كيف تعيد المكثفات الفائقة مزدوجة الطبقة تشكيل مشهد تخزين الطاقة الجديد

I. تطور تكنولوجيا تخزين الطاقة: من بطاريات الرصاص الحمضية إلى القفزات الكمية

من المتوقع أن يصل حجم السوق العالمي لتخزين الطاقة إلى 1.2 تريليون دولار أمريكي في عام 2030 (بيانات جراند فيو للأبحاث)، ويُظهر التكرار التكنولوجي ثلاثة اتجاهات رئيسية: التحسن الأسي في سرعة الاستجابة (المكثفات الفائقة تصل إلى أجزاء من الثانية)، والتطور في عمر الدورة (تحقق الهياكل مزدوجة الطبقة ملايين المرات من الشحن والتفريغ)، والتطور الكبير في كثافة الطاقة (يصل تخزين الطاقة الهيدروجينية إلى 33.3 كيلو واط ساعة/كيلوغرام). تقود ثورة تخزين الطاقة هذه إلى تحول نظام الطاقة من "التوازن الجامد" إلى "التنظيم المرن".

ثانياً. تحليل بانورامي لمصفوفة التكنولوجيا

1. بطاريات الرصاص الحمضية: معضلة المحاربين القدامى منذ قرن من الزمان

باعتبارها أكثر تقنيات تخزين الطاقة نضجًا (تم تسويقها لأول مرة في عام 1881)، لا تزال بطاريات الرصاص الحمضية تحتل 351 تيرابايت 3 تيرابايت من سوق تخزين الطاقة العالمي. ومع ذلك، فقد أظهر عمرها الافتراضي الذي يتراوح بين 500 و800 دورة وسرعة استجابتها التي تتراوح بين 500 و8 ساعات علامات التعب في سيناريوهات الطاقة الجديدة. وأشار تقرير تسلا عن تخزين الطاقة لعام 2022 إلى أن تكلفة الكيلوواط/ساعة من أنظمة حمض الرصاص الداعمة لأنظمة حمض الرصاص الضوئية لا تزال أعلى بـ 281 تيرابايت 3 تيرابايت من بطاريات الليثيوم.

2. التخزين بالضخ: التحدي النهائي لتخزين الطاقة بالجاذبية

على الرغم من أن كفاءة التحويل تجاوزت 75% (البيانات المقاسة من محطة يانغجيانغ للطاقة في الصين)، فإن محطة الطاقة من فئة 2.1 جيجاوات تستهلك 2.6 مليون متر مكعب من المياه. وقد أدت القيود الجغرافية إلى خفض معدل نمو قدرتها المركبة عالميًا إلى 3.21 تيرابايت 3 تيرابايت (التقرير السنوي للرابطة الدولية للطاقة الكهرومائية لعام 2023)، وقد تتحول إلى حلول جديدة للجاذبية مثل تخزين الطاقة في كهوف تحت الأرض بالهواء المضغوط في المستقبل.

3. تخزين الطاقة فائق التوصيل: باليه الطاقة تحت قيود درجات الحرارة المنخفضة

يرفع أحدث شريط من أكسيد النحاس الإيتريوم باريوم الباريوم وأكسيد النحاس فائق التوصيل الذي كشف عنه فريق معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا في مجلة "Nature Energy" درجة الحرارة الحرجة إلى -140 ℃ (تتطلب الموصلات الفائقة التقليدية -269 ℃). ومع ذلك، لا يزال كل نظام لتخزين الطاقة فائق التوصيل بقدرة ميغاواط يستهلك 3.5 طن من النيتروجين السائل يومياً، ولا يزال الطريق إلى التسويق التجاري يتطلب طفرة أساسية في علم المواد.

4. تخزين الطاقة في دولاب الموازنة: طفرة أرضية في تكنولوجيا الفضاء

تبلغ سرعة دوران دولاب الموازنة المصنوع من ألياف الكربون المحول من تكنولوجيا وكالة ناسا 45,000 دورة في الدقيقة (أي ما يعادل 60% من سرعة الصوت)، ويمكن للنظام الذي تبلغ قدرته 20 ميجاوات والذي عرضته شركة بوش في ألمانيا في عام 2023 الاستجابة لتقلبات الشبكة في غضون 15 ثانية. ومع ذلك، فإن التكلفة التي تصل إلى $5,000 لكل كيلوواط ساعة تحد من استخدامها مؤقتاً في السيناريوهات المتطورة مثل مراكز البيانات.

ثالثاً الاختراق الثوري لـ مكثفات فائقة مزدوجة الطبقة

1. المكثف الذهبي: إعادة تعريف حدود تخزين الطاقة

استنادًا إلى نظرية طبقة هيلمهولتز المزدوجة (المقترحة في عام 1853)، تزيد المكثفات الفائقة الحديثة من كثافة تخزين الطاقة إلى 10 وات/كجم من خلال أقطاب كهربائية نانوية (مساحة سطح محددة تبلغ 2000 متر مربع/غرام). يزيد القطب الكهربائي المركب من الجرافين-المكسين الذي طورته جامعة طوكيو في عام 2023 من كثافة السعة بمقدار 4001 تيرابايت/كغ مقارنة بالمنتجات التقليدية.

مصفوفة المزايا التقنية:

• سرعة الشحن والتفريغ: <أقل من 10 ثوانٍ (بطارية الليثيوم تستغرق 1 ساعة)
• عمر الدورة: > 500,000 مرة (بطارية الرصاص الحمضية 500 مرة فقط)
• القدرة على التكيف مع درجة الحرارة: -40 درجة مئوية إلى +85 درجة مئوية تشغيل كامل

2. اختراق الجهد: من 1 كيلو فولت إلى 10 كيلو فولت

وتقتصر المكثفات الفائقة التقليدية على جهد تحلل الإلكتروليت (عادة ما يكون <3 فولت). في عام 2022، استخدم المعهد الفدرالي السويسري للتكنولوجيا في لوزان الشوارد السائلة الأيونية لزيادة جهد التشغيل إلى 4.5 فولت. وبالاقتران مع تقنية السلسلة المعيارية، ستقوم شبكة جنوب الصين للطاقة ببناء أول نظام لتخزين الطاقة بمكثفات فائقة القدرة بجهد 10 كيلو فولت/100 كيلو وات في العالم في عام 2023، بكثافة طاقة تتجاوز 15 وات/كجم.

3. ثورة سيناريو التطبيق: من الشبكة الصغيرة إلى المنجنيق الكهرومغناطيسي

• توفر شركة ماكسويل تكنولوجيز الأمريكية وحدات مكثفات 2.7 فولت/3000 فولت لمترو شنغهاي، ويزداد معدل استرداد طاقة الكبح إلى 85%
• نجحت مجموعة المكثفات الفائقة بقدرة 50 ميجاوات في مزرعة سيمنز لطاقة الرياح في ألمانيا في تحقيق استقرار تقلبات الطاقة في ثوانٍ
• يدعم نظام المكثف البحري الفائق الذي طورته شركة CATL في فوجيان التجديد السريع للطاقة في 30 ثانية لسفن الشحن التي تزن 10,000 طن

سادساً. الآفاق المستقبلية لتكنولوجيا تخزين الطاقة

1- استراتيجية تكامل التكنولوجيا

وقد اقترحت جامعة كاليفورنيا في بيركلي بنية "Hybrid-ESS": المكثفات الفائقة مسؤولة عن التقلبات في المستوى الثاني (0-30 ثانية)، وبطاريات الليثيوم مسؤولة عن تعديلات مستوى الدقيقة (30 ثانية - 15 دقيقة)، وتخزين الطاقة الهيدروجينية يحل الاحتياجات على مستوى الساعة وما فوقها. يقلل هذا النموذج من خسائر النظام بمقدار 23% في القياسات الفعلية للشبكات المصغرة في تكساس.

2- منحنى خفض التكلفة

وتتوقع وكالة بلومبرج لتمويل الطاقة الجديدة أنه مع انتشار تكنولوجيا الأقطاب الكهربائية الجافة (حققت تسلا إنتاجًا ضخمًا)، ستنخفض تكلفة المكثفات الفائقة إلى 1 تيرابايت و4 تيرابايت/كيلووات ساعة في عام 2030، أي بانخفاض 651 تيرابايت/كيلووات ساعة عن عام 2023.

الملخص

من التراكم الذي يعود إلى قرن من الزمان لنظرية الطبقة المزدوجة إلى الاختراق المعاصر للمواد النانوية، تعيد المكثفات الفائقة كتابة قواعد تخزين الطاقة بسرعة 300 مرة في 10 سنوات. وعندما يتزامن اختراق عنق زجاجة مقاومة الجهد الكهربائي مع تخفيض التكاليف التقنية، فإن هذا "الملك العابر للحدود" الذي يجمع بين الشحن السريع للمكثفات وتخزين الطاقة بالبطاريات قد يبشر بالعصر الذهبي لتخزين الطاقة الجديدة. كما قال البروفيسور كوي يي من جامعة ستانفورد: "من يسيطر على سر الطبقة المزدوجة البينية سيحمل مفتاح ثورة الطاقة."