ما الجديد في تخزين الطاقة الشمسية الحرارية؟

حدد المهندسون في جامعة ولاية أوريجون نهجا جديدا لتخزين الطاقة الشمسية الحرارية المركزة، للحد من التكاليف وجعلها أكثر عملية للاستخدام على نطاق أوسع.
وتستند الفكرة إلى ابتكار جديد مع تخزين كيميائي حراري، الذي يستخدم التحول الكيميائي في دورات متكررة لحجز الحرارة، واستخدامها لتحريك التوربينات، ومن ثم يعاد تسخينه لأجل مواصلة الدورة. ويمكن القيام بذلك على مدى 24 ساعة وفقا لما يمليه الطلب، لتفادي المستويات المختلفة من الكهرباء بالطاقة الشمسية المتاحة في أوقات محدودة من اليوم.
وقد نشرت نتائج الدراسة في "ChemSusChem"، وهي مجلة مهنية تغطي الكيمياء المستدامة. وقد تم دعم هذا العمل من قبل مبادرة SunShot من وزارة الطاقة بالولايات المتحدة، والقيام بالتعاون مع باحثين في جامعة ولاية فلوريدا.
من الناحية النظرية، يمكن تخزين كل الطاقة المنتجة لأجل غير مسمى واستخدامها في وقت لاحق عندما تشتد الحاجة إلى الكهرباء. أو بدلا من ذلك، يمكن استخدام بعض الطاقة على الفور والبقية يتم تخزينها لاستخدامها لاحقا.
تخزين هذا النوع يساعد على حل أحد العوامل الرئيسة التي تحد من التوسع في استخدام الطاقة الشمسية - من خلال القضاء على الحاجة إلى استخدام الكهرباء على الفور. عديد من أنظمة الطاقة البديلة مقيد من خلال هذا النقص في الاعتمادية وتدفق ثابت للطاقة.
وكانت الكهرباء الناتجة من الطاقة الحرارية الشمسية محل اهتمام كبير بسبب قدرتها على خفض التكاليف. وعلى النقيض من الكهرباء الناتجة من الخلايا الضوئية الشمسية التقليدية التي تنتج الكهرباء مباشرة من ضوء الشمس، فإن توليد الكهرباء من الطاقة الحرارية الشمسية يتم تطويره مثل محطة كبيرة لتوليد الكهرباء التقليدية حيث يرص عدد من المرايات لتعكس بدقة أشعة الشمس إلى نظام استقبال الطاقة الشمسية. ويتم استخدام هذه الطاقة الحرارية لتسخين السائل الذي بدوره يدفع التوربينات لتوليد الكهرباء.
هذه التكنولوجيا جذابة لأنها آمنة وطويلة الأمد، وصديقة للبيئة ولا تنتج أي انبعاثات للغازات المسببة للاحتباس الحراري. وقد كانت التكلفة، والموثوقية والكفاءة هي القيود الأولية.
وقال نيك يونج، وهو أستاذ مساعد في الهندسة الكيميائية في كلية الهندسة جامعة ولاية أوهايو، وهو ضمن فريق هذه الدراسة ومختص في تطبيقات جديدة واستخدام الطاقة المستدامة، "إن مع دراسة المركبات الكيميائية نجد أن هناك إمكانية كبيرة لخفض التكاليف وزيادة الكفاءة".
في هذه الأنواع من الأنظمة، كفاءة استخدام الطاقة وثيق الصلة باستخدام أعلى درجات الحرارة المحتملة. وتستخدم الأملاح المنصهرة لتخزين الطاقة الحرارية الشمسية ويمكن أن تصل فقط إلى نحو 600 درجة مئوية، إضافة إلى أنها تتطلب الحاويات الكبيرة والمواد المسببة للتآكل. أما هذه المركبات الكيميائية التي هي تحت الدراسة يمكن استخدامها بسرعة تصل إلى 1200 درجة مئوية، ويمكن أن تكون فعالة ضعفي النظم القائمة. ما يجعلها قادرة على تحقيق إنجاز حقيقي في تخزين الطاقة.
ووفقا ليونج، فإنه تخزين حراري يشبه البطارية، التي تستخدم الروابط الكيميائية لتخزين وإطلاق الطاقة، ولكن في هذه الحالة، يقوم النقل على الحرارة وليس الكهرباء.
يعتمد هذا النظام على التحلل العكسي من كربونات السترونتيوم إلى أكسيد السترونتيوم وثاني أكسيد الكربون، الذي يستهلك الطاقة الحرارية. وأثناء التفريغ، تحرر الحرارة المختزنة مع إعادة تركيب كل من السترونتيوم أكسيد وثاني أكسيد الكربون. وهذه المواد هي غير قابلة للاشتعال، ومتوافرة وآمنة بيئيا.
مقارنة بالنهج القائم، فهذا يعني أن النظام الجديد يسمح أيضا بزيادة عشرة أضعاف في كثافة الطاقة، ومن حيث الحجم فهو أصغر بكثير وسيكون أرخص في البناء.
إن النظام المقترح يعمل في درجات الحرارة العالية التي يمكن أولا أن تستخدم لتسخين الهواء مباشرة التي من شأنها أن تدفع توربينات لإنتاج الكهرباء، ثم الحرارة المتبقية يمكن استخدامها لإنتاج البخار لدفع توربينات أخرى.
ولكن في الاختبارات المعملية، نشأ قلق عندما انخفضت قدرة تخزين الطاقة من العملية بعد 45 دورة تسخين وتبريد، وذلك بسبب بعض التغييرات في المواد الأساسية. وقال يونج إنه سوف تكون هناك حاجة إلى مزيد من البحوث لتحديد سبل إعادة معالجة المواد أو توسيع عدد الدورات التي يمكن أن يؤديها المركب الكيميائي الجديد.
وقال يونج: قد يكون من الضروري أيضا اختبار النظام على مستويات أكبر وحل قضايا مثل الصدمات الحرارية، قبل أن يكون النموذج جاهزا للاختبار في المختبر الوطني.