هل تصبح بطاريات كارنو حجر الأساس في مستقبل تخزين الطاقة المتجددة؟

مع التوسع المتسارع في مصادر الطاقة المتجددة، تبرز الحاجة إلى حلول تخزين طاقة فعالة وموثوقة. ومن بين هذه الحلول، تبرز تقنية بطاريات كارنو (Carnot Batteries – CBs) كخيار واعد قائم على مبدأ “من كهرباء إلى حرارة ثم كهرباء”. تُستخدم هذه الأنظمة لتحويل فائض الكهرباء إلى حرارة، تخزينها، ثم استرجاع الكهرباء عند الحاجة. وبالرغم من كونها أقل كفاءة من البطاريات الكهروكيميائية، إلا أن بطاريات كارنو تُظهر جدوى اقتصادية ملحوظة، خاصة في بيئات تعاني من تقلبات كبيرة في إنتاج الطاقة الشمسية أو الرياح.

في هذا السياق، قدم باحثون من جامعة كويمبرا في البرتغال دراسة تصميمية عددية شملت ستة نماذج مختلفة لبطاريات كارنو مبنية على نظام مضخة حرارية ودورة رانكين العضوية (HP–ORC)، وهو تكامل يجمع بين تقنية Heat Pump  مضخة حرارية وOrganic Rankine Cycle  دورة رانكين العضوية) لتحويل الكهرباء إلى حرارة ثم استرجاعها على شكل كهرباء. كما خضعت الدراسة لعملية تحسين متعددة الأهداف بهدف تحديد التوليفات المثلى بين الكفاءة الحرارية والاقتصادية.

 ما هي بطارية كارنو؟

تُعرف بطارية كارنو بأنها نظام تخزين كهرباء يعتمد على تحويل الطاقة الكهربائية الفائضة إلى حرارة تُخزن في وسط حراري (مثل الماء أو الملح المصهور) ضمن ما يُعرف بـ أنظمة التخزين الحراري (Thermal Energy Storage TES)  عند الحاجة، تُعاد الحرارة إلى طاقة كهربائية عبر محرك حراري مثل ORC تتكون البطارية من ثلاثة قطاعات حرارية رئيسية:

• خزان حراري بدرجة حرارة عالية (HT-TES)
• خزان حراري بدرجة حرارة منخفضة (LT-TES)
• مصدر ومصب حراري (Heat Source & Sink)

وتمثل هذه الأنظمة تطبيقًا واعدًا ضمن تقنيات تخزين الطاقة الحرارية المضخوخة  (Pumped Thermal Energy Storage PTES)، خاصة تلك القائمة على دورات رانكين أو بريتون.

منهجية الدراسة والتحسين

أُنشئت النماذج الرياضية لستة تكوينات مختلفة لبطاريات كارنو، ثم جرى التحقق من صحتها استنادًا إلى بيانات سابقة. جرت عمليات التحسين على مستويين:

• تحسين أحادي الهدف لكل توليفة من أنظمة البطاريات والسوائل العاملة (16 تركيبة لسوائل صديقة للبيئة)
• تحسين متعدد الأهداف يشمل الكفاءة الحرارية (الطاقة)، القدرة النوعية للطاقة القابلة للتحويل إلى شغل مفيد (Exergy)، والجدوى الاقتصادية  (LCOS)

اعتمدت الدراسة سوائل عمل منخفضة التأثير البيئي، من بينها:

• R1233zd(E)
• R1234ze(Z)
• R1224yd(Z)
• R1336mzz(Z)

وقد أظهرت النتائج أن التكوين رقم 4، الذي يدمج مجدِّد حرارة في كل من المضخة الحرارية ودورة رانكين، باستخدام السائل R1233zd(E) على الجانبين، حقق أفضل توازن بين الأداء الحراري والتكلفة.

الأداء والنتائج التجريبية:

في نموذج النظام المختار، بلغت كفاءة التحويل الشاملة   (Roundtrip Efficiency)

• 81.3 % – وهي من أعلى القيم المسجلة لهذا النوع من الأنظمة
• LCOS  وبلغت 1.09 يورو/ك.و.س على نطاق تجريبي صغير، مع توقعات بانخفاض التكلفة على النطاق التجاري

وأظهرت الدراسة أن استخدام المجددات يقلل من خسائر الإكسيرجي بنسبة تصل إلى 18%  ويخفض التكلفة بمعدل 10%

أهمية اختيار سوائل التشغيل:

أشارت دراسات متعددة إلى أن نوع السائل المستخدم في المضخة الحرارية ودورة رانكين له تأثير حاسم على الأداء العام. وقد تبين أن السوائل الجافة نسبيًا (Slightly dry fluids)  مثل R1233zd(E) توفر توازنًا ممتازًا بين الكفاءة البيئية والحرارية، بينما تُظهر بعض السوائل مثل R1336mzz(Z) أداءً ضعيفًا نسبيًا.

كما بيّنت الورقة أن اختيار السائل يجب أن يُراعي معايير البيئة والتكلفة والسلامة، خصوصًا بعد حظر العديد من المبردات القديمة ذات التأثير الحراري المرتفع.

تخزين الطاقة الحرارية: الوسيط والتكوين

يعتمد أداء بطارية كارنو أيضًا على نوع تخزين الحرارة:

• الحرارة المحسوسة (Sensible heat)
• الحرارة الكامنة (Latent heat)
• أو التفاعلات الكيميائية

وقد أظهرت الخزانات الحرارية المزدوجة ذات الماء المضغوط فعالية عالية من حيث التكلفة والكفاءة. إلا أن هناك مفاضلة بين التصميم ذو الخزانين (كفاءة أعلى) والتصميم ذو الخزان الواحد (حجم أقل).

من النموذج إلى التطبيق:

أشارت تجارب ميدانية سابقة مثل مشروع CHESTER الأوروبي إلى إمكانية بناء أنظمة HP–ORC على نطاق 10 كيلوواط بكفاءة دورانية تصل إلى 37%. كما سجل مشروع آخر باستخدام ضاغط/موسع حلزوني عكسي كفاءة دورانية 72.5 %، مما يُعزز مصداقية بطاريات كارنو كتقنية قابلة للتطبيق العملي.

التحديات والآفاق:

رغم التقدم التقني، ما زالت التحديات الرئيسية تكمن في:

• تحقيق توازن بين الكفاءة الحرارية والتكلفة
• اختيار سوائل مناسبة وآمنة بيئيًا
• تصميم المبادلات الحرارية بكفاءة عالية

ومع انخفاض تكاليف الطاقة الشمسية والرياح، وظهور أوقات فائض إنتاج الطاقة، يُتوقع أن تزداد جدوى بطاريات كارنو كمخزون طاقة حراري على نطاق واسع.

خلاصة:

تُظهر الدراسة البرتغالية المتقدمة حول بطاريات كارنو إمكانيات واعدة لتقنية HP–ORC، خاصة عند استخدام سوائل مناسبة مثل R1233zd(E) وتكوينات مدعومة بمجدِّدات. ومع استمرار البحوث التجريبية وتوسع نطاق التصنيع، قد تصبح بطاريات كارنو ركيزة أساسية في مستقبل تخزين الطاقة المتجددة.

📚  المصدر:

Silva, I., Santos, M., & Ribeiro, J. B. (2025). Multi-objective optimization and design of a Carnot Battery for energy storage applications. Energy Conversion and Management: https://doi.org/10.1016/j.ecmx.2025.101065