الرافعة تخزن الطاقة

كيف يمكن للأبراج الخرسانية تخزين الطاقة الخضراء وتزويدها لقطاع الكهرباء في إسرائيل عند الحاجة إليها

د. دانيال مادير، أنجل – وكالة أنباء العلوم والبيئة

تعتبر الطاقات المتجددة الناتجة عن إشعاع الشمس والرياح حاليا من الحلول الأكثر جدوى لإنتاج الطاقة لتلبية احتياجات الإنسان. إن تأثيرها البيئي - على تغير المناخ، وتلوث الهواء، وتلوث المياه، واستخدام الموارد، والضرر الذي يلحق بالنظم البيئية، والضرر بالصحة - هو في حده الأدنى مقارنة بالضرر الناتج عن الوقود الأحفوري مثل الغاز الطبيعي والنفط والفحم. كما انعكس هذا الاتجاه في السنوات الأخيرة، وأصبح توليد الكهرباء من الشمس والرياح أرخص من الوقود الأحفوري.

ومع ذلك، فإن نقطة الضعف في الطاقات المتجددة هي حقيقة أنه "لا يمكن الوثوق بها". أي أنها عادة لا تنتج الكهرباء بمعدل ثابت معروف مسبقا لمدة طويلة من الزمن، وذلك لسبب بسيط هو أن الشمس لا تشرق طوال ساعات النهار، كما أنها لا تشرق بنفس الشدة خلال ساعات النهار. يوم يخفيه الغيوم أو الغبار. تتغير قوة الرياح أيضًا بشكل متكرر وأحيانًا بشكل غير متوقع. ولهذا السبب هناك قيود على الحصة النسبية لهذه الطاقات من قطاع الكهرباء بأكمله: من الضروري الاستثمار في بنية تحتية خاصة بالكهرباء يمكنها التعامل مع هذه التقلبات، ومن الضروري الحفاظ على جزء كبير من قطاع الكهرباء قيد التشغيل. استخدام الوقود الأحفوري أو الطاقة الكهرومائية أو المفاعلات النووية كنسخة احتياطية.

الحل لهذه المشكلة المركزية هو تخزين الطاقة: الطاقة التي يتم إنتاجها خلال الساعات التي تتواجد فيها الرياح أو الشمس، يتم تخزينها، ويتم استخدامها لاحقًا، عندما لا تكون هناك رياح أو شمس. نحن نعرف مثل هذه الحلول الصغيرة من حياتنا اليومية، على شكل بطاريات ومراكم كهربائية. ومع ذلك، لتوفير الكهرباء للمنازل والمباني والمدن، هناك حاجة إلى حلول أكثر شمولاً. ولذلك، يوجد حاليًا سباق لتطوير وسائل مختلفة لتخزين الطاقة على نطاق واسع - ويعد التطور الجديد الذي قامت به شركة سويسرية ناشئة، والتي تستخدم التكنولوجيا الموجودة بالفعل اليوم بذكاء، خطوة أخرى على الطريق نحو تحقيق هدفها. تطبيق.

توليد الكهرباء من الماء

في السباق التكنولوجي لإيجاد حلول لتخزين الطاقة، كثيرا ما تتصدر التطورات التكنولوجية المتطورة عناوين الأخبار، مثل البطاريات الضخمة التي تعتمد على المعادن أو المواد العضوية المختلفة، أو البطاريات التي تعتمد على الحذافات (مكونات ميكانيكية دوارة تستخدم لتخزين الطاقة). تجذب هذه الحلول الكثير من اهتمام وسائل الإعلام وبالتالي معظم الاستثمارات أيضًا؛ ومع ذلك، فإن هذه الحلول لا تزال قيد التطوير، ومن المحتمل أن تكون باهظة الثمن، على الأقل في الفترة الأولى من تشغيلها، بسبب تطورها المعقد والطويل. ويمكن رؤية هذه الظاهرة تحدث في سوق السيارات: فالسيارات الهجينة والكهربائية لا تزال باهظة الثمن، مما يجعل من الصعب عليها اختراق الأسواق العالمية بشكل كبير.

من ناحية أخرى، توجد بالفعل حلول أقل تطورًا اليوم، مثل التخزين الحراري أو البارد، وتخزين الطاقة المحتملة للوزن على ارتفاعات عالية (المزيد عن ذلك لاحقًا). لكن هذه لم يتم استخدامها بعد على نطاق واسع. يوجد حل من هذا النوع اليوم، حتى في إسرائيل، ويعرف بالتخزين بالضخ: حيث يتم ضخ المياه من خزان منخفض إلى الأعلى وتخزينها في خزان مرتفع عندما يكون هناك فائض من الكهرباء في الشبكة. عندما تكون هناك حاجة للكهرباء في النظام، يتم إنتاج الكهرباء من سقوط الماء في خزان المياه السفلي من خلال توربين يقوم بتوليد الكهرباء.

يتمتع هذا النظام بميزة بسبب قصر وقت بدء التشغيل الذي يسمح بتوليد الكهرباء خلال ثوانٍ من بدء تشغيل النظام (على عكس محطات الفحم ومحطات الطاقة الأخرى، التي تتطلب وقت بدء تشغيل أولي أطول بكثير - دقائق طويلة وحتى ساعات) وكفاءته عالية نسبيا وتبلغ 80 بالمئة - أي أنه إذا تم ضخ طن من الماء إلى الخزان العلوي، عند إطلاقه إلى الأسفل، يتلقى 80 بالمئة من الطاقة المستثمرة في رفعه، بينما 20 بالمئة من الطاقة المستثمرة في رفعه. يتم فقدان الطاقة بسبب الاحتكاك بين أجزاء النظام وبسبب فقدان الماء على شكل تبخر أو تسرب. ومن العيوب الأخرى للعملية الحاجة إلى بنية تحتية واسعة النطاق من الخزانات والأنفاق، والتي يستغرق بناؤها وقتًا طويلاً وتضر بالطبيعة - فقد تتسرب المواد السامة إلى المياه الجوفية أثناء التعدين في الأنفاق، وقد يؤدي ضخ المياه أثناء التعدين إلى الإضرار بتوازن المياه الجوفية. . بالإضافة إلى ذلك، يحتاج إنشاء النظام إلى مناطق يبلغ فارق الارتفاع بينها مئات الأمتار، مثل جبل بالقرب من وادي، أو سهل به منجم عميق؛ ولكي تعتمد شبكة الكهرباء الإسرائيلية بأكملها على الطاقات المتجددة والتخزين الذي يتم ضخه، ستكون هناك حاجة إلى عشرات الكيلومترات المربعة من خزانات التخزين التي يتم ضخها. الأرض مورد باهظ الثمن وليس من المؤكد ما إذا كان من الممكن توفيره في إسرائيل الصغيرة والكثيفة، التي لا تحيط بها الجبال الشاهقة.

أرخص بنسبة 50 بالمئة من أي تقنية أخرى

قد يكون التطوير الجديد لشركة Energy Vault السويسرية الناشئة قادرًا على توفير بديل أرخص وأكثر مراعاة للبيئة لطريقة التخزين بالضخ. قامت الشركة مؤخرًا بتطوير رافعة أوتوماتيكية، والتي من خلال إنشاء أكوام من الكتل الخرسانية - تمامًا مثل لعبة الليغو - تتمكن من تخزين الطاقة الكامنة، وتحويلها إلى طاقة كهربائية عند الحاجة، والتي يمكن تغذيتها مرة أخرى إلى شبكة الكهرباء.

كيف يعمل هذا؟ بسيط جدا. تقوم الرافعة بإنشاء أكوام من الكتل الخرسانية أثناء استخدام الكهرباء الزائدة الموجودة في شبكة الكهرباء العامة (على سبيل المثال خلال فترة ما بعد الظهر عندما تكون طاقة إنتاج الطاقة الشمسية في ذروتها). يقوم محرك كهربائي برفع المكعبات إلى الأعلى ووضعها في المكدس. عند الحاجة إلى كهرباء إضافية للشبكة، تقوم الرافعة بسحب المكعبات من أعلى الكومة وإطلاقها نحو الأرض (عندما يتم توصيلها بكابل متصل بالمولد، يقوم بتشغيله وإنتاج الكهرباء)، في عملية الإجراء الذي يحول الطاقة الكامنة (فرق الارتفاع) إلى طاقة كهربائية - على غرار نظام التخزين المضخّم المذكور سابقًا.

كيف يعمل هذا؟ الرافعة التابعة لشركة Energy Vault

يمكن لكل رافعة أن تعمل تلقائيًا عندما تتلقى أمرًا بتخزين الطاقة أو إطلاقها. يتذكر النظام التلقائي المكان الذي وضع فيه كل مكعب، وأين يجب أن يضع المكعب التالي بالطريقة الأكثر كفاءة. النظام معياري ويمكن بناؤه بأحجام متعددة. كل رافعة قادرة على تخزين الطاقة بمقدار 10-35 ميجاوات/ساعة وأكثر، وتزويد الطاقة بقدرة 2-5 ميجاوات. يعتبر حجم هذا النظام ممتازًا للتركيب المعياري في العديد من المواقع، دون أن يشغل مساحة كبيرة (على عكس التخزين بالضخ الذي يحتاج إلى مناطق واسعة و"خاصة" مثل الجبال المجاورة للوديان). في هذا النظام يمكن تخزين الطاقة لفترة غير محدودة، دون فقدان الطاقة، ولكن مع الحفاظ على زمن استجابة سريع يصل إلى عشرات الثواني عندما يكون من الضروري ضخ الكهرباء إلى الشبكة.

ومن عيوب التطوير الجديد أنه ليس من الممكن بناء أنظمة كبيرة جدًا منه، على غرار خزان تخزين واحد يتم ضخه. ومع ذلك، يمكن لشخص واحد التحكم في العشرات أو حتى المئات من هذه الرافعات الأوتوماتيكية في غرفة تحكم أخرى. ولذلك فإن تكاليف تشغيل هذا النظام منخفضة للغاية، ويبلغ عمر كل نظام 30 عامًا أو أكثر، وبكفاءة تصل إلى 90 بالمائة.

نظرًا لأن هذا نظام بسيط بشكل لا يصدق، وبما أن جميع أجزاء النظام كانت قيد الاستخدام البشري لعقود من الزمن وهي مستقرة وموثوقة (الخرسانة والصلب والرافعات)، فإن التطوير الرئيسي هو إنشاء البرنامج المناسب لأتمتة النظام وتحسينه . ووفقًا للشركة، فإن سعر هذا النظام حاليًا أرخص بنسبة 50 بالمائة على الأقل من أي تقنية تخزين أخرى في السوق. بناء النظام بسيط وسريع نسبيا. يمكن إنتاج الكتل الخرسانية في موقع البناء نفسه، أو نقلها إليه. مادة تخزين الطاقة (الخرسانة) لا تختفي من النظام مع مرور الوقت، لذلك لا تحتاج إلى تجديد، على عكس التخزين بالضخ، حيث يتبخر الماء ويتسرب إلى خارج النظام. من الملائم إعداد النظام في أي منطقة صناعية أو في منطقة حضرية ذات بناء مرتفع (التركيب في منطقة حضرية ذات بناء منخفض أو في المناطق المفتوحة سيؤدي إلى تلف المناظر الطبيعية).

وفي نهاية عمر النظام، يمكن إعادة استخدام جميع أجزائه بسهولة. يمكنك أيضًا استخدام النفايات الثقيلة لإنشاء المكعبات، بدلاً من دفن النفايات. على سبيل المثال، لاستخدام خليط من رماد الفحم، ومخلفات البناء، والأسفلت المسحوق وأكثر من ذلك. النظام آمن للاستخدام، دون التعرض لخطر تسرب المواد الخطرة ودون الحاجة لاستخدام درجات حرارة عالية. ومن الناحية النظرية، يمكن بناء هذه المرافق تحت الأرض. على الرغم من أن صيانتها وبنائها ستكون أكثر تعقيدًا وتكلفة، إلا أنه بهذه الطريقة سيكون من الممكن عدم إضاعة مساحة يمكن استخدامها لبدائل أخرى، بل وستكون محصنة ضد حوادث القتال.

لتغيير قواعد لعبة شبكة الكهرباء

تعتمد إسرائيل حاليًا على شبكة كهرباء بقدرة حوالي 15 جيجاوات ~15 جيجاوات، والتي تستهلك حوالي 65 تيراواط/ساعة ~65 تيراواط ساعة من الكهرباء سنويًا. إذا كان نظام إنتاج الكهرباء في إسرائيل بأكمله يعتمد على الطاقات المتجددة (الطاقة الشمسية بشكل أساسي)، والتي، كما أذكر، لا تعمل بمعدل ثابت ومحدد مسبقًا وبالتالي يجب تخزينها، فإن ما بين 5,000 إلى 10,000 من هذه الرافعات ستكون قادرة على تخزين وتزويد جميع الطاقة الكهربائية. من استهلاك الكهرباء في إسرائيل لأكثر من 24 ساعة، دون أي مصدر آخر للطاقة. يمكن لهذا النظام الموزع أن ينقذ بناء وصيانة نظام نقل الكهرباء باهظ الثمن الذي يغطي الدولة بأكملها.

اليوم، قطاع الكهرباء في إسرائيل مركزي وهش. على سبيل المثال، يمكن لأضرار محلية لحقت بمحطة رابين للطاقة في الخضيرة، سواء نتيجة حرب أو زلزال أو تسونامي، أن تؤدي إلى تعطيل ما يقرب من 20 بالمائة من إجمالي حجم إنتاج الكهرباء في إسرائيل. يمكن أن يؤدي تلف نقطة ما في منصة إمداد الغاز أو أنبوب النقل الرئيسي إلى شل إمدادات الغاز إلى 60-70 بالمائة من محطات توليد الطاقة والعديد من المصانع. وإذا تحولت إسرائيل إلى توليد معظم احتياجاتها من الكهرباء من الشمس على المباني، فسوف تتمكن كل مدينة من توليد وتخزين الكهرباء الخاصة بها. ولكن حتى لو لم يكن الأمر كذلك، سيكون من الممكن تخزين الكهرباء من الشبكة الرئيسية لكل مدينة. في حالة إغلاق نظام الكهرباء الوطني، يمكن أن يكون لكل مدينة نسخة احتياطية ويمكنها الاستمرار في العمل.

علاوة على ذلك، فإن نحو 11 في المائة من إجمالي الكهرباء المنتجة اليوم "يتم التخلص منها"، لأن شبكة الكهرباء تنتج دائما كهرباء أكثر من كمية الاستهلاك في الوقت نفسه، وذلك من أجل التعامل مع الزيادات المفاجئة في الاستهلاك. يتم تثبيت الكهرباء الزائدة على الأرض، وسيكون تخزين الطاقة قادرًا على تخزين هذه الفائض، مما يجعل من الممكن إنتاج كميات أقل من الكهرباء كل يوم.

ومن المتوقع أن تغير تكنولوجيا الأبراج الخرسانية (أو تلك المشابهة لها) قواعد لعبة شبكات الكهرباء العالمية. من الشبكات المركزية التي تعتمد على الوقود الأحفوري الباهظ الثمن والملوث الذي تسيطر عليه الشركات والدول، إلى الشبكات اللامركزية التي تعتمد على الطاقة النظيفة وتخزين الطاقة لفترة غير محدودة.