تخزين الكهرباء

برزت، في شهر مارس الماضي، قضيّة لم يسمع عنها الكثيرون من قبل: "الكهرباء الحلال". كان النقاش يدور حول تمويل مشروع تقدّر تكلفته بعشرات الملايين من الشواقل ويهدف إلى توفير الكهرباء أيّام السبت والأعياد للجمهور اليهوديّ المتديّن في منطقة المركز. يعتمد المشروع على بطاريّات ليثيوم-أيون ضخمة تُشحن خلال أيّام الأسبوع لتوفّر الكهرباء يوم السبت دون إنتاج طاقة جديدة، ما يتماشى مع القوانين الدينيّة الّتي تحظر العمل يوم السبت. ها وقد اعتمدت المجتمعات السكنيّة المتديّنة على منشآت خاصّة "حلال" تُشغّل يوم السبت لتحلّ محلّ الشبكة الوطنيّة.

وللتخفيف من حدّة الجدل الّذي نشأ حول تمويل مشروع مخصّص لفئة معيّنة، نشرت شركة الكهرباء على موقعها توضيحًا مفصّلًا لمفهوم "الكهرباء الحلال". وأوضحت الشركة أنّ "الكهرباء الحلال" لا يقتصر على الجانب الدينيّ فقط، بل يتعدّاه ليشمل فوائد أوسع تمسّ البيئة وتحسّن جودة الحياة للجميع. وذكرت أنّ هذه المنشآت للتخزين ستضمن توفير كهرباء آمن ومستدام للأحياء المتديّنة، ما سيساهم في دفع عجلة التكنولوجيا الخضراء والذكيّة الّتي تخدم المجتمع ككلّ بشكل آمن.

تعتمد منشآت "الكهرباء الحلال"، كما تمّ توضيحه، على بطاريّات ليثيوم-أيون كبيرة تُشحن من شبكة الكهرباء الوطنيّة خلال أيّام الأسبوع. سيتمّ بناء المنشأة الأولى في مدينة بني براك، وستخدم المناطق المجاورة أيضًا. وإذا أثبت المشروع نجاحه، فسيتمّ توسيعه ببناء منشآت إضافيّة في مناطق أخرى. وتدّعي شركة الكهرباء أنّ لهذه المنشآت فوائد بيئيّة كبيرة، خصوصًا بالمقارنة مع الألواح الشمسيّة الّتي تعجز عن الشحن خلال الليل أو في ظروف الطقس الغائمة، ولا توفّر إمكانيّة تخزين فائض الطاقة للاستخدام المستقبليّ.

في يونيو الماضي، حذّر المدير العامّ لشركة "نغا" المسؤولة عن إدارة نظام الكهرباء في إسرائيل من أنّ البلاد ليست مستعدّة لمواجهة انقطاعات كهربائيّة محتملة في حال حدوث نزاع في الشمال، ما دفع الكثيرين للتفكير في شراء مولّدات كهربائيّة منزليّة كبديل. تبعًا لذلك تبدو فكرة تخزين الكهرباء خيارًا استراتيجيًّا لا يقتصر نفعه على الجمهور المتديّن فحسب، بل على المجتمع ككلّ.

وفي خطوة مهمّة، حصلت شركة الكهرباء مؤخّرًا على أوّل ترخيص من نوعه من وزارة الطاقة لدخول مجال تخزين الكهرباء، وهو مجال كان حكرًا على الشركات الخاصّة ومطوّري الطاقة. ووفقًا للخطّة، سيسمح لشركة الكهرباء بإنشاء ما يصل إلى 15٪ من منشآت تخزين الكهرباء في البلاد.

الهدف من "الكهرباء الحلال" هو توفير الكهرباء في أيّام السبت والأعياد لمدينة بني براك دون الاعتماد على الشبكة الوطنيّة، وذلك لتجنّب انتهاك الحظر الدينيّ على العمل يوم السبت. شارع في مدينة بني براك | تصوير: MICHAEL HATZALAM، Shutterstock

إذًا، ما هو تخزين الكهرباء؟

الطاقة هي مورد يمكن تخزينه بطرق متعدّدة في الطبيعة. فعلى سبيل المثال، تخزن بعض الحيوانات الدهون في أجسامها لتستخدمها خلال السبات الشتويّ حينما يقلّ الغذاء، كما أنّ عضلات بعض الكائنات الحيّة تحتفظ بالطاقة لتطلقها دفعة واحدة عند الحاجة، مثلما يحدث عند القفز.

في الطبيعة، يمكن تحويل الطاقة الكامنة في المياه المتدفّقة في الأنهر إلى طاقة كهربائيّة، حيث تتحرّك المياه عبر التوربينات في السدود. لذلك يُعدّ بناء السدود لتوجيه المياه نحو مرافق توليد الكهرباء أحد أبرز أشكال تخزين الطاقة الكهربائيّة. وكانت هذه التقنيّة، المعروفة بالطاقة الهيدروكهربائيّة، أساس محطّة توليد الطاقة في "نهارييم"، والّتي أنشأها بنحاس روتنبرغ سنة 1932.

كما أنّ هناك طريقة أخرى لتخزين الكهرباء باستخدام المياه دون الحاجة إلى بناء سدود أو وجود أنهار جارية، حيث يتمّ ضخّ المياه إلى خزّانات مرتفعة عند توفّر فائض من الكهرباء أو مصادر طاقة أخرى، وعندما تنشأ الحاجة للكهرباء، يُسمح للمياه بالتدفّق إلى الأسفل، لتتحوّل طاقتها الكامنة إلى طاقة كهربائيّة عبر تحريك التوربينات. تُعدّ هذه الطريقة وسيلة فعّالة لتخزين الطاقة واستخدامها عند الحاجة.

على مرّ السنين، تمّ تطوير طرق بديلة لتخزين الطاقة، ومنها استبدال الماء بالهواء المضغوط. في هذه الطريقة، يتمّ استخدام فائض الكهرباء لضغط الهواء وتخزينه في خزّانات خاصّة تحت ضغط عالٍ، وعندما تكون هناك حاجة إلى الكهرباء، يُطلق الهواء المضغوط عبر فتحات صغيرة لتشغيل التوربينات وتوليد الكهرباء.

تكمن طريقة أخرى لتخزين الكهرباء، في استخدام المكثّف، وهو عبارة عن مكوّن كهربائيّ صغير يشمل لوحَين معدنيَّين تفصل بينهما مادّة عازلة. ورغم حداثة استخدام المكثّف النسبيّة من الناحية التاريخيّة، إلّا أنّ استخدامه  شائع في معظم الأجهزة الإلكترونيّة. يتمّ شحن المكثّف عندما تتدفّق الإلكترونات إليه، ويمكن تفريغ هذه الشحنة تدريجيًّا على مدار فترة زمنيّة محدّدة، وذلك يعتمد على الخصائص الهندسيّة والكيميائيّة للمكثّف، وكذلك على خصائص الدائرة الكهربائيّة الّتي يتّصل بها.

على عكس المكثّف، تنتج البطاريّة الطاقة من خلال تفاعل كيميائيّ، حيث تتدفّق الإلكترونات داخل محلول موصل وفرق الجهد بين الأقطاب المغمورة في المحلول يولِّد الطاقة الكهربائيّة. في البطاريّات القابلة لإعادة الشحن، يمكن عكس عمليّة التفريغ وإعادة الإلكترونات إلى مواقعها الأصليّة عن طريق تمرير تيّار كهربائيّ، ما يعيد شحن البطاريّة ويعيد بناء الجهد مع كلّ دورة شحن.

طريقة أخرى لتخزين الكهرباء هي عبر استخدام عجلات الدفع (Flywheels). تعتمد هذه التقنيّة على مراوح/ دوّارات ناقلة للحركة  تدور بسرعة عالية بواسطة محرّك، حيث يتمّ تحويل الطاقة الكهربائيّة الفائضة إلى طاقة حركيّة دورانيّة. عند الحاجة إلى الكهرباء، يتمّ استغلال جزء من هذه الطاقة الحركيّة لتوليد الكهرباء، ما يؤدّي إلى إبطاء سرعة الدوّارات مؤقّتًا. وعندما يعود الفائض الكهربائيّ، تُستأنف عمليّة تسريع الدوران.

أمّا التخزين الحراريّ، فيتمّ عبر الاحتفاظ بالطاقة في موادّ تتميّز بقدرتها العالية على امتصاص وتخزين الحرارة دون أن تتغيّر حالتها. الطوب الخزفيّ المستخدم في أنظمة التدفئة المركزيّة هو مثال على ذلك، حيث يتمّ تسخين الطوب أثناء فترات انخفاض استهلاك الكهرباء، ثمّ يُحرّر الحرارة المخزّنة عند الحاجة لتوليد الكهرباء، وذلك بطريقة مراقَبة لتلبية الاحتياجات الطارئة.

توليد الكهرباء بالطاقة الهيدروكهربائيّة من خلال توجيه تدفّق المياه عبر السدّ بشكل مراقَب. يمكن أيضًا تخزين المياه في أماكن مرتفعة، ما يسمح بتخزين الطاقة لاستخدامها لاحقًا في إنتاج الكهرباء. | تصوير: Evgeny_V، Shutterstock

مجال يتطوّر

عندما يتعلّق الأمر بتخزين الكهرباء على نطاق واسع، فإنّ الهدف الأساسيّ هو تحقيق توازن مستمرّ بين الإنتاج والاستهلاك. تكمن الفكرة في زيادة إنتاج الكهرباء عندما يتوفّر مصدر الطاقة الأساسيّ ويكون الطلب منخفضًا، واستخدام الكهرباء المخزّنة عند ارتفاع الاستهلاك أو عدم توفّر المصدر. يوفّر هذا النهج مرونة أكبر لمزوّدي الطاقة، ويقلّل من احتماليّة حدوث أزمات في حالات الطلب العالي، مثل موجات الحرّ الّتي تؤدّي إلى استخدام مكثّف لأجهزة التكييف الّتي تستهلك كميّات هائلة من الكهرباء.

وفقًا لوزارة الطاقة الأمريكيّة، امتلكت الولايات المتّحدة في مارس 2018 القدرة على تخزين ما يكفي من الكهرباء لتوليد 25 جيجاواط لمدّة شهرين، وهي كميّة كبيرة من الطاقة يمكن أن تغطّي احتياجات حوالي 19 مليون شخص، أو ما يعادل 5% من سكان البلاد. تنبع حوالي 94% من هذه الطاقة الهائلة، من التخزين في المنشآت الهيدركهربائيّة، بينما يتمّ استخدام تقنيّات أخرى للتخزين لبقيّة النسبة.

وعلى الرغم من التقدّم الملحوظ في منشآت تخزين الكهرباء، يجب الإشارة إلى أنّ هذه المشاريع لا تزال تنحصر في مناطق محدّدة، مثل كاليفورنيا وبعض الولايات الأخرى مثل ماساتشوستس ونيويورك. الهدف من هذه المشاريع هو تعزيز استقرار شبكة الكهرباء، وتخفيف التقلّبات الكبيرة بين الإنتاج والاستهلاك، وتوفير مصدر طاقة بديل للشبكة التقليديّة القديمة. ومن المتوقّع أن تتضاعف قدرات تخزين الكهرباء في الولايات المتّحدة ثلاث مرّات بحلول سنة 2030، سواء في القطاع الصناعيّ أو الخاصّ، ما سيحوّل تقنيّة التخزين إلى قطاع رئيس يستفيد منه عدد أكبر من المستهلكين خلال السنوات المقبلة.

لا تزال هذه المشاريع محليّة في الوقت الحاليّ وتهدف لدعم شبكة الكهرباء العامّة. بطاريّات تخزين في منشأة لتوليد الكهرباء بالطاقة الشمسيّة | تصوير: Dorothy Chiron، Shutterstock

المزايا والعيوب

وفقًا للموقع الرسميّ لوكالة حماية البيئة الأمريكيّة (EPA)، يدعم تخزين الكهرباء موقف شركة الكهرباء بشأن الفوائد البيئيّة المحتملة لتقنيّات التخزين. حيث يشير الموقع إلى أنّ تخزين الكهرباء يمكن أن يحقّق فوائد بيئيّة غير مباشرة، مثل تعزيز دمج المزيد من الطاقة المتجدّدة في شبكة الكهرباء، وتحسين كفاءة تشغيل البنية التحتيّة للإنتاج، ما يقلّل الحاجة إلى تشغيل وحدات الإنتاج الأقلّ كفاءة الّتي تُستخدم عادة في أوقات الذروة. كما أنّ زيادة سعة التخزين قد تغني عن بناء محطّات طاقة جديدة وتقلّل الحاجة إلى تطوير بنية تحتيّة إضافيّة لنقل وتوزيع الكهرباء.

ومع ذلك، فهناك أيضًا عيوب يجب أخذها في عين الاعتبار، خاصّة عند تنفيذ مشروع تخزين كهرباء على نطاق وطنيّ. أوّلًا، يتطلّب بناء وتشغيل وصيانة منشآت التخزين استثمارات ضخمة. ثانيًا، يطرح استخدام الموادّ الخامّة مثل الليثيوم والرصاص تحدّيات بيئيّة جدية، إذ إنّ هذه المعادن ليست قابلة للتحلّل أو لإعادة التدوير بسهولة. يضاف إلى ذلك مخاطر انفجار أو احتراق البطاريّات الناتجة عن ارتفاع الحرارة، كما حدث في بعض حوادث بطاريّات السيّارات الكهربائيّة. كما أنّ المشاريع الكبرى قد تواجه تأخيرات وتكلفة إضافيّة نتيجة العوائق التنظيميّة، خاصّة في دولة مثل إسرائيل.

أمّا فيما يتعلّق بمشروع "الكهرباء الحلال"، فمن المتوقّع أن تكون لهذا المشروع آثار بيئيّة سلبيّة محتملة. فنجاحه يعتمد على كيفيّة بناء وتشغيل نظام التخزين. يعتمد المشروع، كما هو مقترح حاليًّا، على تخزين الكهرباء باستخدام البطاريّات المشحونة من الشبكة الوطنيّة. وعلى الرغم من أنّه يهدف إلى توفير الكهرباء في أيّام السبت دون انتهاك الحظر الدينيّ، إلّا أنّ المشروع قد لا يقدّم فوائد بيئيّة أو اقتصاديّة واضحة. بل سيؤدّي إلى زيادة في التكلفة من خلال بناء وتشغيل النظام دون تحقيق مكاسب بيئيّة ملحوظة، حيث إنّ  الكهرباء الّتي يتمّ تخزينها أُنتِجت في أيّام الأسبوع بتكلفة كاملة.

قد تحدث انفجارات وحرائق. مقطع قصير من احتراق بطاريّة سيّارة كهربائيّة من نوع تيسلا في محطّة شحن.

تقنيّات جديدة

تتنوّع تقنيّات تخزين الكهرباء بين القديم والحديث، وتستمرّ الابتكارات في هذا المجال لمواكبة الطلب المتزايد على الكهرباء، خاصّة مع التحدّيات البيئيّة وتفاقم مشكلة الاحتباس الحراريّ. يُتوقّع أن يشهد استهلاك الكهرباء ارتفاعًا كبيرًا في العقود القادمة، ويُفضّل تلبية هذا الطلب باستخدام مصادر طاقة خضراء غير ملوّثة. وهنا يأتي دور تقنيّات تخزين الكهرباء لتلعب دورًا أساسيًّا في مواجهة زيادة الاستهلاك.

أحد مجالات البحث المهمّة هو تطوير بطاريّات مبتكرة تعتمد على الإلكتروليت الصلب بدلًا من المحاليل الكيميائيّة التقليديّة المستخدمة في بطاريّات أيونات الليثيوم. تعمل هذه البطاريّات، والّتي توجد حاليًّا في معظم الأجهزة القابلة للشحن مثل الهواتف المحمولة والسيّارات الكهربائيّة، على مبدأ مشابه للبطاريّات التقليديّة، لكنّ الإلكتروليت الصلب يقوم أيضًا بوظيفة فاصل بين الأنود والكاثود، ما يقلّل من احتماليّة حدوث تماسّ كهربائيّ. ورغم أنّ هذه التقنيّة واعدة، إلّا أنّها تواجه تحدّيات مثل انخفاض كثافة الطاقة، وهو ما يحدّ من انتشارها. لكن مع تطوير موادّ مثل البوليمرات العضويّة وأكاسيد التيتانيوم أو المنغنيز، قد تصبح بطاريّات الإلكتروليت الصلب هي القفزة التالية في عالم البطاريّات، لكونها أكثر أمانًا، وتدوم لفترة أطول، ولديها كثافة طاقة عالية.

بطاريّات الجرافين هي تقنيّة أخرى قيد التطوير. الجرافين هو مادّة مبتكرة تتميّز بقدرتها العالية على التوصيل الكهربائيّ، ما يجعلها خيارًا واعدًا لبطاريّات تتميّز بسرعات شحن فائقة ودورات تفريغ أطول بكثير مقارنة ببطاريّات أيونات الليثيوم، وقد تشكّل هذه البطاريّات الحلّ المستقبليّ لتلبية احتياجات الأجهزة الحديثة الّتي تتطلّب شحنًا سريعًا وكفاءة عالية.

التوصيل الكهربائيّ للجرافين يجعله مرشّحًا ممتازًا لإنتاج بطاريّات أكثر كفاءة من البطاريّات الحاليّة. رسم طبقة من الجرافين | رسم توضيحيّ: 3DStach، Shutterstock

هناك أيضًا مقترحات متطوّرة مثل استخدام المكثّفات الفائقة، والّتي تُستخدم بالفعل في المركبات الهجينة وبعض التطبيقات العسكريّة. تتميّز هذه المكثّفات بسعة تخزين كبيرة بفضل تصميمها الّذي يحوي مسام صغيرة جدًّا، ما يزيد من مساحة سطحها ويعزّز من قدرتها على تخزين الطاقة بشكل فعّال. تقنيّة أخرى حديثة تعتمد على أجهزة تخزين الطاقة المغناطيسيّة فائقة التوصيل (SMES)، والّتي تخزّن الطاقة في مجال مغناطيسيّ ناتج عن تيّارات كهربائيّة في لفائف موصلات فائقة التوصيل، تعمل في درجات حرارة منخفضة جدًّا. ورغم أنّ هذه التقنيّة توفّر كفاءة عالية في تخزين الطاقة، إلّا أنّها معقّدة وتتطلّب بنية تحتيّة باهظة التكلفة، ما يجعل استخدامها محدودًا حاليًّا. تُستخدم هذه الأجهزة بشكل رئيس في تحسين جودة الكهرباء في الصناعات الحسّاسة مثل صناعة الرقائق الدقيقة.

تمتلك تقنيّات تخزين الكهرباء إمكانيّات هائلة لدعم شبكات الكهرباء الكبرى وتعزيز الاستفادة الفعّالة من مصادر الطاقة المتجدّدة، والّتي قد تتغيّر كفاءتها بناءً على الظروف الطبيعيّة. ومع ذلك، تحقيق هذه الإمكانيّات يعتمد على قدرتها على تقديم فوائد من حيث الطاقة، والكفاءة التشغيليّة، والتأثيرات البيئيّة. فيما يتعلّق بمشروع "الكهرباء الحلال"، والّذي يمثّل النسخة الإسرائيليّة لتخزين الكهرباء، فإنّه يعكس اعتبارات خاصّة بقطاع محدّد، قد تؤدّي إلى تغطية بعض الفوائد المحتملة. ولا يبدو من المؤكّد أنّ هذه الفوائد كانت، أو ستكون، في مركز اهتمام صنّاع القرار.