تعتبر الطاقة المتجددة وتخزينها وتحويلها ضرورية للتعامل مع تغير المناخ واستقلال الطاقة
إن الحاجة إلى تقليل الأضرار الناجمة عن تغير المناخ دفعت قادة العالم إلى مبادرة عالمية للحد من استخدام الوقود الملوث والتحول إلى تقنيات إنتاج الطاقة المستدامة، كما يوضح البروفيسور إلباز من قسم الكيمياء في جامعة بار إيلان. البروفيسور الباز هو واحد من مجموعة متزايدة من الباحثين في مجال الطاقة الخضراء، الذين يعملون في جامعة بار إيلان كجزء من المركز الجديد للطاقة والاستدامة وكذلك محاضرين في الأقسام المختلفة ويتطرقون إلى مجال الطاقة المتجددة والطاقة الخضراء من زوايا عديدة ومتنوعة.
ويركز نشاط مركز الطاقة على قطاعات الطاقة التي تشمل الطاقة الشمسية والاقتصاد الهيدروجيني وخلايا الوقود والمواد المعقدة وتطوير الوقود الحيوي وتكنولوجيا النانو والذكاء الاصطناعي. ويعمل الباحثون في المركز في مجالات تحويل الطاقة، مثل تراكم الطاقة وأنظمة التحويل، وتوليد الهيدروجين وتخزينه، وتطوير البطاريات القابلة لإعادة الشحن، والمكثفات الفائقة، والشبكات الكهربائية، والموصلية الفائقة والتحويل الفعال، والبطاريات ذات كثافة الطاقة العالية والسعة الكبيرة. أنظمة تخزين الطاقة على نطاق واسع.
الطاقة الخضراء أو المتجددة ليست جديدة. وقد تم استخدامه عبر تاريخ البشرية. كانت المحاريث وأحجار الرحى والعربات والمطاحن والعديد من التقنيات الأخرى مدعومة بالقوة العضلية للأشخاص والحيوانات. تم تسخير الرياح لتشغيل مطاحن الحبوب وضخ المياه، كما تم تحويل تيارات المياه أيضًا لتشغيل المطاحن. تم تسخير الطاقة الشمسية لتجفيف وتسخين الأطعمة والجلود ومواد البناء والمزيد. ونوع الطاقة التي تؤثر على الغلاف الجوي هي تلك التي تنطوي على النار، والتي بدورها تؤدي إلى انبعاث ثاني أكسيد الكربون - بدءاً من النيران الأولى التي أشعلها الإنسان القديم وانتهاءً بمحطات توليد الطاقة الكربونية ومحركات السيارات في عصرنا هذا. ويؤدي ثاني أكسيد الكربون وغيره من الغازات إلى خلق ظاهرة الاحتباس الحراري التي تكمن وراء أزمة المناخ التي نشهدها بشكل ملموس أكثر فأكثر في السنوات الأخيرة. يركز النشاط البحثي في بار إيلان من ناحية على إنتاج الطاقة النظيفة، أي مع الحد الأدنى من انبعاث الغازات الدفيئة، ومن ناحية أخرى، على تخزين وتحويل الطاقة بكفاءة.
فالبروفيسور الباز، على سبيل المثال، منخرط في الأبحاث في مجال تخزين الطاقة، وتحديداً في الخلايا الهيدروجينية. وعلى الرغم من أنه من الممكن توليد ما يكفي من الطاقة من الرياح والشمس، إلا أن هذه المصادر غير متوفرة خلال جميع ساعات النهار والمواسم. ولذلك، هناك حاجة إلى تقنيات لتخزين ونقل الطاقة بكميات كبيرة. أحد الحلول الواعدة هو استخدام الهيدروجين، الذي يمكن إنتاجه من الماء. وفي قلب هذا المفهوم تكمن تكنولوجيا خلايا الوقود، التي تحول الطاقة الكيميائية المحتبسة في الهيدروجين مباشرة إلى كهرباء نظيفة في عملية كهروكيميائية..
في العقد الماضي، كان هناك تقدم كبير في التكنولوجيا، والتي تسمح اليوم لمصنعي السيارات ومحطات الطاقة وغيرها ببناء منتجاتهم على خلايا الوقود والهيدروجين. ويعتمد استمرار العمل على تطوير خلايا الوقود التي لا تعتمد على معادن ثمينة أو معادن متمركزة في أماكن بها مشاكل. ولهذا الغرض، يتم توجيه الجهود نحو تطوير خلايا الوقود بالاعتماد على مواد أولية شائعة ورخيصة الثمن. إن التطور الذي تم إجراؤه في مختبر البروفيسور الباز يجعل من الممكن لأول مرة متابعة عمليات تحلل المحفزات - التي تعد مكونًا أساسيًا في العملية الكهروكيميائية التي تحدث في خلايا الوقود - والتي لا تعتمد على مواد خام مهمة. وفي دراسة مشتركة مع مختبرات في الولايات المتحدة وأستراليا، طور البروفيسور الباز طريقة تتيح فصل العمليات التي تحدث على المحفز والمرتبطة به عن العمليات الأخرى التي تحدث في خلايا الوقود. وستمكن هذه الطريقة من تطوير محفزات أكثر نشاطًا ومتانة وبالتالي تقليل تكنولوجيا خلايا الوقود بشكل كبير.
وبينما يتعامل البروفيسور الباز مع تخزين الطاقة، فإن البروفيسور كاهان، خبير الطاقة الشمسية وخاصة الخلايا الكهروضوئية من قسم الكيمياء ومعهد تكنولوجيا النانو والمواد المتقدمة في بار إيلان، يتعامل مع إنتاج الطاقة النظيفة، في هذا المجال. الحالة - الطاقة الشمسية.
كان أول استخدام تجاري كبير للطاقة الشمسية لتوليد الكهرباء على الأرض في محطات الطاقة الشمسية الحرارية، حيث تم تسخين السائل (عادة النفط)، وتم استخدام الحرارة بنفس الطريقة التي تنتج بها محطات الطاقة المعتمدة على الوقود الأحفوري الكهرباء: الحرارة هي يستخدم لتكوين هواء ساخن، أو بخار، يتحرك بسرعة. وعندما يتحول لونه إلى اللون الأسود، يُستخدم الضغط لتدوير حلقات مصنوعة من مادة موصلة، بحيث يتم إنشاء تيار كهربائي بالداخل. يقول البروفيسور كاهان إن مثل هذه المحطات تم إنشاؤها في الثمانينيات في صحراء موهافي في كاليفورنيا من قبل شركة إسرائيلية. وفي الوقت نفسه، تم إنشاء المنشآت الكهروضوئية (ما نسميه الألواح الشمسية).
في البداية، لم يكن إنتاج الكهرباء باستخدام النهج الحراري الشمسي أو الكهروضوئي فعالاً. "إذا قارناها بمحطة كهرباء "أوروت رابين" في الخضيرة، فإن محطات الطاقة الكهروضوئية في الصحراء أنتجت حوالي 0.25% من ضوء النهار، وكانت أولى محطات الطاقة الشمسية الحرارية تنتج 0.4% - 1.2% من ناتج "أوروت رابين" (والذي، بالمناسبة، لا يزال يستخدم حتى اليوم، بشكل رئيسي في الفحم - وهو أمر سيء، ولكنه ينتج الكهرباء ليلا ونهارا - وهو أمر جيد) يقول البروفيسور خان. "إن التوقيت في الثمانينيات هو نتيجة مباشرة للبحث عن مصادر بديلة للطاقة بعد أزمة الطاقة الأولى التي شهدها العالم بسبب حرب يوم الغفران والثورة الإيرانية في السبعينيات." وحتى اليوم، وفي ظل الحرب في أوكرانيا، يتزايد فهم أهمية الاعتماد على مصادر الطاقة المحلية.
الميزة الكبيرة للخلايا الكهروضوئية هي أنها إذا كانت ثابتة ولا تتبع الشمس حسب الوقت من النهار والفصول، فلا توجد بها أجزاء متحركة ميكانيكيا، مما يساهم في متانتها. ومن ناحية أخرى، فإن المحطة الكهروحرارية تشبه إلى حد ما محطة توليد الطاقة التي تعمل بالوقود المعدني، والتي يتم إضافة المزيد من الأنابيب والمرايا إليها لإنشاء مجموعة كيميائية معقدة، والتي تحتوي على العديد من الأجزاء المتحركة. إلى حد ما، هذا هو الفرق بين التوصيل في الكابلات والتوصيل في الأنابيب. الطرق الأخرى لإنتاج الطاقة الشمسية هي من خلال المولدات الكهروحرارية الحقيقية. يتم استخدامها في المواد التي تنتج جهدًا كهربائيًا بين الجزء الساخن والجزء البارد. إنها ليست فعالة جدًا، ولكنها موثوقة جدًا، إذا تم تسخينها بواسطة مصدر موثوق.
ويشير البروفيسور خان إلى أن التكنولوجيا المتميزة في مجال اليوم هي الخلايا الكهروضوئية. والموضوع الرئيسي هو كفاءة التحويل بين الطاقة الشمسية والطاقة الكهربائية والوصول إلى كفاءة عالية ستبقى مستقرة على المدى الطويل. تبذل الجهود في جامعة بار إيلان للتركيز على هذه القضية وإيجاد مواد جديدة يمكن من خلالها إنتاج خلايا فلطائية ضوئية متينة ومستقرة للغاية.
المزيد عن الموضوع على موقع العلوم:
