هل يمكن للبطاريات الحديدية الجديدة أن تحل محل بطاريات الليثيوم أيون في تخزين الكهرباء بفعالية؟

من أولى الأشياء التي يمكن أن تراها عند زيارة المقر الرئيسي لشركة "إي إس إس" (ESS) في ويلسونفيل بأوريغون وحدة بطارية تجريبية بحجم يقارب حجم محمصة الخبز. وقد قام مؤسسو الشركة ببناء هذا النموذج في مختبرهم منذ عقد من الزمن لمواجهة مشكلة كانوا يعرفون أن مشرفي الشبكات الكهربائية حول العالم سيتعرضون لها قريباً، وهي تخزين الطاقة الكهربائية بكميات ضخمة.

وخلافاً لبطاريات الليثيوم أيون الحالية، فإن تصميم إي إس إس يعتمد بدرجة كبيرة على مواد رخيصة ومتوفرة بكثرة وغير سامة، وهي الحديد والملح والماء. وهناك فرق آخر، حيث يسعى مصممو بطاريات الليثيوم أيون إلى جعلها صغيرة بما يكفي حتى تتسع ضمن الهواتف والحواسيب المحمولة التي تتقلص أحجامها دون توقف، على حين أن كل نسخة من بطارية الحديد أضخم من سابقتها.

بماذا تختلف بطاريات إي إس إس عن بطاريات الليثيوم أيون؟

وفي الواقع، فإن ما تعمل إي إس إس على بنائه حالياً لا يكاد يشبه البطارية على الإطلاق، فعلى رصيف تحميل في الجهة الخلفية من منشأة إي إس إس، يعمل الموظفون على تجميع تجهيزات تكفي لملء حاويات شحن كاملة. وكل منها يتمتع بسعة تخزين كافية لتزويد 34 منزلاً أميركيّاً تقريباً بالطاقة لمدة 12 ساعة.

أصبحت هذه الشركة في السنة الماضية أول شركة تفتح أسهمها للعموم من بين شركات تخزين الطاقة لمدة طويلة، ولديها طموحات بفتح المصانع حول العالم، وستبدأ قريباً بالعمل على بطارية أضخم حتى من تلك النماذج التي تصل إلى حجم الشاحنة. وبالتعاون مع شركة الخدمات "بورتلاند جنرال إلكتريك" (Portland General Electric)، تخطط إي إس إس لبناء بطارية تكفي لملء مبنى بمساحة نصف فدان على قطعة أرض مجاورة للمعمل. ومن المتوقع أن تصل سعتها إلى 150 ضعفاً من سعة أضخم البطاريات التي توزعها الشركة حالياً.

اقرأ أيضاً: ما الذي نحتاج إليه بعد فوز مخترعي بطاريات الليثيوم-أيون بجائزة نوبل؟

التركيب الكيميائي لبطارية إي إس إس

ولكن الابتكار الأساسي لشركة إي إس إس ليس حجم البطارية، بل تركيبها الكيميائي والهندسي الذي يسمح لشركات الخدمات بتخزين الطاقة بمقدار أكبر بكثير من الكميات الممكنة حالياً باستخدام بطاريات الليثيوم أيون المتصلة بالشبكة وبجدوى اقتصادية جيدة، والتي لا تتجاوز قدرتها على التخزين 4 ساعات.

إن "بطاريات التدفق" التي تعمل إي إس إس على بنائها ليست سوى واحدة من عدة تكنولوجيات أصبحت مطلوبة بشدة على حين غرة لتخزين الطاقة، وذلك بفضل التوجه نحو إزالة الكربون من القطاع الكهربائي ومواجهة المشكلة المناخية. ومع توجه الشبكات الكهربائية إلى زيادة الاعتماد على الطاقة الريحية والشمسية المتقطعة بدلاً من محطات الوقود الأحفوري، فإن شركات الخدمات التي كانت منذ سنتين وحسب تبحث عن بطاريات لتخزين ساعتين أو أربع ساعات من الكهرباء بدأت الآن بالبحث عن أنظمة قادرة على تقديم ثماني ساعات من الكهرباء على الأقل. ستصبح البطاريات التي تدوم طويلاً مطلوبة لتوفير الكهرباء عندما يحتاج الناس إليها، بدلاً من توفيرها عند توليدها، تماماً كما توقع مؤسسو إي إس إس.

اقرأ أيضاً: الطاقة المتجددة مورد المستقبل: مزايا واسعة وعقبات في الطريق

كيمياء جيدة

بدأ كريغ إيفانز وجوليا سونغ، وهما مؤسسا إي إس إس، بالعمل على بطارية التدفق الحديدية في مرآبهما في 2011. وقد التقيا خلال العمل لصالح شركة تطور الخلايا الوقودية، وتزوجا لاحقاً. تشغل سونغ منصب المسؤول التكنولوجي الأساسي لشركة إي إس إس، وهي مختصة بالكيمياء، على حين أن إيفانز، وهو رئيس الشركة، مهندس ومصمم.

وبعد أن شهدا الانخفاض الكبير في أسعار أنظمة الطاقة المتجددة، توقعا أن يؤدي هذا إلى زيادة الطلب على أنظمة تخزين الطاقة. وعلى سبيل المثال، فإن الشبكة الكهربائية التي تعتمد بنسبة 80% على الطاقة الشمسية وطاقة الرياح، ستحتاج إلى وسيلة معقولة التكلفة لتخزين الطاقة لفترة 12 ساعة على الأقل.

حالياً، تعتمد نسبة 95% تقريباً من أنظمة تخزين الطاقة طويلة الأمد في الولايات المتحدة على الطاقة الكهرومائية المخزنة بالضخ، حيث يُضخ الماء من مخزن إلى مخزن آخر أكثر ارتفاعاً، وعند إطلاقه لاحقاً، يقوم بتحريك عنفات لتوليد الكهرباء أثناء التدفق نحو الأسفل. وعلى الرغم من أن هذه الطريقة البسيطة تعمل بشكل جيد، فإنها محدودة بالطبيعة الجغرافية للمنطقة.

ولكن البطاريات لا تعاني من هذه المشكلة. غير أن معظم البطاريات التي تعمل اليوم على مستوى الشبكات الكهربائية هي بطاريات ليثيوم أيون. وهي مكلفة نسبياً، وتتعرض للتلف خلال بضع سنوات، كما أنها مصنوعة من مواد معرضة للاشتعال والانفجار، ولا يمكن إعادة تدويرها بسهولة. أما الأسوأ من ذلك، فإن مضاعفة سعة التخزين لمجموعة البطاريات تتطلب شراء ضعف العدد من البطاريات. وهو ما يجعل تخزين الطاقة لفترة أطول من بضع ساعات أمراً باهظ التكاليف إلى درجة كبيرة، كما يقول سكوت ليتزلمان، والذي يدير برنامجاً يركز على تخزين الطاقة طويل الأمد في "آربا-إي" (ARPA-E)، وهي الوكالة الأميركية التي تمول البحث والتطوير لتكنولوجيات الطاقة المتقدمة.

أما بطاريات التدفق، مثل البطاريات التي تطورها إي إس إس، فهي تخزن الطاقة ضمن خزانات من الكهارل السائلة، وهي محاليل نشطة كيميائياً يتم ضخها ضمن الخلية الكهروكيميائية للبطارية لاستخلاص الإلكترونات. ولزيادة سعة التخزين لبطارية التدفق، يكفي ببساطة أن تزيد حجم الخزان. وعندما تتضخم البطارية إلى حجم مبنى كامل، تتحول هذه الخزانات إلى صوامع.

وفي داخل الخلايا الكهروكيميائية لبطارية التدفق، يتم فصل كهرلين بغشاء رقيق. ويتدفق أحد الكهرلين قرب قطب موجب مع ضخه عبر الخلية، على حين يتدفق الآخر قرب قطب سالب. وفي بطارية إي إس إس، فإن هذين الكهرلين متطابقان، وهما عبارة عن أملاح الحديد المنحلة في الماء.

ومع تدفق الكهارل عبر الخلية، تنشط التفاعلات الكيميائية على كلا جانبي الغشاء الرقيق. فعندما يعمل تيار كهربائي على شحن البطارية، فإن الكهرل قرب القطب السالب للبطارية يكتسب الإلكترونات، وتترسب أملاح الحديد الذائبة على سطح القطب بشكل حديد صلب.

وعندما يتم تفريغ البطارية، تُعكس العملية، حيث يخسر الكهرل الإلكترونات عند القطب السالب، ويعود الحديد الصلب المترسب إلى شكله الذائب، وتتحول الطاقة الكيميائية في الكهرل إلى كهرباء. وعلى القطب الموجب، تحدث العملية بالشكل المعاكس، حيث يخسر الكهرل الإلكترونيات و"يصدأ" متحولاً إلى سائل بني عند شحن البطارية، أما عند التفريغ فيحدث العكس.

أما في بطارية الليثيوم أيون العادية، مثل تلك الموجودة في الهاتف الخلوي أو السيارة الكهربائية، فإن الخلية والكهرل موجودان ضمن كتلة واحدة. يقول إيفانز: "ما ستحصل عليه هو ما ستقدمه في البداية".

ولكن في بطارية التدفق فإن الاحتفاظ بالكهرل ضمن خزان خارجي يعني أن الجزء الذي يقوم بتخزين الطاقة منفصل عن الجزء الذي ينتج الاستطاعة. إن هذا الفصل بين الطاقة والاستطاعة يسمح لشركة الخدمات بإضافة سعة أكبر لتخزين الطاقة دون الاضطرار إلى زيادة عدد الخلايا الكهروكيميائية للبطارية.

أما الناحية السلبية فهي أن بطاريات الحديد تتسم بكثافة طاقية منخفضة للغاية، ما يعني أنها غير قادرة على تخزين نفس الطاقة التي تخزنها بطارية ليثيوم أيون من نفس الوزن. كما أن بطاريات التدفق تتطلب استثمارات أولية أكبر بكثير وصيانة أكثر بكثير من بطاريات الليثيوم أيون.

ولكن، وفيما يتعلق بتخزين كميات ضخمة من الطاقة بأمان ولفترات طويلة، فهي لا تُضاهى. وهذا بالضبط ما سيحتاج إليه مشرفو الشبكات الكهربائية في السنوات القادمة.

اقرأ أيضاً: الشركات التكنولوجية الكبرى تسعى لإحداث تغيير شامل في أنظمة الطاقة

أمد طويل

إن البطاريات التي تستخدمها شركات الخدمات حالياً تخزن الطاقة، نموذجياً، لأربع ساعات أو أقل. وهو أمر جيد بالنسبة لمهام من مستوى تعديل التقلبات وانخفاضات التوليد قصيرة الأمد، ولكن، وعندما ينتقل قطاع الطاقة إلى استخدام الطاقة النظيفة بنسبة 100% "سيصبح الأمر مستحيلاً ببطاريات الساعات الأربع"، كما يقول هيو ماكديرموت، وهو نائب الرئيس الأول للمبيعات وتطوير الأعمال في إي إس إس.

وللتكيف مع التقلبات في توليد الكهرباء بالطاقة الشمسية والريحية، يعتمد معظم مشرفي الشبكات على "محطات الذروة" التي تعمل بالغاز الطبيعي، والتي يمكن إقلاعها بسرعة عندما يزداد الطلب على الكهرباء. ويقول ماكديرموت إن تركيب بطارية تؤمن 16 ساعة من التخزين سيكون بالتأكيد أرخص من تركيب أي نظام ذروة.

تشكل بطاريات التدفق جزءاً صغيراً من سوق تخزين الطاقة الكهربائية الشبكية، ولكنه جزء ينمو باستمرار. فبحلول نهاية العام 2019، كانت تُستخدم في نسبة 1% فقط من منشآت البطاريات الكبيرة في الولايات المتحدة، وذلك وفقاً لتحديث في أغسطس/ آب 2021 حول توجهات سوق بطاريات التخزين من إدارة معلومات الطاقة الأميركية. وقد بدأت بعض شركات الخدمات بتركيب بطاريات التدفق على نطاق واسع في 2016 و2017، ولكن هذه البطاريات تعتمد على كهرل مبني على الفاناديوم بدلاً من الحديد. وعلى الرغم من أن الفاناديوم يعمل بصورة جيدة، فإنه مكلف.

حاول إيفانز وسونغ في البداية تصميم بطارية تدفق من الفاناديوم، ولكنهما غيرا مسار العمل عندما صادفا بعض الدراسات الكيميائية حول الحديد في منشورات جامعة كيس ويسترن ريزيف في 1981. وبدا لهما أن الحديد يمثل بديلاً منخفض التكلفة للفاناديوم، "ولكنه ليس مثالياً"، كما قال إيفانز.

وكانت إحدى المشاكل التوصل إلى طريقة لمنع نسبة 1% تقريباً من الإلكترونات على الجهة السالبة للبطارية من الارتباط مع شوارد الهيدروجين الحرة في الكهرل المبني على الماء بدلاً من ترسيب الحديد. فمع مرور الوقت، كان التفاعل على هذا الجانب يولد تراكماً من غاز الهيدروجين، ويؤدي إلى اختلال التوازن الكيميائي بين جانبي البطارية، والذي يؤدي إلى عودة كلا الكهرلين إلى حالتهما الأصلية المتطابقة عند تفريغ البطارية بالكامل.

يقول إيفانز: "توجد تفاعلات جانبية في جميع البطاريات". ولكن، وبسبب سهولة الوصول إلى المواد الكيميائية التي تدور عبر بطارية التدفق (على عكس المواد الكيميائية المحتبسة ضمن البطارية العادية)، يستطيع المصممون إضافة آلية تسمح بالتعامل مع آثار هذه التفاعلات الجانبية.

وقد تعامل إيفانز وسونغ مع هذه المشكلة بإضافة "مضخة بروتونات" إلى بطاريتهما. وهي وحدة شبيهة بالخلية الوقودية لتحويل غاز الهيدروجين إلى بروتونات، ما يخفض من درجة الحموضة (pH) للكهرل ويعيد كلا جانبي البطارية إلى نفس حالة الشحن. ومع هذه المضخة، من المتوقع أن تتمكن البطارية من تكرار عملية الشحن والتفريغ لعدد كبير للغاية من المرات، لمدة 20 سنة على الأقل.

أما في كيس ويسترن، فقد جرب الباحثون مقاربة أخرى، وهي ترسيب الحديد المنحل على الجسيمات لتحويل السائل إلى ما يشبه الوحل الحديدي بدلاً من ترسيبه على قطب ثابت، بحيث يتم تخزين المعدن المترسب في الخزان الخارجي للبطارية. وقد نجحت هذه الطريقة في الخلايا الصغيرة، ولكن في الخلايا الكبيرة، تسبب هذا الوحل بانسدادات.

وقد تلقت جامعة كيس ويسترن وإي إس إس تمويلاً من آربا-إي لبناء وتجريب بطاريات التدفق الحديدية. وبفضل المنحة التي تلقتها إي إس إس بقيمة 2.8 مليون دولار على مدى خمس سنوات في 2012، تمكنت الشركة من تطوير مضخة البروتونات والانتقال إلى الإنتاج التجاري.

وقد تلقت الشركة أيضاً دعماً من بريكثرو إينرجي فينتشرز، وهو صندوق أسسه بيل غيتس وغيره من المستثمرين الذين يرغبون بالعمل على مواجهة التغير المناخي. باعت الشركة أول منتجاتها في 2015، وهي بطارية أتاحت لمزرعة كروم في كاليفورنيا تخزين الطاقة الشمسية في النهار وتشغيل نظام ري في الليل.

واليوم، يوجد لدى إي إس إس قائمة من الطلبات المتراكمة لبطاريتها الضخمة بحجم حاوية الشحن، والتي تستطيع تخزين ما يصل إلى 500 كيلوواط ساعي. بدأت الشركة بتسليم بعض البطاريات إلى شركة "إس بي إينرجي" (SB Energy) -وهي شركة طاقة نظيفة تتفرع عن شركة "سوفت بانك" (SoftBank)- والتي وافقت على شراء أنظمة تخزين بالبطارية بسعة تخزين قياسية تساوي 2 غيغاواط ساعي من إي إس إس على مدى السنوات الأربع التالية. وتبلغ قيمة هذه الصفقة أكثر من 300 مليون دولار.

اقرأ أيضاً: مصادر الطاقة المتجددة تشهد نموّاً متصاعداً

كسب الوقت

تستطيع بطاريات إي إس إس حالياً الاحتفاظ بالشحن الكافي لمدة 4 إلى 12 ساعة، اعتماداً على كيفية ضبطها، ولكن في نهاية المطاف، قد نحتاج إلى تشغيل بعض أنظمة تخزين الطاقة لأيام أو حتى لأسابيع للتكيف مع التقلبات الموسمية في الطاقة الريحية. وتعمل شركة "فورم إينرجي" (Form Energy) في ماساتشوستس على تطوير تكنولوجيا بطارية حديد – هواء، حيث تستخدم الأوكسجين من الهواء المحيط في تفاعل عكوس لتحويل الحديد إلى صدأ. وتزعم الشركة أن هذه البطارية قادرة على تخزين الطاقة لما يصل إلى 100 ساعة. وسيكون موقع تشغيلها الأول محطة تجريبية باستطاعة 1 ميغاواط في مينيسوتا، ومن المقرر أن تصبح جاهزة في 2023.

إن شركات الخدمات لا تفكر فقط بكيفية تخزين الطاقة مع الانتقال نحو الطاقات المتجددة، بل تفكر أيضاً بكيفية جعل الشبكة أكثر مقاومة للطقس العنيف وغير ذلك من آثار التغير المناخي. ويمكن للبطاريات طويلة الأمد أن تلعب دوراً في هذه المسألة أيضاً.

ففي مشروع مع "سان دييغو غاز أند إلكتريك" (San Diego Gas & Electric)، ستُستخدم بطاريات التدفق الحديدية من إي إس إس مع مصفوفة شمسية في بلدة كاميرون كورنرز المعرضة للحرائق البرية في كاليفورنيا. فإذا احتاجت شركة الخدمات إلى قطع الكهرباء عن خطوط نقل الطاقة لمنع الحريق أو بسبب نشوب حريق، فإن الشبكة الصغيرة التي تعمل بالبطارية والطاقة الشمسية يمكن أن تحافظ على عمل الخدمات الأساسية في البلدة. ومن المقرر أن يبدأ المشروع بالعمل في وقت لاحق من هذه السنة.

يمكن لمنشأة إي إس إس في ويلسونفيل أن تزيد من إنتاجها، ولكن عدد الطلبات التي يمكن أن تتلقاها سيعتمد إلى حد بعيد على مصير الإعفاءات الضريبية للطاقة النظيفة، وهي جزء من مشروع القانون الذي يحمل اسم "Build Back Better"، والذي وصل الآن إلى مرحلة من الجمود في الكونغرس.  ويقول مناصرو تخزين الطاقة إن التخزين لفترات طويلة يستحق نفس الحوافز التي تستحقها الطاقات المتجددة.

اقرأ أيضاً: الهيدروجين: المكون الحاسم بمسيرة التحول في الطاقة عالمياً

وإذا اتفق المشرعون في نهاية المطاف، يمكن لهذه العلامات أن تساعد على جعل تكنولوجيات تخزين الطاقة، مثل بطارية التدفق الحديدية، رخيصة بما يكفي لدفع شركات الخدمات إلى البدء باستخدامها على نطاق واسع. ويهدف كل من برنامج آربا-إي وبرنامج وزارة الطاقة الذي يحمل اسم "لونغ ديوريشن ستوريج شوت" (Long Duration Storage Shot) إلى توفير أنظمة تنافسية من حيث التكلفة وتستطيع تخزين أكثر من 10 ساعات من الطاقة في الأسواق خلال عقد من الزمن.

وبالنسبة لبرنامج آربا-إي، يعني هذا تخفيض التكلفة المتوسطة لتخزين الطاقة –والتي تأخذ بعين الاعتبار جميع التكاليف والطاقة المنتجة على مدى حياة المنتج- إلى أقل من 5 سنت لكل كيلوواط ساعي، كما يقول ليتزلمان، أي بتخفيض 90% بالمقارنة مع 2020. ولا تمثل تكلفة البطارية الأولية سوى جزءاً واحداً من هذه المعادلة.

ليست بطاريات التدفق التكنولوجيا الوحيدة الواعدة التي يتم تطويرها لتخزين الطاقة طويل الأمد. فهناك الكثير من التجارب الأخرى للعديد من الباحثين والشركات لاختبار أنواع مختلفة من البطاريات، إضافة إلى التخزين بالهيدروجين والأنظمة الميكانيكية، مثل الهواء المضغوط أو "الكتل المتحركة" التي تتحرك صعوداً وهبوطاً لتحويل الطاقة بين الشكلين الكهربائي والحركي. ويقوم أحد الأنظمة التجريبة، والذي حاز على تمويل من آربا-إي، بتخزين الطاقة عن طريق ضخ الماء إلى الصخور، ومن ثم استخلاص الطاقة عند عصر الماء منها.

يقول ليتزلمان إن جميع هذه الأنظمة تحمل هدفاً مشتركاً. وهو "الطاقة النظيفة طوال الوقت". من المرجح أن الوصول إلى هناك سيتطلب ابتكار عدة تكنولوجيات تخزين جديدة، ويجب على الكثير من الشركات أن تصل إلى المرحلة التي وصلت إليها شركة إي إس إس حالياً... إلا إذا ظهرت بالطبع تكنولوجيا مختلفة إلى الوجود.