بطاريات الزنك ذات الكفاءة المزدوجة والقدرة على إنتاج الهيدروجين
27/07/2023
تريد ثورة الطاقة المتجددة بناء مستقبل صديق للمناخ للعالم، لكن الابتعاد عن الوقود الأحفوري سيظل يمثل تحديًا طالما أن الوسائل الفعالة لتخزين الطاقة الخضراء لا تزال غير متوفرة.
وضع اتحاد بحثي لنفسه هدفًا لمعالجة هذه المشكلة بالضبط باستخدام بطاريات الزنك الرخيصة الصنع التي لا تخزن الطاقة الكهربائية فحسب، بل يمكن استخدامها أيضًا لإنتاج الهيدروجين.
تعد الاختبارات الأولى بكفاءة 50٪ عند تخزين الطاقة و80% عند إنتاج الهيدروجين – مع متوسط العمر المتوقع لعشر سنوات، مع العرض العملي، فإن مشروع Zn-H 2 لديه القدرة على أن يكون اختراقًا لثورة طاقة ناجحة.
تخلق ثورة الطاقة المتجددة تحديات هائلة لألمانيا ودول أخرى حول العالم.
أحد هذه التحديات: الوسيلة الصحيحة لتخزين الطاقة الخضراء، أصبحت المصادر المتجددة مثل الرياح والطاقة الشمسية في متناول الجميع بشكل متزايد ولديها القدرة على توفير طاقة كافية في يوم من الأيام لفترات طويلة من الزمن.
لكن طبيعتها غير المتوقعة تعني أن طاقة الرياح والطاقة الشمسية ستعاني دائمًا من dunkelflauten ، وهو مصطلح ألماني يستخدم في جميع أنحاء العالم لتلك الأوقات التي لا تشرق فيها الشمس ولا تهب الرياح.
تحتاج هذه dunkelflauten حاليًا إلى أن يتم تغطيتها بواسطة محطات الطاقة التقليدية، مما يجبر البلدان على الحفاظ على بنية تحتية معقدة مزدوجة الطاقة، وحرق الوقود الأحفوري ، وإعاقة الانتقال إلى مصادر الطاقة المتجددة.
تعاونت مجموعة من المؤسسات البحثية والشركاء التجاريين Zn2H2 GmbH و Steel PRO Maschinenbau GmbH في مشروع Zn-H 2 للتحقيق في الأفكار المبتكرة لتخزين الطاقة الخضراء.
تتمثل رؤيتهم في تصميم بطارية طويلة الأمد بشكل صريح لتخزين الطاقة على المدى الطويل.
أرخص بكثير وقابلة لإعادة التدوير
بدءًا من تصميمات البطاريات التي أثبتت جدواها والتي تستخدم أنودات الزنك، أضاف الباحثون التحليل الكهربائي للمياه القلوية للتوصل إلى تقنية جديدة تمامًا.
على عكس بطاريات الليثيوم الشائعة، تعد بطاريات الزنك أرخص بكثير ولا تحتاج إلا إلى مواد متاحة بسهولة وقابلة لإعادة التدوير بالكامل (الصلب والزنك وهيدروكسيد البوتاسيوم). وهذه ليست الحيلة الوحيدة في سواعدهم: سيكون النظام قادرًا على إنتاج الهيدروجين عند الطلب.
تخزين الطاقة على شكل زنك معدني
في نهاية عملهم، يأمل الباحثون أن يكون لديهم نظام تخزين هيدروجين قابل لإعادة الشحن كهربائيًا يمكنه تخزين الطاقة على شكل زنك معدني وإعادة تحويلها إلى طاقة كهربائية وهيدروجين عند الحاجة.
الدكتور روبرت هان من Fraunhofer IZM هو المسؤول عن تنسيق العمل في المشروع، يشرح العمليات الكيميائية التي تحدث داخل البطارية: “أثناء الشحن، يتأكسد الماء إلى أكسجين، مع اختزال أكسيد الزنك إلى زنك معدني، ويعود هذا إلى أكسيد الزنك أثناء التفريغ. ينخفض الماء مرة أخرى ويطلق الهيدروجين.
ويضيف، “هذا مزيج فريد من بطارية عادية ومصدر للهيدروجين، بكفاءة تخزين كهربائية إجمالية تبلغ 50٪، وهو ضعف كفاءة أنظمة الطاقة إلى الغاز الأخرى المفضلة حاليًا”، نظرًا لأن تكلفة المواد أقل من بطاريات الليثيوم، فإن التكنولوجيا الجديدة تعد ببديل جذاب تجاريًا لتخزين الطاقة الخضراء.
لقد أثبت الباحثون جدوى النظام الجديد في ظل ظروف معملية واختبروا الخلايا الفردية لكفاءتها واستقرارها على مدى عدد من الدورات.
هدف نهاية العام هو وحدة توضيحية لإجراء الاختبارات في إعداد اختبار مخصص، في النهاية ، سيتم توصيل ثماني خلايا، كل منها بسعة حوالي 12 فولت و 50 أمبير.
من أجل الإنتاج الفعال من حيث التكلفة على نطاق واسع للمحفز ثنائي الوظيفة (إنتاج الأكسجين والهيدروجين بدوره) ، يضع الباحثون ثقتهم في الترسيب الجلفاني.
سيتم اختبار العملية من حيث موثوقيتها وقابليتها للتكرار قبل اختبارات البطارية الفعلية.
تولى فريق Fraunhofer IZM في برلين تصميم الوحدة التجريبية، وبناء أنظمة الاختبار ، واختبارات الموثوقية الفعلية.
نظرًا لأن بطاريات الزنك-الهيدروجين لا تزال هي الأولى من نوعها في العالم، فقد كان لابد من تطوير بيئة الاختبار المناسبة من الألف إلى الياء أيضًا، باستخدام عناصر تحكم دقيقة وذكية للغاية لضبط وتحسين مجموعة كاملة من المعلمات.
نتائج واعدة للغاية
تتعلق إحدى المعلمات الحاسمة بالشحن، والتي يجب ضبطها بشكل مثالي لضمان عمليات مستقرة على مدى عدة آلاف من الدورات.
لم يتم تحقيق استقرار الدورة هذا في أي من بطاريات الزنك الحديثة الحالية، حيث يؤدي تكوين تشعبات الزنك أو الزنك المطحلب عادةً إلى دوائر قصيرة في مرحلة ما من عمر البطاريات.
أسفرت الاختبارات الأولى التي أجريت على الخلايا الفردية عن نتائج واعدة للغاية: في دورة استخدام واقعية مع تقلبات موسمية في ضوء النهار وفي الاستخدام اليومي لتخزين الطاقة الشمسية، من المتوقع أن توفر المحفزات الرخيصة الصنع خدمة حية لمدة عشر سنوات أو أكثر.
لا يزال النظام بحاجة إلى التوسع وجهود هندسة النظم قبل أن يصبح جاهزًا للاستخدام الصناعي ، ولكن أحد الشركاء التجاريين للمشروع ، Zn2H2 ، لديه بالفعل العديد من طلبات براءات الاختراع المعلقة للتكنولوجيا.
وبالتعاون مع اتحاد الأبحاث بأكمله، فإنهم يمهدون الطريق لحل مبتكر لتخزين الطاقة الخضراء وإنتاج الهيدروجين كأحد الوقود الذي يغذي عصر الطاقة المتجددة.
مصدر:بطاريات الزنك ذات الكفاءة المزدوجة والقدرة على إنتاج الهيدروجين – المستقبل الاخضر (greenfue.com)
