أي شخص سبق له أن مشى حافي القدمين عبر الشاطئ في يوم مشمس يبتعد بفهم أكبر لمقدار الحرارة التي يمكن أن تحتفظ بها الرمال. ومن المتوقع أن تلعب هذه القدرة دورًا حيويًا في المستقبل، حيث تصبح التكنولوجيا التي تتضمن الرمال الساخنة جزءًا من الاستجابة لاحتياجات تخزين الطاقة.
من المرجح أن البطاريات هي ما يفكر فيه معظم الناس فيما يتعلق بتخزين الطاقة لاستخدامها لاحقًا، ولكن توجد تقنيات أخرى.
تعد الطاقة الكهرومائية المخزنة بالضخ إحدى الطرق الشائعة، وإن كانت تتطلب خزانات على ارتفاعات مختلفة وتقتصر على الجغرافيا، ويعتمد نهج آخر على ما يعرف بتخزين الطاقة الحرارية ، أو TES، والذي يستخدم الملح المنصهر أو حتى الصخور شديدة السخونة.
تظهر TES نتائج واعدة كبديل منخفض التكلفة لتقنيات التخزين الحالية، كما أن تخزين الطاقة في جزيئات صلبة مثل الرمال يوفر إجابة جاهزة، دون قيود جيولوجية.
فالرمل، مثل الهواء والماء، موجود في كل مكان.
وقال زيوين ما، المهندس الميكانيكي في مجموعة أنظمة الطاقة الحرارية بالمختبر: “من السهل الوصول إلى الرمال، فهي صديقة للبيئة. وهي مستقرة ومستقرة تمامًا، في نطاق واسع من درجات الحرارة، كما أنها منخفضة التكلفة”.
الحاجة للتخزين على المدى الطويل
تكشف التكنولوجيا الحاصلة على براءة اختراع والتي تم تطويرها ونموذجها الأولي في NREL كيف يمكن للسخانات التي تعمل بمصادر الطاقة المتجددة مثل الرياح والطاقة الشمسية أن ترفع درجة حرارة جزيئات الرمال إلى درجة الحرارة المطلوبة. يتم بعد ذلك ترسيب الرمال في صومعة لتخزينها واستخدامها لاحقًا، 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 على الأقل.
وقال 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”.
وقال جيفورد، الذي يشترك بالفعل مع ما في براءتي اختراع بشأن المبادلات الحرارية التي تحول الطاقة الحرارية المخزنة إلى كهرباء، إن استخدام الرمل أو الجزيئات الأخرى لتخزين الطاقة الحرارية له ميزة أخرى مقارنة بالبطاريات، “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.”
بالإضافة إلى TES، تكمن خبرة جيفورد في ديناميكيات الموائع الحسابية. هذه المعرفة مهمة لأن الرمال تحتاج إلى التدفق عبر جهاز التخزين. تشتمل وسائط TES الأخرى على الخرسانة والصخور، والتي يمكنها الاحتفاظ بالحرارة بسهولة ولكنها تظل ثابتة في مكانها.
الرمال هي الخيار الأرخص لتخزين الطاقة
وقال جيفورد : ” إن نقل الحرارة الخاص بك أعلى بكثير وأسرع بكثير وأكثر فعالية إذا كنت تقوم بنقل الوسائط الخاصة بك”.
تتمتع TES أيضًا بميزة رئيسية أخرى: التكلفة، وقد حسب 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. يمكن لـ CAES والطاقة الكهرومائية التي يتم ضخها تخزين الطاقة لمدة عشرات الساعات فقط.
وتتراوح تكلفة كيلوواط/ساعة لـ CAES من 150 دولارًا إلى 300 دولار، بينما تبلغ تكلفة ضخ الطاقة الكهرومائية حوالي 60 دولارًا.
وتبلغ تكلفة بطارية الليثيوم أيون 300 دولار للكيلووات/ساعة، ولديها القدرة على تخزين الطاقة لمدة تتراوح من ساعة إلى أربع ساعات فقط. ومع مدة تدوم مئات الساعات، فإن تكلفة استخدام الرمال كوسيلة للتخزين تتراوح بين 4 دولارات إلى 10 دولارات للكيلوواط/ساعة. ولضمان انخفاض التكلفة، سيتم توليد الحرارة باستخدام كهرباء منخفضة السعر خارج أوقات الذروة.
ما، الذي يحمل عددًا من براءات الاختراع في هذه التكنولوجيا، عمل سابقًا كمحقق رئيسي في مشروع ممول من ARPA-E يُعرف باسم ENDURING، للتخزين الاقتصادي للكهرباء طويل الأمد عن طريق استخدام تخزين الطاقة الحرارية منخفض التكلفة ودورة طاقة عالية الكفاءة . 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، والذي سيتم تصميمه لتخزين الطاقة لمدة تتراوح بين 10 و100 ساعة. النظام المستقل خالي 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 TES.
تُستخدم الأملاح المنصهرة بالفعل لتخزين الطاقة بشكل مؤقت، ولكنها تتجمد عند حوالي 220 درجة مئوية (428 درجة فهرنهايت) وتبدأ في التحلل عند 600 درجة مئوية. الرمال التي ينوي ما استخدامها تأتي من الأرض في الغرب الأوسط من الولايات المتحدة، ولا تحتاج إلى حفظها من “التجمد”، ويمكن أن تحتفظ بدرجة حرارة أكبر بكثير، في حدود 1100 درجة مئوية (2012 درجة فهرنهايت). يمكن تخزين الحرارة لتوليد الطاقة أو استبدال حرق الوقود الأحفوري بالحرارة الصناعية.
وقال ما “هذا يمثل جيلا جديدا من التخزين يتجاوز الملح المنصهر “.
تحديد ما سيخزن الحرارة
ولكن هل أي رمل قديم سيفي بالغرض؟ ليس وفقًا 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 تم أخذها بعين الاعتبار المواد الخزفية الاصطناعية المستخدمة 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 (2192 درجة فهرنهايت).
وتفوقت المواد الخزفية على الرمل في جميع الفئات، إلا أن مكاسب الأداء الهامشية اعتبرت غير كافية لتبرير التكلفة الأعلى. وفي حين أن تكلفة الرمال تتراوح بين 30 إلى 80 دولارًا للطن، فإن أسعار المواد الخزفية كانت أعلى بحوالي الضعفين. الرمال في شكل نقي للغاية من ألفا كوارتز ومتوفرة بسهولة في الغرب الأوسط.
تكلفة هامشية لإضافة سعة تخزين إضافية
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.
وقال “هذه تكلفة هامشية لإضافة سعة تخزين إضافية”، “نحتاج إلى تخزين يتراوح من دقائق إلى أشهر، تعمل البطاريات بشكل جيد حقًا في غضون دقائق إلى ساعات من حيث كيفية حجمها. وعندما تصل إلى أشهر من التخزين، فإنك عادةً ما تتطلع إلى صنع وقود مثل الهيدروجين لتوفير ذلك “التخزين طويل الأجل. ولكن في الفترة ما بين عدة ساعات وأسبوعين، لا يوجد توافق جيد في الوقت الحالي. فالهيدروجين باهظ الثمن للغاية بالنسبة لذلك. والبطاريات باهظة الثمن بالنسبة لذلك.”
إن المكونات اللازمة لتحويل الرمال شديدة الحرارة إلى كهرباء تتطلب تكلفة مقدمة. وقال تورشي: “ولكن بمجرد أن تدفع ثمن ذلك، إذا كنت ترغب فقط في الحصول على مدة أطول لطاقتك، فسيكون إضافة المزيد من الرمال أرخص بكثير من البديل، وهو الاستمرار في إضافة البطاريات”.