Table of Contents
الدور الحاسم لخزن الطاقة الحرارية في محطات الطاقة الشمسية الحديثة المركزة
وتمثل محطات الطاقة الشمسية المركزة أحد أكثر أشكال توليد الطاقة المتجددة تعقيداً وقابلية للتشغيل، وخلافاً لنظم الطاقة الفلكية التي تحول ضوء الشمس مباشرة إلى الكهرباء، تستخدم محطات الطاقة المتطورة المرايا أو العدسات لتركيز ضوء الشمس على جهاز استقبال، مما يولد حرارة عالية الحرارة تدفع إلى محرك طاقة كهرباء تقليدي، وهذا المسار الحراري يفتح الباب أمام مزية قوية:
ما هو تخزين الطاقة الحرارية ولماذا يهم؟
ويلتقط تخزين الطاقة الحرارية طاقة حرارية زائدة تنتج خلال فترات الإشعاع الشمسي العالي ويحملها للاستخدام في وقت لاحق، وفي سياق نظام الأفضليات المعمم، يمكن الاعتماد على هذه الحرارة المخزنة لتوليد البخار والارتطام لساعات بعد أن تشرق الشمس أو أثناء الغطاء الغيومي المتقطع، والمبدأ الأساسي بسيط: تحويل ضوء الشمس إلى حرارة، وتخزين الحرارة في وسط يحتوي على طاقة حرارية عالية، وفقدان منخفض.
ولا تتسع أهمية هذه الدراسة إلا بقدر أكبر من مجرد الملاءمة، فبدون تخزينها، لا تعمل محطة تابعة لنظام الأفضليات المعمم إلا عندما تشرق الشمس من ٠٠٠ ٢ إلى ٥٠٠ ٢ ساعة من مجموع ساعات الحمل الكامل في السنة، حيث يمكن أن يزيد هذا الرقم عن الضعف، ليصل إلى ٠٠٠ ٥ ساعة و ٠٠٠ ٦ ساعة، مما يؤدي إلى تخفيض جذري في تكلفة الكهرباء المرتدة وجعل نظام الأفضليات المعمم قادرة على المنافسة مع محطات الذروة التي تعمل بنظام الأفضليات والكهرباء.
Leading CSP projects around the world, such as the Noor Ouarzazate complex in Morocco] and the ] Crescent Dunes plant in Nevada], demonstrate the real-world potential of TES. These facilities incorporate molten summer salt storage that allows them to generate power well into the night,
How TES Improves CSP Efficiency: A Multidimensional Advantage
ولا تقتصر المكاسب الناتجة عن تحقيق الكفاءة من إدماج نظام المعلومات التقنية في نظام الأفضليات المعمم على مجرد إدارة التربينات لفترة أطول، بل تتلاشى في المجالات الحرارية والكهربائية والاقتصادية، كما أن الآليات الرئيسية التي تعزز من خلالها الدراسة الاستقصائية عن بعد أداء النباتات عموما.
مولد الطاقة الموسع ومصانع القدرات
وأكثر الفوائد وضوحا هي القدرة على إنتاج الكهرباء بعد ساعات النهار، إذ يمكن لمصنع CSP الذي يتراوح بين 8 و12 ساعة من الملح المغنطيسي أن يحقق عاملا في القدرة يتراوح بين 50 و70 في المائة، مقارنة بنسبة 20 إلى 25 في المائة دون تخزين، وهذا الجيل الموسّع يعني نفس المجال الشمسي وجمود الطاقة ينتج ساعات إضافية سنويا، وينشر تكاليف رأسمالية ثابتة على ناتج طاقة أكبر ويخفض مستوى إنتاج الطاقة.
الاستقرار والتشريد
وتحتاج شبكات الكهرباء إلى توازن ثابت بين العرض والطلب، فالموارد الشمسية والريحية متغيرة، ولكن يمكن إرسالها إلى أجهزة التحكم في الطاقة، ويمكن لمشغلي النباتات تخزين الحرارة خلال اليوم، والاحتفاظ بها، وإطلاقها خلال ذروة المساء عندما تكون أسعار الكهرباء أعلى، وهذا القابلية للإرسال يقلل من الحاجة إلى محطات توليد الغاز الطبيعي ويساعد مشغلي الشبكات على إدارة أحداث التصادم.
تحسين استخدام الحرارة والحد من الخسائر الموازية
وفي محطة تابعة لبرنامج دعم البرامجيات بدون تخزين، يجب أن تُعمم الكتلة الكهربائية بالضبط على الناتج الحراري الأقصى من ميدان الطاقة الشمسية، وهذا يعني في كثير من الأحيان أن التربين يُشغل جزئياً أثناء الصباح أو بعد الظهر، مما يقلل من الكفاءة، كما أن هذه المادة تعمل كعازف حراري يسمح بتمديد الحقل الشمسي مقارنة بالتربين، ويمكن أن تعمل التربين بعد ذلك في نقطة تصميمها لتصل إلى ساعات أطول في اليوم.
خفض التكاليف من خلال تحسين التكامل
كما أن نظام TES يقلل من تكلفة المعدات في المجرى السفلي، لأن كتلة الطاقة يمكن أن تكون أصغر حجماً من الميدان الشمسي، وأن النفقات الرأسمالية على التوربينات والمولدات ونظم التبريد تنخفض، وأن متوسط التخزين نفسه يُستخدم في شكل مصانع مُستنَفَة بشكل ثابت، غير مكلف نسبياً (حوالي 25 إلى 50 دولاراً لكل حراري، مما يجعله وسيلة فعالة من حيث التكلفة لتخزين كميات كبيرة من الطاقة على مدى الحياة.
تعزيز المرونة في تصميم النباتات
ويمكن تركيب محطات نظام الأفضليات المعمم، مع نظام TES، لتلبية احتياجات متنوعة من الشبكة، مثلاً يمكن تصميم مصنع لتوفير الطاقة الأساسية (بـ 12 ساعة من التخزين) أو للعمل كمحطة ذروة لا تتجاوز 4-6 ساعات من التخزين، وهذه الوحدة تتيح للمطورين تصميم مشاريع للموارد الشمسية المحلية، وهياكل سوق الكهرباء، واحتياجات المرافق، كما أنها تتيح تكوين صور متحركة ذات متجددات كبيرة.
أنواع تكنولوجيات تخزين الطاقة الحرارية
ولا توجد جميع نظم الحيز المائي المتطور المتطور، إذ يعتمد اختيار تكنولوجيا التخزين على درجة الحرارة ومدة التخزين والتكلفة والتوافق مع دورة الطاقة، أما الفئات الرئيسية الثلاث المستخدمة في نظام الأفضليات المعمم فهي تخزين حراري معقول، وتخزين حراري متأخر، وتخزين حراري، وتخزين حراري قابل للحساسية، ولا سيما مع الملح المخفف، فهي تهيمن حاليا على منشآت تجارية.
تخزين الحرارة المعقولة
وتعتمد التخزين الحراري المعقول على رفع درجة الحرارة في وسط دون تغيير في المرحلة، وأكثر المواد شيوعاً هو خليط من نترات الصوديوم بنسبة 60 في المائة، و40 في المائة من نترات البوتاسيوم، والمعروفة باسم " الملح السول " ، وهذه الملحات سائلة فوق 220 درجة مئوية، ومستقرة حتى 565 درجة مئوية، مما يجعلها مثالية للربط مع دورات البخار المسخنة.
كما يجري استكشاف التخزين المعقول الذي تستخدمه الدول الصلبة باستخدام السيراميات أو الخرسانة أو الصخور من أجل تطبيقات أقل درجة من الحرارة، وفي حين أن وسائل الإعلام الصلبة أقل تكلفة من الملح المبلط، فإنها تعاني من انخفاض معدلات نقل الحرارة وارتفاع درجات الحرارة، مما يمكن أن يقلل من كفاءة الدورة. ومع ذلك، فإن البحوث مستمرة في مؤسسات مثل مكتب تكنولوجيات الطاقة الشمسية التابع لوزارة الطاقة في الولايات المتحدة.
تخزين حروف القلب
ويستغل تخزين الحرارة في المجرى المائي نتاجاً للتحول التدريجي - الذوبان أو الترسيب - لتخزين كميات كبيرة من الطاقة بدرجة حرارة ثابتة تقريباً، كما أن مواد تغيير المرحلة مثل الملح المميت، والمعادن، والمخاليط الرحمية يمكن أن تخزن ما يتراوح بين 5 و10 أضعاف الطاقة لكل كيلوغرام من التخزين المعقول على نطاق ضيق من درجات الحرارة.
تخزين حراري
والتخزين الحراري ينطوي على ردود فعل كيميائية قابلة للتداول تستوعب الحرارة أثناء رد الفعل الأمامي في الغدد الدهونية وتطلقها أثناء رد الفعل العكسي المفرط، وتشمل الأمثلة على ذلك وجود دورات خامية للأوكسيد المعدني (مثل أكسيد الكوبالت وأكسيد المنغنيز) وكمية التحلل/الهيدولوجية للأملاح، وهي تمثل أعلى مستويات كثافة في الطاقة - 100-200 كيلوواط
دمج نظام TES مع هيكليات النباتات التابع للجنة الفرعية المعنية بالسلامة الكيميائية
ولا تحدد كفاءة استخدام الطاقة الكهربائية والإلكترونية فقط بمتوسط التخزين؛ كما أنها تتوقف على كيفية دمج نظام التخزين مع ميدان الطاقة الشمسية وقطع الكهرباء؛ وتهيمن على التكنولوجيات التجارية الرئيسية لنظام الأفضليات المعمورة: الطفرة الشاذة وبرج الطاقة الشمسية، ويفرض كل منها قيودا مختلفة على تصميم نظم الطاقة التقليدية.
النباتات القاحلة الشاذة
وتستخدم نظم التروس المظلوم المشغولة المرايا الطويلة والمنحرفة لتركيز ضوء الشمس على أنبوب استقبال يحتوي على سوائل نقل حراري، وهو عادة زيت اصطناعي، ويصل النفط إلى نحو 390 درجة مئوية ويتدفق إلى مجموعة من مبادلات الحرارة لتوليد البخار، ويضاف إلى ذلك ثغرة ملح من الدرجة الثانية.
محطات برج الطاقة الشمسية
وتستخدم نظم البرج ميداناً من البيوت الهايليوتات يعكس ضوء الشمس إلى برج مركزي، ويمكن للمستقبل أن يزيل الملح المخفف مباشرة إلى ٥٦٥ درجة مئوية، ويلغي الحاجة إلى قوة عاملة متوسطة الحجم، ويزيد كفاءة هذا التخزين المباشر لأن الملح نفسه يعمل كسائل نقل حراري ووسيلة تخزين، كما أن تدفقات الملح الساخن من جهاز الاستلام مباشرة إلى خزان تخزين ساخن، وعند الحاجة، يبلغ عدد المولدات الكهربائية العالية الكفاءة ١٥٠٪.
خطية النفق و الزعلان
أما مفكرو النفقات المتوازية فهي تكنولوجيا من تكنولوجيا نظام الأفضليات المعمم التي تستخدم مرايا مسطحة أو شبه مسطحة لتركيز ضوء الشمس على جهاز استقبال خطي، وهي أقل كفاءة من الطحالب ولكنها أرخص لبناء، أما التكامل بين النظم الاقتصادية الخماسية فيمكن أن يحد منها بدرجة حرارة التشغيل المنخفضة نسبيا )حوالي ٠٧٢ درجة مئوية(.
Economic and Environmental Impacts of TES in CSP
فإضافة هذه الدراسة تحول اقتصاديات برنامج دعم البرامج القطرية. فبينما تزيد التكاليف الرأسمالية الأولية بنسبة ٣٠-٦٠ في المائة، فإن الزيادة في الإنتاج السنوي للطاقة كثيرا ما تسفر عن انخفاض مستوى إنتاج الطاقة. وقد حدد برنامج وزارة الطاقة في الولايات المتحدة هدفا قدره ٠,٥ دولار كحولي لبرنامج دعم البرامجيات مع تخزينها بحلول عام ٢٠٣٠، ويعتقد العديد من المحللين أن هذا البرنامج قابل للتحقيق مع تصميمات المتقدمة في مجال الطاقة ومصانع أكبر.
ومن الناحية البيئية، توفر الخطة الاستراتيجية مع TES مزايا فريدة على مصادر الطاقة المتجددة الأخرى، لأنها يمكن أن توفر طاقة ثابتة وقابلة للإرسال، ويمكنها أن تزيل محطات الوقود الأحفوري التي ستدار في فترات الذروة المسائية، كما أن انبعاثات غازات الدفيئة في دورة الحياة في CSP مع تخزين الملح المميتة تبلغ نحو 10-20 غرام من ثاني أكسيد الكربون/كيلوواط، مقارنة بـ 400 + غرام/كيلوواط بالنسبة للغاز الطبيعي و800+ غرام/كيلوواط بالنسبة للزيادة في استهلاك الفحم.
الاتجاهات المستقبلية والابتكارات الناشئة
فالبحوث تضغط على مادة TES إلى ما يتجاوز حدود تكنولوجيا الملح المتحركة الحالية، ويمكن أن يتيح تخزينها في مراحل عالية باستخدام المعادن السائلة (السوديوم أو الرصاص) أو السيراميات المتقدمة تشغيل محطات نظام الأفضليات المعمم عند أعلى من 800 درجة مئوية، مما يتيح لبرايتون دورات مع توربينات الغازات لتحقيق الكفاءة تتجاوز 50 في المائة، وينشط برنامج النظام المركزي في الولايات المتحدة في تطوير أجهزة استقبال وخزن متوسطة قائمة على الجسيمات.
وثمة سبيل واعد آخر هو تطهير نظام الأفضليات المعمم من تكنولوجيات التخزين الأخرى، ومن ذلك مثلاً أن إدماج مادة TES مع بطاريات الليثيوم -يون يمكن أن يوفر قدرات عالية (بطارية) وطويلة الأجل على حد سواء، وكذلك أن دورات تخزين الطاقة إلى الطاقة الكهربائية تستخدم تخزيناً حرارياً رخيصاً لدعم منشآت كبيرة من المواد الفولطية يجري استكشافها من أجل تجديد شبكات الكهرباء.
خاتمة
إن تخزين الطاقة الحرارية ليس مجرد إضافة إلى محطات الطاقة الشمسية المركزة؛ بل هو تكنولوجيا تحويلية تفكك كامل إمكانات الطاقة الحرارية الشمسية، وتسمح بتوليد الطاقة المتجددة، وقابلية الوزع على الشبكة، وتزيد الكفاءة الحرارية، وترفع الدائرة من مصدر متقطع إلى مصدر موثوق به ذي قدرة أساسية، وتزيد من سرعة استخدام المواد الأساسية، وتزيد من سرعة استخدام الطاقة الكهربائية، وتزيد من سرعة استخدام الطاقة الكهربائية، وتزيد من سرعة استخدام الطاقة.