في ظل تزايد الطلب على مصادر طاقة نظيفة ومستدامة، يكتسب مجال تخزين الطاقة أهمية بالغة في تحقيق استقرار الشبكات الكهربائية وتعزيز إنتاج الطاقة من مصادر متجددة. تعتبر تقنيات تخزين الطاقة باستخدام الهيدروجين والبطاريات من الحلول المبتكرة التي تمكننا من مواجهة تحديات التغير المناخي وتأمين احتياجات الطاقة المتزايدة. في هذه المقدمة، نستعرض أساسيات هذين الموضوعين ونتناول الفرص والتحديات المرتبطة بكل منهما.
الهيدروجين هو أخف العناصر وأكثرها وفرة في الكون، ويعتبر بمثابة ناقل طاقة محتمل يتميز بكونه نظيف وقابل للتجديد. يمكن إنتاج الهيدروجين من مصادر متنوعة، مثل الماء والغاز الطبيعي والهيدروكربونات المختلفة، ويمكن تحويله إلى طاقة كهربائية باستخدام خلايا الوقود. على الرغم من الفرص الهائلة المتاحة، فإن تخزين الهيدروجين لا يزال في مرحلة البدايات من حيث التحديات التي تتعلق بكفاءة الإنتاج والتوزيع والتخزين.
على الجانب الآخر، تعتبر البطاريات أحد أكثر أنظمة تخزين الطاقة شيوعًا، تتيح تخزين الطاقة الكهربائية في شكل كيميائي واستردادها عند الطلب. توجد العديد من أنواع البطاريات، مثل أيونات الليثيوم والصوديوم-كبريت، وتتنوع تطبيقاتها من تأمين الطاقة للأجهزة المحمولة إلى تحسين كفاءة شبكات الكهرباء والتحول إلى السيارات الكهربائية. تتطور تكنولوجيا البطاريات بسرعة، لكنها تواجه تحديات نفسها تتعلق بالموارد النادرة والمتانة والكفاءة على المدى الطويل.
تخزين الهيدروجين
يمكن إنتاج الهيدروجين عن طريق التحليل الكهربائي (عن طريق مصدر طاقة نظيف ومتجدد) وتخزينه في عدة أوجه من ثم استخدامه أو تصديره أو تحويله لنواقل كيميائية أخرى؛ يشار إلى هذا باسم تخزين الطاقة المتجددة في مسار الهيدروجين. توجد عدة أوجه لتخزين الهيدروجين وهي كالتالي:
- تخزين الهيدروجين بصورة غاز: يتم تخزين الهيدروجين بضغط عالٍ (حتى 700 بار) في خزانات خاصة، مما يتطلب معدات وخزانات ضغط عالي. يكلف تخزين الهيدروجين حوالي 2-3 دولار لكل كيلوغرام من الهيدروجين المخزن في خزانات الضغط عالي .
- يمكن تخزين الهيدروجين بصورة سائلة عن طريق تبريده تبريدًا شديدًا إلى -253 درجة مئوية ويحتاج إلى خزانات عازلة للحرارة.
- استخدام الأمونيا كوسيلة لتخزين الهيدروجين: يمكن تحويل الهيدروجين إلى أمونيا (NH3) وتخزينها بسهولة على درجة حرارة الغرفة والضغط الجوي. ثم يمكن استرجاع الهيدروجين من الأمونيا.
- استخدام الميثانول كوسيلة لتخزين الهيدروجين: يمكن تحويل الهيدروجين وإضافة ثاني أكسيد الكربون إليه لتحويله إلى ميثانول (CH3OH) ، والذي يمكن تخزينه ونقله بسهولة. يمكن استخراج الهيدروجين من الميثانول عن طريق تفاعلات كيميائية.
تخزين الطاقة في البطاريات
البطاريات هي أجهزة تخزين الطاقة المحمولة التي تعمل على تحويل الطاقة الكيميائية إلى طاقة كهربائية والعكس. تتكون البطاريات من ثلاثة عناصر رئيسية: الكاثود والأنود والالكترولايت (المادة الموصلة للأيونات). تتدفق الأيونات بين الكاثود والأنود عبر الالكترولايت في حين يتدفق التيار الكهربائي عبر الدائرة الخارجية، مما يسمح بتخزين الطاقة واستردادها . تشمل البطاريات القابلة لإعادة الشحن عدة تقنيات مثل الليثيوم أيون والصوديوم-كبريت والفاناديوم الأكسيد الأحمر. يكلف تخزين الطاقة في بطاريات الليثيوم أكثر من 200 دولار لكل كيلوواط-ساعة (kWh) في عام 2020، ومن المتوقع أن تنخفض 100 دولار مع إنخفاض أسعار البطاريات مستقبلا.
مقارنة بين تخزين الطاقة في الهيدروجين والبطاريات
الكفاءة والتكلفة: كفاءة تخزين الهيدروجين تتراوح بين 40-60%، في حين تصل كفاءة تخزين الطاقة في البطاريات إلى حوالي 90%.
التأثير البيئي: يعد الهيدروجين فائدة بيئية كبيرة بسبب انبعاثاته المنخفضة، بينما تعتمد الآثار البيئية للبطاريات على عملية تصنيعها والمواد المستخدمة فيها.
التحديات التقنية: يواجه تخزين الهيدروجين تحديات مثل الضغط العالي والتبريد الشديد، بينما تعاني البطاريات من قضايا مثل التدهور بمرور الوقت والتأثير على البيئة.
التطبيقات المحتملة لكل مصدر: يمكن استخدام الهيدروجين في قطاعات مختلفة مثل النقل والصناعة، بينما تستخدم البطاريات بشكل رئيسي في السيارات الكهربائية وتخزين الطاقة المتجددة.
تصدير الطاقة
يمكن للبطاريات إعادة توجيه الطاقة الزائدة إلى الشبكة عند الحاجة، مما يعزز استقرار الشبكة ويقلل من الفاقد الكلي للطاقة. في المقابل يعتبر تصدير الطاقة عبر الهيدروجين أكثر مرونة ويمكن استخدامه في مناطق غير متصلة بالشبكة، بينما يعتمد تصدير الطاقة عبر البطاريات على وجود شبكة كهربائية قوية ومتصلة. يعتمد الاختيار بين تخزين الهيدروجين والبطاريات على متطلبات كل تطبيق والمدة الزمنية للتخزين المطلوبة. بشكل عام، تفضل البطاريات لتخزين الطاقة على المدى القصير بسبب كفاءتها العالية والاستجابة السريعة، بينما يعتبر الهيدروجين خيارًا جيدًا لتخزين الطاقة على المدى الطويل بسبب قدرته على تخزين كميات كبيرة من الطاقة لفترات طويلة. لذلك ، فقد لوحظ اهتمام متزايد في جميع أنحاء العالم بسلسلة قيمة الهيدروجين ، والتي من شأنها أن تساعد في خفض السعر. بالنسبة لتخزين الطاقة على المدى الطويل وإمدادات الطاقة الموثوقة ، يعد الهيدروجين خيارًا مناسبًا ، حيث أن معدل فقدانه للطاقة أقل من البطاريات. على الرغم من أن خيار تخزين الطاقة على المدى الطويل هو الهيدروجين (قدرة عالية ولكن معدل توصيل منخفض بالنسبة للسعة) ، فإن التخزين قصير المدى للكهرباء (سعة منخفضة ، ومعدل توصيل مرتفع بالنسبة للسعة) ضروري لاستيعاب الزيادات السريعة في الطلب وإطالة عمر خلية الوقود عن طريق تخفيف الطلب على الهيدروجين. مع استمرار انخفاض تكاليف الطاقة الشمسية الكهروضوئية وتوليد الرياح ، يمكن أن يصبح بناء المحلل الكهربائي في مواقع ذات ظروف موارد متجددة مجدي جدا ، مثل المملكة العربية السعودية ، حتى عند حساب تكاليف النقل والتوزيع لنقل الهيدروجين من مواقع الموارد المتجددة للمستخدمين النهائيين فإن القيمة النهائية ستكون واعدة.
المصادر:
Alturki, A.A. Optimal design for a hybrid microgrid-hydrogen storage facility in Saudi Arabia. Energ Sustain Soc 12, 24 (2022). https://doi.org/10.1186/s13705-022-00351-7
(2021) World Energy Outlook 2021. OECD
Das HS, Tan CW, Yatim AHM (2017) Fuel cell hybrid electric vehicles: a review on power conditioning units and topologies. Renew Sustain Energy Rev 76:268–291. https://doi.org/10.1016/j.rser.2017.03.056
