تعرف هذه التقنية باسم تخزين الطاقة الحرارية، وهي موجودة منذ فترة طويلة ولكن غالباً ما يتم تجاهلها. الآن يقوم العلماء في مختبر لورانس بيركلي الوطني (مختبر بيركلي) بنقلة منسقة وعبر تضافر جهود مشتركة لنقل تخزين الطاقة الحرارية إلى المستوى التالي.
هل يمكن أن يكون خزان الجليد أو الماء الساخن بطارية؟ نعم! إذا كانت البطارية عبارة عن جهاز لتخزين الطاقة، فإن تخزين الماء الساخن أو البارد لتشغيل نظام التدفئة أو تكييف الهواء في المبنى يعد نوعاً مختلفاً من أشكال تخزين الطاقة. تعرف هذه التقنية باسم تخزين الطاقة الحرارية، وهي موجودة منذ فترة طويلة ولكن غالباً ما يتم تجاهلها. الآن يقوم العلماء في مختبر لورانس بيركلي الوطني (مختبر بيركلي) بنقلة منسقة وعبر تضافر جهود مشتركة لنقل تخزين الطاقة الحرارية إلى المستوى التالي.
للتغلب على بعض القيود المفروضة على تخزين الطاقة الحرارية التقليدية القائمة على الماء، يبحث علماء مختبر بيركلي في تطوير مواد وأنظمة من الجيل التالي لاستخدامها كوسيط للتدفئة أو التبريد. يقومون أيضاً بإنشاء إطار عمل لتحليل التكاليف، بالإضافة إلى أداة لمقارنة التوفير في التكاليف. في سلسلة من الأوراق البحثية التي نُشرت أواخر العام المنصرم، أبلغ باحثو مختبر بيركلي عن تطورات مهمة في كل مجال من هذه المجالات.
قال رافي براشر، مدير المختبر المساعد لتقنيات الطاقة في مختبر بيركلي: من الصعب للغاية إزالة الكربون من المباني، خاصة للتدفئة. ولكن إذا قمت بتخزين الطاقة على شكل الاستخدام النهائي، وهو الحرارة، وليس على شكل مصدر للطاقة، أي الكهرباء، فقد يكون التوفير في التكلفة مقنعاً للغاية. والآن مع إطار العمل الذي طورناه، سنتمكن من تقييم تكاليف تخزين الطاقة الحرارية مقابل التخزين الكهربائي، مثل بطاريات الليثيوم، وهو الأمر الذي كان مستحيلاً قبل الآن.
في الولايات المتحدة، يمثل استهلاك المباني للطاقة 40% من إجمالي الاستهلاك. من هذا الاستهلاك يذهب النصف تقريباً نحو الأحمال الحرارية، والتي تشمل تدفئة وتبريد المساحات بالإضافة إلى تسخين المياه وتبريدها. بمعنى آخر، يذهب خمس الطاقة المنتجة نحو الأحمال الحرارية في المباني. وبحلول عام 2050، من المتوقع أن يزداد الطلب على شبكة الكهرباء من الأحمال الحرارية بشكل كبير؛ حيث يتم التخلص التدريجي من الغاز الطبيعي ويتم تشغيل التدفئة بشكل متزايد بالاعتماد على الكهرباء.
يقول سومانجيت كور، رئيس مجموعة الطاقة الحرارية في مختبر بيركلي: إذا استخدمنا أسلوب تخزين الطاقة الحرارية، حيث تكون المواد الخام أكثر وفرة لتلبية الطلب على الأحمال الحرارية، فسيؤدي ذلك إلى تخفيف بعض الطلب على التخزين الكهروكيميائي وتحرير البطاريات لاستخدامها حيث لا يمكن تخزين الطاقة الحرارية.
بديل عملي وفعال
مع استمرار مجتمعنا بالاستهلاك المتزايد للكهرباء، من المتوقع أن تكون الحاجة إلى البطاريات لتخزين الطاقة ضخمة، حيث من المقدر أن تصل الحاجة إلى تخزين نحو 2 إلى 10 تيراوات في الساعة من إنتاج البطاريات السنوي بحلول عام 2030 بينما المعدل اليوم هو 0.5 تيراوات في الساعة. نظراً لأن بطارية الليثيوم الأيونية هي تقنية التخزين المهيمنة في المستقبل المنظور، فإن العائق الرئيسي هو محدودية توافر المواد الخام، بما في ذلك الليثيوم والكوبالت والنيكل، وهي المكونات الأساسية لبطارية الليثيوم اليوم. على الرغم من أن مختبر بيركلي يعمل بنشاط لمعالجة هذا العائق، إلا أن هناك حاجة أيضاً إلى أشكال بديلة لتخزين الطاقة.
قال براشر: تواجه بطاريات الليثيوم ضغطاً هائلاً الآن فيما يتعلق بتوريد المواد الخام. نعتقد أن تخزين الطاقة الحرارية يمكن أن يكون بديلاً قابلاً للتطبيق ومستداماً وفعالاً من حيث التكلفة مقارنة بأشكال تخزين الطاقة الأخرى.
يمكن اعتماد تخزين الطاقة الحرارية على مجموعة من المقاييس، بما في ذلك في المباني الفردية - مثل المنزل أو المكتب أو المصنع - أو على مستوى المنطقة أو المدينة. في حين أن الشكل الأكثر شيوعاً للطاقة الحرارية يستخدم خزانات كبيرة من الماء الساخن أو البارد، إلا أن هناك أنواعاً أخرى مما يسمى بالتخزين الحراري المعقول، مثل استخدام الرمال أو الصخور لتخزين الطاقة الحرارية. ومع ذلك، تتطلب هذه الأساليب مساحات كبيرة، مما يحد من ملاءمتها للمساكن.
من السائل إلى الصلب
للتغلب على هذا العائق، طور العلماء مواد عالية التقنية لتخزين الطاقة الحرارية. على سبيل المثال، تمتص المواد متغيرة الطور الطاقة وتطلقها عندما تنتقل من طور إلى آخر، مثل الانتقال من الحالة السائلة إلى الحالة الصلبة والعكس.
تحتوي المواد متغيرة الطور على عدد من التطبيقات المحتملة، بما في ذلك الإدارة الحرارية للبطاريات (لمنعها من السخونة الشديدة أو البرودة الشديدة)، والمنسوجات المتقدمة (فكر في الملابس التي يمكن أن تبقيك دافئاً أو بارداً تلقائياً، وبالتالي تحقيق الراحة الحرارية مع التقليل من استهلاك الطاقة في المباني) والتبريد الجاف لمحطات الطاقة (للحفاظ على المياه). في المباني يمكن إضافة مواد متغيرة الطور إلى الجدران، لتكون بمثابة بطارية حرارية للمبنى. عندما ترتفع درجة الحرارة المحيطة فوق نقطة انصهار المادة، تغير المادة حالتها وتمتص الحرارة، وبالتالي ينتج عن هذا الامتصاص تبريد المبنى. على العكس من ذلك، عندما تنخفض درجة الحرارة إلى ما دون نقطة الانصهار، فإن المادة تتحول إلى حالة ثانية وتطلق الحرارة.
ومع ذلك، فإن إحدى المشكلات المتعلقة بالمواد متغيرة الطور، هي أنها تعمل عادةً في نطاق درجة حرارة واحدة فقط. هذا يعني أنه ستكون هناك حاجة إلى مادتين مختلفتين لفصلي الصيف والشتاء، ما يزيد من التكلفة. انطلق مختبر بيركلي للتغلب على هذه المشكلة وتحقيق ما يسمى "الضبط الديناميكي" لدرجة الحرارة الانتقالية.
في دراسة نُشرت مؤخراً في Cell Reports Physical Science، كان الباحثون أول من حقق ضبطاً ديناميكياً في مادة متغيرة الطور. تستخدم طريقة الاختراق الخاصة بهم أيونات ومواد فريدة لتغيير الطور تجمع بين تخزين الطاقة الحرارية وتخزين الطاقة الكهربائية، بحيث يمكنها تخزين وتزويد كل من الحرارة والكهرباء.
قال جاو ليو، قائد مجموعة أبلايد إنيرجي ماتيريالز، المؤلف المشارك للدراسة: هذه التكنولوجيا الجديدة فريدة حقاً لأنها تجمع بين الطاقة الحرارية والكهربائية في جهاز واحد. إنها تعمل مثل بطارية حرارية وكهربائية. علاوة على ذلك، تزيد هذه القدرة من إمكانات التخزين الحراري بسبب القدرة على ضبط نقطة انصهار المادة اعتماداً على درجات الحرارة المحيطة المختلفة. سيؤدي هذا إلى زيادة استخدام المواد متغيرة الطور بشكل كبير.
أضاف كور، وهو أيضاً مؤلف مشارك في الورقة: عند النظر إلى الصورة الكبرى، يساعد هذا في خفض تكلفة التخزين لأنه يمكن الآن استخدام المادة نفسها على مدار العام بدلاً من نصف العام فقط.
عند تشييد المباني على نطاق واسع، ستسمح هذه القدرة المجمعة لتخزين الطاقة الحرارية والكهربائية للمواد بتخزين الكهرباء الزائدة الناتجة عن استغلال الطاقة الشمسية أو طاقة الرياح في الموقع، لتلبية الاحتياجات الحرارية (التدفئة والتبريد) والاحتياجات الكهربائية.
النهوض بالعلوم الأساسية
تناولت دراسة أخرى من مختبر بيركلي في وقت سابق من العام المنصرم مشكلة التبريد الفائق، وهو أمر غير فائق الروعة على الإطلاق في بعض المواد متغيرة الطور لأنه يجعل المادة غير قابلة للتنبؤ، حيث قد لا تغير طورها عند نفس درجة الحرارة في كل مرة. كانت الدراسة، التي نُشرت في مجلة أبلايد إنيرجي، بقيادة طالب الدراسات العليا في مختبر بيركلي وطالب الدكتوراه في جامعة كاليفورنيا في بيركلي، درو ليلي، وهو أول من أظهر منهجية للتنبؤ الكمي بأداء التبريد الفائق للمادة.
تصف دراسة ثالثة لمختبر بيركلي، نشرت في رسائل الفيزياء التطبيقية أواخر العام الماضي، وسيلة لتطوير الفهم الذري والجزيئي للتغيير التقليدي، وهو أمر بالغ الأهمية لتصميم مواد جديدة متغيرة الطور.
وقال براشر: حتى الآن، كانت معظم الدراسات الأساسية المتعلقة بفيزياء المواد متغيرة الطور ذات طبيعة حسابية، لكننا طورنا منهجية بسيطة للتنبؤ بكثافة الطاقة للمواد متغيرة الطور. هذه الدراسات هي خطوات مهمة تمهد الطريق لاستخدام المواد متغيرة الطور على نطاق واسع.
مقارنة التفاح بالتفاح
تبني الدراسة الرابعة، التي نشرت للتو في مجال الطاقة والعلوم البيئية، إطاراً يتيح إجراء مقارنات التكلفة المباشرة بين البطاريات وأساليب تخزين الطاقة الحرارية، والتي لم تكن ممكنة حتى الآن.
وقال كور: هذا إطار جيد حقاً للأشخاص للقيام بالمقارنة: التفاح بالتفاح - البطاريات مقابل التخزين الحراري. إذا جاء لي شخص ما وسألني هل يجب علي تثبيت PowerWall (نظام تيسلا لبطاريات الليثيوم لتخزين الطاقة الشمسية) أو اعتماد تخزين الطاقة الحرارية، لم يكن هناك طريقة للمقارنة. يوفر هذا الإطار طريقة للناس لفهم تكلفة التخزين على مر السنين.
الإطار الذي تم تطويره مع الباحثين في مختبر الطاقة المتجددة الوطنية ومختبر أوك ريدج الوطني، يأخذ في الاعتبار التكاليف العمرية. على سبيل المثال، تحتوي الأنظمة الحرارية على تكاليف رأس مال منخفضة للتثبيت، وعمر الأنظمة الحرارية عادة ما يكون من 15 إلى 20 عاماً، في حين يجب استبدال البطاريات عادة بعد ثماني سنوات.
بناء أنظمة HVAC
أخيراً، أظهرت دراسة مع باحثين من جامعة ديفيس وجامعة بيركلي جدوى تكنو- اقتصادية لنشر أنظمة HVAC المعتمدة على تخزين الطاقة الحرارية بناء على المواد متغيرة الطور. أولاً طور الفريق النماذج والمحاكاة اللازمة لتقييم التوفير في تكاليف الطاقة، والحد من ذروة الحمل، وتكلفة إنشاء مثل هذا النظام. ستتيح الأداة، التي ستكون متاحة للجمهور، للباحثين والبنائين بمقارنة اقتصاديات نظام HVAC مع تخزين الطاقة الحرارية إلى أنظمة HVAC الكهربائية بالكامل مع وبدون تخزين كهروكيميائي.
وقال بريسر دوتون قائد المشروع في مختبر بيركلي: هذه الأدوات تقدم فرصة غير مسبوقة لاستكشاف اقتصاديات التطبيقات في العالم الحقيقي لأنظمة HVAC المدمجة والمعتمدة على تخزين الطاقة الحرارية. إن دمج تخزين الطاقة الحرارية يسمح لنا بتقليل القدرة بشكل كبير وخفض تكلفة مضخة الحرارة، وهذا عامل مهم في حساب تكاليف دورة حياة هذه التقنية.
بعد ذلك، استمر الفريق في تطوير نظام HVAC الأنموذج الأولي "الجاهز" الميداني للمباني التجارية الصغيرة التي استخدمت البطاريات الحرارية الباردة والساخنة بناء على المواد متغيرة الطور. ينتقل مثل هذا النظام إلى تحميل التبريد والتسخين خارج الشبكة الكهربائية. أخيراً ينشر الفريق عرضاً ميدانياً على نطاق سكني، مع التركيز على الكهربة المنزلية وتحويل حمولات التدفئة المنزلية والمياه الساخنة.
وقال نويل بختيان، المدير التنفيذي لشركة Berkeley Labon في مركز تخزين الطاقة: إذا كنت تفكر في كيفية استهلاك الطاقة في جميع أنحاء العالم، يعتقد معظم الناس أنها تستهلك على شكل كهرباء، ولكن في الواقع يستهلك معظمها على شكل حرارة. إذا كنت ترغب في إزالة الكربون من العالم، فأنت بحاجة إلى التركيز على المباني والصناعة وإزالة الكربون من هذين المجالين. هذا يعني أنك بحاجة إلى التركيز على الحرارة. تخزين الطاقة الحرارية يمكن أن يلعب دوراً مهماً هناك.
تم دعم الأبحاث من قبل مكتب تكنولوجيا المباني لإدارة مكتب الطاقة في مجالي كفاءة الطاقة والطاقة المتجددة.
ملاحظة المترجم: إن الحد من هدر الطاقة المتجددة من خلال تخزين الطاقة الحرارية يجعل بعض مصادر الطاقة المتجددة أكثر كفاءة، إن الطاقة الحرارية تبدو حتى الآن واعدة في الحد من انبعاثات غازات الاحتباس الحراري وتعزيز الاستدامة.
-----