الطاقة
بطاريات الحرارة تتطور بسرعة دون الحاجة لتعدين المعادن
الحاجة إلى تخزين الطاقة على نطاق واسع
هناك حاجة متزايدة لأنظمة البطاريات القادرة على تخزين كمية كبيرة من الطاقة لعدة ساعات أو أيام. ذلك لأن الطاقة الشمسية وطاقة الرياح متقطعة، وتتقلب طوال اليوم ومن يوم لآخر.
عامل آخر هو طلب الطاقة للعمليات الصناعية، مثل التعدين. تحتاج هذه المصانع إلى طاقة على مدار 24/7، عادةً لتوليد حرارة عالية في نطاق 1000-1500 درجة مئوية.
استخدام بطاريات الليثيوم-أيون كما في السيارات الكهربائية من غير المرجح أن يكون حلاً فعالًا على نطاق واسع. فهي ببساطة مكلفة جدًا، غير متينة بما فيه الكفاية، وتستهلك الكثير من المواد الخام.
لهذا السبب تم النظر في العديد من كيميائيات البطاريات البديلة لتخزين الطاقة على مستوى المرافق. نستعرض معظم هذه الخيارات في مقالتنا “مستقبل تخزين الطاقة – تقنيات بطاريات المرافق“, بما في ذلك بطاريات الليثيوم-حديد-فوسفات، الصوديوم-أيون، تدفق الأكسدة-الاختزال، الحديد-هواء، المعادن المنصهرة، النيكل-هيدروجين، الصوديوم-كبريت، وغيرها.
جميع هذه البطاريات تخزن الطاقة على شكل كهرباء بطريقة أو بأخرى، عادةً من خلال أكسدة واختزال معدن.
المشكلة هي أن حتى المعادن الشائعة مثل الحديد أو الألمنيوم لا تزال تتطلب الكثير من التعدين. فماذا لو خزنّا الطاقة في شكل آخر؟
تخزين الحرارة
هناك عدد كبير ومفاجئ من الخيارات لتخزين الطاقة دون استخدام الكهرباء كوسيلة للتخزين. لقد استعرضناها بمزيد من التفصيل في “بدائل غير كيميائية للبطاريات من أجل انتقال الطاقة“. تشمل هذه الخيارات ما يلي:
- الهواء المضغوط.
- بطاريات الجاذبية (الصخور، الطاقة المائية المضخّة).
- بطاريات الحرارة.
- العجلات الدوارة.
- الطاقة الشمسية الحرارية.
كل من هذه الخيارات، سواء كانت بطاريات أو غير بطاريات، لها مزايا وعيوب. الحل المثالي لتخزين الطاقة يجب أن يحقق بعض الخصائص التالية:
- عدم الحاجة إلى المعادن والمواد النادرة.
- تخزين الطاقة على مدى طويل.
- تكلفة منخفضة.
- قابلية توسع سهلة دون قيود على المواقع أو الموارد المتاحة.
- يمكن استخدامه ككهرباء مع خسائر قليلة.
بالنسبة للأربعة أو الخمسة عناصر الأولى، يتناسب تخزين الحرارة مع المتطلبات. بطاريات الرمل، مثل تلك التي تقدمها الشركة الفنلندية Polar Night Energy, يمكنها تخزين الطاقة الزائدة من الصيف إلى الشتاء، وهو أمر ضروري لتشغيل أنظمة التدفئة باستخدام الطاقة المتجددة في شتاءات الشمال القارسة والخالية من الشمس. وتستخدم فقط رملًا منخفض الجودة وقليلًا من المعدن للإطار والأنابيب.
المصدر: Polar Night Energy
بطارية حرارة مماثلة تم تصورها من قبل Rondo Energy, باستخدام طوب يمكن تسخينه حتى 1500 درجة مئوية, لاستعمال الحرارة في العمليات الصناعية مثل إنتاج الأسمنت أو الصلب.
تعمل بطاريات الحرارة بشكل جيد عندما يكون المنتج المطلوب مسخنًا في المقام الأول، سواء كان ذلك لتدفئة الأحياء السكنية أو للحرارة الصناعية.
المصدر: Rondo Energy
ومع ذلك، كان يُعتقد أن بطاريات الحرارة غير ملائمة لتوفير الطاقة إلى الشبكة، حيث أن كفاءة تحويل الحرارة مرة أخرى إلى كهرباء عادةً ما تكون في نطاق 20-30٪ منخفض. وهذا يعني أن ما يصل إلى 4/5 من الطاقة “المخزنة” تُفقد فعليًا. أو بعبارة أخرى، تصبح الطاقة المخزنة فجأة أكثر تكلفة بخمسة أضعاف مما كانت عليه عند إنتاجها.
حتى مع مساواة طاقة الشمس الآن مع طاقة الوقود الأحفوري، لا تزال بعيدًا عن أن تكون أرخص بخمسة أضعاف. ومع ذلك، قد تكون هذه المشكلة مؤقتة فقط، بفضل الابتكار في تقنية تُسمى الضوئيات الحرارية.
الخلايا الضوئيات الحرارية – الفوتوفولطية، ولكن بالحرارة
الضوئيات الحرارية هي فكرة توليد الطاقة بطريقة مشابهة للفوتوفولطية التقليدية ولكن باستخدام الحرارة بدلاً من ضوء الشمس — أو بدقة أكبر، الضوء تحت الأحمر المنبعث من المواد المسخنة.
في لوحة فوتوفولطية تقليدية، أي تردد ضوئي أقل من حد معين لا يكون طاقته كافية لتوليد التيار ويُهدر. وهذا هو الحال مع جميع الضوء تحت الأحمر، حيث أن موجات الضوء تحت الأحمر ذات طاقة منخفضة جدًا.
هذه ليست تقنية جديدة في حد ذاتها، لكنها عانت دائمًا من كفاءة منخفضة جدًا لمنع اعتمادها على نطاق واسع. كان هذا صحيحًا حتى الإنجاز الأخير للباحثين في جامعة ميتشيغان، الذين نشروا نتائجهم في منشور علمي بعنوان “خلايا الضوئيات الحرارية ذات الجسر الهوائي عالية الكفاءة“.
يدعون أنهم حققوا كفاءة قياسية بنسبة 44٪ لدرجات حرارة أقل من 1500°C، وهو أعلى بكثير من النتائج السابقة التي وصلت فقط إلى 37٪.
ويعتقد الباحثون أن لديهم طريقة للوصول إلى 50٪ “في مستقبل ليس ببعيد”.
المصدر: Cell
كيف تعمل خلايا الضوئيات الحرارية؟
أولاً، يجب تسخين مادة التخزين، التي يمكن أن تكون حجرًا أو رملًا أو كربونًا أو طوبًا أو سيراميكًا، إلخ، إما باستخدام فائض الكهرباء من مصادر الطاقة المتجددة أو الحرارة الشمسية المباشرة.
عند 1435°C، حوالي 20-30٪ من الفوتونات تحت الحمراء التي ستصدرها لديها طاقة كافية لتوليد الكهرباء في خلايا الضوئيات الحرارية التي يعمل عليها فريق الباحثين.
المصدر: Design Boom
الترددات تحت الحمراء الأخرى لم تكن ممكنة التحويل إلى كهرباء باستخدام شبه الموصل المستخدم في لوحة الضوئيات الحرارية.
فكيف وصلوا إلى 44٪ من ذلك؟ الحيلة الذكية كانت إضافة طبقة رقيقة من الهواء إلى خلية الضوئيات الحرارية مباشرةً بعد شبه الموصل، وعاكس ذهبي خلف فجوة الهواء.
هذا أبقى الفوتونات ذات المستوى المناسب من الطاقة محبوسة وجاهزة لتوليد الكهرباء. الفوتونات الأخرى تُعاد نحو المادة المسخنة لتسخينها مرة أخرى. ثم يمكن أن تحصل على فرصة أخرى لتُرسل نحو خلية الضوئيات الحرارية بتردد ضوئي مناسب.
بشكل أساسي، يسمح ذلك للخلية بإعادة تدوير ما لم تلتقطه في المرة الأولى، مما يعزز كفاءة التحويل الكلية.
بطاريات الحرارة المستقبلية
قد لا تبدو كفاءة 44٪ أو حتى 50٪ مثيرة للإعجاب عند مقارنتها بالطاقة المائية المضخّة (70-85٪) أو بطاريات الليثيوم-أيون (85-95٪).
المصدر: EESI
لكن هذا سيتجاهل أن النشر الواسع لتخزين الطاقة على مستوى المرافق له علاقة بالاقتصاد بقدر ما هو متعلق بالتكنولوجيا.
تتمتع البطاريات بعمر افتراضي يُقاس بالسنوات قبل الحاجة إلى إعادة التدوير. كما أنه ببساطة لا يوجد ما يكفي من الليثيوم، ولا حتى من النحاس أو النيكل أو الكوبالت لنشرها على هذا النطاق، خاصةً عندما يكون معظم إنتاج هذه المعادن مطلوبًا بالفعل للسيارات الكهربائية.
على العكس، يمكن لبطاريات الحرارة أن تدوم لعقود مع قليل أو دون صيانة. فهي لا تحتاج إلى أي مادة تقريبًا سوى الصخر أو الرمل أو الطين. يمكن بناؤها في أي مكان وبأي حجم، حتى ضخمة حقًا، مع تأثير شبه معدوم على النظم البيئية، على عكس الطاقة الكهرومائية.
أخيرًا، تُعد الحرارة واحدة من أكثر الطرق كفاءة عندما تحتاج الطاقة إلى التخزين لأسابيع وشهور، حيث أن جميع أنواع البطاريات تقريبًا “تسرب” الطاقة مع مرور الوقت بمعدل أعلى بكثير من نظام تخزين الحرارة المعزول جيدًا.
“إنها شكل من أشكال البطارية، لكنها سلبية جدًا. لا تحتاج إلى تعدين الليثيوم كما تفعل الخلايا الكهروكيميائية، مما يعني أنك لا تحتاج إلى المنافسة مع سوق السيارات الكهربائية.
على عكس المياه المضخّة لتخزين الطاقة الكهرومائية، يمكنك وضعها في أي مكان ولا تحتاج إلى مصدر ماء قريب،
ستيفن فورست، أستاذ جامعة الهندسة الكهربائية في جامعة ميتشيغان
إجمالاً، يمكن أن تكون بطارية الحرارة الحل المثالي لتخزين الطاقة لتقليل تقلبات الطاقة المتجددة. ويمكنها أيضًا تخزين الطاقة الزائدة من الأشهر العاصفة أو المشمسة إلى الشتاء للمناخات المعتدلة، أو إلى موسم الأمطار للمناخات الاستوائية.
تخزين الحرارة / شركات الضوئيات الحرارية
1. II-VI Marlow / Coherent
(COHR )
II-VI Marlow هي فرع من II-VI Inc.، رائد الصناعة في (حاليًا مجال صغير نسبيًا) مجال إنتاج الخلايا الضوئيات الحرارية. في عام 2022، استحوذت II-VI Inc. على شركة تصنيع الليزر Coherent Inc. ومن ثم غيرت اسمها.
الشركة خبيرة في المواد المتقدمة المستخدمة في الليزر والبصريات والفوتونيات، مثل الفسفيد الإنديوم، الرقاقة الوبائية، والزرنيخ الغاليوم. نمت بشكل كبير بفضل عدة عمليات استحواذ خلال العقد الماضي.
المصدر: Coherent
نشاط الشركة في مجال الضوئيات الحرارية يمثل جزءًا صغيرًا فقط من إجمالي إيراداتها، حيث تشكل الألياف البصرية والليزر وغيرها الجزء الأكبر من إيراداتها. قد يكون هذا، مع ذلك، خبرًا جيدًا للمستثمرين، لأنه يعني أيضًا أن لديها رأس المال لنشر تقنية جديدة بسرعة على نطاق صناعي إذا فتحت الابتكارات أسواقًا جديدة.
المصدر: Coherent
على سبيل المثال، السوق الضخم لتخزين الطاقة المتجددة الزائدة على مستوى المرافق…
كما أن جامعة ميتشيغان “قدمت طلبًا لحماية براءة الاختراع (…) وتبحث عن شركاء لجلب التقنية إلى السوق“, لن يكون من المفاجئ إذا انتهى الأمر بشركة مثل Coherent لتكون هي التي تجلب خلايا الضوئيات الحرارية الجديدة إلى السوق. خاصةً بالنظر إلى خبرتها السابقة في الإنتاج الصناعي للضوئيات الحرارية والمواد المتقدمة المماثلة.
2. Sumitomo Electric Industries (SMTOY)
تم تصنيع خلايا الضوئيات الحرارية التي استخدمها باحثو جامعة ميتشيغان باستخدام InGaAsP (فوسفات إنديوم غاليوم أرسينيد).
لذلك نحقق ما إذا كان تحويل بنية الجسر الهوائي من الامتصاصات الثلاثية إلى الرباعية من مجموعة III–V (InGaAsP المتطابقة مع ركيزة InP) يمكن أن يعزز الكفاءة ضمن نطاق درجات حرارة المصدر المستهدف.
إذا أصبحت هذه التقنية صيغة معيارية لتخزين الطاقة على مستوى المرافق، سنحتاج إلى InGaAsP، وبكميات كبيرة.
لذلك سيكون من المنطقي في هذا السيناريو المراهنة على الشركة التي ظلت على مدار 30 عامًا رائدة في إنتاج InGaAsP، وهي المجموعة اليابانية Sumitomo.
لأكثر من 30 عامًا، حافظ قسم أشباه الموصلات في شركة Sumitomo Electric على موقعه القيادي كأكبر مصنع في العالم للزرنيخ الغاليوم (GaAs) والفوسفيد الإنديوم (InP).
أصبح اسم Sumitomo مرادفًا للجودة في مواد III-V. حققت Sumitomo Electric هذه السمعة من خلال تزويد عملائها العالميين برقائق عالية الجودة تؤدي إلى معدلات إنتاج أعلى وأجهزة ذات خصائص كهربائية ثابتة.
Sumitomo Electric Industries, وقسم أشباه الموصلات المركبة الخاص بها، هو فرع من المجموعة الأكبر Sumitomo conglomerate, واحدة من أكبر شركات السوغو شوشا (شركات التجارة العامة) في العالم.
بالإضافة إلى InGaAsP، النشاط الرئيسي لشركة Sumitomo Electric Industries هو إنتاج ما يلي:
- معدات الاتصالات (الألياف البصرية، 5G)
- أسلاك السيارات والكابلات عالية القدرة
- الإلكترونيات (دوائر مطبوعة مرنة، أسلاك البيانات، أغشية الترشيح)
- مواد عالية الجودة (كربيد، أدوات قطع، أسلاك فولاذية مشدودة).
المصدر: Sumitomo
ستضمن الخبرة في إنتاج كميات كبيرة من المواد عالية الجودة، والريادة في إنتاج InGaAsP، والروابط التجارية التي تأتي مع كونها جزءًا من شركة سوغو شوشا / شركة تجارة عامة، أن Sumitomo Electric Industries ستكون واحدة من المستفيدين الرئيسيين من اعتماد الضوئيات الحرارية على نطاق واسع.
كما أن النمو سيكون جيدًا لقطاع الاتصالات (الرقمنة، الذكاء الاصطناعي) ومنتجات السيارات الكهربائية المرافقة (الكابلات، الأسلاك)، وهما قطاعان يشهدان ازدهارًا.
