أحد التحديات الرئيسية في النهوض الطاقات المتجددة إنه تخزين فعال للطاقة. على الرغم من أن الطاقة الشمسية هي واحدة من أكثر أنواع الطاقة التي يمكن الوصول إليها، إلا أن تخزينها يظل تحديًا حاسمًا لتحقيق الاعتماد الشامل. وفي الوقت الحالي، يعتبر تخزين ونقل هذه الطاقة من الجوانب التي تحتاج إلى حلول مبتكرة لجعلها أكثر قدرة على المنافسة في الأسواق العالمية.
تم تطوير أحد أحدث الابتكارات التكنولوجية من قبل فريق من الباحثين من جامعة تشالمرز للتكنولوجيا، في جوتنبرج، السويد. وقد أظهرت هذه المعدات أنه من الممكن تخزين الطاقة الشمسية في السائل الكيميائيالمعروفة باسم النظام الحراري الشمسي الجزيئي. يفتح هذا التقدم أبوابًا جديدة لتخزين كميات كبيرة من الطاقة الشمسية بكفاءة ولفترات طويلة من الزمن.
كيف يعمل تخزين الطاقة الشمسية في السوائل؟
يكمن مفتاح هذا النظام المبتكر في سائل خاص، عندما يصطدم به الفوتونات من ضوء الشمس، يغير تركيبه الجزيئي لتخزين الطاقة. تُعرف هذه العملية باسم الأيزومرة، حيث يتم إعادة ترتيب جزيئات السائل لالتقاط الطاقة الشمسية في الروابط الكيميائية لل نظائر.
عندما يعيد الجزيء ترتيب نفسه، تبقى الطاقة مخزنة بشكل مخفي ويمكن أن تكون متاحة لفترات طويلة، حتى في ظل درجات الحرارة المحيطة العادية. هذا النظام قوي للغاية وقد أثبت قدرته على تحمل أكثر من 140 دورة شحن وتفريغ دون التعرض لتدهور كبير في الأداء.
ويتميز هذا النوع من تخزين المواد الكيميائية بمزايا مقارنة بالبطاريات التقليدية، حيث يمكنه تخزين الطاقة الشمسية على شكل حرارة وإطلاقه عند الطلب من خلال محفز، مما يعيد الجزيء إلى شكله الأصلي. أظهرت هذه التقنية كفاءة تحويل ضوء الشمس تصل إلى 80%وهو أمر مهم في سياق الطاقات المتجددة.
التقدم التكنولوجي: من البحث إلى الممارسة
بدأ مشروع بحث السوائل منذ أكثر من ست سنوات وتم نشره في المجلة العلمية الطاقة والبيئة. في الأصل، تم استخدام العملية الروثينيوموهو عنصر باهظ الثمن، وله كفاءة منخفضة جدًا تبلغ 0,01% فقط. ومع ذلك، بعد سنوات من التحسينات، تمكن العلماء من زيادة الكفاءة حتى تخزين 1,1% من ضوء الشمس التي تؤثر على السائل كطاقة كيميائية كامنة.
بالإضافة إلى ذلك، تم استبدال الروثينيوم بمكونات أرخص تعتمد على الكربون والهيدروجين والنيتروجين. وقد أتاح هذا التغيير الوصول إلى نظام أكثر فعالية من حيث التكلفة، مع القدرة على تخزين وإطلاق الطاقة الشمسية بجزء صغير من التكلفة الأولية. السائل الذي يعتمد على مركبات عضوية مثل نوربورنادين، يتحول عند التعرض لأشعة الشمس إلى كوادريسيكلانوهو مركب يقوم بتخزين الطاقة في روابطه الجزيئية.
التطبيقات العملية وحياة النظام
يعد نظام التخزين هذا جذابًا لأن الطاقة الشمسية المخزنة يمكن أن تظل خاملة لمدة طويلة تصل إلى 18 سنوات. وهذا يعني أن الطاقة المجمعة اليوم يمكن استخدامها حتى في البيئات ذات الإشعاع الشمسي المنخفض، مثل الشتاء أو في الليل، مما يزيد من صلاحيتها للتطبيقات اليومية.
علاوة على ذلك، فإن التطبيقات المحتملة لهذا السائل واسعة النطاق. وقد تم اقتراح استخدامه في أنظمة التدفئة السكنية، كما هو الحال في سخانات المياه أو الأجهزة التي تحتاج إلى مصدر حرارة ثابت، ولكن أيضًا في التطبيقات الصناعية مثل تعقيم وغيرها من العمليات التي تتطلب الحرارة.
إحدى المزايا الإضافية هي إمكانية إعادة شحن السائل وإعادة استخدامه في دورات متعددة، مما يضمن وجود نظام اقتصادي وفعال على المدى الطويل. حتى الآن، ثبت أن هذا السائل يؤدي أكثر من 125 دورات دون أن يتم تحديد أي ضرر في بنيته الجزيئية، وهو دليل واضح على متانته.
مستقبل نظام تخزين الطاقة الشمسية
لقد تم الاعتراف بالتطورات في نظام تخزين الطاقة الشمسية هذا على المستوى الأوروبي. في عام 2020 حصل المشروع على تمويل بقيمة 4,3 مليون يورو من قبل الاتحاد الأوروبي، بهدف تطوير نماذج أولية واسعة النطاق. سيؤدي هذا الاستثمار إلى تطوير الاختبارات وجعل هذه الأنظمة متاحة للاستخدام التجاري في السنوات العشر القادمة.
ولا يحمل هذا النظام وعودًا كبيرة لقطاع الطاقة المتجددة فحسب، بل أيضًا لمكافحة تغير المناخ بسبب تكلفته المنخفضة ومتانته ومعدل تحويله المرتفع. على وجه الخصوص، التطورات الحديثة في تصنيع المحفزات لقد أتاحت إمكانية التحكم بشكل أفضل في إطلاق الطاقة على شكل حرارة، مما يحسن كفاءة النظام عند الحاجة إلى استخراج الطاقة المذكورة.
تقدم التحليل الكهربائي المائي كحل تكميلي، فإنه يكتسب المزيد من الأرض، مما يسمح بتخزين فائض الطاقة الشمسية في شكل هيدروجين، وهو ناقل رئيسي آخر للطاقة تتزايد شعبيته بسبب قدرته على إدارة التقلبات في الإمدادات المتجددة.
وبينما نواصل تطوير وتحسين هذه الأنواع من التقنيات، يمكن أن يحدث تخزين السوائل الكيميائية للطاقة الشمسية ثورة في الطريقة التي ندير بها الطاقة الشمسية، مما يوفر حلاً فعالاً وقابلاً للتطوير للتعامل مع الطلب المتزايد على الطاقة النظيفة والمتجددة.
ومع هذه التطورات، يمكن أن تواجه البشرية أحد الحلول الأكثر ابتكارًا لتخزين واستخدام الطاقة الشمسية، ليس فقط في المنزل، ولكن أيضًا في عدد لا يحصى من التطبيقات الصناعية والتجارية.