لا يمكن استخدام الطاقة الشمسية إلا عندما تكون الشمس ساطعة ومشرقة، وتوفر ألواح الطاقة الشمسية كميات مناسبة من الكهرباء خلال ساعات النهار، أما إذا لم يتم استهلاك هذه الطاقة على الفور، فإنها تضيع على شكل حرارة، وفيما ينمو الطلب على تقنيات الطاقة المتجددة، فثمة حاجة لبطاريات تتميز بالكفاءة وتكون في الوقت عينه رخيصة الثمن لتخزين الطاقة لاستخدامها خلال الليل، أما البطاريات الحديثة، ومنها التي تعتمد على أيونات الليثيوم أو بطاريات الرصاص الحمضية، فهي مكلفة وأعمارها محدودة.
ويعتبر تخزين الطاقة الشمسية لاستخدامها في الأوقات التي لا تتوفر فيها أشعة الشمس مشكلة كبيرة، خصوصا وأن المطلوب بطارية جديدة عالية الأداء ومنخفضة التكلفة، يمكن أن توفر حلولا لتخزين الطاقة الشمسية في المناطق النائية، وأن تكون أسعارها معقولة وفي متناول اليد.
بطارية من مادة اليوريا
وفي هذا المجال تم تطوير بطارية غير قابلة للاشتعال في “جامعة ستانفورد” Stanford University، من خلال الباحث الكيميائي البروفسور هونغ جيه داي Hongjie Dai والطالب المرشح لنيل درجة الدكتوراه مايكل آنجيلMichael Angell ، تحتوي على أقطاب كهربائية مصنوعة من كمية كبيرة من الألمنيوم والغرافيت، أما المكون الرئيسي لإنتاج الطاقة وتخزينها فهي مادة اليوريا، وهي مادة ناتجة عن البول، كما أنها منتج صناعي رخيص للغاية يصنع بشكل واسع من قبل منشآت صناعية عدة في كثير من الدول، وتستخدم كأسمدة للنباتات.
وقال البروفسور داي: “هكذا في الأساس، لديك بطارية مصنوعة من أرخص وأكثر المواد وفرة التي يمكن أن تجدها على الأرض، ولها أداء جيد في الواقع”، وأضاف: “من كان يظن أن استخدام الغرافيت والألمنيوم واليوريا، يمكن أن يصنع منها بطارية يمكن أن تستمر لفترة طويلة جدا”.
في العام 2015، كان مختبر داي هو أول من صنع بطارية قابلة للشحن من الألمنيوم، ويمكن أن يتم شحن هذا النظام في أقل من دقيقة واحدة، وهو قادر على العمل لآلاف من دورات الشحن والتفريغ. وقد تعاون المختبر مع معهد تايوان لبحوث التكنولوجيا الصناعية Industrial Technology Research Institute (لانتاجها بشكل تجاري)، لتوفير الطاقة عبر استخدام هذا الإصدار الأول كبطارية لدراجة نارية، ونال فريق داي على هذا الإنتاج الصناعي “جائزة البحث والتطوير 100 للعام 2016” 2016 R&D 100 Awards، ومع ذلك، فإن هذا النوع من البطاريات يحتوي عيبا رئيسيا واحدا: أنه يحتوي مواد مكلفة محللة للكهرباءElectrolyte .
أما النسخة الجديدة فتتضمن محللا للكهرباءElectrolyte يعتمد على مادة اليوريا الإقتصادية المتوفرة بكثرة، وهي أرخص بحوالي 100 مرة من طراز العام 2015، وتتميز أيضا بكفاءة أعلى ووقت شحن لا يزيد عن 45 دقيقة، وهذه هي المرة الأولى التي تستخدم فيها اليوريا في هذا النوع من البطاريات، ووفقا لداي، فإن الفرق في التكاليف بين نوعي البطاريات هو “مثل الليل والنهار”، وتم نشر البحث لفريق داي مؤخرا في دورية “الاكاديمية الوطنية للعلوم” Proceedings of the National Academy of Sciences.
تخزين الطاقة المتجددة
يمكن أن توفر بطارية داي وآنجيل حلا لمشكلة التخزين في الشبكة الكهربائية، وقال آنجيل: “إنها رخيصة وفعالة، والهدف الرئيسي هو التخزين في الشبكة”، ووفقا لآنجيل، فإن تخزين الشبكة هو أيضا الهدف الأكثر واقعية، بسبب أن البطارية منخفضة التكلفة، وتمتاز بكفاءة عالية ولها دورة حياة طويلة، وهناك نوع من الكفاءة، يسمى “كفاءة كولومبيك” Coloumbic Efficiency، وهو قياس لمدى مخارج الطاقة بعد شحن البطارية لكل وحدة، وتعتبر كفاءة كولومبيك لهذه البطارية عالية وهي 99.7 بالمئة.
على الرغم من كفاءة بطاريات أيونات الليثيوم التي توجد عادة في الالكترونيات الصغيرة وغيرها من الأجهزة فإنها يمكن أن تكون قابلة للاشتعال، على النقيض من ذلك، فإن بطارية “اليوريا داي” Dai’s urea battery غير قابلة للاشتعال، وبالتالي أقل خطورة. وقال داي “أشعر بالآمان في بيتي إذا قدمت لي بطارية احتياطية من اليوريا مع فرصة ضئيلة للتسبب بالإشتعال”، ومُنحت شركة “أنظمة “AB AB Systems التي أسسها داي، براءة اختراع للبطارية، وهناك خطط قيد التطوير لتصنيعها بصورة تجارية.
التوجهات المستقبلية
بهدف تلبية مطالب تخزين الطاقة في الشبكة الكهربائية، فالمطلوب أن تدوم هذه البطارية التجارية عشر سنوات على الأقل، ويأمل آنجيل من خلال دراسة وبحث العمليات الكيميائية داخل البطارية، من تمديد عمرها، ووجد الفريق أن التوقعات واعدة للغاية، فقد تمكن من جعل هذه البطاريات من الألمنيوم القائمة على أيون اليوريا قادرة على المرور خلال حوالي 1500 دورة شحن في مدة لا تزيد عن 45 دقيقة.
وقال داي أن هناك الكثير من الطلب على بطارية مناسبة للشبكة الكهربائية وإنه يتلقى العديد من رسائل البريد الإلكتروني من شركات أو أفراد مهتمين بتطوير بطاريات الألمنيوم، خصوصا وأن البطارية الآن في وضع التطوير، وأن نجاحها يعتمد على اهتمام الشركات والمستهلكين.
وختم داي: “مع هذه البطارية، فإن الحلم يتمثل في توليد الطاقة الشمسية وتخزينها في كل مبنى، وربما سيغير هذا الأمر الحياة اليومية، نحن لا نعرف بعد”.
