فهم تخزين الطاقة الحرارية الكيميائية

ويمثل تخزين الطاقة الحرارية الكيميائي تحولاً في النموذج في كيفية تخزين الطاقة وإرسالها لتطبيقات طويلة الأجل، خلافاً للبطاريات التقليدية التي تخزن الطاقة الكهربائية مباشرة، أو تخزين حراري معقول يعتمد على درجات الحرارة، فإن النظام التجاري للكهرباء يحفز ردود الفعل الكيميائية القابلة للتداول على نحو قابل للتداول عند استيعاب الطاقة الحرارية والحد الأدنى من الخسائر على مر الزمن.

ويكمن مناشدة هذه اللجنة في قدرتها على إبطال توليد الطاقة من الطلب على مدى فترات تتراوح بين أيام ومواسم كاملة، وبما أن حصة مصادر الطاقة المتجددة المتغيرة مثل الطاقة الشمسية والريح لا تزال آخذة في الازدياد، فإن الحاجة إلى تخزين الطاقة بأسعار معقولة وكثافة عالية، وتدويلها على المدى الطويل، يمكن إدماج نظم تكنولوجيا المعلومات والاتصالات في تركيز محطات الطاقة الشمسية، واستعادة حرارة النفايات الصناعية، بل وحتى مجموعات الطاقة على نطاق الشبكة، مما يتيح مساراً مرناً نحو كامل.

كيف يعمل تخزين الحرارة

ويضم نظام TCES في جوهره مفاعلا كيميائيا، ومستودعا لمتفاعلات منفصلة، وشبكة لتبادل الحرارة، حيث تؤدي الطاقة الحرارية، أثناء الشحن، إلى رد فعل ثابت على الحرارة، وكسر السندات الكيميائية، وخلق منتجات عالية الطاقة، وتخزن هذه المنتجات بصورة منفصلة إلى حين التصريف، وعندها يتم تجديدها في رد فعل ملوث بالطاقة الحرارية الخاضعة للرقابة لتوليد الحرارة في درجة حرارة مفيدة.

وتشمل أسر ردود الفعل المشتركة ما يلي:

  • Hydration/dehydration of salt hydrates] — e.g. MgSO4;7H2O ⁇ MgSO4 + 7H2O; water vapor acts as the working liquid, enabling compact storage.
  • Carbonation/calcination of metal carbonates] – e.g., CaCO3 ⁇ CaO + CO2; high-temperature reactions suitable for CSP integration.
  • Hydroxide decomposition - مثل Ca(OH)2 ⁇ CaO + H2O;متوسط درجة الحرارة (400-600 درجة مئوية) مع قابلية التراجع الممتازة.
  • Redox reactions of metal oxides — e.g., 2Co3O4 ⁇ 6CoO + O2; use air as the reactant, avoid gaseous storage issues.
  • Ammonia synthesis/decomposition] - حافزات قائمة على أساس تغذوية تمكن دورة هابر - بوش التقليدية من تخزين الطاقة.

ويوفر كل نوع من أنواع التفاعلات نطاقات حرارة متميزة، وكثافة الطاقة، وخصائص التدوير، مما يجعل اختيار المواد عاملا حاسما في التصميم.

التطورات الأخيرة في المواد والمفاعلات

Novel Salt Hydrates and Hydroxides

وقد تركزت عمليات الانجاز الأخيرة في بحوث هدرات الملح على التغلب على آليات التحلل المشتركة مثل التحلل والذوبان والتراكم، كما طور الباحثون هياكل مركبة تجسد هدرات الملح في غلاطيل الصنع المطاطية، والزلازل، والزيوليتات، وزاد الغرافيت، مما يحسن من السمية الحرارية، ويثقون بالملح في إطار مسامير ثابتة().

Metal Oxide Redox Systems

وقد اكتسبت هذه المادة زخماً لأنها تتفادى الحاجة إلى معالجة الغازات التآكلية مثل ثاني أكسيد الكربون أو H3. وأكسيد الكوبالت (Co3O4/CoO) وأكسيد المنغنيز (Mn2O3/Mn3O4) الذي يوفر عملية عالية الحرارة (800-1200 درجة مئوية) وتوافقاً ممتازاً مع أجهزة الاستلام الشمسية.

Ammonia-Based TCES

أما تركيب الأمونيا فهو أحد أكثر ردود الفعل الكيميائية نشاطاً على نطاق صناعي، حيث إن استخدامه لتخزين الطاقة ينطوي على إزالة الأمونيا إلى النيتروجين والهيدروجين (البيوتر، 400-700 درجة مئوية) ثم إعادة تركيب الأمونيا (الأشعة فوق البنفسجية) عند الحاجة إلى الطاقة، وقد أظهرت البحوث في جامعة نوتنغهام وغيرها من المواد الحفازة المتوسطة

المواد المركبة والمضافات

To tackle the poor thermal conductivity typical of solid reactants, researchers are incorporating conductive additive additives such as graphite flakes, carbon nanotubes, or metal foams. These composites not only improve heat transfer but also provide structural integrity through repeated expansion and contraction cycles. Novel synthesis routes such as sol-gel processing and freeze-casting allow the creation of hierarchical poreactive structures that maximize

مقارنة مع تكنولوجيات تخزين طويلة الأجل أخرى

البطاريات الليثيوم - الأيون

وتهيمن بطاريات الليوني على تخزين الكلفة القصيرة ولكنها تواجه قيودا اقتصادية ومادية تتجاوز 4-8 ساعات، كما أن كثافة الطاقة فيها (0.5 إلى 0.7 جي جي/م3) أقل بكثير من استخدامات TCES، ولا يمكن إهمال معدلات الحرارة البالغة 2 إلى 5 في المائة في الشهر للتخزين الموسمي، وعلاوة على ذلك، يظل تدهور البطاريات على آلاف الدورات مسألة تكلفة.

تخزين الهيدروجين المأجور

أما المياه المأهولة فهي الشاغل الحالي لتخزينها في الأجل الطويل، حيث تبلغ نسبة كفاءة المرحلتين ذهابا وإياباً وتدني التكلفة 90 في المائة، غير أن القيود الجغرافية التي تفرضها وقابلية الحد من الأثر البيئي لها، ويمكن أن يتم تحديد موقع هذه المادة في أي مكان تقريباً، وأن تكون كثافة الطاقة فيها أعلى بكثير (حتى 10 × أكبر لكل حجم من الوحدات)، وتتجنب التكاليف الهندسية المدنية الهائلة للمستودعات.

تخزين حراري ممول من الملح

وتُعد نظم الملح المتنقلة (ملح نترات) أحدث ما يُستخدم لمصانع نظام الأفضليات المعمم، وتخزين الحرارة المعقولة عند درجة حرارة 290-565 درجة مئوية. وتُصبح كثافة الطاقة فيها حوالي 0.5-0.7 جي جي جي/م3، وتزيد الخسائر الحرارية بمدة التخزين بسبب الضخ الطفيلي ومتطلبات ضخ الصهاريج.

أهم ما ينطوي عليه تخزين الطاقة الحرارية الكيميائية

كثافة الطاقة العالية والمدة الطويلة

ومع وجود كثافة استهلاكية للطاقة من 2 إلى 5 جي جي جي جي/م3 (في انتظار رد الفعل)، يمكن للدائرة أن تخزن الطاقة التي تبلغ قيمتها عدة أيام في بصمة مدمجة.

قرابة زيرو ذاتي - ديزغ

ولعل أفضل ميزة في التخزين الموسمي: فعندما تفصل المنتجات الكيميائية وتخزن في درجة حرارة المحيط، تظل الطاقة المخزنة مقفلة في السندات الكيميائية إلى أجل غير مسمى، ولا يلزم العزل الحراري أثناء التخزين، ولا يوجد استهلاك طفيلي للطاقة، مما يجعل من الأفضل للشبكة أن تلتقط الطاقة الشمسية الزائدة في الصيف لتدفئة الشتاء، أو فائض الطاقة الريحية في إرسالها لاحقا.

القابلية للتسويق والوحدة

ويمكن بناء مفاعلات TCES كوحدات نموذجية - من 100 كيلوواط متر مربع إلى 100 محطة لشبكة ميغاواط، ويمكن تكييف نفس الكيمياء حسب مختلف المستويات باستخدام حاويات التفاعل الموحدة ومكونات مناولة الغازات، وهذا النظام يقلل تكاليف التصنيع من خلال الإنتاج الجماعي وصيانة المبسّطين بالسماح بتوفير خدمات الوحدة دون إغلاق النظام.

المنافع البيئية والمتعلقة بالسلامة

ومعظم المواد المرشحة للدائرة - كربونات الكالسيوم، وأكسيد المغنيزيوم، وأكسيد المعادن - هي وفرة، وغير سمية، وإعادة تدويرها، ولا يلزم وجود عناصر أرضية نادرة أو معدن نزاعات، كما أن مخاطر الحريق أقل بكثير من مخاطر البطاريات الليثيوم، والنظم تعمل في أمان، وتحتوي على ضغوط، كما أن التخلص من الأسمدة في نهاية العمر هو التصرف مباشرة، ويمكن إعادة استخدام العديد من المواد في الأسمدة.

التحديات والاتجاهات البحثية الحالية

تدهور المواد وقابلية التنبؤ

وقد يؤدي التدوير الحراري المكرر إلى التداخل أو التكتل أو التفرقة التدريجية التي تقلل من مساحة السطح التفاعلية وتخفض كثافة الطاقة بمرور الوقت، وتتأثر الملح المهيمن بقضايا الانصهار وإعادة التطهير، في حين تعاني الكربونات من استنساخ الجسيمات بواسطة جسيمات دقيقة.

نقل النفايات وتصميم المفاعلات

وكثيرا ما تكون لمتفاعلات المرحلة الصلبة قدرة على السير الحرارية (0.1-1 W/mK)، مما يحد من معدلات نقل الحرارة أثناء الشحن والتدمير، وتشمل الاستراتيجيات مفاعلات سرير مسيلة توفر اتصالا ممتازا بالغاز - الموطن ونقلا حراريا؛ والتبادل غير المباشر للحرارة باستخدام الأنابيب المحتوية على سوائل نقل حرارية؛ ونظم سريرية متحركة تعيد تشكيل الجسيمات بين المفاعل وجهاز الميكانيكي.

مسارات خفض التكاليف

وفي الوقت الراهن، تكون نظم TCES أكثر تكلفة من ملح الطين أو تخزين البطاريات على أساس كل كيلو متر مربع، ويرجع ذلك إلى حد كبير إلى تعقيد المفاعلات وإلى التكلفة الرأسمالية لمعدات مناولة الغاز، غير أن توقعات التكاليف الواردة من الوكالة الدولية للطاقة تشير إلى أنه مع الإنتاج الجماعي لوحدات المفاعلات الموحدة، يمكن أن تصل هذه النظم إلى ٢٠-٣٠/كيلومترات بحلول ٢٠٣٠-تنافسية مع الهيدروكربون المضخ.

التكامل مع مصادر الطاقة المتجددة والمصادر المتجددة

ويتطلب ربط هذه المركبات بشبكة الكهرباء الحالية تحويلاً حراً إلى كهرباء بشكل فعال، كما أن دورات التكوّن العالي الحساس من ثاني أكسيد الكربون في برايتون ودورات البخار المتقدمة يمكن أن تحقق نسبة 50 في المائة + كفاءة في درجات الحرارة العالية المتاحة من نظم الريدوكس والأمونيا، وفي الوقت نفسه، يمكن أن تتيسر الطبيعة المتقطعة للحرارة الشمسية عن طريق ربط الـ TCES ببحوث العازلة أو بواسطة مفاعلات العاملة في الموضة.

التطبيقات والمشاريع العالمية الحقيقية

ويظهر بالفعل الانتشار التجريبي قدرة TCES على البقاء، ويستخدم مشروع TES-Box في السويد نظاماً من الهيدروكسيد المغنزييوم مدته ٥ ميغانيسو لتخزين الحرارة من محطة الكتلة الحيوية لتدفئة المناطق، وفي استراليا، حقق نموذجاً من نوع TCES يحتوي على ٨ أمونيا من قبل جامعة نيوكاسل قوة احتياطية لعملية تعدين عن بعد.

وتتحقق هذه المشاريع من التكنولوجيا الأساسية وتوفر بيانات للتوسع، كما تبرز تنوع الـ TCES: من استعادة حرارة النفايات الصناعية (حيث تكون درجات الحرارة مرتفعة جداً بالنسبة للهيدرات ولكن مثالية للأوكسيدات المعدنية) إلى الحرارة الناجمة عن العمليات الشمسية بالنسبة للصناعة الكيميائية، فإن نطاق التطبيقات لا يزال يتسع.

التوقعات المستقبلية والخاتمة

ويُفترض أن يؤدي تخزين الطاقة الحرارية الكيميائية دوراً محورياً في تحقيق إزالة كبيرة من الكربون في قطاع الطاقة، وفي حين أن تحديات هندسية كبيرة لا تزال قائمة - ولا سيما في استقرار المواد وتصميم المفاعلات وتسارع وتيرة الابتكار - مما يضيق الفجوة بين النماذج الأولية المختبرية والنشر التجاري، فإن التعاون الدولي، مثل مهمة المعهد الدولي للإحصاء 42 بشأن تخزين الحرارة الكيميائية، يتسارع في تبادل المعارف ويضع بروتوكولات اختبار موحدة.

وفي المستقبل، من المرجح أن يشهد العقد القادم أول مصانع متعددة ساعات للشبكة تيس (TCES) ترتبط بالشبكات الوطنية، مدفوعاً بنقصان تكاليف الكهرباء المتجددة وتزايد الطلب على الطاقة النظيفة الموثوقة والممكنة الإيصال، وقد تصبح هذه النباتات العمود الفقري للهياكل الأساسية الطويلة الأجل للتخزين، وتكمل البطاريات اللازمة لموازنة الطاقة الكهربائية القصيرة الأجل والمضخة من أجل الجدوى الجيولوجية.

In summary, advances in thermochemical energy storage are not just incremental improvements—they represent a fundamental shift toward chemically-based, long-duration power supply that can bridge the gaps between generation and demand on timescales that matter for a fully renewable grid.