مجلة ثقافية منوعة تصدر كل شهرين
مايو – يونيو | 2020

أبراج لتخزين الطاقة بالجاذبية


أمين‭ ‬نجيب

يشكِّل تخزين الطاقة واحداً من التحديات الكبيرة التي تعيق تقدُّم الجهود الآيلة إلى إيجاد مصادر مستدامة للطاقة، خاصة وأن إنتاج الطاقة من المصادر البديلة محكوم بعدم الاستقرار لاعتماده على سطوع الشمس وهبوب الرياح. ومع ذلك، يبدو أن هنـاك حلولاً بسيطــة جداً تقبع بين ظهرانينــا، لكننــا لم نستثمرها كما يجب: تخزين الطاقة بواسطة الجاذبية.
فهذا ما فعله الإنسان منذ القدم، باستغلال جريان المياه في الأنهار لتشغيل النواعير والطواحين وغيرها. وإذا كانت المياه غير متوفرة اليوم أينما كان وفي كل الأوقات، فهناك بدائل أخرى يمكن استخدامها بموجب مبادئ الفيزياء نفسها. وهذا بالفعل ما تقوم به شركات حديثة عبر ما تسميه “أبراج الطاقة”.

كان الفلاحون القدماء يحفرون قنوات بمحاذاة ضفاف الأنهار نزولاً لتصب على مجذاف دولاب تجعله يدور بطرق مختلفة، إما أن يكون جريان المياه من الجهة السفلية، أو من الأعلى أو على الجوانب. ثم يتم وصل محور الدولاب بحجر الرحى الذي يطحن الحبوب.

استخدام الجاذبية لتوليد الطاقة سهل وغير مكلِّف، وكان سبباً في تطوّر الإنسان وتقدّمه منذ القِدم. ففي الأودية وعند مجاري الأنهار من شرقي المتوسط حتى شمال أوروبا، لا تزال آثار طواحين الماء، التي تعمل بالجاذبية، ماثلة حتى يومنا هذا.
إن المياه قبل تدفُّقها في الأنهار تكون مخزَّنة في جوف الأرض في حالة طاقة كامنة (potential energy) وهي طاقة الجسم في حالة السكون، التي يكتسبها بسبب وقوعه تحت تأثير جاذبية الأرض، وبسبب وضعه نسبةً إلى وضع أجسام أخرى. وإذا وضِع الجسم على منحدر وتمت إثارته بعوامل معينة ليتحرك نزولاً، فإنه يكتسب طاقة حركية (kinetic energy). وبهذا المعنى، فإن الطاقة الكامنة وتحولها إلى طاقة حركية لا تقتصر على المياه فقط، بل على أية كتلة أخرى. ويجب الإشارة هنا إلى أن الجاذبية ليست طاقة بحد ذاتها، بل إنها تولد طاقة.
كان الفلاحون القدماء يحفرون قنوات بمحاذاة ضفاف الأنهار نزولاً لتصب على مجذاف دولاب تجعله يدور بطرق مختلفة، إما أن يكون جريان المياه من الجهة السفلية، أو من الأعلى أو على الجوانب. ثم يتم وصل محور الدولاب بحجر الرحى الذي يطحن الحبوب.

إن أول استخدام موثق للطواحين المائية كان في القرن الأول قبل الميلاد. وانتشرت هذه التقنية بعد ذلك بسرعة كبيرة في جميع أنحاء العالم. فكانت الطواحين التجارية، قيد الاستخدام في بريطانيا منذ العصر الروماني. وبلغ عددها قبل نهاية القرن الحادي عشر ميلادي أكثر من 6000 طاحونة مائية. وبحلول القرن السادس عشر، كانت الطاقة المائية أهم مصدر للقوة الدافعة في بريطانيا وأوروبا. وبحلول القرن التاسع عشر ميلادي وصل عدد الطواحين المائية إلى أكثر من 20 ألفاً.

كان أداء هذه الطواحين محكوماً بفترات وجود الماء في الأنهار، إذ لم يكن معظمها يجري طوال الوقت، واقتصرت أعمالها على فصل الشتاء. ومع الوقت تطورت تقنية الطواحين القديمة مع التكنولوجيا الجديدة إلى محطات كهرومائية تنتج الكهرباء بالطاقة المتجددة من دون أي انبعاثات على الإطلاق.

الطاقة الكهرومائية وتخزينها
لكن قبل اكتشاف الكهرباء، كان أداء هذه الطواحين محكوماً بفترات وجود الماء في الأنهار، إذ لم يكن معظمها يجري طوال الوقت، واقتصرت أعمالها على فصل الشتاء. ومع الوقت تطوَّرت تقنية الطواحين القديمة مع التكنولوجيا الجديدة إلى محطات كهرومائية تنتج الكهرباء بالطاقة المتجدِّدة من دون أي انبعاثات على الإطلاق. وهكذا أصبح بإمكان المرء، بفضل الشبكة الكهربائية الحديثة، الحصول على الكهرباء وقتما يشاء. لكن الشبكة تعمل فقط عندما يتم توليد الكهرباء الكميات نفسها التي يتم استهلاكها بها، ومن شبه المستحيل تحقيق التوازن في كل الأوقات. لذا جعل المشغلون الشبكات أكثر مرونة عن طريق إضافة طرق لتخزين الكهرباء الزائدة، من خلال تحويلها إلى طاقة كامنة.
فعندما يتجاوز توليد الكهرباء الطلب عليها، يتم استخدام الكهرباء الزائدة لضخ المياه إلى سد على ارتفاع أعلى من المحطة، لتصبح على شكل طاقة كامنة يمكن تحويلها، بالنسبة إلى المحطة التي تقع تحتها، إلى طاقة حركية. وعندما يتجاوز الطلب على الكهرباء التوليد في المحطة، تُطلق مياه السد لتجري نزولاً بفضل الجاذبية وتتحوّل إلى طاقة حركية تشغل توربينات المحطة الكهرومائية لإنتاج الكهرباء المطلوبة.

صورة جوية لمحطة جيانيلي للطاقة

حدود استخدام المياه
لكن التخزين المائي يتطلَّب مناطق جغرافية معيَّنة، مع إمكانية توفر الوصول إلى المياه وإلى مواقع جغرافية على ارتفاعات معيَّنة. ولهذا السبب لم تنتشر هذه التقنية إلا في عشر دول فقط وبشكل محدود.
فعلى سبيل المثال، فإن أكبر نظام ضخ كهرومائي في العالم، وهو في محطة جيانيلي الكهرومائية في كاليفورنيا، يستخدم المياه المخزنة في خزان يبلغ طوله حوالي 9 أميال وعرضه 5 أميال، ويقع على ارتفاع حوالي 92 متراً فوق محطة الطاقة الكهرومائية. وحتى مع هذا الحجم الضخم، لا يمكن لهذه المحطة توفير أكثر من %5 من استهلاك الكهرباء في كاليفورنيا لمدة تقل عن أسبوعين قبل الجفاف. وبالنظر إلى حالات الجفاف الحالية الطويلة الأجل في كاليفورنيا، فإنها لا تستطيع القيام بذلك؛ لأنه لن تكون هناك مياه متاحة لإعادة ملئها.
والمشكلة نفسها تنطبق على أشكال الطاقة المتجدِّدة الأخرى. فالرياح لا تهب بقوة كافية طوال الوقت لتشغيل العنفات في مزارع الرياح، وهناك أيام لا يصل فيها ضوء الشمس إلى سطح الأرض في موقع جغرافي معيَّن بكثافة كافية في محطات الطاقة الكهروضوئية. لكن في أوقات أخرى تهب الرياح بقوة غير معهودة، أو تسطع الشمس لمدة أطول من المعتاد. فتصبح في هذه الحالة مطابَقَة الطلب على الطاقة مع العرض تحدياً كبيراً.

يعمل النظام على برنامج، يقوم على الحوسبة السحابية، ويشغل الرافعة ذات الستة أذرع ميكانيكياً. ويدير توزيع الطاقة إما لتخزينها من الأصول الشمسية وطاقة الرياح، أو تفريغها إلى شبكة المستهلكين عند الحاجة

كتل خرسانية بديلاً عن المياه
إن المبادئ نفسها التي على أساسها تم استعمال المياه لتخزين الكهرباء على شكل طاقة كامنة، يمكن تطبيقها على أي شيء آخر ذات كتلة: فعندما نرفع أي شيء ضد الجاذبية، فإننا نخزِّن الطاقة فيه. وعندما ندعه يسقط لاحقاً، يمكننا استرداد هذه الطاقة. فمثلاً إذا رفعنا حجراً بيدنا إلى الأعلى فإنه يكتسب طاقة كامنة نتيجة الطاقة التي بذلناها لرفعه؛ وعندما ندعه يسقط يولِّد طاقة حركية يمكن استخدامها.
ونظراً لأن هناك مواد كثيرة كثافتها أكبر من كثافة الماء، فإن رفع كتلة من الخرسانة مثلاً، يتطلب طاقة أكبر بكثير من رفع كمية من الماء متساوية الحجم. وبالتالي، يمكنه تخزين طاقة أكثر بكثير مما تخزنه المياه. إذاً هناك بدائل عديدة للمياه يمكنها تخزين الطاقة بشكل أفضل بكثير.
على هذا الأساس البسيط يعمل نظام أبراج الطاقة: بدلاً من استخدام المياه والسدود، تُستَخدم كتل خرسانية ورافعات.
وبحسب تصميم وضعته شركة “إنيرجي فولت” السويسرية الأمريكية، ومقرها في جنيف وكاليفورنيا، يتكوَّن كل برج من 35 طابقاً، وفيه سلسلة من أسطوانات خرسانية ضخمة تزن كل واحدة 35 طناً، يتم رفعها إلى الأعلى عندما يكون الطلب على الطاقة منخفضاً، ثم يسقطها مرة أخرى إلى الأرض ويحصد الطاقة الحركية الناتجة عن سقوطها باستخدام مولد، عندما يكون الطلب على الطاقة مرتفعاً.

وقد تعاون كلٌّ من المخترع السويسري أندريا بيدريتي، ورجل الأعمال الأمريكي بيل غروس لتحقيق نموذج لهذا المشروع. ونظراً لوضوح الفكرة وسهولة تنفيذها، استغرق الأمر برمته، من الفكرة إلى الوحدة التشغيلية، حوالي تسعة أشهر وأقل من مليوني دولار لإنجازه. وتقول صحيفة “وول ستريت جورنال” تعليقاً على هذا الإنجاز: يمكن لـ 20 رافعة فقط توفير الطاقة الكافية لـ 40,000 أسرة على مدار 24 ساعة”.

هناك مواد كثيرة كثافتها أكبر من كثافة الماء، فإن رفع كتلة من الخرسانة مثلاً، يتطلب طاقة أكبر بكثير من رفع كمية من الماء متساوية الحجم. وبالتالي، يمكنه تخزين طاقة أكثر بكثير مما تخزنه المياه. إذاً هناك بدائل عديدة للمياه يمكنها تخزين الطاقة بشكل أفضل بكثير.

كيف يعمل؟
يتم إنشاء النظام بالقرب من محطة طاقة كهروضوئية تعمل بالألواح الشمسية، أو بالقرب من مزارع الرياح التي تستغل طاقة الرياح وتحولها إلى كهرباء. ويعمل النظام، كما أشرنا سابقاً، في حالات اختلال العرض والطلب على الطاقة الكهربائية.
يقوم البرج الواحد على رافعة ارتفاعها 120 متراً ولديها ستة أذرع. وفي حالة الطاقة الفائضة، يتم تكديس كل من الأسطوانات الخرسانية التي يبلغ وزنها 35 طناً مترياً حول الرافعة الموجودة أسفل أذرع الرافعة.
يعمل النظام على برنامج، يقوم على الحوسبة السحابية، ويشغل الرافعة ذات الستة أذرع ميكانيكياً. ويدير توزيع الطاقة إما لتخزينها من الأصول الشمسية وطاقة الرياح، أو تفريغها إلى شبكة المستهلكين عند الحاجة. وعندما تكون هناك طاقة شمسية وطاقة رياح زائدة، تقوم خوارزمية البرنامج بتوجيه ذراع رافعة واحدة أو أكثر لتحديد موقع كتلة خرسانية، بمساعدة كاميرا متصلة بعربة ذراع الرافعة. وبمجرد أن يحدد ذراع الرافعة موقع البلوك الخرساني ويربطه، يبدأ المحرك بالعمل، مدعوماً بالكهرباء الزائدة على الشبكة، ويرفع الكتلة عن الأرض.
أما إذا تسبَّبت الرياح في تحريك الكتلة مثل البندول، فإن عربة الرافعة مبرمجة لمواجهة هذه الحركة العشوائية. ونتيجة لذلك، يمكن أن يرفع الكتلة بسلاسة، ثم يضعها فوق مجموعة كتل أخرى. ويصبح النظام “مشحوناً بالكامل” عندما تكون الرافعة قد أنشأت برجاً من الكتل الخرسانية المحيطة به حتى ارتفاع 120 متراً. وعندما ينخفض إنتاج الشبكة، نتيجة انخفاض هبوب الرياح أو سطوع الشمس، يتم تشغيل محركات أخرى في الاتجاه المعاكس بواسطة طاقة الجاذبية بسبب سقوط الكتل الخرسانية من أعلى إلى أسفل وما تولده من طاقة حركية، وبالتالي تولد الكهرباء. وتبلغ الطاقة الإجمالية التي يمكن تخزينها في البرج حوالي 20 ميجاوات/ساعة، وهو ما يكفي لتشغيل 2000 منزل سويسري ليوم كامل.

بالمقارنة مع تقنية البطاريات، فإن نظام أبراج الطاقة أرخص بنسبة %50 تقريباً، ولا سيما بطاريات الليثيوم أيون، التي من المعروف أن معدَّل تكلفتها هو بين 0.25 و0.35 دولار/ كيلووات في الساعة. وأحد أسباب ذلك هو التكلفة المرتفعة لمواد البطارية خاصة الليثيوم، وهي أعلى بكثير من تكلفة الخرسانة المستعملة في أبراج الطاقة.

التكلفة الاقتصادية المقارنة
هناك شكلان رئيسان لتخزين الطاقة، يُعمل بهما حتى اليوم بالإضافة إلى أشكال أخرى غير شائعة. النوع الأول هو البطاريات التي تخزن الطاقة الكيميائية القابلة للتحويل بسهولة إلى كهرباء. والنوع الثاني هو السدود الكهرومائية، كما أسلفنا سابقاً.
إن أنظمة تخزين الطاقة هذه، هي مكلفة للغاية حتى الآن. فإذا أخذنا على سبيل المثال تقنية تيسلا للبطاريات 100 إلى 129 ميجاوات في أستراليا، وهي من أهم أنظمة البطاريات في العالم، نرى أن تكلفتها هي حوالي 66 مليون دولار. ومحطات تخزين الطاقة الكهرومائية، تتطلَّب سدوداً اصطناعية لإنتاج الطاقة الاحتياطية، وتكلف مليارات الدولارات لبنائها.
ويصل معدّل تكلفة الطاقة التي تنتجها محطات الطاقة الكهرومائية، بما فيها النفقات الرأسمالية الأولية، وتكلفة التشغيل، والصيانة واستبدال القطع، وتبخر الماء، إلى 0.17 دولار/ كيلووات ساعة. أما المعدل نفسه في أبراج الطاقة فهو أقل من 0.05 دولار/كيلووات ساعة؛ وذلك لأن النفقات الأولية هي أرخص بكثير، وتكلفة العوامل الأخرى هي إما غير موجودة أو أقل بكثير في أبراج الطاقة. كما أن دورة إنتاج محطات الطاقة الكهرومائية عندما تعمل بأعلى درجات الكفاءة، تتوصل إلى نجاعة %70، بينما تتمتع دورة نظام أبراج الطاقة بنجاعة تتراوح بين %88 و%92، مما يسمح بقدرة تخزين طاقة أكبر وتكلفة أقل.

استلهاماً من الطاقة الكهرومائية، طوَّرت شركة الطاقة المبتدئة في سويسرا Energy Vault نوعاً جديداً من طريقة التخزين

وبالمقارنة مع تقنية البطاريات، فإن نظام أبراج الطاقة أرخص بنسبة %50 تقريباً، ولا سيما بطاريات الليثيوم أيون، التي من المعروف أن معدَّل تكلفتها هو بين 0.25 و0.35 دولار/ كيلووات في الساعة. وأحد أسباب ذلك هو التكلفة المرتفعة لمواد البطارية خاصة الليثيوم، وهي أعلى بكثير من تكلفة الخرسانة المستعملة في أبراج الطاقة. كما أن العمر الأقصى لبطاريات الليثيوم أيون، على سبيل المثال، هو 20 سنة أو نحو ذلك. وتفقد قدرتها على تخزين الطاقة مع مرور الوقت. ولا توجد حتى الآن طرق موثوقة لإعادة تدوير بطاريات الليثيوم أيون.
في المقابل، يمكن أن يعمل نظام أبراج الطاقة لمدة 30 عاماً، مع القليل من الصيانة ومن دون أن تتلاشى طاقته تقريباً. ويستطيع تخفيض التكاليف لأنه يستخدم الأجهزة التجارية الجاهزة، ويستطيع أيضاً، وهذا مهم جداً، تدوير معظم المواد الأولية التي يستعملها من دون أن يترك أية نفايات.
والمثير للدهشة أن الكتل الخرسانية يمكن أن تكون أغلى جزء من برج الطاقة. مما دفع الباحثين إلى تطوير آلة يمكنها مزج المواد الناشئة عن المشروعات الإنشائية التي يتم، في كثير من الأحيان، التخلص منها، مثل الحصى أو نفايات البناء، إلى جانب الأسمنت، لإنشاء كتل خرسانية منخفضة التكلفة.

تسويق النظام
أول عميل لدى شركة إنيرجي فولت كانت الشركة الكهربائية الهندية “تاتا”. وقد بنت بالفعل نموذجاً أولياً صغيراً، يبلغ ارتفاعه 22 متراً بالقرب من مقر الشركة.
ويقول روبرت بيكوني، مدير شركة إنيرجي فولت: “نحن نعمل على عديد من المشاريع الكبيرة في جميع القارات على مستوى العالـم مع أكثر من 150 عميلاً. وتشمل قطاعات العملاء هذه مطوري الطاقة، والمرافق العامة، ومشروعات الشركات الخاصة، والمؤسسات الحكومية”.


مقالات ذات صلة

يُعدُّ مشروع الجينوم السعودي واحداً من المشروعات الضخمة التي من شأنها أن تحدث نقلة نوعية متميزة تضع المملكة في مصاف الدول المتقدِّمة في أكثر البحوث العلمية تطوراً. وقد انطلق هذا المشروع الذي يُعدُّ واحداً من أفضل عشرة مشروعات في علم الجينوم حالياً عام 2013م، ودشَّن مختبره المركزي صاحب السمو الملكي الأمير محمد ابن سلمان في […]

هاجس الخوف من انقراض الأنواع قديم جداً. فالبشر يسعون إلى حفظ التنوّع البيولوجي للأنواع والنُّظُم البيئية التي يعتمدون عليها في الحصول على الغذاء والأكسجين. وبعدما كان حفظ البذور منذ آلاف السنين حُلماً، حَوّلت حضارتنا الحاليّة الحُلم إلى حقيقة. فاليومَ، توجد بنوك للبذور هدفها الحفاظ على التنوّع البيولوجي الجيني لضمان الأمن الغذائي للأجيال المقبلة. وتخزن هذه […]

تُعدُّ إزالة الأعشاب الضارة التي تنمو بين المزروعات والمحاصيل من أكبر التحديات التي واجهت وتواجه المزارعين منذ فجر عصر الزراعة. واعتبرت إزالتها عملاً مضنياً على مر العصور، إذ كانت تُقتلع بواسطة الأيدي حتى وقت قريب. أما في الوقت الحالي فتتم مكافحتها بالمبيدات الكيميائية التي تؤثر بشكل سلبي جداً على البيئة والصحة. لكن الذكاء الاصطناعي يعدنا […]


0 تعليقات على “أبراج لتخزين الطاقة بالجاذبية”


اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني. الحقول الإلزامية مشار إليها بـ *