أثر الثاني القانون القيود على تصميم الجيل القادم نظم تخزين الطاقة

Understanding the Second Law of Thermodynamics in Energy Storage Context

ويشكل القانون الثاني لعلم الديناميكا الحرارية أحد أهم المبادئ الأساسية التي تحكم نظم الطاقة، ويضع قيودا لا يمكن انتهاكها بشأن كيفية تخزين الطاقة وتحويلها واستخدامها، وبالنسبة للمهندسين والباحثين الذين يطورون الجيل القادم من تكنولوجيات تخزين الطاقة، تمثل هذه القيود الدينامية الحرارية تحديا وإطارا توجيهيا، ومع استمرار تزايد الطلب على الطاقة في العالم والتعجيل بالانتقال إلى مصادر الطاقة المتجددة، فهما لتزايد تشكيل الابتكارات في القانون الثاني.

إن نظم تخزين الطاقة تشكل العمود الفقري للشبكات الكهربائية الحديثة، وتكامل الطاقة المتجددة، والمركبات الكهربائية، والأجهزة الإلكترونية المحمولة التي لا حصر لها، غير أن كل تكنولوجيا تخزين للطاقة - من بطاريات الليثيوم -يون تماماً إلى ضخ نظم الطاقة الكهرمائية، من المكثفات الخارقة إلى مخزن الطاقة الحرارية - تعمل بالضرورة في إطار القيود التي تفرضها القوانين الدينامية الحرارية، ولا سيما أن أشكال تخزين النفايات لا يمكن أن يؤدي إلى تحويلها.

ويبحث هذا الاستكشاف الشامل كيف تؤثر القيود القانونية الثانية تأثيرا أساسيا على تصميم نظم تخزين الطاقة وكفاءتها وتنفيذها عمليا، وبفهم هذه القيود على مستوى عميق، يمكن للمهندسين أن يطوروا توقعات أداء أكثر واقعية، وأن يحددوا فرص الاستخدام الأمثل، وأن يضغطوا الحدود التي يمكن تحقيقها عمليا في تكنولوجيا تخزين الطاقة.

المبادئ الأساسية للقانون الثاني والنسخة

القانون الثاني لعلم الديناميا الحرارية يمكن التعبير عنه في تركيبات متعددة معادلة، كل منها يقدم نظرة فريدة على سلوك نظام الطاقة، في جوهره، ينص القانون على أن مجموع نظام منعزل لا يمكن أن ينخفض بمرور الوقت، فالطاقة، التي كثيرا ما توصف بأنها مقياس للاضطرابات أو لتشتت الطاقة، تمثل عدم توافر الطاقة الحرارية للنظام من أجل التحول تدريجيا إلى عمل ميكانيكي.

وبالنسبة لنظم تخزين الطاقة، فإن هذا المبدأ يتجلى بطرق حاسمة عديدة، وعندما تتحول الطاقة الكهربائية إلى الطاقة الكيميائية في بطارية، تخزن كطاقة محتملة في نظام مضخ، أو تتراكم كطاقة حركية في ذبابة، يصبح بعض هذه الطاقة غير متاحة للانتعاش فيما بعد، وتولد عمليات التحويل ذاتها من خلال آليات مختلفة تشمل المقاومة الكهربائية، والاحتكاك، والاختلافات في درجات الحرارة، والتدفئة الكيميائية.

آليات توليد الطاقة في تخزين الطاقة

ففهم الآليات المحددة التي يتم بواسطتها توليد الطاقة في نظم تخزين الطاقة يوفر رؤية حاسمة للتصميم الأمثل، ففي نظم التخزين الكهروكيميائية مثل البطاريات، يحدث توليد البرمجيات عبر مسارات متعددة، كما أن الخسائر الناجمة عن المقاومة الكهربائية في الكهرباء، والكهرباء، وأجهزة الجمع الحالية تحول الطاقة الكهربائية مباشرة إلى حرارة، تمثل الخانات التي تولد في عمليات نقل الكترولية لا رجعة فيها.

وتواجه نظم تخزين الطاقة الميكانيكية عملياتها الخاصة المولدة للوقود، وتعاني الفلفل من مقاومة جوية وحمل احتكاك، وتحلل باستمرار الطاقة الحركية المخزنة كدفئة، وتفقد التخزين الكهرمائي المقطوع الطاقة من خلال الاضطراب في تدفق المياه، والاحتكاك بالأنابيب والتوربينات، وأوجه القصور الكامنة في عمليات الضخ والاضطرابات.

وتطرح نظم تخزين الطاقة الحرارية تحديات حرارية مثيرة للاهتمام بوجه خاص، إذ إن تخزين الطاقة كدف حرارة معقولة أو متأخّرة يتطلب الحفاظ على اختلافات في درجات الحرارة بين وسيط التخزين وضواحيه، ولا رجعة فيها في نقل الحرارة عبر درجات الحرارة هذه، مما يولد باستمرار، ويزيد من درجة الحرارة، ويزيد من احتمال استخلاص العمل المفيد، بل ويزيد أيضا من قوة الدافعة للخسائر الحرارية في البيئة.

الحد من كفاءة كارنو

ومن أهم النتائج التي تترتب على القانون الثاني الحد الأقصى للكفاءة في كارنو، الذي يحدد الحد الأقصى للكفاءة النظرية لأي محرك حراري يعمل بين خزانين حراريين، ويُعبر عن هذا الحد بأنه صفر واحد - (تي-كولد/تي هوت)، حيث تقاس درجات الحرارة في وحدات مطلقة، أما بالنسبة لنظم تخزين الطاقة التي تنطوي على عمليات حرارية أو تعمل في بيئات ذات قدر كبير من درجات الحرارة، فإن الحد الأقصى في مجال الهندسة لا يمثل حدا أقصى مطلقا في مجالا.

ويؤثر هذا الحد تأثيراً عميقاً على تخزين الطاقة الحرارية وعلى أي تكنولوجيا تخزين تولد حرارة كبيرة من النفايات أثناء التشغيل، فعلى سبيل المثال، يجب أن تُنثر نظم البطاريات الحرارة الناشئة عن المقاومة الداخلية وعدم قابلية الارتداد الكهروكيميائي، وتواجه الكفاءة التي يمكن بها إزالة هذه الحرارة ودرجة الحرارة التي تعمل فيها البطارية أثراً مباشراً على الأداء والطول، وتواجه النظم التي تعمل في درجات حرارة أعلى خسائر كبيرة في الظهر عند محاولة تحويلها إلى طاقة.

الآثار المترتبة على تصميم نظام تخزين الطاقة

وتتخلل القيود التي يفرضها القانون الثاني كل جانب من جوانب تصميم نظام تخزين الطاقة، من اختيار المواد إلى هيكل النظم، من الاستراتيجيات التنفيذية إلى القدرة على البقاء اقتصاديا، ومن ثم فإن الاعتراف بهذه الآثار في وقت مبكر من عملية التصميم يمكّن المهندسين من إجراء عمليات تبادل مستنيرة وتجنب اتباع نهج لا يمكن الدفاع عنها.

الحد من الكفاءة في الجولة

كفاءة استخدام الطاقة في مرحلة الجولة - نسبة الطاقة المستعادة من نظام التخزين إلى أجهزة الطاقة المخزنة أصلاً كمقياس أداء أولي لتكنولوجيات تخزين الطاقة، ويضمن القانون الثاني أن تكون هذه الكفاءة أقل من 100 في المائة على الدوام بالنسبة لأي نظام حقيقي، وتظهر تكنولوجيات التخزين المختلفة درجات الكفاءة التي تحددها إلى حد كبير القيود الأساسية التي تواجهها في مجال الدينامية الحرارية.

وتتحقق بطاريات الليثيوم - الأسيون عادة من كفاءة المرحلتين ذهابا وإيابا بنسبة 85-95 في المائة، مع الخسائر التي تعزى أساسا إلى المقاومة الداخلية والاحتمالات الكهروكيميائية الزائدة، وتعمل المخزن الكهرمائي المضخ على مستوى الكفاءة بنسبة 70-85 في المائة، وتقتصر على نقصان الاضطرابات والضخ والخسائر الهيدروليكية، وقد يؤدي تخزين الطاقة الكهربائية إلى زيادة في المئة دون استرداد الحرارة إلى 40 في المائة فقط

وتؤثر هذه القيود على الكفاءة على الاقتصاد في النظام وعلى الفائدة العملية، إذ يجب شراء أو توليد المزيد من الطاقة لتوفير كمية معينة من الطاقة المخزنة، وزيادة التكاليف التشغيلية، كما أن ذلك يعني أن هناك حاجة إلى قدرة أكبر على توليد الطاقة لشحن نظم التخزين، مما يؤثر على تكاليف رأس المال واحتياجات الهياكل الأساسية، وبالنسبة للتخزين على نطاق الشبكة لدعم تكامل الطاقة المتجددة، فإن تحسين الكفاءة يمكن أن يترجم إلى فوائد اقتصادية وبيئية كبيرة على مدى عمر النظام.

الشحن الذاتي واستدامة الطاقة

كما يتجلى القانون الثاني في ظاهرة الانقطاع الذاتي، حيث تتحلل الطاقة المخزنة تدريجيا حتى عندما لا يُنفّذ نظام التخزين بصورة نشطة الطاقة، وذلك لأن تخزين الطاقة يخلق في جوهره حالة من الانتكاس (الطاقة المنظمة) أقل من البيئة المحيطة، ويُعزى الاتجاه الطبيعي نحو زيادة الطفرة إلى العمليات العفوية التي تحط من الطاقة المخزنة بمرور الوقت.

وفي البطاريات، ينتج عن ردود الفعل الكيميائية الطفيلية التي تحدث حتى في غياب التدفق الخارجي الحالي، وهذه ردود الفعل هي ردود فعل مواتية حرارية لأنها تزيد من طاقة النظام الإجمالية، حتى وإن كانت تقلل الطاقة الكهربائية المخزنة، ويتوقف معدل التشريح الذاتي اعتمادا قويا على درجة الحرارة، حيث أن الطاقة الحرارية العالية تعجل بمستوى حركية هذه العمليات المولدة للأجهزة.

ويواجه تخزين الطاقة الحرارية تحديات شديدة للغاية بسبب عدم قابلية نقل الحرارة من وسائل التخزين الساخنة إلى مناطق مبردة، وحتى مع العزل الممتاز، يكفل القانون الثاني استمرار هذا النقل الحراري، مما يهين تدريجيا الطاقة المخزنة، ويتوقف معدل الخسارة على الفرق في درجات الحرارة، والمنطقة السطحية، ونوعية العزل، ولكن لا يمكن القضاء عليه كلية، مما يجعل التخزين الحراري أكثر ملاءمة للتطبيقات التي تتطلب الاحتفاظ بالطاقة على مدى ساعات.

وتعاني نظم تخزين الطاقة الميكانيكية مثل أجهزة الطهي من الانحلال الذاتي من خلال الاحتكاك ومقاومة الهواء، وفي حين أن المؤثرات المغناطيسية وأجهزة الكشف عن الفراغ يمكن أن تقلل هذه الخسائر بشكل كبير، فإن بعض حالات التسرب من الطاقة لا تزال غير قابلة للإبطال، أما القانون الثاني فيكفل أن الحفاظ على وقود الطائرات بسرعة عالية من التناوب يمثل حالة منخفضة القدرة على العمل تتدهور بطبيعة الحال نحو التوازن مع البيئة.

إدارة المواضع والتصميم الحراري

وتبرز الإدارة الحرارية الفعالة باعتبارها الاعتبار الحاسم في تصميم جميع تكنولوجيات تخزين الطاقة تقريبا، مدفوعا بعقبات القانون الثانية، وتولد عمليات تحويل الطاقة داخل نظم التخزين حرارة النفايات التي يجب تفريقها للحفاظ على درجات حرارة التشغيل المقبولة، غير أن إزالة هذه الحرارة نفسها تنطوي على عدم تجانس حراري يؤثر على كفاءة النظام عموما.

وتوضح نظم البطارية هذه التحديات الإدارية الحرارية بوضوح، ففي أثناء الشحن والتدبير، تولد المقاومة الداخلية والإمكانيات الكهروكيميائية الزائدة الحرارة داخل خلايا البطاريات، وإذا لم يتم إزالة هذه الحرارة بصورة فعالة، فإن ارتفاع درجة حرارة الخلايا، الذي يمكن أن يعجل آليات التدهور، ويقلل الأداء، وفي الحالات القصوى، يشكل مخاطر على السلامة، غير أن نظم التبريد النشطة تستهلك الطاقة وتزيد من التعقيد، وتخفض كفاءة النظام.

كما أن القانون الثاني يؤثر على تصميم نظم التبريد نفسها، ولا يمكن أن يتدفق الحرارة إلا تلقائياً من درجة الحرارة إلى البرودة، وبالتالي فإن إزالة الحرارة من البطارية تتطلب إما التبريد السلبي إلى بيئة أكثر برودة أو نظم التبريد النشطة التي تستهلك العمل من أجل الضخ الحراري مقابل درجة حرارة، وقد تؤدي كفاءة التبريد النشط إلى الحد من كفاءة الأداء في كارنوت، مما يقلل من درجة الحرارة بين ارتفاع درجة الحرارة وازدياد المدفتر الحرارة.

اختيار المواد وتحللها

ويؤثر القانون الثاني تأثيراً عميقاً على تدهور المواد في نظم تخزين الطاقة، مما يؤثر على الأداء وعلى طول العمر، إذ توجد مواد تستخدم في نظم التخزين في الدول التي تتميز بقابلية الحرارة - وهي ليست في أدنى تشكيلة للطاقة، ولكن الحواجز الحركية تحول دون التحول السريع إلى دول أكثر استقراراً، غير أن تشغيل نظم تخزين الطاقة كثيراً ما يوفر الطاقة الفعّالة اللازمة للتغلب على هذه الحواجز، مما يعجل بعمليات التحلل.

وفي بطاريات الليثيوم -يون، فإن المواد العالية الطاقة المستخدمة للكهرباء غير مستقرة حرارياً على اتصال بالكهرباء، إذ لا يمكن أن يضمن التكوين الكهربي العالي التحلل، والتفكك الكهرومغناطيسي، والتغييرات الهيكلية أثناء التدوير، عمليات التركيب المضغوطة التي هي عملية اختيارية مضللة تماماً، ولكنها تلحق الضرر تماماً.

مواد تخزين الطاقة الحرارية تواجه تحديات مماثلة، مواد تغيير المرحلة المستخدمة في التخزين الخفيف للحرارة قد تتعرض لتغييرات كيميائية لا رجعة فيها على العديد من الدورات الحرارية، مواد التخزين الحراري الحساسة يمكن أن تتعرض للإجهاد الحراري، والتشقق، والتدهور الهيكلي، وهذه العمليات التحللية تحركها اتجاه النظام نحو دول مفترسة أعلى، وبينما يمكن التخفيف منها من خلال اختيار المواد والاستراتيجيات التشغيلية، لا يمكن القضاء عليها بالكامل.

الاستراتيجيات المتقدمة لتخفيف القيود المفروضة على القانون الثاني

وفي حين أن القانون الثاني يحدد حدودا أساسية لا يمكن انتهاكها، فإن هناك فرصا كبيرة لتصميم نظم تخزين الطاقة التي تقترب من هذه الحدود النظرية بشكل أوثق، وتركز جهود البحث والتطوير الحديثة على التقليل إلى أدنى حد من أوجه اللارجعة التي يمكن تجنبها، مع قبول جيل البرمجيات الذي لا يمكن تجنبه الذي صدر به تكليف بموجب قوانين الدينامية الحرارية.

المواد المتقدمة ذات المسؤوليات المحدودة

وتوفر التطورات العلمية في المواد أدوات قوية للحد من توليد الطاقة في نظم تخزين الطاقة، أما بالنسبة للتخزين الكهروكيميائي، فإن تطوير المواد الكهرومغناطيسية ذات السمية الإلكترونية العالية يقلل من الخسائر في الأورام وما يرتبط بها من توليد النسخ، ويمكن للكهرباء في الدول ذات السمات الأيونية العالية أن يقلل إلى أدنى حد من التركيزات التي يمكن أن تؤدي إلى تحسين الاستقرار، ويمكن للمواد النانوية ذات المناطق السطحية العالية أن تقلل من نقل الشحنات إلى مواقع ذات قدرات إضافية.

وتدل التطورات الأخيرة في مواد البطاريات على إمكانية هذا النهج، إذ توفر الأنود المرتكزة على السيليكون قدرة نظرية أعلى بكثير من الغرافيت التقليدي، مما قد يقلل من كمية المواد اللازمة وما يرتبط بها من خسائر مقاومة، غير أن السيليكون يخضع لتغييرات كبيرة في الحجم أثناء التلويث وإلغاء التلويث، مما يخلق ضغوطا ميكانيكية تولد التشويش عن طريق التشهير الذي لا رجعة فيه، ويضعون نظما في الحجم المتناقلصات المتناة في الحجم.

وبالنسبة لتخزين الطاقة الحرارية، تركز البحوث المتعلقة بالمواد على تطوير مواد تغير المرحلة ذات الحرارة العالية، والسلوك الحراري الجيد، والحد الأدنى من التحلل الحراري، ويمثل التحلل الحراري اللارجعي حيث تظل المواد سائلة دون نقطة التجميد، مما يقلل درجة الحرارة الفعلية التي يمكن تخزينها واستعادتها، ويمكن أن تقلل عوامل التنظيف والمواد المركبة من التحلل الحراري إلى الحد الأدنى، مما يتيح لنظم التخزين الحرارية أن تعمل بشكل أوثق.

الهيكل التنظيمي

إن هيكل نظم تخزين الطاقة - مكوناتها مصممة ومتداخلة - تؤثر تأثيراً كبيراً على الكفاءة الدينامية الحرارية عموماً، وكل خطوة تحول في نظام التخزين تنطوي على عدم التنويع وتوليد الطاقة، وتقليص عدد خطوات التحويل إلى أدنى حد ممكن، وتحقيق أقصى قدر ممكن من المرونة في أداء النظام.

ويجسد هذا المبدأ الانقلاب الحالي المباشر لمصادر الطاقة المتجددة إلى نظم تخزين البطاريات، إذ تحول النظم التقليدية قدرة البلدان النامية من الألواح الشمسية إلى تغيير التيار الحالي للربط الشبكي ثم تعود إلى العاصمة لشحن البطاريات، وتشتمل كل خطوة تحويلية على أجهزة إلكترونية لتوليد الطاقة تولد الحرارة والنسخ، وتقضي شركة DCling مباشرة على خطوة تحويل، وتخفض الخسائر وتحسن كفاءة المرحلتين، بينما يُظهر هذا النهج تحديات تصميمية أخرى.

وبالنسبة لنظم التخزين الواسعة النطاق، يمكن للهيكلات الموزعة أن توفر مزايا الدينامية الحرارية، بدلا من تركيز جميع التخزين في موقع واحد بمسافات انتقال طويلة، فإن توزيع التخزين على نحو أقرب إلى نقاط توليد أو استهلاك يقلل من الخسائر المقاومة في نقل الطاقة، وهذا النهج يتاجر باقتصادات حجم النظم المركزية مقابل الفوائد الدينامية الحرارية الناجمة عن انخفاض مسافات نقل الطاقة.

كما يمكن أن تؤدي نظم تخزين الطاقة الهجينة التي تجمع بين تكنولوجيات التخزين المتعددة إلى تحقيق الأداء الأمثل في مجال الديناميكا الحرارية، وعلى سبيل المثال، فإن خلط البطاريات مع المكثفات الخارقة يتيح للمكثفات العظمى التعامل مع المتحولين ذوي الطاقة العالية بينما توفر البطاريات تخزينا عالي الطاقة، ويتيح تقسيم العمل لكل تكنولوجيا العمل العمل أن تعمل في نظامه الأكثر كفاءة، ويقلل من توليد النسخ عبر النظام الكامل.

التقنيات المتقدمة للإدارة الحرارية

ويمكن لاستراتيجيات الإدارة الحرارية المتطورة أن تقلل بدرجة كبيرة من توليد الطاقة في نظم تخزين الطاقة مع الحفاظ على درجات الحرارة التشغيلية المثلى، ويمكن لمواد تغيير المرحلة المدمجة في مجموعات البطاريات أن تستوعب الحرارة أثناء العمليات ذات الطاقة العالية وتطلقها خلال فترات العضلات، وتيسر تقلبات درجات الحرارة، وتخفض الحاجة إلى التبريد النشط، ويزيد هذا النهج من الحرارة المرتفعة للانتقال التدريجي لإدارة الطاقة الحرارية بأقل قدر من التغير في درجة الحرارة، مما يقلل من القدرة على التحول.

وتتيح تكنولوجيا الأنابيب الحرارية نهجا آخر للإدارة الحرارية الفعالة، ويمكن أن تنقل الأنابيب الحرارية كميات كبيرة من الطاقة الحرارية مع اختلافات في درجات الحرارة الصغيرة جدا، وأن تقترب من نقل الحرارة القابلة للعكس، وبإدماج الأنابيب الحرارية في تصميمات مجموعات البطاريات، يمكن للمهندسين أن يحافظوا على توزيع درجات الحرارة الموحدة بشكل أكثر كفاءة وأن يزيلوا حرارة النفايات بدرجة أدنى من العقوبة الحرارية.

وبالنسبة للنظم التي تولد قدرا كبيرا من حرارة النفايات، فإن الجيل المشترك أو استعادة حرارة النفايات يمكن أن تحسن الكفاءة العامة في الديناميكا الحرارية، بدلا من مجرد تبديد حرارة النفايات إلى البيئة، يمكن استخلاصها واستخدامها في تطبيقات التدفئة، وتحسين كفاءة الطاقة الكلية في النظام، وفي حين أن هذا لا يقلل من توليد النسخ داخل نظام التخزين نفسه، فإنه يضاعف العمل المفيد المستخرج من مدخلات الطاقة الإجمالية، ويقترب من الحدود النظرية التي يفرضها القانون الثاني.

تصميم العملية القابلة للتداول

وتولد العمليات القابلة للعكس الحراري حدا أدنى من الضبط وتمثل المثال المثالية التي ينبغي أن يسعى تصميم نظام تخزين الطاقة إلى تحقيقها، وفي حين أن العمليات القابلة للعكس تماما مستحيلة عمليا، فإن تصميم نظم تعمل على نحو قريب من الرجوع كلما أمكن تحقيق أقصى قدر من الكفاءة في إطار القيود القانونية الثانية.

وفي النظم الكهروكيميائية، يؤدي العمل في الكثافة الدنيا الحالية إلى الحد من الاحتمالات المفرطة وما يرتبط بها من توليد النسخ، مما يقترب من ظروف أكثر قابلية للانتكاس، غير أن ذلك يتطلب مناطق أكبر من الكهرومغناطيسية وفترات أطول، مما يدل على المفاضلة بين كفاءة الحرارة والاعتبارات العملية مثل كثافة الطاقة وحجم النظام، ويمكن أن تؤدي النظم المتقدمة لإدارة البطاريات إلى تحقيق أفضل قدر من التعبئة والتبديل في التوازنات.

إن تخزين الطاقة الحرارية الحرارية المضغطة يمثل محاولة للضغط والتوسع القابلين للعكس، بينما ينطوي التخزين الجوي المضغوط التقليدي على ضغط حساس، مما يولد حرارة كبيرة تضيع عادة للبيئة، وأثناء التوسع، تبرد الهواء بدرجة كبيرة، مما يقلل من العمل الذي يمكن استخراجه، وتحاول النظم الحرارية المحافظة على درجة الحرارة الثابتة أثناء الضغط والتوسع عن طريق التبادل المستمر للحرارة مع البيئة، مع اقتراب عملية التنفيذ.

التحليلات والتعظيمات

ويوفر تحليل الطاقة الخارجية إطارا قويا لفهم نظم تخزين الطاقة وتحقيقها الأمثل في إطار القيود القانونية الثانية، وعلى عكس الطاقة التي تُحفظ وفقا للقانون الأول لعلم الدينامية الحرارية، تمثل الطاقة الخارجية أكبر عمل مفيد يمكن الحصول عليه من نظام ما، حيث أنها تتحول إلى توازن مع بيئتها، وتدمر الطاقة من خلال عمليات لا رجعة فيها، مع معدل التدمير المفرط يتناسب بشكل مباشر مع توليد الطاقة.

ويمكن للمهندسين، من خلال إجراء تحليلات دقيقة لنظم تخزين الطاقة، أن يحددوا المكان الذي تحدث فيه أكبر أوجه عدم التنويع وأن يرتبوا أولويات جهود تحقيق الحد الأمثل، وقد يكون العنصر الذي يفصل كمية صغيرة من الطاقة ولكن بدرجة حرارة منخفضة أقل أهمية لتحقيق أقصى قدر من العناصر التي تُنقص الطاقة الكلية ولكن في درجة الحرارة العالية (الطاقة المرتفعة) وهذا المنظور القائم على الطاقة المتناهية يتوافق مع أولويات التصميم.

وبالنسبة للنظم المعقدة التي تنطوي على خطوات متعددة لتحويل الطاقة، يمكن أن يكشف تحليل الطاقة الاستيعابية عن فرص غير مقصودة للتعظيم، فعلى سبيل المثال، في نظام مكثف لتخزين الطاقة الجوية مع التخزين الحراري، قد يبين تحليل الطاقة الخارجية أن تحسين فعالية مبادلات الحرارة يوفر فائدة أكبر من الحد من خسائر الاحتكاك المضغوط، حتى وإن كانت خسائر مبادلات الحرارة أقل من منظور الطاقة النقية، وهذا يحدث لأن مبادلات الحرارة المحولة تعمل عبر فرق أكبر من حيث الحرارة.

الاعتبارات المتعلقة بالقانون الثاني

وتواجه مختلف تكنولوجيات تخزين الطاقة تحديات وفرصا فريدة تتعلق بالقيود القانونية الثانية، ففهم هذه الاعتبارات الخاصة بالتكنولوجيا يتيح استراتيجيات أكثر استهدافا لتحقيق الحد الأمثل وتوقعات أكثر واقعية في مجال الأداء.

نظم التخزين الكيميائي الإلكتروني

وتحوّل البطاريات وغيرها من أجهزة التخزين الكهروكيميائي الطاقة الكهربائية إلى الطاقة الكيميائية وتعود من خلال ردود الفعل ذات الصبغة الحمراء، ويؤثر القانون الثاني على هذه النظم من خلال عدة آليات، ويمثل احتمال الخلايا القابلة للعكس أقصى قدر من الفولط يمكن أن تعمل فيه البطارية في ظل ظروف توازن، يحدده تغير الطاقة المجاني الذي يحدثه جيبز في ردود الفعل الكهروكيميائية، ويستلزم أي تدفقاً مفرطاً يحفز على ردود الفعل بالأسعار النهائية.

ويعكس الاعتماد على درجة الحرارة في أداء البطاريات القيود الثانية في القانون، إذ تزيد درجات الحرارة من حركية التفاعل، وتخفض من القدرة المفرطة، وتحسن القدرة على توليد الطاقة، غير أن ارتفاع درجات الحرارة يعجل أيضا بآليات التحلل ويزيد من معدلات التشويش الذاتي، وكلاهما يمثلان مظاهر لزيادة توليد النسخ في درجات الحرارة المرتفعة، وتتطلب عملية البطارية الأمثل تحقيق توازن بين هذه العوامل المتنافسة في الدينامية الحرارية.

وتعطي البطاريات المتدفقة خصائص حرارية مثيرة للاهتمام مقارنة بالبطاريات التقليدية، إذ يمكن أن تؤدي هذه المرونة المعمارية إلى تحقيق أقصى قدر ممكن من الاستقرار في كل نظام فرعي، وذلك بفصل تخزين الطاقة (في صهاريج الكهروليت الخارجية) عن توليد الطاقة (في الكم الكهروكيميائي)، بينما يمكن تصميم الحمولة القصوى على مستوى عال من الكفاءة الكهربائية.

تخزين الطاقة الميكانيكية

وتفرض نظم التخزين الميكانيكية، بما في ذلك الطفافات، والهيدرو المضخة، وضغوط الهواء المضغوطة، قيوداً قانونية ثانية، وذلك أساساً من خلال الاحتكاك، والاضطرابات، وعدم انتكاسات النقل الحراري، وتخزن الطاقة الحركية في الجماهير الدوارة، مع الحد من الكفاءة عن طريق الاحتكاك وسحب الهوائيات الهوائية.

ويواجه تخزين الطاقة الكهرمائية المأهولة، وهو أكثر تكنولوجيا تخزين على نطاق الشبكة انتشارا، خسائر في الحرارة في المضخات والاضطرابات والنظم الهيدروليكية، حيث إن تدفق المياه عبر الأنابيب يولد احتكاكا ويولد الانبوب ويقلل من الكفاءة، ويخلق التذبذب في المضخات والتوربينات أوجها إضافية من عدم التنويع، ويضمن القانون الثاني أن بعض عمليات الطاقة المدورة في عام 1985 ستن.

ويطرح تخزين الطاقة الجوية المكثف تحديات معقدة للغاية، ويولد الضغط الجوي درجة حرارة كبيرة، بينما يؤدي التوسع إلى التبريد، وفي النظم التقليدية لدائرة إدارة الطاقة، تضيع الحرارة المضغوطة أمام البيئة، ويوفر الاحتراق الغازي الطبيعي الحرارة لعملية التوسع، ويحقق هذا النهج كفاءة منخفضة نسبيا في مجال الانتقال من منظور التخزين النقي، وإن كان يمكن أن يكون جذابا اقتصاديا عندما يكون الغاز الطبيعي في حالة تقدم.

تخزين الطاقة الحرارية

وتواجه نظم تخزين الطاقة الحرارية مباشرة قيوداً قانونية ثانية لأنها تخزن الطاقة كدفئة، وهي أدنى شكل من أشكال الطاقة من منظور الطاقة الخارجية، وتقتصر كفاءة استخدام الطاقة الحرارية إلى العمل على أقصى حد ممكن على كفاءة استخدام الطاقة الحرارية، الأمر الذي يتوقف على اختلاف درجة الحرارة بين مصدر الحرارة والوعة، وهذا القيد الأساسي يجعل التخزين الحراري أنسب للتطبيقات التي يكون فيها الاستخدام النهائي حرارياً وليس ميكانيكياً.

وتواجه نظم تخزين الحرارة الحساسة التي تخزن الطاقة برفع درجة حرارة المواد، توليداً متواصلاً من خلال فقدان الحرارة في البيئة، ويتوقف معدل فقدان الحرارة على الفرق في درجة الحرارة بين متوسط التخزين والمناطق المحيطة به، ونوعية العزل، وفي حين أن العزل الممتاز يمكن أن يبطئ من فقدان الحرارة، فإن القانون الثاني يكفل عدم إمكانية القضاء عليه، مما يجعل التخزين الحراري معقولاً عملياً إلى أبعد حد ممكن بالنسبة لاستخدامات التخزين القصيرة الأجل (ساع إلى أيام).

فالتخزين الحراري المكثف باستخدام مواد تغيير المرحلة يوفر بعض المزايا الدينامية الحرارية، إذ يمكن لهذه النظم، من خلال تخزين الطاقة باعتبارها حرارة متأخرة أثناء مرحلة انتقالية، أن تستوعب أو تطلق كميات كبيرة من الطاقة مع حدوث تغير طفيف في درجة الحرارة، مما يقلل من تفاوت الحرارة الذي يؤدي إلى فقدان البيئة، ويبطئ توليد الأشعة، غير أن مواد التغيير العملية كثيرا ما تظهر حالات خارقة للطبيعة، وتقييد السلوك الحراري الذي يؤدي إلى حدوث عوامل إضافية غير قابلة للانتقاص.

ويمثل تخزين الطاقة الحرارية الكيميائية نهجاً متقدماً يخزن الطاقة في ردود الفعل الكيميائية القابلة للعكس، ويمكن أن تحقق هذه النظم كثافة طاقة أعلى، ومعدلات أقل للتحلل الذاتي من التخزين الدقيق أو المتأخر للحرارة، غير أنها تواجه قيوداً قانونية ثانية خاصة بها تتعلق برد الفعل الحركي، ومتطلبات نقل الحرارة، والخواص الحرارية للردة الكيميائية التي تنطوي عليها، وتولد تفاعلات كبيرة لا رجعة فيها.

المكثفات الكهربائية والتخزين الكهربائي

ويخزن المشرفون الطاقة الكهربائية بالكهرباء المزدوجة في الوصلات الكهرومغناطيسية، وهذه الآلية قابلة للعكس إلى حد كبير، مما يتيح للمكثفات الخارقة تحقيق كفاءة ممتازة في مجال المرحلتين المستديرة تتجاوز في كثير من الأحيان 95 في المائة وتدني درجة حرارة الذات مقارنة بالبطاريات، وتنشأ القيود القانونية الرئيسية في المكثفات من مقاومة السلسلة المكافئة التي تسبب تزييف الأورام.

وتأتي عملية الاستعادة العالية لطاقات خارقة بتكلفة أقل كثافة للطاقة مقارنة بالبطاريات، وتظهر الطاقة المخزنة في نطاقات أسطوانية مع مربع الفولط، في حين أن الفولطية محدودة من خلال نافذة الاستقرار الكهروكيميائي للكهرباء، وتستلزم زيادة الفولط الكهربائيات التي لا تزال مستقرة على النطاقات المحتملة، ولكن هذه القيود الكهربية غالبا ما تكون أقل.

وتشتمل تصميمات المكثفات الخارقة الهجينة التي تتضمن ردود فعل على البطاريات مثلها إلى جانب محاولة التخزين الكهروستانتي لتحقيق كثافة طاقة أعلى مع الحفاظ على قدرة الطاقة وحياة دورة المكثفات الفائقة النقية، غير أن إدخال ردود فعل بعيدة المدى يستحدث أيضاً خصائص اللارجعة الكهروكيميائية للبطاريات، بما في ذلك العوامل المفرطة في الاحتمالات والقوانين الأبطأ التي تفرضها.

التكنولوجيات الناشئة والاتجاهات المستقبلية

ومع تقدم البحوث المتعلقة بتخزين الطاقة، لا تزال التكنولوجيات والنهج الجديدة تظهر، وكل منها يواجه علاقتها مع القيود القانونية الثانية، وفهم كيفية تطبيق هذه القيود الأساسية على مفاهيم التخزين الجديدة أمر أساسي لتقييم إمكاناتها تقييما واقعيا ولتوجيه الجهود الإنمائية نحو إيجاد حلول قابلة للاستمرار الحرارية.

البطاريات التابعة للدولة الصلبة

وتستبدل البطاريات ذات الوضع الصلب ببطاريات الكهرباء السائلة ذات الموصلات الأيونية الصلبة، التي يمكن أن تعرض سلامة محسنة وكثافة طاقة وطولية، ومن منظور القانون الثاني، تواجه البطاريات الصلبة فرصا وتحديات على السواء، ويمكن أن تظهر أجهزة الإلكتروليت الصلبة قدرة على السلوك الأيوني أعلى من السوائل في درجات الحرارة المرتفعة، مما يقلل من الخسائر في الأورامية، ويقلل من توليد الطاقة الكتروبيلية.

غير أن البطاريات ذات الصلصة تواجه أيضا تحديات فريدة في مجال الدينامية الحرارية، إذ إن الحفاظ على الاتصال الوثيق بين المواد الكهربائية والكهربائية الصلبة أمر حاسم بالنسبة للمقاومة المتدنية بين الوجوه، ولكن الضغوط الميكانيكية أثناء التدوير يمكن أن تؤدي إلى زيادة في المقاومة، وهذه العوامل المانعة الميكانيكية تؤدي إلى أداء متقلب وحط من شأن نقاط نقل الليثيوم عن طريق الكهرباء الصلبة أن تكون أبطأ من حيث السائل.

البطاريات المعدنية

وتوفر البطاريات التي تعمل بالبطارية، ولا سيما نظم الليثيوم - الهواء والزنك - الهواء، كثافة استهلاكية عالية جدا للطاقة من خلال استخدام الأكسجين من الغلاف الجوي كعامل تفاعلي، مما يزيل الحاجة إلى تخزين أحد المتفاعلين داخل البطارية، ويقلل بشكل كبير من الوزن والحجم، غير أن البطاريات التي تعمل بالطائرة المعدنية تواجه تحديات قانونية ثانية حادة حالت دون تنفيذها عمليا على الرغم من عقود من البحوث.

وتظهر ردود الفعل على خفض الأكسجين وتطور البطاريات المحتوية على طوابق متعددة، مما يولد قدرا كبيرا من الارتداد ويحد من كفاءة المرحلتين، ويستلزم تكوين منتجات تصريف صلبة (مثل أكسيد الليثيوم في البطاريات الليثيوم - الجو) عدم تجانسات إضافية تتصل بالتغذية والنمو وتفكك هذه المراحل.

تخزين الطاقة الهيدروجينية

ويشتمل تخزين الهيدروجين على تحويل الطاقة الكهربائية إلى الطاقة الكيميائية عن طريق التحلل الكهربائي للمياه، وتخزين الهيدروجين، ثم تحويله إلى الكهرباء عن طريق خلايا الوقود أو الاحتراق، ويواجه هذا النهج قيوداً قانونية ثانية متعددة في كل خطوة تحول، وتقتصر كفاءة التحلل الكهربائي على عوامل تزيد من القدرة على التفاعلات المتعلقة بالهيدروجين وتطور الأوكسجين، وتتحقق عادة كفاءة تتراوح بين 60 و80 في المائة في النظم العملية.

وتراوحت الكفاءة العامة في عمليات التخزين في المرحلتين المائتين، التي تمثل التحلل الكهربائي والتخزين وتحويل خلايا الوقود، عادة ما تتراوح بين 25 و45 في المائة - أقل بكثير من تخزين البطاريات، غير أن الهيدروجين يوفر مزايا للتخزين الطويل الأجل والتطبيقات التي لا تكفي فيها كثافة الطاقة في البطاريات، وتُعتبر القيود التي تنطوي على الحرارة أساسية، ولكن البحوث الجارية في مجال التصميمات الكهربائية المتقدمة، والمحسنة التوقيت.

ويطرح تخزين الهيدروجين نفسه تحديات في الدينامية الحرارية، ويحتاج تخزين الهيدروجين المكثف إلى طاقة للضغط، ويولد النسيج من خلال عملية الضغط التي لا رجعة فيها، ويحتاج تخزين الهيدروجين السائل إلى درجات حرارة مبردة، مع وجود حاجة إلى مدخلات طاقة مستمرة للحفاظ على هذه درجات الحرارة من التسرب الحراري من البيئة، ويستلزم تخزين الهيدروجين في المواد المعدنية في ظروف الاستيعاب الحراري الخارجي والضغط على الغدد الإضطراري.

تخزين الطاقة المسببة للسرطان

وتستعمل نظم تخزين الطاقة السائلة، مثل تخزين الطاقة الجوية السائلة، الكهرباء في الهواء المسك، وتخزنها في الصهاريج المعزولة، ثم توسع الهواء السائل من خلال التوربينات لتوليد الكهرباء، وتواجه هذه النظم قيودا قانونية ثانية كبيرة تتصل بدورة التبريد، ويستلزم الهواء السائل إزالة كميات كبيرة من الحرارة في درجات حرارة منخفضة جدا، وهي عملية باهظة التكلفة من حيث الكفاءة الحرارية وفقا للأداء الكارموني.

إن كفاءة نظام استخدام الطاقة في الأغراض الأساسية في مرحلة المرحلتين الابتدائية منخفضة نسبيا، حيث تبلغ في العادة 50-60 في المائة، بسبب العقوبات الدينامية الحرارية للتكفير عن العمل الخفي والخسائر أثناء التوسع، غير أن النظم المتقدمة التي تستعيد الطاقة الباردة وتعيد استخدامها، وتسخين الحرارة يمكن أن تحسن الكفاءة إلى 70 في المائة أو أكثر، وتدل هذه التحسينات على مدى الاهتمام الدقيق بمبادئ الحرارة وتدنية نظم اللارجعية يمكن أن تعزز الأداء.

تخزين الكوامن والمناظير

وتستكشف البحوث الناشئة تخزين الطاقة على نطاقات كمية وجزيئية، حيث قد يتطلب الإطار التقليدي الحراري الحراري تعديلا، وقد اقتُرحت البطاريات الكميّة التي تخزن الطاقة في تماسك الكمي والتشابك كميا باعتبارها تنطوي على مزايا محتملة على نظم التخزين الكلاسيكية، غير أن هذه النظم لا تزال تواجه قيودا أساسية تتصل بمكامن الحرارة الكمي، بما في ذلك القيود المفروضة على العمل القابل للاستخلاص ودور الكم.

في القياسات الجزيئية، الفرق بين التقلبات الحرارية والطاقة المفيدة يصبح غير واضح، وثانية تتجلى في طرق خفية متصلة بنظرية المعلومات وتجربة تفكير (ماكسويل) الشيطاني، ولئن كان تخزين الطاقة على نطاق جزيئي عملي لا يزال نظريا إلى حد كبير، ففهم كيف يمكن أن تطبق القيود الحرارية على هذه الجداول قد يلهم نُهجا جديدة لتصميم نظام التخزين الكلي.

الآثار الاقتصادية والبيئية

وتمتد القيود القانونية الثانية على نظم تخزين الطاقة إلى ما يتجاوز الأداء التقني لتؤثر تأثيراً عميقاً على القدرة الاقتصادية على البقاء وعلى الاستدامة البيئية، ومن الضروري فهم هذه الآثار الأوسع نطاقاً بالنسبة لصانعي السياسات والمستثمرين والمهندسين الذين يعملون على نشر تخزين الطاقة على نطاق واسع.

التكلفة المخفضة للخزن

وتمثل التكلفة المخفضة للتخزين التكلفة الإجمالية لتخزين الطاقة ونقلها على مدى عمر النظام، التي تُعبَّر عنها عادة بالدولار لكل كيلوت ساعة، وتؤثر القيود القانونية الثانية تأثيرا مباشرا على النظام عبر مسارات متعددة، إذ يجب شراء طاقة أقل من مستوى استخدامه في المرحلتين المائتين لتوفير كمية معينة من الطاقة المخزنة، وزيادة التكاليف التشغيلية، وتحد آليات التحلل التي تحركها الأجهزة من عمر النظام، وتحتاج إلى تكاليف بديلة أكثر تواترا وزيادة.

فالعلاقة بين الكفاءة والتكاليف ليست مباشرة دائما، فتحسين الكفاءة يتطلب في كثير من الأحيان مواد أكثر تكلفة، أو تصميمات أكثر تطوراً، أو أحجاماً أكبر من المكونات، ويوازن التصميم الأمثل اقتصادياً بين تكلفة تحسين الكفاءة وقيمة انخفاض الخسائر في الطاقة، ويجب أن يُعزى ذلك إلى الحدود الدينامية الحرارية الأساسية - لا يوجد مبرر اقتصادي لمحاولة تجاوز الكفاءة التي يفرضها القانون الثاني، مهما كانت الكفاءة العالية القيمة.

وبالنسبة للتخزين على نطاق الشبكة الذي يدعم تكامل الطاقة المتجددة، يمكن أن يكون للتحسينات المتواضعة في الكفاءة أثر اقتصادي كبير، إذ أن نظام التخزين الذي يدوم كل يوم 20 سنة سيكتمل أكثر من 000 7 دورة، ويترجم تحسين كفاءة المرحلتين المستديرة إلى مئات الساعات الكبرى من الخسائر المخفضة خلال عمر النظام بالنسبة لمرفق 100 ميغاواط، وهذا يمثل، في الأسعار العادية للكهرباء، ملايين الدولارات في القيمة، مما قد يبرر استثمارا إضافيا كبيرا في رأس المال في الكفاءة.

Life Cycle Environmental Impact

ويمتد الأثر البيئي لنظم تخزين الطاقة إلى ما يتجاوز كفاءتها التشغيلية بحيث تشمل التصنيع والنقل والتركيب والتخلص من النفايات في نهاية العمر، ويؤثر القيود القانونية الثانية على كل مرحلة من مراحل دورة الحياة هذه، ويستلزم تصنيع مواد البطاريات التي تستهلك الطاقة تجهيزاً دقيقاً وتنقية كيميائية، وعمليات تولد طاقة كبيرة وتستهلكها، ويضمن القانون الثاني أن بعض هذه الطاقة ستفقد على نحو لا رجعة فيه باعتبارها حرارة نفايات.

إن الكفاءة التشغيلية لنظم التخزين تؤثر مباشرة على آثارها البيئية، ويعني انخفاض الكفاءة توليد طاقة أولية أكبر من أجل توفير كمية معينة من الطاقة المخزنة، وإذا كانت هذه الطاقة الأولية تأتي من الوقود الأحفوري، فإن انخفاض كفاءة التخزين يترجم مباشرة إلى انبعاثات غازات الدفيئة المرتفعة، وحتى مع مصادر الطاقة المتجددة، فإن انخفاض الكفاءة يعني ضرورة بناء قدرة أكبر على توليد الطاقة، مما يزيد من الاحتياجات المادية والمتعلقة بالطاقة بالنسبة لنظام الطاقة العام.

إن آليات التحلل التي يقودها جيل التلقيح تؤثر على الأثر البيئي من خلال عمر النظام، إذ يجب الاستعاضة عن البطاريات التي تتحلل بسرعة أكبر، مما يزيد من عبء التصنيع وتوليد النفايات، ويضمن القانون الثاني أن بعض التدهور أمر لا مفر منه، ولكن التقليل إلى أدنى حد من توليد النسخ خلال العملية يمكن أن يمتد مدى الحياة وأن يقلل من الأثر البيئي لكل وحدة من وحدات الطاقة المخزنة على حياة النظام.

التكامل بين النظم والكفاءة على مستوى المنظومة

وعندما يدمج تخزين الطاقة في الشبكات الكهربائية، تعمل القيود القانونية الثانية على نطاقات متعددة في آن واحد، وتواجه أجهزة التخزين الفردية قيودها الحرارية، ولكن الهيكل على مستوى المنظومة يستحدث أوجها إضافية من عدم الرجعية، إذ أن معدات تحويل الطاقة والمحولات وخطوط النقل تولد جميعها نسخاً متطورة، مما يقلل من فعالية نظام التخزين الكامل الذي يقل عن أجهزة التخزين ذاتها.

فالأنماط الزمنية لعمليات التخزين تؤثر على كفاءة الحرارة، وقد يؤدي التدوير الضحلي المتكرر إلى توليد قدر أقل من التدوير في كل دورة من الدورة، غير أن الجيل التراكمي من النسخ الخليوي يعتمد على إجمالي ناتج الطاقة، ويجب أن توازن استراتيجيات الإرسال الأمثل بين احتياجات الشبكة وبين كفاءة الحرارة، مع التسليم بأن نظم التخزين التشغيلي في أكثر نقاط التشغيل كفاءة قد لا تكون متسقة دائما مع متطلبات الشبكة.

كما أن القانون الثاني يؤثر على المزيج الأمثل من تكنولوجيات التخزين في مجال نشر الشبكة، وتظهر مختلف التكنولوجيات خصائص الكفاءة بوصفها وظائف من حيث مستوى الطاقة ومدتها وتواتر التدوير، وقد تشمل حافظة تخزين الشبكة ذاتية الاستخدام الأمثل الحراري البطاريات العالية الكفاءة في التكرار، والتدوير المتكرر، والهيدرويد المضخة في التخزين الأطول مدة حيث تكون الكفاءة المنخفضة في التداول غير مجدية؛ ومعدل الاختزال في التخزين الموسمي المنخفض.

المبادئ التوجيهية للتصميم العملي وأفضل الممارسات

فترجمة الفهم النظري للقيود القانونية الثانية إلى مبادئ توجيهية عملية للتصميم تمكّن المهندسين من تطوير نظم لتخزين الطاقة تقارب الحدود الحرارية مع تلبية متطلبات العالم الحقيقي، وتشمل هذه الممارسات الفضلى اختيار المواد، وهيكل النظم، والاستراتيجيات التشغيلية، ورصد الأداء.

تصميم قابلية التنويع إلى الحد الأدنى

وينبغي تقييم كل قرار تصميمي من خلال عدسة قابلية الارتداد الحراري، وينبغي إعطاء الأولوية للمكونات والعمليات التي تولد كميات كبيرة من التلقيح، وذلك يتطلب تحديد المصادر الغالبة لللارجعة في تكنولوجيا التخزين وتطبيقها، وقد يعني ذلك بالنسبة لنظم البطاريات، التركيز على الحد من المقاومة الداخلية والتقليل إلى الحد الأمثل من حركية الكهرومغناطيس، وقد يعني بالنسبة للتخزين الميكانيكي تقليل الاحترار.

وينبغي استخدام أدوات كمية مثل تحليل الطاقة الأجنبية في وقت مبكر من عملية التصميم لتحديد أكبر الحالات التي تكون فيها أوجه عدم الرجعية، مما يحول دون إهدار المجهودات على النحو الأمثل، بحيث لا يكون لها أثر يذكر على الأداء العام الديناميكي الحراري، والهدف هو عدم القضاء على جميع أوجه عدم الرجعية - وهذا أمر مستحيل وفقا للقانون الثاني، ولكن من أجل التقليل إلى أدنى حد من أوجه عدم الرجعية التي يمكن تجنبها وضمان توزيع أوجه اللارجعية توزيعاً فعالاً.

الإدارة الحرارية كعنصر التصميم الأساسي

وينبغي معالجة الإدارة الحرارية باعتبارها عنصراً أساسياً في التصميم بدلاً من التفكير بعد ذلك، ويكفل القانون الثاني أن تولد جميع نظم تخزين الطاقة حرارة النفايات، وأن تؤثر فعالية إزالة الحرارة تأثيراً مباشراً على الأداء والكفاءة والعمر، وينبغي إدماج استراتيجيات الإدارة الحرارية في هيكل النظام منذ البداية، مع مسارات حرارية مصممة للتقليل إلى أدنى حد من درجات الحرارة وما يرتبط بها من توليد النسخ.

وبالنسبة للنظم التي تولد حرارة كبيرة، النظر فيما إذا كان استرداد حرارة النفايات ممكنا، وحتى إذا لم يكن بالإمكان تحويل الحرارة إلى الكهرباء بكفاءة بسبب قيود كارنو، فقد تكون لها قيمة بالنسبة لتطبيقات التدفئة، ويمكن لنهج الحرارة والطاقة المجمّعة أن تحسن بشكل كبير كفاءة النظام عموما، حتى لو ظلت كفاءة التخزين الكهربائي مقيدة بالحدود الدينامية الحرارية.

الاستخدام الأمثل للعمليات

إن كيفية تشغيل نظم تخزين الطاقة تؤثر تأثيرا كبيرا على توليد الطاقة وكفاءة تراكمية، إذ إن التشغيل على مستويات الطاقة المنخفضة يقلل عموما من الاحتمالات المفرطة واللارجعية، ويحسن الكفاءة الفورية، غير أنه يجب أن يكون ذلك متوازنا مع الاحتياجات العملية اللازمة لتوليد الطاقة والوقت اللازم للاستجابة لها، ويمكن أن تؤدي نظم الرقابة المتقدمة إلى الحد الأمثل في الوقت الحقيقي، وأن تكيف مستويات الطاقة استنادا إلى حالة الشحن، ودرجة الحرارة، واعتبارات الكفاءة.

وإدارة التدرج أثناء التشغيل أمر بالغ الأهمية، إذ أن التشغيل في درجات الحرارة المرتفعة قد يؤدي إلى تحسين القدرة على توليد الطاقة عن طريق تعزيز قدرات الحركية، ولكنه يؤدي أيضا إلى تسريع التدهور وزيادة التحلل الذاتي، وإلى الحد من توازن درجات الحرارة القصوى في التشغيل هذه العوامل المتنافسة وقد يختلف تبعا لدورة الاستخدام والواجب، ويمكن أن تحافظ نظم الإدارة الحرارية المتطورة على درجات حرارة مثلى عبر ظروف تشغيلية مختلفة، مع تقليل توليد النسخ المضغوطة إلى أدنى حد مع تلبية متطلبات الأداء.

الرصد والتشخيص

فالرصد المستمر للأداء الديناميكي الحراري يتيح الكشف المبكر عن التدهور والتعظيم للاستراتيجيات التنفيذية، وتشمل القياسات الرئيسية كفاءة المرحلتين، ومعدل التطهير الذاتي، والسلوك الحراري أثناء العملية، وكثيرا ما تشير حالات الانحراف عن الأداء الحراري المتوقع إلى نشوء مشاكل مثل زيادة المقاومة الداخلية، أو تدهور الكهروليت، أو اللبس الميكانيكي.

ويمكن أن يكون معدل توليد النسخ التشخيصي مقياساً تشخيصياً لصحة النظام، إذ إن زيادة توليد النسخ أثناء العملية توحي بأن هناك أوجهاً متزايدة من عدم الرجعية ستؤثر على الكفاءة وربما تشير إلى التردي المتسارع، ومن خلال رصد القياسات الحرارية إلى جانب مؤشرات الأداء التقليدية، يمكن للمشغلين تنفيذ استراتيجيات تنبؤية لمعالجة المشاكل قبل أن يتسببوا في فشل النظام.

دراسات الحالات: القيود القانونية الثانية في النظم الحقيقية

ويوضح فحص عمليات نشر محددة في العالم الحقيقي لتخزين الطاقة كيف تظهر القيود القانونية الثانية في الممارسة العملية وكيف تؤثر خيارات التصميم على الأداء الديناميكي الحراري.

Tesla Megapack Grid Storage

وتظهر نظم تخزين البطاريات ذات الحجم الكبير مثل حقيبة تيسلا ميغا كيف تقترب تكنولوجيا البطاريات الحديثة من الحدود الحرارية بينما تلبي الاحتياجات على نطاق الشبكة، وتحقق هذه النظم كفاءة في المراحل المستديرة تبلغ نحو 90 في المائة، وتعزى الخسائر أساساً إلى المقاومة الداخلية في الزنزانات، ومعدات تحويل الطاقة، ونظم المساعدة، وتتجلى القيود القانونية الثانية في متطلبات إدارة حراريات كل نظام من نظم التبريد المتطورة.

ويقلل هيكل النظام من خطوات تحويل الطاقة، حيث تُفضَّل استخدام الإلكترونيات المتكاملة للطاقة إلى أقصى حد من الكفاءة العالية، غير أن القانون الثاني يكفل عدم إمكانية تجنب بعض الخسائر، ويجب أن تتحول الكترونيات الطاقة إلى ترددات عالية لتحويلها بين العاصمة وشركة AC، وكل حدث تحويلي يولد التلقيح من خلال الخسائر المقاومة، ويُفضي التصميم إلى تغيير التواتر إلى توازن بين كفاءة الطاقة ومتطلبات التوافق الكهرومغناطيسي.

محطة تخزين مكتظة بمقاطعة باث

وتوضح محطة تخزين مضخة في مقاطعة باث في فرجينيا، وهي واحدة من أكبر مرافق المياه المضخة في العالم، القيود القانونية الثانية في مجال تخزين الطاقة الميكانيكية، حيث تُفقد المرافق نسبة تتراوح بين 75 و80 في المائة تقريبا من الطاقة المُدخلة ونسبة الارتداد الحرارية غير المُعدية، وتُحدث هذه الخسائر في المقام الأول في الأربينات التي تُولّد فيها الاضطرابات والارتفاعى الميكانيكية.

تصميم المرفق يقلل من هذه اللارجعات من خلال الهندسة الهيدروليكية المتأنية، الأنابيب ذات المقياس الكبير تخفض سرعة التدفق وما يرتبط بها من خسائر الاحتكاك، وتشتغل التربينات العالية الكفاءة بالقرب من نقاط الكفاءة المثلى عبر مجموعة من معدلات التدفق، غير أن القانون الثاني يضمن أن الكفاءة الكاملة مستحيلة - الطاقة التي تكون دائماً مبعثرة كسخونة في الماء والمكونات الميكانيكية.

Highview Power Liquid Air Energy Storage

إن مرافق تخزين الطاقة الكهربائية السائلة في الهواء السائلة في أعلى مستوى تبين كيف يمكن للتصميم المتقدم للنظام أن يخفف من القيود القانونية الثانية في التخزين المسبب للبرد، والثدييات الحرارية الأساسية للهواء المسيل، ثم التوسع في ذلك، هي عوامل صعبة بطبيعتها، مع توليد كبير للنسخ خلال العمليتين، ولكن من خلال استعادة الطاقة الباردة وإعادة استخدامها من الهواء الآخذ في التوسع والحرارة من الضغط، فإن النظام يحسن كفاءة استخدامه من حوالي 50 في المائة إلى 50 في المائة.

ويوضح هذا التحسن مبدأ رئيسيا: فبينما يحدد القانون الثاني حدودا أساسية، يمكن أن يقترب تصميم النظام بعناية من هذه الحدود بشكل أوثق، ويقلل التكامل الحراري من الاختلافات في درجات الحرارة التي يحدث فيها النقل الحراري، ويقلل من توليد الأشعة، غير أن النظام لا يزال يواجه خسائر حرارية لا يمكن تجنبها، ويستلزم إدخال تحسينات إضافية على الكفاءة نظما لإدارة حرارية أكثر تطورا وتكلفة، تصل في نهاية المطاف إلى نقطة تقلل من العائدات.

" جبهة البحوث والمسائل المفتوحة "

وعلى الرغم من البحوث الواسعة النطاق في نظم تخزين الطاقة وعلم الديناميكا الحرارية، لا تزال هناك أسئلة مفتوحة هامة بشأن كيفية معالجة قيود القانون الثانية على نحو أكثر فعالية في التكنولوجيات الجيل القادم.

الديناميكية الحرارية

ومع تقلص مواد وأجهزة تخزين الطاقة إلى الأبعاد البحرية، تثور تساؤلات حول كيفية تطبيق المبادئ الدينامية الحرارية على هذه المستويات، وتفترض الديناميات الحرارية الكلاسيكية أعدادا كبيرة من الجسيمات ودرجة حرارة محددة جيدا، ولكن النظم النانوية قد تظهر تقلبات كبيرة وآثار كمية كبيرة، وفهم كيف يمكن أن تتيح القوانين الثانية في النانودسات الجديدة لتخزين الطاقة التي تستغل التناسق الكمي أو غيرها من الظواهر غير الميسرة في المضلات.

وتشير البحوث التي أجريت في محركات الحرارة النانوية وكمية حرارة الكم إلى أنه في حين يظل القانون الثاني ساريا، فإن تطبيقه يتطلب دراسة دقيقة للمعلومات والقياس والارتداد، وقد تسترشد هذه الرؤى في نهاية المطاف بتصميم نظم تخزين الطاقة الجزيئية أو تمكّن من وضع نهج جديدة للتقليل إلى أدنى حد من توليد النسخ المضغي في المكونات النانوية لأجهزة التخزين الكلية.

إذكاء الوعي بتخزين الطاقة البيولوجية

:: تخزين النظم البيولوجية وتحويل الطاقة بكفاءة ملحوظة على الرغم من العمل في درجة الحرارة والضغط في المحيط، فالتوليف في الميتوسندرية، مثلا، يحقق كفاءة عالية من خلال التدرجات البروتونية المراقَبة والآلات الجزيئية التي تعمل بالقرب من قابلية التراجع الحراري، ففهم كيف يمكن للنظم البيولوجية أن تخفف من توليد الطاقة الاصطناعية أن يلهم نُهجا جديدة لتخزين الطاقة الاصطناعية.

غير أن النظم البيولوجية تواجه أيضا قيودا قانونية ثانية، فهي لا تحافظ على الدول ذات الصبغة المتدنية (الكائنات الحية) إلا عن طريق الاستهلاك المستمر للطاقة وتصديرها إلى محيطاتها، وقد لا تكون الدروس المستفادة من البيولوجيا انتهاكا للمبادئ الدينامية الحرارية، بل في استراتيجيات متطورة للعمل على نحو وثيق مع الظروف القابلة للعكس من خلال التنظيم الهرمي ومراقبة التغذية وآليات إعادة التأهيل الذاتي.

المعلومات وعلم الديناميات الحرارية

إن الصلة العميقة بين المعلومات وعلم الديناميكا الحرارية، التي يتجلى فيها مبدأ (لانداور) وتجربة (ماكسويل) للفكر الشيطاني، تشير إلى أن تجهيز المعلومات وإدارتها يمكن أن تؤدي دورا في تحسين نظم تخزين الطاقة، وأن النظم المتقدمة لإدارة البطاريات تستخدم بالفعل معلومات عن حالة الشحن، ودرجة الحرارة، وتدهور الأداء إلى الحد الأمثل، وقد تستغل النظم المستقبلية مبادئ المعلومات الحرارية بشكل أكثر صراحة في معالجة حدود الكفاءة الأساسية.

وتصبح تكلفة تجهيز المعلومات ذات أهمية خاصة لأن نظم التخزين تتضمن مراقبة ورصدا أكثر تطورا، ويضمن القانون الثاني أن يتطلب عصر المعلومات حدا أدنى من التشت في الطاقة، وتحتاج خوارزميات الرقابة المعقدة إلى موارد حسابية، ويظل التوازن الأمثل بين تطور السيطرة وتكاليف الطاقة في تلك المراقبة مسألة مفتوحة بالنسبة لنظم التخزين ذات الاستخدام الأمثل.

الاستنتاج: العمل في واقعة الحرارة

ويضع القانون الثاني لعلم الديناميات الحرارية قيودا أساسية لا يمكن انتهاكها على نظم تخزين الطاقة لا يمكن التغلب عليها من حيث الإبداع الهندسي، ويجب على كل تكنولوجيا تخزين أن تتنافس مع توليد الطاقة الجاهزة، والعمليات التي لا رجعة فيها، وتدهور نوعية الطاقة، وهذه القيود تتجلى على أنها قيود على الكفاءة، والتحلل الذاتي، وتدهور الحرارة، وتوليد حرارة النفايات التي تؤثر على الأداء التقني، والقدرة على البقاء اقتصاديا، والاستدامة البيئية.

غير أن فهم هذه القيود يوفر إطارا قويا لتحقيق الاستخدام الأمثل والابتكار، إذ يمكن للمطورين، من خلال تحديد المصادر المهيمنة لتوليد النسخ في تكنولوجيات تخزين محددة، أن يركزوا جهود التنمية حيث سيكون لها أكبر أثر ممكن، ومن خلال تصميم نظم تعمل على نحو قريب من قابلية التراجع الحراري، باعتبار ذلك من الاعتبارات العملية، يمكن للمطورين أن يقتربوا من حدود الكفاءة النظرية التي يفرضها القانون المادي، ومن خلال قبول بعض الخسائر التي لا يمكن تجنبها، ووضع نظم تخزين قوية تتيح إمكانية الاستي.

ولا يكمن الطريق إلى الأمام في مجال تكنولوجيا تخزين الطاقة في محاولة انتهاك المبادئ الدينامية الحرارية، بل في العمل الماهر داخلها، إذ أن المواد المتقدمة التي تقلل من المقاومة الداخلية وتعزز قابلية التفاعل للتراجع، والإدارة الحرارية المتطورة التي تقلل إلى أدنى حد من درجات الحرارة، وهيكلات النظم التي تقلل من خطوات تحويل الطاقة، والاستراتيجيات التنفيذية التي تُفضي إلى تحقيق الكفاءة عبر ظروف مختلفة - وجميع هذه النهج تقبل قيود القانون الثانية بينما تدفع إلى حدود ما هو ممكن من حرارة.

ومع انتقال نظم الطاقة العالمية إلى مصادر الطاقة المتجددة والكهرباء، سيضطلع تخزين الطاقة بدور بالغ الأهمية، وستكون تكنولوجيات التخزين التي ستخلفها هي تلك التي تحقق على نحو فعال أكبر قدر من الكفاءة الحرارية مع المتطلبات العملية للطاقة وكثافة الطاقة وعمرها وتكلفتها وسلامتها، ولا يشكل فهم القيود القانونية الثانية عائقا أمام الابتكار بل دليل على التقدم الواقعي الذي يمكن تحقيقه والذي يمكن أن يدعم مستقبلا مستداما للطاقة.

وبالنسبة للباحثين والمهندسين وصانعي السياسات العاملين في مجال تخزين الطاقة، فإن الإلمام بالحرارة أمر أساسي، حيث يوفر القانون الثاني لغة مشتركة لمقارنة التكنولوجيات المتباينة، وإطارا لتحديد الفرص المثلى، والتحقق من الواقع من مطالبات الأداء غير الواقعية، ومن خلال ترسيخ مبادئ الديناميكا الحرارية بدلا من محاربتها، يمكن لمجتمع تخزين الطاقة أن يطور حلولا ليست متطورة تقنيا فحسب، بل تستند أيضا إلى الواقع المادي.

وسيشكل مستقبل تخزين الطاقة من خلال التقدم المستمر في علوم المواد والكيمياء الكهروكيميائية والهندسة الميكانيكية وتكامل النظم، ولكن في إطار كل هذه التطورات، سيستمر القانون الثاني لعلم الحرارة في وضع القواعد الأساسية لللعب، وسيتحقق النجاح لمن يفهمون هذه القواعد بعمق ويلعبون اللعبة بمهارة أكبر، ويقتربون من الحدود النظرية وينشئون نظماً عملية تلبي احتياجات العالم الحقيقي.

والرحلة إلى الجيل القادم من نظم تخزين الطاقة هي في نهاية المطاف رحلة للعمل في إطار واقع حرمومية، معترضة للقيود الأساسية، بينما نسعى دون هوادة إلى تحقيق الحد الأمثل داخل تلك الحدود، وهذا النهج، الذي يستند إلى القانون المادي ويقوده الابتكار، يوفر أكثر الطرق واعدة نحو نظم تخزين الطاقة الفعالة والمستدامة التي يتطلبها مستقبلنا.