Assessing the role for long-duration energy storage in microgrids considering resilience, energy cost savings, and CO2 emission reductions
تقيم هذه الدراسة دور تخزين الطاقة طويل الأمد (LDES) في الشبكات الصغيرة لتعزيز المرونة، وخفض التكاليف، وتقليل الانبعاثات، حيث وجدت أنه بينما يوفر تخزين الطاقة طويل الأمد فوائد محددة للأحمال ذات المرونة العالية والذروة في منتصف النهار، فإنه يظل بشكل عام غير اقتصادي مقارنة بتخزين أيونات الليثيوم في ظل الظروف الحالية والمتوقعة مستقبلاً.
البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي للبحث أدناه. لم يكتبه المؤلفون ولم يصادقوا عليه. وللتحقق من الدقة التقنية، يرجى الرجوع إلى البحث الأصلي. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل
تخيل شبكة طاقة محلية لحي سكني يمكنها الصمود في وجه عاصفة. عندما تتعطل الخطوط الرئيسية، يمكن لهذا النظام المحلي، المعروف باسم "الشبكة الصغيرة" (microgrid)، أن ينفصل عن الشبكة العامة ويستمر في إبقاء الأضواء مشتعلة لمستشفى، أو مصنع، أو حرم جامعي. لعقود من الزمن، كانت الطريقة القياسية لإبقاء هذه الأضواء تعمل أثناء انقطاع التيار لفترة طويلة هي الاعتماد على مولدات الديزل أو محركات الغاز الطبيعي. هذه الآلات موثوقة ويمكنها العمل لأيام طالما يتوفر لها الوقود. ومع ذلك، فهي تحرق الوقود الأحفوري، مما يضيف ثاني أكسيد الكربون إلى الغلاف الجوي ويخلق تلوثاً محلياً. وبينما يسعى العالم نحو طاقة أنظف، يبحث المهندسون عن وسيلة لاستبدال هذه المحركات المزعجة والملوثة بالبطاريات.
التحدي الذي تواجهه البطاريات هو الوقت. فمعظم البطاريات المتاحة حالياً، مثل بطاريات الليثيوم أيون الموجودة في السيارات الكهربائية، ممتازة في تخزين الطاقة لبضع ساعات. وهي رائعة لتخفيف ذروات الاستخدام اليومي للكهرباء أو تغطية عاصفة قصيرة. ولكن إذا استمر انقطاع التيار لمدة يومين أو أسبوع، فإن هذه البطاريات القياسية تنفد طاقتها. وهنا يأتي دور فئة جديدة من التكنولوجيا تسمى "تخزين الطاقة طويل الأمد". صُممت هذه الأنظمة للاحتفاظ بالطاقة لفترات أطول بكثير، ربما لأيام أو حتى أسابيع، وبتكلفة أقل لكل وحدة طاقة مقارنة بالبطاريات القياسية. والسؤال الكبير لمخططي الطاقة هو ما إذا كانت هذه البطاريات طويلة الأمد هي المفتاح لبناء شبكات صغيرة ليست مرنة فحسب أثناء انقطاع التيار، بل وأيضاً رخيصة ونظيفة بما يكفي لاستبدال مولدات الوقود الأحفوري تماماً.
قام باحث في جامعة كاليفورنيا، سان دييغو، بمحاولة الإجابة على هذا السؤال من خلال بناء نموذج حاسوبي مفصل لكيفية عمل الشبكات الصغيرة فعلياً. لم يكتفِ بالنظر إلى التكنولوجيا في معزل عن الواقع، بل قام بمحاكاة ظروف واقعية لسبعة مبانٍ تجارية مختلفة في جنوب كاليفورنيا. واختبر كيفية أداء هذه المباني تحت ثلاثة سيناريوهات مختلفة: القواعد الحالية، ومستقبل ترتفع فيه تكاليف الكهرباء وتصبح فيه التكنولوجيا أرخص، وسياسة جديدة صارمة تحظر جميع الانبعاثات الكربونية والملوثات من الشبكات الصغيرة. كما نظر أيضاً في ثلاثة أنواع مختلفة من التخزين طويل الأمد، تتراوح من نظام بسعة 8 ساعات إلى نظام ضخم بسعة 100 ساعة، وقارنها مقابل المزيج القياسي من الألواح الشمسية، والبطاريات قصيرة المدى، ومولدات الغاز.
كانت نتائج محاكاته واضحة ومثيرة للدهشة نوعاً ما. ففي كل سيناريو اختبره تقريباً، لم تكن البطاريات طويلة الأمد هي الخيار الأكثر اقتصادية. فقد استمرت الشبكات الصغيرة الأكثر جدوى من حيث التكلفة في الاعتماد على مزيج من الألواح الشمسية، وبطاريات الليثيوم أيون القياسية، ومولدات الغاز الطبيعي. ووجد الباحث أن البطاريات طويلة الأمد والبطاريات القياسية قصيرة المدى تتنافسان في الواقع على نفس المهمة: وهي تقليل ذروات الطلب العالية على الكهرباء لتوفير المال في فواتير المرافق. ولأن البطاريات القياسية كانت أكثر كفاءة في هذه المهمة اليومية، فقد انتصرت في المنافسة الاقتصادية. فأنظمة التخزين طويلة الأمد، رغم قدرتها على حمل كمية أكبر من الطاقة، كانت غالباً مكلفة جداً من حيث التركيب والتشغيل مقارنة بالبدائل الأرخص والأكثر كفاءة.
وحتى عندما دفع الباحث المحاكاة نحو المستقبل، بافتراض أن تكلفة جميع التقنيات الجديدة ستنخفض وأن أسعار الكهرباء سترتفع، لم تصبح البطاريات طويلة الأمد الخيار الأفضل. فالتكالبة المتناقصة لبطاريات الليثيوم أيون القياسية جعلتها أكثر جاذبية، مما طغى على الفوائد المحتملة للأنظمة طويلة الأمد. كما بحثت الدراسة فيما سيحدث إذا فرضت القواعد البيئية الصارمة على الشبكات الصغيرة التوقف عن استخدام الوقود الأحفوري. وتحت سياسات الانبعاثات الصفرية هذه، ارتفعت تكلفة تشغيل الشبكات الصغيرة بشكل كبير للجميع. وبينما سمحت البطاريات طويلة الأمد باستخدام المزيد من الطاقة الشمسية وتقليل الاعتماد على الغاز، إلا أنها لم تجعل الشبكة الصغيرة أرخص من البديل. في الواقع، كانت الشبكات الصغيرة الأكثر تكلفة في الدراسة هي تلك التي حاولت استخدام البطاريات طويلة الأمد كحل رئيسي للتخزين.
ومع ذلك، كان هناك استثناء صغير جداً. وجد الباحث إمكانية لوجود مجال متخصص لتخزين الطاقة طويل الأمد في أنواع معينة من المباني التي لديها نمط فريد من استخدام الكهرباء. كانت هذه مبانٍ أصغر حيث يرتفع الطلب على الطاقة بشكل حاد في منتصف النهار، وهو ما يتطابق تماماً مع الوقت الذي تنتج فيه الألواح الشمسية أكبر قدر من الطاقة. وفي حالتين فقط من بين العديد من السيناريوهات المختبرة، والتي شملت هذه المباني الصغيرة تحت أشد قواعد الانبعاثات الصفرية، انتهى الأمر بنظام البطارية طويلة الأمد ليكون أرخص قليلاً من الإعداد القياسي. وهذا يشير إلى أنه بينما قد لا يكون التخزين طويل الأمد حلاً عالمياً لجميع الشبكات الصغيرة، إلا أنه قد يجد مكاناً له في تطبيقات محددة ومتخصصة حيث يتوافق توقيت استخدام الطاقة وتوليدها بشكل مثالي.
كما سلطت الدراسة الضوء على مقايضة صعبة بين الموثوقية والتكلفة والنظافة. ووجد الباحث أنه بغض النظر عن كيفية تهيئة الشبكات الصغيرة، لم يكن بإمكانه تحقيق أدنى تكلفة، وأعلى موثوقية، وأقل انبعاثات في آن واحد. فالشبكات الصغيرة التي تعتمد بشكل كبير على الطاقة الشمسية المحلية والتخزين لتجنب شراء الطاقة من الشبكة الرئيسية غالباً ما تنتهي بحرق المزيد من الوقود الأحفوري محلياً لضمان قدرتها على الصمود خلال انقطاع طويل، مما يزيد من بصمتها الكربونية الإجمالية مقارنة بمجرد شراء طاقة نظيفة من المرافق. وعلى العكس من ذلك، فإن الشبكات الصغيرة التي حاولت أن تكون نظيفة تماماً اضطرت للاعتماد أكثر على الشبكة الرئيسية، مما يعني أنها كانت أقل استقلالية أثناء انقطاع التيار.
في الختام، تشير الأبحاث إلى أن الرؤية القائلة بأن البطاريات طويلة الأمد ستحل بمفردها مشكلة الشبكات الصغيرة النظيفة والمرنة ليست حقيقة واقعة بعد. فهذه التكنولوجيا واعدة ولها دور تلعبه، لا سيما في توفير المرونة خلال فترات الانقطاع الطويلة جداً، لكنها ليست حالياً الطريقة الأرخص أو الأكثر كفاءة لتشغيل الشبكة الصغيرة. ويظل المسار الأكثر عملية في الوقت الحالي هو مزيج من الألواح الشمسية، والبطاريات القياسية، ومولدات الغاز، مع انتظار التخزين طويل الأمد للحظته في تطبيق أكثر تحديداً وتخصيصاً. إن الطريق نحو شبكة محلية نظيفة ومرنة تماماً هو أمر معقد، وبينما يعد التخزين طويل الأمد أداة قوية في صندوق الأدوات، فإنه ليس المفتاح السحري الذي يفتح الباب بمفرده.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.