الجاذبية تزود البطاريات بطاقة متجددة

بقلم:    كاثلين أوغرايدي، أدنبرة في المملكة المتحدة

ترجمة: مي بورسلي

على رصيف الرسو بجانب المياه الباردة ذات اللون الرمادي الفولاذي هنا يقف ما يشبه بئر مصعد فارغ بارتفاع أربعة طوابق – ولكن بدلاً من المصعد، يوجد ثقل من الحديد الأخضر معلق بالكابلات يبلغ وزنه 50 طنًا. شيئًا فشيئًا، ترفع المحركات الكهربائية الثقل إلى منتصف الارتفاع؛ إنها الآن بطارية عملاقة تعمل بالجاذبية Gravity-Powered Battery تخزن الطاقة الكامنة Potential energy التي يمكن تحريرها عند الحاجة. وهذه هي اللحظة الآن: بأنين معدني، يتراجع الثقل بمقدار بوصات. ففي الاتجاه المعاكس تكون المحركات مولدات كهربائية، ترسل ما يصل إلى 250 كيلوواط من الطاقة إلى الشبكة. وللوصول إلى ذروة الطاقة المُنتجة، يمكن للثقل أن يهبط في 11 ثانية – ولكن لأغراض الاختبار، يتحرك فقط بضعة أمتار بـ “سرعة الزحف” Creep speed، كما يقول دوغلاس هيتشكوك Douglas Hitchcock، مهندس المشروع في شركة غرافيتريسيتي Gravitricity الاسكتلندية الناشئة Stratup.

وفي الأسبوع الأخير من أبريل 2021، أعلنت الشركة أن جاهزية نموذج مصغر من جهاز العرض Demonstrator، وهو قادر على التبديل بين سحب الطاقة من الشبكة وإعادة إرسالها في الشبكة مرة أخرى في غضون ثوانٍ. ويُقدِّم هذا التصميم بديلاً للبطاريات الكيميائية التي تهيمن على سوق تخزين الطاقة العالمية – وهي سوق تنمو جنبًا إلى جنب مع الطاقة المتجددة التي تحتاج إلى تخزين الطاقة عند شروق الشمس أو هبوب الرياح، ثم تحريرها عندما يزداد طلب الكهرباء من الشبكة.

ويقول أوليفر شميدت Oliver Schmidt، مستشار الطاقة النظيفة والباحث الزائر في جامعة إمبريال كوليدج لندن Imperial College London، إن التخزين القائم على الجاذبية له بعض المزايا. ويمكن شحن وتفريغ بطاريات الليثيوم أيون Lithium-ion batteries، وهي التقنية المفضلة لتخزين الطاقة على نطاق المرافق، عدة مرات قبل أن تفقد سعتها Capacity – عادة في غضون بضع سنوات. ولكن الرافعات والكابلات الفولاذية والأوزان الثقيلة يمكن أن تصمد جيدًا لعقود. ويقول شميت: “إنها مواد هندسة ميكانيكية… إنها رخيصة نسبيًا”. ويقول مايلز فرانكلين Miles Franklin، المهندس الرئيسي من شركة غرافيتريسيتي، إن استخراج معادن البطاريات يؤدي إلى مشكلات بيئية وتنتقص من حقوق إنسان. دلوٌّ من الحديد له أثر أخف بكثير.

وباستخدام تقديرات التكلفة والأداء التي حسبتها الشركة غرافيتريسيتي، أعدّ شميدت تقرير عام 2019 للشركة يوضح فيه أن عند أخذ جميع العناصر بعين الاعتبار بما في ذلك البناء وتكاليف التشغيل والصيانة – قد يكون خيار تخزين الجاذبية أرخص من بطاريات الليثيوم أيون. وبالنسبة إلى مشروع مدته 25 عامًا، يقدر شميدت أن إنتاج الكهرباء بالجاذبية سيكلف 171 دولارًا لكل ميغاواط. وتقول جيسيكا ترانسيك Jessika Trancik، باحثة تخزين الطاقة من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا Massachusetts Institute of Technology، إن هذا الرقم لا يزال بحاجة إلى دعمه بالبيانات الميدانية. ولكن حساب شميدت لتكلفة العمر لكل ميغاواط/ساعة لبطاريات الليثيوم أيون هي 367 دولارًا، هو أكثر من ضعف ذلك، على الرغم من انخفاض تكاليف البطارية. وهناك بطاريات التدفق Flow battery، وهي تقنية واعدة على نطاق الشبكة، تخزن الشحنة في خزانات كبيرة من الإلكتروليت السائل Liquid electrolyte، بسعر 274 دولارًا لكل ميغاواط/ساعة.

وشركات التخزين الأخرى القائمة على الجاذبية لها تطوراتها الخاصة في مجال التكنولوجيا. فالفكرة التي تعمل عليها شركة غرافيتي باور Gravity Power في كاليفورنيا تبعد خطوة صغيرة عن تقنية ضخ المياه: فهي تستخدم الطاقة المتجددة لضخ المياه تحت مكبس Piston ثقيل ورفعه. فعندما تكون هناك حاجة إلى الطاقة، يتحرر ثقل المكبس، مما يدفع الماء خلال مولد كهربائي مائي Hydroelectric generator. هذا، وتستخدم شركة نيو إنرجي ليتس غو New Energy Let’s Go الألمانية تصميمًا مشابهًا. أما شركة إنرجي فولت Energy Vault السويسرية؛ فتستخدم رافعة متعددة الأذرع مزودة بمولدات كهربائية لتكديس وتفكيك برج يبلغ ارتفاعه 120 مترًا مصنوعًا من مئات الطوب يبلغ وزنه 35 طنًا، مثل برج بابل Tower of Babel الذي يرتفع وينخفض حسب الطلب على الطاقة. ففي حين تلتزم شركة غرافيتريسيتي بالبساطة مستخدمة بئر المصعد. إنها تخطط لزيادة الأثقال إلى أوزان تصل إلى 500 طن، الأمر الذي يتطلب أساسات ضخمة للبرج – لذا فإن أفضل مكان لوضع نظام كامل الحجم هو تحت الأرض، كما تقول روث آبس Ruth Apps، مديرة تطوير الأعمال. والشركة تستكشف المناجم المهجورة في جمهورية التشيك وبولندا وجنوب إفريقيا لتنفيذ مشاريعها التجارية الأولى.

لا تزال التكنولوجيا “غير ناضجة جدا”، كما يحذر شميدت، وقد أحرزت الشركات تقدمًا بطيئًا. إذ أعلنت شركة إنرجي فولت، والتي ربما تكون الشركة الرائدة، في عام 2019 أنها جمعت 110 ملايين دولار كرأس مال وتخطط لبدء تطويرات تجارية هذا العام (2021). ولكن مثل جميع تقنيات التخزين، سيتعثر التخزين القائم على الجاذبية إذا لم تقدم تشريعات المناخ Climate regulations حوافز لطاقة خالية من الكربون، كما تقول ريبيكا ويليس Rebecca Willis، باحثة سياسة البيئة من جامعة لانكستر University of Lancaster. وتقول إنه في معظم الأماكن تظل محطات الغاز الطبيعي الصغيرة التي يمكن تشغيلها وإيقافها بسهولة أرخص وسيلة للتعامل مع التقلبات في الطلب.

مع 14 موظفًا وثلاثة ملايين جنيه إسترليني فقط في الاستثمار، فإن شركة غرافيتريسيتي مدركة تماما للعقبات التي تنتظرنا. فعندما طوّر الفريق نموذج العرض كأحد خطواته الأولى، واجه بالفعل صعوبات غير متوقعة – مثل عزم الدوران Torque الذي من الكابلات الفولاذية، والذي ينتج من تحرير لف الكابلات أثناء رفع الوزن. وبعد العمل على حل مشكلات البدء هذه، تخطط الشركة بحلول عام 2023 لبناء مصنع واسع النطاق – بأوزان أثقل وبئر يبلغ عمقها نحو كيلومتر يمكن أن ينتج ما يصل إلى 4 ميغاوات عند ذروة الطاقة.

تحيط أشباح الصناعة المتعثرة بموقع اختبار شركة غرافيتريسيتي: هناك سفينة إمداد تخدم حفارات نفط بحر الشمال ساكنة في مكان قريب. ولكن في يوم صافٍ، يمكن للمرء أن يرسم معالم مستقبل الطاقة في اسكتلندا: توربينات الرياح التي تنتشر في الأفق على بعد أقل من 20 كيلومترًا من هنا. وتقول آبس إن اثنين من الموظفين الذين تعينوا مؤخرًا في شركة غرافيتريسيتي أتوا من قطاع النفط والغاز. وتشعر مجتمعات التعدين بسعادة غامرة من احتمال تحويل تراثها إلى شيء جديد: “أنهم يدركون أنها فرصة للحصول على حياة ثانية”.

©2021, American Association for the Advancement of Science. All rights reserved