Advanced and Long-Duration Energy Storage: A Review of Emerging Technologies, Applications, and Techno-Economic Assessment

تعد شبكة الطاقة عملية توازن دقيقة. فلعقود من الزمن، اعتمدت على محطات طاقة ضخمة يمكن رفع قدرتها أو خفضها حسب الرغبة لتلائم الاحتياجات اللحظية للمنازل والمصانع. واليوم، يتحول هذا النظام نحو طاقة الرياح والطاقة الشمسية، وهي طاقة نظيفة ولكنها غير متوقعة. فالشمس لا تشرق دائمًا، والرياح لا تهب دائمًا، ومع ذلك يجب أن تظل الأضواء مشتعلة. وهذا يخلق مشكلة جديدة: نحن بحاجة إلى تخزين الكهرباء عندما تكون وفيرة وإطلاقها عندما تكون شحيحة. وبينما أصبحت البطاريات ممتازة في الاحتفاظ بالطاقة لبضع ساعات — وهو ما يكفي لتغطية ذروة المساء بعد غروب الشمس — إلا أنها تواجه صعوبة عندما تسوء الأحوال الجوية لعدة أيام متتالية. فقد تترك أسبوعًا غائمًا أو فترة سكون للرياح الشبكة مع بطاريات قصيرة المدى فارغة وعرضة للخطر. ولم يعد السؤال الذي يواجه المهندسين والمخططين هو مجرد مقدار الطاقة التي يمكننا تخزينها، بل إلى أي مدى يمكننا الاحتفاظ بها.

استعرضت مراجعة حديثة أجراها باحثون في جامعة غوجارات التكنولوجية هذه الآفاق المتعلقة بتخزين الطاقة طويل المدى. حيث فحصوا مجموعة واسعة من التقنيات المصممة لحفظ الطاقة لأيام أو أساباء أو حتى مواسم، متجاوزين بذلك بطاريات الليثيوم أيون القياسية التي تهيمن على السوق اليوم. وقد جمع المؤلفون بيانات من وكالات عالمية وتقارير صناعية ومحاكاة حاسوبية خاصة بهم لفهم أي التقنيات تعمل بشكل أفضل لفترات زمنية مختلفة ومدى تكلفتها. وتكشف أعمالهم عن خط فاصل واضح: فبينما تعد البطاريات المألوفة الخيار الأكثر اقتصادية لتخزين الطاقة لبضع ساعات، فإنها تصبح باهظة الثمن بشكل لا يُحتمل للفترات الأطول. وبالنسبة لتلك المدد الممتدة، فإن الحلول الواعدة غالبًا ما تكون أنظمة ميكانيكية أو كيميائية تستخدم مواد وفيرة ورخيصة مثل الهواء أو الماء أو الحديد، حتى لو كانت أقل كفاءة في تحويل الطاقة ذهابًا وإيابًا.

بدأ الباحثون برسم خارطة لمشهد التخزين، بدءًا من تقنية الضخ المائي التي تعود لقرن من الز الزمن، والتي تستخدم الجاذبية وخزانات المياه، وصولاً إلى الأنظمة الناشئة مثل تخزين الهواء المضغوط، والهواء السائل، وبطاريات التدفق. كما نظروا في بطاريات "الحديد-هواء"، التي تخزن الطاقة من خلال عملية صد عكسية، والأنظمة الحرارية التي تحفظ الحرارة في الطوب أو الملح المنصهر. وتتمثل إحدى الرؤى الرئيسية لتحليلهم في أن هيكل تكلفة هذه التقنيات يتغير اعتمادًا على المدة التي تحتاج إليها. فبالنسبة للفترات القصيرة، تُدفع التكلفة مقابل معدات القدرة اللازمة للشحن والتفريغ بسرعة. ولكن مع امتداد المدة إلى أيام أو أسابيع، تهيمن تكلفة وسيط التخزين نفسه — سواء كان الماء أو الهواء أو الحديد. وهذا يعني أن التقنية التي قد تكون مكلفة جدًا لفترة أربع ساعات قد تصبح الخيار الأرخص لفترة مائة ساعة ببساطة لأن مادة التخزين الخاصة بها رخيصة للغاية.

ولاختبار هذه الأفكار، بنى المؤلفون نموذجًا لحساب التكلفة المستوية للتخزين، والتي تمثل متوسط سعر وحدة الطاقة المقدمة على مدار عمر النظام. وقد طبقوا هذا النموذج على ثماني تقنيات مختلفة، بافتراض نمط استخدام قياسي حيث يتم تفريغ النظام بالكامل مرة كل بضعة أيام. وأظهرت النتائج نقطة تقاطع حادة؛ فبطاريات الليثيوم أيون، وهي المعيار الحالي في الصناعة، ظلت الخيار الأرخص حتى حوالي ساعتين أو ثلاث ساعات فقط. وما بعد ذلك، ترتفع تكلفتها بشكل حاد لأن كل ساعة إضافية من التخزين تتطلب إضافة المزيد من خلايا البطاريات باهظة الثمان. وفي المقابل، فإن تقنيات مثل تخزين الهواء المضغوط الأديباتي (الذي يحبس الحرارة الناتجة عن ضغط الهواء)، وبطاريات الحديد-هواء، التي تستخدم تفاعلًا كيميائيًا بسيطًا مع الأكسجين، ظلت أرخص بكثير مع زيادة مدة التخزين. وفي حساباتهم، عند مدة أربع وعشرين ساعة، كانت تكلفة استخدام الليثيوم أيون أعلى بنحو ثلاث مرات من استخدام الهواء المضغوط. وعند مدة مائة ساعة، اتسعت الفجوة لتصل إلى ما يقرب من ستة أضعاف.

تضمنت الدراسة أيضًا محاكاة لشبكة طاقة تواجه تحديًا جويًا واقعيًا: فترة أربعة أيام توقفت فيها الرياح عن الهبوب. في هذا السيناريو، صمم الباحثون نموذجًا لنظام يعتمد على الطاقة الشمسية وطاقة الرياح لمحاولة تلبية طلب مستمر. وبدون أي تخزين، يمكن للنظام تلبية حوالي 70 بالمائة فقط من الطلب. وقد أدى إضافة بطارية قياسية لمدة أربع ساعات إلى تحسين هذه النسبة إلى 83 بالمائة، لكن البطارية ستنفد في الليلة الأولى من سكون الرياح ولن تتعافى أبدًا. ولتجاوز فجوة الأيام الأربعة بأكملها دون فشل، أظهرت المحاكاة أن الشبكة ستحتاج إلى نظام تخزين قادر على التفريغ لمدة تقارب مائة ساعة. وتبرز هذه النتيجة أن قيمة التخزين ليست خطية؛ فالساعات القليلة الأولى توفر دفعة كبيرة، لكن المرحلة النهائية من الموثوقية تتطلب نوعًا مختلفًا تمامًا من التكنولوجيا — نوعًا يمكنه الاحتفاظ بكمية هائلة من الطاقة لفترة طويلة دون استنزاف الميزانية.

أولى الباحثون اهتمامًا خاصًا بالوضع في الهند، حيث تبدو الفجوة بين التخطيط والواقع صارخة. إذ تنص الخطط الحكومية على مئات الجيجاواط-ساعة من التخزين بحلول أوائل ثلاثينيات القرن الحالي لدعم التوسع الهائل في الطاقة المتجددة، في حين أن كمية تخزين البطاريات العاملة فعليًا في عام 2025 كانت أقل من جيجاواط واحد-ساعة. وقد حددت البلاد إمكانات هائلة لتخزين الطاقة بالضخ المائي، الذي يستخدم الماء والجاذبية، وبدأت بالفعل في طرح مشاريع له. ومع ذلك، تشير المراجعة إلى أن تحويل هذه المناقصات إلى محطات عاملة يمثل تحديًا كبيرًا، وهناك حاجة ملحة لاختبار تقنيات غير الليثيوم في الظروف المحلية. ويقترح المؤلفون أنه بينما تعد تقنيات الضخ المائي والليثيوم أيون جاهزة للاستخدام واسع النطاق الفوري، فإن مستقبل التخزين متعدد الأيام يكمن على الأرجح في مزيج من الخيارات الناشئة مثل الحديد-هواء والهواء المضغوط، بشرط إثبات كفاءتها في بيئات واقعية.

في الختام، تجادل الورقة البحثية بأنه لا توجد تقنية واحدة "مثلى" لجميع احتياجات تخزين الطاقة. بدلاً من ذلك، تتطلب الشبكة مجموعة متنوعة من الحلول المتوافقة مع مدة المشكلة المحددة. فالدفقات القصيرة من الطاقة يفضل التعامل معها بواسطة بطاريات سريعة وفعالة، بينما تتطلب الفجوات الطويلة والبطيئة في الإمداد أنظمة تعطي الأولوية لمواد التخزين منخفضة التكلفة على الكفاءة العالية. وسيعتمد الانتقال إلى عالم يعمل بالطاقة المتجددة على النجاح في نشر تقنيات التخزين طويلة المدى هذه، والانتقال من العصر الحالي للتخزين قصير المدى إلى مستقبل يمكن فيه للشبكة أن تتحمل أيامًا من الهدوء أو الغيوم دون انقطاع. إن الطريق إلى الأمام لا يتطلب فقط بناء المزيد مما نملكه بالفعل، بل احتضان مجموعة متنوعة من الأنظمة الميكانيكية والكيميائية التي يمكنها حفظ قوة الشمس والرياح طالما احتاج العالم إليها.