مستقبل تخزين الطاقة تحت الأرض

مع استمرار ارتفاع الطلب العالمي على الطاقة، أصبح تحدي تخزين الطاقة بكفاءة واستدامة أكثر إلحاحاً. مصادر الطاقة المتجددة مثل الطاقة الشمسية وطاقة الرياح متقطعة بطبيعتها، مما يجعل تخزين الطاقة على نطاق واسع أمراً ضرورياً لضمان إمداد ثابت. يبرز تخزين الطاقة تحت الأرض كحل واعد لمعالجة هذه التحديات، حيث يوفر إمكانات هائلة للاستقرار والكفاءة والاستدامة. تستكشف هذه المقالة ضرورة تخزين الطاقة وأهميته، والتكنولوجيات الحالية، وحدودها، وكيف يمكن لتخزين الطاقة تحت الأرض أن يشكل المستقبل.

1. ضرورة تخزين الطاقة وأهميته.

يُعدّ تخزين الطاقة أمراً بالغ الأهمية لتحقيق التوازن بين العرض والطلب، وخاصة مع التحول نحو الطاقة المتجددة. وفقاً لوكالة الطاقة الدولية، من المتوقع أن ينمو الطلب العالمي على الكهرباء بنسبة 60% بحلول عام 2040. ومن المتوقع أن تشكل مصادر الطاقة المتجددة أكثر من 50% من مزيج مصادر الكهرباء العالمي بحلول عام 2050، لذا يجب توسيع نطاق حلول التخزين وفقاً لذلك لمنع إهدار الطاقة وعدم استقرار الشبكة.

تزداد الحاجة الملحة بسبب تغير المناخ. يجب أن ينخفض

الاعتماد على الوقود الأحفوري للحد من الاحتباس الحراري العالمي إلى أقل من 1,5 درجة مئوية كما هو موضح في اتفاقية باريس. ومع ذلك، بدون تخزين مناسب، يتم فقدان الطاقة المتجددة الزائدة المولدة خلال أوقات الذروة للإنتاج. تقدر الوكالة الدولية للطاقة المتجددة (IRENA) أن 150 تيراواط ساعة من سعة التخزين ستكون مطلوبة بحلول عام 2050 لضمان التكامل الفعّال للطاقة المتجددة.

2. حجم تخزين الطاقة ومداه.

يعمل تخزين الطاقة على نطاقات مختلفة، من البطاريات السكنية الصغيرة إلى المرافق الكبيرة على نطاق الشبكة. ويوفّر تخزين الطاقة الكهرومائية، الذي يشكل حوالي 94% من سعة التخزين العالمية، حوالي 9000 جيجاواط ساعة من تخزين الطاقة في جميع أنحاء العالم. في الوقت نفسه، على الرغم من النمو السريع لحلول تخزين البطاريات مثل الليثيوم أيون، إلا أنها لم تمثل سوى 17 جيجاوات ساعة من السعة في عام 2020، ومن المتوقع أن ترتفع إلى 1095 جيجاوات ساعة بحلول عام 2030.

على الرغم من هذا النمو، يواجه قطاع الطاقة فجوة كبيرة. يتطلّب العالم حلول تخزين طاقة قابلة للتطوير وطويلة الأمد لدعم الاختراق المتزايد للطاقة المتجددة. يُقدِّم تخزين الطاقة تحت الأرض إمكانات هائلة وغير مستغلة للانتشار على نطاق واسع.

3. الأساليب والتقنيات الحالية لتخزين الطاقة.

توجد عدة طرائق لتخزين الطاقة اليوم:

· تخزين الطاقة الكهرومائية المضخوخة (Pumped Hydro Storage PHS): يتم ضخ المياه إلى ارتفاع أعلى وإطلاقها لتوليد الكهرباء عند الحاجة.

· تخزين البطاريات: توفر بطاريات الليثيوم أيون والصوديوم والكبريت والحالة الصلبة كفاءة عالية ولكنها تواجه مشكلات التدهور والقيود المادية.

· تخزين طاقة الهواء المضغوط (Compressed Air Energy Storage  CAES): يتم تخزين الهواء المضغوط في كهوف تحت الأرض وتوسيعه لتوليد الكهرباء.

· تخزين الهيدروجين: يتم استخدام الطاقة الزائدة لإنتاج الهيدروجين عن طريق التحليل الكهربائي، والذي يمكن تحويله لاحقاً إلى كهرباء مرة أخرى.

· عجلات الموازنة والمكثفات الفائقة: توفر هذه الطريقة تخزيناً قصير المدى ولكنها غير مجدية للاحتياجات واسعة النطاق وطويلة الأمد.

4. قيود طرائق تخزين الطاقة الحالية.

على الرغم من أن الطرائق الحالية أثبتت فائدتها، إلا أنها تأتي مع عيوب كبيرة:

· تخزين الطاقة الكهرومائية بالضخ: يتطلب ظروفاً جغرافية محددة ويعطل النظم البيئية المحلية.

· تخزين البطاريات: عمر افتراضي محدود، والاعتماد على المواد النادرة (الليثيوم والكوبالت)، ومشاكل إعادة التدوير.

· تخزين الهواء المضغوط: خسائر طاقة عالية بسبب تبديد الحرارة.

· تخزين الهيدروجين: كفاءة ذهاب وإياب منخفضة (~30-40٪) وبنية تحتية باهظة الثمن.

مع زيادة الطلب على التخزين طويل الأمد وواسع النطاق، يظهر تخزين الطاقة تحت الأرض كبديل قابل للتطبيق.

5. مفهوم تخزين الطاقة تحت الأرض.

يستفيد تخزين الطاقة تحت الأرض من الخزانات الجوفية والمناجم المهجورة والكهوف الملحية والطبقات الجوفية العميقة لتخزين الطاقة بأشكال مختلفة:

· تخزين الطاقة الكهرومائية المضغوطة تحت الأرض (Underground Pumped Hydro Storage UPHS): يستخدم الخزانات الجوفية لإزالة القيود الجغرافية.

· تخزين طاقة الهواء المضغوط تحت الأرض (Underground Compressed Air Energy Storage UCAES): يخزن الهواء المضغوط في التكوينات الجيولوجية لتوليد الكهرباء لاحقاً.

· تخزين الطاقة الحرارية: يتم تخزين الحرارة الزائدة في طبقات تحت الأرض لاسترجاعها لاحقاً.

· تخزين الهيدروجين في الكهوف: يتم تخزين الهيدروجين في تكوينات جوفية كبيرة، مما يقلل من استخدام الأراضي ويزيد من السلامة.

6. جدوى تخزين الطاقة تحت الأرض.

التخزين تحت الأرض قابل للتطبيق من الناحية الفنية والاقتصادية. وإن التكوينات الجيولوجية المطلوبة لهذه التقنيات موجودة في جميع أنحاء العالم، مما يوفر إمكانات تخزين هائلة:

· الكهوف الملحية لتخزين الهيدروجين: تُقدَّر سعة التخزين في الولايات المتحدة بنحو 3500 تيراوات في الساعة.

· تخزين الهواء المضغوط: يمكن للمواقع المناسبة في ألمانيا والولايات المتحدة والصين توفير تخزين على نطاق جيجاواط.

· تخزين الطاقة الكهرومائية تحت الأرض: يوضح مشروع جبال الألب السويسرية أنه يمكن تطوير UPHSحتى في التضاريس الصعبة.

كما تميل اعتبارات التكلفة نحو التخزين تحت الأرض. مقارنة بالبنية التحتية السطحية، فإن التخزين تحت الأرض هو الخيار الأفضل. مقارنة بالبنية التحتية السطحية، تستفيد المرافق تحت الأرض من العزل الطبيعي، مما يُقلِّل من خسائر الطاقة والتكاليف طويلة الأجل. تشير الأبحاث إلى أن تخزين الهيدروجين تحت الأرض يمكن أن يحقق تكلفة تخزين متساوية تصل إلى 0,1 دولار لكل كيلوواط/ساعة بحلول عام 2035، مقارنة بتكاليف تخزين البطاريات المتوقعة عند 0,2-0,3 دولار لكل كيلوواط/ساعة.

7. مستقبل تخزين الطاقة تحت الأرض.

إن مستقبل تخزين الطاقة تحت الأرض واعد، مع وجود أبحاث ومشاريع تجريبية مستمرة تدفع التقدم:

• مشاريع التخزين العميق في النرويج: استكشاف الكهوف الصخرية العميقة للهيدروجين وتخزين الطاقة الكهرومائية تحت الأرض.

• تخزين الهيدروجين تحت الأرض في الصين: تطوير مرافق واسعة النطاق لدعم قطاع الطاقة المتجددة المتنامي.

• مبادرات البحث التابعة لوزارة الطاقة الأمريكية: الاستثمار في الحلول تحت الأرض لاستقرار الشبكة.

مع التقدم التكنولوجي المتزايد، يمكن أن يوفر تخزين الطاقة تحت الأرض أكثر من 10000 تيراواط ساعة من القدرة العالمية بحلول عام 2050، متجاوزاً بشكل كبير الحلول القائمة على السطح.

الخلاصة.

يتطلّب الانتقال إلى الطاقة المتجددة حلول تخزين ناجعة وقابلة للتطوير. يُقدِّم تخزين الطاقة تحت الأرض نهجاً تحويلياً يتغلب على قيود الطرائق التقليدية. إن سعة هذا التخزين الهائلة وكفاءته من حيث التكلفة وقدرته على التكامل مع البنى التحتية للطاقة الحالية تجعله مكوناً أساسياً في مشهد الطاقة المستقبلي. ومع تسارع الاستثمارات والبحوث، من المقرر أن يصبح التخزين تحت الأرض حجر الزاوية لاستقرار الطاقة العالمية، مما يمهد الطريق لمستقبل مستدام.