الثلج مطلوب بشدة في الصيف لتحضير المشروبات الباردة، لكن علماء المواد في جامعة تكساس إيه اند إم يدفعون الآن بتكنولوجيا «بطاريات الثلج» لتخزين الطاقة الحرارية إلى آفاق جديدة. الدكتور باتريك شامبرغ، أستاذ مشارك في قسم علوم وهندسة المواد، يركز على المواد القادرة على تخزين وإطلاق الطاقة الحرارية، وقد نشر مع زملائه في مجلة The Journal of Physical Chemistry C دراسة تتناول طرق تحسين أداء هذه المواد.

تعمل أنظمة بطاريات الثلج على تجميد الماء أو مواد أخرى ليلاً عندما تكون أسعار الكهرباء منخفضة والطلب ضعيفاً، ثم تستخدم البرودة المخزنة نهاراً لتبريد المباني، مما يقلل من استهلاك الطاقة في أوقات الذروة ويخفض التكاليف. ورغم أن الفكرة ليست جديدة، فإن بحوث شامبرغ تركز على حل التحديات الرئيسية لجعل المواد أكثر كفاءة واستقراراً وتحملًا لفترات طويلة.

يقول شامبرغ:

«تكنولوجيا بطاريات الثلج موجودة منذ فترة، لكن من ناحية المواد، أهتم بأي مادة تناسب درجة الحرارة المطلوبة، وهل يمكن أن تكون قابلة للعكس، وهل تستطيع الصمود لمدة 30 عاماً».

رغم أن هذه الأنظمة تقلل الاعتماد على الشبكة الكهربائية نهاراً، إلا أنها لا تزال تستهلك الكهرباء ليلاً لتجميد الماء، حيث يتم تجميد حوالي 500,000 رطل من الثلج كل ليلة في الأنظمة الكبيرة.

يطور فريق شامبرغ مركبات ملحية مائية (أملاح تحتوي على جزيئات ماء في بنيتها البلورية) ومركبات أخرى قادرة على تخزين وإطلاق الطاقة الحرارية عند درجات حرارة مناسبة للبيئة. ومن خلال ضبط نطاق درجة حرارة المواد، يهدف الفريق إلى زيادة كفاءة الطاقة وجعل النظام أكثر توافقاً مع تطبيقات التبريد والتدفئة، خاصة في المباني التي تستخدم المضخات الحرارية.

يقول شامبرغ: «نحن نضبطها عند درجة حرارة معينة لتتوافق مع طرق دمج محددة مع أنظمة التكييف والتدفئة والتهوية (HVAC)».

أحد أكبر التحديات التقنية هو «الانفصال الطوري»، حيث تنفصل المادة في كثير من أنظمة الأملاح المائية إلى طور صلب وطور سائل بكثافات مختلفة، مما يؤدي مع الوقت إلى تدهور الأداء. تهدف الدراسة إلى منع هذا التدهور من خلال فهم أعمق للديناميكا الحرارية للمواد، والبحث عن تركيبات أكثر استقراراً قادرة على الدورات الموثوقة لسنوات عديدة.

يهدف بحث شامبرغ على المدى الأطول إلى دعم شبكة كهرباء أكثر مرونة وقدرة على الصمود. فمع تزايد الاعتماد على الطاقة الشمسية والرياح، تزداد تقلبات العرض والطلب، وتصبح تقنيات نقل استهلاك الطاقة من أوقات الذروة إلى أوقات الهدوء ضرورية.

يقول شامبرغ:

«لا نريد حل مشاكل الشبكة ببناء محطات توليد جديدة، فهذا حل مكلف للغاية ويرفع فواتير الكهرباء بشكل عام».

من خلال تخزين البرودة عند انخفاض أسعار الكهرباء واستخدامها في أوقات الذروة، تستطيع المباني خفض تكاليف الطاقة وتساعد في استقرار الشبكة. النظام المثالي يجب أن يندمج بسلاسة في أنظمة التكييف الحالية ويعمل تلقائياً. حالياً، هناك أنظمة بطاريات ثلج تعمل بالفعل، منها مبنى Eleven Madison المكون من 30 طابقاً في نيويورك.