بطاريات حرارية كربونية تستهدف طاقة رخيصة على مدار الساعة للصناعة الأمريكية

تتعاون شركة GrafTech International، وهي إحدى الشركات الرائدة في تصنيع منتجات الكربون والجرافيت، مع مطوّر لتخزين الطاقة الحرارية على بطاريات حرارية قائمة على الكربون تهدف إلى تزويد الصناعة الأمريكية بطاقة منخفضة التكلفة على مدار الساعة. ويضع هذا المسعى، الذي أوردته Interesting Engineering، أحد الأسماء الراسخة في تصنيع الجرافيت في قلب فئة تخزين تجذب اهتماماً متزايداً كبديل للبطاريات التقليدية في الأحمال الصناعية الثقيلة.

الفكرة الأساسية واضحة حتى إن كانت الهندسة ليست كذلك: فبدلاً من تخزين الطاقة في تفاعلات كيميائية كما تفعل خلايا الليثيوم-أيون، تخزّن البطارية الحرارية الطاقة على شكل حرارة داخل وسط صلب — وهو الكربون في هذه الحالة — ثم تطلق تلك الحرارة عندما يحتاجها المصنع. وبالنسبة للعديد من العمليات الصناعية التي تعمل بالحرارة العالية وليس بالكهرباء وحدها، يتوافق هذا النهج مباشرة مع الطريقة التي تستهلك بها المصانع الطاقة فعلياً.

لماذا تُعد الحرارة الصناعية المشكلة الصعبة

تُعد الصناعات الثقيلة من أكثر القطاعات عناداً في مواجهة إزالة الكربون، لأن الكثير مما تفعله يعتمد على الحرارة وليس على العمل الميكانيكي أو الكهربائي. فالصهر والتكليس والتجفيف والمعالجة والتكرير والمعالجة الكيميائية كلها تتطلب درجات حرارة عالية مستمرة، وقد صُممت المعدات التي توفر تلك الدرجات تاريخياً حول الاحتراق.

وهذا يخلق مشكلتين في آن واحد. الأولى هي الانبعاثات: فحرارة العمليات الناتجة عن الوقود الأحفوري تشكّل حصة كبيرة من استهلاك الطاقة الصناعية، وبالتالي من الانبعاثات الكربونية الصناعية. والثانية هي الاقتصاديات. فاستبدال فرن يعمل بالغاز بنظام يعمل بأسعار الكهرباء بالجملة المتقلبة يُدخل نوعاً جديداً من المخاطر المالية، لأن هيكل تكاليف المصنع أصبح يعتمد على توقيت سحبه للطاقة.

وتُطرح البطاريات الحرارية كوسيلة لكسر هذه الصلة. فإذا استطاع مرفق ما امتصاص الكهرباء عندما تكون رخيصة ومتوفرة بوفرة — بما في ذلك خلال فترات ارتفاع إنتاج الطاقة المتجددة — ثم إطلاق الحرارة المخزنة عند الطلب، فيمكنه مواصلة العمل باستمرار دون دفع أسعار مرتفعة للطاقة. وهذا هو مقترح القيمة على مدار الساعة الذي تسعى إليه GrafTech وشريكتها.

ما الذي تفعله البطارية الحرارية القائمة على الكربون

تأخذ البطارية الحرارية في هذا التصميم مدخلاً كهربائياً وتحوّله إلى حرارة داخل وسط تخزين. وتُحتجز الحرارة في كتلة معزولة حتى تحتاجها العملية، وعندها تُسلَّم كطاقة حرارية عالية الحرارة. ولا يعتمد أي شيء في هذا التسلسل على التوافر المتقطع لجدول توصيل الوقود؛ إذ يصبح القيد هو مقدار الطاقة التي يمكن لكتلة التخزين احتواؤها ومدى كفاءة استعادتها.

وهناك عدة خصائص تجعل الكربون مادة جاذبة لهذا الدور:

• تحمّل درجات الحرارة العالية. تُستخدم مواد الكربون والجرافيت في البيئات الصناعية تحديداً لأنها تتحمل الحرارة القصوى دون فقدان سلامتها البنيوية.
• الأداء الحراري. يوصل الجرافيت الحرارة بفعالية، وهذا مهم سواء لشحن وسط التخزين أو لاستخراج الحرارة بمعدل مضبوط.
• سلاسل توريد راسخة. يُنتج الكربون والجرافيت بالفعل على نطاق صناعي للأقطاب وبطانات الأفران وتطبيقات أخرى صعبة.
• هيكل التكلفة. تعتمد اقتصاديات وسط التخزين بشكل كبير على كون المادة الخام رخيصة بما يكفي للنشر بكميات كبيرة بدلاً من كميات صغيرة مصممة بدقة.

وهذه هي الخصائص التي تجعل التخزين القائم على الكربون إجابة معقولة لمشكلة عانت كيمياء البطاريات وحدها من حلها اقتصادياً على النطاق الصناعي.

الاقتران بين GrafTech وAntora

يستند دور GrafTech في هذا التعاون إلى التصنيع. فالشركة تنتج منتجات الكربون والجرافيت على نطاق واسع، ما يعني أنها تجلب خبرة إنتاج المواد والمعالجة الصناعية بدلاً من التخصصات في برمجيات التخزين أو إلكترونيات الطاقة. أما شريكتها، شركة تخزين الطاقة الحرارية Antora، فتعمل على تحويل الكهرباء إلى حرارة مخزنة وإعادة توصيلها للعملاء الصناعيين.

وهذا التقسيم للعمل دالّ. فالتخزين الحراري للصناعات الثقيلة يمثل تحدياً في المواد والتصنيع بقدر ما هو تحدٍ في تكنولوجيا الطاقة. فبناء تخزين يمكن أن يستقر داخل مصنع عامل، ويصمد لسنوات من الدورات الحرارية، ويُنتج بكميات كبيرة بما يكفي ليُحدث فرقاً، يتطلب نوع القاعدة التوريدية الصناعية الثقيلة التي تديرها GrafTech بالفعل.

ويشير هذا الاقتران أيضاً إلى الاتجاه الذي يعتقد المطوّرون أن السوق يتجه إليه: ليس نحو الإلكترونيات الاستهلاكية أو سيارات الركاب، بل نحو العملاء الصناعيين الذين يكون طلبهم على الطاقة كبيراً ومستمراً ومكلفاً في إزالة الكربون منه.

الطاقة على مدار الساعة كنقطة بيع

تحمل عبارة "على مدار الساعة" معنى محدداً في هذا السياق. فالمرافق الصناعية لا تتوقف عند غروب الشمس أو عند انخفاض توليد الرياح. ونظام تخزين ينقل الطاقة عبر بضع ساعات فقط لا يحل مشكلتها. وما تحتاجه الصناعة هو طريقة لشراء الطاقة عندما تكون الأرخص مع الاستمرار في العمل بلا انقطاع.

وتعالج البطاريات الحرارية ذلك بفصل لحظة الشراء عن لحظة الاستخدام. فيمكن سحب الكهرباء خلال نوافذ الأسعار المنخفضة، وتحويلها إلى حرارة، والاحتفاظ بها حتى تتطلبها العملية. وبالنسبة لمشغلي المصانع، تكون النتيجة قاعدة تكاليف أكثر قابلية للتنبؤ ومساراً لاستخدام كهرباء منخفضة الكربون دون إعادة تصميم خط الإنتاج بأكمله.

وهناك أيضاً حجة على مستوى الشبكة. فالأحمال الصناعية الكبيرة القادرة على امتصاص الطاقة بمرونة مفيدة لنظام يزداد فيه حجم توليد الطاقة المتجددة المتغيرة، لأنها تستطيع استهلاك الكهرباء عندما يكون العرض وفيراً بدلاً من إضافة ضغط خلال ساعات الذروة. ويحوّل التخزين الحراري المصنع فعلياً إلى أصل مرن بدلاً من أصل جامد.

ما ينبغي متابعته

هذا التعاون تطوّر يستحق المتابعة أكثر من كونه قصة نشر مكتملة. وسيعتمد أداء التكنولوجيا على عدة عوامل تتضح أكثر مع تقدم المشاريع:

• التكلفة لكل وحدة من الحرارة المخزنة. لا يحل التخزين الحراري محل حرارة العمليات المعتمدة على الوقود الأحفوري إلا إذا كانت التكلفة المسلَّمة تنافسية.
• الدمج مع المصانع القائمة. تعديل المواقع الصناعية العاملة لتشمل التخزين مشكلة هندسية تختلف عن بنائه في مختبر.
• متانة المواد. يحدد العمر التشغيلي الطويل تحت الدورات الحرارية العالية المتكررة ما إذا كانت الاقتصاديات تصمد على مدى عقود.
• نطاق التصنيع. ستشكّل قدرة إنتاج الكربون والجرافيت مدى سرعة نشر التكنولوجيا.

وبالنسبة لـ GrafTech، يوسّع هذا المسعى نشاطاً في المواد نحو تحول الطاقة، حيث تكتسب خبرة الجرافيت والكربون قيمة تتجاوز العملاء الصناعيين التقليديين. وبالنسبة للصناعة الأمريكية، يمثل محاولة أخرى لجعل الحرارة الرخيصة والمستمرة والمنخفضة الكربون خياراً عملياً بدلاً من طموح بعيد المدى. والرهان الأساسي بسيط: إذا أمكن تخزين الحرارة بتكلفة منخفضة كما يمكن توليدها، فإن توقيت أسعار الكهرباء يتوقف عن التحكم في موعد عمل المصانع الأمريكية.

يعتمد هذا المقال على تقرير لـ Interesting Engineering. اقرأ المقال الأصلي.