تخزين الطاقة الحرارية

تتطلب الحاجة إلى زيادة الاعتماد على الطاقة المتجددة بانتظام مع محاولتنا مكافحة تغير المناخ. اتفاقية COP28 الأخيرة وضحت ذلك بوضوح، مطالبة بتضاعف سعة الطاقة المتجددة ثلاثة أضعاف ومضاعفة تحسينات كفاءة الطاقة بحلول عام 2030. إنه طموح جريء لكنه ضروري للوصول بأي شكل إلى أهداف صافي الانبعاثات الصفرية في الجدول الزمني المطلوب.

الموضوع الذي يُغفل غالبًا هو كيفية إدارة عدم قابلية التوقع لإمدادات الطاقة المتجددة بشكل أفضل. وعندما يُناقش، غالبًا ما يركز على قضايا المستوى العالي، مثل توزيع الشبكة وإمدادات الطاقة الوطنية. ومع ذلك، قد يستغرق الأمر حتى 15 سنة لتوسيع شبكات نقل وتوزيع الكهرباء لتصبح سارية المفعول. مع الحاجة إلى إجراءات فورية للحد من تأثير تغير المناخ، هناك حاجة ملحة للنظر إلى أبعد من توليد الطاقة المركزي، نحو توليد حرارة محلية.

القمم والانخفاضات في الإمداد من موارد الرياح والطاقة الشمسية، والزيادة المعتبرة في الطلب مع تكهرب الحرارة يعني من المنطقي النظر إلى فرص التآزر الجديدة بين قطاعي الطاقة والحرارة.

تخزين الطاقة الحرارية (TES) وأشكال أخرى من تخزين الطاقة طويل الأمد (LDES) هما مساران واعدان لتعظيم إمكانات وضع متطور.

الحاجة لتبني طرق TES مع استمرارنا في الرحلة نحو مستقبل أكثر استدامة واضحة. ومع تطور التقنيات لتلبية هذا الطلب، من الجدير النظر في التأثير الأوسع الذي قد تُحدثه هذه الخيارات على بيئتنا، بعيدًا عن عوامل مثل التكاليف الرأسمالية والكفاءة وإنتاج الطاقة. هنا ننظر إلى بديلين ونفكر في بعض هذه القضايا.

اليوم أكثر أشكال تخزين الطاقة للحرارة شيوعًا هي التخزين الحراري عبر التخزين بالحرارة الحساسة والكامنة باستخدام مواد تغيير الطور (PCMs)، والتخزين الكيميائي الحراري. تتחלק خيارات التخزين الكهروكيميائي إلى فئتين؛ المكثفات والبطاريات. بينما تُقدم المكثفات كفاءات أعلى وعمرًا أطول مقارنة بالبطاريات، فإنها تحمل شحنة أقل بكثير لكل كتلة وحدة.

كانت البطاريات أيضًا موضوع الكثير من البحث حول استخدامها في أنظمة تخزين الطاقة، بما في ذلك التكامل مع أنظمة تقنيات متجددة. بطاريات فوسفات الحديد الليثيوم (LIPB) كانت موضوع عدة دراسات تُقيّم استخدامها، مثل مزارع الرياح لتخزين الطاقة للاستخدام عند عدم هبوب الريح. تتحسن كفاءتها بشكل كبير عند استخدام أكثر من بطارية، مما يتيح دورات شحن وتفريغ كاملة. ركزت أوراق أخرى على تحسين كفاءتها، مثلًا بالتحكم في درجة حرارة التشغيل باستخدام حصائص حرارية، أو نظرت في تأثيرها على البيئة عبر تقييمات دورة الحياة (LCAs).

في Spirax Sarco، مع زملائنا في Chromalox، طوّرنا شكلًا مبتكرًا من TES: بطارية البخار. تُخزن هذه الحرارة المولدة من مُدفّع كهربائي مغمور كמים ساخنة عالي الضغط في وعية معزول جيدًا.

عندما يُحتاج البخار من بطارية البخار، يُؤخذ من فراغ الغاز (الفراغ) في الوعية، ويُستخدم إما مباشرة كبخار، أو غير مباشرة عبر وسيلة مبادل حرارة للاتصال بتدفئة “مبللة”. يُعاد البخار المتكثف إلى الوعية. مع استخدام البخار، ينخفض الضغط إلى النقطة التي تُفرّغ فيها بطارية البخار بالكامل. تُشحن من جديد من قبل المُدفّع الكهربائي المغمور، القادر على استخدام الكهرباء من مصادر متجددة مباشرة أو من الشبكة عند توفر طاقة متجددة منخفضة التكلفة. يمكنها تفريغ البخار والشحن في وقت واحد، مما يُعطي مرونة في كيفية توظيفها، وكمخزن مؤقت. قادرة على الشحن الكامل في غضون 8 ساعات، يمكنها ذلك ليلًا.

باستخدام الأدبيات الحالية حول LIPBs جنبًا إلى جنب مع نموذجنا، والدراسات الحالية لبطارية البخار، هدفنا إلى مقارنة التأثير البيئي لهذين حلين تخزين الطاقة. كانت هناك بعض القيود، بسبب الحدود التي وضعتها دراسات LIPB؛ ولا سيما نهج المهد إلى البوابة الذي لا يُنظر في نقلها أو التخلص منها في نهاية العمر.

بمجرد تحديد حدود النظام، يمكن تقييم مجموعة من التأثيرات البيئية المقارنة. بسبب الاختلافات في النماذج المستخدمة بين دراسة LIPB ودراسة بطارية البخار، وجدنا أن 10 من 18 في دراسة LIPB قدمت مقارنة مباشرة.

هذه الأكثر صلة بتأثير تتغير المناخ، وتُقاس بالكيلوجرام من التكافؤ الكربوني. تُظهر النتائج أن بطارية البخار ستُصدر 8.58 كجم/1000 كيلوواط ساعة من الطاقة المخزنة طوال عمرها، بينما أصدرت LIPB 16.10/1000 كيلوواط ساعة طوال عمرها. بشكل فعال، بطارية البخار لديها نصف انبعاثات CO₂ من LIPB طوال عمرها الافتراضي.

فحصنا ست فئات من التأثير البيئي، بما في ذلك تلك التي تغطي السمية البيئية والغذاء المائي في بيئات البحر والمياه العذبة، بالإضافة إلى التحمض والسمية البيئية في بيئات الأرضية. لكل من بيئات المياه العذبة والبحرية، وجد أن بطارية البخار أقل تأثيرًا بنسبة 95% مقارنة بـ LIPB. يُعزى هذا في الغالب إلى عملية تصنيع لوحة القطب الموجب المطلوبة لـ LIPB.

عند النظر في التأثيرات الأرضية، يظهر صورة مختلفة. كان إنتاج ثاني أكسيد الكبريت لبطارية البخار أقل بنسبة 83% من LIPB. ومع ذلك، كان معادل الديكلوروبنزين أعلى من LIPB. أظهر فحص أقرب، مع مرور حمولات تأثير كلا المنتجين عبر فئات بيئية مختلفة، أن هذه كانت مجالًا للتحسين المحتمل وليس عيبًا خطيرًا.

أبرز التقييم بشكل إضافي تقليل بطارية البخار التأثير على الموارد الطبيعية، مثل الوقود الأحفوري والماء. بشكل لافت، كانت أعلى الحمولات البيئية مرتبطة بشكل رئيسي بـ LIPB، ولا سيما في السمية البيئية البحرية والمياه العذبة، بينما كان التأثير الأبرز لبطارية البخار أقل بشكل ملحوظ في السمية البيئية الأرضية.

مع نمو الحاجة إلى أنظمة بخار مستدامة، هناك ضرورة واضحة للنظر إلى أكثر من مجرد تجنب الوقود الأحفوري. مرونة الكوكب ومستقبله يعتمدان على مجموعة من العوامل الأخرى، مع اعتبارات بيئية عالية على القائمة. تُظهر هذه الدراسة الأولية أن مسحًا أكثر شملاً للخيارات المحتملة يجب أن يُؤخذ دائمًا بعين الاعتبار قبل اتخاذ القرارات النهائية.

المصدر:

Borbala Rebeka David, Sean Spencer, Jeremy Miller, Sulaiman Almahmoud, Hussam Jouhara:(Comparative environmental life cycle assessment of conventional energy storage system and innovative thermal energy storage system,2021).