مستقبل تخزين الطاقة وتحسين الفقد الكهربي باستخدام تقنية (Solid-state Supercapacitor)

يرجع السبب المباشر وراء ارتفاع نسبة الفقد إلى عدة عوامل فنية لاسيما في خطوط النقل ومحولات التوزيع، وكذلك تأثير كفاءة المعدات وقدم محطات التوليد، ولكن المشكلة الأكبر تقتصر في السرقات والعشوائيات وأخطاء العدادات وعدم التحصيل، إلخ، وبسبب هذه العوامل تصل نسبة الفقد في بعض الدول لتصل إلى أكثر من 40%.

وعلى هذا الصعيد، قامت بعض الدول بتخفيض هذه النسبة بعمل تفتيشات على الشبكات ، وتركيب عدادات ذكية، ومتابعة التعديات التي تحصل على الشبكات الخارجية، ودفع غرامات مالية لمن يتعدى على الشبكات الكهربائية بطريقة غير شرعية.

وارتفاع نسبة فقد الطاقة تؤثر بشكل سلبي من خسائر في ضياع جزء من الطاقة المنتجة، ما يؤدي ذلك إلى خسائر مالية، والتأثير المباشر في انخفاض كفاءة المعدات.

وكما هو مطلوب لمحاربة الفقد في الطاقة الكهربائية من خلال اتخاذ إجراءات صارمة لمنع السرقة فانه يجب أيضا السير قدما نحو البحث عن آفاق جديدة في الأبحاث العلمية والتي

يجب القاء الضوء عليها لتحسين الفقد في الطاقة الكهربائية واستخدام أحدث الوسائل لتخزين الطاقة الكهربائية وسهولة استخدامها بشكل سريع وفعال للتقليل من الاعتماد علي الوقود الأحفوري الناضب.

وفي هذا المقال سيتم التركيز علي التقنيات العلمية الحديثة في هذا المجال وكذلك القاء الضوء علي المفاهيم العلمية التي يجب أن تكون واضحة في الاذهان لمواجهة التحديات الحالية في استخدامات الطاقة الفعالة والغير فعالة في شبكة التغذية الكهربائية .

فالطاقة الفعالة : وهى الطاقة التى تتحول الى شغل ميكانيكى أو حرارى أوضوء …..الخ، وسميت بالفعالة لأنها الطاقة التى يستفاد بها ووحدتها الكيلو وات.

والطاقة الغير فعالة: وهى الطاقة التى لا يستفاد بها بشكل مباشر ولكن لايمكن الاستغناء عنها بل ان وجود الطاقة الفعالة أحيانا يعتمد فى الأصل على وجود الطاقة الغير فعالة كما فى المحولات والمحركات الكهربية،ووحدتها الكيلو فار

فما هي طبيعة الطاقة الغير فعالة :

جميع المحركات الكهربية وكذلك باقى أجهزة تحويل الطاقة الكهربية الى صورة أخرى من صور الطاقة تقوم بتحويل الطاقة الفعالة الكهربية والتى تقاس بالكيلو وات ساعة بواسطة عدادات الكهرباء. أما الطاقة الغير فعالة فتقوم الملفات المكونة للمحركات والمحولات (الأحمال الحثية عموما) فى اختزانها لاستخدامها فى انتاج المجال الكهربى الذى يبنى عليه نظرية عمل هذه الآلات والتى تقوم باعادة هذه الطاقة الى المنبع مرة أخرى مرتين فى كل نصف دورة (حيث تكون ترددها ضعف تردد المنبع). أما فى حالة الحمل السعوى كما فى المكثفات فيحدث نفس الشئ ولكن مع اختلاف الزاوية وذلك هو أساس استخدام المكثفات فى تحسين معامل القدرة. ومن الواضح أن هذه الطاقة الغير فعالة والتى تتسبب فى مرور تيار غير فعال بالشبكة الكهربية لوكانت غير موجودة فذلك يقلل الفقد فى الشبكة ويزيد من استيعاب الشبكة

تمكن الباحث المصري مايكل نجيب من جامعة تولين الأمريكية، من تصميم مكثف جديد كُلياً يمكن أن يساعد في تقليل نسب الفقد للطاقة في الشبكات وكذلك يستخدم في تقنية شحن السيارات الكهربائية والأجهزة المحمولة مثل الهواتف والكمبيوترات بسرعة فائقة.

قام الفريق العلمي، بقيادة نجيب الذي يشغل منصب أستاذ مساعد هندسة المواد، بتصميم مادة جديدة على المستوى النانوي تُحقق قوة عالية وكثافة طاقة كبيرة، وستساعد مستقبلًا في تحسين مجموعة كبيرة من تطبيقات تخزين الطاقة.

تبدأ الحكاية قبل نحو 10 سنوات، حين ابتكر نجيب نوعاً جديداً من المواد يُسمى «الماكسينات»؛ وهي عائلة من المواد تتكون من معادن انتقالية ثنائية الأبعاد -كمعدن التيتانيوم- وكربيدات- مركبات الكربون. بفضل هياكل تلك المواد ذات الطبقات وتوصيلتها الكهربائية العالية، فقد ظهرت كمادة واعدة لصناعة أقطاب كهربائية لتخزين الطاقة. فتلك المواد، يُمكن استخدامها كأقطاب كهربائية فائقة في مجموعة البطاريات العادية.

يُمكن استخدام المكثفات الجديدة في المستقبل في تخزين طاقة الرياح على سبيل المثال. قال نجيب: «إن توربينات الرياح -أثناء هبوب الرياح بسرعات عالية للغاية- يُمكنها حصاد طاقة كبيرة، لكن لا يُمكن تخزينها بنفس سرعة حصادها» فبطاريات الليثيوم المستخدمة لا تستطيع أن تشحن بسرعة تتناسب مع سرعة حصاد الطاقة لذا؛ فمن ضمن أفضل التقنيات التي يُمكن استخدام المكثف الجديد فيها هو تخزين الطاقة من الأجهزة القادرة على توليد طاقة في وقت قصير.

اختبر الباحثون في تلك الدراسة قدرة المكثف الجديد على التخزين طيلة 10 آلاف دورة كاملة؛ وهذا يعني أن عمر ذلك المكثف طويل، ويُساوي -إن لم يزد- عمر بطاريات الليثيوم أيون المستخدمة حالياً في تخزين الطاقة.

فماهو المكثف الفائق ذو الحالة الصلبة Solid-state Supercapacitor وكيف يؤثر في مستقبل تخزين الطاقة؟

المكثف الفائق ذو الحالة الصلبة هو نوع جديد من أجهزة تخزين الطاقة الذي يحظى بالاهتمام. حيث إنها توفر عددًا من المزايا مقارنة بالمكثفات الفائقة والمكثفات التقليدية. بما في ذلك كثافة طاقة أعلى وعمر أطول ودرجة حرارة تشغيل أعلى. وهذا يجعلها مرشحًا واعدًا لمجموعة متنوعة من التطبيقات، بما في ذلك السيارات الكهربائية والأجهزة القابلة للارتداء والغرسات الطبية.

تعمل المكثفات الفائقة ذات الحالة الصلبة باستخدام إلكتروليت صلب بدلاً من إلكتروليت سائل. وهذا يجعلها أكثر متانة وأمانًا من المكثفات الفائقة التقليدية، لأنها ليست عرضة للتسرب أو الحريق. كما يسمح أيضًا بكثافة طاقة أعلى، حيث يمكن جعله أرق وأخف من الإلكتروليت السائل.

ما القصة وراء أول مكثف فائق ذو الحالة الصلبة؟

تم اختراع أول مكثف فائق ذو الحالة الصلبة في عام 1991 من قبل باحثين في جامعة تكساس في أوستن. تم تصنيع الجهاز من غشاء رقيق من البوليمر الموصّل محشور بين طبقتين من رقائق معدنية، وكان قادرًا على تخزين وإطلاق الطاقة الكهربائي…

حيث تلعب الموصلات الكهربائية دورًا مهمًا في أداء جهاز تخزين الطاقة. ويمكن أن يؤدي تصميم المواد ومعالجتها وخصائص سطح الموصلات الكهربائية إلى تباين كبير في معاملات الأداء الرئيسية. فمثلًا يمكن أن يؤدي استخدام المواد ذات البنية النانوية مع مساحة سطح محددة عالية والمسامية الهرمية إلى أداء ممتاز واستقرار طويل للنظام. وكذلك استخدام الطاقة الحرارية الشمسية لتحسين أداء المكثفات الفائقة المرنة في درجات حرارة منخفضة، وهو أمر مهم للإلكترونيات القابلة للارتداء في الهواء الطلق.عع

بشكل عام ، يمكن أن تؤدي هذه التحسينات إلى زيادة كثافة الطاقة، وإخراجها، ومدى استقرار المكثفات الفائقة ذات الحالة الصلبة، مما يجعلها أكثر كفاءة وفعالية للتطبيقات المختلفة.

مزايا المكثف الفائق ذو الحالة الصلبة

يتميز المكثف الفائق ذو الحالة الصلبة بالعديد من المزايا مقارنة بالمكثف الفائق التقليدي، بما في ذلك:

كثافة طاقة أعلى: يمكن للمكثفات الفائقة ذات الحالة الصلبة تخزين طاقة أكثر من المكثفات الفائقة التقليدية. مما يجعلها خيارًا أكثر جاذبية للتطبيقات التي تتطلب كثافة طاقة عالية.

عمر أطول: تتمتع المكثفات الفائقة ذات الحالة الصلبة بعمر أطول من المكثفات الفائقة التقليدية. مما يجعلها خيارًا أكثر فعالية من حيث التكلفة للتطبيقات طويلة المدى.

درجة حرارة تشغيل أعلى: يمكن أن تعمل المكثفات الفائقة ذات الحالة الصلبة في درجات حرارة أعلى من المكثفات الفائقة التقليدية…

نطاق واسع لدرجة حرارة التشغيل: يمكن أن تعمل المكثفات الفائقة على نطاق واسع من درجات الحرارة، من -40 درجة مئوية إلى 85 درجة مئوية. بينما قد يكون أداء البطاريات محدودًا في درجات الحرارة القصوى.

صديقة للبيئة: لا تحتوي المكثفات الفائقة على مواد كيميائية سامة أو معادن ثقيلة. مما يجعلها صديقة للبيئة أكثر من البطاريات التقليدية.

ومع ذلك، من المهم ملاحظة أن أداء المكثفات الفائقة ذات الحالة الصلبة يمكن أن يختلف اعتمادًا على تصميم المواد ومعالجتها وخصائص سطح الموصلات الكهربائية. بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن تتأثر السعة والمقاومة الداخلية للمكثفات الفائقة مما قد يؤثر على كفاءتها.

ومن خلال العديد من الأبحاث العلمية في هذا المجال وجدت إحدى الدراسات أنه يمكن تحسين أداء المكثفات الفائقة ذات الحالة الصلبة في درجات الحرارة المنخفضة باستخدام الطاقة الحرارية الشمسية، مما قد يقلل من الحاجة إلى مصادر الطاقة الأخرى التي لها تأثيرات بيئية ضارة …

فيما يلي بعض التطبيقات المحتملة لمكثفات الحالة الصلبة الفائقة:

1- السيارات الكهربائية: يمكن استخدام المكثفات الفائقة الحالة الصلبة لتخزين الطاقة في السيارات الكهربائية، مما قد يساعد في توسيع نطاق السيارات الكهربائية وتقليل الوقت المستغرق لإعادة شحنها.

2- الأجهزة القابلة للارتداء: يمكن استخدام المكثفات الفائقة الحالة الصلبة لتشغيل الأجهزة القابلة للارتداء، مثل الساعات الذكية وأجهزة تتبع اللياقة البدنية.

3- الغرسات الطبية: يمكن استخدام المكثفات الفائقة الحالة الصلبة لتشغيل الغرسات الطبية، مثل أجهزة تنظيم ضربات القلب ومضخات الأنسولين.

4- استخدامها لتخزين الطاقات المنتجة من الرياح والطاقة الشمسية لأعادة استغلالها في أوقات تخفيف الأحمال وأوقات الذروة لتحسين نسبة الفقد في الطاقة الكهربائية وتحسين جودة التغذية الكهربائية واستقرار الجهود .

ولكن الجدير بالذكر بأن لكل تقنية جديدة مميزات وأيضا عيوب تتمثل في التخلص من الأجهزة بعد نهاية العمر الافتراضي: مثل جميع الأجهزة الإلكترونية، ستصل المكثفات الفائقة في النهاية إلى نهاية عمرها الإنتاجي وتحتاج إلى التخلص منها. يمكن أن يكون للتخلص من النفايات الإلكترونية آثار بيئية كبيرة، بما في ذلك تلوث التربة والمياه من المواد الكيميائية السامة وانبعاثات غازات الاحتباس الحراري من الحرق.

فلا تزال المكثفات الفائقة الحالة الصلبة في المراحل الأولى من التطوير، ولكن لديها القدرة على إحداث ثورة في صناعة تخزين الطاقة. بفضل كثافة الطاقة العالية والمتانة والسلامة، يمكن استخدام المكثفات الفائقة الحالة الصلبة لتشغيل مجموعة واسعة من الأجهزة وتحسين جودة التغذية الكهربائية وتحسين الفقد في الطاقة الكهربائية .

وبالعلم والعمل والايمان بالله والثقة في اجتهاد علماءنا وقدرتهم علي التغيير والتطوير والابتكار سنصل الي كل ماهو متميز ونتخطي كل الأزمات .. لاسيما أزمة الفقد في الطاقة الكهربائية.