توقعات بارتفاع الطلب على البطاريات بحلول عام 2050 (تقرير)

• • الطلب على البطاريات الثابتة سيصل إلى ما يقرب من 75 تيراواط/ساعة بحلول عام 2050
• • بطاريات أيون الصوديوم تقترب من تحقيق تكافؤ في التكلفة مع نظيراتها من بطاريات الليثيوم
• • سعة البطاريات المتنقلة قد تصل إلى نحو 275 تيراواط/ساعة بحلول منتصف القرن
• • البطاريات لن تشكّل عائقًا سواء بسبب محدودية المواد الخام أو لأسباب تتعلق بالتكلفة

تشير توقعات حديثة إلى أن إجمالي الطلب على البطاريات قد يتجاوز 350 تيراواط/ساعة بحلول عام 2050، وسط تحديات إمدادات المواد الداخلة في التصنيع، وفق ما تابعته منصة الطاقة المتخصصة (مقرّها واشنطن).

وغالبًا ما ترتبط تقنية البطاريات بمشكلة إمدادات المواد الخام؛ إذ يتطلب التحول الجذري نحو أنظمة كهرباء تعتمد بشكل كبير على المصادر المتجددة -مقترنًا بتوسُّع هائل في الكهربة- قدرات تخزين ضخمة في البطاريات -سواء الثابتة أو المتنقلة-، وهي كميات تفوق ما هو متاح من الليثيوم.

وتُعدّ مسألة ندرة الليثيوم وأهميته الإستراتيجية موضوعًا حيويًا، حيث تشير أبحاث سابقة إلى ضرورة تبني آليات فعالة لإعادة التدوير، وتقنيات "من المركبة إلى الشبكة"، ووسائل نقل منخفضة الاعتماد على الليثيوم (مثل المركبات الكهربائية التي لا تعتمد على البطاريات التقليدية).

وقد تناولت دراسة حديثة بمزيد من التفصيل أحد أكثر البدائل الواعدة لبطاريات الليثيوم أيون (LIB) المطروحة حاليًا: وهي بطاريات أيون الصوديوم (SIB).

مواد بطاريات أيون الصوديوم

على عكس بطاريات الليثيوم، تعتمد بطاريات أيون الصوديوم على مواد خام وفيرة، ولا يقتصر ذلك على مادة المهبط (الكاثود)، بحسب تقرير نشرته مجلة "بي في ماغازين".

ويمكن تصنيع المصعد (الأنود) من الكربون الصلب بدلًا من الغرافيت الطبيعي، ويمكن استبدال النحاس -المستعمل مجمعًا للتيار في المصعد- بالألومنيوم، وهو معدن أكثر توفرًا وأقل تكلفة.

أظهرت عمليات محاكاة سابقة لأنظمة الكهرباء أن الطلب على البطاريات الثابتة سيصل إلى ما يقرب من 75 تيراواط/ساعة بحلول عام 2050، في حين كشفت تقديرات خاصة بالبطاريات المتنقلة أن لها دورًا مهيمنًا، حيث قد تصل سعتها إلى نحو 275 تيراواط/ساعة بحلول منتصف القرن.

وتشير أحدث النتائج إلى أن نسبة سعة البطاريات المطلوبة مقارنة بسعة الطاقة الشمسية المركبة تبلغ نحو0.8 كيلوواط/ساعة لكل كيلوواط من القدرة الشمسية، وذلك في ظل نظام كهرباء عالمي مرن ومُحسَّن التكلفة يعمل بالكامل بالطاقة المتجددة.

وعند إضافة الطلب الناتج عن قطاع الإلكترونيات وتطبيقات أخرى، فقد يتجاوز إجمالي الطلب على البطاريات 350 تيراواط/ساعة بحلول عام 2050.

ويُظهر تقييم التكلفة -الذي أُجري وفق نهج تصاعدي (من مستوى الخلية الفردية وصولًا إلى مستوى النظام بأكمله)- أن بطاريات أيون الصوديوم تقترب من تحقيق تكافؤ في التكلفة مع نظيراتها من بطاريات الليثيوم أيون.

وقُدِّرت التكلفة على مستوى النظام في عام 2025 بنحو 120 يورو (134.27 دولارًا) لكل كيلوواط/ساعة من خلال تطبيق معدلات تعلم مختلفة، ويمكن خفض التكاليف بحلول عام 2050 لتتراوح بين 28.5 و51.9 يورو لكل كيلوواط/ساعة من السعة.

ويقود هذا إلى استنتاج مفاده أن تصنيع البطاريات لن يواجه عائقًا، سواء بسبب محدودية المواد الخام أو لأسباب تتعلق بالتكلفة.

إضافة إلى ذلك، ونظرًا لكون بطاريات أيون الصوديوم تقنية متوافقة مع البنية التحتية القائمة، فإنه يمكن تصنيعها بسهولة على خطوط الإنتاج الحالية التي أُنشئت في الأصل لبطاريات الليثيوم أيون.

(اليورو = 1.12 دولارًا أميركيًا)

المستهلكون المنتجون للطاقة الشمسية: ما وراء أنظمة التخزين الثابتة

لا يحتاج المستهلكون المنتجون للطاقة الشمسية (أي الأفراد أو الجهات التي تنتج الكهرباء وتستهلكها في آن واحد) بالضرورة إلى بطاريات لضمان إمداد آمن بالكهرباء.

ويمكنهم -عبر الربط بشبكة الكهرباء- ضخ فائض الكهرباء الناتج عن أنظمة الطاقة الشمسية على الأسطح إلى الشبكة والحصول على مقابل مادي له، ويمكنهم سحب الكهرباء من الشبكة في الأوقات التي ينخفض فيها الإنتاج الشمسي أو ينعدم.

في المقابل، فإن ارتفاع أسعار الكهرباء من الشبكة وانخفاض تكاليف البطاريات قد يجعل تزويد أنظمة المستهلكين المنتجين ببطاريات أمرًا مجديًا اقتصاديًا لتحسين التكلفة الإجمالية لإمدادات الطاقة.

وتُظهر دراسة أولية بشأن تحسين التكاليف لدى المستهلكين المنتجين للطاقة الشمسية أن الأنظمة التي تجمع بين الألواح الشمسية والبطاريات تحقق فوائد كبيرة فيما يتعلق بالتكلفة الإجمالية لإمدادات الكهرباء.

ويُعدّ التحول إلى التدفئة الكهربائية -سواء باستعمال سخانات الغمر (قضبان التسخين) أو المضخات الحرارية- عاملًا جوهريًا في هذا الإطار.

في هذا الإطار، لا تشكّل التكلفة المنخفضة للطاقة الشمسية عائقًا، رغم أن أنظمة الطاقة الشمسية على الأسطح تنتج كهرباء أقل بنسبة 18% تقريبًا مقارنة بالأنظمة المركبة على الأرض؛ إذ يتيح الجمع بين هذه الأنظمة وأنظمة التخزين الثابتة بالبطاريات تغطية عالية لاحتياجات الكهرباء والتدفئة.

وتعتمد عملية تحسين سعة البطارية على إدراج المركبات الكهربائية ضمن النظام؛ حيث تبيَّن وجود فوائد كبيرة للمركبات القادرة على تزويد النظام بالكهرباء، وهو ما يُعرَف بتقنية "من المركبة إلى المنزل" (V2H).

وفي دراسة لاحقة، بُحِث مدى جدوى استعمال أنظمة تخزين الهيدروجين الموسمية لأنظمة المستهلكين المنتجين للطاقة الشمسية المنزلية.

وتبيّنَ أن خيار التخزين طويل الأمد يؤدي دورًا محدودًا يقتصر على حالات خاصة في دول الشمال الأوروبي التي تعمل خارج الشبكة، وذلك رغم إمكان خفض التكاليف بشكل كبير.

ويُظهر نموذج التحسين المحدّث أن معظم المناطق ستصل إلى مرحلة "تكافؤ الشبكة" (أي تساوي تكلفة التوليد الذاتي مع سعر الكهرباء من الشبكة) بحلول عام 2035، في حين إن أكثر من نصف المناطق كانت قد حققت هذا التكافؤ بحلول عام 2020.

ويؤكد النموذج المحسّن الدور المهم الذي تؤديه البطاريات؛ ففي الحالات المرتبطة بالشبكة، وُجد أن الحدّ الأقصى لنسبة سعة البطارية إلى قدرة نظام الطاقة الشمسية يتراوح بين 1.6 و1.8 كيلوواط/ساعة /كيلوواط، وترتفع هذه النسبة في الحالات غير المرتبطة بالشبكة لتتراوح بين 3 و4 كيلوواط/ساعة من السعة.

نمو أسطول المركبات الكهربائية

يشهد أسطول المركبات الكهربائية نموًا متسارعًا حول العالم، حيث راكم سعة بطاريات بمقياس "تيراواط/ساعة" وأدى إلى زيادة الطلب على قدرات توليد الطاقة الشمسية.

ويُعدّ استعمال سعة البطاريات هذه لموازنة نظام الطاقة حلًا واعدًا لأنظمة الطاقة التي تشهد حصة متزايدة من توليد الكهرباء المتجددة المتغيرة.

ويوفر الشحن الذكي وحده مرونة قيّمة من خلال زيادة استهلاك الكهرباء في أثناء أوقات ذروة التوليد المتجدد وتقليله خلال فترات العجز في التوليد.

بدورها، تذهب تقنية "من المركبة إلى الشبكة" (V2G) إلى أبعد من ذلك، إذ تحوّل المركبات الكهربائية إلى وحدات تخزين موزعة (بطاريات متنقلة) قادرة على تزويد الشبكة بالكهرباء خلال فترات العجز.

وتؤكد دراسة حللت تأثير الشحن الذكي وتقنية "من المركبة إلى الشبكة" وجود فوائد كبيرة لنظام الكهرباء؛ إذ تتيح هذه التقنيات للنظام خفض سعة تخزين البطاريات المركبة على مستوى المرافق بنحو 50%.

وهذا يقلل بشكل غير مباشر من استعمال المواد الحيوية في البطاريات ويخفض الحاجة إلى تقنيات أخرى لتخزين الكهرباء.

ومن شأن تفعيل هاتين التقنيتين وحدهما أن يخفض التكاليف السنوية الإجمالية للنظام بنحو 4%، بحسب تقرير طالعته منصة الطاقة المتخصصة.

رغم ذلك، فإن تطبيق تقنية "من المركبة إلى الشبكة" لا يخلو من التكلفة بالنسبة للنظام؛ إذ يجب تحفيز مالكي المركبات الكهربائية للمشاركة وتعويضهم عن تآكل البطاريات.

وسيعتمد دور تقنية "من المركبة إلى الشبكة" وتأثيرها بشكل كبير في تكلفة هذه الخدمة بالنسبة للنظام، ولكن حتى عند مستوى تكلفة يتراوح بين 50 و100 يورو لكل ميغاواط/ساعة، تظل هذه التقنية توفر فوائد للنظام.

ويتمثل التحدي الرئيس أمام تقنية "من المركبة إلى الشبكة" في البنية التحتية العامة اللازمة لتمكين المركبات الكهربائية من الشحن أو ضخ كهرباء تيار متردد (AC) عالية الجودة في الشبكة كلما كانت متوقفة، ولا سيما خلال ذروة توليد الطاقة الشمسية في منتصف النهار، حيث تكون سعة التخزين الإضافية ذات قيمة قصوى.

التعامل مع تباين مصادر الطاقة المتجددة

تُعدّ المرونة أمرًا ضروريًا للتعامل مع تباين مصادر الطاقة المتجددة الناجم عن طبيعتها المرتبطة بالظروف الجوية.

وقد حظيت أنظمة تخزين الكهرباء بالبطاريات باهتمام واسع النطاق بصفتها تقنية رائدة محتملة لأداء هذا الدور؛ إذ تتميز بمزايا تشمل كثافة الطاقة العالية، والاستجابة السريعة، والموثوقية في إمداد الكهرباء، والقدرة على التفريغ المستمر، وعدم الارتباط بمواقع جغرافية محددة.

وقد عزز الانخفاض المستمر في تكاليف تصنيع البطاريات دور أنظمة التخزين بالبطاريات في تسهيل دمج الطاقة المتجددة، ولا سيما الطاقة الشمسية.

وخلصت مراجعة شاملة لخيارات المرونة -شملت أكثر من 1000 ورقة بحثية- إلى أن تقنيات البطاريات توفر حاليًا مزيجًا جذابًا يجمع بين الاستجابة السريعة، والقابلية للتوسع (التصميم المعياري)، والكفاءة، والنضج التقني.

ويأتي ذلك مقارنة بتقنيات التخزين الأخرى مثل التخزين المائي بالضخ، وتخزين الطاقة الحرارية، وتخزين الطاقة عبر الهيدروجين.

لذا، لا ينبغي النظر إلى البطاريات وأنظمة التخزين المائي بالضخ بصفتها بدائل لبعضها، بل بصفتها عناصر مكملة تلبي الحاجة ذاتها، وهو ما أكدته التجربة الهندية.

الانخفاض المستمر في تكاليف البطاريات

يُعدّ الانخفاض المستمر في تكاليف البطاريات -رغم تقلُّب أسعار المواد الخام- عاملًا رئيسًا يعزز جاذبية تقنية البطاريات بصفتها خيارًا لتحقيق المرونة.

إضافة إلى ذلك، لوحظ هذا الانخفاض في التكاليف في كل من التطبيقات المتنقلة والثابتة على حدّ سواء، ما يُبرز تعدُّد استعمالات تقنيات البطاريات وتحسن قدرتها التنافسية من حيث التكلفة عبر مجموعة واسعة من التطبيقات.

ومن المتوقع أن يؤدي هذا التقدم التكنولوجي -المدفوع بالابتكار المستمر- دورًا محوريًا في تسريع وتيرة نشر تقنيات الطاقة الشمسية في "حزام الشمس" العالمي ومناطق أخرى مثل أفريقيا، ولا سيما في تطبيقات الأنظمة المستقلة عن الشبكة (الأنظمة غير المرتبطة بالشبكة).

ولن يكون التوسع في استعمال الطاقة الشمسية ممكنًا دون تقنيات تخزين الكهرباء، وتحديدًا التخزين باستعمال البطاريات.

وهذا ما تؤكده تحليلات حديثة تناولت المحطات الرئيسة لتطور هذه التقنية ضمن سيناريوهات تحول الطاقة، التي أشارت إلى توقعات بأن تبلغ حصة الطاقة الشمسية نحو 61% من إجمالي إمدادات الكهرباء الأولية (متوسطًا عالميًا) بحلول منتصف القرن.

ومن المتوقع أن تؤدي الطاقة الشمسية دورًا رئيسًا حتى خارج نطاق "حزام الشمس".

وفي الشبكات الصغيرة والمعزولة -مثل تلك الموجودة في الجزر أو الأنظمة غير المرتبطة بالشبكة- أدى ارتفاع تكاليف وقود الديزل، مقترنًا بالانخفاض السريع في تكاليف تقنيات الطاقة المتجددة، إلى تعزيز القدرة التنافسية لمصادر الطاقة المتجددة وزيادة أهمية حلول تخزين الكهرباء بالبطاريات.

ويُسهم هذا الاتجاه في تزايد الاعتماد على أنظمة الكهرباء المستقلة واللامركزية غير المرتبطة بالشبكة، بما في ذلك الأنظمة التي تجمع بين الطاقة الشمسية والبطاريات، أو طاقة الرياح والبطاريات.