ما هو نظام تخزين طاقة الجاذبية الجبلية ؟

تقنية جديدة لتخزين الطاقة المتجددة

إنّ ما يُعيب الطاقة المتجددة هو عدم الاستمرارية في التوليد نتيجةً للطبيعة المتقطعة لمصادر الطاقة المتجددة  مثل الطاقة الشمسية وطاقة الرياح وبالتالي فإن دمج هذه المصادر  في الشبكات الكهربائية يعدُّ أمراً صعباً؛ لأن هذا يتطلب مصدر طاقة ثابت. لتوفير الطاقة من غير انقطاع، يجب أن تخزِّن مشغلات الشبكات الكهربائية طاقة إضافية يتم انتاجها عند سطوع الشمس أو عند هبوب الرياح، بحيث يمكن توزيع هذه الطاقة  عندما تكون الشمس غائبة أو الرياح متوقفة. لكن الآن أصبح بالإمكان تخزين الطاقة المتجددة لفترات طويلة الأمد بفضل نظام تخزين طاقة الجاذبية الجبلية.

أجهزة التخزين التقليدية

تُعد بطاريات الليثيوم- ايون أشهر أنواع البطاريات المستخدمة لتخزين الشحنات الكهربائية وتستخدم في مختلف أنواع الأجهزة الإلكترونية وبعض محطات تخزين الطاقة ولكن هذه البطاريات مناسبة فقط للتخزين قصير الأمد وذلك لأن الشحنات المُخزنة ستُفقد مع مرور الوقت. ولتخزين الطاقة لمدة طويلة -أشهر أو سنوات- فإن ذلك يتطلب استخدام العديد من البطاريات وهذا الخيار غير مجدٍ اقتصاديًا.

نظام تخزين طاقة الجاذبية الجبلية

ابتكر فريق بحث هندسي  في المعهد الدولي لتحليل النظم التطبيقية في النمسا بقيادة المهندس «جوليان هانت-Julian Hunt»  نظاماً جديداً لتكملة استخدام بطاريات أيونات الليثيوم لتخزين الطاقة على المدى الطويل. يدعى هذا النظام ب نظام تخزين طاقة الجاذبية الجبلية «Mountain Gravity Energy Storage» أو اختصارًا ب «MGES». وعلى غرار نظام الطاقة الكهرومائية، يعمل نظام «MGES» على تخزين المواد على ارتفاع معين لإنتاج طاقة الجاذبية الأرضية. يتم استرجاع الطاقة عندما تسقط المواد المُخزنة مما يؤدي إلى تحريك زعانف «التربينات-turbines» فتتولِّد الطاقة.

يقول هانت : “بدلاً من إنشاء سد، نقترح بناء خزان كبير مصنوع من الرمل أو الحصى”. إنّ مفتاح نظام «MGES» يكمُن في إيجاد موقعين على قمة الجبل لهما فرق ارتفاع مناسب – يعتبر ارتفاع  1000 متر ارتفاعًا مثاليًا وكلما زاد فرق الارتفاع، كلما قلت تكلفة التكنولوجيا المستخدمة”.

ستبدو المواقع متشابهة، حيث سيتكوّن كلاهما من محطة تشبه النفق لتخزين الرمال أو الحصى، ومحطة للتعبئة تقع تحتها مباشرةً. ستقوم الصمامات بإخراج المواد إلى أوعية انتظار، والتي لاحقاً سوف تُنقَل عبر الكوابل والرافعات إلى الموقع العلوي. وهناك، سوف يتم تخزين الرمال والحصى إلى أسابيع أو شهور أو حتى عدة سنوات، حتى يصبح جاهزاً للاستخدام. عندما يتم نقل المواد لأسفل الجبل، سوف تتحرر طاقة الجاذبية المخزّنة وسوف يتم تحويلها إلى طاقة كهربائية.

حسابات رياضية لكمية الطاقة المخزنة

تحسب الطاقة المخزنة من خلال المعادلة التالية:

حيث تتناسب كمية الطاقة المخزنة تناسبًا طرديًا مع كلٍ من:

• كتلة الرمل أو الحصى m_s
• فرق الارتفاع بين الجبل و الأرض h
• عجلة الجاذبية الأرضية g
• مفاقيد النظام e_h نتيجة للتفريغ عند محطة التخزين العلوية ومحطة التوليد السفلية
• كفاءة النظام e_s   وتُقدر ب 85 % ، وذلك بالنظر إلى أن المصاعد القياسية المستخدمة  لديها كفاءة تتراوح بين 80% إلى 60%.

نظام أكثر مرونة

يعتبر هذا النظام المقترح النظام مرنًا للغاية، لأنه من السهولة تغيير سرعة الكوابل أو زيادة الحمل أو حتى تغيير عدد الأوعية حتى تلبّي متطلبات الطاقة المختلفة. كما أنّ نظام «MGES» أفضل من طرق التخزين طويلة الأمد التقليدية مثل الطاقة الكهرومائية التي يتم تخزينها بالضَّخ أو كالسدود؛ لأن تأثيرها على البيئة منخفض. إضافةً إلى  أنًّ أكوام الرمل رخيصة وهي أرخص من الماء. والرمال لا تتبخر لذلك يمكننا استخدامها إلى أجلٍ غيرِ مسمىً.”

تُقدر  التكلفة السنوية لتخزين الطاقة عبر هذا النظام  بين 50 إلى 100 دولار لكل ميغا واط.ساعة «MWh». بالمقارنة، تكلِّف بطاريات أيون الليثيوم  عشر مرات أكثر على الأقل. يُضيف “هانت” : ” سوف يتم تعويض الطاقة المستهلكة في نقل المواد إلى المواقع التي بالأعلى عن طريق طاقة الجاذبية التي سوف ينتجها النظام”.

أين يمكن أن يُستخدم هذا النظام الجديد؟

حسب ما ذكره المهندس ” هانت ” فإن نظام «MGES» سيكون مفيدًا  للغاية للشبكات التي تحتاج متطلبات تخزين طاقة قليلة.ومثالًا على ذلك الشبكات الميكروية «microgrids» التي تستخدم أقل من 20 ميغا واط، أو كمية الطاقة التي تستهلكها لإضاءة 7000 منزل مكون من أربع غرف نوم. هذه التقنية يمكن تطبيقها على جزر صغيرة أو منعزلة كجزيرة «Molokai» في هاواي أو  جزيرة  «The Galapagos» أو «Cape Verde»، حيث تكون هناك تكلفة توفير الطاقة مرتفعة والطلب عليها يكون موسمياً بسبب السياحة.

المصادر:

IEEE Spectrum

Sciencedirect