نشر أعضاء فريق قسم الهندسة الصناعية وهندسة النظم بجامعة خليفة، وهم الدكتور أحمد مياس، أستاذ مساعد، وآسيا تشادلي، طالبة ماجستير، والدكتور إيلي عازار، أستاذ مشارك، والدكتور ماهر معلوف، أستاذ مشارك نتائج أبحاثهم في مجلة "إنيرجي" المتخصصة بأبحاث الطاقة، كما تم مؤخرًا استعراض جهودهم في مقال في دورية "بي في" الشهرية التي تلقى إقبالًا واسعًا من مجتمع المهتمين بالألواح الكهروضوئية حول العالم.
وقام الفريق بمقارنة بطاريات الليثيوم أيون وخلايا الوقود القابلة للانعكاس بأغشية تبادل البروتون وخلايا الأكسيد الصلب القابلة للانعكاس مع جميع أنواع أنظمة التخزين الثلاثة المتصلة بنظام كهروضوئي قائم بذاته. وتم اختبار نموذجهم على ما يمكن أن يكون مبنى تجاريًا نموذجيًا يقع في لوس أنجلوس لتحديد نظام تخزين الطاقة الأكثر كفاءة من بين الثلاثة.
وقال الدكتور أحمد مياس في هذا الخصوص: "يمكن تصميم المباني منخفضة الطاقة لتحقيق الاكتفاء الذاتي إذا كانت متصلة بمنظومة طاقة متجددة مناسبة الحجم. ونظرًا لأن توليد الطاقة المتجددة يعد متقطعًا ومعتمدًا على حالة الطقس، فيجب علينا التفكير والتخطيط للحالات التي لا تتوفر فيها الطاقة".
ويشترط لتوليد الكهرباء بشكل مساوٍ تمامًا لاستخدمها أن تكون حالة الشبكة الكهربائية متوازنة دومًا، فعلى الرغم من أن مصادر الطاقة المتجددة المتقطعة مثل الطاقة الشمسية وطاقة الرياح قد تكون أحيانًا غير قادرة على توفير طاقة كافية، فإننا غالبًا ما نشهد توليد كمية كهرباء أكبر مما يمكننا استخدامه. لذا فإن الكهرباء الزائدة عن الحاجة في النظام تؤول إلى التقلص، حيث يتم خفض الناتج بشكل متعمد الأمر الذي يحدّ من قيمة أنظمة الطاقة المتجددة المتأثرة.
ولكي نحقق توازنًا أفضل بين العرض والطلب على الطاقة، تُستخدم أنظمة تخزين الطاقة بصفتها حلولًا ناجعة تساعد على خفض تكاليف الطاقة وتقليل الانبعاثات الكربونية وتحسين مرونة المباني.
وعلق الدكتور مياس قائلًا: "يكمن الدور الرئيسي لنظام تخزين الطاقة في تخزينها عندما يفوق العرض الطلب، وإطلاقها عندما يكون الطلب زائدًا عن العرض".
وتتنوع مواصفات أنظمة تخزين الطاقة وتصنيفاتها وفقاً لآلية تخزينها وتطبيقاتها المحتملة، حيث تكمن أهم الاختلافات بينها في بنيتها وطريقة عملها، حيث تستخدم بعض الأنظمة المكثفات الفائقة في حين يستخدم البعض الآخر بطاريات الليثيوم أيون، وتعتمد أنظمة أخرى على خلايا الوقود أو البكرات، لكن القاسم المشترك بينها جميعًا هو أن فترة حياتها تقاس بالعدد الإجمالي للدورات التي يمكن أن يقدمها النظام.
وقال الدكتور مياس في هذا السياق: "تقدم البطاريات وأنظمة تخزين الطاقة المعتمدة على الهيدروجين معدلات طاقة عالية وكثافة للطاقة ومدة تخزين، وجميع هذه العوامل تجعلها مناسبة لتلبية احتياجات التخزين على المدى المتوسط والبعيد، في حين يقلل تقادم عمر النظام من أدائه ويرفع من تكلفة تخزين الطاقة، حيث تتقادم هذه الأنظمة في العمر بمعدلات متفاوتة، إذ تعاني أنظمة الهيدروجين من مستويات أعلى من انخفاض الأداء على صعيد الخلايا والتكدس".
وقد ركز نموذج فريق جامعة خليفة على التعامل مع مبنى مكتبي متوسط الحجم يتكون من ثلاثة طوابق ويقع في لوس أنجلوس، حيث افترض النموذج أن المبنى يحتاج إلى كهرباء تتراوح بين 18.69 كيلوواط ليلًا، إلى 178.30 كيلوواط نهارًا في شهر أغسطس. واختار الفريق وضع منظومة طاقة شمسية على السطح بسعة قدرها 400 كيلوواط وبكفاءة تبلغ 19 بالمائة.
وبحث نموذج الفريق في التكلفة المستوية لتخزين الطاقة، آخذًا بعين الاعتبار العبء الاقتصادي لأنظمة تخزين الطاقة الثلاثة، حيث وجد الفريق أن رأس المال المقدم لتركيب هذه التقنيات يشكل أكثر من 65% من إجمالي التكلفة المستوية لتخزين الطاقة، ما يجعله العنصر الأهم في هذا النموذج. لذا فإن خفض التكلفة الرأسمالية سيكون له الأثر الأكبر في خفض تكلفة مثل هذه الأنظمة.
وقد اعتمدت التكلفة المستوية لتخزين الطاقة على فترة حياة كل نظام، خاصة وأن هذه الأنظمة اتسمت بمعدلات مختلفة من تقادم العمر، ودورة حياة مختلفة بالنتيجة.
وعلق الدكتور أحمد مياس: "تتأثر التكلفة المستوية لتخزين الطاقة بالتغيرات في التكاليف الرأسمالية ودورة الحياة وغيرها من العوامل. وقد كانت بطاريات الليثيوم أيون الأكثر تأثراً بين أنظمة التخزين الثلاثة، لكنها أتاحت أقل تكلفة مستوية لتخزين الطاقة. وبشكل عام، تعد جميع الأنظمة الثلاثة جذابة اقتصادياً".
وكشف نموذج الفريق أن بطاريات الليثيوم أيون توفر الحل الأكثر نجاعة من الناحية الاقتصادية وأكبر قدر من الكفاءة، بينما تساعد خلايا الوقود في النظامين الآخرين على تحسين موثوقية ومرونة المبنى التجاري الذي يتم تزويده بالطاقة المتجددة على الرغم من التكلفة المرتفعة لتلك الخلايا.
وقال الدكتور مياس: "ستشمل جهودنا القادمة أنظمة تخزين طاقة أخرى ونماذج هجينة، آخذين بعين الاعتبار تقليل رأس المال وتحقيق كفاءة أعلى، حيث سيساعدنا توسيع عملية التحليل لتشمل مقارنة بين مواقع مختلفة على فهم كيف تتغير التكلفة المستوية لتخزين الطاقة بتغير المناخ".