الوسم: الطاقة

مع الدعوات والالتزامات للحكومات في العالم لاسيما داخل الاتحاد الأوروبي لتقليل الاعتماد على مصادر الطاقة القائمة على الوقود الأحفوري، بل ذهب الحديث إلى الإنتهاء منها بحلول عام 2030 لبعض الدول. دعت الحاجة المتنامية لمصادر طاقة بديلة مُتجددة أقل تلوثًا تحمي البيئة، وتتسم بالتوفير الاقتصادي لتزود العالم بمخزون كافي من الطاقة. إلا أنَّ الإشكالية لا تكمن بعملية إنتاج الطاقة وحسب، وإنما بتخزينها أيضًا، وذلك يرجع لواحدة من أهم مشكلات بدائل الوقود الأحفوري التي يواجهها العالم اليوم متمثلة بالكفاءة، والاستدامة الموسمية، إلى جانب عدم القدرة على توقع كمية الطاقة الممكن إنتاجها منها في مختلف المواسم، وبالتالي ضمان وفرتها وتخزينها بشكل دوري موسمي.

فكما نعلم الطاقة بشكلٍ عام، والكهربائية بشكلٍ خاص، العِماد الأساسي لضمان التقدم والرخاء الاقتصادي والحضاري للعالم. وذلك يتم عبر الإدارة والتحكم بتوزيع الطاقة على نطاق صناعي من جهة، وتلبية الحاجة للطاقة التي تعتبر متغيرة باختلاف المنشآت؛ والمراكز من جهة أخرى. مما يُعرف حاليًا أن طرق تخزين الطاقة الكهربائية محدودة للغاية ولا تلبي الحد المطلوب؛ لذا إتجهت الأبحاث المختصة لدراسة كيفية تخزين كميات عالية من الطاقة بصورتها البكر.
يكون بالإمكان حفظ الطاقة قرب مراكز توليدها أو نقاط الاستهلاك الأقرب لها؛ مثال لذلك تخزين الطاقة الحرارية باستخدام الملح الذائب.[١]

موجز تاريخي لتقنية الملح الذائب:

يعود أول استخدام لتقنية الملح الذائب إلى عام ١٩٥٠، عندما بدأ مختبر أوك ريدج الوطني في الولايات المتحدة (ORNL) بتطوير واختبار لمركبة مزودة بمحرك يعمل بالوقود النووي باستخدام تقنية الملح الذائب.
وبحلول عام ١٩٥٤، نقلت أورنل تركيز أبحاثها من محركات الوقود النووي إلى المفاعلات النووية، وذلك حصيلة تجارب أظهرت ثبات الأملاح الذائبة وعدم تحللها حين تعرضها للحرارة العالية الناتجة من المفاعلات النووية.
في ذلك الوقت، كانت هيئة الطاقة الذرية الأميركية (AEC) مهتمة أكثر بدراسة مفاعلات توليد الذرات القابلة للانشطار، ولهذا قامت أورنل بتطوير مفاعل توليد ذرات باستخدام الملح ذائب في الستينات. لسوء حظ أورنل المشروع كان ينافس مشروع آخر كانت هيئة الطاقة مهتمة أكثر بتطويره، مما أدى إلى تضارب بأحقية الدعم لمشروع الملح الذائب، مقررة بذلك هيئة الطاقة بدعم المشروع الآخر، موقفة العمل بمشروع مفاعل الملح الذائب. وبهذا أقفل ملف أبحاث مفاعلات الملح الذائب برفع آخر تقرير بالمشروع عام ١٩٧٦.

غير أن جهود باحثي أورنل لم يذهب سدى، فقد تم افتتاح أول محطة توليد طاقة شمسية استخدمت تقنية الملح الذائب لحفظ الطاقة عام ١٩٩٣ في كاليفورنيا. المحطة مصممة لتخزين ١٠ ميجا واط من الكهرباء خلال ساعة واحدة، استخدمت فيها مرايا عديدة لتوجيه أشعة الشمس نحو البرج المركزي. هذه الأبراج تعمل على امتصاص الأشعة الموجهة إليها لترفع من درجة حرارة الملح وتحفظ الطاقة في الملح بصورة حرارة.
بحلول عام ١٩٩٩، أُغلقت المحطة نتيجة لحاجتها لصيانة ذات تقنية عالية ومتتالية لم تكن متوفرة آنذاك.
نشرت أورنل بعدها مباشرة تقرير مختصر في عام ٢٠٠٠، وألحقته بتقرير مفصل في عام ٢٠٠٢ يوثق البحث كامل في هذا المشروع مما فتح الباب لإعطاء التقنية فرصة أكبر في السوق، لتنتشر على نطاق تجاري أوسع عالميًا. [2]


مبادئ تخزين الطاقة حراريًا في تقنية الملح الذائب:

هنالك صورتان لتخزين الطاقة حراريًا: حرارة محسوسة، أو حرارة كامنة.

الطاقة الحرارية المحسوسة تعتمد تخزين الطاقة الحرارية بطور واحد، بحيث تكون درجة حرارة المادة تتفاوت مع كمية الطاقة المخزونة. معادلة تدفق الحرارة من الحار الى البارد تحقق هذا بالصورة التالية:
Q = m C ΔT
بحيث m تعبر عن الكتلة، و C الحرارة النوعية، و ΔT الفرق في درجات الحرارة.
ينبغي الإشارة إلى أنه يشترط في هذه العملية عزل النظام لإبقاء تدرج درجات الحرارة لأجل خزن الطاقة.

إن أخذنا الماء كمثال، نستطيع القول بأنه يعتبر وسيط مثالي في درجات الحرارة المنخفضة التي تتراوح بين (°90 – 25)، وذلك بسبب الحرارة النوعية لجزيئاته المرتفعة نسبيًا(kJ/kg°C)4.2، بالإضافة لسهولة الحصول عليه.
من جهة أخرى، الحرارة الكامنة تُحفظ باستخدام مواد متغيرة الطور، والتي تستفيد من الحرارة الكامنة النوعية (L) الناتجة من تغير الحالة للمادة:
Q = m C ΔT + m L
المواد متغيرة الطور ممتازة بسبب كثافة تخزينها العالي للطاقة، الماء مثلًا لديه حرارة انصهار أكبر ب ٨٠ مرة من الحرارة المتطلبة لرفع درجة حرارة ١ كجم من الماء درجة مئوية واحدة.[3-4-5]

الأملاح الذائبة:

لدى الأملاح الذائبة خواص تجعلها مؤهلة لتكون وسيط ممتاز لحفظ الطاقة على نطاق واسع في المحطات الكبيرة، مثلًا:
درجة غليانها عالية، ومنخفضة اللزوجة، وضغط تبخرها منخفض، وسعة حرارتها الحجمية عالية؛ فكلما كانت سعة الحرارة الحجمية عالية، كانت مناسبة أكثر لتُحفظ في خزانات بأحجام أقل.

الأملاح المستخدمة في تقنية تخزين الطاقة حراريًا، مثل: نترات الصوديوم والبوتاسيوم،  لديها درجات ذوبان تتراوح بين 300-500°C، وسعة حرارية حجمية تترواح بين 1670 – 3770 kJ/m3°C، ولهذا خليط الملح المستخدم في محطات توليد الطاقة الشمسية المسمى تجاريًا ب “HITEC” يتكون من نترات البوتاسيوم 53%؛ ونترات الصوديوم 40%؛ ونتريت الصوديوم 7%، بدرجة حرارة بالحالة السائلة تتراوح بين 149 – 538°C.
يتم تسخين هذه الأملاح وحفظها في خزانات معزولة خارج أوقات الذروة، وعند الاحتياج يضخ الملح الذائب إلى مولد البخار لاستخدام الحرارة بتوليد الكهرباء.[3-5-6]

تخزين الطاقة في محطات الخلايا الشمسية:

محطات توليد الطاقة باستخدام الخلايا الشمسية ( CSP) تستخدم تقنية التخزين الحرارية و التي تتكون من عاكسات ذات قطوع مخروطية، أو مرايا تتبع للشمس، والتي بدورها تعمل على توجيه أشعة الشمس إلى البرج المستقبل المزود بأنابيب ذات نقاط بؤرية بحيث تنتقل الحرارة عبر مائع وسيط (الملح الذائب)، ومنها المائع ينتقل إلى المبادل الحراري ناقلًا الطاقة إلى الماء المستخدم لإدارة المولد الحراري ليولد الكهرباء.

إن تمعنا في البنى المستخدمة للتخزين، سنجد أن هنالك بنيتان أساسيتان مستخدمتان في منظومة تخزين الطاقة بالأملاح الذائبة، وهما:
بنية الخزانين المزدوجين: يستخدم الملح الذائب كمائع ناقل للحرارة عبر امتصاص الحرارة من المفاعل او المبادل الحراري، وكوسيط تخزين الطاقة الأساسي مستخدم الخزانين معًا الحار والبارد.
خزان آحادي: يُستخدم خزان واحد بحيث يبقي الملح الحار والبارد منفصلين باستخدام فاصل حراري. بحيث يتدفق الملح من الجانب البارد للخزان، ليتم تسخينه، ومن ثم يتدفق إلى الجانب الساخن من الخزان، ليُضخ خارجًا مخلفًا حرارة تستخدم لتوليد الكهرباء، ليعود بعدها إلى الجانب البارد من الخزان.[3-6-7-8]

[1] A. Bielecki, S. Ernst, W. Skrodzka, and I. Wojnicki, 2019. Concentrated Solar Power Plants with Molten Salt Storage:
Economic Aspects and Perspectives in the European Union., International Journal of Photoenergy.

[2] S. Ladkany, W. Culbreth, and N. Loyd, 2018. Molten Salts and Applications I: Molten Salt History, Types, Thermodynamic and Physical Properties, and
Cost., Journal of Energy and Power Engineering.

[3] M. Green, et al. “Nuclear Hybrid Energy Systems: Molten Salt Energy Storage,” INL/EXT-13-31768, November 2013.

[4] B. Reinhardt, ” Thermal Energy Storage,” Physics 240, Stanford University, Fall 2010.

[5] S. M. Hasnain, “Review on Sustainable Thermal Energy Storage Technologies, Part I: Heat Storage Materials and Techniques,” Energy Convers. Manage. 39, 1127 (1998)

[6] Z. Yang, and S. V. Garimella, “Cyclic Operation of Molten-Salt Thermal Energy storage in Thermoclines for Solar Power Plants,” Appl. Energy 103, 256 (2013).

[7] J.E. Pacheco, et al. “Development of a Molten-Salt Thermocline Thermal Storage System for Parabolic Trough Plants,” J. Solar Energy Eng. 124, 153 (2002).

[8] Y. Rajavi, “Concentrating Solar Power,” Physics 240, Stanford University, Fall 2013.

 أساسيات الطاقة المتجددة: نبذة تاريخية عن الطاقة والديناميكا الحرارية . إذا ألقينا نظرةً على الجدول الزمني لاستخدام الطاقة سنلاحظ أنه في البداية استخدم البشر الكتلة الحيوية لطهي الطعام وللحفاظ على دفئهم وهذا يعني عمليًا أن الشمس كانت هي المصدر الرئيسي لتوفير جميع احتياجاتنا من الطاقة تقريبًا. في تلك الفترة كان لدينا أيضًا حيوانات وأشخاص يقومون بأعمال، ولكن كل طاقتنا تقريبًا لا تزال تأتي من الشمس في شكل كتلة حيوية. أدى ارتفاع عدد السكان وازدهار الصناعة إلى نقص كبير في الطاقة في القرن السابع عشر بسبب إزالة الغابات وكانت أوروبا هي الأكثر تضررًا.

أدى اكتشاف قوانين الديناميكا الحرارية في العام 1850 إلى بزوغ عصر المحركات البخارية وطُورت العديد من التقنيات التي تستخدم البخار وبالرغم من أن كفاءتها منخفضة مقارنةً بما لدينا من التقنيات حاليًا إلا أنها كانت تؤدي العديد من العمليات بسهولة؛ إذ يمكن لمحرك واحد القيام بعمل العديد من الأشخاص والخيول دون الحاجة إلى أي فترات راحة وغيّرت طريقة استخدام الطاقة مما سمح لنا بالتقدم بسرعة أكبر بكثير من ذي قبل. وفي عام 1860 اتجه استطاع العلماء استخدام طاقة الزيوت لتشغيل المحركات وحتى هذه الفترة كان الجو الميكانيكي هو السائد والمسيطر على تشغيل المحركات واستخدام الطاقة وفي عام 1879 ابُتكر المصباح الكهربائي وبدأ عصر الكهرباء ومن هنا تحسنت طريقة حياتنا وأصبحنا ننجز العديد من المهام والأعمال اعتمادًا على الطاقة الكهربائية وتنوعت الطرق التي يمكننا من خلالها توليد الكهرباء ففي عام 1942 استطاع العلماء تسخير الطاقة النووية الناتجة عن انشطار العناصر المشعة كاليورانيوم لتوليد الكهرباء وفي الوقت الحاضر تسعى الدول إلى تبني مصادر طاقة مستدامة وصديقة للبيئة وبالفعل توجد العديد من محطات توليد الكهرباء باستخدام الطاقة الشمسية والرياح وطاقة المد والجزر التي تتسم بخاصية الاستدامة أي أنها لا تنضب وأيضًا تُوصف بأنها مصادر طاقة صديقة للبيئة.

المخطط الزمني لاستخدام الطاقة

قوانين حفظ الكتلة والطاقة

قبل الخوض في تفاصيل قوانين حفظ الطاقة والكتلة لابد من معرفة ما هو نظام الطاقة؟ وفقًا للهيئة الحكومية الدولية المعنية بتغير المناخ -أو ما تُعرف اختصارًا ب«IPCC»- يُعرف نظام الطاقة بأنه “جميع المكونات المتعلقة بإنتاج وتحويل ونقل واستخدام الطاقة “. لذلك قد يحتوي نظام الطاقة على عدد من العناصر المتباينة، ولكن دائمًا ما يكون لنظام الطاقة له حدود. هذه الحدود ليست ثابتة ويمكنك اختيار مكان رسمها، ولكن بمجرد رسمها عليك أن تكون متسقًا مع كيفية استخدامها. يمكن أن يكون للنظام أيضًا طاقة أو كتلة تدخل فيه وتخرج منه، لذا فإن ما هو داخل الحدود ليس بالضرورة معزولًا عن المحيط الخارجي. يخضع تدفق الكتلة والطاقة لقوانين حفظ الكتلة والطاقة.

في عام 1789، صاغ العالم «أنطوان لافوازييه-Antoine Lavoisier» قانون حفظ الكتلة والذي ينص على أن الكتلة تظل ثابتة أي لا يمكن استحداثها أو تدميرها بالرغم من حدوث تفاعلات كيميائية أو تحولات فيزيائية داخل نظام معزول. بمعنى آخر، إن الكتلة التي تدخل حدود النظام يجب أن تغادر الحدود أو تتراكم داخل الحدود. وبالمثل قانون حفظ الطاقة، والذي يعرف بالقانون الأول للديناميكا الحرارية والذي ينص على أن الطاقة لا تُفنى ولا تُستحدث ولكن تتحول من شكلٍ إلى آخر أي أن إجمالي كمية الطاقة في تلك الحدود يبقى ثابتًا. إن المفتاح الأساسي لفهم قانون حفظ الطاقة هو تذكر للطاقة أشكال مختلفة فإذا نظرت إلى نظام واعتقدت أنك فقدت الطاقة في مكان ما، فما حدث بالواقع هو أن الطاقة قد تغيرت إلى شكل لم تفكر فيه بعد! تشمل الأشكال المختلفة للطاقة الحركية والكهربائية والكامنة والحرارية. وتُعرف الطاقة الحركية بأنها الطاقة التي يمتلكها الشيء بسبب حركته والطاقة الكهربائية بسبب حركة الإلكترونات والطاقة الكامنة بسب موضعها أو كيميائها والطاقة الحرارية بسبب درجة الحرارة. لتوضيح فكرة قانون حفظ الطاقة دعنا نتابع المثال التالي: عندما ترفع كرة التنس بعيدًا عن الأرض، يكون لديها طاقة كامنة وعندما تسقطها تتحرك كرة التنس وتتحول الطاقة الكامنة إلى طاقة حركية وبمجرد أن تتوقف الكرة عن الحركة قد تعتقد أن هذه الطاقة الحركية لها قد فقدت. لكن في الواقع، أن الطاقة تحولت إلى شكل آخر أي قد تحولت إلى صوت وقليلًا من الطاقة الحرارية.

ما هو الإنتروبي؟

السؤال الأهم الآن، ما الذي يجري بالضبط حينما يتغير أحد أشكال الطاقة إلي آخر؟ ولماذا تتغير بالأساس؟ قدَم العالمُ «رودولف كلاوزيوس-Rudolf Clausius» إجابةً جزئيةً لهذا السؤال مقدمًا الأساسيات لما سيعرف لاحقًا بالقانون الثاني للديناميكا الحرارية. بمنتصف خمسينيات وستينيات القرن التاسع عشر قدَم أول تحليل رياضي متماسك واضح لطريقة عمل الديناميكا الحرارية وهي أن الطاقة تتحرك دومًا في إتجاه واحد فقط وذلك في صيغة معادلة رياضية سماها «الإنتروبي-Entropy» وهي مشتقة من الكلمة اللاتينية «اentrope» وتعني التحوّل أوالفوضى. ملخص هذه المعادلة باختصار أنه عندما تنتقل الطاقة من جسم ساخن إلي جسم بارد، يرتقع معدل الإنتروبي دومًا بطريقة أخري، الإنتروبي هو مقياس لكيفية تبدد الحرارة -الطاقة- أو تشتتها. ورأي كلاوزيوس أن هذه العملية الغير قابلة للعكس جارية في الكون الفسيح، وأن كل الأشياء التي تطلق الحرارة مرتبطة معًا بطريقةٍ ما إضافةً إلى أن إنتروبي الكون آخذة في الازدياد، ولا يمكن تفادي ما سيحدث. رغم ذلك، نشأ جدال عظيم وحيرة كبيرة عن ماهية هذا الشيء المسمي بالإنتروبي ولماذا يزيد علي الدوام؟

يرتفع الإنتروبي لمكعب الثلج مع ذوبانه. وتزداد الفوضى داخل النظام. فالثلج مكون من جزيئات الماء المرتبطة ببعضها في نسيج كريستالي. وعندما يذوب الثلج، تكتسب الجزيئات طاقةً أكثر وتبتعد عن بعضها أكثر ليتفكك بناؤها ويتحول إلى سائل وعند تبخر هذا السائل يرتفع الإنتروبي بشكل أكبر ويرمز له بالرمز S.

حملت النظرية الجديدة الصاعقة والمثيرة للجدل للرياضي لصاحبها «لودفيغ بولتزمان-Ludwig Boltzman» الإجابة علي هذا السؤال. بمنتصف القرن التاسع عشر بدأت مجموعة صغيرة من العلماء بالتساؤل عمّا إذا كان الكون عند أصغر المستويات يعمل بصورة مغايرة تمامًا عن تجارب حياتنا اليومية وأدى هذا التساؤل إلي جعل الحرارة مفهومًا أقل غموضًا بكثير عند النظر إليها من منظور الذرات. لاحظ بولتزمان والآخرون أن الجسم لو كان ساخنًا فببساطة تكون ذراته في حركة أسرع، وتتصادم ببعضها البعض باستمرار مغيرة اتجاهها وسرعتها علي الدوام وكانت تلك فكرة بالغة القوة، ولكن كانت تكمن المشكلة في العدد المهول من الذرات حتي في أصغر الأماكن فكيف يمكن قياس حركتهم جميعًا؟ لذا الإتيان بمعادلة رياضية تصف كل هذا كان ضربًا من المستحيل! لتفسير هذا الطور الجديد من الواقع كان لابد من الانسلاخ من التقليدية في التفكير، وهو ما فعله بولتزمان حيث رأي أنه يمكن قياس حركة الذرات ككل عوضًا عن محاولة قياس وفهم التحركات الدقيقة لكل ذرة منفردة.

في ذاك الوقت لم يكن أمر وجود الذرات مسلمًا به حتي لدي العلماء الكبار لذا بعد أن أنهى بولتزمان إحدى نظرياته عن الذرة نهض العالم الفيزيائي «إرنست ماخ-Ernst Mach» وقال ببساطة: “لا أؤمن بوجود الذرات” وكونه تعليقًا على لسان عالم رفيع كإرنست أحدث ضررًا مضاعفًا إلي جانب كونه لاذعًا وقليل الاحترام كان يري نُقَاد أرنست أنه مجرد حالم فلا أحد رأى الذرات من قبل، ولن يراها أحد لذا هي ليست حقيقية. رأى بولتزمان أن العالم يتكون من ذرات افتراضية، وفهمها يكون عبر رياضيات الاحتمالات وأدرك ما عجز عنه بولتزمان السبب الحقيقي الذي يجعل الجسم الساخن دائمًا يبرد ،النظام كله ينتقل من حالة نظامية شديدة الخصوصية تشمل كل الطاقة المتركزة في بقعة واحدة إلي نظام فوضوي حيت يتوزع مقدار الطاقة نفسه علي أكبر عدد من الذرات بطريقة أخري تخيل كتلة من المعدن الساخن الذرات بداخلها تتزاحم في الأرجاء، وبينما تتزاحم تلك الذرات علي حافة الكتلة تنقل بعضًا من طاقتها إلي الذرات علي سطح الطاولة، ثم تتضارب هذه الذرات مع جاراتها وهكذا. وبهذه الطريقة فإن الطاقة الحرارية تتشتت وتنتشر ببطء ووفق سلوك منطقي وطبيعي.

ليس هذا التفسير هو ما جعل بولتزمان مبدعًا، بل قدرته على تمثيل كل هذا رياضيًا، قدرته علي اشتقاق صيغة رياضية تمكن من حساب الفوضى النظام و أوضح كلاوزيوس أن شيئًا ما دعاه “الإنتروبي” كان ينمو مع الوقت، أما بولتزمان فوضح ماهية هذا الشيء، الإنتروبي في الواقع هو مقياس لفوضوية الأشياء. هناك وسائل كثيرة جدًا لعشوائية وفوضية الأشياء أكثر من وسائل ترتيبها ونظامها لهذا ستصل عشوائية الكون في تصاعد طالما لم يعبث به أحد. سترتحل الأشياء من النظام إلي الفوضي، وهذا القانون ينطبق علي كل شيء بدءًا من إبريق شاي يهوي على الأرض وينكسر إلي نجمٍ ملتهبٍ في الفضاء السحيق.

كل ما سبق هو تعبير عن نزعة الكون ليرتحل من النظام إلى الفوضى، الفوضى هي مصير كل شيء. ويُعتقد بناءًا علي هذا التفسير، أن عملية التغيير والانحلال حتمية، أن الكون نفسه لابد في يوم ما أن يصل لنقطة الإنتروبي القصوى، ألا وهي الفوضى العظمى، الكون بحد ذاته لابد وأن يموت يومًا ما. في النهاية عزيزي القارئ يمكن أن تُخبر والدتك ألا تتكبد عناء تنظيم غرفتك الغير مرتبة فغرفتك مثلها كمثل أي يميل أيّ نظام مغلق يميل إلى التغيّر أوِ التحوّل تلقائيًّا بزيادة أنتروبيته حتّى يصل إلى حالة توزيع متساوٍ في جميع أجزائه، مثل تساوي درجةِ الحرارة، تساوي الضغط، تساوي الكثافة وغير تلكَ السمات. مع ذلك، وعند نقطة معيّنة قد تصل غرفتك الغير مرتّبة إلى الحالة الإنتروبية القصوى، بحيث أنّه مهما توقّفت عن ترتيبِ الغرفة فلن تصبحَ الأمور أكثر تعقيدًا، لذا فلا حاجة لبذل أي جهد للمحافظة على ترتيبها. فسيكون أكثر كفاءةً للطاقة أن تُتركَ الغرفة على طبيعتها، تسير نحو حالتها الإنتروبية القصوى.

إلى هنا نصل إلى نهاية مقالنا أساسيات الطاقة المتجددة: نبذة تاريخية عن الطاقة والديناميكا الحرارية ولمتابعة الأجزاء السابقة من السلسلة اضغط هنا وهنا

المصادر

Energy Principles and Renewable Energy-edx
csun.edu
entropysimple
BBC
space