الطاقة العضوية المائية

تعد قدرة الشبكة الكهربائية الحالية على تخزين الطاقة الزائدة على الحاجة قدرة محدودة، لذلك يجب باستمرار زيادة إنتاج الكهرباء على الحاجة لضمان توفير إمدادات طاقة يمكن الاعتماد عليها. وعلى الرغم من أن طاقة الرياح والطاقة الشمسية هي بدائل واعدة ونظيفة للوقود الأحفوري، فإن الطبيعة المتقطعة وعدم القدرة على التنبؤ بحالتها تمثل تحديات رئيسة لإنتاج الطاقة المستقرة الضرورية لتشغيل الشبكة اليوم. ويحتاج العالم إلى تقنيات يمكنها تخزين الطاقة المتجددة لاستخدامها بواسطة شبكة الكهرباء مستقبليا في أي مكان. ومن شأن التخزين المرن واسع النطاق ضمان تأمين شبكة كهربائية أمتن وأقوى من خلال تمكين الطاقة المتجددة من المساهمة في توليد الطاقة.
ولقد طور العلماء في جامعة جنوب كاليفورنيا USC بطارية قابلة للشحن من مكونات جميعها عضوي، ويمكن توسيع نطاقها بسهولة لاستخدامها في محطات توليد الطاقة، حيث يمكنها أن تجعل شبكة الكهرباء أكثر مرونة وكفاءة من خلال إيجاد وسيلة واسعة النطاق لتخزين الطاقة من أجل استخدامها عند الحاجة. ويمكن لهذه البطاريات أن تمهد الطريق لمصادر الطاقة المتجددة للمشاركة بحصة أكبر في توليد الطاقة اللازمة للبلاد.
وطور علماء جامعة جنوب كاليفورنيا بطارية عضوية مائية طويلة العمر، ومصممة من عناصر رخيصة وصديقة للبيئة. ولقد صممت البطارية الجديدة - التي لا يدخل في تركيبها معادن أو مواد سامة - بهدف الاستخدام في محطات توليد الطاقة، حيث يمكنها أن تجعل شبكة الكهرباء أكثر مرونة وكفاءة من خلال إيجاد وسيلة واسعة النطاق لتخزين الطاقة من أجل استخدامها عند الحاجة.
وتدوم هذه البطاريات نحو خمسة آلاف دورة شحن، ما يمنحها عمرا يقدر بنحو 15 عاما مقارنة ببطاريات أيون الليثيوم التي تقل كفاءتها بعد نحو ألف دورة شحن، وتبلغ تكلفة إنتاجها عشرة أضعاف تكلفة البطاريات العضوية المائية. ويمكن لبطاريات التدفق العضوي هذه أن تغير قواعد عمل تخزين الطاقة بالشبكة الكهربائية من حيث البساطة والتكلفة والموثوقية والاستدامة.
ولقد تم تصميم بطارية تدفق الأكسدة العضوية ORFBAT، باستخدام زوجي أكسدة عضوية مختلفين وقابلين للذوبان في الماء في الجانبين الموجب والسالب للبطارية. وليست هناك حاجة إلى استخدام أي محفزات معدنية، ما يجعل البطارية صديقة للبيئة. ويشبه تصميم البطارية تصميم خلية الوقود: حيث تتكون من خزانين يحتويان على مواد متفاعلة كهربائيا تذوب في الماء، ويتم ضخ المحلولين في خلية مقسومة بواسطة غشاء يفصل بين السائلين، حيث يحتوي كل جانب من الغشاء على الأقطاب التي تنتج الكهرباء. ويمكن تصميم خزانات المواد المتفاعلة كهربائيا لإنتاج كمية الطاقة حسب الحاجة.
ولقد تركز الشاغل الأهم في التصميم على المواد المتفاعلة كهربائيا. حيث أراد الفريق التوصل إلى مركب عضوي قابل للذوبان في الماء ويمكنه نقل الطاقة. وتستخدم الأنواع الأخرى من البطاريات المعادن أو المواد الكيماوية السامة، ولكن الفريق كان يبحث عن مركب عضوي غير سام. وبعد العديد من التجارب وجد الفريق أنواعا معينة من الكينونات الطبيعية (المركبات العضوية المؤكسدة) التي تتلاءم مع معايير التصميم، وتتوافر هذه الكينونات في العديد من النباتات، والفطريات، والبكتيريا، وتنشط في التمثيل الضوئي للنبات.
وهذه هي أنواع الجزيئات التي تستخدمها الطبيعة لنقل الطاقة. وتبدي هذه الكينونات نقلا سريعا للإلكترون المقترن بالبروتون، وتتمتع باستقرار ملحوظ في الأوساط الحمضية. وتجعل هذه الخصائص من زوجي الأكسدة المكونين من الكينونات عناصر مناسبة للبطاريات غير المعدنية القابلة لإعادة الشحن.
ويمثل تخزين الطاقة على نطاق ضخم مشكلة حرجة بالنسبة لمستقبل الطاقة المتجددة، وهي مشكلة تتطلب حلولا غير مكلفة وصديقة للبيئة. وتعتمد البطارية الجديدة على تصميم تدفق أكسدة مماثل كثيرا لتصميم خلية الوقود، بوجود خزانين للمواد المتفاعلة كهربائيا والقابلة للذوبان في الماء، حيث يتم ضخ المحلولين في خلية تحتوي على غشاء يفصل بين السائلين، مع وجود أقطاب على الجانبين تنتج الطاقة. ويتمتع التصميم بميزة فصل الكهرباء عن الطاقة. ويمكن زيادة حجم خزانات المواد المتفاعلة كهربائيا حسب الحاجة، وزيادة إجمالي الطاقة التي يمكن للنظام تخزينها، كما يمكن تطويع الخلية المركزية للإفراج عن تلك الطاقة بشكل أسرع أو أبطأ، وتغيير كمية الطاقة (الطاقة المنطلقة مع مرور الوقت) التي يمكن للنظام توليدها. حيث تستخدم هذه البطاريات الخلايا المركزية المتطورة حول المواد المتفاعلة كهربائيا، في حين استخدمت تصاميم البطاريات السابقة المعادن أو المواد الكيماوية السامة.
وحاليا يتم تصنيع الكينونات اللازمة للبطاريات من الهيدروكربونات التي تظهر طبيعيا. أما في المستقبل فهناك إمكانية لاستخراج هذه الكينونات من ثاني أكسيد الكربون. وفي حال نجاحها فإن بطارية جامعة جنوب كاليفورنيا USC ستمثل البديل منخفض التكلفة لأفضل البطاريات التجارية المستخدمة اليوم. ويمكن توسيع نطاق هذه التقنية لتوفير سعة تخزينية كبيرة تمكننا من توظيف الطاقة المتجددة في الشبكة الكهربائية.