تحويل الرمال شديدة الحرارة إلى كهرباء صديقة للبيئة

متابعة ـ التآخي

أي شخص سبق له أن مشى حافي القدمين عبر الشاطئ في يوم مشمس سيحصل على فهم أكبر لمقدار الحرارة التي يمكن أن تحتفظ بها الرمال. ومن المتوقع أن تلعب هذه القدرة دورا حيويا في المستقبل، اذ تصبح التكنولوجيا التي تتضمن الرمال الساخنة جزءا من الاستجابة للاحتياجات.

ويقول زيوين ما، المهندس الميكانيكي في مجموعة أنظمة الطاقة الحرارية في المختبر الوطني للطاقة المتجددة في كولورادو وألاسكا بالولايات المتحدة NREL “من السهل الوصول إلى الرمال، فهي صديقة للبيئة، وهي مستقرة تماما، في نطاق واسع من درجات الحرارة، كما أنها منخفضة التكلفة”.

وتكشف التكنولوجيا الحاصلة على براءة اختراع التي جرى تطويرها انموذجها الأولي في المختبر كيف يمكن للسخانات التي تعمل بمصادر الطاقة المتجددة مثل الرياح والطاقة الشمسية أن ترفع درجة حرارة جزيئات الرمال إلى درجة الحرارة المطلوبة. يجري بعد ذلك ترسيب الرمال في صومعة لتخزينها واستغلالها لاحقا، إما لتوليد الكهرباء أو لمعالجة الحرارة في التطبيقات الصناعية.

وقد أثبت نموذج أولي على نطاق مختبري صحة هذه التقنية وسمح للباحثين بإنشاء نموذج حاسوبي يُظهر أن الجهاز على نطاق تجاري سيحتفظ بأكثر من 95% من حرارته لمدة خمسة أيام في الأقل.

ويقول جيفري جيفورد، باحث ما بعد الدكتوراه في NREL : “لقد غزت بطاريات الليثيوم أيون السوق بالفعل بساعتين إلى أربع ساعات من التخزين، ولكن إذا أردنا تحقيق أهدافنا في خفض الكربون، فسنحتاج إلى أجهزة تخزين طاقة طويلة الأمد – أشياء يمكنها تخزين الطاقة لأيام”.

ويبين جيفورد، الذي يشترك بالفعل مع ما في براءتي اختراع بشأن المبادلات الحرارية التي تحول الطاقة الحرارية المخزنة إلى كهرباء، إن استعمال الرمل أو الجزيئات الأخرى لتخزين الطاقة الحرارية له ميزة أخرى مقارنة بالبطاريات، ويوضح “لا يعتمد تخزين الطاقة الحرارية للجسيمات على المواد الأرضية النادرة أو المواد التي لها سلاسل توريد معقدة وغير مستدامة. على سبيل المثال، في بطاريات الليثيوم أيون، هناك الكثير من القصص حول التحدي المتمثل في تعدين الكوبالت بشكل أكثر أخلاقية”.

و تكمن خبرة جيفورد في ديناميكيات الموائع الحسابية، و هذه المعرفة مهمة لأن الرمال بحاجةإلى التدفق عبر جهاز التخزين. وتشتمل وسائط الفحص الأخرى على الخرسانة والصخور، التي يمكنها الاحتفاظ بالحرارة بسهولة ولكنها تظل ثابتة في مكانها.

وبحسب ما أن الرمال هي الخيار الأرخص لتخزين الطاقة بالمقارنة مع أربع تقنيات منافسة، بما في ذلك تخزين طاقة الهواء المضغوط (CAES)، والطاقة الكهرومائية المضخوخة، ونوعين من البطاريات. ويمكن للطاقة الكهرومائية التي يجري ضخها تخزين الطاقة لمدة عشرات الساعات فقط.

وتتراوح تكلفة كيلوواط / ساعة لـ CAES من 150 إلى 300 دولار، و تبلغ تكلفة ضخ الطاقة الكهرومائية نحو 60 دولارا.

وتبلغ تكلفة بطارية الليثيوم أيون 300 دولار للكيلوواط / ساعة، ولديها القدرة على تخزين الطاقة لمدة تتراوح من ساعة إلى أربع ساعات فقط، ولكن مع مدة تدوم مئات الساعات، فإن تكلفة استعمال الرمال كوسيلة للتخزين تتراوح بين 4 دولارات إلى 10 دولارات فقط للكيلوواط / ساعة. ولضمان انخفاض التكلفة، يجري توليد الحرارة باستغلال كهرباء منخفضة السعر خارج أوقات الذروة.

ما، عمل سابقا على مشاريع للتخزين الاقتصادي للكهرباء طويل الأمد عن طريق استعمال تخزين الطاقة الحرارية منخفض التكلفة ودورة طاقة عالية الكفاءة و النموذج الأولي جاء من هذا المشروع.

الخطوة التالية هي وضع حجر الأساس في عام 2025 لنظام تخزين الطاقة الحرارية الكهربائية (ETES) في حرم فلاتيرونز التابع للمختبر الوطني للطاقة خارج بولدر، كولورادو، الذي يجري تصميمه لتخزين الطاقة لمدة تتراوح بين 10 و100 ساعة. النظام المستقل خال من أي قيود على المواقع التي تحد من إمكانية إنشاء CAES أو الطاقة الكهرومائية المخزنة بالضخ.

وقال ما، إن المشروع التجريبي الذي تموله وزارة الطاقة يهدف إلى إظهار الإمكانات التجارية للرمل في مجال التخزين، مردفا “هذا يمثل جيلا جديدا من التخزين يتجاوز الملح المنصهر“.

ولكن هل أي رمل قديم يفي بالغرض؟ وفقا لذلك واستنادا لباحثي NREL، الذين قاموا بفحص الجزيئات الصلبة المختلفة لقدرتها على التدفق والاحتفاظ بالحرارة، وفي ورقة بحثية نشرت الخريف الماضي في مجلة الطاقة الشمسية، أجرى ما وآخرون تجارب على ثمانية جسيمات صلبة مرشحة.

ومن بين الجزيئات التي جرى أخذها بعين الاعتبار المواد الخزفية الاصطناعية المستعملة في التكسير، وطين الصوان المكلس، والألومينا المنصهرة باللون البني، ورمل السيليكا. تم رفض الطين والألومينا المنصهرة بسبب عدم الاستقرار الحراري عند درجة الحرارة المستهدفة البالغة 1200 درجة مئوية.

وتفوقت المواد الخزفية على الرمل في جميع الفئات، إلا أن مكاسب الأداء الهامشية عدت غير كافية لتبرير التكلفة الأعلى. وفي حين أن تكلفة الرمال تتراوح بين 30 إلى 80 دولارا للطن، فإن أسعار المواد الخزفية كانت أعلى بنحو الضعفين. الرمال في شكل نقي للغاية من ألفا كوارتز ومتوفرة بسهولة في الغرب الأوسط.

وقال كريج تورتشي، مدير مجموعة أبحاث علوم وتقنيات الطاقة الحرارية في NREL، إن زيادة كمية الطاقة التي يمكن تخزينها في الرمال أمر بسيط مثل إضافة المزيد من الرمال.