أغرب من الخيال #5: كيف غيرت البطاريات الرملية مشهد تخزين الطاقة في المناخات الجليدية 

تقدم Polar Night Energy، الشركة الفنلندية التي ابتكرت البطارية الرملية، أسلوبًا مبتكرًا لتخزين الطاقة الحرارية ذات درجات الحرارة العالية. إن هذه البطارية الأعجوبة تستخدم الرمل أو مواد مماثلة كوسيلة لتخزين الطاقة على شكل حرارة، حيث الهدف الأساسي من ورائها هو أن يتم استخدامها بمثابة خزانات عالية السعة لفوائض الطاقة الشمسية وطاقة الريح. ومن خلال تخزين هذا الفائض في صورة حرارة، تتنوع التطبيقات المحتملة لهذه التكنولوجيا، بما في ذلك تدفئة المنازل، وتوليد البخار، وتغذية العمليات ذات درجات الحرارة المرتفعة في الصناعات التي تعتمد تقليديًا على الوقود الأحفوري.

ويطمح المؤسسان، تومي إيرونين وماركو إيلونين، إلى الدفع بالتحول نحو الطاقة المتجددة. وفي الوقت الحاضر، تمثل الطبيعة المتقطعة لمصادر الطاقة المتجددة تحديات لشبكات الطاقة، كما أن طرق التخزين التقليدية مكلفة ومحدودة من حيث الأداء. وتوفر البطاريات الرملية حلًا واعدًا، مما يسمح بزيادة إنتاج الطاقة المتجددة بشكل فعال، والذي يضمن إمدادات ثابتة من الطاقة النظيفة.

وتقع أول بطارية رملية تجارية في العالم في مدينة كانكانبا الفنلندية، والتي تتصل بشبكة التدفئة بالمنطقة، مما يوفر الدفء للمباني السكنية والتجارية وحتى حمام السباحة التابع للبلدية. وقد اكتسب مصطلح "بطارية الرمل" اعترافًا واسع النطاق من خلال قصة إخبارية نشرتها هيئة الإذاعة البريطانية (BBC) في يوليو 2022. وحتى الآن، فما زالت بطاريات الرمل غير متوفرة للمنازل السكنية واستخدامات الأفراد.  

كيف تعمل البطاريات الرملية

تشتمل بطارية الرمل على غلاف إيواء فولاذي معزول، يحتوي على الرمل وأنابيب نقل الحرارة. وتعمل المكونات الخارجية، بما في ذلك أنظمة التشغيل الآلي والصمامات والمروحة والمبادل الحراري أو مولد البخار، على تسهيل العملية. ويتم شحن هذه البطاريات باستخدام الكهرباء من الشبكة أو من مصادر محلية، والتي غالبًا ما تنبع من مصادر متغيرة مثل: طاقة الرياح أو الطاقة الشمسية. ويتم توجيه الطاقة الكهربائية إلى مخزن الحرارة من خلال نظام أنابيب الهواء ذات الحلقة المغلقة، حيث تقوم عناصر التسخين الكهربائية المقاومة بتسخين الهواء الدائر خلال أنابيب نقل الحرارة.

وفي مدينة كانكانبا، يمكن أن تصل درجة حرارة الرمال الى 600 درجة مئوية فما فوق، حيث تعتمد درجة الحرارة على المتطلبات الخاصة بالاستخدامات المختلفة. ومن الجدير بالذكر أن العامل الأهم في تحديد درجة الحرارة القصوى لهذه البطاريات هو المقاومة الحرارية لمواد البناء ومواد التحكم - وليس خصائص الرمال كوسيلة للتخزين الحراري.

ولإطلاق الحرارة المخزنة، يتم نفخ الهواء البارد عبر الأنابيب، ثم يتم تسخينه تدريجيًا أثناء مروره عبر مخزن الرمال. ويمكن استخدام الهواء الساخن الناتج لتحويل الماء إلى بخار يستخدم للعمليات الصناعية أو لتسخين مياه التدفئة باستخدام مبدل حراري من هواء إلى ماء.

مميزات الرمل

يعتبر الرمل بالذات مناسبًا لهذا النوع من التطبيقات حيث يمكنه تحمل درجات حرارة تتجاوز بكثير نقطة غليان الماء. كما يمكنه تخزين طاقة أكثر من خزان مياه ذو حجم مماثل، وذلك بسبب النطاق الحراري الواسع الذي يمكن لهذا الرمل تحمله. وبالإضافة إلى قدرات تخزين الطاقة، يوفر الرمل ميزات الكفاءة المساحية وتعدد الاستخدامات في التطبيقات الصناعية.

إن حجم حبيبات الرمال ليس عاملًا حاسمًا، حيث أن تخزين الحرارة لا يعتمد على حجم حبيبات الرمل. وتقوم شركة Polar Night Energy باختيار الرمال عالية الكثافة ومنخفضة التكلفة التي لا تستنزف الموارد النادرة، وهي تركز على استخدام المواد التي لا تناسب صناعة البناء والتشييد.

ثمة ميزة أخرى مقنعة للرمال ألا وهي قدرتها على الاحتفاظ بالحرارة لفترات طويلة. وتخضع بطاريات مدينة كانكانبا لدورات شحن مدتها أسبوعين تقريبًا، حيث تفيد الشركة بأن تخزين الحرارة يعمل على النحو الأمثل عند شحنه وتفريغه لعدد يتراوح ما بين 20 إلى 200 مرة في السنة.

علامة فارقة للطاقة المتجددة

على الرغم من أن مفهوم تسخين الرمال لتخزين الطاقة ليس جديدًا، إلا أن النموذج المبتكر لشركة Polar Night Energy يسمح بتطبيقات تخزين الحرارة على نطاق واسع، حيث يمهد هذا الابتكار الطريق لتسويق البطاريات الرملية، مع وجود عملاء من مختلف القطاعات، بما في ذلك مرافق الطاقة، ومشغلي العقارات السكنية والتجارية، وشركات الأغذية والمشروبات، والصناعات الكيميائية والصيدلانية، وصناعات إنتاج المعادن، وغيرها.

وحتى في فصول الشتاء القارسة في فنلندا، تعمل بطارية الرمل بكفاءة، وتحافظ على درجة حرارة داخلية تبلغ 600 درجة مئوية وذلك بسبب نظم العزل الحراري الفائقة المستخدمة في هذه البطاريات. وعند شحنها بالكامل، يمكن للبطارية تخزين ما يصل إلى 8 ميجاوات في الساعة من الطاقة الحرارية، وتكون قادرة على تفريغ حوالي 200 كيلووات من الطاقة من خلال أنابيب التبادل الحراري. وهذا الناتج يكفي لتوفير الماء الساخن والتدفئة لنحو 100 منزل وحمام سباحة. وفي كانكانبا، تعمل البطارية الرملية على دعم الطاقة المستمدة من الشبكة الكهربائية، حيث يتم الشحن عادةً خارج ساعات الذروة عندما تكون أسعار الكهرباء أقل.

وتعمل البطاريات الرملية على سد فجوة مهمة في مجال الطاقة المتجددة من خلال توفير حل لا يتطلب الكثير من الصيانة الدورية ويعتمد على الرمال ذات الجودة المنخفضة، وبالتالي فإنه لا يسهم في زيادة الطلب العالمي على رمال الأنهار عالية الجودة (والمستخدمة في مجال الإلكترونيات). وعلاوة على ذلك، فإن مكونات البطارية الرملية لا تعاني كثيرًا من التآكل، حيث أن المروحة هي الجزء المتحرك الوحيد ويمكن استبدالها بسهولة. وإلى جانب كفاءته، يتميز الرمل بعمر افتراضي طويل بشكل ملحوظ، مما يوفر حل تخزين مستدام للطاقة المتجددة.