بطاريات الليثيوم-أيون في الأنظمة الشمسية خارج الشبكة
من التفوق التقني إلى شروط النجاح التشغيلي
مقدمة
في ظل السعي العالمي لتوسيع الوصول إلى الكهرباء وخفض الاعتماد على الوقود الأحفوري، تبرز الأنظمة الشمسية خارج الشبكة (Off-Grid & Mini-Grids) كحل عملي ومرن، لا سيما في المناطق النائية والدول ذات البنية التحتية الهشة. غير أن نجاح هذه الأنظمة لا يعتمد على توليد الطاقة الشمسية وحده، بل يرتكز بصورة حاسمة على اختيار منظومة تخزين الطاقة المناسبة تصميمًا وتشغيلًا. في هذا السياق، يشكّل تقرير IEA‑PVPS Task 18 (2025) مرجعًا تقنيًا وتشغيليًا بالغ الأهمية، إذ يتجاوز المقارنات النظرية ليقدّم تصنيفًا معياريًا للأنظمة، ومحاكاة تشغيلية، ودراسات حالة واقعية توضّح متى تكون بطاريات الليثيوم-أيون الخيار الأمثل، ومتى تتحوّل التحديات التشغيلية إلى عامل حاسم في القرار.
لماذا لم يعد التخزين خيارًا ثانويًا؟
تعاني الطاقة الشمسية من تذبذب الإنتاج وعدم التوافق الزمني مع الأحمال. وفي الأنظمة خارج الشبكة لا توجد شبكة مركزية لامتصاص هذا التذبذب، ما يجعل التخزين عنصرًا محوريًا لضمان:
- استمرارية التغذية الكهربائية،
- تثبيت الجهد والتردد،
- تقليل الاعتماد على مولدات الديزل،
- خفض التكلفة الكلية للطاقة على مدى عمر النظام. من هنا، لم تعد البطارية مكمّلًا، بل أصبحت عنصر تحكّم وتشغيل أساسي.
تصنيف الأنظمة خارج الشبكة: مفتاح الاختيار الصحيح
أحد أبرز إسهامات التقرير هو تصنيف الأنظمة إلى أربع فئات وفق الإجهاد التشغيلي على البطارية لا الحجم فقط:
- Class 1 أنظمة صغيرة جدًا (إنارة/أحمال منفردة) بدورات قليلة.
- Class 2 أنظمة منزلية صغيرة (SHS) بدورات يومية منتظمة.
- Class 3 أنظمة هجينة متوسطة (قرى/مرافق خدمية).
- Class4 أنظمة كبيرة أو صناعية بدورات مرتفعة واستجابة سريعة. يوضح هذا التصنيف أن إخفاق مشاريع كثيرة لا يعود إلى حسابات طاقية خاطئة، بل إلى تجاهل نمط التشغيل الفعلي للبطارية.
لماذا تتفوق بطاريات الليثيوم-أيون تقنيًا؟
تُظهر النتائج أن بطاريات الليثيوم-أيون، ولا سيما LFP) فوسفات حديد الليثيوم(، تمتلك مزايا تجعلها ملائمة لمعظم الأنظمة المتوسطة والكبيرة:
- عمق تفريغ مرتفع (80–90%) دون تدهور حاد،
- كفاءة شحن/تفريغ عالية مقارنة ببطاريات الرصاص،
- تحمّل ممتاز للدورات اليومية،
- عمر تشغيلي أطول عند التصميم الصحيح. في المقابل، تعاني بطاريات الرصاص من تقادم متسارع في التشغيل الجزئي المتكرر (Partial Cycling)، خاصة عندما تبقى لفترات طويلة عند حالة شحن منخفضة.
التقادم: ليس رقمًا نظريًا بل نتيجة تشغيلية
يفرّق التقرير بين نوعين من التقادم في الليثيوم-أيون:
- تقادم تقويمي مرتبط بالزمن ودرجة الحرارة ويتسارع في البيئات الحارة.
- تقادم دوري مرتبط بعدد الدورات، وعمق التفريغ، ومعدلات الشحن. وتبرز هنا أهمية حالة الشحن (SOC) كعامل تقادم بحد ذاته؛ إذ إن التخزين الطويل عند SOC مرتفع جدًا أو منخفض جدًا يسرّع التدهور، بينما يُعد نطاق 30–50% الأنسب خلال فترات الخمول.
المناخ البارد: التحدي الصامت
في المناخات المعتدلة والباردة، تظهر قيود تشغيلية مهمّة:
- معظم تقنيات الليثيوم-أيون لا تُشحن بتيارات عالية تحت °C0
- الشحن السريع في هذه الظروف قد يؤدي إلى ترسّب الليثيوم المعدني (Lithium Plating)، وهو تلف دائم.
في المقابل، يمكن لبطاريات الرصاص الشحن عند درجات منخفضة بشرط عدم انخفاض SOC إلى مستويات قد تؤدي إلى تجمّد الإلكتروليت. لذا تصبح إدارة الحرارة ومنطق الشحن عنصرين تصميميين أساسيين.
Energy-Type أم Power-Type؟
يصنّف التقرير بطاريات الليثيوم-أيون إلى نوعين رئيسيين، وذلك وفق طبيعة التيارات المطلوبة ونمط التشغيل في النظام.
أولًا: بطاريات Energy-Type: تعمل هذه البطاريات عند تيارات أقل من 1C، وتُستخدم أساسًا لتخزين الطاقة وتحويلها زمنيًا بين فترات التوليد والاستهلاك. وتُعد الخيار الأنسب لمعظم الأنظمة المصنّفة ضمن الفئة الثانية (Class 2) والفئة الثالثة (Class 3)، حيث يكون التركيز على الاستقرار الطاقي وليس الاستجابة السريعة.
ثانيًا: بطاريات Power-Type: تتميز بقدرتها على العمل عند تيارات أعلى من 1C، ما يجعلها ملائمة للتطبيقات التي تتطلب استجابة فورية، مثل دعم التردد، تغطية أحمال الذروة، والتعامل مع تغيرات الحمل السريعة.
وتُستخدم هذه البطاريات غالبًا في الأنظمة الكبيرة أو الصناعية المصنّفة ضمن الفئة الرابعة (Class 4)
ملاحظة تصميمية مهمة إن الخلط بين بطاريات Energy-Type وPower-Type في مرحلة التصميم قد يؤدي إما إلى زيادة غير مبرّرة في التكلفة الاستثمارية، أو إلى فشل تشغيلي مبكر نتيجة عدم توافق البطارية مع متطلبات التشغيل الفعلية للنظام.
من الدراسة إلى الواقع: ماذا تقول الأرقام؟
اعتمد التقرير على محاكاة تفصيلية باستخدام HOMER Pro لمواقع فعلية، وخلص إلى أن:
- الأنظمة الصغيرة جدًا (<50 kWh/day) : لا تزال بطاريات الرصاص خيارًا اقتصاديًا مقبولًا.
- الأنظمة المتوسطة والكبيرة: تصبح بطاريات الليثيوم-أيون الأقل تكلفة على مستوى LCOE، بفضل عدد دورات أعلى، واستبدال أقل، واستقرار تشغيلي أطول.
مراجعة تقنية: البنية والكيميائيات ودلالاتها التطبيقية
على الرغم من التطور الكبير في المواد والتصاميم، لم يتغير المبدأ الأساسي لبطاريات الليثيوم-أيون منذ طرحها التجاري عام 1991. تتكوّن الخلية من كاثود وأنود يفصل بينهما فاصل مسامي، مع إلكتروليت ناقل لأيونات الليثيوم.
تُعد كيمياء الكاثود العامل الأكثر تأثيرًا على خصائص البطارية:
- الأكاسيد الطبقية (LCO, NMC) كثافة طاقة مرتفعة، تكلفة وحساسية أمنيّة أعلى.
- السبينل (LMO) شحن بتيارات عالية، عمر دوري أقل.
- الفوسفات (LFP) استقرار حراري وعمر أطول، مفضّلة للتطبيقات الثابتة خارج الشبكة.
أما الأنود، فيظل الغرافيت السائد اقتصاديًا، مع مخاطر ترسّب الليثيوم عند الشحن غير المنضبط، وهو ما تعالجه طبقة SEI وتبرز LTO كخيار واعد للتطبيقات الثابتة واسعة النطاق بفضل أمان عالٍ وعدد دورات كبير، وإن كان ذلك على حساب الجهد والكثافة الطاقية.
الآفاق المستقبلية وتقنيات التخزين البديلة
بلغت بطاريات الليثيوم-أيون حدودًا فيزيائية لكثافة الطاقة، ومع تزايد الطلب على التخزين—خصوصًا في التطبيقات الثابتة حيث المساحة ليست حاسمة—يتحوّل التركيز إلى الأمان والعمر والاستقرار. تشمل المسارات البحثية:
- البطاريات ذات الحالة الصلبة لتحسين الأمان،
- الليثيوم-كبريت والليثيوم-هواء (كثافة نظرية عالية مع تحديات عمر وكفاءة)،
- الصوديوم-أيون كخيار واعد على نطاقات الميغاواط بفضل وفرة المواد،
- بطاريات التدفق (Redox-Flow) لتخزين طويل الأمد بعمر تشغيلي ممتد، وإن كانت أبطأ استجابة.
الخلاصة: متى يكون الليثيوم-أيون القرار الصحيح؟
ليست بطاريات الليثيوم-أيون حلًا شاملًا لكل الحالات، لكنها تصبح الخيار الاستراتيجي عندما:
- يكون النظام عالي الدورات،
- يُدار عبر نظام إدارة طاقة ذكي (EMS)،
- تُؤخذ الحرارة والتقادم ونهاية العمر بجدية منذ مرحلة التصميم. بهذا المعنى، لا يقدّم التقرير إرشادًا تقنيًا فحسب، بل إطار قرار متكامل للمهندسين وصنّاع القرار والممولين ومطوري مشاريع الطاقة خارج الشبكة.
📚 المصدر
تقرير IEA-PVPS Task 18 (2025): Lithium-ion Batteries for Off-Grid and Mini-Grid Applications.
https://iea-pvps.org/key-topics/t18-li-ion-battery-systems-2025/
