من دولة إلى أخرى ويجب الرجوع إلى الجهة المختصة محليًا.

المصدر: خطة السلامة الاستراتيجية لأنظمة تخزين الطاقة.

التخزين على مستوى الشبكة ودراسات الحالة

يمكن تمثيل نظام تخزين البطارية المتصل بالشبكة كسلسلة من كتل وظيفية: مصفوفة خلايا ووحدات، ونظام إدارة البطارية، ونظام تحويل قدرة بين التيار المستمر والمتناوب، ومحولات وقواطع، ونظام إدارة طاقة يحدد أوامر الشحن والتفريغ، وأنظمة مساعدة للتبريد والاتصالات والحماية. لذلك فإن كفاءة الخلية ليست مساوية بالضرورة لكفاءة المحطة الكاملة.

مخطط عام يبين موقع نظام تخزين الطاقة بالبطاريات بين مصادر الكهرباء والمستهلكين.

يعرض الفيديو العربي التالي مناقشة مهنية لدور أنظمة تخزين الطاقة بالبطاريات في استقرار الشبكة الكهربائية وتطبيقاتها، ويمكن استخدامه لمقارنة اللغة الهندسية في المحاضرة مع المفاهيم الواردة في هذا المقرر:

تحميل الفيديو

يوتيوب

قد يقوم يوتيوب بجمع البيانات الشخصية. سياسة الخصوصية

استمرار تجاهل

دراسة حالة: احتياطي هورنسديل للطاقة

بدأ مشروع هورنسديل في جنوب أستراليا في 2017 بقدرة 100 ميغاواط وطاقة 129 ميغاواط ساعة، ثم توسع إلى 150 ميغاواط و193.5 ميغاواط ساعة. حصل المشروع لاحقًا على اعتماد لتقديم خدمات قصور ذاتي على نطاق الشبكة بواسطة تحكم متقدم في العاكسات. تكشف نسبة الطاقة إلى القدرة بعد التوسعة مدة نظرية تقارب 1.29 ساعة عند القدرة الاسمية، وهو مثال مهم على أن نظام البطارية قد يصمم أساسًا لخدمات قدرة واستجابة سريعة وليس ليكون مخزنًا طويل المدة.

$t=\frac{193.5\mathrm{M}\mathrm{W}\mathrm{h}}{150\mathrm{M}\mathrm{W}}\approx 1.29\mathrm{h}$

تساعد هذه الحالة على فصل ثلاثة أسئلة: ما مقدار الطاقة المخزنة؟ ما مقدار القدرة التي يمكن تبادلها لحظيًا؟ وما الخدمة التي يدفع سوق الكهرباء مقابلها؟ قد يكون للنظام ذي المدة القصيرة قيمة كبيرة إذا كان سريع الاستجابة ويقدم تنظيم التردد والاحتياط وخدمات متقدمة للعاكس.

المصدر: بيانات المشروع وخدمات الشبكة من شركة نيوين.

دراسة حالة مقارنة: البطارية الفيكتورية الكبيرة

تملك البطارية الفيكتورية الكبيرة في أستراليا قدرة 300 ميغاواط وطاقة 450 ميغاواط ساعة، أي نسبة طاقة إلى قدرة تقارب ساعة ونصف. مقارنة هذين المشروعين توضح أن الإعلان عن عدد الميغاواط وحده لا يكفي لفهم وظيفة نظام التخزين، كما أن عدد الميغاواط ساعة وحده لا يبين سرعة توصيل الطاقة. يجب قراءة الرقمين معًا ثم ربطهما بسوق الخدمات وقيود الشبكة.

المصدر: بيانات مشروعات التخزين المنشورة من شركة نيوين.

التخزين طويل المدة خارج البطاريات التقليدية

تستخدم وزارة الطاقة الأمريكية في برنامجها تعريفًا تشغيليًا للتخزين طويل المدة باعتباره نظامًا قادرًا على توصيل الكهرباء عشر ساعات أو أكثر. لا يعني ذلك أن عشر ساعات حد علمي عالمي ثابت، لكنه معيار برنامج مفيد عند مقارنة الاحتياجات التي تتجاوز دورات الشحن والتفريغ اليومية القصيرة.

التخزين الكهرومائي بالضخ يرفع الماء إلى خزان أعلى عند توفر الكهرباء ثم يعيده عبر توربين عند الحاجة. وهو تقنية ناضجة ذات عمر طويل، لكنها تعتمد على ملاءمة الموقع والمياه والبنية التحتية والتصاريح.

تخزين الهواء المضغوط يستخدم الكهرباء لضغط الهواء وتخزينه، ثم يمدده عبر آلة توليد عند التفريغ. تتأثر الكفاءة بشدة بكيفية إدارة الحرارة أثناء الضغط والتمدد وبنوع النظام.

التخزين الحراري يخزن الحرارة أو البرودة في مواد مناسبة مثل الأملاح المنصهرة أو وسائط حسية وكامنة، وقد يكون فعالًا جدًا عندما يكون الاستخدام النهائي حراريًا، بينما يتطلب الرجوع إلى الكهرباء مرحلة تحويل إضافية.

الهيدروجين يمكن أن يخزن الطاقة كيميائيًا بعد التحليل الكهربائي ثم يعاد تحويله إلى كهرباء أو يستخدم وقودًا ولقيمًا صناعيًا. قد يناسب مددًا طويلة جدًا أو استخدامات قطاعية مشتركة، لكن كفاءة الدورة الكهربائية الكاملة عادة أقل من البطاريات بسبب تعدد مراحل التحويل.

المصدر: برنامج التخزين طويل المدة وتقييمات ابتكارات التخزين 2030.

تطبيقات البطاريات مع الطاقة الشمسية والأنظمة المستقلة

في النظام الشمسي المستقل أو الهجين تؤثر البطارية في استمرارية التغذية وفي حجم المصفوفة الشمسية والمحول ومنظم الشحن. يجب تقدير ملف الأحمال بالساعة، والطاقة اليومية، والقدرة اللحظية، وعدد ساعات الاستقلال المطلوبة، وحدود عمق التفريغ، وكفاءة التحويل، ودرجة الحرارة، وهوامش التقادم. تضخيم البطارية دون تحليل قد يرفع الكلفة والمواد، وتصغيرها قد يزيد عمق التفريغ وعدد الدورات ويقلل القدرة على تلبية الأحمال.

يعرض الفيديو التالي شرحًا عربيًا لأنواع البطاريات في أنظمة الطاقة الشمسية وبعض الاعتبارات التشغيلية. تعامل معه بوصفه مادة مساندة وقارن أي توصية عملية فيه مع دليل الشركة المصنعة ومعايير السلامة المحلية:

تحميل الفيديو

يوتيوب

قد يقوم يوتيوب بجمع البيانات الشخصية. سياسة الخصوصية

استمرار تجاهل

في أنظمة الشبكة الحديثة يمكن للشحن الذكي أن يغير وقت استهلاك البطارية أو المركبة الكهربائية بحيث يتوافق مع وفرة الطاقة المتجددة أو انخفاض الطلب. كما يمكن لبعض المركبات والمبدلات ثنائية الاتجاه أن تدعم تطبيقات من المركبة إلى المنزل أو الشبكة، لكن ذلك يتطلب توافقًا فنيًا وتعاقديًا ولا ينبغي افتراض أن كل مركبة أو شاحن يدعمه.

إعادة الاستخدام والتدوير والاستدامة

لا تنتهي قصة البطارية عند بلوغ حد أداء معين في تطبيقها الأول. قد تكون بعض الحزم صالحة لاستخدام ثانٍ أقل تطلبًا بعد الفحص وإعادة التصنيف، لكن الاستخدام الثاني ليس حلًا تلقائيًا لكل بطارية؛ فالتباين بين الوحدات، وتاريخ التشغيل غير المعروف، وتكاليف الاختبار وإعادة التجميع، ومتطلبات السلامة والضمان قد تجعل التدوير المباشر خيارًا أفضل في حالات أخرى.

تتضمن سلسلة التدوير عادة الجمع الآمن، والفرز والتفريغ أو المعالجة الأولية وفق إجراءات مخصصة، والتفكيك أو التكسير في منشآت متخصصة، ثم استرجاع المواد بعمليات حرارية أو مائية أو بطرق تدوير مباشر ناشئة تحاول الحفاظ على قيمة مادة القطب. ينتج عن بعض عمليات المعالجة خليط مركز يعرف في الصناعة بالكتلة السوداء ويحتوي مواد فعالة ومعادن تحتاج إلى فصل وتنقية لاحقة.

في بطاريات ليثيوم أيون يمكن أن تشمل المواد المستهدفة للاسترجاع الليثيوم والنيكل والكوبالت والنحاس والألمنيوم والغرافيت بحسب الكيمياء ومسار المعالجة. تختلف الجدوى الاقتصادية حسب قيمة المعادن؛ فبطاريات فوسفات حديد الليثيوم لا تحتوي على النيكل أو الكوبالت في المادة الفعالة، ما يغير اقتصاديات التدوير مقارنة بكيميائيات غنية بالنيكل والكوبالت.

تحذر وكالة حماية البيئة الأمريكية من وضع بطاريات ليثيوم أيون في النفايات المنزلية أو حاويات إعادة التدوير البلدية المختلطة، لأن تلفها أثناء النقل أو الفرز قد يسبب حريقًا. وتوصي بنقلها إلى نقاط جمع متخصصة وفق القواعد المحلية. بالنسبة للأنظمة المتوسطة والكبيرة يجب اتباع تعليمات الشركة المصنعة أو الجهة التي ركبت النظام وعدم محاولة تفكيك الحزم بصورة فردية.

بطاريات مستعملة مخصصة للجمع والتدوير؛ الصورة: Peter Fiskerstrand.

المصدر: إرشادات البطاريات المستعملة وشرح عمليات تدوير بطاريات ليثيوم أيون.

عند تقييم الاستدامة استخدم منظور دورة الحياة: استخراج المواد وتنقيتها، وتصنيع الخلايا، ومزيج الكهرباء المستخدم في التصنيع والشحن، وكفاءة التشغيل والعمر، والنقل، وإعادة الاستخدام، والتدوير. لا يكفي وصف بطارية بأنها نظيفة لأن انبعاثاتها التشغيلية المباشرة منخفضة؛ الأثر يعتمد على النظام الكامل وعلى ما تستبدله البطارية من توليد أو بنية تحتية.

مستقبل أنظمة تخزين الطاقة

تتجه أبحاث التخزين إلى تنويع الكيميائيات وتقليل الاعتماد على المواد الحرجة وزيادة العمر وتحسين السلامة وخفض الكلفة. بطاريات الصوديوم أيون تجذب الاهتمام لوفرة الصوديوم وإمكان تقليل الاعتماد على النيكل والكوبالت في بعض الكيميائيات، مع تحديات في كثافة الطاقة والنضج الصناعي مقارنة بلثيوم أيون. البطاريات ذات الحالة الصلبة تستبدل الإلكتروليت السائل بإلكتروليت صلب، وقد تتيح مسارات لتحسين السلامة أو كثافة الطاقة، لكن مقاومة الواجهات، والتصنيع، والتماس بين المواد، والعمر عند الظروف العملية ما تزال موضوعات بحث وتطوير.

مبدأ مبسط لبطارية ذات حالة صلبة؛ يوضح الرسم وجود إلكتروليت صلب بين القطبين.

تدرس كذلك بطاريات الحديد والهواء والزنك والهواء وأنظمة التدفق بمواد فعالة جديدة، إضافة إلى تحسينات المكثفات الفائقة والتخزين الحراري والهيدروجين. لا ينبغي وصف أي تقنية ناشئة بأنها بديل مؤكد؛ الاختيار المستقبلي سيعتمد على تكلفة المواد والتصنيع، والعمر، والكفاءة، والسلامة، والمدة المطلوبة، وسلاسل التوريد، وقابلية التدوير.

على مستوى النظام يتزايد دور البرمجيات والتنبؤ وتحسين الجدولة. تستطيع خوارزميات إدارة الطاقة دمج توقعات الشمس والرياح والأسعار وحالة البطارية وقيود الشبكة، بينما يمكن للذكاء الاصطناعي أن يساعد في اكتشاف المواد وتحليل بيانات التقادم. لكن أي نموذج يجب أن يخضع للتحقق التجريبي وأن يحافظ على حدود السلامة الفيزيائية؛ التنبؤ لا يحل محل أجهزة الحماية.

وفق سيناريو صافي الانبعاثات الصفري لوكالة الطاقة الدولية، يتطلب تسريع الطاقة المتجددة نمو القدرة العالمية لتخزين الطاقة إلى نحو 1500 غيغاواط بحلول 2030، مع مساهمة كبيرة من البطاريات. هذا رقم سيناريو مرتبط بافتراضات وسياسات محددة، وليس توقعًا حتميًا. القراءة الأكاديمية الصحيحة تميز دائمًا بين البيانات التاريخية والسيناريوهات والتوقعات.

مصادر موثوقة وبيانات للبحث

1. وكالة الطاقة الدولية: تقرير شامل عن سوق البطاريات وسلاسل التوريد والتخزين في قطاع الكهرباء.
2. وزارة الطاقة الأمريكية: تقييمات تكلفة وأداء تقنيات تخزين الشبكة مع توضيح الفرضيات.
3. ابتكارات التخزين 2030: تقارير استراتيجية منفصلة لليثيوم والرصاص والتدفق والصوديوم والضخ المائي والهواء المضغوط والتخزين الحراري والهيدروجين.
4. وكالة حماية البيئة الأمريكية: شرح لسلسلة تدوير بطاريات ليثيوم أيون وإدارة نهاية العمر.
5. ويكيميديا كومنز: صور ورسوم مفتوحة الترخيص يمكن الرجوع إلى صفحات ملفاتها للتحقق من المصدر والترخيص.

مهام تفاعلية

اختبار: اختبر معرفتك

ما الفرق الأساسي بين القدرة والطاقة في نظام التخزين؟ (القدرة معدل تبادل الطاقة والطاقة مقدار مخزن أو منقول خلال زمن) (!القدرة والطاقة اسمان للكمية الفيزيائية نفسها) (!القدرة تقاس بوحدة ميغاواط ساعة فقط) (!الطاقة تصف سرعة الاستجابة فقط)

ماذا تعني كفاءة الدورة الكاملة؟ (نسبة الطاقة المستعادة إلى الطاقة الداخلة خلال الشحن والتفريغ) (!نسبة كتلة البطارية إلى حجمها) (!عدد الخلايا المتصلة على التوالي) (!الزمن اللازم لتصنيع الحزمة)

ما الوظيفة الأساسية للفاصل داخل الخلية؟ (منع التلامس الإلكتروني المباشر مع السماح بانتقال الأيونات) (!زيادة جهد الشبكة الخارجية) (!تحويل التيار المستمر إلى متناوب) (!تخزين الحرارة خارج الخلية)

أي وصف أدق لفوسفات حديد الليثيوم؟ (كيمياء ليثيوم أيون لا تعتمد مادتها الفعالة على النيكل أو الكوبالت) (!بطارية تدفق تخزن الإلكتروليت في خزانات خارجية) (!نظام ميكانيكي يضغط الهواء تحت الأرض) (!خلية أولية غير قابلة للشحن)

كيف تزداد سعة الطاقة في بطارية تدفق بصورة رئيسية؟ (بزيادة كمية الإلكتروليت وحجم الخزانات) (!بزيادة تردد الشبكة الكهربائية) (!بتقليل عدد الحساسات) (!بإزالة نظام الضخ)

أي عامل يمكن أن يسرع كثيرًا من آليات تقادم بطارية ليثيوم أيون؟ (ارتفاع درجة الحرارة خارج نطاق التشغيل المناسب) (!استخدام وحدات صحيحة في الحساب) (!قراءة الجهد بواسطة حساس معاير) (!تسجيل بيانات التجربة)

ما المقصود بالهروب الحراري؟ (تتابع ذاتي التسارع من توليد الحرارة والتفاعلات الداخلية) (!فقد بسيط للطاقة في المحول فقط) (!انخفاض عادي في حمل الشبكة) (!عملية تدوير المعادن في المصنع)

ما وظيفة رئيسية لنظام إدارة البطارية؟ (مراقبة الخلايا وفرض حدود التشغيل وتقدير حالتها) (!إنتاج الليثيوم من الخام) (!ضخ الماء إلى خزان علوي) (!استبدال جميع وسائل الحماية المادية)

ما التصرف الصحيح للبطاريات الليثيومية المستعملة وفق إرشادات السلامة العامة؟ (تسليمها إلى مسار جمع أو تدوير متخصص وفق القواعد المحلية) (!وضعها في النفايات المنزلية المختلطة) (!ثقب الغلاف لتفريغ الطاقة) (!حرقها لفصل المعادن)

وفق تعريف برنامج وزارة الطاقة الأمريكية المذكور في المقرر ما مدة التخزين طويل المدة؟ (عشر ساعات أو أكثر) (!أقل من دقيقة واحدة دائمًا) (!ساعة واحدة فقط) (!ثلاث دقائق فقط)

لعبة الذاكرة

حالة الشحن	تقدير لمقدار الشحنة المتبقية بالنسبة إلى نطاق التشغيل
حالة الصحة	مؤشر لحالة البطارية مقارنة بمرجع بداية العمر
كفاءة الدورة الكاملة	نسبة الطاقة المستعادة إلى الطاقة الداخلة عبر دورة شحن وتفريغ
عمق التفريغ	الجزء المستخدم من السعة خلال عملية التفريغ
معدل سي	معدل شحن أو تفريغ منسوب إلى السعة الاسمية
الهروب الحراري	تفاعل حراري ذاتي التسارع قد يتفاقم داخل الخلية

السحب والإفلات

طابق التقنية أو المفهوم مع الوصف الصحيح	الوصف
فوسفات حديد الليثيوم	كيمياء ليثيوم أيون معروفة باستقرار حراري جيد وعمر دوري مناسب للتخزين
نيكل منغنيز كوبالت	عائلة مواد قطب موجب تستخدم عندما تكون كثافة الطاقة العالية مهمة
بطارية تدفق فاناديوم	تخزن المواد النشطة في إلكتروليتات سائلة داخل خزانات خارج المكدس
التخزين الكهرومائي بالضخ	يخزن طاقة وضع الجاذبية بنقل الماء بين مستويين
تخزين الهواء المضغوط	يخزن الطاقة في غاز مضغوط ثم يستعيدها عبر التمدد
التخزين الحراري	يحتفظ بالطاقة على هيئة حرارة أو برودة في وسيط مناسب

كلمات متقاطعة

ليثيوم	عنصر تنتقل أيوناته بين الأقطاب في أشهر عائلة بطاريات قابلة للشحن الحديثة
فاناديوم	عنصر يستخدم في أحد أشهر أنواع بطاريات التدفق الأكسدة والاختزال
إلكتروليت	وسط يسمح بانتقال الأيونات بين الأقطاب داخل الخلية
فاصل	طبقة تمنع التلامس الإلكتروني المباشر بين القطبين وتسمح بمرور الأيونات
تدهور	اسم عام لانخفاض السعة أو القدرة أو ارتفاع المقاومة مع الزمن والاستخدام
تدوير	عملية استرجاع مواد من البطاريات في نهاية عمرها للاستفادة منها من جديد

مهام مفتوحة

سهل

1. خريطة مفاهيم البطارية: أنشئ خريطة مفاهيم عربية تربط الخلية والقطبين والإلكتروليت والفاصل ونظام الإدارة والقدرة والطاقة، وأضف سهمًا يوضح مسار الإلكترونات أثناء التفريغ.
2. تحليل بيانات التقادم: حوّل مجموعة البيانات التعليمية المحاكاة في المقرر إلى رسم بياني للسعة المتبقية والمقاومة النسبية مقابل عدد الدورات، ثم اكتب ثلاث ملاحظات كمية.
3. بطاقة مقارنة الكيميائيات: صمم بطاقة بصرية تقارن فوسفات حديد الليثيوم والنيكل والمنغنيز والكوبالت والرصاص الحمضية من حيث المواد والعمر والسلامة وكثافة الطاقة دون إعطاء ترتيب مطلق.
4. ملصق تدوير البطاريات: أنشئ ملصقًا توعويًا يشرح لماذا لا توضع بطاريات ليثيوم أيون في النفايات المختلطة وما المسار الآمن للتسليم وفق التعليمات المحلية.

متوسط

1. حساب مدة التخزين: اختر ثلاثة أنظمة افتراضية بقدرات وطاقات مختلفة، واحسب مدة الطاقة إلى القدرة لكل نظام ثم اقترح خدمة شبكة مناسبة له مع تبريرك.
2. دراسة حالة هورنسديل: اكتب تحليلًا من صفحة واحدة يفسر لماذا يمكن لنظام بمدة نظرية تقارب ساعة وربع أن يقدم قيمة عالية للشبكة حتى لو لم يكن تخزينًا طويل المدة.
3. مقابلة مهنية في تخزين الطاقة: أجر مقابلة قصيرة مع مهندس أو باحث أو مسؤول مختبر حول معيارين يستخدمهما عند اختيار بطارية، واحصل على موافقته قبل تسجيل أي صوت أو صورة.
4. نموذج موازنة يومية للشبكة: أنشئ جدولًا ساعيًّا مبسطًا للتوليد الشمسي والحمل، وحدد فترات الشحن والتفريغ، ثم احسب الطاقة القصوى المطلوب تخزينها بافتراض كفاءة دورة كاملة تختارها وتذكر سبب اختيارها.

متقدم

1. بروتوكول تقادم آمن: صمم بروتوكول اختبار أكاديمي لمقارنة أثر درجتي حرارة أو عمقي تفريغ باستخدام بيانات منشورة أو خلايا ضمن جهاز مختبر معتمد فقط، وحدد المتغيرات المستقلة والتابعة ومعايير الإيقاف ولا تفكك الخلايا أو تتجاوز مواصفات المصنع.
2. تقييم دورة حياة مبسط: قارن سيناريوهين لنظام تخزين من حيث المواد والتصنيع والكفاءة والعمر والاستخدام الثاني والتدوير، ووضح أي افتراض يغير النتيجة أكثر من غيره.
3. تصميم أولي لنظام تخزين شبكي: صمم تصورًا لنظام بقدرة وطاقة تحددهما من ملف حمل افتراضي، واختر الكيمياء ونظام التحويل والتبريد والحماية، ثم برر الاختيار بمصفوفة قرار متعددة المعايير.
4. سيناريو تخزين طويل المدة: قارن بطارية تدفق والتخزين الكهرومائي بالضخ والهواء المضغوط والهيدروجين لحاجة افتراضية تتجاوز عشر ساعات، واكتب مذكرة فنية تميز بين الكفاءة والمرونة المكانية والعمر والكلفة والمخاطر والنضج التقني.

مجالات تعلم مرتبطة

تخزين الطاقة والبطاريات الكهروكيمياء وتفاعلات الأكسدة والاختزال مواد الأقطاب والإلكتروليتات والفواصل إلكترونيات القدرة والمحولات تشغيل الشبكات واستقرارها تكامل الطاقة الشمسية والرياح القياس والتقدير والحماية التدوير والاقتصاد الدائري الاستدامة وتحليل دورة الحياة

يرتبط الموضوع أيضًا بمقررات الهندسة الكهربائية والهندسة الكيميائية وهندسة الطاقة وعلوم البيئة وتحليل البيانات والاقتصاد الهندسي. في المستوى الجامعي يمكن توسيع الدراسة نحو نمذجة الخلايا المكافئة، وانتقال الكتلة والشحنة، والتصميم الحراري، وخوارزميات تقدير الحالة، وتحسين تشغيل الشبكة، وتحليل الكلفة المستوية للتخزين.

مسرد

المصطلح	التعريف
القدرة	معدل انتقال أو تحويل الطاقة وتقاس مثلًا بالكيلوواط أو الميغاواط
الطاقة	كمية قابلة للتخزين أو النقل خلال زمن وتقاس مثلًا بالكيلوواط ساعة أو الميغاواط ساعة
حالة الشحن	تقدير لكمية الشحنة المتبقية ضمن نطاق تشغيل البطارية
حالة الصحة	وصف لحالة البطارية الحالية مقارنة بمرجع بداية العمر من حيث السعة أو القدرة أو المقاومة
عمق التفريغ	النسبة التي استهلكت من السعة خلال عملية التفريغ
كفاءة الدورة الكاملة	نسبة الطاقة الخارجة المستعادة إلى الطاقة الداخلة عبر دورة شحن وتفريغ
معدل سي	طريقة للتعبير عن معدل الشحن أو التفريغ نسبة إلى السعة الاسمية
الإلكتروليت	وسط ينقل الأيونات بين القطبين داخل الخلية
الفاصل	حاجز مسامي يمنع التلامس الإلكتروني المباشر مع السماح بانتقال الأيونات
نظام إدارة البطارية	منظومة قياس وتحكم تراقب الخلايا وتفرض حدود التشغيل وتقدر الحالة
الهروب الحراري	تتابع ذاتي التسارع من الحرارة والتفاعلات قد يؤدي إلى فشل شديد في الخلية أو النظام
العمر الدوري	عدد دورات الشحن والتفريغ الممكنة قبل بلوغ معيار أداء محدد
العمر التقويمي	تدهور البطارية مع مرور الزمن حتى دون دورات تشغيل متكررة
بطارية التدفق	بطارية تخزن المواد النشطة في إلكتروليتات سائلة خارج مكدس الخلايا
التدوير المباشر	مسار تدوير يسعى إلى استعادة مواد الأقطاب مع الحفاظ على قدر أكبر من بنيتها وقيمتها بدل تفكيكها بالكامل إلى عناصر أولية