يمكن خزن الطاقة الكهربائية في البطارية

استرجع معلوماتك الدراسية في الثانوية العامة ستجد أننا درسنا الطاقة وكانت تعرف بالقدرة اللازمة حتى نتمكن من القيام بأي عمل، وان للطاقة مجموعة أشكال مختلفة ومتنوعة تم وضع تصنيف لهم إلى مجموعتين رئيسيتين وهما الطاقة الحركية أو الطاقة الكامنة [1].

لكي تتمكن من فهم الفرق بين الاثنين، في الأغلب المرات التي كان معلمي مادة العلوم يشرحوا هذا الفرق كانوا يستخدمون مثل الصخرة. الصخرة التي تطير وتتدحرج أسفل التل تمتلك طاقة حركية وهي السبب في قدرتها علي استمرار انتقالها طوال ما لم تصادم بشيء يوقفها و الطاقة الحركية هي الطاقة المبذولة للحركة.

الصخرة مثلا إذا كان موضوعها أعلى على حافة تل انحداره شديد فهي لديها القدرة على التدحرج، اصبح بإمكاننا أن نعتبر الطاقة الكامنة محفوظة في الصخر.

تم إدراج الطاقة الكهربائية أو الكهرباء في فئة الطاقة الحركية فما سبب ذلك ؟ يعود ذلك إلى أن كل الطاقة الكهربائية في حالة حركة.

بالرغم من ذلك مُتاح فرصة تحويل الطاقة الكهربائية إلى مجموعة أشكال أخرى من الطاقة تستطيع تخزينها، فعلي الرغم من أن الماء خلف السد ليس صخرة فهو يقوم بتخزين طاقة الجاذبية المحتملة.

وهنا نسأل هل يمكن أن تخزن الطاقة الكهربائية في بطارية؟

فالإجابة هي لا ليس بمقدورك أن تخزن الكهرباء نفسها، ولكن متاح فرصة تحويلها إلى أشكال ثانية من الطاقة يمكن تخزينها، وفيما بعد يمكنك تحويل هذه الطاقة مرة ثانية إلى كهرباء حتى يتمكن المستهلك من استخدامها.

يتواجد فرصة تخزين الطاقة الكهربائية أمامنا بمجموعة طرق كثيرة، ومنها دولاب الموازنة أو الطاقة الميكانيكية والمياه المرتفعة أو الوزن تعني طاقة الجاذبية والهواء المضغوط الممثل للطاقة الكامنة والمكثفات في الشحنة الكهربائية، أو البطاريات وهي الطاقة الكيميائية وهذا النوع هو الأكثر شيوع وانتشار.

ماذَا تعني البطارية

البطارية ما هي إلا عبارة عن جهاز تخزين يقوم بتخزين الطاقة الكيميائية وفي وقت آخر يقوم بتحويلها إلى طاقة كهربائية عند الحاجة، كل بطارية تتضمن على خلية كهروكيميائية واحدة أو أكثر.

تحدث مجموعة تفاعلات كيميائية داخل تلك الخلايا ونتج عن ذلك تدفق مجموعة الإلكترونات داخل الدائرة وفر تدفق الإلكترونات تلك التيار الكهربائي المُراد لكي نتمكن من القيام بهذا العمل.

يمكننا أن نعتبر البطارية أنها مضخة إلكترون كل بطارية بها جانبين، جانب إيجابي يطلق عليه الكاثود وجانب آخر سلبي يطلق عليه الأنود، ونوع من الإلكتروليت لكي يحدث تفاعل معها بشكل كيميائي، تلك العملية منتشرة في كل البطاريات ويتواجد نوعين من البطاريات فهل طريقة تخزينها للطاقة مختلفة وهم:

بطاريات الرصاص الحمضية

أقدم أنواع البطاريات القابلة للشحن الذي عرفها التاريخ فهي متواجدة من 170 عام تقريبا، قام العلماء بتطويرها في منتصف القرن التاسع عشر.

استخدام هذه البطاريات تتمثل في كونها تقنية قديمة تخزن الطاقة حتى يتم تحويلها إلى كهرباء، كل بطارية بها حمض الرصاص جهدها 12 فولت مقسمة ست خلايا، وكل خلية خليط من حمض الكبريتيك والماء، وهناك طرف سالب وطرف موجب في حالة توليد الكهرباء تفرغ الطاقة

التفاعل الكيميائي يقوم بتكسير حمض الكبريتيك في الماء المخزن داخل الخلية بهدف تخفيف تركيز الحمض.

‏Pb (s) + H SO − 4 (aq) → PbSO4 (s) + H + (aq) + 2e−

معادلة اللوح السالب التي تطلق الإلكترونات. HSO-4 هو الحمض المستهلك.

بطاريات ليثيوم أيون

الكاثود والأنود قادران على تخزين أيونات الليثيوم وتخزين الطاقة وإطلاقها يتم عندما تنتقل أيونات الليثيوم من القطب السالب إلى القطب الموجب من خلال الإلكتروليت.

عكس جميع بطاريات الرصاص الحمضية التي تستخدم نفس التفاعل الكيميائي ، أنواع بطاريات الليثيوم الشائعة هي:

1. أكسيد الكوبالت الليثيوم (Li CO2) يطلق عليه LCO . يُستخدم في الهواتف وأجهزة الكمبيوتر.
2. أكسيد المنغنيز الليثيوم (LiMn2O4) معروف ب LMO ويستخدم في الأدوات الكهربائية.
3. أكسيد الكوبالت والمنغنيز والنيكل الليثيوم (LiNiMnCoO2) معروف بNMC . تستخدم في سيارات تسلا الكهربائية.
4. أكسيد الألومنيوم والنيكل والكوبالت (LiNiCoAlO2) يعرف ب NCA . مستخدمة في سيارات تسلا الكهربائية.
5. تيتانات الليثيوم (Li2TiO3) معروفة ب LTO . مستخدمة في الأدوات الكهربائية والتطبيقات المتخصصة.
6. فوسفات الحديد الليثيوم (LiFePO4) معروفة باسم بطاريات LFP أو Life Po. و هي الكيمياء التي تستخدم في بطاريات Battle Born.

تكنولوجيا تخزين الطاقة

عمل شبكة الطاقة الكهربائية قائم على أساس توازن متميز بالدقة بين العرض والطلب أي كمية التوليد واستخدام المستهلك، تتمثل واحدة من طرق المساعدة المستخدمة في موازنة التقلبات داخل العرض والطلب على الكهرباء في تخزين الكهرباء.

تتم في فترات الإنتاج الذي يكون معدلة مرتفع والطلب منخفض، ثم يحدث إعادة إطلاق إلى شبكة الطاقة الكهربائية عبر فترتين وهم انخفاض الإنتاج أو ارتفاع الطلب.

للتخزين فوائد عديدة منها اقتصادية وموثوقية وبيئية، معتمدة على مدى انتشاره وتوسعه ربما يقدم تخزين الكهرباء مساعدة لشبكة المرافق ويعينها في العمل بشكل أكثر كفاءة، والحد من احتمالات حدوث انقطاع في الطاقة خلال أعلى نسب للطلب ، ويتيح فرصة بناء واستخدام المزيد من الموارد المتجددة.

أجهزة تخزين الطاقة الكهربائية

أجهزة ضخ الطاقة الكهرومائية

حيث أن الكهرباء تستخدم لكي تضخ الماء إلى الخزانات وعندما يُطلق الماء من الخزان يتدفق خلال التوربينات ويحدث توليد للكهرباء [2].

يون هواء مضغوط حيث تُستخدم الكهرباء لكي تضخ الهواء إلى ما يصل ل 1000 رطل لكل بوصة مربعة تخزينية ، في حالة طلب الكهرباء بشكل متزايد ونسب عالية في الكهوف المتواجدة تحت الأرض يتم إطلاق الهواء المضغوط حتى يتم توليد الكهرباء عبر مولد التوربينات التوسعية.

أجهزة تخزين الطاقة الحرارية

فمثلا بإمكاننا أن نستخدم الكهرباء لكي ننتج الماء المثلج أو الثلج نفسه في الأوقات التي يكون الطلب فيها منخفض ونستخدمها في وقت ثاني في عمليات التبريد أثناء فترات نسبة استهلاك الكهرباء فيها يكون عالي جدا.

الحذافات

تُستخدم الكهرباء الإسراع دولاب الموازنة وهو أحد أنواع الدورات يحافظ على الطاقة على أنها طاقة دورانية حركية، وفي الوقت الذي يكون هناك فيه حاجة إلى الطاقة نستخدم قوة دوران دولاب الموازنة حتى نتمكن من تشغيل المولد.

تستخدم بعض الحذافات كحامل مغناطيسية حيث تعمل في الفراغ حتى تقلل السحب، وبإمكانها أن تحقق سرعات دوران تصل كحد أقصى إلى ألف دورة في الدقيقة.

بطاريات

البطاريات الشائعة والمنتشرة القابلة لإعادة الشحن، البطاريات ذَات السعة الكبيرة جدًا يمكنها تخزين الكهرباء إلى أن نحتاجها متاح استخدام هذه الأنظمة أيون الليثيوم، وحمض الرصاص، بالإضافة إلى حديد الليثيوم أو تقنيات البطاريات الأخرى.

بجانب تلك التقنيات تُوجد تقنيات حديثة قيد التطوير بطاريات التدفق والمكثفات الفائقة وتخزين الطاقة المغناطيسية فائقة التوصيل.