تخزين الكهرباء المتجددة في الرمال.. تقنية رخيصة ومميزة

أثبتت الرمال فائقة السخونة دورًا مهمًا في تخزين الكهرباء المتجددة، في خطوة تمثل حلًا واعدًا للقضاء على معضلة الطبيعة المتقطعة لمصادر الطاقة المتجددة التي قد تقوّض الطفرة التي شهدتها تلك الصناعة النظيفة خلال السنوات الماضية.

وربما تؤثر تلك المعضلة -كذلك- سلبًا في وتيرة إنجاز الجهود المناخية وتعزيز أمن الطاقة العالمي، إذ تتوقف عملية توليد الكهرباء من المصادر المتجددة على الظروف الطبيعية التي لا يمكن التحكم فيها أو حتى التنبؤ بها في أغلب الأحيان.

ويؤدي تخزين الكهرباء المتجددة دورًا حاسمًا في الجهود المبذولة، لضمان إمدادات موثوقة ومستقرة لتلك السلعة الإستراتيجية، ومن ثم استعمالها التطبيقات المختلفة وقت الحاجة، وفق ما طالعته منصة الطاقة المتخصصة.

تخزين الطاقة الحرارية

طوّر الباحثون في المختبر الوطني للطاقة المتجددة بالولايات المتحدة الأميركية إن آر إي إل (NREL) تقنية جديدة تتيح تخزين الكهرباء المتجددة، وتعتمد على استعمال السخانات العاملة بمصادر طاقة متجددة مثل الشمس والرياح في رفع درجة حرارة جزيئات الرمال التي يمكن تخزينها بعد ذلك في صوامع لاستغلالها لاحقًا، وفق ما أورده تقرير نشره الموقع الرسمي للمختبر.

وتُبنى تلك التقنية الحاصلة على براءة اختراع على تخزين الطاقة الحرارية التي تستعمل الملح المذاب أو حتى الصخور فائقة السخونة لتخزين الكهرباء، وتُظهِر آفاقًا واعدة لتكون بديلًا منخفض التكلفة لحلول التخزين الحالية.

وأثبت نموذج أولي جرى اختباره معمليًا نجاح تلك التقنية، وتمكن الباحثون من تصميم نموذج حاسوب يُظهر أن جهازًا يُستعمَل على نطاق تجاري لديه القدرة على الاحتفاظ بـ95% من حرارته لمدة 5 أيام على الأقل.

تخزين لأوقات طويلة

قال الزميل في مرحلة ما بعد الدكتوراه بالمختبر الوطني للطاقة المتجددة جيفري غيفورد، الذي شارك في تطوير التقنية: “بطاريات الليثيوم أيون جذبت انتباه الأسواق بقدرتها على تخزين الكهرباء لمدة من 2-3 ساعات، لكننا إذا أردنا تحقيق أهدافنا المتمثلة في خفض الانبعاثات الكربونية، فسنحتاج إلى أجهزة لتخزين الكهرباء المتجددة لأوقات طويلة.. أشياء يمكنها تخزين الكهرباء لأيام عدة”.

وأوضح غيفورد: “تخزين الطاقة الحرارية في الجزيئات لا يعتمد على المعادن الأرضية النادرة أو المواد التي لها سلاسل إمدادات معقدة وغير مستدامة، فعلى سبيل المثال: في بطاريات الليثيوم أيون لا توجد قصص كثيرة حول تحدي تعدين الكوبالت بطريقة أخلاقية”.

بالإضافة إلى تخزين الطاقة الحرارية، تكمن خبرة غيفورد في ديناميكيات الموائع الحاسوبية، وهي معرفة غاية في الأهمية، نظرًا إلى أن الرمال تحتاج إلى التدفق عبر جهاز التخزين.

والميكانيكا الحاسوبية هي فرع من فروع المعرفة المعنية باستعمال الطرق الحاسوبية، وتدرس الظواهر التي تحكُمها مبادئ الميكانيكا.

وتشتمل وسائط تخزين الطاقة الحرارية الأخرى على الملاط (الأسمنت) والصخور، التي يمكن أن تحتفظ بسهولة بالحرارة، غير أنها تظل ثابتة في مكانها.

وأضاف غيفورد: “انتقال الحرارة يكون أعلى وأسرع وأكثر فاعلية إذا حرّكت الوسط الذي تستعمله”، في تصريحات رصدتها منصة الطاقة المتخصصة.

تكلفة منخفضة

تُظهر تقنية تخزين الطاقة الحرارية ميزة أخرى ممثلة في فاعلية التكلفة.

وفي هذا الصدد قال كبير الباحثين زيوين ما، إن الرمال هي الخيار الأرخص تكلفة لتخزين الكهرباء المتجددة عند مقارنتها بالتقنيات المنافسة الـ4 الأخرى، من بينها تخزين الكهرباء بالهواء المضغوط سي إيه إي إس (CAES)، ونظام تخزين الطاقة الكهرومائية بالضخ، ونوعان من البطاريات.

ولدى تقنيتي تخزين الكهرباء بالهواء المضغوط ونظام تخزين الطاقة الكهرومائية بالضخ القدرة فقط على تخزين الكهرباء لمدة 10 ساعات، علمًا بأن تكلفة التخزين لكل كيلوواط/ساعة بالنسبة لتخزين الكهرباء بالهواء المضغوط تتراوح بين 150 و300 دولار، في حين تلامس التكلفة نفسها بالنسبة إلى نظام تخزين الطاقة الكهرومائية بالضخ قرابة 60 دولارًا.

وتتكلف بطارية ليثيوم أيون 300 دولار لكل كيلوواط/ساعة، ويتراوح نطاق تخزينها للكهرباء من 1 إلى 4 ساعات، وفق معلومات اطلعت عليها منصة الطاقة المتخصصة.

وتتراوح كُلفة الرمال كوسيط تخزين -تتسم بنطاق واسع في تخزين الكهرباء المتجددة، يمتد إلى مئات الساعات- من 4 إلى 10 دولارات لكل كيلواوط/ساعة.

ولضمان تكلفة منخفضة، ستُنتَج الحرارة باستعمال كهرباء منخفضة السعر خارج أوقات الذروة.

الأملاح المنصهرة

تُستعمَل الأملاح المنصهرة لتخزين الكهرباء مؤقتًا، لكنها تتجمد عند نحو 220 درجة مئوية، قبل أن تشرع في التحلل عند 600 درجة مئوية.

وتأتي الرمال، التي من المخطط استعمالها في تخزين الكهرباء المتجددة من الأرض في منطقة الغرب الأوسط من الولايات المتحدة، ولا تحتاج إلى حفظها من “التجمد”، بل ومن الممكن الاحتفاظ بها عند درجة حرارة أكبر بكثير، في حدود 1100 درجة مئوية التي يمكن عندها تخزين الحرارة لتوليد الكهرباء، أو حتى لتحل محل حرق الوقود الأحفوري للحصول على الحرارة اللازمة للصناعة.

وفي هذا السياق، قال كبير الباحثين زيوين ما: “يمثل هذا جيلًا جديدًا من تخزين الكهرباء المتجددة، يتجاوز الملح المنصهر”.

ومن الممكن زيادة سعة الكهرباء المخزنة في الرمال عبر إضافة المزيد من الرمال، وهو ما لا يمثل سوى تكلفة هامشية إضافية، حسبما قال المشارك في البحث كريغ تورشي.

وأوضح تورشي: “نحتاج إلى سعة تخزين تتراوح من دقائق إلى شهور”، في تصريحات طالعتها منصة الطاقة المتخصصة.

وتابع: “تتطلب المكونات اللازمة لتحويل الرمال شديدة الحرارة إلى كهرباء تكلفة مقدمة، لكن وما إن تدفع تلك التكلفة فسيكون أمامك فرصة لزيادة سعة تخزين الكهرباء المتجددة لمدة أطول، عبر إضافة المزيد من الرمال، ما يُعد أرخص بكثير من البدائل الأخرى التي تتطلب إضافة مزيد من البطاريات”.

موضوعات متعلقة..

اقرأ أيضًا..