الكاتب: Zainab Altal

بينما يتطلع العالم إلى مستقبل الطاقة المتجددة، يصبح تخزين الطاقة مصدر قلق لأنه مع مصادر الطاقة المتجددة، لا يكون العرض والطلب دائمًا في حالة توازن.

لا تتوفر مصادر الطاقة المتجددة مثل الرياح والشمس دائمًا عندما يحتاج المستهلكون إلى الطاقة، حيث تُهدر الطاقة الزائدة التي لا يمكن استخدامها على الفور ما لم يتم تخزينها.

ومع ذلك، قد يكون تخزين الطاقة مكلفًا، ولهذا تستخدم بعض المرافق محطات تحرق الوقود الأحفوري لتعويض الفارق خلال أوقات ذروة الطلب، إلّا أن هذه المحطات تعمل بكفاءة أكبر عندما تكون بكامل طاقتها، ويمكن أن يؤدي استخدام هذه المحطات لإعادة توزيع الطاقة إلى المزيد من التلوث.

تعتبر البطاريات الكيميائية مفيدة للسيارات الكهربائية ولكنها قد لا تكون الخيار الأفضل لشركات الإمداد، كما يمكن أن تكون دورات حياة البطاريات الكيميائية قصيرة أيضًا، فعلى سبيل المثال تدوم بطاريات أيونات الليثيوم حوالي خمس إلى عشر سنوات. وتعد مكلفة كما أن المعادن المستخدمة في تصنيعها تثير قضايا جغرافية سياسية وأخرى متعلقة بحقوق الإنسان.

إذًا فنحن بحاجة لإيجاد مواد أخرى.
فيما يلي ست مواد وطرق مبتكرة قد نستخدمها بدلًا من ذلك:

التخزين بضخ الماء

لا تُعتبر هذه فكرة جديدة: فقد استُخدم التخزين بالضخ منذ أوائل القرن العشرين، فقد استخدمَ التخزين بالضخ قديمًا الوقود الأحفوري لنقل المياه من خزان سفلي إلى خزان أعلى خلال ساعات الركود عندما تكون تلك الطاقة أرخص. وتعيد الجاذبية بعد ذلك المياه إلى الخزان السفلي عند الحاجة إلى الطاقة، مما يؤدي إلى تشغيل التوربينات أثناء تدفقها. ويمكن لمثل هذه الأنظمة اليوم أن تستبدل الطاقة المولدة من الوقود الأحفوري بالطاقة المتجددة. تُعتبر هذه الطريقة الأكثر شيوعًا لتخزين الكهرباء في يومنا الحالي وتمثل طريقة تخزين الطاقة المستخدمة بنسبة 93 بالمائة على مستوى المرافق في الولايات المتحدة.

بطاريات الجاذبية

كما هو الحال مع نظام تخزين الضخ، تستخدم هذه الطريقة الطاقة المتجددة لرفع الجسم من مستوى سفلي إلى مستوى أعلى، ثم تولد كتلته الثقيلة طاقة وضع الجاذبية بدلًا من الماء، وعندما تكون هناك حاجة إلى الطاقة، تنخفض الكتلة ببطء ويتحول المحرك الذي رفعه في المقام الأول إلى وضع المولد وتُرسَل الطاقة إلى المستهلك. تعتمد كمية الطاقة المولَّدة ومدة توليدها على ارتفاع ووزن الرفع. تبحث إحدى الشركات التي تعمل بهذه التكنولوجيا، وهي “غرافيتريسيتي” في إسكتلندا، فيما يتعلق باستخدام المناجم العميقة التي توقف تشغيلها لتخزين طاقة الجاذبية. وتُقدر الشركة عدد المناجم التي يمكن إعادة استخدامها لتخزين الطاقة بحوالي 14000 حول العالمبينما يتطلع العالم إلى مستقبل الطاقة المتجددة، يصبح تخزين الطاقة مصدر قلق لأنه مع مصادر الطاقة المتجددة، لا يكون العرض والطلب دائمًا في حالة توازن.

عجلة الموازنة

يمكن أن تكون عجلة الموازنة بسيطة مثل نظام الطاقة في سيارة الأطفال الصغيرة التي تعمل الاحتكاك أو معقدة مثل نظام “جي تو” التابع لناسا لتخزين الطاقة في مركبة فضائية. تعتبر عجلة الموازنة بطارية ميكانيكية ثقيلة الوزن تدور حول محور، حيث يمكن تخزين الطاقة عند دوران العجلة بسرعة كافية. تقيد هذه العملية عوامل الاحتكاك ومقدار القوة التي يمكن أن تتحملها العجلة قبل أن تنكسر.

البطاريات الرملية

تستخدم بطارية الرمل أو مادة شبيهة بها وتُسخّن إلى درجات حرارة أعلى بكثير من درجة غليان الماء – حوالي 500 درجة مئوية. ويلتقط الهواء البارد المنبعث عبر الأنابيب في منشأة التخزين، الحرارة ويمكن استخدامه على سبيل المثال، لتحويل الماء إلى بخار صناعي، تستخدم أول بطارية رملية تجارية في فنلندا حوالي 100 طن من الرمال منخفضة الجودة لتدفئة المنازل والمكاتب والمسابح الخاصة بالبلدية على مدار العام، ويقول مطوروها أن الرمال يمكن أن تحتفظ بحرارتها لعدة أشهر.

التخزين الديناميكي الحراري باستخدام الهواء المضغوط

يستخدم هذا النظام الطاقة الكهربائية لتكوين هواء مضغوط ذو ضغط عالي، والذي يمكن إطلاقه لاحقًا لتشغيل مولد توربيني. تتواجد الأشكال كبيرة النطاق لهذه الأنظمة عادة في الكهوف، ويُعتبر تخزين طاقة الهواء المضغوط تحت الماء أحد أشكال نظام التخزين، والذي يستفيد من ضغط الماء الثابت ويمكن أن يكون مفيدًا للمواقع الساحلية.

بطاريات خشبية

تتكون الشجرة بنسبة 30% – اعتمادًا على نوعها – من الليغنين، وهو الغراء الذي يربط ألياف السليلوز بعضها ببعض. يحتوي بوليمر الليغنين أيضًا على الكربون، والذي اتضح أنه مادة رائعة للقطب الموجب من البطارية.

تمتلك ستورا آنسو في فنلندا الكثير من الأشجار: فهي تًصنف كواحدة من أكبر مالكي الغابات الخاصة في العالم.

ووفقًا لبي بي سي، يقول مهندسو الشركة أنهم قادرون على استخراج الليغنين الذي يحتاجونه من مخلفات اللب التي تنتجها الشركة بالفعل.

دخلت ستورا آنسو في شراكة مع شركة “نورث فولت” السويدية لإنشاء بطاريات مستمدة من مصادر مستدامة في الدول الاسكندنافية، ومن المتوقع أن يبدأ تصنيعها في وقت مبكر من عام 2025.

ساهمت المواد البوليمرية، منذ اكتشافها في أوائل القرن العشرين، في التأثير في العديد من جوانب الحياة وقد يكون البلاستيك البوليمر الأكثر انتشارًا في حياتنا اليومية.

يتم إنتاج المواد البلاستيكية، على الرغم من قيمتها العالية، بكميات تفوق ما يتم تدويره ليشكل ذلك تحديًا بيئيًا كبيرًا. وتشير الإحصاءات إلى أنه يُعاد تدوير 9% فقط من مجموع الإمدادات العالمية للبلاستيك. ويتخلص الأفراد من المواد البلاستيكية إما بحرقها أو إلقائها في مكبات النفايات، الأمر الذي يسبب التلوث. وتوجد أيضًا كميات كبيرة من النفايات البلاستيكية في البحار والتي تشكل منظرًا مزعجًا للعين وتسبب الضرر للكائنات الحية البحرية والمنظومة المائية بشكل عام.

طور الأستاذ الدكتور شارماركي محمد، بالتعاون مع فريقه البحثي من مركز كيمياء المواد المتقدمة في جامعة خليفة، طريقة جديدة لإعادة تدوير النفايات البلاستيكية تعتمد على المزج ما بين القوة الميكانيكية (كجزء من الكيمياء الميكانيكية) والضوء والمحفزات.

وفي هذا الصدد، قال شارماركي: “قررنا تطوير الأدوات الميكانيكية الكيميائية الجديدة على الرغم من التحدي البيئي الكبير الذي تفرضه النفايات البلاستيكية، خاصة أن معظم الباحثين في العالم يسعون إلى التركيز على القوة الميكانيكية كوسيلة لتطوير مواد كيميائية جديدة، بمعنى أنهم يطوّرون أدوات معقدة من هياكل بسيطة. لذلك، قررنا الاستفادة من نفس المبادئ والقوة الميكانيكية والضوء والمحفزات لتفكيك مواد النفايات البوليمرية المعقدة إلى وحدات أصغر يمكن إعادة تدويره لاحقًا”.

وأضاف شارماركي: “تعتبر الطاقة الشمسية مسؤولة عن عملية التحلل الضوئي للمواد البلاستيكية في البيئة، خاصة في منطقة الأشعة فوق البنفسجية من الطيف الكهرومغناطيسي. وندرك كذلك أن بعض المحفزات الحيوية (مثل الإنزيمات) تتكيف مع استخدام الجزيئات العضوية الكبيرة مثل البلاستيك كمصدر للوقود. ويعني ذلك أننا نستمد الدروس من الطبيعة خلال محاولاتنا لتطوير بروتوكول على نطاق المختبر يقوم على الأساليب المجربة والمختبَرة في مجال تحويل النفايات البلاستيكية إلى مواد كيميائية عالية القيمة”.

وقال: “في ظل إعلان دولة الإمارات أن عام 2023 هو عام الاستدامة، قرر فريقنا البحثي تولي هذه الجهود الكبيرة في مجال هو الأصعب من نوعه، حيث ستحفزنا هذه التحديات لحل المشكلات البيئية التي تفرضها النفايات البلاستيكية”.

ووفقًا لما قاله شارماركي في حديثه مع مجلة جامعة خليفة للعلوم والتكنولوجيا، يتم إنتاج حوالي 380 مليون طن متري من البلاستيك كل عام ويُعاد تدوير حوالي 9% منها فقط، مضيفًا أن معالجة بعض المواد البلاستيكية تتم بالاستعانة بمواد كيميائية شديدة كالأحماض، ولكن بشكل عام يتم حرق معظم البلاستيك.

“تُطلق عملية الاحتراق ثاني أكسيد الكربون فتتسبب في زيادة نسبة الانبعاثات الكربونية عالميًا، كما لا يمكن إعادة استخدام البلاستيك بعد حرقه. وفي هذا الإطار، يسعى فريقنا إلى الاستفادة من البلاستيك بعد استخدامه من قبل المستهلك بهدف الوصول إلى طرق ميكانيكية جديدة منخفضة التكلفة قادرة على تفكيك هذه البوليمرات إلى الأجزاء المكونة لها.”

ويمكن بعد ذلك إعادة استخدام هذه الأجزاء لصنع منتجات بلاستيكية وكيميائية جديدة لأغراض الاستفادة منها.

ويقوم فريق شارماركي في الوقت الحالي بمشروع بحثي يمتد لثلاث سنوات بهدف دراسة عملية تتكون من ثلاثة أجزاء لإعادة تدوير البلاستيك. ويتلقى هذا البحث الدعم من مركز كيمياء المواد المتقدمة ويُموَّل من قبل مؤسسة “أسباير””، التي تعتبر دعامة بارزة في مجال إدارة برامج التكنولوجيا في مجلس أبحاث التكنولوجية المتقدمة في أبوظبي، من خلال جائزة “أسباير” للتميز البحثي.

وتتمثل الخطوة التالية في اختبار تأثير الضوء على العملية، وبعدها القيام بتجارب مع المحفزات غير العضوية (كالأملاح المعدنية) أو الإنزيمات لتقسيم المواد البلاستيكية.

“سنتمكن من تجميع هذه العمليات مع بعضها لإنشاء بروتوكول التحلل الضوئي والميكانيكي الإنزيمي في حال تمكنا من فهم كل منها على حدة، حيث سيُنفَّذ هذا البروتوكول بشكل تسلسلي كجزء من عملية تصنيع بالدفعات، تمامًا كما هو الحال في الأحزمة الناقلة في المصنع. ونهدف على المدى الطويل إلى استخدام هذه العملية في التخلص من النفايات البلاستيكية بعد الاستهلاك وإنتاج وحدات البناء الكيميائية للنفايات البلاستيكية بكفاءة.”

وفي هذا السياق، أشار شارماركي إلى أن عملية تقسيم البلاستيك إلى أجزاء بالتأثير عليه بقوة ميكانيكية قد تختلف باختلاف أنواعه، مما يزيد من صعوبة العملية ولكن أكد على أن النتائج الأولية للدراسة مبشرة

وأعربت زينب محمد سعيد، طالبة دكتوراه تركز على هذا المشروع البحثي، عن حماسها تجاه هذا النهج غير التقليدي لحل مشكلة طويلة الأمد.

وقالت زينب: “يعود مجال تحلل البوليمر إلى العديد من العقود الماضية، حيث حاول الأفراد التوصل إلى طرق مختلفة لمعالجة المشكلة باستخدام خبراتهم. وفي الوقت الحاضر، نسعى إلى البحث بصورة مبتكرة وننظر إلى المشكلة من منظور غير تقليدي باستخدام نهج التحفيز الميكانيكي. يمكن القول بأن هذا البحث صعب ولكنه في نفس الوقت يحفزنا لإيجاد الحلول وللتعرف إلى النتائج التي سنحصل عليها”.

وتشمل تحديات هذا البحث إنشاء أوعية قادرة على حمل المادة وفي نفس الوقت تتيح دخول الضوء بطول موجي معين، إضافة لارتفاع تكلفة الإنزيمات التي تقوم بتفكيك المواد البلاستيكية.

ومن جهة أخرى، يكمن هدف هذه الدراسة في رفع مستوى هذه التكنولوجيا إلى المستويات التي يتطلبها القطاع الصناعي، ويحتاج ذلك بعض الوقت ليتحقق.

وقال شارماركي: “يمكننا حاليًا إنتاج ما يصل إلى غرام أو غرامين، الأمر الذي يعتبر مناسبًا للتطبيق وتسجيل براءات الاختراع.”

يذكر أن مركز كيمياء المواد المتقدمة، والذي أنشِئ في العام 2022، يضم الخبرات من مختلف التخصصات لمواجهة المشاكل البيئية الكبرى. قال شارماركي: “تتوافق أساليب مركز كيمياء المواد المتقدمة في معالجة النفايات البلاستيكية مع طموحات دولة الإمارات الرامية إلى الانتقال للاقتصاد الدائري المستدام وتحقيق الحياد الكربوني”.