ما هي بطاريات الرمل؟ كل ما تحتاج إلى معرفته

تصدرت أخبار بطارية رملية من فنلندا عناوين الأخبار في الآونة الأخيرة، على الرغم من أن هذا النظام كان يقوم فقط بتخزين وإطلاق الحرارة.

لا يعد تخزين الحرارة الحرارية تقنية جديدة، ولكن هذا المشروع التجريبي يسلط الضوء على بعض الاحتمالات المستقبلية لتقنيات وأنظمة الطاقة الخضراء.

تلقي هذه التدوينة الضوء على التكنولوجيا المحيطة بالرمال لتخزين الطاقة، بالإضافة إلى التقنيات المماثلة، وما تعنيه للعالم.

الطاقة من الرمال؟

يتمتع الرمل الطبيعي بالعديد من الصفات التي تجعله وسطًا مثاليًا لتخزين الطاقة الحرارية. يمكنك تسخينه إلى درجات حرارة تتجاوز 1,000 درجة مئوية (1,832 درجة فهرنهايت) دون مشاكل ويمكنه الاحتفاظ بهذه الحرارة لأيام وأسابيع وحتى أشهر مع الحد الأدنى من الخسارة.

إذا كنت تعتبر أن البطارية هي وسيلة لتخزين الطاقة التي تم إنتاجها في وقت معين، بحيث يمكن استخدامها في وقت مختلف، فإن الرمل الذي يتم تسخينه بالطاقة الكهربائية لتخزينه واستخدامه لاحقًا، هو بطارية.

بطارية الرمل الفيروسية من فنلندا

في مقاطعة كانكانبا الفنلندية الغربية يوجد نظام تخزين حراري حاصل على براءة اختراع تم تطويره بواسطة ليلة قطبيةوتستخدم المحطة الطاقة الكهربائية الزائدة من مصادر متجددة لتسخين الرمال في صومعة يبلغ ارتفاعها 7 أمتار وعرضها 4 أمتار حتى تصل إلى درجة حرارة 600 درجة مئوية (1,112 درجة فهرنهايت) لتخزينها واستخدامها لاحقًا في شبكة التدفئة المركزية.

هناك بعض الأمور المهمة التي يجب وضعها في الاعتبار هنا. أولاً، الطاقة المستخدمة هي فائض من الطاقة المولدة من مصادر متجددة مثل طاقة الرياح والطاقة الشمسية. وهذا يزيل أي مقارنات موضوعية مع أنظمة تخزين الطاقة الأخرى للأغراض التجارية.

ثانياً، يتم استخدام النظام حصرياً لتخزين الحرارة وتوصيلها ـ أي تحويل الطاقة الكهربائية إلى حرارة وتخزينها في الرمال. ثم عند الحاجة إليها، يتم استخراج الحرارة وتوزيعها على المنازل والمصانع حيثما تكون هناك حاجة إليها.

ثالثًا، يمكن للرمال الطبيعية أن تحتفظ بكمية هائلة من الطاقة. على سبيل المثال، تحتفظ بطارية Polar Night الفنلندية بـ 100 طن من الرمال عند درجة حرارة حوالي 600 درجة مئوية، بإجمالي 8 ميغاواط/ساعة من الطاقة المخزنة بسعة تسخين 100 كيلوواط. وهذا يجعل الرمال وسيلة تخزين طاقة رخيصة بشكل لا يصدق بدون تقنيات متطورة أو تركيبات أو متطلبات خطيرة.

حول تخزين الطاقة الحرارية الموسمية

لقد كان تخزين الطاقة الحرارية الموسمية (STES) موجودًا منذ فترة طويلة جدًا. وفي أبسط صوره، يمكنك جمع الماء الساخن من السطح أثناء الصيف وتخزينه في خزان تحت الأرض، والذي يمكنك استخدامه بعد ذلك للتدفئة أثناء الشتاء.

ومع ذلك، فإن معظم أنظمة تخزين الطاقة الشمسية تخزن الحرارة عند درجة حرارة أقل من 100 درجة مئوية، مما يجعلها مناسبة لتدفئة المنازل والمكاتب، ولكنها أقل مثالية للاستخدامات الصناعية الأخرى أو توليد الطاقة.

الطريقة بسيطة، حيث يتم تعريض أي وسط قادر على حبس الحرارة والاحتفاظ بها لمصدر إشعاع، مثل الشمس، أو نفايات الحرارة الصناعية، وما إلى ذلك. وتعتمد كفاءة النظام على طريقة تبادل الحرارة وكفاءتها.

بعد ذلك، سيتعين عليك تخزين الوسيط الساخن في حاوية معزولة، لتقليل فقد الطاقة. يمكن لبعض الحاويات الاحتفاظ بالحرارة جيدًا لعدة أشهر.

أخيرًا، يتم ضخ وسيط التخزين خلال فصل الشتاء لتوفير التدفئة للمنازل والمكاتب من خلال تمريره عبر مبادل حراري آخر مثل سخان المبرد. تشمل المواد الشائعة المستخدمة كوسائط تخزين STES الماء والزيت والتربة والهيدرات الملحية وما إلى ذلك.

الاستخدامات الشائعة للطاقة الحرارية المخزنة

للطاقة الحرارية المخزنة استخدامات عديدة، اعتمادًا على التطبيق المقصود. وفيما يلي أكثرها شيوعًا:

1. تدفئة المنازل والمكاتب – يمكن للطاقة الحرارية المخزنة أن توفر التدفئة بسهولة لأماكن المعيشة والعمل في الشتاء.
   
2. ورطة - يمكن أيضًا نقل الحرارة لتوفير الماء الساخن الجاهز دائمًا للاستخدامات اليومية.
   
3. تطبيقات صناعية – يتم استخدام الماء الساخن في مجموعة واسعة من التطبيقات الصناعية، من الخلط إلى التنظيف، وتجهيز الأغذية، وصنع المذيبات، والتعقيم، وأكثر من ذلك بكثير.
   
4. إنتاج الكهرباء  - يمكنك أيضًا استخدام الطاقة الحرارية المخزنة لتسخين الماء وتحويله إلى بخار وتشغيل التوربينات، والتي بدورها تعمل على تشغيل المولدات التي تنتج الطاقة الكهربائية.

اقتصاديات بطارية الرمل

يمكن للماء تخزين المزيد من الطاقة مقارنة بالرمل، ولكنه يصبح غير مستقر من 100 درجة مئوية (212 درجة فهرنهايت) وما فوق، بينما يمكن للرمل أن يحتوي بسهولة على درجات حرارة تصل إلى 600 درجة مئوية (1112 درجة فهرنهايت).

كما أن الماء يحتفظ بطاقته الحرارية لفترة أطول من الرمل، مما يجعل الماء وسيلة أفضل لتخزين الطاقة الموسمية. ومع ذلك، إذا كنت تفكر في تطبيق يستهلك الحرارة في غضون ساعات أو بضعة أيام فقط، فإن الرمل يصبح الخيار الأفضل مرة أخرى. إنه مثالي لتكملة مصادر الطاقة المتقطعة مثل الطاقة الشمسية الكهروضوئية وطاقة الرياح.

بالعودة إلى بطارية الرمل الفنلندية، فإن الحاوية الفولاذية التي يبلغ ارتفاعها 7 أمتار مصممة لحمل 100 طن من الرمل، والتي تحمل ما يصل إلى 8 ميجاوات في الساعة من الطاقة.

ولوضع الأمر في نصابه الصحيح، فإن متوسط ​​استهلاك المنازل في الولايات المتحدة من الطاقة يبلغ نحو 10 ميغاواط/ساعة سنوياً، في حين يتراوح هذا الرقم في أوروبا من نحو 2 ميغاواط/ساعة في رومانيا إلى 9 ميغاواط/ساعة في السويد. وبالإضافة إلى ذلك، يتم استخدام ما بين 30% و50% من الطاقة للتدفئة خلال فصل الشتاء.

وهذا يعني أن خزاناً رملياً بارتفاع سبعة أمتار قادر على إنتاج ما يكفي من الطاقة لتدفئة بضعة منازل خلال فصل الشتاء، وذلك بحسب موقعك. ولكن هذا لن يكون تطبيقاً عملياً في المراكز الحضرية ذات الكثافة السكانية العالية، نظراً لحجمها.

من ناحية أخرى، فإن تحويل قدرة التدفئة البالغة 100 كيلو وات إلى كهرباء بنسبة 30% يمكن أن ينتج طاقة كافية لأكثر من 20 منزلاً خلال النهار، والعديد من المنازل في الليل.

لذا، إذا تم تحسينها بشكل صحيح، فإن بطارية الرمل التي تكلف حوالي 5 دولارات لكل كيلووات ساعة من السعة يمكن أن تكون بديلاً رائعًا للتكلفة الحالية التي تزيد عن 100 دولار لكل كيلووات ساعة لأنظمة بطاريات الرصاص الحمضية والليثيوم أيون. نعم، قد تكون أكثر ضخامة، لكنها أرخص بكثير.

بطاريات الرمل لتوليد الكهرباء

إن تخزين الطاقة الحرارية لاستخدامها لاحقًا في توليد الكهرباء هي تقنية مجربة وموثوقة تم تنفيذها في الطاقة الشمسية المركزة (CSP) مشاريع لعقود من الزمن.

يتم احتجاز الطاقة في نظام الطاقة الشمسية المركزة الحديث عن طريق تركيز مئات أو آلاف المرايا في فرن واحد. ثم تتبع هذه المرايا الشمس طوال اليوم لضمان ثبات الحرارة في الفرن حتى 565 درجة مئوية (1,049 درجة فهرنهايت).

غالبًا ما تكون تركيبات الطاقة الشمسية المركزة كبيرة جدًا، حيث تمتد على ملايين الأقدام المربعة (~1+ كيلومتر مربع) في المنطقة، مع مستقبلات الطاقة الشمسية في المركز وقدرات توليد الكهرباء في نطاق 2+ ميغاواط.

يتم استخدام خليط من الملح المنصهر يحتوي على 60% من نترات الصوديوم و40% من نترات البوتاسيوم لتخزين الطاقة في أنظمة الطاقة الشمسية المركزة لتوليدها ليلاً. ولكن على عكس بطارية الرمل، يذوب هذا الخليط الملحي عند درجات حرارة عالية ليجعله يتدفق مثل السائل.

إن أنظمة الطاقة الشمسية المركزة وبطاريات الرمل تعمل على تحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة حرارية بكفاءات متساوية تقريبًا تتراوح بين 15% و20%. ولكن في حين تتمتع أنظمة الطاقة الشمسية المركزة باستخدام الملح المنصهر بكفاءة تبلغ نحو 50% في تحويل الحرارة المخزنة إلى كهرباء، فإن كفاءة بطارية الرمل الفنلندية تتراوح نظريًا بين 20% و25%.

تعتبر أنظمة الطاقة الشمسية المركزة مجدية تجاريا، لذلك إذا تمكنت من تعديل هذه البطارية الفنلندية للحصول على كفاءة تحويل الحرارة إلى كهرباء تزيد عن 30%، فإنها يمكن أن تصبح تقنية قابلة للتطبيق لتخزين وتوفير الكهرباء المتجددة بتكلفة زهيدة.

تقنيات تخزين مماثلة

هناك العديد من الأشكال الأخرى لتخزين الطاقة، ولكل منها إيجابياتها وسلبياتها. وتشمل الأنواع الأكثر شيوعًا ما يلي:

1. تخزين الطاقة الكهروكيميائية - كما هو الحال في البطاريات، فإن هذا يستغل فرق الجهد بين عنصرين لتخزين وإطلاق الطاقة باستخدام تفاعلات كهروكيميائية قابلة للعكس.
   
2. تخزين الطاقة الميكانيكية - يتضمن ذلك أساليب مختلفة بما في ذلك استخدام العجلات الدوارة والينابيع، بالإضافة إلى أنظمة الجاذبية التي تخزن الطاقة في جسم ما عن طريق رفعه وزيادة ارتفاعه.
   
3. تخزين الطاقة بالملح المنصهر (MSES) - التخزين هنا يكون حراريًا، مثل استخدام مزيج من 60% نترات الصوديوم و40% نترات البوتاسيوم.
   
4. الماء الساخن الحراري - يمكن لهذه الطريقة تخزين ما يصل إلى 6 كيلوواط ساعة من الطاقة في خزان ماء ساخن سعة 50 جالونًا.
   
5. ضخ هيدرو – أرخص أشكال تخزين الطاقة. لكن مشكلتها الرئيسية هي المواقع المحدودة التي يمكن تنفيذها فيها.
   
6. هواء مضغوط – على غرار الطاقة الكهرومائية، تقوم هذه الطريقة ببساطة بضغط الهواء لتخزين الطاقة. ثم عندما تحتاج إلى الطاقة، تقوم بإطلاق الهواء المضغوط لتشغيل توربين.
   
7. دولاب الموازنة - كل ما عليك فعله هو استخدام الطاقة لتدوير عجلة متوازنة جيدًا، وتخزينها بالتالي على شكل طاقة حركية يمكن استخدامها إما للتنقل أو لتوليد الطاقة الكهربائية.
   
8. بطارية التدفق – هذا نظام تخزين كهروكيميائي حيث يتم وضع الإلكتروليتات في خزانات مختلفة ويجب أن تتدفق من خزان مشحون بالكامل إلى خزان شحن فارغ. ثم لشحن الإلكتروليتات، ما عليك سوى عكس التدفق. يمكن أن تنتج هذه الطريقة بطاريات قوية للغاية حيث يتفاعل الإلكتروليتان من خلال غشاء يمكنك توسيعه على نطاق واسع.
   
9. مواد تغيير المرحلة - تمتص هذه المواد الطاقة أثناء ذوبانها، ثم تتخلص منها أثناء تصلبها. وهي مثالية لتخزين الطاقة الحرارية عند درجات حرارة محددة.

الأسئلة الشائعة (FAQs)

الخاتمة

لقد وصلنا إلى نهاية هذا الاستكشاف لبطاريات الرمل وإمكانياتها الاقتصادية. وكما يجب أن تكون قد أدركت، فإنها توفر العديد من الإمكانيات.

من توفير التدفئة للمجتمعات إلى توليد الطاقة الكهربائية، فإن رخص سعر رمال السيليكا يجعلها وسيلة واعدة لمشاريع الطاقة المستقبلية.