تخزين الطاقة الحرارية لم يعد مجرد هواء ساخن

في العام المقبل ، ستزرع مدينة كولشيستر بإنجلترا أربع حاويات شحن بطول 6 أمتار تقريبًا في موقع تطوير جديد متعدد الاستخدامات. حاويات الشحن ، التي تضم تشكيلة شبيهة بفرانكشتاين من أجزاء الماكينة – محركات أعيد استخدامها من محركات شاحنات فولفو ، وخزانات عملاقة من الهواء المضغوط ، وصوامع ضخمة من الرمال الساخنة للأنابيب – تنتجها شركة تسمى Cheesecake Energy.

على الرغم من اسمها ، فإن Cheesecake Energy ليست في مجال المواد الغذائية. تقوم الشركة ببناء أنظمة حاويات الشحن هذه ، والتي تعمل مثل البطاريات العملاقة التي تخزن الطاقة كحرارة وهواء مضغوط ، بدلاً من تفاعل كيميائي (اسم Cheesecake مشتق من اختصار nerdy لتقنيتها).

تشيز كيك هو جزء من مجموعة من الشركات التي تحاول تلبية الحاجة المتزايدة لأشكال بديلة لتخزين الطاقة. مع انتقال البلدان من الوقود الأحفوري إلى مصادر الطاقة الخضراء مثل الرياح والطاقة الشمسية ، ستكون هناك فترات هدوء طبيعية في إنتاج الطاقة بسبب الظروف الجوية. يميل استهلاك الطاقة أيضًا إلى الذروة خلال ساعات المساء المبكرة ، وهو أمر غير ملائم عندما ينخفض ​​إنتاج الطاقة الشمسية. يُنظر إلى تقنية تخزين الطاقة على أنها وسيلة للمساعدة في تسوية عدم التوازن في العرض والطلب من خلال تخزين الطاقة الزائدة خلال فترات الإنتاج المرتفع واستخدامها عند الحاجة.

شهدت السنوات الأخيرة بناء مزارع كبيرة لبطاريات الليثيوم أيون تفعل ذلك بالضبط. يقول Xiaobing Liu ، الذي يقود مجموعة تخزين الطاقة الحرارية في مختبر أوك ريدج الوطني ، إنه حتى بطاريات الليثيوم أيون كثيفة الطاقة لها حدود. البطاريات التي يمكن أن تحتوي على كميات كبيرة من الطاقة كبيرة ومكلفة وتتطلب استثمارات كبيرة لتركيبها. تفقد قدرتها تدريجياً مع كل دورة تفريغ وإعادة شحن ، ويمكن أن تكون من مخاطر الحريق. من الصعب أيضًا الحصول على المواد الخام اللازمة لبناء بطاريات أيونات الليثيوم ، كما أن استخراج تلك المعادن يثير قضايا بيئية وحقوق الإنسان.

قال ليو: “إنها مادة نادرة ، والكثير من الأماكن تحتاج إلى بطاريات”. “السيارات الكهربائية تحتاج إلى الكثير من البطاريات ، وأجهزة الكمبيوتر المحمولة تحتاج إلى الكثير من البطاريات. لذلك هناك منافسة قوية على المواد ، خاصة إذا أصبحت السيارات الكهربائية أكثر شيوعًا “.

لهذا السبب بدأ الاهتمام بالحلول غير التقليدية لتخزين الطاقة في السنوات الأخيرة. بحثت الشركات في أنظمة الطاقة الكهرومائية التي يتم ضخها والتي تولد الكهرباء من المياه المتدفقة من الخزانات الاصطناعية الكبيرة ، والكهوف تحت الأرض التي تخزن وقود الهيدروجين المحلل كهربائياً من المياه ، والمصاعد التي ترفع كتل الخرسانة وتحصد طاقتها الكامنة عند سقوطها. لقد هبطت بعض الشركات على التخزين الحراري.

تخزين الطاقة في الهواء والرمل

سيعمل المشروع متعدد الاستخدامات في كولشيستر على تشغيل شبكة صغيرة خاصة به ، والتي تحصل على الكهرباء من مزرعة شمسية بقوة 8 ميغاواط في ممتلكاتها. سيتم تخزين الطاقة الزائدة الناتجة عن المزرعة الشمسية خلال النهار في نظام تخزين الطاقة الحرارية في Cheesecake Energy ويمكن الوصول إليها خلال المساء من قبل الشركات المحلية والمقيمين.

وإليك كيفية عملها: خلال النهار ، يأخذ نظام Cheesecake الكهرباء الزائدة ويستخدمها لتشغيل المحرك. يقوم المحرك بتشغيل مكبس يقوم بضغط الهواء ، والذي يصبح ساخنًا عند ضغطه. يقوم النظام بعد ذلك بفصل الحرارة عن الهواء المضغوط ويخزن الحرارة في صوامع من الرمل أو الحصى. الهواء المضغوط ، الذي أصبح الآن باردًا وأسهل في التخزين ، موجود في خزان هواء كبير.

يحب أحد مؤسسي Cheesecake استخدام تشبيه حوض الاستحمام عند مقارنة تقنيتهما مع بطاريات أيونات الليثيوم. يحتوي تخزين الطاقة على عاملين رئيسيين – مدى سرعة شحنه وتفريغه (الحنفية) ومقدار الطاقة الإجمالية التي يمكنه استيعابها (حوض الاستحمام). تحتوي البطاريات على حنفية قوية ، ولكن هذا يأتي على حساب حوض صغير.

يقول مايكل سيمبسون ، الشريك المؤسس لشركة Cheesecake Energy: “حوض الاستحمام رخيص بالنسبة لنا ، لذلك عندما يتعلق الأمر بالمقدار الذي يمكننا تخزينه ، يمكننا زيادة هذه السعة بتكلفة منخفضة جدًا”. “بالنسبة للبطاريات ، فإن جعل الحمام أكبر أمر مكلف للغاية.”

عندما يحين وقت توليد الكهرباء ، يقوم Cheesecake بتشغيل النظام في الاتجاه المعاكس. بمجرد تسخين الهواء المضغوط ، يقوم بتشغيل مكبس يقوم بتشغيل مولد لتوليد الكهرباء. النظام بأكمله ، الذي يمكن أن يحمل ما يكفي من خمس إلى اثنتي عشرة ساعة من تفريغ الكهرباء بكامل طاقته ، يكلف نصف مليون جنيه. ستعمل مجموعة إضافية من حاويات الشحن على مضاعفة سعة التخزين ، وما إلى ذلك.

لا تهدر الطاقة الحرارية

في حين أن نظام Cheesecake هو في الأساس جهاز تخزين للكهرباء والتيار الكهربائي ، إلا أن هناك شركات تخزين طاقة حرارية أخرى متخصصة في إطلاق الطاقة المخزنة كحرارة. إنه شكل من أشكال الطاقة تم تجاهله إلى حد ما ، ولكنه مهم للغاية – الطاقة في شكل حرارة هي كيفية استهلاك نصف إجمالي استخدام الطاقة في العالم ، مثل الكهرباء والنقل مجتمعين.

يرجع جزء كبير من ذلك إلى الاستخدام الصناعي من قبل الصناعات الكبيرة المتعطشة للطاقة مثل صناعة الصلب والتصنيع الكيميائي والبناء. تستهدف مجموعة كيوتو الناشئة ، ومقرها هولندا ، هذا الاستخدام الصناعي للحرارة من خلال نظام التخزين الحراري ، الذي يخزن الطاقة على شكل ملح مصهور. يمكن لنظامهم أن يأخذ الكهرباء أو الحرارة كمدخلات ويطلق الهواء الساخن أو البخار في نطاق 170 إلى 400 درجة مئوية كناتج. يعتبر توصيل درجة الحرارة هذا مناسبًا تمامًا لصناعة الأغذية وصناعة الورق ، التي اختبرت برامج تجريبية لنظام كيوتو. جهاز تخزين حراري للملح المنصهر مثبت في منشأة تصنيع خارج كوبنهاغن يخزن الكهرباء من الشبكة عندما يكون رخيصًا ويطلق البخار عند 180 درجة مئوية لصنع الورق المقوى.

Heatcube من مجموعة كيوتو هي بطارية حرارية تهدف إلى مضاعفة مصدر الحرارة للعمليات الصناعية مثل تصنيع الكرتون.مجموعة كيوتو

تعد المباني مستهلكًا كبيرًا آخر للحرارة ، حيث تمثل ما يقرب من نصف إجمالي استهلاك الحرارة ، ومعظمها من أجل تسخين المساحات والمياه. كما أنها تستهلك 75٪ من إجمالي الكهرباء المستخدمة. لهذا السبب تركز مجموعة Liu’s Thermal Storage Group في ORNL بشكل أساسي على المباني. تتمثل رؤية المجموعة في المزيد والمزيد من المباني لتشمل في نهاية المطاف أنظمة التخزين الحراري. تبحث المجموعة عن طرق لدمج أنظمة التخزين الحراري مباشرةً في البنية التحتية للمباني الحالية مثل الأسطح والجدران والأرضيات بطرق لا تشغل مساحة كبيرة.

يأمل ليو أن يكون تخزين الطاقة الحرارية في نهاية المطاف في كل مكان مثل مكيفات الهواء ، لكنه يقول إنه من المحتمل أن يستغرق الكثير من الوقت لأن فوائد الاستثمار ليست واضحة. في حين أن المستخدمين الأوائل لتكييف الهواء يمكن أن يروا فوائد مباشرة من الاستثمار في واحد (البقاء هادئًا خلال أشهر الصيف الحارة) ، فإن أصحاب المنازل والمباني لأنظمة التخزين الحراري قد لا يفعلون ذلك.

“الحصول على شبكة خالية من الكربون بنسبة 100 في المائة ليس سوى مشكلة تحسين”. – ماثيو إيرفين ، Maplewell

قد يرى العملاء التجاريون الفوائد أولاً – يتعين عليهم دفع رسوم الطلب في الأوقات التي يكون فيها الطلب الإجمالي مرتفعًا على الشبكة ، حتى يتمكنوا من توفير المال عن طريق سحب الطاقة من التخزين الحراري في تلك الأوقات. لكن ليو يقول إن العملاء المقيمين لا يرون رسوم الطلب. بدلاً من ذلك ، تذهب فوائد استثمارات تخزين الطاقة الحرارية إلى شركات المرافق من خلال المساعدة في تخفيف بعض الضغط عن الشبكة.

يقول إن التبني الواسع لتخزين الطاقة الحرارية قد يكون مدفوعًا بقوى خارجية ، مثل الحكومة أو شركات المرافق التي تقدم معدلات وقت الاستخدام للعملاء المقيمين. إذا كانت هناك كمية كبيرة من الطاقة الشمسية أو طاقة الرياح على الشبكة ، فسيكون العملاء قادرين على توفير المال عن طريق شراء وتخزين الكهرباء خلال أوقات انخفاض الأسعار.

يقول ليو: “تمتلك كاليفورنيا بالفعل هذا النوع من معدل وقت الاستخدام من الكهرباء المولدة من الطاقة الشمسية أو الرياح”. “قد يؤدي ذلك إلى خلق هذه الحاجة إلى التخزين … وبعد ذلك ستكون هناك منافسة بين الحرارية والكهربائية [storage]. “

تسخين الشبكة

على مستوى ما ، يعد الحصول على قيمة من أنظمة تخزين الطاقة مشكلة في التحسين. متى يكون من المنطقي شراء الكهرباء مباشرة من الشبكة؟ ومتى يكون من الأفضل السحب من احتياطيات التخزين أو شراء كهرباء شبكة إضافية لتخزينها؟ تأمل Maplewell Energy ، وهي شركة مقرها كولورادو تصنع برامج تعمل على أتمتة هذه القرارات ، في تسهيل ذلك على العملاء التجاريين. يقوم بسحب البيانات من مصادر مختلفة – تقارير الطقس ، وشركات المرافق ، وسجلات استخدام الطاقة في الماضي – للتنبؤ بما يجب القيام به للحصول على أفضل سعر للكهرباء بشكل عام.

قامت الشركة مؤخرًا بتجربة برامجها في متجر صغير خاص بالمؤسسات ، باستخدام نظام التبريد الخاص بالمتجر كنوع من تخزين الطاقة الحرارية. يجب أن تبقى الثلاجات التجارية أقل من 40 درجة فهرنهايت ، ولكن بها مساحة كبيرة للمناورة أعلى من درجة التجمد ببضع درجات لتلعب بها. قبل الساعة 4 مساءً بالتوقيت المحلي ، عندما يكون الطلب الإجمالي من الشبكة المحلية هو الأعلى والأكثر تكلفة ، يوجه برنامج Maplewell ثلاجات المتجر للتبريد إلى الحد الأدنى من الحد الأدنى ، وبالتالي يمكن للمخزن تجنب شراء الطاقة للتبريد خلال فترة الذروة.

“بالنسبة للبطاريات ، فإن جعل الحمام أكبر أمر مكلف للغاية.” – مايكل سيمبسون ، تشيز كيك إنيرجي

يعتقد ماثيو إيرفين ، الرئيس التنفيذي لشركة Maplewell ، أن برنامج التحسين مثل هذا يمكن أن يساعد في المخاوف من نفاد قدرة الشبكة في محاولة لدعم الانتقال الكامل من الوقود الأحفوري إلى الكهرباء.

يقول إيرفين: “إن الحصول على شبكة خالية من الكربون بنسبة 100 في المائة ليس سوى مشكلة تحسين”.

الشركات والباحثون الذين يعملون على تخزين الطاقة الحرارية متفائلون بشأن تقنيتهم. إذا نجحت ، يمكن أن تساعد أجهزة التخزين الحراري المستهلكين على حماية المستهلك من التقلبات في إمدادات الطاقة المتجددة ومنع زيادة التحميل على الشبكة خلال فترات ارتفاع الطلب ، كل ذلك أثناء استخدام مواد صديقة للبيئة وبسيطة ورخيصة.

لكن الفضاء لا يزال يافعا. تم تأسيس كل من Cheesecake Energy و Kyoto Group في 2016 ، Maplewell Energy في 2019 ، وحتى مجموعة ORML’s Thermal Energy Storage Group تم تشكيلها فقط في ديسمبر 2022. لا تزال الشركات تكافح مع الوعي العام المحدود بالتكنولوجيا ، ويستغرق الأمر وقتًا للارتقاء من بناء أنظمة تجريبية لتصنيع منتجات التخزين الحراري على نطاق واسع. قال تيم دي هاس ، المدير التجاري لمجموعة كيوتو ، إن الصناعة تواجه أيضًا تحديات تنظيمية وسياسية.

ولكن هناك أيضًا طلب متزايد على حلول تخزين الطاقة الفعالة. قال سيمبسون من Cheesecake ، إن العملاء المستهدفين للشركة يشملون أولئك الذين يرغبون في بناء مكاتب أو مصانع جديدة ولكن لا يمكنهم ذلك لأن الشبكة المحلية بها طاقتها الاستيعابية.

يقول سيمبسون: “لدينا مشكلات حقيقية في المملكة المتحدة ، حيث يرغب المطورون في بناء مجمعات سكنية أو مشاريع تجارية جديدة ، ويقال لهم بشكل أساسي ،” يمكنك الحصول على القوة الكافية لذلك في عام 2030 “. “الشبكة لا تتحرك بالسرعة الكافية بالنسبة لهم.”