لماذا قد تكون البطاريات الحرارية الخيار الأفضل لتكامل الطاقة الشمسية والتدفئة؟

في الوقت الذي يتسارع فيه التحول نحو نظم الطاقة منخفضة الكربون، تزداد الحاجة إلى حلول تخزين طاقة فعّالة واقتصادية في المباني، خاصة تلك التي تعتمد على الطاقة الشمسية. من أبرز التحديات التي تواجه هذا التحول، الارتفاع النسبي لتكلفة تخزين الكهرباء باستخدام بطاريات الليثيوم-أيون  (Li-ion)، وهو ما يحد من سعة التخزين الممكنة، وبالتالي يقلل من معدلات استهلاك الطاقة الشمسية ذاتيًا (Self-consumption)  في هذا السياق، تقدم البطاريات الحرارية القادرة على توليد الكهرباء، مثل أنظمة “التحويل من الكهرباء إلى حرارة ثم إلى كهرباء ” (Power-to-Heat-to-Power Storage – PHPS)، حلًا واعدًا يجمع بين الجدوى الاقتصادية والاستخدام المتكامل للطاقة.

 من التخزين الكهربائي إلى التخزين الحراري: تغيّر في المعادلة الاقتصادية

تركز الدراسة الحديثة التي أجراها فريق بحثي أوروبي (نُشرت في مجلة Energy Conversion and Management)  على تحليل الجدوى الاقتصادية لتكامل البطاريات الحرارية PHPS مع بطاريات Li-ion ومضخات الحرارة (Heat Pumps) في مبنى سكني كهربي بالكامل في مدريد. وقد أظهرت النتائج أن الحل الهجين بين PHPS وLi-ion يحقق أدنى تكلفة مستوية للطاقة  (LCOE)، بغض النظر عن كفاءة مضخة الحرارة (Coefficient of Performance – COP) ، يُعزى ذلك إلى أن بطاريات  PHPS، رغم انخفاض كفاءتها التحويلية الكلية  (<50%)، إلا أنها تتمتع بتكلفة تخزين منخفضة جدًا مقارنةً بـ Li-ion، مما يجعلها مثالية لتخزين الطاقة لمدد طويلة وتغطية الأحمال الأساسية  (Base Load)، بينما تُستخدم بطاريات Li-ion لتغطية الأحمال القصوى (Peak Load) على المدى القصير بكفاءة عالية.

القيمة المضافة للبطاريات الحرارية: حرارة مهدورة تصبح موردًا قيّمًا

ما يجعل أنظمة PHPS أكثر تميزًا هو قدرتها على إنتاج حرارة مهدورة أثناء عملية التحويل من حرارة إلى كهرباء، ويمكن استغلال هذه الحرارة لتغطية احتياجات التدفئة في المبنى، مما يعزز من الكفاءة الكلية للنظام ويقلل الاعتماد على مصادر خارجية للتدفئة. وعند دمج PHPS مع مضخات حرارة عالية الكفاءة، ترتفع نسبة استهلاك الطاقة الذاتية من الطاقة الشمسية بنسبة تصل إلى 20%، في حين تنخفض تكلفة الطاقة المستهلكة بنسبة 7% مقارنة بنظام يعتمد فقط على بطاريات  Li-ion

 سيناريوهات التصميم الأمثل: التوازن بين الكفاءة والتكلفة

قامت الدراسة بتطوير نموذج اقتصادي-تقني لتحسين حجم المكونات الأساسية للنظام: سعة  PV، وسعة الطاقة والقدرة لكل من PHPS وLi-ion، وسعة مضخة الحرارة). وقد أظهرت التحليلات أن إدماج PHPS يصبح مجديًا اقتصاديًا عندما تكون تكلفة الوحدة الحرارية منخفضة (حوالي عشرات اليوروهات لكل ك.و.س)، حتى عند استخدام مضخة حرارة ذات كفاءة معتدلة. أما بطاريات  Li-ion، فعلى الرغم من كفاءتها العالية، إلا أن كلفتها الرأسمالية المرتفعة تجعلها أقل تنافسية بمفردها، خصوصًا في التطبيقات التي تتطلب تخزينًا طويل الأمد.

آفاق الابتكار: من الأنظمة الديناميكية إلى الخلايا الحرارية الضوئية

تشمل تقنيات PHPS حاليًا أنظمة حرارية تستخدم دورات ديناميكية تقليدية مثل برايتون وستيرلينغ ورانكين، والتي يمكن أن تصل كفاءتها إلى 40%. كما يجري تطوير حلول مبتكرة باستخدام الخلايا الحرارية الضوئية (Thermophotovoltaics – TPV)، التي تصل كفاءتها إلى 44% في بعض التجارب، مما يفتح الباب أمام مزيد من التحسينات في الأداء والكفاءة.

الخلاصة: تكامل تكاملي … لا تنافسي

تؤكد الدراسة أن البطاريات الحرارية لا تُعد بديلاً مباشرًا لبطاريات الليثيوم، بل شريكًا تكامليًا يثري النظام الطاقي ويزيد من مرونته واستقراره. ويسهم هذا التكامل في تقليل الضغط على الشبكة الكهربائية، وتوفير حلول فعّالة للمباني الكهربية بالكامل في مختلف البيئات، خصوصًا مع تصاعد الحاجة لتقنيات تخزين مرنة في ظل توسع مشاريع الطاقة الشمسية اللامركزية.

إن توظيف هذه النماذج الهجينة من التخزين قد يكون مفتاحًا حقيقيًا لتقليل الكلفة وتسريع الوصول إلى الحياد الكربوني في قطاع المباني، شريطة أن تتواكب معها استثمارات في البحث والتطوير وتكييف السياسات والدعم المالي لتحفيز اعتمادها على نطاق واسع.

📚  المصدر:

Ferrari, L., Violidakis, I., Sala, G., et al. (2024). Techno-economic viability of hybridizing lithium-ion and thermal batteries in fully electrified buildings. Energy Conversion and Management, Volume 299, 118832. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0306261925004970