يميل قطاعا الطاقة والنقل إلى السيطرة على عناوين الأخبار عندما يتعلق الأمر بخفض تلوث غازات الاحتباس الحراري ، لكننا بحاجة إلى معالجة مصدر انبعاثات كبير ومتزايد لتحقيق أهدافنا المناخية: الصناعة. المنشآت الصناعية الأمريكية مسؤولة بشكل مباشر عن ربع انبعاثات غازات الاحتباس الحراري في البلاد. يأتي حوالي 84٪ من الانبعاثات الصناعية المتعلقة بالطاقة من حرق الوقود الأحفوري لتوفير الحرارة لعمليات التصنيع مثل صهر المعادن وتشكيل البلاستيك وقيادة التفاعلات الكيميائية. إن إزالة الكربون من الحرارة الصناعية أمر بالغ الأهمية للوفاء بالتزامات خفض الانبعاثات في الولايات المتحدة.
لحسن الحظ ، قد تكون التكنولوجيا النظيفة الجديدة – البطاريات الحرارية الصناعية – هي الحل لخفض انبعاثات الغازات الدفيئة الصناعية وتقليل تكاليف الطاقة الصناعية. يمكن أن تقلل هذه البطاريات من تكلفة الكهرباء للتدفئة الصناعية بنسبة 50٪ -63٪ ، مما يؤدي إلى تغيير جوهري في عملية صنع القرار في الشركات حول المعدات الحرارية للعملية الكهربة مع تلبية ما يصل إلى 90٪ من متطلبات الحرارة للعمليات الصناعية.
تقوم البطارية الحرارية بتحويل الكهرباء إلى حرارة ، وتخزن الحرارة لساعات أو أيام ، ويمكنها توصيل الحرارة الناتجة عند درجات حرارة تصل إلى 1500-1.700 درجة مئوية عندما يحتاج المستخدم الصناعي إلى الحرارة بكفاءة 95٪ ذهابًا وإيابًا. يوضح الرسم التوضيحي أدناه كيف تشحن البطارية الحرارية بسخان مقاومة كهربائية ، ثم تطلق الحرارة عبر الغاز الساخن أو الضوء المرئي والأشعة تحت الحمراء.
بحث جديد من نماذج Energy Innovation تكاليف ، وفورات ، وأداء البطاريات الحرارية. يوضح البحث أن هذه البطاريات يمكن أن توفر حرارة موثوقة تتراوح بين 35 دولارًا و 62 دولارًا لكل ميغاواط / ساعة من الناتج الحراري ، مما يخفض تكاليف إنتاج الحرارة من الكهرباء إلى مستوى منافس للاستمرار في تشغيل معدات الغاز الطبيعي الحالية. للمضخات الحرارية الصناعية تأثير مماثل على الفعالية من حيث التكلفة ، لكن البطاريات الحرارية تعمل في نطاق درجة حرارة أوسع بكثير من المضخات الحرارية ، مما يوسع بشكل كبير أنواع عمليات التدفئة التي يمكن أن تكون كهربائية فعالة من حيث التكلفة.
للمساعدة في تسريع نشر البطاريات الحرارية ، يجب على الحكومة استخدام برامج التمويل (مثل ائتمان مشروع الطاقة المتقدمة وبرنامج نشر المنشآت الصناعية المتقدمة) ، ويجب على مصلحة الضرائب إصدار إرشادات تؤكد أن البطاريات الحرارية مؤهلة للحصول على 45X Advanced Manufacturing Production ائتمان.
خفض تكاليف الصناعة ، موازنة مصادر الطاقة المتجددة
في عام 2022 ، استخدمت الصناعات الأمريكية حوالي 14000 بيتاجول من الوقود القابل للاحتراق (باستثناء المواد الأولية) ، وكلها تقريبًا لتوصيل الحرارة عند درجات حرارة أقل من 1000 درجة مئوية لتطبيقات مثل إنتاج البخار أو معدات التدفئة مثل الأفران أو الأفران. البطاريات الحرارية مناسبة تمامًا لتوفير هذه الحرارة. على الرغم من أن بعض العمليات تشكل تحديات للبطاريات الحرارية (مثل صناعة الصلب الأولية) أو تتطلب دقة قصوى (مثل لحام الأكسجين والأسيتيلين) ، فإنها تشكل أقل من 5٪ من استخدام الطاقة الصناعية في الولايات المتحدة. لذلك ، تتمتع البطاريات الحرارية الصناعية بسوق واسع يمكن معالجته وإمكانية الحد من غازات الاحتباس الحراري.
هناك طريقتان لتشغيل البطاريات الحرارية. جيل المتابعة البطاريات تمكن المنشآت الصناعية من الاستفادة بشكل أفضل من توليد الطاقة الشمسية والرياح خارج الشبكة. البحث عن الأسعار تسمح البطاريات الحرارية للمرافق المتصلة بالشبكة بشراء الكهرباء في الساعات التي تكون فيها أرخص. الهجينة من هذه الأساليب ممكنة أيضًا.
يجب أن تدفع الصناعات التي تشتري الكهرباء من الشبكة سعر التجزئة ، الذي لا يغطي تكلفة توليد الكهرباء فحسب ، بل يشمل تكاليف نقل وتوزيع الكهرباء والتكاليف العامة المرتبطة بها. يمكن للمنشأة شراء الكهرباء بسعر أرخص من خلال العمل مباشرة مع مشروع للطاقة الشمسية أو طاقة الرياح ، باستخدام البطاريات الحرارية للتعويض عن تقلب الطاقة الشمسية وطاقة الرياح ، مما يجعل الحرارة منخفضة التكلفة متاحة بشكل موثوق للاستخدام الصناعي.
هذه الموثوقية هي دالة لساعات تخزين الحرارة للبطارية ومعدل تقليص الكهرباء ، أو الاستعداد لتوليد الكهرباء الزائدة في أكثر الساعات المشمسة والرياح بحيث يكون هناك ما يكفي خلال فترات طويلة من التوليد الأقل. يتم عرض مكونات تكلفة الحرارة التي توفرها البطارية الحرارية أدناه لموقع في كاليفورنيا يعتمد فقط على الطاقة الشمسية وموقع في تكساس يعتمد على مزيج من الرياح والطاقة الشمسية. التكاليف أعلى في الموقع تعتمد كليًا على الطاقة الشمسية لأن البطارية الحرارية الأكبر (والمزيد من التقليص) ضرورية لتوفير الحرارة بشكل موثوق مقابل الموقع الذي يخدمه مزيج من الرياح والطاقة الشمسية.
نظرًا لتكاليف رأس المال والتكاليف التشغيلية للبطاريات الحرارية ، فإنها توفر الحرارة بنسبة تتراوح من نصف إلى ثلث تكلفة استخدام شبكة الكهرباء مباشرة ، مما يجعلها تنافسية من حيث التكلفة مع أسعار الغاز الطبيعي.
يمكن أن تختلف أسعار كهرباء الشبكة حسب الساعة بناءً على التوليد من مصادر الطاقة المتجددة وقيود النقل والطلب. منشأة تستخدم البحث عن الأسعار يمكن أن تستفيد البطارية الحرارية من تقلبات الأسعار هذه. تسمح البطارية للمصنع بشراء الكهرباء عندما تكون التكلفة منخفضة ولتجنب القوة الشرائية في ساعات التكلفة العالية. يوضح الرسم البياني أدناه حالة شحن البطارية الحرارية التي تبحث عن الأسعار (الخط الأصفر) حيث يتم شحنها وتفريغها استجابة للتغيرات في سعر كهرباء الشبكة (الخط الأزرق).
يحقق التكوين المثالي للبطارية أقل تكلفة ممكنة لكل وحدة من خلال موازنة توفير الكهرباء مقابل تكاليف رأس المال المرتفعة المرتبطة بمعدل شحن أسرع وقدرة أكبر. في عام 2020 ، يمكن للبطارية الحرارية المُحسَّنة توفير حرارة موثوقة أثناء شراء الكهرباء بمتوسط سعر 10.50 دولارًا لكل ميغاواط في الساعة (MWh) ، مقابل متوسط سعر 30.80 دولارًا / ميجاوات في الساعة بدون بطارية حرارية. في عام 2022 ، وهو عام شهد ارتفاع أسعار الكهرباء ، كانت القيم 27.18 دولارًا / ميجاوات ساعة مع البطارية مقابل 62.35 دولارًا بدونها.
فوائد للمجتمع
تنتج البطاريات الحرارية طاقة خالية من الانبعاثات يمكن استخدامها لأغراض إنتاجية دون زيادة الضغط على الشبكة الحالية. تستهلك بطاريات البحث عن الأسعار الطاقة خلال ساعات تكون فيها أقل جاذبية للاستخدامات الأخرى. كما أنها توفر خدمات مرنة للشبكة عن طريق تقليل استهلاكها للكهرباء في أوقات الضغط حيث يمكن أن يحدث انقطاع. إن تسهيل تشغيل المرافق العامة لشبكة عالية الطاقة المتجددة وتجنب انقطاع التيار الكهربائي يعود بالفائدة على الجميع ، وخاصة المناطق ذات الدخل المنخفض التي تتأثر بشكل غير متناسب بانقطاع التيار الكهربائي.
السياسة الذكية يمكنها زيادة فعالية نشر البطارية الحرارية
يعد سن سياسة جديدة أمرًا حيويًا لتقليل تكاليف البطاريات الحرارية وتسريع نشرها. يمكن للحكومة الفيدرالية تقديم حوافز مالية للبطاريات الحرارية عبر البرامج من خلال مكتب الكفاءة الصناعية وإزالة الكربون ، ومكتب عروض الطاقة النظيفة ، وائتمان مشروع الطاقة المتقدمة ، وبرنامج نشر المنشآت الصناعية المتقدمة. كما أجاز قانون الحد من التضخم منح ائتمان إنتاج التصنيع المتقدم 45 مرة لمصنعي التقنيات المتعلقة بالطاقة النظيفة ، بما في ذلك “وحدات البطارية” التي لا تعتمد على “خلايا البطارية” الكهروكيميائية. في إرشاداتها القادمة بشأن الائتمان ، يجب أن تؤكد مصلحة الضرائب أن البطاريات الحرارية الصناعية هي تقنية تخزين طاقة مغطاة.
يجب أن تحدد اللجنة الفيدرالية لتنظيم الطاقة أن العملاء الصناعيين الذين لديهم بطاريات حرارية يدفعون رسومًا مخفضة للوصول إلى الشبكة الكهربائية نظرًا لأنها توفر مزايا لنظام الطاقة. يمكن تشجيع مشغلي الشبكات على التعرف على فوائد الموارد المرنة مثل البطاريات الحرارية ، وبالنسبة للبطاريات المجهزة بتوليد متجدد ، لتسريع اتصالها بالشبكة. أخيرًا ، يمكن للجان المرافق العامة بالولاية إنشاء فئة سعر جديدة للأحمال المرنة مثل البطاريات الحرارية والتأكد من أن المرافق الحالية تسهل وربما تكسب من نشر البطارية الحرارية.
مربح للجانبين للصناعة الأمريكية
يمكن للبطاريات الحرارية أن تسهل الكهرباء الصناعية والانتقال الأسرع إلى الصناعة النظيفة. إنها توفر حرارة تصل إلى 1500-1،700 درجة مئوية ، وهو ما يكفي لتلبية أكثر من 90 ٪ من الطلب على الحرارة في العمليات الصناعية مع الوقود القابل للاحتراق.
مع بيئة السياسة الصحيحة ، تعزز البطاريات الحرارية صناعة أمريكية نظيفة وتنافسية ، وتعزز الريادة التكنولوجية للولايات المتحدة ، وتقلل التلوث التقليدي والغازات المسببة للاحتباس الحراري. يجب على صانعي السياسة اغتنام هذه الفرصة المربحة للجانبين للاستثمار في التصنيع في الولايات المتحدة ، وحماية الصحة العامة ، والمساهمة في أهداف المناخ في الولايات المتحدة.
لمعرفة المزيد ، قم بالتسجيل في القائمة البريدية لبرنامج Industry Innovation’s Industry ليتم إعلامك بالبحوث المستقبلية ، بما في ذلك صناعة خالية من الكربون، كتابنا القادم من مطبعة جامعة كولومبيا.