من التدفئة في الشتاء إلى غسل الملابس، تعتبر الحرارة أمراً بالغ الأهمية في الحياة اليومية.
ولكن مع صراع العالم مع تغير المناخ، فإن استهلاك المباني المتزايد للطاقة يشكل مشكلة بالغة الأهمية.
في الوقت الحالي، يتم إنتاج الحرارة عن طريق حرق الوقود الأحفوري مثل الفحم والنفط والغاز، ولكن هذا سوف يحتاج إلى التغيير مع تحول العالم إلى الطاقة النظيفة.
يعمل باحثو معهد جورجيا للتكنولوجيا في كلية جورج دبليو وودروف للهندسة الميكانيكية على تطوير أنظمة تدفئة أكثر كفاءة لا تعتمد على الوقود الأحفوري.
وقد أثبتوا، أن الجمع بين نوعين شائعين من الأملاح يمكن أن يساعد في تخزين الطاقة النظيفة على شكل حرارة؛ ويمكن استخدام هذه الطاقة في تدفئة المباني أو دمجها مع مضخة حرارية لتبريد المباني.
قدم الباحثون أبحاثهم في مقال بعنوان “تخزين الطاقة الحرارية الكيميائية باستخدام مخاليط الملح مع تحسين حركية الترطيب واستقرار الدورة”، والذي نُشر في مجلة تخزين الطاقة.
رد فعل الإعادة
الآليات الأساسية لتخزين الحرارة بسيطة ويمكن تحقيقها من خلال العديد من الطرق.
ويشكل التفاعل الكيميائي العكسي الأساسي الأساس لنهجهم: حيث يمتص التفاعل الأمامي الحرارة ثم يخزنها، بينما يطلق التفاعل العكسي الحرارة، مما يتيح للمبنى استخدامها.
كانت الأستاذة المساعدة في الهندسة الكهربائية أكانكشا مينون مهتمة بتخزين الطاقة الحرارية منذ أن بدأت العمل على درجة الدكتوراه.
وعندما وصلت إلى معهد جورجيا للتكنولوجيا وبدأت مختبر أبحاث المياه والطاقة (WERL)، شاركت ليس فقط في تطوير تكنولوجيا ومواد التخزين ولكن أيضًا في معرفة كيفية دمجها داخل المبنى.
اعتقدت أن فهم التحديات المادية الأساسية يمكن أن يترجم إلى إنشاء تخزين أفضل، قائلة “أدركت أن هناك الكثير من الأشياء التي لا نفهمها، على المستوى العلمي، حول كيفية عمل هذه المواد الكيميائية الحرارية بين التفاعلات الأمامية والعكسية”.
الملح الممتاز
تستخدم التفاعلات التي يعمل عليها مينون الملح، فكل جزيء ملح يمكنه أن يحمل عدداً معيناً من جزيئات الماء داخل بنيته، ولتحفيز التفاعل الكيميائي، يقوم الباحثون بتجفيف الملح بالحرارة، حتى يطرد بخار الماء على شكل غاز.
ولعكس التفاعل، يقومون بترطيب الملح بالماء، مما يجبر بنية الملح على التوسع لاستيعاب جزيئات الماء تلك.
يبدو الأمر وكأنه عملية بسيطة، ولكن مع حدوث عملية التمدد/الانكماش هذه، يتعرض الملح لضغط أكبر وسيفشل ميكانيكيًا في النهاية، بنفس الطريقة التي تحتوي بها بطاريات الليثيوم أيون على عدد محدود من دورات الشحن والتفريغ.
كما أوضحت مينون “يمكنك أن تبدأ بشيء ما وهو عبارة عن جسيم كروي لطيف، ولكن بعد أن يمر عبر عدد قليل من دورات الجفاف-الترطيب هذه، فإنه يتفكك إلى جزيئات صغيرة ويتفتت تمامًا أو يصاب بفرط الترطيب ويتكتل في كتلة”.
هذه التغييرات ليست بالضرورة كارثية، ولكنها تجعل الملح غير فعال لتخزين الحرارة على المدى الطويل حيث تتناقص سعة التخزين بمرور الوقت.
بدأت مينون وإريك باربوسا، وهو طالب دكتوراه في ولاية مين، في الجمع بين الأملاح التي تتفاعل مع الماء بطرق مختلفة.
وبعد اختبار ستة أملاح على مدى عامين، وجدوا اثنين يكملان بعضهما البعض بشكل جيد.
غالبًا ما يفشل كلوريد المغنيسيوم لأنه يمتص الكثير من الماء، في حين أن كلوريد السترونشيوم بطيء جدًا في الترطيب، معًا، يمكن أن تفيد القيود الخاصة بكل منهما الأخرى وتؤدي إلى تحسين تخزين الحرارة.
قالت مينون: “لم نخطط لخلط الأملاح؛ لقد كانت مجرد واحدة من التجارب التي جربناها، ثم لاحظنا هذا السلوك التفاعلي وقضينا عامًا كاملاً في محاولة فهم سبب حدوث ذلك وما إذا كان من الممكن تعميمه لاستخدامه في تخزين الطاقة الحرارية”.
تخزين الطاقة في المستقبل
بدأت مينون في هذا البحث، وتتمثل خطوتها التالية في تطوير الهياكل القادرة على احتواء هذه الأملاح لتخزين الحرارة، وهو ما يشكل محور مشروع Energy Earthshots .
ومن المقرر أيضًا إجراء عرض توضيحي على مستوى النظام، حيث يقوم أحد الحلول بملء برميل بالأملاح في مفاعل مضغوط.
ثم يتدفق الهواء الساخن عبر الأملاح، مما يؤدي إلى تجفيفها وشحن الأسطوانة بفعالية مثل البطارية، لإطلاق هذه الطاقة المخزنة، يتم نفخ الهواء الرطب فوق الأملاح لإعادة ترطيب البلورات.
يمكن استخدام الحرارة الناتجة لاحقًا في بناء المباني بدلاً من الوقود الأحفوري.
وبينما يحتاج بدء التفاعل إلى الكهرباء، يمكن أن تأتي هذه الكهرباء من خارج أوقات الذروة (الكهرباء المتجددة الزائدة) ويمكن نشر الطاقة الحرارية المخزنة في أوقات الذروة، وهذا هو محور مشروع آخر مستمر في المختبر.
في نهاية المطاف، قد تؤدي هذه التكنولوجيا إلى حلول طاقة صديقة للمناخ.
بالإضافة إلى ذلك، على عكس العديد من البدائل مثل بطاريات الليثيوم، فإن الملح مادة متاحة على نطاق واسع وفعالة من حيث التكلفة، مما يعني أن تنفيذها قد يكون سريعًا.
يمكن أن يساعد تخزين الطاقة الحرارية القائم على الملح في تقليل انبعاثات الكربون، وهي استراتيجية حيوية في مكافحة تغير المناخ .
