تخزين الطاقة القائم على السكك الحديدية يمكن أن توفر طاقة احتياطية للأحداث المتطرفة

تواجه الشبكة الكهربائية، ضغوطًا متزامنة ومتطورة، يتزايد الطلب على الطاقة من الشبكة مع اعتماد الناس للسيارات الكهربائية، وانتقال طاقة البناء من الغاز إلى الكهرباء.

في الوقت نفسه، يؤدي تغير المناخ إلى مزيد من الطقس المتطرف، يشير بحث جديد إلى خيار مرن وفعال من حيث التكلفة للطاقة الاحتياطية عند حدوث مشكلة، بطاريات على متن القطارات.

وجدت دراسة من مختبر لورانس بيركلي الوطني التابع لوزارة الطاقة الأمريكية (مختبر بيركلي)، أن تخزين الطاقة المتنقلة القائم على السكك الحديدية هو وسيلة مجدية لضمان الموثوقية أثناء الأحداث الاستثنائية.

أظهرت الأبحاث السابقة أنه، من الناحية النظرية، يمكن أن يلعب تخزين الطاقة عبر السكك الحديدية دورًا في تلبية احتياجات الكهرباء اليومية للبلاد.

أراد باحثو Berkeley Lab أخذ هذه الفكرة إلى أبعد من ذلك لمعرفة ما إذا كانت البطاريات المحمولة على السكك الحديدية يمكن أن توفر بشكل فعال من حيث التكلفة طاقة احتياطية للأحداث المتطرفة – وما إذا كان السيناريو ممكنًا على شبكة السكك الحديدية الأمريكية الحالية.

قال جيل موراسكي ، طالب دراسات عليا في جامعة كاليفورنيا بيركلي، المؤلف الرئيسي للورقة: “هناك الكثير من عدم اليقين حول متى سيحدث نقص حاد في الإمدادات، وأين سيحدث، ومدى حدته، “لقد وجدنا أن شبكة السكك الحديدية الأمريكية لديها القدرة على توفير الطاقة حيثما تكون مطلوبة عند حدوث هذه الأحداث، ويمكن أن تكلف أقل من بناء بنية تحتية جديدة.”

نُشرت الورقة البحثية ، “الاستفادة من تخزين الطاقة المتنقلة القائم على السكك الحديدية لزيادة موثوقية الشبكة في مواجهة عدم اليقين المناخي”، مؤخرًا في مجلة Nature Energy .

مورد جاهز في السكك الحديدية للشحن

جاءت فكرة الدراسة إلى Amol Phadke ، وهو عالم من فريق Berkeley Lab وأحد مؤلفي الدراسة، بينما كان يشاهد قطار شحن طويل يمر عبر معبر للسكك الحديدية، بدأ في عد السيارات وأحصى أكثر من 100 في ذلك القطار الفردي.

كتب Phadke في موجز عن الدراسة، “ثم صدمتني فكرة – كم عدد البطاريات التي يمكن أن يحملها مثل هذا القطار الضخم؟

إذا تم استخدامها للطاقة الاحتياطية في حالات الطوارئ، فما مدى أهمية مساهمتها؟”، “كشفت عملية حسابية سريعة في ظهر المغلف عن قدرة مذهلة ، من المحتمل أن تكون كافية لتوفير الطاقة لكل أسرة في بيركلي لبضعة أيام.”

تقنيات إضافية ومكملة

لتلبية الطلب على الكهرباء وبناء القدرة على الطاقة الاحتياطية، تقوم الولايات المتحدة ببناء خطوط نقل لمسافات طويلة وتركيب بنوك ثابتة من البطاريات.

قالت ناتالي بوبوفيتش، عالمة الأبحاث في مختبر بيركلي والمؤلفة المشاركة في الدراسة: “في حين أن هذين المصدرين ضروريان، فقد أردنا استكشاف تقنيات إضافية ومكملة”، “لدينا قطارات يمكنها حمل سعة تخزين للبطارية تصل إلى جيجاوات في الساعة ولكن لم يفكر أحد بطريقة متماسكة في كيفية ربط هذا المورد بالشبكة الكهربائية . ”

شبكة السكك الحديدية الأمريكية هي الأكبر في العالم، حيث تغطي ما يقرب من 220.000 كيلومتر، نظرت الدراسة في التدفقات التاريخية لقطارات الشحن والتكاليف وقيود الجدولة لمعرفة ما إذا كان يمكن استدعاء خطوط السكك الحديدية لنقل البطاريات للأحداث عالية التأثير، بالنظر إلى أن مشغلي الشبكة عادة ما يكون لديهم إشعار قبل بضعة أيام على الأقل، وأحيانًا ما يصل إلى أسبوع، عندما يأتي الطقس القاسي .

وجد التحليل أن تخزين الطاقة المحمول يمكن أن ينتقل بين أسواق الطاقة الرئيسية على طول خطوط السكك الحديدية الحالية في غضون أسبوع دون تعطيل جداول الشحن.

ماذا عن الخيارات الثابتة؟

قارن الباحثون تكلفة نشر البطاريات على السكك الحديدية للأحداث منخفضة التردد مع تكاليف الاستثمار لتخزين الطاقة الثابتة وخطوط النقل.

في الحالات التي تحتاج فيها القطارات إلى قطع مسافات تبلغ حوالي 400 كيلومتر أو أقصر قد يكون تخزين الطاقة المستند إلى السكك الحديدية أكثر منطقية من حيث التكلفة من بناء بنوك بطارية ثابتة لملءها فجوات العرض التي تحدث خلال أقل من 1٪ من إجمالي ساعات العام.

في تلك المسافات الأقصر، تظل خطوط النقل فعالة من حيث التكلفة مقارنة بالبطاريات الموجودة على السكك الحديدية إذا تم استخدامها بشكل متكرر، عندما تنمو مسافة السفر إلى أكثر من (1500 كيلومتر) تصبح السكك الحديدية أرخص من خطوط النقل للأحداث منخفضة التردد.

خلصت الدراسة إلى أن هذا الخيار الثالث يمكن أن يوفر لقطاع الطاقة ما يزيد عن 60٪ من التكلفة الإجمالية لخط نقل جديد أو 30٪ من التكلفة الإجمالية لتخزين البطاريات الثابتة.

ولاية نيويورك

تشير الدراسة إلى ولاية نيويورك، بقدراتها القوية للشحن وقيود النقل الحالية بين توليد الطاقة النظيفة في شمال الولاية ومراكز التحميل في أسفل الولاية، كمثال على المكان الذي يمكن أن يعمل فيه تخزين الطاقة المتنقلة القائم على السكك الحديدية بشكل جيد، في حالات أخرى، قد يكون من المنطقي أن تشارك دول متعددة السعة الإضافية من بنك بطاريات قائم على السكك الحديدية.

وقال موراسكي “هذا ليس بالضرورة موردا يجب أن يكون في منطقة واحدة”، “يمكن أن تعمل بشكل مشابه لبوليصة التأمين، حيث تقوم بنشر التغطية عبر المخاطر في منطقة جغرافية واسعة.”

عقبات تنظيمية وبنية تحتية

يلاحظ المؤلفون وجود عقبات تنظيمية وبنية تحتية، تفتقر الولايات المتحدة إلى الترابط المناسب لفصل الطاقة عن القطار وتوصيله بشكل أساسي بالشبكة.

وأسواق الكهرباء الحالية ليس لديها إطار للموافقة على أصول الطاقة المتنقلة وتسعيرها وتنظيمها بالطريقة التي تفعل بها لمحطات الطاقة التقليدية.

ستحتاج السياسات إلى مراجعة، وستحتاج الجهود المبذولة لنشر التخزين إلى الاستفادة من الترابطات الحالية حيثما أمكن ، مثل محطات الفحم المتقاعد ، التي لديها خطوط سكك حديدية قائمة وحقوق ربط.

يرى الباحثون المزيد من الفرص لتحديد فوائد تخزين الطاقة المتنقلة القائم على السكك الحديدية خارج نطاق الدراسة الحالية، مع الأخذ في الاعتبار المناطق الأكبر، والشبكة الخالية من الكربون، والظروف المناخية المستقبلية.

ويشددون على أن توسيع تخزين الطاقة عبر شبكة السكك الحديدية ليس بديلاً للبنية التحتية المهمة مثل خطوط النقل، ولكن يمكن أن يكون مكملاً هامًا.

قال موراسكي: “تقدم ورقتنا نظرة عامة على أعلى مستوى حول كيف يمكن لتخزين الطاقة المتنقلة القائم على السكك الحديدية أن يفيد شبكة اليوم، في مناخ اليوم”، مضيفا “بينما نتطلع إلى مستقبل به المزيد من الكهرباء، والمزيد من الطاقة المتجددة المتقلبة، والمزيد من الأحداث المتطرفة المتكررة قد تصبح قضية إضافة تخزين الطاقة القائم على السكك الحديدية إلى هذا المزيج أقوى”.