الفصل الثاني عشر

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.

في تخزين الطاقة الحرارية المحسوسة، تكون العملية الديناميكية الحرارية للمادة دائمًا «متساوية الضغط» تقريبًا؛ أي تحت ضغط منتظم، بوجه عام، الضغط الجوي. وعادةً ما تُستخدم مادة صلبة أو سائلة. إن الحرارة النوعية للغاز تكون منخفضة جدًّا وهي ليست عملية بالنسبة لتخزين الطاقة الحرارية. فالحرارة Q الناتجة عن المادة من درجة الحرارة الأولية لدرجة الحرارة النهائية هي:
(12-1)
بحيث إن هي الكتلة و هي الحرارة النوعية المتساوية الضغط. في معظم التطبيقات، يمكن التعامل مع الكثافة والحرارة النوعية باعتبارهما ثابتًا. ويمكن تبسيط المعادلة 12-1 كما يلي:
(12-2)

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.

هناك مسألة مهمة فيما يتعلَّق بتخزين الطاقة الحرارية التي تتمثَّل في التوصيل الحراري أو تكافؤ درجة الحرارة في الوسط. ففي السوائل، التوصيل الحراري له مساران رئيسيان: التوصيل والحِمل. فيمكن إحداث تكافؤ لدرجة الحرارة في وسط سائل على نحو أسرع كثيرًا مما هو عليه الحال في وسط صلب؛ لذا فإن السائل يفضل متى أمكن. يعرض الجدول ١٢-١ بعض الخواص الحرارية لأكثر السوائل المستخدمة في تخزين الطاقة الحرارية المحسوسة.
جدول ١٢-١: الخواص الحرارية لبعض المواد الأكثر استخدامًا.*
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
المصدر: «دليل المعهد الأمريكي للفيزياء»، الطبعة الثالثة، المعهد الأمريكي للفيزياء، نيويورك، 1972.

(١-١) الماء

كما يتضح من الجدول ١٢-١، فإن للماء أكبر سعة حرارية لكل وحدة حجم ووحدة وزن؛ لذا من المنطقي استخدامه كمادة لتخزين الطاقة الحرارية المحسوسة. والمثال القياسي هو خزان الماء الساخن المُستخدم في معظم المنازل. فبوجه عام، يُعزل الخزان بالبولي يوريثان فوم، الذي له موصلية حرارية تساوي 0.02W/mK، وكثافة تساوي 30kg/m3.

إذا امتلأ الخزان بالكامل بالماء، فسيساوي الحجم:

(12-3)

والسعة الحرارية:

(12-4)

والمساحة السطحية الكلية للخزان هي:

(12-5)

ومعدل فقد الحرارة هو:

(12-6)
بحيث إن هو الفرق بين درجة حرارة الماء ودرجة الحرارة المحيطة . ومعدل فقد درجة الحرارة هو:
(12-7)
يتناسب معدل انخفاض درجة الحرارة عبر السطح الخارجي للخزان مع المساحة السطحية الكلية ويتناسب عكسيًّا مع الحجم. وإذا كان الخزان رفيعًا أو مسطحًا جدًّا، فسيكون فقد الحرارة عاليًا؛ من ثَم بالنسبة لخزان بحجم ثابت، يجب أن تكون هناك نسبة مُثلى لتقليل فقد الحرارة. بديهيًّا، يجب أن يكون مساويًا تقريبًا ﻟ . في المسألة 12-1، يمكن أن نثبت أن هذه الفكرة صحيحة: الوضع المثالي هو أن يكون مساويًا ﻟ ، وتصبح المعادلة 12-7 كما يلي:
(12-8)

يثبت حجة نوعية أخرى، وهي: كلما كان البعد أكبر، زادت قدرة الخزان على الاحتفاظ بدرجة الحرارة.

fig165
شكل ١٢-١: ماء في خزان معزول: حساب سلوك تخزين الطاقة في خزان ماء معزول. يتناسب فَقْد الحرارة مع المساحة السطحية الكلية ويتناسب محتوى الطاقة مع الحجم. ويقل معدل انخفاض درجة الحرارة عندما يساوي القطر D الطول L. فبالنسبة لخزان ذي بُعْد خَطِّي قدره نحو متر بطبقة عازلة من البولي يوريثان فوم سمكها 5cm، يحتاج لثماني ساعات كي تنخفض درجة حرارة الماء درجة مئوية واحدة.
فيما يلي مثال رقمي. إذا كان ، و ، و درجة مئوية و تساوي 20 درجة مئوية، فإن معدل انخفاض درجة الحرارة يساوي:
(12-9)
يستغرق انخفاض درجة الحرارة درجة مئوية واحدة 8 ساعات. ووحدات تخزين الطاقة هذه تُستخدم بكثافة في نظم تسخين الماء.

(١-٢) مواد تخزين الحرارة المحسوسة الصلبة

على عكس الماء والمواد السائلة الأخرى، يمكن أن توفر المواد الصلبة نطاق درجة حرارة أكبر ويمكن استخدامها بدون حاوية، لكن الموصلية الحرارية تصبح معاملًا مهمًّا. يعرض الجدول ١٢-٢ للخواص الحرارية لأكثر المواد الصلبة المستخدمة في تخزين الطاقة الحرارية المحسوسة. بالنسبة للعديد من المواد المعروضة بهذا الجدول، مثل التربة والصخر، القيم تقريبية أو متوسطة فقط، لأن تلك المواد تختلف على نحو واسع. على سبيل المثال، يمكن أن تختلف المعاملات الحرارية للتربة بقيمة أسية واحدة اعتمادًا على محتوى الماء بها.
كما يتضح من الجدول ١٢-٢، عادة ما يكون للمواد ذات الموصلية الحرارية العالية سعة حرارية منخفضة. وعند استخدام مواد صلبة ذات سعات حرارية عالية، من المتوقع أن يستغرق تكافؤ درجة الحرارة وقتًا طويلًا.
جدول ١٢-٢: الخواص الحرارية للمواد 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
المصدر: «دليل المعهد الأمريكي للفيزياء»، الطبعة الثالثة، المعهد الأمريكي للفيزياء، نيويورك، 1972؛ ومرجع [31].

(١-٣) الزيت الاصطناعي في الأعمدة المعبأة

لأن نطاق درجة حرارة الماء محدود، فمن أجل تخزين حرارة محسوسة بدرجة حرارة أعلى، على سبيل المثال، في نظم توليد الكهرباء من الطاقة الشمسية، يجب أن يُستخدَم زيت اصطناعي، لكن هذا الزيت غالي الثمن. وهناك حل وسط يتمثل في استخدام مزيج من الزيت الاصطناعي ومواد صلبة رخيصة مثل الحصى. يعرض الشكل ١٢-٢ تخطيطًا لمثل هذا النظام لتخزين الطاقة الحرارية. فيمكن إنشاء نظام تخزين طاقة حرارية بدرجة حرارية عالية (على سبيل المثال، 400 درجة مئوية) بتكلفة محدودة. ويحدث التوصيل الحراري على نحو أساسي من خلال الحِمل الحراري للزيت، في حين يوفر الحصى السعة الحرارية.
fig166
شكل ١٢-٢: نظام تخزين طاقة حرارية قائم على الحصى: باستخدام مزيج من الزيت الاصطناعي والحصى، يمكن إنشاء نظام تخزين طاقة حرارية بدرجة حرارية عالية (على سبيل المثال، 400 درجة مئوية) بتكلفة معقولة. ويحدث التوصيل الحراري على نحو أساسي من خلال الحِمل الحراري للزيت، في حين يوفر الحصى السعة الحرارية.

(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:

(12-10)
بحيث هي المحتوى الحراري قبل التغير الطوري وبعده. وتُعرف الحرارة الكامنة أو المحتوى الحراري النوعي، كما يلي:
(12-11)
بحيث إن هو حجم المادة.
يعرض الجدول ١٢-٣ للخواص الحرارية للعديد من المواد المتغيرة الطور الشائعة الاستخدام. إن المادة المتغيرة الطور الجيدة يجب أن توفر تخزينًا للطاقة عند درجة الحرارة المرغوبة، وأن تمتص حرارة كامنة كبيرة أو يحدث تغيرًا صغيرًا في حجمها عند استخدامها في تخزين الطاقة، وأن تكون غير قابلة للاشتعال والصدأ وغير سامة ورخيصة الثمن.
جدول ١٢-٣: المواد المتغيرة الطور الشائعة الاستخدام.*
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
المصدر: المرجعان [28] و[31].

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

كما يتضح من الجدول ١٢-٣، تكون الحرارة الكامنة لتجميد الماء أو إذابة الثلج عالية جدًّا. ويُستخدم النظام المعتمد على الماء/الثلج بالفعل في الصناعة لتوفير الطاقة في نظم تكييف الهواء. ويعرض الشكل ١٢-٣ صورة فوتوغرافية لنظام تخزين طاقة معتمد على الماء/الثلج يُسمى «آيس بير» صممته وصنعته شركة آيس إنرجي المحدودة. ويتكون النظام من خزان معزول كبير مملوء بالماء والعديد من ملفات التبادل الحراري النحاسية. وفي أثناء الليل، يستخدم المبرد كهرباء رخيصة ويبرد الهواء ليحول الماء إلى ثلج. وكما أوضحنا في الفصل السادس، كلما قلَّت درجة الحرارة المحيطة، زاد معامل الأداء؛ لذا لصنع قدر محدد من الثلج أثناء الليل، تكون تكلفة الكهرباء أقل بكثير مما هي عليها في وقت النهار الحار الذي في أثنائه يستخدم النظام الثلج ليبرد المبنى، ولكن باستخدام هذا النظام، يمكن أن تكون كفاءة تخزين الطاقة أعلى من 90 بالمائة. ويمكن أن يكون إجمالي التوفير في الطاقة كبيرًا بحيث يصل إلى 30 بالمائة.
fig167
شكل ١٢-٣: نظام تخزين الطاقة آيس بير: خزان معزول مملوء بالماء والعديد من ملفات التبادل الحراري النحاسية. في أثناء الليل، يستخدم المبرد كهرباء رخيصة ويبرد الهواء ليحول الماء إلى ثلج. وكما أوضحنا في الفصل السادس، كلما قلت درجة الحرارة المحيطة، زاد معامل الأداء؛ لذا لصنع قدر محدد من الثلج أثناء الليل، تكون تكلفة الكهرباء أقل بكثير مما هي عليها في وقت النهار الحار. الصورة معروضة بإذن شركة آيس إنرجي المحدودة.
فيما يلي مثال رقمي على نظام معتمد على الماء/الثلج. باستخدام الحاوية المعزولة المعروضة في الشكل ١٢-١، تكون الحرارة الكامنة الإجمالية هي:
(12-12)
باستخدام المعادلة 12-3:
(12-13)
ولخزان فيه تساوي تساوي مترًا واحدًا، فإن إجمالي المحتوى الحراري للتغير الطوري هو:
()
فإذا كانت درجة الحرارة المحيطة هي 20 درجة مئوية، فبالنسبة لهذا الخزان، وطبقًا للمعادلة 12-6، يكون معدل فقد الحرارة هو:
(12-15)
إذا كان الخزان في البداية مملوءًا بالثلج، فيمكنه الإبقاء على درجة الحرارة عند صفر درجة مئوية لمدة 4.4 أعوام (2.63 × 108/1.89 = 1.39 × 108s)؛ لذا باستخدام أدوات معقولة، يكون تخزين الطاقة جيدًا.
إن درجة الحرارة التي عندها يتجمد الماء الصافي هي صفر درجة مئوية. وإذا لم تكن درجة حرارة التشغيل صفرًا، فيمكن لمزيج من الماء ومواد أخرى أن تؤدي المهمة المطلوبة. ومثال على ذلك المبرد الذي يعمل بالطاقة الشمسية (براءة اختراع أمريكية رقم: 7543455). يجب أن يعمل المُجمد عند درجة حرارة −10 درجة مئوية تقريبًا. ونظرًا لأن المبرد يُستخدم في حفظ الطعام والأدوية، فيجب أن تكون المادة المضافة غير سامة. ويُعد الجلسرين والإيثانول من المواد الجيدة في هذا الشأن لأن كليهما من المكونات المستخدمة في الأطعمة والأدوية. ويعرض الشكل ١٢-٤ لنقاط التجميد لمزيج من الماء والجلسرين. وبمزج الماء مع الكحول، يمكن أن تكون درجة حرارة التجميد أقل أكثر.
fig168
شكل ١٢-٤: نقاط التجميد لنظام يعتمد على مزيج من الماء والجلسرين: بمزج الماء والجلسرين، يمكن أن تنخفض نقطة التجميد من صفر إلى −40 درجة مئوية، اعتمادًا على النسبة بين الاثنين. وبمزج الماء بنسبة قليلة من الكحول، يمكن أن تقل نقطة التجميد أكثر.
إن الجلسرين منتج فرعي من عملية إنتاج الديزل الحيوي، وهناك فائض من الجلسرين الخام. والشوائب الموجودة في الجلسرين الخام، باعتباره منتجًا فرعيًّا من عملية إنتاج الديزل الحيوي، هي الماء والملح والأحماض الدهنية والكحول، ولذلك، ليست هناك حاجة لاستخدام جلسرين عالي النقاء؛ من ثَم فهو مفضل من الناحية الاقتصادية. ويعرض الشكل ١٢-٥ تصميم مبرد يعمل بالطاقة الشمسية. وتحدد مكونات النظام المعتمد على الماء والجلسرين والكحول درجة حرارة التشغيل الخاصة بالمجمد. يجري التحكم في درجة حرارة المبرد باستخدام ثرموستات وفقًا لسريان المزيج، التي يمكن أن يضبطها المستخدم.
fig169
شكل ١٢-٥: مبرد يعمل بالطاقة الشمسية: تصميم مبرد يعمل بالطاقة الشمسية. تحدد مكونات النظام المعتمد على الماء والجلسرين والكحول درجة حرارة التشغيل الخاصة بالمجمد. ويُتحكم في درجة حرارة المبرد باستخدام ثرموستات يمكن أن يضبطها المستخدم وفقًا لسريان المزيج. انظر براءة اختراع أمريكية رقم: 7543455.

(٢-٢) شمع البرافين وغيرها من المواد العضوية

يُعد شمع البرافين منتجًا فرعيًّا لتكرير النفط. وتتراوح نقطة انصهاره ما بين 50 و90 درجة مئوية. وحاليًّا، ليس له سوى استخدامات تجارية قليلة مثل الشموع وتلميع الأرضيات. وبالنسبة لتلك الاستخدامات، الأنواع فقط التي تتراوح نقطة تجمدها ما بين 58 و60 درجة مئوية هي المستخدمة، لكن شمع البرافين بوجه عام متوفر بكثرة. وتتوافق درجة تجمُّده مع النطاق المطلوب لتدفئة المساحات وتسخين الماء المنزلي، كما أنه غير سام وغير قابل للصدأ، لكن هناك مشكلة واحدة فيه وهي موصليته الحرارية الضعيفة، التي يمكن التغلب عليها من خلال التغليف؛ انظر الفصل الثاني عشر – قسم (٢-٤).

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

تتبلور العديد من الأملاح غير العضوية عندما يُضاف إليها عدد محدد من جزيئات الماء لتتحول إلى هيدرات الأملاح التي عند تسخينها تتغير لطورها المُمَيَّه. على سبيل المثال، تخضع كبريتات الصوديوم المميهة (ملح جلوبر) لعملية التغير الطوري هذه عند درجة حرارة 32.4 درجة مئوية:
(12-16)

بوجه عام، تكون هذه العملية كما يلي:

(12-17)

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

للتغلب على مشكلة ضعف الموصلية الحرارية للمواد المتغيرة الطور، عادة ما تُغلَّف تلك المواد بأشكال مختلفة. يعرض الشكل ١٢-٦ مثالًا لمادة متغيرة الطور مغلفة في أغلفة مسطحة أو أنبوبية. وهناك حاجة لسائل انتقال حراري حتى تؤدي المادة عملها.
fig170
شكل ١٢-٦: تغليف مادة متغيرة الطور: مثال لمادة متغيرة الطور مغلفة في أغلفة مسطحة أو أنبوبية للتغلب على مشكلة الموصلية الحرارية المنخفضة للمواد 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.

يعرض الجدول ١٢-٤ مواصفات الأنواع المتعددة للبطاريات القابلة لإعادة الشحن. ويتمثَّل أحد العوامل الأساسية في هذا الإطار في فرق الجهد الاسمي. فالخلايا ذات فرق الجهد الاسمي الأعلى بالتأكيد أفضل؛ لأننا سنحتاج لخلايا أقل لإنشاء النظام المرغوب. وهناك عاملان مهمان أيضًا وهما كثافة الطاقة والطاقة النوعية. وبالنسبة للاستخدامات الثابتة مثل أعمدة إنارة الشوارع، فإن الطاقة النوعية المنخفضة ليست مسألة مهمة. أما بالنسبة للاستخدامات الخاصة بالمركبات، فتُعد كثافة الطاقة والطاقة النوعية عاملين مهمين. كما أن العمر الافتراضي عامل مهم أيضًا بالنسبة للاستخدامات الخاصة بالمركبات. ولم نعرض هنا لتكلفة الوحدة، لكن حاليًّا لا تزال بطاريات الرصاص الحمضية هي الأقل ثمنًا ومن ثَم الأكثر استخدامًا.
جدول ١٢-٤: مقارنة بين البطاريات القابلة لإعادة الشحن.
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

يظهر التركيب الأساسي للبطاريات القابلة لإعادة الشحن وعمليتا الشحن وتفريغ الشحن في الشكل ١٢-٧. للمرجعية، تظهر التعريفات الخاصة بهذا المجال فيما يلي. ولمزيد من التفاصيل، انظر، على سبيل المثال، كتاب «الدليل الخاص بالبطاريات» [51].
  • 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.
يعرض الشكل ١٢-٧(أ) عملية تفريغ الشحن. فبتوصيل الخلية بحمل خارجي، تتدفق الإلكترونات من الإلكترود السالب، الأنود، الذي يكون متأكسدًا، عبر الحمل الخارجي إلى الإلكترود الموجب، الكاثود، حيث تُكتسَب الإلكترونات وتُختزَل مادة الكاثود. تكتمل الدائرة الكهربية في الإلكتروليت من خلال تدفق الأنيونات (الأيونات السالبة) والكاتيونات (الأيونات الموجبة) إلى الأنود والكاثود، على الترتيب.
يعرض الشكل ١٢-٧(ب) عملية الشحن. تُوصَّل البطارية بمصدر طاقة تيار مستمر خارجي. ويجبر المجال الكهربي الخارجي الإلكترونات على التدفق إلى الإلكترود السالب حيث تحدث عملية اختزال. على الجانب الآخر، تحدث عملية أكسدة عند الإلكترود الموجب، الذي تتدفق منه الإلكترونات. وحيث إن الأنود، من حيث التعريف، هو الإلكترود الذي تحدث عنده عملية الأكسدة بخلاف الكاثود الذي تحدث عنده عملية الاختزال، يكون الإلكترود الموجب هو الأنود والإلكترود السالب هو الكاثود.
fig171
شكل ١٢-٧: الكيمياء الكهربية للبطاريات القابلة لإعادة الشحن: (أ) عملية تفريغ الشحن: بتوصيل الخلية بحِمْل خارجي، تتدفق الإلكترونات من الإلكترود السالب، الأنود، إلى الإلكترود الموجب، الكاثود. وتكتمل الدائرة الكهربية في الإلكتروليت من خلال تدفق الأنيونات والكاتيونات إلى الأنود والكاثود، على الترتيب. (ب) عملية الشحن. يجبر مصدر طاقة تيار مستمر خارجي الإلكترونات على التدفق إلى الإلكترود السالب، ثم تكتمل الدائرة الكهربية في الإلكتروليت من خلال تدفق الأنيونات والكاتيونات.

(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:

(12-18)

وعند الإلكترود السالب، تحدث أكسدة للرصاص، كما يلي:

(12-19)

وأثناء عملية الشحن، عند الإلكترود الموجب، تحدث أكسدة لكبريتات الرصاص، كما يلي:

(12-20)

وعند الإلكترود السالب، يحدث اختزال لكبريتات الرصاص، كما يلي:

(12-21)
إن الرصاص معدن ثقيل وسام. وحمض الكبريتيك سائل خطير. والعمر الافتراضي لهذا النوع من البطاريات قصير (300 دورة)؛ لذا هو غير مناسب للأجهزة المحمولة والمركبات، لكن نظرًا لأن الرصاص بوجه عام معدن رخيص ويمكن إعادة تدويره، فإن التكلفة الإجمالية للبطارية تكون منخفضة. ومن المتوقع أن تظل تلك البطاريات مستخدمة على نطاق واسع في المستقبل القريب؛ على سبيل المثال، كوحدات لتخزين الطاقة في المناطق البعيدة أو في الأدوار السفلية للمباني السكنية لتخزين الكهرباء المولدة عن طريق الطاقة الشمسية.

(٣-٣) بطاريات هيدريد النيكل المعدنية

في العقود الحديثة، استُخدم هذا النوع من البطاريات القابلة لإعادة الشحن على نطاق واسع في المركبات والأجهزة الإلكترونية المحمولة كبيرة الحجم نسبيًّا. ويكون الإلكترود الموجب هنا من هيدروكسيد النيكل والسالب من مركب بين معدني. وأكثر المعادن استخدامًا له الشكل العام AB5، حيث إن A مزيج من عناصر أرضية نادرة ولانثانوم وسيريوم ونيوديميوم وبراسوديميوم، وB مزيج من النيكل والكوبالت والمنجنيز والألومنيوم.

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:

(12-22)

وعند الإلكترود السالب، يتأكسد هيدريد المعدن، كما يلي:

(12-23)

وأثناء الشحن، عند الإلكترود الموجب، يتأكسد هيدروكسيد النيكل، كما يلي:

(12-24)

وعند الإلكترود السالب، يُختزل المعدن، كما يلي:

(12-25)

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

تُعد بطارية الليثيوم أيون حاليًّا أسرع وحدات تخزين الطاقة نموًّا. فبعد وقت قصير من اختراع بطارية أكسيد كوبالت الليثيوم أيون في عام 1991، أصبحت مصدر الطاقة السائد في الأجهزة الإلكترونية المحمولة الصغيرة مثل الهواتف المحمولة والكاميرات الرقمية وأجهزة الكمبيوتر المحمول. وهناك اعتقاد سائد بأنها أفضل خيار لتزويد السيارات بالطاقة لأنها توفر أعلى طاقة نوعية، كما أن عمرها الافتراضي هو الأطول؛ ارجع إلى الجدول ١٢-٤.
من بعض النواحي، تُعد الجوانب الكيميائية الكهربية لبطاريات الليثيوم أيون هي الأبسط. فالأيون الوحيد المتضمن فيها هو كاتيون الليثيوم، Li+. وله أصغر نصف قطر وأعلى جهد معياري، . كما أن الإلكترود السالب مصنوع من الجرافيت، في حين أن أيون الليثيوم الصغير مقحوم في المسافة بين رقائق الجرافين المتجاورة. والإلكترود الموجب هو أكسيد معدن انتقالي، حيث يمكن أن يكون للمعدن القاعدي حالات تكافؤ مختلفة للسماح لذرة الليثيوم بالاندماج أو الانفصال.
يعرض الشكل ١٢-٨ العمليتين الكيميائيتين الكهربيتين المُتضمنتين في أي خلية ليثيوم أيون. في حالة الشحن الكامل، تُدفن معظم أيونات الليثيوم في طبقات الجرافيت. وأثناء عملية تفريغ الشحن، كما هو موضح في الشكل ١٢-٨(أ)، تترك أيونات الليثيوم الإلكترود السالب، وتمر خلال الإلكتروليت وتتجاوز غشاء الفصل ذا المسام الميكرونية وتتحد مع أكسيد المعدن في الإلكترود الموجب. وفي نهاية عملية تفريغ الشحن، تتحد معظم أيونات الليثيوم مع أكسيد المعدن في الإلكترود الموجب. وأثناء عملية الشحن، كما هو موضح في الشكل ١٢-٨(ب)، يُجبِر فرق الجهد الخارجي أيونات الليثيوم على ترك أكسيد المعدن والمرور خلال الإلكتروليت وتجاوُز غشاء الفصل ذي المسام الميكرونية والدخول عبر الجرافيت.
fig172
شكل ١٢-٨: العمليتان الكيميائيتان الكهربيتان في أي خلية ليثيوم أيون: (أ) أثناء عملية تفريغ الشحن، تترك أيونات الليثيوم الإلكترود السالب، وتمر خلال الإلكتروليت وتتجاوز غشاء الفصل ذا المسام الميكرونية وتتحد مع أكسيد المعدن في الإلكترود الموجب. (ب) أثناء عملية الشحن، يُجبِر فرق الجهد الخارجي أيونات الليثيوم على ترك أكسيد المعدن والدخول عبر الجرافيت.

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:

(12-26)

وعند الإلكترود السالب، تُستخلَص أيونات الليثيوم، كما يلي:

(12-27)

وأثناء الشحن، عند الإلكترود الموجب، تُستخلَص أيونات الليثيوم، كما يلي:

(12-28)

وعند الإلكترود السالب، تُقحَم أيونات الليثيوم في الجرافيت، كما يلي:

(12-29)
في التفاعلات السابقة، إن التي هي أكبر من أو تساوي 0 وأصغر من 1 هي جزء أيون الليثيوم المتفاعل.

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.

fig173
شكل ١٢-٩: بطاريات ليثيوم أيون: (a) بطارية ليثيوم أيون واحدة بفرق جهد اسمي قدره 3.7V. (b) عشر بطاريات ليثيوم أيون موصلة معًا على نحو تسلسلي بإجمالي فرق جهد اسمي قدره 37V. صورة فوتوغرافية التقطها المؤلف، ومعروضة بإذن من شركة فيليون للبطاريات ومقرها مدينة سوجو، الصين.
اكتشفت مجموعة جون جودانف البحثية في جامعة تكساس في عام 1996 فوسفات حديد الليثيوم كمادة للإلكترود الموجب في بطاريات الليثيوم أيون. ونظرًا لرخص ثمنها وعدم سميتها وتوفر الحديد بنسبة كبيرة واستقرارها الحراري العالي وخواصها الآمنة وأدائها الكيميائي الكهربي الجيد وسعتها النوعية العالية ( أو 610C/g)، فقد اكتسبت قبولًا كبيرًا في السوق.

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:

(12-30)

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:

(12-31)

وعند الإلكترود السالب، تُستخلَص أيونات الليثيوم من الجرافيت:

(12-32)

أثناء الشحن، عند الإلكترود الموجب، تُستخلص أيونات الليثيوم من فوسفات الحديد:

(12-33)

وعند الإلكترود السالب، تُدخَل أيونات الليثيوم في الجرافيت:

(12-34)

(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.

إن الوزن الذري لليثيوم هو 6.94g/mol. وكل مول من الليثيوم له 96490C من الشحنة الكهربية. وفرق جهد التشغيل لبطارية الليثيوم أيون هو 3.5V؛ ومن ثَم فإن السعة النوعية لليثيوم هي:
(12-35)
إذا احتاجت كل سيارة إلى بطارية بسعة 30kWh، إذن فهناك حاجة إلى 2.2kg من الليثيوم. وحاليًّا، هناك 600 مليون سيارة في العالم؛ لذا فإجمالي الليثيوم المطلوب يصل إلى 1.32 مليون طن.
طبقًا للمسح الجيولوجي الأمريكي لعام 2009 [2]، فإن قاعدة احتياطي الليثيوم الإجمالية المتحقق منها في العالم تبلغ 11 مليون طن، وهذا يعني إمكانية توفير احتياجات كل السيارات في العالم عدة مرات. ومؤخرًا، وطبقًا لصحيفة «نيويورك تايمز» [71]، وُجدت كمية كبيرة من ترسبات الليثيوم في أفغانستان. وطبقًا لتقرير داخلي للبنتاجون، يمكن لأفغانستان أن تصبح «في مجال الليثيوم كالسعودية في مجال النفط.» ونظرًا لأن معظم خام الليثيوم حاليًّا من بحيرات ملحية ذات ارتفاع عالٍ، فإن اكتشاف الليثيوم في أفغانستان ليس بمفاجأة.

(٤) الطاقة الشمسية والمركبات الكهربية

طبقًا لإدارة معلومات الطاقة الأمريكية، تستخدم وسائل النقل في أمريكا 26.5 بالمائة من إجمالي الطاقة المستهلكة، أو 67.6 بالمائة من النفط. ولتقليل استخدام الطاقة المستمدة من مصادر الوقود الحفري، يُعد أفضل السبل هو التحول إلى السيارات الكهربية التي تستخدم بطاريات قابلة لإعادة الشحن، وبخاصة بطاريات ليثيوم أيون، كوسط تخزين، والطاقة الشمسية كمصدر للطاقة. وللسيارات الكهربية العديد من السمات الرائعة، منها:
  • 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.

دعنا أولًا نستعرض بعض المعلومات الفنية: في الولايات المتحدة، تُقاس كفاءة السيارات ﺑ mpg من الجازولين. وفي النظام الدولي للوحدات، يُعد أنسب قياس لتلك الكفاءة هو km/kWh، أو kWh/1km. ونظرًا لأن محتوى الطاقة الخاص بالجازولين يساوي تقريبًا 1.3 × 108J/gallon والميل الواحد يساوي 1.609km، فبحسبة بسيطة، نجد 1km/kWh يساوي 22.37mpg. ويعرض الجدول ١٢-٥ البيانات المَقِيسة للعديد من السيارات الشهيرة.
جدول ١٢-٥: كفاءة عدد من السيارات الشهيرة.*
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 شيفروليه 150 6.67 0.15
المصدر: كتاب ديفيد جيه سي ماكاي «الطاقة المتجددة: بدون مبالغة» [56].
لعدة عقود، اعتُبرت خلية الوقود الهيدروجيني بديلًا لمحركي الأوتو والديزل في السيارات، واستُخدمت تعبيرات بها قدر كبير من المبالغة مثل عصر الهيدروجين واقتصاد الهيدروجين وحقبة الهيدروجين، لكن وفقًا لتحليل قام به جوزيف جيه روم [74] — الذي كان أحد نواب وزير الطاقة في إدارة كلينتون والمسئول عن مشروعات الهيدروجين؛ اعتمادًا على خبرته الكبيرة — لن يصبح استخدام الهيدروجين في المستقبل المنظور طريقة صالحة تجاريًّا لتخزين الطاقة؛ فهي غالية الثمن للغاية وخطيرة على نحو كبير، وهي غير مناسبة على نحو خاص لسيارات؛ لأن كثافة تخزين الهيدروجين المضغوط على نحو عالٍ تبلغ فقط عُشر تلك الخاصة بالجازولين. هذا إلى جانب أن خلايا الوقود الهيدروجينية ذات كفاءة منخفضة (مقارنةً بالبطاريات القابلة لإعادة الشحن) وعمر افتراضي أقل، وتستخدم معادن ثمينة غالية الثمن.
في المستقبل، ستصبح الخلايا الكهروضوئية الشمسية المصدر الأساسي للكهرباء، وهي تقنية مناسبة جدًّا للسيارات الكهربية. على وجه الخصوص، يمكن أن تشحن تلك الخلايا بطاريات السيارات الكهربية دون الحاجة إلى الحصول على طاقة من شبكة الكهرباء. إن لهذا الأسلوب مزايا مهمة؛ فهو يجنِّبنا التكلفة وفَقْد الطاقة بسبب عاكس التيار المتردد–التيار المستمر وعاكس التيار المستمر–التيار المتردد. علاوة على ذلك، فإن تقطع الطاقة الشمسية لم يعد عيبًا لأنه لم تعد هناك حاجة لمصدر طاقة مستقر جدًّا من أجل شحن البطاريات. ويمكن تحسين وحدة شحن البطاريات العاملة بالطاقة الشمسية أكثر باستخدام إجراء تبديل البطاريات؛ حيث تُشحن البطاريات الاحتياطية عندما يكون هناك ضوء شمس. ويمكن للسيارة التي استنفدت بطاريتها طاقتها أن يذهب بها صاحبها لمحطة الشحن كي يحصل على أخرى مشحونة بالكامل وذلك في غضون بضع دقائق، ربما حتى أسرع من ملء خزان الوقود. ويعرض الشكل ١٢-١٠ محطة شحن سيارات كهربية تعمل بالطاقة الشمسية في مدينة كيوتو التي قدمتها شركة نيسين إلكتريك المحدودة. وهي مزودة بحزمة بطاريات وعاكس تيار ووحدة شحن سريع.
fig174
شكل ١٢-١٠: محطة شحن سيارات كهربية تعمل بالطاقة الشمسية في كيوتو: محطة الشحن، التي قدمتها شركة نيسين إلكتريك المحدودة، مزودة بحزمة بطاريات وعاكس تيار ووحدة شحن سريع. الصورة معروضة بإذن من جامعة كيوتو.
fig175
شكل ١٢-١١: محطة شحن سيارات كهربية تعمل بالطاقة الشمسية في تينيسي: في الولايات المتحدة، أخذت ولاية تينيسي خطوة أخرى في تشييد بنيتها التحتية الخاصة بشحن السيارات الكهربية وأصبحت تتضمن الآن أول محطة شحن سيارات كهربية تعمل بالطاقة الشمسية، ومن المنتظر أن تبني محطات أخرى في المستقبل القريب [10].
في الولايات المتحدة، ستنتج شركتا جنرال موتورز ونيسان سيارات كهربية — من طرازي شيفروليه فولت ونيسان ليف — على نطاق واسع في ولاية تينيسي؛ لذا من المنطقي أن يبدأ سكان الولاية في توفير البنية التحية الخاصة بشحن تلك السيارات. وقد حدث هذا بالفعل في مدينة بولاسكي بالولاية. ففي أغسطس من عام 2010، افتُتحت أول ساحة انتظار شمسية تتكون من أماكن انتظار مزودة بوحدة شحن خاصة بالسيارات الكهربية تعمل بالطاقة الشمسية؛ انظر الشكل ١٢-١١. وفي حفل الافتتاح، وبعد الإشادة باستقلال مجال الطاقة في أمريكا ومدى ما يوفره من وظائف، شَغل عضو الكونجرس لنكولن دافيس المصفوفة الشمسية، مرسلًا الطاقة الشمسية لشبكة الطاقة. وقد ذُكر أن «كل المكونات هنا أمريكية الصنع، وأن هذا مثال على كيف أن التصنيع والأعمال الصغيرة في أمريكا ينموان في ظل الاقتصاد الأخضر الجديد [10].»
fig176
شكل ١٢-١٢: خزان ماء ساخن منزلي قياسي.

مسائل

  • (12-1) خزان ماء ساخن منزلي قياسي بقطر يساوي 50cm وارتفاع يساوي 135cm بعزل سمكه يساوي 5cm مصنوع من مادة البوليميد فوم في شكلها الصلب؛ انظر الشكل ١٢-١٢. إذا كان الفرق بين درجتَي الحرارة الخارجية والداخلية 45 درجة مئوية، فما مقدار فقد الطاقة الخاص بهذا الخزان بالواط؟ (الموصلية الحرارية لهذه المادة تساوي .)
  • (12-2) عند تخزين الماء الساخن في هذا الخزان عند درجة حرارة 65 درجة مئوية وفي ظل درجة حرارة محيطة تساوي 20 درجة مئوية، كم من الوقت يحتاجه لتقليل درجة حرارة الماء درجة مئوية واحدة؟
  • (12-3) عند تخزين ثلج بدرجة حرارة صفر درجة مئوية في هذا الخزان المعزول وفي ظل درجة حرارة خارجية قدرها 25 درجة مئوية، كم من الوقت يحتاجه حتى ينصهر كل الثلج؟ (للعلم، الحرارة الكامنة للثلج تساوي 335kJ/liter.)