بطاريات التدفق العضوية: وسائل تخزين صديقة للبيئة لمصادر الطاقة المتجددة.

استمع على ساوندكلاود 🎧

الطاقةُ المتجدِّدة هي مستقبل البشرية، حيث نرى جميع دول عالم تسعى جاهدةً لاستثمار مصادر هذه الطاقة كالشمس والرياح والماء، إلا أن هذه المصادرَ لا تكونُ متوفرةً بشكلٍ مستمر، فعلى سبيلِ المثال ماذا سنستفيدُ من الألواح الكهروضوئية خلال الليل؟ وماذا عن العنفات الريحية بفتراتِ انعدامِ هبوب الرياح؟ هل من المعقول أن تُبذَل كلُّ هذه الجهود والأموال من أجل مصادرِ طاقةٍ مُتقطِّعة؟

اليوم، يبدو أننا أصبحنا أكثر قرباً للحصول على الإجابة، اعتماداً على وسائلِ تخزينٍ جديدة مرتبطةٍ بمصادر الطاقات المتجددة.

تعرفوا في هذا المقال على بطاريات التدفق، آلية عملها، وحقائق ممتعة أخرى.

إن كُلفة توليد الطاقةِ الكهربائية من الخلايا الكهروضوئية والعنفاتِ الرِّيحية في انخفاضٍ مستمر، ولكن يبقى تقطُّعُ إنتاجها بالإضافة إلى التَّفاوت في الطلبِ على الكهرباء من الشبكةِ خلالَ اليوم هو العائقَ الرئيسي في الحصولِ على الكهرباء من هذه المصادر. [1]

يكمُن الحلُّ في تخزين هذه الطاقة الكهربائية واستخدامِها عند الحاجة، وأحدُ أهمِّ مصادر التخزين هي البطاريات (المُدَّخرات).

قام فريقٌ من العلماء والمهندسين من جامعة هارفرد بوصفِ نموذجٍ لبطارياتٍ قابلةٍ للشحن من مصادر الطاقات المتجددة، وتُعتبَر هذه البطاريات آمنةً وفعالةً وقليلةَ الكُلفة للاستعمال السكني والتجاري.

تمَّ هذا البحث بناءً على بحثٍ سابق شاركَ به أعضاءُ الفريق نفسِه لتمكين تخزين الطاقة الكهربائية بموثوقيةٍ أعلى وكُلفةٍ أقل على مستوى الشبكة الكهربائية العامة. [2]

بطارياتُ التدفُّق الخاليةُ تماماً من المعادن، تعتمد على الخواصِّ الكهروكيميائية لمادةٍ عضويةٍ -أساسُها الكربون-رخيصةِ الثمن ومتوفرةٍ بكثرة في الطبيعة تُدعى بالكينون (وهي شبيهةٌ بالجزيئات التي تحفظ الطاقة عند النبات والحيوان). [3]

تقوم بطاريات التدفُّق بتخزين الطاقة ضمن سوائلَ كيميائيةٍ تتوضَّع في حاوياتٍ خارجية، كما في خلايا الوقود، على عكسِ البطاريات التقليدية والتي تحفَظ الطاقةَ ضمن خزَّانٍ داخلي.

المكوّنات الرئيسية في هذا النوع من البطاريات هي:

- حاويات التخزين

- معدات التحويل الكهروكيميائي التي تتدفَّق السوائل خلالها، حيثُ تتحدَّد سَعة الاستطاعةِ العظمى من خلال تدفُّق السائل (عملية التحول الكهروكيميائي)، أما سَعة الطاقة فتتحدَّد من حجمِ حاويات التخزين الكيميائية.

إذاً، فمقدارُ الطاقةِ التي يُمكن تخزينُها يتعلَّق فقط بحجمِ حاوياتِ التخزين، وكلّما كبُر حجمها ازدادت إمكانيةُ تخزين الطاقة، وبإمكانها تخزين مقدارٍ أكبرَ وبتكلفةٍ أقل إذا ما تمَّت مقارنتُها بالبطارياتِ التقليدية. [3]

كيف تعمل هذه البطاريات؟

يتمُّ انتزاعُ الإلكترونات وتحريرُها عبر مركَّباتٍ مكونةٍ من عناصرَ وفيرةٍ ورخيصة ومحلولةٍ في الماء (كربون، أكسجين، نيتروجين، هيدروجين، حديد، بوتاسيوم)، وهذه المركَّباتُ غيرُ سامّةٍ وغيرُ قابلةٍ للاشتعال ومنتشرةٌ بشكلٍ واسع، مما يجعلها أكثرَ أماناً ووفرة من باقي أنظمة البطاريات، وبالتالي ستكون إمكانيةُ تخزين الطاقة الكهربائية بكمياتٍ كبيرة بالقرب من التجمُّعات السَّكنية وحتى داخل الأقبية أمراً آمناً. [2]

تعتمدُ هذه البطاريات على تفاعلاتِ الأكسدة والإرجاع لتخزينِ الطاقة في السوائلِ المُحِلَّة التي تمرُّ بدورها عبرَ البطارية المكونةِ من الخلايا الإلكتروكيمائية أثناء عمليتي الشحنِ والتفريغ، حيث يتمُّ ضخُّ السائلَين الموجب والسالب إلى جانبي البطارية، وعندما يقوم مصدرُ الطاقة بشحنِ البطارية تقومُ بسحبِ الإلكترونات من السائلِ الموجب عبر تفاعلِ أكسدةٍ وتدفعُهم باتجاه السائل السالب عبر تفاعل إرجاع، وعند تشغيلِ البطارية تتحرَّكُ الإلكترونات بالاتجاهِ العكسيّ مولدةً تياراً كهربائياً.

يُستخدَم الأنثراكينون (anthraquinone) في الجانبِ السالب للبطارية الحمضية، والذي من شأنه أن يُخفض تكلفة البطارية بشكلٍ ملحوظ، لكن ذلك يتطلَّب استعمالً البرومين (Bromine) في الجانب الآخر، مما يحدُّ من استخدامِ هذه البطاريات في المنازل نظراً لسُمّية البرومين.

يُمكن استخدام الوسط القاعدي بديلاً عن الوسط الحمضي في البطاريات التي تعتمد على الكينون (quinone) حيث يُحقِّق هيدروكسي الأنثراكينون ذوباناً عالياً في الوسط القاعدي. ويمكن استبدالُ البرومين حينها بمركباتٍ غيرِ سامة وغيرِ قابلةٍ للاشتعال كما أنها متوفرةٌ في الطبيعة بشكلٍ أكبر، مثل أيون الفيرّيسيانيد (ferricyanide).[ [1

مقارنة بين بطاريات التدفُّق وبطاريات الليد أسيد؟

لنفترض وجودَ نظامٍ كهربائي يعتمد على عنفةٍ ريحية باستطاعة 1 ميغا واط وبقدرة 60 ميغا واط ساعي لمدة 60 ساعة، فكم سيكون عدد البطاريات المستخدمة لتخزين هذه الطاقة الكهربائية؟

تُقدِّم لنا بطاريات اللّيد أسيد على سبيل المثال استطاعة 1 ميغا واط لكن بقدرة 0.2 ميغا واط ساعي فقط أي لمدة 12 دقيقة، لذا فنحن بحاجة هنا لحوالي 300 بطارية من هذا النوع للحصول على 1 ميغا واط ساعي لمدة 60 ساعة، مما سيزيدُ من تكلفة هذا النظام بالمجمل. بينما مع وجود بطارياتِ التدفُّق فإن كنا بحاجة إلى استطاعة 1 ميغا واط فبإمكاننا صنع إلكترود بحجم يحتمل هذه الاستطاعة وفق قوانين معينة (الإلكترود: وهو القطب الموصّل كهربائياً، إما سالب أو موجب)، وإن أردنا طاقةً أكبر (ميغا واط ساعي) فما علينا إلا زيادةُ حجمِ الخزانات الحاوية على المواد الكيميائية المذكورة، وبما أنها رخيصةُ الثمن ومتوافرةُ دائماً، فسيكون هذا النظام رابحاً ومفيداً وصديقاً للبيئة. [4]

حقائق عن مادة الكينون:

1-يُستخدَم كريم الهيدروكينون لتبييضِ البُقع السوداء في البشرة.

2-الرئين (نوع من الأنتركينونات) يُستحصل عليه من نبات الراوند ويُستعمل كمُسهلٍ وكعاملٍ مضاد للبكتريا.

3-البلاستوكينون Plastoquinone: يوجدُ في جميع النباتات الخضراء ويُساهم في جزءٍ من عملية التركيب الضوئي.

4-البلاتيلاكينون Blatellaquinone: فيرمون(1) جنسي تستخدمه أنثى الصرصور لتجذب الذكور. [5]

(1) الفيرومونات (Pheromone) كيماويات تتركب من جزيئات عضوية معقدة. تستعمل لنقل الإشارة من حيوان لآخر، وهي أكثر تخصصاً من الروائح بحيث يستطيع الكائن المستهدف استكشافها بكميات ضئيلة جداً وهي محمولة بالهواء، وعادةً تكون مخففة جداً ونوعية التأثير على الأحياء. تهدف لجذب الحيونات لبعضها كلٌ حسب نوعه في موسم التزاوج، أو للتنبيه من خطر محدق أو للتوجيه لوجود غذاء، وتعتبر أحد أنواع البروتينات تستخدمها الحشرات لعدة أغراض.

المصادر:

[1] هنا

[2] هنا

[3] هنا

[4] هنا

[5] هنا