الاشتراك في تحديثات الأخبار اليومية من CleanTechnica على البريد الإلكتروني. أو تابعنا على أخبار جوجل!
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 الحرارة.
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.
"من السهل الوصول إلى الرمال. إنها صديقة للبيئة. إنه مستقر ومستقر تمامًا في نطاق درجات حرارة واسع. وقال زيوين ما، المهندس الميكانيكي في مجموعة أنظمة الطاقة الحرارية بالمختبر: "إنها أيضًا منخفضة التكلفة".
الحاجة إلى التخزين 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: "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". جيفورد، باحث ما بعد الدكتوراه في NREL.
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. وقال جيفورد: "إن نقل الحرارة لديك 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 المتجددة 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 مؤقتًا، لكنها تتجمد عند حوالي 220 درجة مئوية (428 درجة فهرنهايت) وتبدأ في التحلل عند 600 درجة مئوية. والرمل الذي ينوي ما استخدامه يخرج من الأرض في الغرب الأوسط من الولايات المتحدة ، لا يحتاج إلى حفظه من "التجمد"، ويمكنه الاحتفاظ بقدر أكبر بكثير من الحرارة، في حدود 1,100 درجة مئوية (2,012 فهرنهايت) والتي يمكنها تخزين الحرارة لتوليد الطاقة أو استبدال حرق الوقود الأحفوري للحرارة الصناعية.
وقال ما: "يمثل هذا 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 نُشرت في الخريف الماضي، 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 1,200 درجة مئوية (2,192 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.
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". "نحن بحاجة إلى تخزين يتراوح من دقائق إلى أشهر. عملت البطاريات بشكل جيد حقًا في الدقائق إلى الساعات من حيث كيفية قياسها. وعندما تصل إلى شهور من التخزين، فإنك عادةً ما تفكر في صنع وقود مثل الهيدروجين لتوفير هذا التخزين طويل المدى. ولكن في الفترة ما بين عدة ساعات وأسبوعين، ليس هناك توافق جيد في الوقت الحالي. الهيدروجين مكلف للغاية لذلك. البطاريات غالية الثمن للغاية بالنسبة لذلك."
إن المكونات اللازمة لتحويل الرمال شديدة الحرارة إلى كهرباء تتطلب تكلفة مقدمة. قال 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".
بقلم واين هيكس. بإذن من وزارة الطاقة، المختبر الوطني.
هل لديك نصيحة لـ CleanTechnica؟ تريد الإعلان؟ هل تريد اقتراح ضيف لبودكاست CleanTech Talk الخاص بنا؟ اتصل بنا هنا.
أحدث فيديو تلفزيوني CleanTechnica
[المحتوى جزءا لا يتجزأ]
الإعلانات
يستخدم CleanTechnica الروابط التابعة. انظر سياستنا هنا.
- محتوى مدعوم من تحسين محركات البحث وتوزيع العلاقات العامة. تضخيم اليوم.
- PlatoData.Network Vertical Generative Ai. تمكين نفسك. الوصول هنا.
- أفلاطونايستريم. ذكاء Web3. تضخيم المعرفة. الوصول هنا.
- أفلاطون كربون، كلينتك ، الطاقة، بيئة، شمسي، إدارة المخلفات. الوصول هنا.
- أفلاطون هيلث. التكنولوجيا الحيوية وذكاء التجارب السريرية. الوصول هنا.
- المصدر https://cleantechnica.com/2024/03/29/solution-to-energy-storage-may-be-beneath-your-feet/
