ما هي بطاريات الرمل؟ كل ما تحتاج إلى معرفته

تصدرت الأخبار المتعلقة ببطارية رملية من فنلندا عناوين الأخبار مؤخرًا ، على الرغم من أن هذا النظام يخزن الحرارة ويطلقها فقط.

لا يعد تخزين الحرارة الحرارية تقنية جديدة ، ولكن هذا المشروع التجريبي يسلط الضوء على بعض الاحتمالات المستقبلية لتقنيات وأنظمة الطاقة الخضراء.

يلقي هذا المنشور نظرة على التكنولوجيا المحيطة بالرمال لتخزين الطاقة ، فضلاً عن التقنيات المماثلة ، وما تعنيه للعالم.

الطاقة من الرمال؟

يمتلك الرمل الطبيعي العديد من الصفات التي تجعله وسيلة مثالية لتخزين الطاقة الحرارية. يمكنك تسخينه إلى درجات حرارة تتجاوز 1000 درجة مئوية (1،832 درجة فهرنهايت) دون مشاكل ويمكنه الاحتفاظ بهذه الحرارة لأيام وأسابيع وحتى شهور بأقل خسارة.

إذا كنت تعتبر أن البطارية هي وسيلة لتخزين الطاقة التي تم إنتاجها في وقت معين ، بحيث يمكن استخدامها في وقت مختلف ، فإن الرمل الذي يتم تسخينه بالطاقة الكهربائية للتخزين والاستخدام لاحقًا هو بطارية.

بطارية الرمال الفيروسية من فنلندا

في منطقة كانكانبا الغربية الفنلندية ، يوجد نظام طاقة لتخزين الحرارة حاصل على براءة اختراع تم تطويره بواسطة Polar Night. تستخدم الطاقة الكهربائية الزائدة من المصادر المتجددة لتسخين الرمال في صومعة بارتفاع 7 أمتار وعرض 4 أمتار حتى 600 درجة مئوية (1112 درجة فهرنهايت) للتخزين والاستخدام لاحقًا في شبكة تدفئة المنطقة.

هناك بعض الأشياء المهمة التي يجب وضعها في الاعتبار هنا. أولاً ، الطاقة المستخدمة هي توليد فائض من مصادر متجددة مثل الرياح والطاقة الشمسية. هذا يزيل أي مقارنات موضوعية لأنظمة تخزين الطاقة الأخرى للأغراض التجارية.

ثانيًا ، يتم استخدام النظام فقط للتخزين والتوصيل الحراري - أي يتم تحويل الطاقة الكهربائية إلى حرارة وتخزينها في الرمال. وبعد ذلك ، عند الحاجة ، يتم استخراج الحرارة وتوزيعها على المنازل والمصانع عند الحاجة إليها.

ثالثًا ، يمكن أن تحتوي الرمال الطبيعية على قدر كبير من الطاقة. على سبيل المثال ، تحمل بطارية Polar Night الفنلندية 100 طن من الرمال عند حوالي 600 درجة مئوية ، بإجمالي 8 ميجاوات في الساعة من الطاقة المخزنة بسعة تسخين 100 كيلو وات. هذا يجعل الرمل وسيلة تخزين طاقة رخيصة الثمن بجنون بدون تقنيات أو تركيبات أو متطلبات خطيرة.

حول تخزين الطاقة الحرارية الموسمية

التخزين الموسمي للطاقة الحرارية أو STES لفترة قصيرة ، موجود منذ فترة طويلة جدًا. في أبسط أشكاله ، يمكنك جمع الماء الساخن من السطح خلال فصل الصيف وحفظه في خزان تحت الأرض ، والذي يمكنك بعد ذلك استخدامه للتدفئة خلال فصل الشتاء.

ومع ذلك ، فإن معظم أنظمة STES تخزن الحرارة عند أقل من 100 درجة مئوية ، مما يجعلها مناسبة لتدفئة المنازل والمكاتب ، ولكنها أقل مثالية للاستخدامات الصناعية الأخرى أو لتوليد الطاقة.

الطريقة بسيطة ، حيث تقوم بتعريض أي وسيط يمكنه حبس الحرارة وحبسها لمصدر إشعاع ، مثل الشمس ، والنفايات الحرارية الصناعية ، وما إلى ذلك. تعتمد كفاءة النظام على طريقة التبادل الحراري وكفاءته.

بعد ذلك ، سيتعين عليك تخزين الوسط الساخن في حاوية معزولة ، لتقليل فقد الطاقة. يمكن لبعض العبوات الاحتفاظ بالحرارة جيدًا لعدة أشهر.

أخيرًا ، يتم ضخ وسيط التخزين خلال فصل الشتاء لتوفير التدفئة للمنازل والمكاتب عن طريق تمريرها من خلال تبادل حراري آخر مثل سخان الرادياتير. تشمل المواد الشائعة المستخدمة كوسائط تخزين STES الماء والزيت والتربة وهيدرات الملح وما إلى ذلك.

الاستخدامات الشعبية للطاقة الحرارية المخزنة

الطاقة الحرارية المخزنة لها استخدامات عديدة ، حسب التطبيق المقصود. فيما يلي أكثرها شيوعًا:

1. تدفئة المنازل والمكاتب - يمكن للحرارة المخزنة أن توفر التدفئة بسهولة لأماكن المعيشة والعمل في فصل الشتاء.
   
2. الماء الساخن - يمكن أيضًا نقل الحرارة لتوفير الماء الساخن الجاهز دائمًا للاستخدامات اليومية.
   
3. التطبيقات الصناعية - يتم استخدام الماء الساخن في مجموعة واسعة من التطبيقات الصناعية ، من الخلط إلى التنظيف ومعالجة الأغذية وصنع المذيبات والتعقيم وغير ذلك الكثير.
   
4. إنتاج الكهرباء - يمكنك أيضًا استخدام الطاقة الحرارية المخزنة لتسخين المياه إلى بخار وتشغيل التوربينات ، والتي بدورها تعمل على تشغيل المولدات التي تنتج الطاقة الكهربائية.

اقتصاديات البطارية الرملية

يمكن أن يخزن الماء طاقة أكبر مقارنة بالرمل ، لكنه يصبح غير مستقر من 100 درجة مئوية (212 درجة فهرنهايت) إلى الأعلى ، بينما يمكن أن يحتوي الرمل بسهولة على درجات حرارة 600 درجة مئوية (1112 درجة فهرنهايت).

سيحتفظ الماء أيضًا بطاقته الحرارية لفترة أطول من الرمال ، مما يجعل الماء وسيطًا أفضل لتخزين الطاقة الموسمية. ومع ذلك ، إذا كنت تفكر في تطبيق يستخدم الحرارة في غضون ساعات أو بضعة أيام فقط ، فإن الرمال تصبح الخيار الأفضل مرة أخرى. إنه مثالي لاستكمال مصادر الطاقة المتقطعة مثل الطاقة الشمسية الكهروضوئية وطاقة الرياح.

بالعودة إلى بطارية الرمل الفنلندية ، تم تصميم الحاوية الفولاذية التي يبلغ ارتفاعها 7 أمتار لتستوعب 100 طن من الرمل ، والتي تستوعب ما يصل إلى 8 ميجاوات في الساعة من الطاقة.

لوضعها في نصابها الصحيح ، يستخدم المنزل الأمريكي العادي حوالي 10 ميجاوات في الساعة من الطاقة سنويًا ، بينما يختلف هذا الرقم في أوروبا من حوالي 2 ميجاوات في الساعة في رومانيا إلى 9 ميجاوات في الساعة في السويد. بالإضافة إلى ذلك ، يتم استخدام 30-50٪ من الطاقة للتدفئة خلال فصل الشتاء.

هذا يعني أن خزانًا رمليًا يبلغ ارتفاعه 7 أمتار يمكن أن ينتج طاقة كافية لتدفئة عدد قليل من المنازل خلال فصل الشتاء ، اعتمادًا على موقعك. لكنه سيكون تطبيقًا غير عملي في المراكز الحضرية ذات الكثافة السكانية العالية ، نظرًا لحجمها.

من ناحية أخرى ، يمكن أن ينتج عن تحويل سعة تسخين 100 كيلو وات إلى كهرباء بنسبة 30٪ طاقة كافية لأكثر من 20 منزلاً خلال النهار والعديد من المنازل في الليل.

لذلك ، إذا تم تحسينها بشكل صحيح ، يمكن أن تكون البطارية الرملية التي تكلف حوالي 5 دولارات لكل كيلو وات ساعة بديلاً رائعًا للتكلفة الحالية التي تزيد عن 100 دولار لكل كيلو وات في الساعة لأنظمة بطاريات الرصاص الحمضية والليثيوم أيون. نعم ، قد تكون أضخم لكنها أرخص بكثير.

بطاريات رملية لتوليد الكهرباء

يعد تخزين الطاقة الحرارية لاستخدامها لاحقًا في توليد الكهرباء تقنية مجربة وموثوقة تم تنفيذها في مشاريع الطاقة الشمسية المركزة (CSP) لعقود.

يتم حجز الطاقة في نظام CSP الحديث عن طريق تركيز مئات أو آلاف المرايا في فرن واحد. تقوم هذه المرايا بعد ذلك بتتبع الشمس خلال النهار لضمان حرارة ثابتة في الفرن تصل إلى 565 درجة مئوية (1049 درجة فهرنهايت).

غالبًا ما تكون منشآت الطاقة الشمسية المركزة كبيرة جدًا ، وتمتد على ملايين الأقدام المربعة (~ 1 + كيلومتر مربع) في المنطقة ، مع مستقبلات الطاقة الشمسية في المركز وقدرات التوليد الكهربائي في نطاق 100+ ميجاوات.

يستخدم خليط الملح المصهور مع 60٪ نترات الصوديوم و 40٪ نترات البوتاسيوم لتخزين الطاقة في أنظمة الطاقة الشمسية المركزة للتوليد ليلاً. على عكس البطارية الرملية ، يذوب خليط الملح هذا في درجات حرارة عالية ليجعله يتدفق مثل السوائل.

يعمل كل من أنظمة البطاريات CSP والبطارية الرملية على تحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة حرارية بكفاءات متساوية تقريبًا من 15 إلى 20٪. ولكن بينما تتمتع أنظمة الملح المصهور CSP بكفاءة تبلغ حوالي 50٪ في تحويل الحرارة المخزنة إلى كهرباء ، فإن بطارية الرمل الفنلندية لها كفاءة نظرية بنسبة 20-25٪.

تعد أنظمة الطاقة الشمسية المركزة قابلة للتطبيق تجاريًا ، لذلك إذا كان بإمكانك تعديل هذه البطارية الفنلندية لتتجاوز 30٪ من كفاءة التحويل من الحرارة إلى الكهرباء ، فيمكن أن تصبح تقنية قابلة للتطبيق لتخزين الكهرباء المتجددة وتوفيرها بتكلفة رخيصة.

تقنيات التخزين المماثلة

هناك العديد من الأشكال الأخرى لتخزين الطاقة ، لكل منها مزاياها وعيوبها. تشمل الأنواع الأكثر شيوعًا ما يلي:

1. تخزين الطاقة الكهروكيميائية - كما ستجد في البطاريات ، فإن هذا يزيد من فرق الجهد بين عنصرين لتخزين الطاقة وتحريرها باستخدام التفاعلات الكهروكيميائية القابلة للعكس.
   
2. تخزين الطاقة الميكانيكية - يتضمن ذلك طرقًا مختلفة بما في ذلك استخدام الحذافات والينابيع ، بالإضافة إلى أنظمة الجاذبية التي تخزن الطاقة في جسم ما عن طريق رفعه لأعلى وزيادة ارتفاعه.
   
3. تخزين طاقة الملح المصهور (MSES) - التخزين هنا حراري ، مثل استخدام مزيج من 60٪ نترات الصوديوم و 40٪ نترات البوتاسيوم.
   
4. الماء الساخن الحراري - يمكن لهذه الطريقة تخزين ما يصل إلى 6 كيلو واط في الساعة من الطاقة في خزان ماء ساخن سعة 50 جالونًا.
   
5. ضخ المياه - أرخص أشكال تخزين الطاقة. ومع ذلك ، فإن مشكلتها الرئيسية هي الأماكن المحدودة التي يمكن تنفيذها فيها.
   
6. الهواء المضغوط - على غرار المائي ، تعمل هذه الطريقة ببساطة على ضغط الهواء لتخزين الطاقة. ثم عندما تحتاج إلى الطاقة ، تقوم بإطلاق الهواء المضغوط لتشغيل التوربينات.
   
7. دولاب الموازنة - يمكنك ببساطة استخدام الطاقة لتدوير عجلة متوازنة ، وتخزينها بالتالي كطاقة حركية يمكن استخدامها إما للحركة أو لتوليد الطاقة الكهربائية.
   
8. بطارية التدفق - هذا نظام تخزين كهروكيميائي حيث توجد الإلكتروليتات في خزانات مختلفة ويجب أن تتدفق من خزان مشحون بالكامل إلى خزان شحن فارغ. ثم لشحن الإلكتروليتات ، يمكنك ببساطة عكس التدفق. يمكن أن تنتج هذه الطريقة بطاريات قوية جدًا حيث يتفاعل الإلكتروليتان من خلال غشاء يمكنك قياسه على نطاق واسع.
   
9. مواد تغيير الطور - تمتص هذه المواد الطاقة أثناء ذوبانها ، ثم تتخلص منها عندما تتصلب. إنها مثالية لتخزين الطاقة الحرارية عند درجات حرارة دقيقة.

الأسئلة المتداولة (FAQs)

استنتاج

لقد وصلنا إلى نهاية هذا الاستكشاف للبطاريات الرملية وإمكانياتها الاقتصادية. وكما أدركت ، فإنها توفر العديد من الاحتمالات.

من توفير الحرارة للمجتمعات إلى توليد الطاقة الكهربائية ، فإن الرخص الرخيص لرمل السيليكا يجعلها وسيلة واعدة لمشاريع الطاقة المستقبلية.