قمة ARPA-E لابتكار الطاقة 2024: أروع التقنيات
اجتمع ما يقرب من 400 عارض يمثلون أجرأ ابتكارات الطاقة في الولايات المتحدة الأسبوع الماضي في قمة ARPA-E السنوية لابتكار الطاقة. وقد استعرض المؤتمر، الذي استضافته في دالاس وكالة مشاريع الأبحاث المتقدمة في مجال الطاقة (ARPA-E) في الولايات المتحدة، رهانات الوكالة على تكنولوجيات الطاقة في مراحلها المبكرة والتي يمكن أن تعطل الوضع الراهن. وتحدثت وزيرة الطاقة الأمريكية جنيفر جرانهولم في القمة. وقالت: “إن الأشخاص الموجودين في هذه القاعة هم أفضل أمل لأميركا” في السباق لإطلاق العنان لقوة الطاقة النظيفة. “إن التقنيات التي تنشئها ستقرر ما إذا كنا سنفوز بهذا السباق. قالت مازحة: “لكن لا يوجد ضغط”. IEEE الطيف أمضى ثلاثة أيام يتجول في ممرات العرض. فيما يلي خمسة من العروض التوضيحية المفضلة لدينا.
تعمل بطاريات Li-ion الغازية على مقاومة البرد الشديد
تُظهر شركة South 8 Technologies القدرة على تحمل البرد لبطارية Li-ion الخاصة بها عن طريق دفنها في الجليد في قمة ARPA-E لابتكار الطاقة لعام 2024.إميلي والتز
مصنوعة باستخدام إلكتروليت غاز مسال بدلاً من المذيب السائل القياسي، وهو نوع جديد من بطاريات الليثيوم أيون التي تتحمل البرودة الشديدة، والتي صنعتها شركة South 8 Technologies في سان دييغو، لن تتجمد حتى تنخفض درجة الحرارة إلى أقل من -80 درجة مئوية. يعد هذا تحسنًا كبيرًا على بطاريات Li-ion التقليدية، والتي تبدأ في التدهور عندما تصل درجة الحرارة إلى 0 درجة مئوية، وتغلق عند حوالي -20 درجة مئوية. يقول سايروس رستمجي، المؤسس المشارك لشركة South 8: “إنك تفقد حوالي نصف نطاق سيارتك الكهربائية إذا قمت بقيادةها في منتصف الشتاء في ميشيغان”. ولإثبات وجهة نظرهم، قام رستمجي وفريقه بإعداد دلو من وضعوا ثلجًا جافًا عند درجة حرارة -80 درجة مئوية تقريبًا في جناحهم في قمة ARPA-E ووضعوا فيه مصابيح كهربائية – واحدة مدعومة ببطارية South 8 والأخرى مدعومة بخلية Li-ion التقليدية. انطفأ المصباح الأخير بعد حوالي 10 دقائق، واستمر الجنوب 8 في العمل لمدة 15 ساعة. يقول رستمجي إنه يتوقع أن تحافظ بطاريات السيارات الكهربائية المصنوعة باستخدام تقنية South 8 على النطاق الكامل تقريبًا عند -40 درجة مئوية، وتتحلل تدريجيًا في درجات حرارة أقل من ذلك.
تقنيات جنوب 8
تستخدم بطاريات Li-ion التقليدية المذيبات السائلة، مثل الإيثيلين وكربونات ثنائي الميثيل، كمحلول كهربائي. يعمل الإلكتروليت كوسيط ينتقل من خلاله ملح الليثيوم من قطب كهربائي إلى آخر في البطارية، مما يؤدي إلى نقل الكهرباء. وعندما يكون الجو باردًا، تزداد سماكة الكربونات، مما يقلل من قوة البطارية. يمكنهم أيضًا التجميد، مما يؤدي إلى إيقاف جميع الموصلية. استبدلت شركة South 8 الكربونات ببعض الغازات الصناعية المسالة ذات نقاط التجمد المنخفضة (وهي وصفة لن تكشف عنها الشركة).
كما أن استخدام الغازات المسالة يقلل أيضًا من خطر الحريق لأن الغاز يتبخر بسرعة كبيرة من خلية البطارية التالفة، مما يؤدي إلى إزالة الوقود الذي يمكن أن يحترق ويؤدي إلى اشتعال البطارية. في حالة تلف بطارية Li-ion التقليدية، يمكن أن يحدث ماس كهربائي وتصبح ساخنة بسرعة – مثل درجة حرارة تزيد عن 800 درجة مئوية. يؤدي هذا إلى قيام الإلكتروليت السائل بتسخين الخلايا المجاورة وربما نشوب حريق.
هناك فائدة أخرى لهذه البطارية، وهذه الميزة ستجعل سائقي المركبات الكهربائية سعداء للغاية: سيستغرق الأمر 10 دقائق فقط للوصول إلى 80 بالمائة من الشحن في المركبات الكهربائية التي تعمل بهذه البطاريات، وفقًا لتقديرات روستومجي. وذلك لأن الغاز المسال له لزوجة أقل من الإلكتروليتات القائمة على الكربونات، مما يسمح لملح الليثيوم بالانتقال من قطب كهربائي إلى آخر بمعدل أسرع، مما يقلل من الوقت الذي يستغرقه إعادة شحن البطارية.
أحدث تحسين لـ South 8 هو كاثود عالي الجهد يقلل من تكاليف المواد ويمكن أن يتيح الشحن السريع لمدة تصل إلى خمس دقائق للشحن الكامل. يقول رستمجي: “لدينا الرقم القياسي العالمي في مجال الكاثود عالي الجهد ودرجة الحرارة المنخفضة”.
لن يتسرب التبريد السائل على الخوادم
تضمن Chilldyne أن نظام التبريد السائل الخاص بها لن يتسرب حتى لو تم اختراق الأنابيب إلى النصف IEEE الطيف توضح المحررة إميلي والتز في قمة ARPA-E لابتكار الطاقة لعام 2024. إميلي والتز
تحتاج مراكز البيانات إلى تقنيات تبريد جدية لمنع ارتفاع درجة حرارة الخوادم، وفي بعض الأحيان لا يكون تكييف الهواء كافيًا. في الواقع، تتطلب أحدث شرائح Blackwell من Nvidia تبريدًا سائلًا، وهو أكثر كفاءة في استخدام الطاقة من الهواء. لكن التبريد السائل يميل إلى جعل مشغلي مراكز البيانات متوترين. يقول ستيف هارينجتون، الرئيس التنفيذي لشركة Chilldyne: “إن القنبلة لن تسبب ضررًا كبيرًا مثل نظام التبريد السائل المتسرب”. تقدم شركته، التي يقع مقرها في كارلسباد، كاليفورنيا، تبريدًا سائلًا مضمونًا بعدم التسرب، حتى لو تم قطع خطوط التبريد إلى النصف. (إنهم لا يمزحون؛ فقد جلبت شركة Chilldyne فأسًا إلى عرضها في ARPA-E ودعنا نخبرك بذلك نطاق حاول. شاهد سائل التبريد الأزرق يختفي فورًا من الأنبوب بعد تقطيعه.)
تشيلدين
النظام مانع للتسرب لأن نظام الضغط السلبي الخاص بـ Chilldyne يسحب سائل التبريد عبر الأنابيب، بدلاً من دفعه، مثل المكنسة الكهربائية. تمر الأنابيب عبر الخوادم، وتمتص الحرارة من خلال الألواح الباردة، وتعيد السائل الدافئ إلى الخزانات في وحدة توزيع التبريد. تقوم هذه الوحدة بنقل الحرارة إلى الخارج وتزويد السائل المبرد مرة أخرى إلى الخوادم. إذا انكسر أحد المكونات في أي مكان في حلقة التبريد، فسيتم امتصاص السائل على الفور مرة أخرى إلى الخزانات قبل أن يتسرب. مفتاح التكنولوجيا: لوحات باردة ذات مقاومة حرارية منخفضة متصلة بمعالجات كل خادم، مثل وحدات المعالجة المركزية (CPU) أو وحدات معالجة الرسومات. تمتص الألواح الباردة الحرارة عن طريق الحمل الحراري، وتنقل الحرارة إلى أنبوب التبريد الذي يمر عبرها. قام Chilldyne بتحسين اللوحة الباردة باستخدام قنوات معدنية على شكل لولبي، تسمى turbulators، والتي تدفع الماء حولها “مثل الأعاصير الصغيرة”، مما يزيد من امتصاص الحرارة إلى الحد الأقصى، كما يقول Harrington. قامت الشركة بتطوير لوحة التبريد بموجب منحة ARPA-E وتقوم الآن بقياس توفير الطاقة للتبريد السائل من خلال برنامج ARPA-E.
كما تقوم نفايات التعدين التي تم إنقاذها باحتجاز ثاني أكسيد الكربون2
تشرح ريتا سيلبيرناجل، كبيرة الباحثين في شركة Phoenix Tailings، كيف تحتوي نفايات التعدين على معادن مفيدة وعناصر أرضية نادرة ويمكن استخدامها أيضًا كمكان لتخزين ثاني أكسيد الكربون.إميلي والتز
يترك التعدين وراءه أكوامًا من النفايات بعد استخراج المواد القابلة للاستخدام تجاريًا. يمكن أن تحتوي هذه النفايات، المعروفة باسم المخلفات، على عناصر أرضية نادرة ومعادن ثمينة كان من الصعب جدًا استخراجها باستخدام تقنيات التعدين التقليدية. تقوم شركة Phoenix Tailings – وهي شركة ناشئة مقرها في ووبرن بولاية ماساتشوستس – باستخراج المعادن والعناصر الأرضية النادرة من المخلفات في عملية لا تترك وراءها أي نفايات ولا تنتج أي انبعاثات مباشرة من ثاني أكسيد الكربون. تبدأ عملية الشركة بمعالجة المعادن المائية التي تفصل العناصر الأرضية النادرة بعيدًا عن المخلفات التي تحتوي على الحديد والألمنيوم وعناصر مشتركة أخرى. بعد ذلك تستخدم الشركة طريقة جديدة لاستخلاص المذيبات لفصل العناصر الأرضية النادرة عن بعضها البعض وتنقية العنصر المطلوب على شكل أكسيد. يخضع أكسيد الأرض النادرة بعد ذلك لعملية التحليل الكهربائي للملح المصهور الذي يحوله إلى شكل معدني صلب. تركز شركة Phoenix Tailings على استخلاص النيوديميوم وسبائك النيوديميوم والبراسيوديميوم والديسبروسيوم وسبائك الديسبروسيوم الحديدية، وهي معادن أرضية نادرة تستخدم في المغناطيس الدائم للمركبات الكهربائية وتوربينات الرياح والمحركات النفاثة وغيرها من التطبيقات. وتقوم الشركة بتقييم العديد من مواقع المخلفات في الولايات المتحدة، بما في ذلك شمال ولاية نيويورك.
كما طورت الشركة أيضًا عملية لاستخراج المعادن مثل النيكل والنحاس والكوبالت من مخلفات التعدين، مع عزل ثاني أكسيد الكربون في الوقت نفسه. يتضمن النهج حقن ثاني أكسيد الكربون2 في المخلفات، حيث يتفاعل مع المعادن، ويحولها إلى كربونات، وهي مركبات تحتوي على أيون الكربونات، الذي يحتوي على ثلاثة الأكسجين وذرة كربون واحدة. بعد عملية الكربنة المعدنية، يتم ترشيح النيكل أو المعادن الأخرى بشكل انتقائي من الخليط، مما ينتج نيكل عالي الجودة يمكن استخدامه في صناعات بطاريات السيارات الكهربائية والفولاذ المقاوم للصدأ.
والأفضل من ذلك هو أن هذه العملية برمتها، كما تقول ريتا سيلبيرناجيل، عالمة الأبحاث الأولى في شركة Phoenix Tailings، تمتص المزيد من ثاني أكسيد الكربون2 مما ينبعث.
التوربينات الهيدروكينية: نموذج عمل جديد
تقوم شركة Emrgy بتعديل ارتفاع توربيناتها الهيدروكينية في قمة ARPA-E لابتكار الطاقة لعام 2024. وتخطط الشركة لتركيبها في قنوات الري القديمة لتوليد الطاقة المتجددة ومصادر دخل جديدة للمجتمعات الريفية.إميلي والتز
تعمل هذه التوربينات الهيدروكينية في قنوات الري، وتولد الكهرباء والإيرادات للمجتمعات الريفية. يمكن للتوربينات، التي طورتها شركة Emrgy في أتلانتا، أن تتغير في الارتفاع ودرجة ميل الشفرة بناءً على تدفق المياه. وتخطط الشركة لوضعها في قنوات الري التي تم بناؤها لجلب المياه من ذوبان الثلوج في جبال روكي إلى المناطق الزراعية في غرب الولايات المتحدة. ويقدر إمرجي أن هناك أكثر من 160 ألف كيلومتر من هذه الممرات المائية في الولايات المتحدة. النظام يتقادم ويفقد المياه، ولكن من الصعب على مناطق المياه تبرير تكلفة إصلاحه، كما يقول توم كوثبرت، كبير مسؤولي التكنولوجيا في شركة Emrgy. الحل الذي تقدمه الشركة هو وضع توربيناتها الهيدروكينية في جميع أنحاء هذه الممرات المائية كوسيلة لتوليد الكهرباء المتجددة ودفع تكاليف تحديث قنوات الري.
إن مفهوم وضع توربينات هيدروكينية في المجاري المائية ليس جديدًا، ولكن حتى السنوات الأخيرة لم يكن ربطها بالشبكة أمرًا عمليًا. ويستفيد توقيت Emrgy من الأساس الذي وضعته صناعة الطاقة الشمسية. لدى الشركة خمسة مشاريع تجريبية قيد التنفيذ في الولايات المتحدة ونيوزيلندا. تقول إميلي موريس، الرئيس التنفيذي ومؤسس شركة Emrgy: “لقد وجدنا أن البنية التحتية الحالية للمياه تمثل قطاعًا عقاريًا ضخمًا تم تجاهله وجاهزًا لتطوير الطاقة المتجددة”.
يقوم الماء المضغوط بتخزين الطاقة في أعماق الأرض
جلبت شركة Quidnet Energy رأس البئر إلى قمة ARPA-E لابتكار الطاقة لعام 2024 لإظهار نظام تخزين الطاقة المصمم هندسيًا.إميلي والتز
جلبت شركة Quidnet Energy رأس بئر كاملًا إلى قمة ARPA-E لإظهار تقنية تخزين المياه التي يتم ضخها تحت الأرض. يقوم النظام الهندسي الجيولوجي الخاص بالشركة، ومقرها هيوستن، بتخزين الطاقة على شكل مياه مضغوطة في أعماق الأرض. وتتكون من بركة سطحية، وبئر عميق، وخزان تحت الأرض في نهاية البئر، ونظام ضخ ينقل الماء المضغوط من البركة إلى الخزان الجوفي وبالعكس. لا يتطلب التصميم تغيير الارتفاع مثل الطاقة الكهرومائية التقليدية التي يتم ضخها.
يتكون نظام Quidnet من بركة على مستوى السطح، وبئر عميق، وخزان تحت الأرض في نهاية البئر، ونظام مضخة ينقل الماء المضغوط من البركة إلى الخزان الجوفي وبالعكس.طاقة كوينت
يعمل الأمر على النحو التالي: تعمل الكهرباء من المصادر المتجددة على تشغيل مضخة ترسل المياه من البركة السطحية إلى رأس البئر وأسفل البئر بعمق حوالي 300 متر. وفي نهاية البئر، يتدفق ضغط المياه التي يتم ضخها إلى كسر تم تصميمه مسبقًا في الصخر، مما يؤدي إلى إنشاء خزان يبلغ عرضه مئات الأمتار ويقع تحت وزن عمود الصخور بأكمله فوقه، كما يقول بونكر هيل، نائب نائب الرئيس. رئيس الهندسة في Quidnet. ثم يُغلق رأس البئر، ويظل الماء تحت ضغط مرتفع، مما يحافظ على الطاقة مخزنة في الخزان لعدة أيام إذا لزم الأمر. وعند الحاجة إلى الكهرباء، يتم فتح البئر، مما يسمح للمياه المضغوطة بالتدفق إلى نفس البئر. وفوق سطح الأرض، تمر المياه عبر توربينات كهرومائية، وتولد ما بين 2 إلى 8 ميجاوات من الكهرباء. ثم تعود المياه المستهلكة إلى البركة السطحية، لتكون جاهزة للدورة التالية. يقول هيل: “الجزء الصعب هو التأكد من عدم فقدان الخزان الجوفي للمياه”. ولتحقيق هذه الغاية، قامت الشركة بتطوير حلول إغلاق مخصصة يتم حقنها في الكسر وإغلاقه في الماء.
من مقالات موقعك
مقالات ذات صلة حول الويب
