تخزين الطاقة بواسطة الجاذبية الارضية

OCTOBER 1, 2015 BY RAVINDRA KRISHNAMURTHY & FILED UNDER GENERAL, DESIGN, ENERGY SYSTEMS

إن تخزين الطاقة بواسطة الجاذبية هي طريقة بسيطة ومهنية لتخزين الطاقة على نطاق واسع ولفترة طويلة.

لقد قطعت تكنولوجيا الطاقة المتجددة زمناً طويلاً بدايةً ببناء الألواح الشمسية الأولى, ثم بناء مولدات الرياح التي تستخدم لاستغلال وتسخير طاقة الشمس والرياح لتلبية متطلبات الطاقة الشمسية للبشرية جمعاء. إن التقدم الكبير في تكنولوجيات الطاقة المتجددة للمزارع الكبيرة والضخمة لطاقة الشمس والرياح قد قلل من تكلفة الوحدة الواحدة من الطاقة المولدة باستخدام مصادر الطاقة المتجددة. إن المساهمات المقدمة من قبل تكنولوجيا الطاقة المتجددة قد ازدادت أيضاً في الكثير من الدول, كما أنها بدأت تقلل من اعتماد دول العالم من استخدام الوقود الحفري لتوليد الكهرباء.

المخطط يبين لنا آلية تخزين الطاقة الكهربائية باستخدام الجاذبية. (مصدر الصورة: طاقة الجاذبية)

حتى الآن , لا تزال تكنولوجيا الطاقة المتجددة غير قادرة على الوقوف بمفردها بدون أن تعتمد على الوقود الحفري لتلبية جميع المطالب. فمثلاً لا تهب الرياح بقوة دائماً, كما وأن هناك لا تصل فيها أشعة الشمس بالكثافة الكافية إلى أماكن كثيرة على سطح الأرض. إن تلبية الاحتياجات غير العادية مع توليد الطاقة غير المنتظم على حد سواء يشكل التحدي الأكبر الذي تواجهه تكنولوجيا الطاقة المتجددة في الوقت الحالي. غالباً ما تعتمد مزارع الطاقة المتجددة على محطات تعمل بالغاز –بيكير-  لمواجهة جميع التغيرات والاختلافات في العرض والطلب بحيث تلبي جميع المتطلبات عند الحاجة.

إن الحل لهذه المشاكل هي تخزين فائض الطاقة على الشبكة لحين الحاجة لها. تقليدياً يتم تخزين الطاقة بعدة طرق ووسائل مختلفة مثل البطاريات, العجلات الطائرة, والهواء المضغوط. ولكن بخلاف الهيدروجين المضغوط ، فإن أياً منها لا يشكل الكمية المناسبة والمنفعة المطلوبة للتوفيق بين العرض والطلب.

سعة تخزين الطاقة العالمية.(مصدر الصورة: معهد فراونهوفر EPRI)

لسنوات عديدة, قد تم تجميع الزيادة على طلب الطاقة الكهربائية بالدرجة الأولى مقياس الشبكة بواسطة محطات الهيدروجين. في جميع أنحاء العالم يتم تثبيت قيمة 140 جيجا وات في مشروع ضخ الهيدروجين الأخير قبل أكثر من ثلاثين عام. في الغالب فإن معظم هذه القدرات والسعات تستخدم كطاقة –بيكنج- لمصادر المولدات الأساسية مثل الفحم , النفط , الطاقة النووية.

 لكن فإن بناء محطة واحدة من هذه المحطات لا يبدو سهلاً للغاية. فهي تتطلب موقع جغرافي غير ضار بالبيئة المحيطة مع مساحة أرض واسعة لخزانين منفصلين ومختلفين في الارتفاع. إن هذا النظام مصمم خصيصاً لتخزين الطاقة باستخدام الجاذبية. حيث أنها تعمل على استخدام الطاقة المتاحة والموجودة على الشبكات لتقوم بضخ الماء من الخزان السفلي إلى الخزان العلوي, وذلك بتخزين الطاقة كطاقة كامنة. عند الحاجة للطاقة فإن الماء الموجود في الخزان العلوي سيعمل على تشغيل ريش المولدات لتوليد الكهرباء.

محطة سينيكا لضخ الطاقة المخزنة , محطة للطاقة الكهرومائية في ولاية بنسلفانيا في مقاطعة وارين. للاستفادة من تخزين ضخ المياه لتوليد الطاقة الكهربائية.(مصدر الصورة: فيلق مهندسي الجيش الأمريكي)

رغم أن هذه المضخات الهيدروجينية لديها سعة كافية لتلبية أي زيادة في الطلب على الطاقة الكهربائية ,إلا أن إنشاء هذه المحطات غير ممكن في كل مكان وذلك بسبب عدم احتواء كل مكان على تلال وأودية. بالإضافة إلى ذلك فإن إنشاء مثل هذه المحطات قد يستغرق وقتاً طويلاً جداً ويستنفذ الكثير من المال.

خزان الجاذبية

ما هو مطلوب لهذه العملية هو خزان كهرباء ضخم من ميزاته أن يكون قابل للوصول إلى الجيجا وات , وأيضاً موثوق به , فعال ومجدي اقتصادياً, لكن الأهم من جميع تلك الميزات أنه يجب أن يكون صديق للبيئة غير ضار بها. إن التخزين بواسطة الجاذبية هي واحدة من أهم الوسائل التكنولوجية القادرة على التنافس مع المضخات الهيدروجينية و مولدات الغاز لتوليد الطاقة الفوري.

إن نظام خزان الجاذبية يتكون من زوج من الأعمدة واحد منهم كبير وعميق والآخر أصغر في القطر في الأعلى والأسفل, مكوناً بذلك دائرة مغلقة تشكلت عبر مولدات الضخ كما هو موضح في الشكل رقم 1. الأعمدة الممتلئة بالماء تعمل كوسيط لنقل الطاقة, يتم تركيب العمود الأول بواسطة بمكبس الصلب الكبير وتملأ بالصخور والخرسانة المسلحة. يعمل الجهاز بحركة عمودية بسيطة على المكبس.

خلال توافر فائض الكهرباء, فإن مولد المضخة المنعكس يحول طاقة الشبكة المزودة من قبل المولد المزدوج للطاقة الكامنة بواسطة ضخ المياه في العمود الكبير لرفع المكبس الثقيل. في أوقات الحاجة, مثلاً بلوغ الذروة في الطلب, فإنه يتم  تحويل الطاقة الكامنة إلى طاقة كهربائية من خلال السماح للمكبس بالهبوط .أثناء هذه العملية تنشط جزيئات الماء لتدوير ريش مولد المضخة مما يؤدي إلى توليد الطاقة في نهاية المولد.

فيديو رسوم متحركة يصف سير النظام في المناطق الحضرية (المدة : 1 دقيقة ، 13 ثانية)

إن قياس سرعة هبوط المكبس تحدد معدل الطاقة المولدة في حين أن عمق وقطر العمود الكبير وكذلك كتلة المكبس تحدد كمية الطاقة المخزنة. يتم فقدان الاحتكاك البسيط للمولد إلى جانب فقدان الاحتكاك في سرعة المكبس, مما يجعل كفاءة هذا النظام عالية في تخزين الطاقة والتي من الممكن أن تصل إلى مئات الجيجا وات خلال ساعات معدودة.

عدم الاستخدام المتكرر والمتواصل للماء, وكذلك البداية السريعة مع الاستجابة الديناميكية السريعة, فإن الخبراء في هذا المجال يقولون أن نظام التخزين بالضخ تحت الأرض متعادل مع أنظمة الضخ الهيدروجيني الحديث وأسرع من مصادر الطاقة الاحتياطية التي تعتمد على الوقود الحفري . بخلاف الضخ الهيدروجيني , فإن تحديد هذه المساعدات والتسهيلات يعتبر مرن أكثر في ظل وجود التأثيرات البيئية السهلة والخفيفة والتسهيلات الجزئية الطبيعية وبالتالي تعزيز إمكانيات هذا النظام  ليتمكن من تخزين الآلاف من الميجاوات من الطاقة بكل فدان من الأرض. يتنبأ الخبراء بأن مثل هذه التسهيلات يمكن تثبيتها وتطبيقها في وسط المناطق الحضرية الكثيفة لتلبية الطلبات المتزايدة على الطاقة في مثل هذه المدن الكبيرة. أخيراً فإن تثبيت وتطبيق نظام تخزين الطاقة بالمضخات الأرضية قد يستغرق من 2 – 3 سنوات على عكس أنظمة الضخ.

      فيديو عن وحدة طاقة الجاذبية (المدة: 31 ثانية)

هذه التكنولوجيا الواعدة لم تشهد بعد ولادتها التجارية الحقيقية. طاقة الجاذبية هي شركة أمريكية تعمل على إنشاء أول جهاز تخزين باستخدام الجاذبية على نطاق تجاري واسع في مدينة بنزبرج في ألمانيا. إن أعمدة الطاقة يبلغ قطرها حوالي 30 متر ويبلغ عمقها ما يقارب 500 متر, سوف ينتج هذا التطبيق ما يقارب 160 ميجاوات أو 40 ميجا وات لمدة 4 ساعات لتخزين الطاقة بكميات كبيرة في مقابل استهلاك 40 ميجاوات في 5 ساعات.

مصباح الجاذبية

إن قدرة الجاذبية على تخزين الطاقة لم تعد محصورة فقط على نطاق الشبكة الواسع وإنما ذهبا لأكثر من ذلك بحيث مكنت المهندسين من تخزين طاقة الجاذبية للخروج بأجهزة بارعة لإضاءة المنازل على نطاق ضيق.

إضاءة المنزل باستخدام الأوزان المنخفضة.( مصدر الصورة: ضوء الجاذبية)

إن أحد أهم هذه الأجهزة المبتكرة التي تستفيد من الجاذبية لتخزين الطاقة هي ضوء الجاذبية. تتميز هذه الأجهزة بصعر حجمها وانخفاض تكلفتها بحيث أنها تصمم خصيصاً للتخلص من الاعتماد على الكيروسين في إضاءة المنازل من قبل ملايين الناس في الدول النامية, الذين يفتقرون إلى إمكانية إضاءة منازلهم أثناء الليل. بعد النجاح الساحق الذي حققته هذه التكنولوجيا الممولة من انديجوج , فقد وصل المشروع الآن إلى مرحلة إنتاج مصابيح الجاذبية في كينيا في إفريقيا.

إن آلية عمل مصابيح الجاذبية بسيطة جداّ. بحيث يتم تثبيت الجهاز على ارتفاع سطح المنزل بحيث يبلغ ارتفاع هذا الجهاز 1,8 متر و يبلغ وزنه حوالي 12 كيلو غرام بحيث يبلغ أقصى ارتفاع له . وبعد ذلك يبدأ الوزن بالفقدان ببطء بمعدل 1 ملم/ ثانية. بحيث تقوم بإضاءة الغرفة على الفور. بحيث تعتمد على قوة الوحدة الواحدة في إضاءة الغرفة.

ضوء الجاذبية: الضوء النظيف من الجاذبية الارضية.(المدة 3 دقيقة ، 22 ثانية)

ما يحدث حقاً هو انخفاض وزن الطاقة الكامنة و تحويلها إلى طاقة متحركة بحيث تقوم بتحريك ترس أسنان العجلة التي تدور ببطء وعزم دوران مرتفع. يتم تشغيل الترس من خلال أداة تقوم بتحويل هذه المدخلات إلى سرعة عالية و انخفاض عزم الدوران الناتج الذي بدوره يدفع المحرك دي سي إلى القيام بالدوران بمعدل ألف دروة في الدقيقة. وهذا يولد ما يقارب الديسي وات من الطاقة الكافية لتشغيل أضوية الطائرة وتشغيل الأجهزة الملحقة بها.

لومنيسنس تنتج خمسة أضعاف الإضاءة المعتادة من فتيل مصباح الكيروسين وتدوم لأكثر من 20 دقيقة والتي تعتمد أساساً على مدى ارتفاع الأداة المثبتة. بحيث يتم رفع الوزن ببساطة لتكرار العملية.

إن هذه الأداة فريدة من نوعها بحيث أنها لا تحتاج إلى بطاريات أو حتى إلى أشعة الشمس بالإضافة إلى أنها لا تكلف شيئاّ لتشغيلها. وتعمل على توفير ضوء لحظي في أي وقت بحيث أنها لا تحتاج إلى إعادة شحن سلفاً كما أنها جاهزة للاستخدام وقت الحاجة. وبدون تكلفة التشغيل فإنها تغنيك عن مصباح الكيروسين فلا حاجة للبطاريات فيمكن تخزين الطاقة عملياً لحين الحاجة. بالإضافة إلى أنها لا تعتمد على الشمس مما يجعلها مصدر موثوق به ومعتمد عليه في الأيام الغائمة التي تغيب فيها الشمس.

ملاحظات ختامية:

 على الرغم من أن معرفة استخدام الجاذبية لتخزين الطاقة معروف منذ عدة قرون, إلا أن المهندسين قد بدأوا في السنوات القليلة الماضية باعتبار الأمر أكثر جدية لبناء مثل هذه الوحدات والأدوات التي تستخدم طاقة الجاذبية المخزنة. وبخلاف البطاريات الكيميائية والمضخات الهيدروجينية , فإن من الممكن لأجهزة الطاقة التي تعتمد على الجاذبية أن تمهد الطريق لاستخدام وسائل الطاقة النظيفة. بدون الحاجة إلى أي إجراء بحوث إضافية, فإنه من الممكن بناء أجهزة تخزين طاقة الجاذبية بالتقنيات التكنولوجية المتاحة لتلبية الاحتياجات من الطاقة من شبكة واسعة ذات نهاية موحدة تثبت على طرف مزرعة منزلية صغيرة. بحيث تكون مناسبة بشكل مثالي لتكنولوجيا الطاقة المتجددة مثل طاقة الرياح والطاقة الشمسية. وبإمكانهم تسوية الفارق في العرض والطلب وجذب تكنولوجيا الطاقة المتجددة للاعتماد عليها, وجعلها طاقة نظيفة وخضراء.

مقاطع فيديو إضافية:

في هذين المقطعين التاليين , يبين لنا ستين ديفريسن كيفية بناء مصباح صغير بالاعتماد على الأوزان المنخفضة

1. Homemade DIY gravity light/gravity generator that powers LED’s. Part 1 (Duration: 8 min, 30 seconds)

2. Homemade DIY gravity light/gravity generator that powers LED’s. Part 2 (Duration: 2 min, 22 seconds)