لعبت الزيادة في مصادر الطاقة المتجددة، والتي تشمل طاقة الرياح والطاقة الشمسية الكهروضوئية، دورًا بارزًا في مجال إنتاج الطاقة، حيث تُعتبر مصادر الطاقة المتجددة أمرًا بالغ الأهمية لإزالة الكربون من أنظمة الطاقة الكهربائية، كما أنها تنافس الطرق التقليدية لتحقيق التوازن بين العرض والطلب على الطاقة بسبب تقلبها المعتمد على الطقس. ويستلزم هذا التحول إيجاد حل قوي لتخزين الطاقة، وهو الحل الذي لا يكتفي بقدرته على تخزين فائض الكهرباء خلال فترات انخفاض الطلب فحسب، بل يمكنه أيضًا تحقيق استقرار الشبكة في وجه التقلبات غير المتوقعة.
طوّر فريق من الباحثين ضم الأستاذ الدكتور ماتيو تشيزا، رئيس مختبر الطاقة وعلوم النانو في جامعة خليفة، نموذجًا لنظام كهرباء حقيقي مقترن بمفهوم تخزين الطاقة الحرارية الحالي، وذلك لإظهار الطريقة التي يمكن أن تساهم إضافة أنظمة تخزين الطاقة الكهروضوئية إلى الشبكات الحالية في إزالة الكربون من أنظمة الطاقة الكهربائية إزالةً تدريجيةً وفعالة. وأظهر نموذجهم توافرًا متزايدًا للطاقة مع تزايد حجم التخزين وزيادة كبيرة في سيناريوهات تقليل ثاني أكسيد الكربون، بالتزامن مع استخدام وحدة التخزين بشكل مختلف. وفي سياق الحد من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون، يجب أن يعتمد نظام الطاقة اعتمادًا أقل على تكنولوجيات الوقود الأحفوري التي تخدم الشبكة حاليًا، وأن يعتمد اعتمادًا أكبر على الطاقة الناتجة عن وحدة التخزين الكهروضوئية.
تعاون الدكتور ماتيو مع باحثين من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا وجامعة ترومسو في النرويج. ونُشرت نتائجهم في مجلة "أبلايد إنرجي"، وهي واحدة من أفضل 1% من الجامعات في مجال الهندسة والعلوم البيئية.
قال الأستاذ الدكتور ماتيو: "تبدأ دراسات نمذجة دمج تخزين الطاقة في أنظمة الطاقة من صفحة بيضاء افتراضية أو سيناريو "مجال جديد"، والذي لا يتحول دائمًا إلى تطبيقات فعّالة في العالم الحقيقي. وفي هذا السياق، تتبع دراستنا نهجًا عمليًا في البحث في إمكانية تحويل البنى التحتية الحالية للكهرباء نحو إزالة الكربون."
تضمن أنظمة تخزين الطاقة توفير إمدادات طاقة مستمرة ومتوازنة، من خلال امتصاص فائض الكهرباء وإرساله أثناء فترات ذروة الطلب أو فترات توقف الإنتاج، كما أنها توفر حصة أكبر من تكنولوجيات الطاقة المتجددة الفعالة من حيث التكلفة في مزيج الطاقة، مما يخفف من الحاجة إلى الحد من إنتاج الطاقة المتجددة عندما تفوق الطلب الفوري.
وتشير المواقع الجغرافية للتكنولوجيات، التي تشمل تخزين الطاقة الكهرومائية بالضخ وتخزين الطاقة بالهواء المضغوط، إلى الحاجة لحلول ذات قابلية أعلى للتطبيق عالميًا، على الرغم من أنها تمثل أماكن مثالية لتخزين الطاقة على نطاق واسع. يمكن القول أن تخزين الهيدروجين يبشر بتلبية الاحتياجات طويلة المدى، إلّا أنه يواجه تكاليفًا رأسمالية عالية، مما يجعله ملائمًا أكثر للتخزين الموسمي. إضافة لذلك، تعتبر بطاريات أيون الليثيوم مثالية للتخزين على المدى القصير ولكنها مرتفعة التكلفة في حال تم حفظها لعدة أيام، وهو أمر بالغ الأهمية لإزالة الكربون من الشبكة بالكامل.
يُعد تخزين الطاقة الحرارية بديلًا واعدًا، حيث يُظهر إمكانية لخفض التكاليف الرأسمالية التي يتطلبها التخزين طويل الأمد. ويختلف مفهوم تخزين الطاقة الحرارية اختلافًا أساسيًا عن البطاريات التقليدية من خلال تخزين الكهرباء على شكل حرارة باستخدام مواد مثل كتل الغرافيت الذي من خلاله تتحوّل الخلايا الكهروضوئية الحرارية الحرارة المخزنة لاحقًا إلى كهرباء، كما يمكن أن تشكل فوائد التكلفة الإجمالية لتخزين الطاقة الحرارية بديلًا مناسبًا من خلال هذا التحويل، على الرغم من الخسائر المتعلقة بالكفاءة .
قال الدكتور ماتيو: "يعتمد مفهوم شبكة تخزين الطاقة الحرارية على مبدأ تخزين الطاقة الحرارية مع الفصل الكامل بين قدرات الشحن والتفريغ، حيث يسمح هذا التصميم لشبكة تخزين الطاقة الحرارية بتخزين كميات كبيرة من الطاقة بسرعة وتفريغها بانتظام مع مرور الوقت، الأمر الذي يتوافق مع الإمداد المتقطع لمصادر الطاقة المتجددة المتغيرة مع الطلب المستمر."
وتوفر دراسة الفريق البحثي إطارًا لتقييم أهمية دمج شبكة تخزين الطاقة الحرارية في شبكة قائمة ويستكشف عن طريقة زيادة أحجام التخزين المختلفة المرتبطة بمحطة الطاقة الكهروضوئية وتوافر الطاقة والطريقة التي قد تؤثر بها قيود الانبعاثات على هذه الديناميكية. ويقترح هذا البحث، طريقة للمضي قدمًا تتضمن الدمج المنهجي للتكنولوجيات الناشئة في البنى التحتية الحالية من خلال التركيز على وحدة شبكة تخزين طاقة حرارية قائمة وإن كان ذلك على نطاق مختبري، ما يمثل خطوة واعدة بمستقبل طاقة أكثر مرونة واستدامة.
يرى الفريق البحثي أنه يمكن أن تعمل البحوث مستقبلًا على تحسين هذه النماذج التي تعزز دور مخططي أنظمة الطاقة وصانعي السياسات في إدارة الشبكات وتحسين استخدام الطاقة المتجددة، على الرغم من أن النموذج الحالي لا يُفسر كافّة تعقيدات الشبكة أو عدم القدرة على التنبؤ بإنتاج الطاقة المتجددة.