بطاريات المعلومات.. طريقة حديثة لتخزين الطاقة المستدامة

يمكن لمستقبل مدعوم من مصادر الطاقة المستدامة أن ينقذ العالم من تغير المناخ المدمر ويقلل من فواتير الطاقة. لكن الطاقة المتجددة بها مشكلة تقطع, فالشمس لا توفر طاقة في الليل، بينما يمكن أن تتوقف الرياح فجأة. لذا يقترح العلماء طريقة جديدة للتعامل مع تقطع مصادر طاقة الرياح والطاقة الشمسية,  وتخزين الطاقة الخضراء بتكلفة رخيصة وفعالة.

بالإضافة إلى ذلك، يجب أن تحافظ شبكات الطاقة على التوازن بين العرض والطلب وإلا ستخاطر بالزيادة المفاجئة وانقطاع التيار الكهربائي. نتيجة لذلك، يتم إغراق الطاقة المتجددة في أوقات الإنتاج الزائد، بينما في أوقات أخرى، تحرق محطات الطاقة الوقود الأحفوري لمواجهة النقص في الشبكة.

يقول “باراث راغافان”، الأستاذ المساعد في علوم الكمبيوتر في مدرسة USC Viterbi: “الطريقة التي تسير بها الأمور، في غضون خمس سنوات، ستكون كمية الطاقة المتجددة المهدرة في كاليفورنيا كل عام معادلة لمقدار الطاقة التي تستخدمها لوس أنجلوس كل عام”.

يعتبر التخزين الأفضل للبطاريات, وهو السحري للعلماء في جميع أنحاء العالم, ومفتاحًا لحل مشكلة التقطع عن طريق تخزين الطاقة عندما تكون الرياح والشمس قوية. لكن حلول التخزين الحالية، بما في ذلك بطاريات أيونات الليثيوم ومحطات ضخ المياه، باهظة الثمن وصعبة الحجم.

ماذا لو كان من الممكن تخزين فائض الطاقة المتجددة كعملية حسابية بدلاً من ذلك؟ هذا هو التفكير وراء “بطاريات المعلومات”، وهو نظام جديد اقترحه راغافان وجنيفر سويتزر، دكتوراه. طالب من جامعة كاليفورنيا في سان دييغو، نُشر مؤخرًا في ACM Energy Informatics Review .

توقع الحسابات الممكنة

الفكرة الأساسية لبطاريات المعلومات بسيطة: عندما تتوفر الطاقة المتجددة بشكل زائد، يتم استخدامها لإجراء حسابات مضاربة في مراكز البيانات الكبيرة كثيفة الاستهلاك للطاقة. تستهلك مراكز البيانات هذه – من Google و Facebook إلى عرض أفلام هوليوود – 10 إلى 50 ضعفًا من الطاقة في مبنى تجاري نموذجي ، وفقًا لمكتب كفاءة الطاقة والطاقة المتجددة. يمكن بعد ذلك استخدام النتائج المحسوبة المخزنة في وقت لاحق عندما تكون الطاقة الخضراء أقل وفرة.

قال راغافان، الذي ركز بحثه على: على النظم والاستدامة.

على سبيل المثال، كل يوم، تقوم مراكز بيانات YouTube بتحويل أكثر من 700000 ساعة من مقاطع الفيديو إلى قرارات مختلفة. العديد من هذه الحسابات يمكن التنبؤ بها ويمكن إجراؤها في وقت توجد فيه طاقة خضراء زائدة. في هذه المرحلة ، يتم تخزين البيانات على الخوادم لاستخدامها لاحقًا، عندما يكون هناك قدر أقل من الطاقة المتجددة المتاحة على الشبكة – نقل استهلاك الكهرباء بشكل أساسي من فترة زمنية إلى أخرى.

إذن، كيف يعمل هذا مثل البطارية؟ بالمعنى العلمي، قال راغافان ، البطاريات هي مخازن للطاقة الكامنة للقيام بأعمال مفيدة، كهربائية أو غير ذلك. يحول معظم تخزين الطاقة إلى بطاريات نوعًا واحدًا من الطاقة إلى نوع آخر من الطاقة الكامنة، على سبيل المثال، الطاقة الكهربائية إلى طاقة الجاذبية. في هذه الحالة، توفر المعلومات الطاقة بنفس طريقة البطارية لأن الطاقة الكهربائية تتحول إلى ما يمكن أن يسمى “الطاقة الكامنة المعلوماتية”.

بالإضافة إلى الاستفادة من إمكانية التنبؤ بالمهام، يتسم النظام بالمرونة أيضًا: فالعمليات الحسابية التي تم إكمالها مسبقًا لا تحتاج إلى أن تتطابق تمامًا مع الحسابات المنجزة في وقت لاحق.

قال راغافان: “نحن ندعم الحوسبة المسبقة للعديد من أجزاء الحساب وبعد ذلك يمكننا لاحقًا اختيار واختيار أجزاء صغيرة من العمليات الحسابية التي تم إجراؤها من قبل، مثل قطع الألغاز، وتجميعها معًا لحساب مهمة حسابية جديدة تمامًا”.

بالنسبة لأنواع معينة من أعباء العمل، قال راغافان، يوفر نظام بطارية المعلومات كفاءة أفضل من بطاريات الليثيوم أيون. تعتمد الكفاءة المحددة على عوامل متعددة، مثل أنواع الحسابات التي يتم إجراؤها وإمكانية التنبؤ بالقوة. ولكن على عكس بطاريات الليثيوم أيون، فإن تخزين البيانات فعال من حيث التكلفة من حيث المال والطاقة. يمكن أن يساعد ذلك في تقليل الاعتماد على الوقود الأحفوري، المسؤول عن ثلاثة أرباع انبعاثات غازات الاحتباس الحراري العالمية.

بديل مستقبلي واعد

في حين أن الفكرة نفسها بسيطة نسبيًا، فإن التحدي، كما قال الباحثون، هو تحديد الحساب الذي يجب إجراؤه، وأين ومتى، وكيف يجب إجراء هذه الحسابات لاسترداد النتائج بكفاءة لاحقًا.

في الورقة، التي تحمل عنوان “بطاريات المعلومات: تخزين قوة الفرصة مع التنفيذ التخميني”، يقدم راغافان وسويتزر تصميمًا وإثباتًا لتطبيق المفهوم لنظام انعدام الكربون، والذي يتضمن الشبكات العصبية المتكررة للتنبؤ بالتوافر المستقبلي للطاقة المتجددة والقادمة المهام في مراكز البيانات.

يتضمن أيضًا ذاكرة تخزين مؤقت حيث يتم تخزين الوظائف ومجمع معدل لتعديل الكود تلقائيًا لتخزين واسترداد النتائج. سيتم توزيع البنية التحتية جغرافيًا، وتضم العديد من مراكز البيانات الصغيرة الموزعة، يقع كل منها في منطقة من الدولة يُعرف أن إنتاج الرياح أو الطاقة الشمسية مرتفع فيها.

قال راغافان: “مع هذا النظام ، ستستخدم الشركات الطاقة التي كان من الممكن التخلص منها، ويستفيد الجميع لأن مشغل الشبكة لا يضطر إلى تدوير طاقة الغاز الطبيعي في ساعات المساء لتعويض الطلب”.

هناك بعض القيود التي يستكشفها الباحثون في الدراسة: على سبيل المثال، هذا ممكن فقط في بعض أعباء العمل وفي بعض السياقات. لكن راغافان يؤمن بتحسين التنبؤ والتكامل في الأنظمة الكبيرة، تشير التكنولوجيا إلى بديل مستقبلي واعد لتخزين الطاقة الخضراء. قال راغافان: “في التحدي الحضاري للاستدامة، نحتاج إلى كل أداة يمكننا الحصول عليها”.