لأول مرة التوصل لبطاريات حيوية يمكنها تخزين الطاقة الشمسية وطاقة الرياح

حتى الآن ، كان من الصعب تخزين الطاقة التي نولدها عندما تكون الشمس مشرقة والرياح في طريقها. لكن الباحثين في مختبر في تروندهايم في النرويج نجحوا في القيام بذلك بالضبط – وبدون أي شكل من أشكال تكنولوجيا البطاريات المتقدمة.

من الخارج يبدو وكأنه حاوية فضية اللون مع نافذة صغيرة مستديرة مقطوعة في الجانب والعديد من الأنابيب تؤدي إلى الداخل والخارج. يتم سحب الحرارة أولاً إلى النظام ثم يتم إطلاقها مرة أخرى بعد فترة.

تتيح هذه “الحاوية” تخزين الطاقة الحرارية المتولدة في الأيام المشمسة والرياح وإطلاقها مرة أخرى عندما يصبح الطقس أكثر برودة. تعتمد التقنية التي تقود النظام على ما يسمى ” مواد تغيير الطور ” (PCMs) بالاشتراك مع مضخات الحرارة .

في الواقع ، يمكن أن يكون مصدر الطاقة أي شيء من الكهرباء المولدة من الألواح الشمسية ، أو الحرارة المهدرة من مبنى المصنع أو الطاقة الزائدة من توربينات الرياح. هنا ، في مختبر ZEB (Zero Emission Building) الذي تديره SINTEF و NTNU ، يتم الحصول على طاقة التخزين من الألواح الشمسية التي تغطي معظم سطح المبنى والواجهة الجنوبية.

الماء هو أكثر مواد تغيير الطور شيوعًا في العالم

ولكن ما هي مادة تغيير الطور؟ ألكسيس سيفولت هو مدير الأبحاث في SINTEF Energy Research ويسعده أن يشرح ذلك.

الماء هو مادة متغيرة الطور في أبسط أشكالها وأكثرها شيوعًا، يمكن أن تتحول إلى بلورات جليدية عندما تنخفض درجة الحرارة إلى ما دون الصفر درجة مئوية، وتصبح سائلة مع ارتفاع درجة الحرارة، وتتحول إلى بخار مع اقترابها من 100 درجة، الماء أيضًا لديه القدرة على التصرف بشكل مختلف في أطواره المختلفة، والأهم من ذلك، يمكنه تخزين الحرارة في شكلها السائل.

يعطي العلماء اسم مواد تغيير الطور ، أو PCM ، للمواد التي تتصرف بشكل مختلف في أطوارها المختلفة والتي يمكنها أيضًا تخزين الحرارة، هناك العديد من أجهزة PCM التي يمكنها تخزين الحرارة في شكلها السائل . ما يجعل هذه المواد مثيرة للاهتمام، وليس أقلها ، عملية في هذا السياق هو أن نقاط انصهارها ليست درجة الصفر.

نقطة الانصهار: 37 درجة مئوية

تتيح هذه الخاصية استخدام أجهزة PCM على أنها “بنوك الحرارة”، بمعنى آخر ، كبطاريات. تحتوي الحاوية الكبيرة ذات اللون الفضي في مختبر ZEB على PCM يذوب في درجة حرارة الجسم.

يقول سيفولت: “يحتوي الجهاز على ثلاثة أطنان من biowax السائل الذي يعتمد على زيت نباتي لا يمكن استخدامه كغذاء”. “بالطريقة نفسها التي يتحول بها الماء إلى جليد، يصبح الشمع مادة صلبة بلورية عندما يصبح باردًا بدرجة كافية. وتعني كلمة” بارد “لهذا الشمع المعين أقل من 37 درجة” ،ويضيف: “لكن هناك أنواعًا أخرى من biowax لها نقاط انصهار مختلفة ، وكلها تقدم فرصًا للعديد من التطبيقات المماثلة.”

الجزيئات الذكية

إذا قمنا بفحص biowax بالتفصيل، وجدنا أنه مكون من جزيئات تتصرف بشكل اقتصادي للغاية من حيث الحرارة.

من أجل توفير الطاقة، تقوم الجزيئات بترتيب نفسها بشكل وثيق للغاية عندما يكون biowax في طورته الصلبة . تتجمع بالقرب من بعضها البعض وتبقى ثابتة نسبيًا ، على عكس سرب من طيور البطريق الباردة على طوف جليدي.

عندما تذوب المادة، يتم فك الروابط التي تربط الجزيئات معًا وتبدأ في التحرك بما نسميه الطاقة الحركية. مع توفير المزيد من الحرارة من محيطها، تصبح الجزيئات أكثر إثارة. ويتم تحريرهم من روابطهم ويمكنهم الاهتزاز بحرية وبشكل مستقل، عندما يحدث هذا، فإن biowax قد تغير مرحلته وأصبح سائلًا.

والعكس صحيح. عندما يتغير الشمع من سائل إلى صلب ، تطلق الجزيئات حصة كبيرة من طاقتها الحركية إلى محيطها. يتوقفون عن الاهتزاز ويبدأون في التجمع معًا مرة أخرى لتوفير الطاقة. ثم يعود الشمع إلى مادة صلبة.

قائم على أساس حيوي وخالي من الصيانة

هذه هي الظاهرة التي يستغلها الباحثون في حاوية الفضة. الطاقة التي يتم تجميعها بواسطة الألواح الشمسية الخارجية للمبنى يتم توصيلها عبر مضخة حرارية إلى “البطارية” الكبيرة، وهنا تكون جزيئات biowax حرة في الرقص على محتوى قلوبهم – مليئة بطاقتهم السائلة.

عندما يحين الوقت لاستخراج الطاقة ، يتم تعيين الماء السائل بوظيفة “الناقل العملي للطاقة”، بادئ ذي بدء ، يتم إرسال الماء البارد من خلال نظام تخزين الحرارة. بعد فترة قصيرة، يتم إطلاق الماء الساخن الآن من الجهاز وتوجيهه إلى المشعات ونظام التهوية ، لتزويد المبنى بالهواء الساخن.

نظام فعال وفعال

تُستخدم هذه التقنية الآن كجزء من نظام التدفئة بمختبر ZEB منذ أكثر من عام، يقول Alexis Sevault: “إن نظام تخزين الحرارة المستند إلى PCM يقدم بالضبط الأداء الذي توقعناه”، يقول: “إننا نستخدم أكبر قدر ممكن من الطاقة الشمسية المنتجة ذاتيًا للمبنى، ونجد أيضًا أن النظام مناسب جدًا لما يسمى بـ” ذروة الحلاقة “.

يقول سيفولت: “من خلال شحن البطارية الحيوية قبل أبرد أجزاء اليوم ، فإننا نمنع المبنى من استهلاك كهرباء الشبكة القيمة في الأوقات التي تشهد فيها بقية تروندهايم أيضًا طلبًا كبيرًا”، “هذا يوفر لنا مستوى من المرونة يمكن استخدامه أيضًا لاستغلال التقلبات في السعر الفوري، يمكننا شحن بطاريتنا عندما يكون لدينا إمكانية الوصول إلى الطاقة من الشمس والرياح والحرارة المهدرة ، واستخراج المخرجات عندما يكون سعر الكهرباء مرتفعًا،” هو يوضح.

علاوة على ذلك، قدمت السنة الأولى من التشغيل كميات كبيرة من البيانات التي سيستخدمها الباحثون الآن لتحسين كل من تصميم وتشغيل النظام بحيث يمكن استخراج أكبر قدر ممكن من المخرجات.

الأنسب للتطبيقات الصناعية

وبالتالي فإن النظام أقل تعقيدًا بكثير من البطارية التقليدية – ولكنه غير مناسب لجميع المباني، كتكنولوجيا جديدة ، تظل تكاليف الاستثمار مرتفعة، العيب هو أن مثل هذا النظام لن يعمل مع الجميع، على الأقل ليس في الوقت الحاضر.

يقول سيفولت: “سيكون هذا النظام مثاليًا للمباني الصناعية والمكتبية ، وفي الأحياء التي يمكن توزيع الحرارة فيها”، “أفضل جزء في الأمر هو أن التكنولوجيا خالية من الصيانة تقريبًا، وستستمر لمدة 25 عامًا على الأقل”.

يعمل الباحثون أيضًا على تطوير أنظمة تحكم ذكية بهدف تحسين المخرجات، سيمكن ذلك النظام ككل من الاستجابة لاحتياجات محيطه وتنظيمها وفقًا له، وهذا يعني من الناحية العملية أن الطريقة التي يتم بها استغلال النظام قد تسترشد بعوامل مثل التنبؤات الجوية والتقلبات في أسعار الكهرباء. يتم إجراء هذا البحث بواسطة SINTEF بالتعاون مع NTNU، جنبا إلى جنب مع العديد من الأقسام البحثية الأخرى داخل NTNU و SINTEF ، أنشأ الباحثون مركزًا للجوزاء يسمى تخزين الطاقة الحرارية.

عرض SINTEF

الباحثون الذين طوروا “البطارية الحيوية” أو نظام تخزين الحرارة PCM كما يسميه الخبراء ، هم الآن في طور إنشاء شركة بهدف تسويق التكنولوجيا، يحدث هذا بالتعاون مع قسم دعم بدء التشغيل الداخلي في SINTEF ، SINTEF TTO.

يقول سيفولت: “نتصور أنه بعد عدة أشهر من الاختبار في مختبر ZEB ، يمكننا أن نبدأ بأمان المفهوم في رحلته نحو التسويق”، “لقد أنشأنا أيضًا اتصالات مع العديد من المستخدمين النهائيين المهتمين بتثبيت نظام تجريبي في عام 2023 أو 2024. العديد من هذه الشركات هي شركات صناعية لديها الموارد لتوسيع نطاق المفهوم”.