تخزين الطاقة
الطاقة الشمسية متقطعة؛ ومن ثم فعملية تخزين الطاقة ضرورية إذا كانت الشمس هي مصدر الطاقة الرئيسي. بوجه عام، هناك نوعان من تخزين الطاقة: تخزين الطاقة الواسع النطاق في شبكة طاقة كهربية، وتخزين الطاقة الموزع المرتبط بالتطبيق. بالنسبة للنوع الأول، تتمثَّل أكثر الطرق فاعلية في استخدام محطة كهرومائية قابلة للعكس تخزن الطاقة الميكانيكية كطاقة كامنة في خزان عالي المستوى. وقد ناقشنا هذا في الفصل الأول – قسم (٣-١). أما عن أكثر طريقتين واعدتين لتخزين الطاقة الموزع، فهما تخزين الطاقة الحرارية والبطاريات القابلة لإعادة الشحن. وبوجه خاص بالنسبة لوسائل النقل (السيارات والسفن الصغيرة)، ستصبح البطاريات القابلة لإعادة الشحن وسيلة تخزين الطاقة الأساسية. والهواء المضغوط والحدافات أيضًا مهمان، لكنهما لن يُستخدما على نحو واسع الانتشار مثل البطاريات الحرارية والبطاريات القابلة لإعادة الشحن. في هذا الفصل، سنركز على تخزين الطاقة الحرارية والبطاريات القابلة لإعادة الشحن.
(١) تخزين الطاقة الحرارية المحسوسة
إن تخزين الطاقة باعتبارها المحتوى الحراري للمادة غير مُكلف وسهل التنفيذ، ويمكن استخدامه في تدفئة وتبريد المساحات وكذلك توليد الطاقة. يُستخدم نوعان من الطاقة الحرارية: الطاقة الحرارية المحسوسة، التي تتناسب بوجه أساسي مع فرق درجة الحرارة. والطاقة الحرارية المتغيرة الطور مثل الحرارة الكامنة أثناء التجميد والانصهار، التي يمكن أن تحافظ على درجة حرارة ثابتة بمحتوى طاقة أكبر بكثير من الطاقة الحرارية المحسوسة. وتناسب المواد المتغيرة الطور جيدًا عملية تخزين الطاقة الشمسية.
يستخدم تخزين الطاقة الحرارية المحسوسة السعة الحرارية والتغير الحادث في درجة حرارة المادة أثناء عملية الشحن أو تفريغ الشحن؛ إذ ترتفع درجة حرارة المادة المخزنة عند امتصاص الطاقة وتنخفض عند استعادتها. ومن أبرز سمات نظم تخزين الحرارة المحسوسة أن عمليتَي الشحن وتفريغ الشحن يمكن توقُّع أن تكونا قابلتين للعكس على نحو كامل لعدد غير محدود من الدورات؛ أي على مدى عمر التخزين.
تتناسب كمية المادة المطلوبة لخزان التخزين وحالات فقد الحرارة تقريبًا مع المساحة السطحية للخزان. وتتناسب السعة التخزينية مع حجم الخزان. والخزانات الأكبر لها نسبة مساحة سطحية-حجم أصغر؛ ومن ثَم أرخص ثمنًا وذات حالات فَقْد أقل للحرارة لكل وحدة طاقة مخزنة.
المواد | الكثافة (ﺑ 103kg/m3) | السعة الحرارية (ﺑ ) | الناتج (ﺑ ) | نطاق درجة الحرارة (بالدرجة المئوية) |
---|---|---|---|---|
الماء | 1.00 | 4.19 | 4.19 | 0–100 |
الإيثانول | 0.78 | 2.46 | 1.92 | −117–79 |
الجليسرين | 1.26 | 2.42 | 3.05 | 17–290 |
زيت الكانولا | 0.91 | 1.80 | 1.64 | −10–204 |
الزيت الاصطناعي | 0.91 | 1.80 | 1.64 | −10–400 |
(١-١) الماء
إذا امتلأ الخزان بالكامل بالماء، فسيساوي الحجم:
والسعة الحرارية:
والمساحة السطحية الكلية للخزان هي:
ومعدل فقد الحرارة هو:
يثبت حجة نوعية أخرى، وهي: كلما كان البعد أكبر، زادت قدرة الخزان على الاحتفاظ بدرجة الحرارة.
(١-٢) مواد تخزين الحرارة المحسوسة الصلبة
المادة | الكثافة (ﺑ 103kg/m3) | السعة الحرارية (ﺑ 103J/kg.K) | الناتج (ﺑ 106J/m3.K) | الموصلية الحرارية K (ﺑ W/m.K) |
---|---|---|---|---|
الألومنيوم | 2.7 | 0.89 | 2.42 | 204 |
حديد الزهر | 7.90 | 0.837 | 3.54 | 29.3 |
النحاس | 8.95 | 0.38 | 3.45 | 385 |
التربة | 1.7 | 2.1 | 3.57 | 2.5 |
الطين | 1.26 | 0.795 | 1 | 0.25 |
الحجر الجيري | 2.5 | 0.91 | 2.27 | 1.3 |
الرخام | 2.6 | 0.80 | 2.08 | 2.07–2.94 |
الجرانيت | 3.0 | 0.79 | 2.37 | 3.5 |
الطوب | 1.7 | 0.84 | 1.47 | 0.69 |
الخرسانة | 2.24 | 1.13 | 1.41 | 0.9–1.3 |
خشب البلوط | 0.48 | 2 | 0.96 | 0.16 |
(١-٣) الزيت الاصطناعي في الأعمدة المعبأة
(٢) تخزين الطاقة الحرارية القائم على التغير الطوري
في نظم تخزين الطاقة الحرارية المحسوسة، ترتبط عملية شحن الطاقة أو تفريغ شحنها بحدوث تغير في درجة الحرارة التي ترتبط بدورها بقدر محتوى الطاقة الحرارية. وتعتمد كثافة التخزين على السعة الحرارية للمادة المستخدمة. وباستخدام مواد متغيرة الطور، يمكن تحقيق كثافة تخزين طاقة حرارية أعلى بكثير تستطيع امتصاص أو إطلاق كميات كبيرة من الطاقة (أو ما يُطلق عليه «الحرارة الكامنة») عند درجة حرارة ثابتة عن طريق إحداث تحول في الطور. نظريًّا، يمكن تنفيذ الأنواع الثلاثة للتغير الطوري؛ سواء من الطور الصلب للطور الغازي، أو من الطور السائل للطور الغازي أو من الطور الصلب للطور السائل. وأول نوعين من أنواع التغير الطوري لا يُستخدمان بوجه عام في تخزين الطاقة رغم قدر الحرارة الكامنة العالية لهما؛ إذ إن الغازات تكون لها أحجام أكبر. والتغيرات الكبيرة في الحجم تجعل النظام كبيرًا ومعقدًا وغير عملي. وعمليات التحول من الطور الصلب للطور السائل تتضمن تغيرًا قليلًا في الحجم (عادةً بضع نسب مئوية)؛ ومن ثَم فهي مناسبة لتخزين الطاقة المتغير الطور.
بوجه عام، تكون الحرارة الممتصة أو المطلقة أثناء التغير الطوري هي:
المواد | درجة حرارة التغير (بالدرجة المئوية) | الكثافة (ﺑ 103kg/m3) | الحرارة الكامنة h (ﺑ 106J/m3) |
---|---|---|---|
الماء/الثلج | 0 | 1.00 | 335 |
شمع البرافين | 58–60 | 0.90 | 180–200 |
الشحم الحيواني | 20–50 | 0.90 | 120–210 |
6 مولات كلوريد كالسيوم لكل مولين من الماء | 29 | 1.71 | 190.8 |
10 مولات كبريتات صوديوم لكل مول من الماء | 32.4 | 1.46 | 251 |
8 مولات هيدروكسيد باريوم لكل مول من الماء | 72 | 2.18 | 301 |
6 مولات من كلوريد ماغنسيوم لكل 4 مولات من الماء | 117 | 1.57 | 172 |
بوجه عام، تُعد المواد المتغيرة الطور أغلى ثمنًا من نظم الحرارة المحسوسة. فهي تتحول إلى الطور الصلب؛ ومن ثَم لا يمكن أن تُستخدم بصفة عامة كوسط لانتقال الحرارة في مجمع شمسي أو حمل حراري. ويجب استخدام وسط انتقال حراري منفصل مع استخدام مبادل حراري فيما بين الوسط والمادة. والعديد من تلك المواد تكون موصليتها الحرارية منخفضة؛ ومن ثَم تحتاج لكمية أكبر من سائل التبادل الحراري. هذا في حين أن بعضها قابل للصدأ ويحتاج لحاويات خاصة. وهذا يزيد من تكلفة النظام.
(٢-١) النظم المعتمدة على الماء/الثلج
(٢-٢) شمع البرافين وغيرها من المواد العضوية
هناك مواد عضوية أخرى لها خواص مماثلة لتلك الخاصة بشمع البرافين. ومثال على ذلك الشحم الحيواني، فشحم الخنزير والدجاج يُعد ضارًّا لصحة الإنسان؛ لأنه يمكن أن يزيد نسبة ثلاثي الجليسريد في الدم ويتسبب في السمنة. وهو من بعض النواحي يُعد من مخلفات صناعة الأطعمة المعالجة، لكنه غير سام وغير قابل للصدأ؛ ومن ثَم يمكن استخدامه بأمان في تخزين الطاقة في البيئات السكنية.
(٢-٣) هيدرات الأملاح
بوجه عام، تكون هذه العملية كما يلي:
ومن ثَم، فعند نقطة الانصهار، تتفكك بلورات الهيدرات إلى ملح غير مميه وماء أو هيدرات أقل وماء. ويمكن أن تكون الحرارة الكامنة كبيرة جدًّا؛ ومن ثَم يمكن أن تكون كثافة التخزين عالية جدًّا. وإذا كان الماء المطلق كافيًا، يتكون محلول مائي من الماء غير المميه (جزئيًّا).
يمكن استخدام هيدرات الأملاح هذه في نظم تسخين الماء أو تدفئة المساحات المعتمدة على الطاقة الشمسية لتوفير درجة حرارة منتظمة لفترة زمنية أطول.
(٢-٤) تغليف المواد المتغيرة الطور
(٣) البطاريات القابلة لإعادة الشحن
في العقود الأخيرة، حدث تطور نوعي في تكنولوجيا البطاريات القابلة لإعادة الشحن. حاليًّا، ما زالت بطاريات الرصاص الحمضية القابلة لإعادة الشحن التي عمرها مائة عام تشهد تطورًا منتظمًا، وما زالت تُستخدم على نطاق واسع. وتشهد أنواعٌ جديدة من البطاريات، وبخاصة بطاريات الليثيوم أيون القابلة لإعادة الشحن، نموًّا كبيرًا، وستصبح قريبًا وسيلة التخزين الموزع الرئيسية للكهرباء.
النوع | فرق الجهد () | كثافة الطاقة (Wh/liter) | الطاقة النوعية (Wh/kg) | العمر الافتراضي (بالدورات) |
---|---|---|---|---|
بطاريات الرصاص الحمضية | 2.1 | 70 | 30 | 300 |
بطاريات هيدريد النيكل المعدنية | 1.4 | 240 | 75 | 800 |
بطاريات أكسيد كوبالت الليثيوم | 3.7 | 400 | 150 | 1000 |
بطاريات أكسيد منجنيز الليثيوم | 4.0 | 265 | 120 | 1000 |
بطاريات فوسفات حديد الليثيوم | 3.3 | 220 | 100 | 3000 |
(٣-١) الكيمياء الكهربية للبطاريات القابلة لإعادة الشحن
- الخلية: الوحدة الكيمائية الكهربية الأساسية التي تحول الطاقة الكيميائية الكهربية إلى طاقة كهربية.
- البطارية: خلية كيميائية كهربية واحدة أو أكثر موصلة على نحو تسلسلي أو متوازٍ لتوفير الطاقة الكهربية.
- الخلايا أو البطاريات الأولية: مصدر يُستخدم لمرة واحدة لتوفير الكهرباء ولا يمكن إعادة شحنه بعد الاستخدام ويتم التخلص منه بعد الاستخدام.
- الخلايا أو البطاريات الثانوية (القابلة لإعادة الشحن): خلايا أو بطاريات يمكن إعادة شحنها كهربيًّا بعد استخدامها لتعود إلى حالتها الأصلية.
- الأكسدة: فقد إلكترون (إلكترونات).
- الاختزال: كسب إلكترون (إلكترونات).
- تفاعل الاختزال والأكسدة: تفاعل يحدث فيه اختزال وأكسدة.
- الأنيون: الأيون السالب بعد كسب إلكترون (إلكترونات).
- الكاتيون: الأيون الموجب بعد فقد إلكترون (إلكترونات).
- الأنود: عملية أكسدة تحدث. أثناء الشحن، يكون هو الإلكترود الموجب. وفي أثناء تفريغ الشحن، يكون الإلكترود السالب.
- الكاثود: عملية اختزال تحدث. أثناء الشحن، يكون هو الإلكترود السالب. وفي أثناء تفريغ الشحن، يكون الإلكترود الموجب.
- الإلكتروليت: بوجه عام، سائل موصل أيوني.
(٣-٢) بطاريات الرصاص الحمضية
حاليًّا، تُعد بطارية الرصاص الحمضية أكثر البطاريات القابلة لإعادة الشحن استخدامًا. وكل مركبة يجب أن تشتمل على واحدة مكونة من ست خلايا. وبالنسبة لبطارية مشحونة بالكامل من هذا النوع، يكون الإلكترود الموجب مصنوعًا من ثاني أكسيد الرصاص، والسالب من الرصاص الخالص. ويكون الإلكتروليت حمض كبريتيك مخفف. وبعد تفريغ الشحن، يصبح كل من الإلكترود السالب والإلكترود الموجب كبريتات الرصاص؛ ومن ثَم فإن حمض الكبريتيك يُستنفَد. وبقياس الوزن النوعي للإلكتروليت، ومن ثَم تركيز حمض الكبريتيك، يمكن تحديد حالة تفريغ الشحن، ومن ثَم، الطاقة المتبقية.
أما عن الجوانب الكيميائية الكهربية، فهي كالتالي؛ أثناء تفريغ الشحن، عند الإلكترود الموجب، يُختزل ثاني أكسيد الرصاص كما يلي:
وعند الإلكترود السالب، تحدث أكسدة للرصاص، كما يلي:
وأثناء عملية الشحن، عند الإلكترود الموجب، تحدث أكسدة لكبريتات الرصاص، كما يلي:
وعند الإلكترود السالب، يحدث اختزال لكبريتات الرصاص، كما يلي:
(٣-٣) بطاريات هيدريد النيكل المعدنية
أما عن الجوانب الكيميائية الكهربية المتعلقة بهذا النوع من البطاريات، فهي كما يلي. في أثناء تفريغ الشحن، عند الإلكترود الموجب، يُختزَل هيدروكسيد أكسيد النيكل، كما يلي:
وعند الإلكترود السالب، يتأكسد هيدريد المعدن، كما يلي:
وأثناء الشحن، عند الإلكترود الموجب، يتأكسد هيدروكسيد النيكل، كما يلي:
وعند الإلكترود السالب، يُختزل المعدن، كما يلي:
عند الشحن الزائد بمعدلات قليلة، يمر الأكسجين المُنتج عند الإلكترود الموجب عبر العازل ويتحد عند سطح الإلكترود السالب، ويتم وقف إطلاق الهيدروجين وتتحول طاقة الشحن إلى حرارة، وتسمح هذه العملية لخلايا هيدريد النيكل المعدنية بأن تبقى محكمة الغلق أثناء التشغيل العادي وألا تحتاج للصيانة.
يُستخدم هذا النوع من البطاريات بكثافة في المركبات الكهربية مثل: إي في وان التي أنتجتها شركة جنرال موتورز، وإي في بلاس التي أنتجتها شركة هوندا، ورينجر إي في التي أنتجتها شركة فورد، والسكوتر الذي أنتجته شركة فيكتريكس. وقد استخدمتها أيضًا المركبات الهجينة مثل: بريوس التي أنتجتها شركة تويوتا، وإنسايت التي أنتجتها شركة هوندا، وإيسكيب التي أنتجتها شركة فورد، وماليبو التي أنتجتها شركة شيفروليه، وسيفيك التي أنتجتها شركة هوندا. وتُستخدم تقنية هيدريد النيكل المعدنية بكثافة في البطاريات القابلة لإعادة الشحن الخاصة بالأجهزة الإلكترونية الاستهلاكية.
(٣-٤) بطاريات الليثيوم أيون
تستخدم معظمُ بطاريات الليثيوم أيون الخاصة بالأجهزة الإلكترونية الصغيرة مثل الهواتف المحمولة والكاميرات الرقمية؛ أكسيدَ الكوبالت كأساس للإلكترود الموجب. وأثناء تفريغ الشحن، عند الإلكترود الموجب، يتحد أيون الليثيوم مع أكسيد الكوبالت، وذلك كما يلي:
وعند الإلكترود السالب، تُستخلَص أيونات الليثيوم، كما يلي:
وأثناء الشحن، عند الإلكترود الموجب، تُستخلَص أيونات الليثيوم، كما يلي:
وعند الإلكترود السالب، تُقحَم أيونات الليثيوم في الجرافيت، كما يلي:
إن لبطارية الليثيوم أيون المعتمدة على أكسيد الكوبالت طاقة نوعية عالية جدًّا. وهي مفضلة في التطبيقات التي يكون الوزن فيها عاملًا مهمًّا، لكن عنصر الكوبالت غالي الثمن. هذا بالإضافة إلى أنه سُجلت حالات انفجار لبطاريات كبيرة الحجم من هذا النوع؛ لذلك، بالنسبة لتطبيقات الطاقة، بطاريات الليثيوم أيون القائمة على أكسيد المنجنيز وفوسفات الحديد مفضلة أكثر.
ورغم أن خلايا الليثيوم أيون المعتمدة على فوسفات حديد الليثيوم لها فرق جهد وكثافة طاقة أقل من تلك المعتمدة على أكسيد الكوبالت، فيمكن التغلب على هذا العيب بمرور الوقت بفضل معدل فقد السعة الأقل (أو العمر الأكبر) لفوسفات حديد الليثيوم عند مقارنتها بالمواد الأخرى التي تعتمد عليها بطاريات الليثيوم أيون. على سبيل المثال، بعد عام من الإنتاج، تكون لخلية معتمدة على فوسفات حديد الليثيوم بوجه عام نفس كثافة الطاقة تقريبًا التي لخلية معتمدة على أكسيد الكوبالت، وبعد مرور أكثر من عام على الإنتاج، من المفترض أن تكون لها كثافة طاقة أعلى نظرًا للاختلافات في عمريهما.
إن الجوانب الكيميائية الكهربية الأساسية للبطارية المعتمدة على فوسفات حديث الليثيوم هي كما يلي: إن الحديد له حالتا أكسدة؛ أكسيد الحديد الثنائي وأكسيد الحديد الثلاثي. وعادةً ما تكون مركباتُ أكسيد الحديد الثلاثي عواملَ أكسدةٍ قوية. على سبيل المثال، الطريقة القياسية لحفر النحاس من أجل صنع لوحات دوائر مطبوعة هي استخدام كلوريد الحديد الثلاثي، وذلك كما يلي:
من ثَم، فإن فوسفات الحديد وفوسفات حديد الليثيوم مركبان مستقران. ونظرًا لأن الليثيوم أيون صغير جدًّا، فالاختلاف في الحجم المولي بين هذين المركبين لا يُذكر وهما يشتركان في نفس التركيب البلوري.
فيما يلي عرض لعمليتي الشحن وتفريغ الشحن: في بطارية معتمدة على فوسفات حديد الليثيوم مشحونة بالكامل، يكون الإلكترود الموجب في الغالب فوسفات حديد والجرافيت في الإلكترود السالب يكون مملوءًا بذرات الليثيوم. وأثناء تفريغ الشحن، عند الإلكترود الموجب، تُضغط أيونات الليثيوم إلى فوسفات الحديد، وذلك كما يلي:
وعند الإلكترود السالب، تُستخلَص أيونات الليثيوم من الجرافيت:
أثناء الشحن، عند الإلكترود الموجب، تُستخلص أيونات الليثيوم من فوسفات الحديد:
وعند الإلكترود السالب، تُدخَل أيونات الليثيوم في الجرافيت:
(٣-٥) خام الليثيوم
مع ازدياد أهمية بطاريات الليثيوم أيون بالنسبة لمركبات المستقبل، فإن مشكلة توفر خام الليثيوم أصبحت حاليًّا محل اهتمام. أولًا، دعنا نحسب قدر الليثيوم الذي يكفي كل السيارات في العالم ثم نقارنه بما يتوفر لدينا من مخزون منه.
(٤) الطاقة الشمسية والمركبات الكهربية
-
الكفاءة الذاتية للمحركات الكهربية عالية جدًّا؛ بوجه عام 90 بالمائة.
-
كفاءة تخزين الطاقة في البطاريات القابلة لإعادة الشحن، وبخاصة بطاريات الليثيوم أيون، عالية جدًّا؛ بوجه عام نحو 90 بالمائة.
-
التركيب الميكانيكي للسيارات الكهربية أبسط بكثير من السيارات ذات المحركات الأوتو أو محركات الديزل.
-
يمكن تنفيذ نظام الكبح بالتوليد المعاكس على نحو طبيعي. في واقع الأمر، ترجع الكفاءة المحسنة للسيارات الهجينة، مثل بريوس التي تنتجها شركة تويوتا، على نحو أساسي لنظام الكبح بالتوليد المعاكس.
-
مع التطور السريع لتقنية البطاريات، ستنخفض تكلفة تصنيع السيارات الكهربية على نحو سريع.
-
تستطيع السيارات الكهربية تركيب لوح شمسي تولد من خلاله الكهرباء اللازمة لعملها.
-
إنها تقريبًا لا تحدث ضجيجًا.
الاسم | mpg | km/kWh | kWh/km |
---|---|---|---|
سيارة الهيدروجين التي تنتجها شركة بي إم دبليو | 10 | 0.45 | 2.24 |
رينج روفر | 20 | 0.89 | 1.19 |
كامري التي تنتجها شركة تويوتا | 32 | 1.43 | 0.70 |
بريوس التي تنتجها شركة تويوتا | 55 | 2.46 | 0.41 |
فولت التي تنتجها شركة شي |