مقارنة البطارية بمصادر الطاقة الأخرى

يسمع المرء عن التحسينات الرائعة في تقنيات البطاريات، التي يقدم كل منها مزايا مميزة، ولكن لا يقدم أي منها حلاً مرضياً تماماً لجميع احتياجات الطاقة في يومنا هذا. وعلى الرغم من أن البطارية تتمتع بالعديد من المزايا مقارنة بمصادر الطاقة الأخرى، إلا أن لها أيضًا قيودًا كبيرة تحتاج إلى معالجة.

تخزين الطاقة
تقوم البطاريات بتخزين الطاقة بشكل معقول ولفترة طويلة. وتحتفظ البطاريات الأولية (غير القابلة لإعادة الشحن) بطاقة أكبر من البطاريات الثانوية (القابلة لإعادة الشحن) كما أن التفريغ الذاتي أقل. تحتاج البطاريات القائمة على الرصاص والنيكل والليثيوم إلى إعادة شحن دورية لتعويض الطاقة المفقودة.

الطاقة النوعية (السعة)
بالمقارنة مع الوقود الأحفوري، فإن قدرة البطارية على تخزين الطاقة أقل إثارة للإعجاب. تبلغ الطاقة حسب كتلة البنزين أكثر من 12,000 واط/كجم. وفي المقابل، لا تحمل بطارية الليثيوم أيون الحديثة سوى حوالي 200 واط/كجم؛ ومع ذلك تتمتع البطارية بميزة توفير الطاقة بفعالية أكبر من المحرك الحراري.

الاستجابة
تتمتع البطاريات بميزة كبيرة مقارنة بمصادر الطاقة الأخرى من خلال كونها جاهزة للتوصيل في وقت قصير - فكر في الحركة السريعة لفلاش الكاميرا! لا توجد عملية إحماء، كما هو الحال مع محرك الاحتراق الداخلي (ICE)؛ حيث تتدفق طاقة البطارية في غضون جزء من الثانية. وبالمقارنة، يستغرق المحرك النفاث عدة ثوانٍ حتى يعمل، وتتطلب خلية الوقود بضع دقائق لاكتساب الطاقة، ويحتاج المحرك البخاري البارد للقاطرة إلى ساعات لتوليد البخار.

عرض النطاق الترددي للطاقة
تتمتع معظم البطاريات القابلة لإعادة الشحن بنطاق ترددي واسع للطاقة، مما يعني أنها تستطيع التعامل بفعالية مع الأحمال الصغيرة والكبيرة، وهي ميزة مشتركة مع محرك الديزل. وبالمقارنة، فإن عرض النطاق الترددي لخلية الوقود ضيّق ويعمل بشكل أفضل ضمن حمولة محددة. وكذلك الأمر بالنسبة للمحرك النفاث، الذي يعمل بكفاءة أكبر عند دورة محددة في الدقيقة (RPM).

البيئة
تعمل البطارية بشكل نظيف وتبقى باردة بشكل معقول. لا تحتوي معظم الخلايا المغلقة على فتحات تهوية وتعمل بهدوء ولا تهتز. وهذا يتناقض تماماً مع ICE وخلايا الوقود الكبيرة التي تتطلب ضواغط ومراوح تبريد. كما تحتاج ICE أيضاً إلى مدخل هواء وتوفير مدخل هواء لعادم الغازات السامة.

الكفاءة
البطارية عالية الكفاءة. تبلغ كفاءة الشحن في بطارية الليثيوم أيون 99 في المائة، وفقدان التفريغ ضئيل. وبالمقارنة، تبلغ كفاءة الطاقة لخلية الوقود من 20 إلى 60 في المائة، وتبلغ كفاءة الطاقة في المحرك الاحتياطي المتكامل من 25 إلى 30 في المائة. عند السرعة المثلى لسحب الهواء ودرجة الحرارة المثلى، يحقق محرك GE90-115 على متن طائرة بوينغ 777 النفاثة كفاءة تبلغ 37 في المئة. ترتبط كفاءة شحن البطارية بالقدرة على قبول الشحن.

التركيب
تعمل البطارية محكمة الغلق في أي وضع وتوفر قدرة جيدة على تحمل الصدمات والاهتزازات. يجب وضع معظم محركات ICE في الوضع العمودي وتركيبها على مخمدات ممتصة للصدمات لتقليل الاهتزاز. تحتاج المحركات الحرارية أيضاً إلى مشعب سحب الهواء وكاتم صوت العادم.

تكلفة التشغيل
إن البطاريات التي تعتمد على الليثيوم والنيكل هي الأنسب للأجهزة المحمولة؛ أما بطاريات حمض الرصاص فهي اقتصادية بالنسبة للتطبيقات ذات العجلات المتحركة والثابتة. فالسعر والوزن يجعلان البطاريات غير عملية بالنسبة لمجموعة نقل الحركة الكهربائية في المركبات الكبيرة. وتبلغ تكلفة سحب الطاقة من البطارية حوالي ثلاثة أضعاف تكلفة الحصول عليها من شبكة التيار المتردد. ويشمل الحساب تكلفة البطارية وشحنها من الشبكة ووضع ميزانية لاستبدالها في نهاية المطاف.

الصيانة
باستثناء سقي بطاريات الرصاص المغمورة بالمياه وتمرين بطاريات NiCds لمنع "الذاكرة"، فإن البطاريات القابلة لإعادة الشحن لا تحتاج إلى صيانة كبيرة. وتشمل الصيانة تنظيف التآكل المتراكم على الأطراف الخارجية وإجراء فحوصات دورية للأداء.

عمر الخدمة
تتمتع البطارية القابلة لإعادة الشحن بعمر افتراضي قصير نسبيًا وتتقادم حتى لو لم تكن قيد الاستخدام. والعمر الافتراضي الذي يتراوح بين 3 و5 سنوات مُرضٍ بالنسبة للمنتجات الاستهلاكية، ولكن هذا غير مقبول بالنسبة للبطاريات الكبيرة. إن بطاريات السيارات الهجينة والكهربائية مضمونة لمدة 8-10 سنوات؛ وتوفر خلية الوقود ما بين 2000 و5000 ساعة من الخدمة، واعتمادًا على درجة الحرارة، فإن البطاريات الثابتة الكبيرة صالحة لمدة 5-20 سنة.

درجات الحرارة القصوى
مثل دبس السكر، تؤدي درجات الحرارة الباردة إلى إبطاء التفاعل الكهروكيميائي ولا تعمل البطاريات بشكل جيد تحت درجة التجمد. تشترك خلية الوقود في المشكلة نفسها، ولكن محرك الاحتراق الداخلي يعمل بشكل جيد بمجرد تسخينه. يجب أن يتم الشحن السريع دائماً فوق درجة التجمد. ويوفر التشغيل في درجة حرارة عالية تعزيزاً للأداء، ولكن هذا يسبب الشيخوخة السريعة بسبب الإجهاد الإضافي.

وقت الشحن
هنا، تتمتع البطارية بميزة لا جدال فيها. فالأنظمة القائمة على الليثيوم والنيكل تستغرق من ساعة إلى 3 ساعات للشحن، بينما يستغرق شحن حمض الرصاص عادةً 14 ساعة. وبالمقارنة، يستغرق ملء السيارة بالوقود بضع دقائق فقط. على الرغم من أن بعض السيارات الكهربائية يمكن شحنها بنسبة 80 في المئة في أقل من ساعة واحدة على منفذ عالي الطاقة، إلا أن بطاريات الليثيوم أيون تتعرض للضغط عند الشحن السريع جداً.

التخلص من النفايات
تحتوي بطاريات النيكل-الكادميوم وبطاريات حمض الرصاص على مواد خطرة ولا يمكن التخلص منها في مدافن النفايات. أما أنظمة النيكل-هيدريد النيكل والليثيوم فهي صديقة للبيئة ويمكن إدراجها بكميات صغيرة مع الأدوات المنزلية العادية، لكن السلطات توصي بإعادة تدوير جميع البطاريات.