الطاقة
بطاريات الحرارة تنجح بسرعة دون الحاجة إلى تعدين المعادن
الحاجة إلى تخزين الطاقة على نطاق كبير
هناك حاجة متزايدة إلى أنظمة بطاريات قادرة على الاحتفاظ بالطاقة لعدة ساعات أو أيام. هذا لأن الطاقة الشمسية والرياح متقطعة، تتقلب طوال اليوم ومن يوم إلى يوم.
عامل آخر هو الطلب على الطاقة في العمليات الصناعية، مثل علم الفلزات. تحتاج هذه المصانع إلى طاقة 24/7، عادةً لгенерировать الكثير من الحرارة في مدى 1000-1500 درجة مئوية.
استخدام بطاريات الليثيوم الأيونية مثل السيارات الكهربائية غير محتمل أن يكون حلًا يعمل على نطاق واسع. فهي باهظة الثمن، وليست متينة بدرجة كافية، وتستهلك المواد الخام بكثرة.
لهذا السبب، تم النظر في العديد من الكيميائيات البديلة للبطاريات لتخزين الطاقة على نطاق المرافق. ننظر إلى معظم هذه الخيارات في مقالنا “مستقبل تخزين الطاقة – تقنية بطاريات المرافق“، بما في ذلك ليثيوم حديد الفوسفات، والصوديوم الأيوني، والتدفق الأحمر، والهواء الحديدي، وال金属 المنصهر، والهيدروجين النيكل، والكبريت الصوديوم، وغيرها.
تخزن جميع هذه البطاريات الطاقة في شكل كهرباء بطريقة أو بأخرى، عادةً من خلال أكسدة واختزال معدن.
المشكلة هي أن حتى المعادن الشائعة مثل الحديد أو الألومنيوم لا تزال تتطلب الكثير من التعدين. فماذا لو تخزنا الطاقة في شكل آخر؟
تخزين الحرارة
هناك عدد كبير من الخيارات لتخزين الطاقة دون استخدام الكهرباء كوسيلة لتخزين. لقد نظرنا إليهم بالتفصيل في “البديلات غير الكيميائية للبطاريات لتحول الطاقة“. وتشمل هذه الخيارات:
- الهواء المضغوط.
- بطاريات الجاذبية (الصخور، المياه المضخمة).
- بطاريات الحرارة.
- عجلات الطيران.
- الطاقة الشمسية الحرارية.
لكل من هذه الخيارات، بطارية وغير بطارية، هناك مزايا وعيوب. حل تخزين الطاقة المثالي يجب أن يلبي بعض الخصائص:
- لا حاجة إلى معادن ومواد نادرة.
- تخزين طاقة لمدة طويلة.
- التكلفة المنخفضة.
- يمكن تسخيره بسهولة دون قيود على المواقع أو الموارد المتاحة.
- يمكن استخدامه ككهرباء مع خسائر mínima.
لأول 4/5 من هذه العناصر، سيكون تخزين الحرارة مناسبًا. بطاريات الرمال، مثل تلك التي من شركة Polar Night Energy الفنلندية، يمكنها تخزين الطاقة الزائدة من الصيف إلى الشتاء، وهو أمر ضروري لتزويد أنظمة التدفئة بالطاقة المتجددة في الشتاء البارد والخالي من الشمس في الشمال. ويتطلب فقط رمل منخفض الجودة وقليل من المعادن لإطار وأنابيب.
مصدر: Polar Night Energy
بطارية حرارة مماثلة يتصورها Rondo Energy، مع طوب يمكن تسخينه إلى 1500 درجة مئوية، باستخدام الحرارة للعمليات الصناعية مثل الإسمنت أو إنتاج الصلب.
تعمل هذه البطاريات الحرارية جيدًا عندما يكون المنتج المطلوب ساخنًا في المقام الأول، سواء كانت التدفئة المركزية للشقق أو الحرارة الصناعية.
مصدر: Rondo Energy
然而، كان يُعتقد أن بطاريات الحرارة لا تتوافق جيدًا مع توفير الطاقة للشبكة، لأن كفاءة تحويل الحرارة обратًا إلى الكهرباء عادةً ما تكون في النطاق المنخفض 20-30%.
خلايا ثيرموفوتوفولتية – فوتوفولتية، ولكن مع الحرارة
ثيرموفوتوفولتية هي فكرة إنشاء طاقة بطريقة مماثلة للفوتوفولتية التقليدية ولكن مع الحرارة بدلاً من الضوء الشمسي — أو، أكثر تحديدًا، الأشعة تحت الحمراء المنبعثة من المواد الساخنة.
في لوح فوتوفولتية تقليدي، أي تردد ضوء أقل من عتبة معينة لا يكون له طاقة كافية لإنشاء تيار ويُهدَم. هذا هو الحال لجميع الأشعة تحت الحمراء، لأن موجات الأشعة تحت الحمراء الكهرومغناطيسية منخفضة الطاقة.
ليس هذا تكنولوجيا جديدة في حد ذاتها، ولكنها دائمًا ما تعاني من كفاءة منخفضة جدًا لكي تُعتمد على نطاق واسع. كان هذا صحيحًا حتى الإنجاز الحديث من قبل الباحثين في جامعة ميشيغان، الذي نشر نتائجه في منشور علمي بعنوان “خلايا ثيرموفوتوفولتية جسور هوائية عالية الكفاءة“.
يزعمون أنهم حققوا كفاءة قياسية بنسبة 44% لدرجات حرارة أقل من 1500 درجة مئوية، وهو أعلى بكثير من النتائج السابقة، والتي لم تصل إلى 37% فقط.
ويعتقد الباحثون أنهم وجدوا طريقة للوصول إلى 50% “في المستقبل القريب”.
مصدر: Cell
كيف تعمل خلايا ثيرموفوتوفولتية?
أولاً، يجب تسخين مادة التخزين، والتي يمكن أن تكون حجرًا أو رملًا أو كربونًا أو طوبًا أو سيراميكًا، إلخ، إما باستخدام الكهرباء الزائدة من مصادر الطاقة المتجددة أو الحرارة الشمسية المباشرة.
في 1435 درجة مئوية، حوالي 20-30% من فوتونات الأشعة تحت الحمراء التي سينتجها لها طاقة كافية لتوليد الكهرباء في خلايا ثيرموفوتوفولتية الباحثين.
مصدر: Design Boom
بطاريات الحرارة المستقبلية
كفاءة 44% أو حتى 50% قد لا تبدو ممتازة عند مقارنتها بتحويل المياه المضخمة (70-85%) أو بطاريات الليثيوم الأيونية (85-95%).
مصدر: EESI
شركات تخزين الحرارة / ثيرموفوتوفولتية
1. II-VI Marlow / Coherent
(COHR )
II-VI Marlow هو فرع من شركة II-VI Inc.، وهو لاعب رائد في مجال (الذي ما زال صغيرًا نسبيًا) إنتاج خلايا ثيرموفوتوفولتية. في عام 2022، استحوذت شركة II-VI Inc. على شركة Coherent Inc. لتصنيع الليزر وغيّرت اسم الشركة لاحقًا.
الشركة خبيرة في المواد المتقدمة المستخدمة في الليزر والبصريات والفوتونات، مثل الفوسفات الأندوميوم والغاليوم والزركونيوم. نمت بسرعة بفضل العديد من عمليات الاستحواذ على مدار العقد الماضي.
مصدر: Coherent
2. Sumitomo Electric Industries (SMTOY)
خلايا ثيرموفوتوفولتية المستخدمة من قبل باحثي جامعة ميشيغان تم إنتاجها باستخدام InGaAsP (إنديوم جاليوم أرسينيد فوسفيد)”.
“لذلك نبحث عما إذا كان يمكن تحويل هيكل الجسر الهوائي من ثلاثي إلى رباعي مجموعة III–V ممتص (InGaAsP متوافق مع ركائز InP) لتحسين الكفاءة في نطاق درجات حرارة الانبعاث المستهدف”.
