تتجه شبكات الطاقة اليوم بشكل متزايد نحو أنظمة مدمجة من الطاقة الشمسية والتخزين، حيث تعمل الألواح الشمسية جنبًا إلى جنب إما مع بطاريات الليثيوم أيون أو أنظمة البطاريات التدفقية. الفكرة الأساسية هنا بسيطة بما يكفي: تخزين الطاقة الزائدة التي يتم إنتاجها خلال النهار بحيث يمكن استخدامها عندما تزداد الحاجة في المساء أو عندما تواجه الشبكة مشاكل. وبما أن مصادر الطاقة المتجددة تشكل بالفعل أكثر من 20 بالمئة من إنتاج الكهرباء في عدة مناطق، لم تعد شركات الطاقة تنظر إلى هذه الأنظمة البطارية على أنها إضافات مرغوب فيها فحسب، بل بدأت تتعامل معها باعتبارها أجزاءً أساسية من البنية التحتية للشبكة، ويجب التخطيط لها منذ البداية بدلاً من إضافتها لاحقًا كفكرة ثانوية.
يُحسّن إضافة أنظمة تخزين بالقرب من مزارع الطاقة الشمسية من مرونتها كمصادر للطاقة. فعلى سبيل المثال، المزرعة الشمسية بقدرة 250 ميغاواط في ولاية أريزونا الأمريكية. خلال ساعات الذروة المسائية، حيث يُشغّل الجميع مصابيحهم وأجهزتهم الكهربائية، دخل النظام البطاري المدمج في الموقع في الخدمة مُساهماً بـ 100 ميغاواط على مدى أربع ساعات من طاقة مخزنة تبلغ سعتها 400 ميغاواط ساعة. وقد حال هذا دون تشغيل محطات التوليد الغازية التقليدية التي تُستخدم في أوقات الذروة لبضع ساعات إضافية فقط. علاوة على ذلك، فإن هذا النوع من التجهيزات يقلل الحاجة إلى خطوط نقل الطويلة، ويمكنه في الواقع إعادة تشغيل الشبكة بعد انقطاعات كبيرة. وبحسب دراسات حديثة أجرتها NREL، فإن شركات الطاقة تحقق وفورات تقدر بحوالي 40 بالمائة في التعديلات المعقدة على التردد والتي تُحتاج إليها الشبكة لضمان التوازن عند دمج أنظمة التخزين مع مشاريع الطاقة الشمسية.
عند النظر إلى الصورة الكبيرة، من الواضح أن هناك زيادة ملحوظة في كمية تخزين الطاقة المُضافة إلى مشاريع الطاقة الشمسية الكبيرة في جميع أنحاء أمريكا. وبحسب تقرير Market.us من العام الماضي، فإن حوالي ثلاثة أرباع جميع مشاريع الطاقة الشمسية المخطط لها للفترة من 2023 إلى 2024 ستتضمن نوعًا من أنظمة البطاريات. ماذا يعني هذا بالفعل؟ حسنًا، لدى بلادنا حاليًا ما يقارب 20.7 غيغاواط من البطاريات قيد التشغيل، وهو رقم مثير للإعجاب بالفعل، إذ يمكن لتلك البطاريات الحفاظ على تشغيل الإضاءة في حوالي 15 مليون منزل إذا حدث انقطاع للتيار الكهربائي استمر أربع ساعات متواصلة. كما أن عدة ولايات وضعت أهدافًا لإنتاج الطاقة النظيفة بدأت في اشتراط أن تُبنى المزارع الشمسية الجديدة مع حلول تخزين مدمجة. وينشأ عن هذا الدفع التنظيمي فرصٌ أمام الشركات التي تفكر في عمليات التحديث. ويُقدّر الخبراء أن هذا الشرط وحده قد يُولّد حوالي اثني عشر مليار دولار سنويًا فقط لتجهيز الأنظمة القائمة بدعم البطاريات المناسب بحلول منتصف العقد القادم.
تُعَدّ بطاريات الليثيوم أيون هي الخيار الأساسي لمشاريع الطاقة الشمسية على نطاق الشبكة في الوقت الحالي، وذلك لأنها توفر كفاءة دورانية تصل إلى نحو 90٪، وقد انخفضت أسعارها بشكل ملحوظ مؤخرًا لتصل إلى حوالي 89 دولارًا لكل كيلوواط ساعة وفقًا للأرقام الصادرة عام 2023. تعمل هذه البطاريات بشكل جيد جدًا عندما نحتاج إلى كمية كبيرة من الطاقة بسرعة لبضع ساعات، وعادة ما تتراوح مدة التخزين بين 4 إلى 8 ساعات. لكن هناك تقنيات جديدة بدأت بالظهور في السوق، مثل بطاريات الحديد والهواء وبطاريات الزنك بروميد التدفقية، والتي تبدو أكثر ملاءمة للمواقف التي تتطلب تخزين الطاقة لفترات أطول بكثير، قد تصل من 12 ساعة وحتى أكثر من 100 ساعة. كما حقق الباحثون تقدمًا في مواد المهبط أيضًا، حيث تخطت كثافة الطاقة في بطاريات الليثيوم أيون علامة 300 واط ساعة لكل كجم، مما يعني أن الشركات قادرة على تركيب أنظمة بطاريات أصغر دون التضحية بالسعة في مزارع الطاقة الشمسية الخاصة بهم.
تُحقق البطاريات ذات الحالة الصلبة تقدمًا جادًا فيما يتعلق بمشاكل الانطلاق الحراري بفضل تصميماتها التي تعتمد على الإلكتروليت السيراميكي، والتي يمكن أن تصل إلى كثافة طاقة تزيد عن 500 واط ساعة/كجم. هذا النوع من الأداء يجعلها مرشحة مثالية لحلول تخزين الطاقة الشمسية على نطاق واسع حيث تكون المساحة عاملاً مهمًا. وفي الوقت نفسه، تطورت تقنية بطاريات أيونات الصوديوم بشكل ملحوظ في الآونة الأخيرة، حيث تقدم قدرات مشابهة لتلك الموجودة في الجيل الأول من بطاريات الليثيوم، لكن تكلف حوالي 40 بالمئة أقل في الإنتاج. المواد المستخدمة في هذه البطاريات الصوديومية أيضًا أسهل بكثير في التوريد مقارنة بالمعادن النادرة، مع مركبات مثل نظائر البروسيان بلو التي أصبحت متداولة بشكل متزايد في أوساط التصنيع. تتناسب كلتا التقنيتين الجديدتين تمامًا مع ما يخطط له العديد من البلدان فيما يتعلق بشبكات الطاقة الخاصة بهم على مدى العقدة القادمة أو ما يقارب ذلك. تهدف معظم الحكومات إلى تحقيق دمج ما يقارب 95 بالمئة من الطاقة المتجددة بحلول عام 2035، وتساعد هذه الخيارات الجديدة من البطاريات في التصدي لمشكلتين رئيسيتين في آن واحد: المخاطر الأمنية الناتجة عن التركيبات الكيميائية التقليدية، ومشكلة ندرة المواد الخام اللازمة للإنتاج الكمي والتي تتفاقم يومًا بعد يوم.
تُعتمد أنظمة بطاريات الطاقة الشمسية بسرعة كبيرة هذه الأيام، لكنها تواجه مشكلات كبيرة عند الاتصال بالشبكة. وبحسب بيانات NREL لعام 2023، فإن نحو 40 بالمئة من مشاريع الطاقة المتجددة التي تواجه تأخيرات تشير إلى مشكلات في الاتصال عبر قوائم الربط. ولقد بُنيت شبكتنا الحالية لتدفق أحادي الاتجاه للكهرباء، لذا فإنها تواجه صعوبة في التعامل مع الكهرباء العائدة من تلك المنشآت الصغيرة الموزعة والمكونة من الطاقة الشمسية بالإضافة إلى أنظمة التخزين في الأحياء السكنية. وهذا يعني أن على شركات المرافق إنفاق مبالغ كبيرة على ترقية المحطات الفرعية فقط لضمان سير العمليات بسلاسة. وتأتي مشكلة أخرى من عدم توافق المحولات مع بعضها البعض. فالمعدات القديمة لا تمتلك المواصفات اللازمة للتحكم في الجهود الكهربائية بشكل صحيح خلال دورات الشحن والتفريغ المستمرة التي تمر بها البطاريات.
إن تحقيق إدارة حرارية صحيحة هو أمر بالغ الأهمية لأنظمة تخزين البطاريات على نطاق واسع. وفقًا لبحث أجرته DNV في 2022، عندما لا يتم التحكم في درجات الحرارة بشكل مناسب، فقد يؤدي ذلك إلى تقليل عمر البطاريات بنسبة تصل إلى 30% قبل الحاجة إلى استبدالها. تتطلب معظم لوائح القطاع اليوم أنظمة تبريد احتياطية بالإضافة إلى تقنيات متقدمة لإخماد الحرائق يجب أن توقف أي حالات ارتفاع حرارة خطرة خلال ثماني ثوانٍ فقط. من ناحية التكلفة، فإن الإدارة الحرارية تشكل حوالي 18% من تكلفة تركيب نظام تخزين الطاقة بالبطاريات (BESS) بشكل عام. بالنسبة لمنشأة بسعة 100 ميغاواط، فإن هذا يضيف عادة حوالي 1.2 مليون دولار إلى التكلفة الإجمالية. هذا مبلغ كبير من المال، لكنه ضروري نظرًا لحساسية هذه الأنظمة تجاه المشكلات الحرارية.
بينما تسيطر بطاريات الليثيوم أيون على 92% من مشاريع تخزين الطاقة الشمسية الجديدة (وود ماكينزي 2024)، يواجه المطورون معضلة تتعلق بالاختيار بينهما:
أظهرت دراسة نُشرت عام 2024 من قبل Lazard أنه من خلال زيادة حجم البطاريات بنسبة 20%، يمكن تحسين العائد على الاستثمار من خلال تمديد عمر النظام بنسبة 30% رغم ارتفاع التكاليف الأولية.
تؤدي التغيرات في سياسات الحكومة إلى فرق حقيقي في سرعة نشر بطاريات الطاقة الشمسية وفي تحديد ما إذا كانت ستنشر على نطاق واسع في جميع أنحاء البلاد. لقد بدأت حوالي خمسة عشر ولاية في الولايات المتحدة في اشتراط أنشطة تخزين الطاقة لأي مزرعة شمسية جديدة تزيد قوتها عن 50 ميغاواط. وفي الوقت نفسه، هناك أمر تُعرف بـ FERC Order 841 الذي يُعدّل باستمرار طريقة دفع شركات الطاقة في أسواق الجملة. وبحسب الجمعية الأمريكية للطاقة الشمسية (SEIA)، إذا تم تبسيط متطلبات التراخيص والإجراءات الورقية، فقد نشهد ظهور مشاريع بسعة 15 غيغاواط من مشاريع الطاقة الشمسية المدمجة مع تخزين الطاقة لتبدأ أخيرًا بالتحرك بحلول عام 2026. ومن المرجح أن يحدث هذا لأن الجميع يتفقون على القواعد الأساسية المتعلقة بالسلامة وعلى طريقة توصيل أجزاء مختلفة من الشبكة الكهربائية مع بعضها البعض.
خذ مشروع موس لاندينج في كاليفورنيا مثالاً على ما يحدث عندما تعمل الألواح الشمسية والبطاريات معاً لمعالجة مشاكل الشبكة خلال فترات الذروة المكثفة. يحتوي الموقع على ما يقارب 1.6 غيغاواط ساعة من سعة التخزين متصلة بالألواح الشمسية، مما يعني أنه يمكن توفير الطاقة الكهربائية لأكثر من 300 ألف منزل لمدة أربع ساعات في أوقات الذروة المسائية التي تكون الحاجة إليها أكبر. ما يجعل هذا المشروع مثيراً للاهتمام حقاً هو قدرته على تقليل الغرامات المفروضة على مشغلي الشبكة بمقدار 28 مليون دولار سنوياً بفضل قدرته على تنظيم التردد. وهو أداء متميز بالنظر إلى أنه استمر في العمل بكفاءة تصل إلى 98% تقريباً حتى عندما أدى اندلاع حرائق الغابات إلى تعطيل أجزاء من شبكة النقل الصيف الماضي.
يعد أكبر تجهيز لبطاريات الطاقة الشمسية في فلوريدا، والذي تبلغ سعته 900 ميغاواط/ساعة، قد خفض من استخدام محطات توليد الطاقة من الوقود الأحفوري بنسبة تصل إلى 40٪ خلال موسم الأعاصير، وذلك بفضل خوارزميات توزيع ذكية إلى حد كبير. ما يجعل هذا النظام فعالاً إلى هذه الدرجة هو دمجه مع مزرعة شمسية بقدرة 75 ميغاواط قريبة من الموقع. وباستخدام هذه البطاريات لتخزين الطاقة الشمسية الزائدة التي يتم إنتاجها في منتصف النهار، يمكنها إطلاق الكهرباء في أوقات الذروة بين الساعة 7 و9 مساءً من كل يوم. وتتيح هذه الطريقة الذكية توفير ما يقارب 3.2 مليون دولار سنوياً فقط من تكاليف الاختناق. أما السحر الحقيقي فيظهر في الأيام العاصفة عندما يحتاج الشبكة الكهربائية إلى دعم إضافي لكن مصادر الطاقة التقليدية قد تكون معطلة أو مكلفة جداً للتشغيل بسعة كاملة.
تُظهر مؤخرًا عملية تركيب 300 ميغاواط/450 ميغาวاط-ساعة من نظام Tesla Megapack كيف يمكن لبطاريات الطاقة الشمسية أن تتدخل عندما تحتاج الشبكات إلى دعم إضافي. في عام 2023، وبعد تعطل مفاجئ لمحطة كهرباء تعمل بالفحم، دخلت هذه البطاريات إلى الخدمة خلال 140 جزءًا من الألف من الثانية فقط - وهو ما يعادل سرعة تفوق بـ60 مرة ما تستطيع المحطات الحرارية التقليدية تحقيقه. بفضل هذه الاستجابة السريعة، استمرت تغذية نحو 650 ألف منزل بالطاقة خلال ما كان يمكن أن يكون انقطاعًا كهربائيًا هائلًا. ما يزيد من إثارة الإعجاب في هذه الحالة هو أن النظام حافظ على معدل كفاءة بلغ 92% رغم استخدامه جزئيًا باستمرار على مدار اليوم. هذا الأداء العملي يُعد دليلًا قويًا على أن الجمع بين مصادر الطاقة المختلفة يعمل بشكل جيد معًا، مما يسهل دمج مصادر الطاقة المتجددة في البنية التحتية الكهربائية الحالية دون التأثير على الموثوقية.
أصبحت أنظمة البطاريات الشمسية أكثر ذكاءً في الوقت الحالي بفضل الذكاء الاصطناعي الذي يساعد في إدارة شحن البطاريات وإطلاق الطاقة، فضلاً عن التفاعل مع الشبكة الكهربائية. يقوم البرنامج الذكي بتحليل عوامل مثل حالة الطقس، وتغيرات تكلفة الكهرباء على مدار اليوم، وأنماط الاستهلاك الحالية. وبحسب تقرير Startus Insights لعام 2025، فإن هذا النوع من الأنظمة الذكية يمكنه زيادة العائد على الاستثمار بنسبة تتراوح بين 12% و 18% مقارنةً بالأنظمة الثابتة القديمة. وفي المنشآت الكبيرة التي تتضمن كميات كبيرة من البطاريات، تقوم خوارزميات التعلم الآلي بنقل الطاقة تلقائيًا بين مجموعات البطاريات المختلفة والمُحولّات. يساعد هذا الأمر في حماية البطاريات من التآكل السريع، ويحافظ على فروق الجهد الكهربائي ضمن نطاق 2% تقريبًا، وهو أمر بالغ الأهمية عند دعم الشبكات غير المستقرة أو الضعيفة.
تشكل أنظمة الهجين الشمسية-الريحية-البطارية الآن 34% من التركيبات المتجددة الجديدة، مما يمكّن من توصيل الطاقة النظيفة على مدار الساعة من خلال:
أظهرت الدراسات الحديثة أن مصانع الهجين تحقق نسبة استخدام تصل إلى 92% مقارنة بـ 78% للمزارع الشمسية المنفصلة، مع تكامل التخزين في الموقع نفسه الذي يسوي 83% من فجوات الإنتاج المرتبطة بالتقطع.
EN