جدول المحتويات
التخزين الحراري للعمليات ذات درجات الحرارة العالية
في سياق إزالة الكربون من الصناعة، أصبح الاستخدام الفعال للطاقة الحرارية بشكل متزايد محور تركيز تكنولوجيا الطاقة. ولا سيما في مجال محطات الطاقة الشمسية المركزة (CSP) وفي صناعة تشغيل المع ادن، هناك حاجة كبيرة لتخزين درجات حرارة عالية (>600 درجة مئوية) لساعات أو أيام – سواء لتخفيف تذبذب مصادر الطاقة أو لاستعادة الحرارة المهدرة الصناعية. في معالجة المعادن، على سبيل المثال، يمكن تخزين الحرارة المهدرة المتولدة أثناء المعالجة الحرارية مؤقتًا في مواد التخزين وإعادة استخدامها لاحقًا لتسخين المواد أو في عمليات التجفيف.
وتستخدم المراكم الحرارية لهذا الغرض، والتي تمتص الطاقة الحرارية إما بشكل حساس (عن طريق زيادة درجة الحرارة) أو بشكل خفي (عن طريق تغير الطور) أو كيميائياً (عن طريق تفاعلات عكسية). وتتطلب
ويولى اهتمام خاص للمواد الصلبة مثل الجرافيت أو العوازل الخزفية أو الأنظمة المركبة التي تتكون من هذه المكونات. وتوفر هذه المواد مجموعة واسعة من التطبيقات كحاملات حرارية أو مواد هيكلية أو مصفوفات لمراحل وظيفية أخرى (مثل الأملاح والأكاسيد). ومع ذلك، لا يمكن تقييم أدائها من خلال التركيب الكيميائي أو نقاط الانصهار وحدها – فالسلوك طويل الأجل تحت الإجهاد الحراري الدوري هو العامل الحاسم.
يتم إجراء التقييم المنهجي لهذه الخواص في توصيف المواد باستخدام قياس المسعر بالمسح التفاضلي (DSC) في توصيف المواد. وكطريقة للتحليل الحراري، فإنه يتيح التحديد الدقيق للسعة الحرارية ودرجات الحرارة الانتقالية والتغيرات في الإنثالبي على دورات الحرارة المتكررة. ولذلك يعد DSC أداة لا غنى عنها لتحليل أنظمة المواد فيما يتعلق بقوة دوراتها واستقرارها الحراري في نطاق درجات الحرارة العالية.
تُظهر الدراسات الحديثة أنه يمكن استخدام تركيبات المواد المستهدفة – مثل مركبات السيراميك – الجرافيتي – لتطوير أنظمة تُظهر أداءً حراريًا ثابتًا على الرغم من الأحمال العالية على مدى مئات الدورات (يانغ وآخرون، 2025؛ ران وآخرون، 2020). تسلط هذه المقالة الضوء على متطلبات مواد تخزين الحرارة هذه، وتعرض أنظمة المواد ذات الصلة، وتوضح كيف يساهم DSC في تقييم مدى ملاءمتها للاستخدام.
متطلبات صهاريج تخزين الحرارة العالية الحرارة
يجب أن تفي المراكم الحرارية ذات درجات الحرارة العالية بمتطلبات معقدة من أجل استخدامها بشكل موثوق على نطاق صناعي. على عكس صهاريج التخزين لدرجات الحرارة المنخفضة أو المتوسطة، مثل تلك المستخدمة في خدمات المباني، فإن المتطلبات الرئيسية هنا هي سعة الحمل الحراري والمقاومة الكيميائية والسلامة الميكانيكية على مدى دورات عديدة. يتأثر اختيار المواد بشكل كبير بهذه القرارات متعددة المعايير.
المتطلبات الحرارية
إن القدرة على امتصاص الطاقة الحرارية وإطلاقها بكفاءة هي المفتاح. في حالة التخزين الحراري المحسوس، يتحقق ذلك عن طريق زيادة درجة حرارة المادة، حيث تكون specific heat capacity (cₚ) تحدد كمية الطاقة المخزنة. بالنسبة للتطبيقات ذات درجات الحرارة المرتفعة، يلزم وجود مواد تظل قيمها cــm_640↩ cــm_640↩m_640↩m_640↩m_640↩ سعة حرارية ثابتة قدر الإمكان على كامل نطاق درجة الحرارة. السعة الحرارية المطلقة العالية أمر مرغوب فيه، ولكن الأهم من ذلك أنها لا تنخفض على مدى العديد من دورات الشحن – وهو جانب لا يمكن تقييمه بوضوح إلا من خلال القياسات المتكررة.
تلعب الموصلية الحرارية أيضًا دورًا حاسمًا: لا يمكن للمواد ذات الموصلية المنخفضة توزيع الحرارة بالتساوي في جميع أنحاء الحجم، مما يؤدي إلى تدرجات حرارة غير مرغوب فيها وضغوطات مادية. يمكن لدمج المكونات عالية التوصيل – مثل الجرافيت – أن يساهم بشكل مستهدف في تجانس توزيع درجة الحرارة.
الثبات الكيميائي والميكانيكي
غالبًا ما تتعرض المراكم الحرارية في التطبيقات الصناعية ذات درجات الحرارة العالية ليس فقط للحرارة، ولكن أيضًا للأجواء التفاعلية أو اختلافات الضغط أو التلامس المادي مع الوسائط المعدنية أو المؤكسدة أو المسببة للتآكل. وبالتالي فإن
أحد الأمثلة: يتأكسد الجرافيت في جو من الأكسجين من حوالي 600 درجة مئوية – مما يحد من استخدامه في العديد من التطبيقات دون تدابير وقائية. ومن ناحية أخرى، يطور السيراميك، وخاصة تلك القائمة على SiC أو Si₃N₄، طبقات SiO₂ الواقية عند درجات حرارة عالية، والتي تعمل كحاجز انتشار وتمنع تغلغل الأكسجين.
الاستقرار الميكانيكي أمر بالغ الأهمية أيضًا. حيث تؤدي عمليات التسخين والتبريد المتكررة إلى التمدد والانكماشالحراري، مما يولد ضغوطًا في المادة. وتتمتع المواد ذات التمدد الحراري المنخفض وصلابة الكسر العالية بميزة هنا. يوفر السيراميك ثباتًا ممتازًا في الأبعاد، في حين أن الهياكل المرنة المسامية مثل الجرافيت الممدد يمكنها امتصاص ضغوط المواد جزئيًا.
التقييم بواسطة المسعر بالمسح الحراري التفاضلي (DSC)
لا يمكن تسجيل المتطلبات المذكورة أعلاه باستخدام صحائف بيانات المواد وحدها. وتكشف فقط التحليلات الحرارية الدورية – مثل تلك التي تتم باستخدام DSC – عن كيفية تغير cـ cm_209A↩ أو الإنثالبي أو التحولات الطورية في التشغيل الحقيقي. تتم محاكاة العديد من دورات التسخين/التبريد على وجه التحديد في قياسات DSC. وتشير الانحرافات في منحنيات المسعرات الناتجة إلى انخفاض في الأداء أو تغيرات هيكلية في مرحلة مبكرة.
يعد DSC أحد الطرق القليلة التي يمكنها تسجيل هذه التغيرات الفيزيائية المتعددة في وقت واحد، خاصةً في حالة تركيبات المواد الجديدة، مثل الأنظمة المركبة المصنوعة من السيراميك والجرافيت والأملاح. دراسات مثل تلك الخاصة بـ يانغ وآخرون. (2025) أو ران وآخرون. (2020) يُظهر أنه يمكن استخدام DSC لإصدار بيانات موثوقة حول قابلية الانعكاس الحراري واستقرار أنظمة المواد – وهو شرط أساسي لتطوير أنظمة تخزين الحرارة طويلة الأمد.
الجرافيت كمادة لتخزين الحرارة والمصفوفة
الجرافيت هو واحد من أكثر المواد التي يتم فحصها بشكل متكرر لتخزين الحرارة في نطاق درجات الحرارة العالية – ليس فقط بسبب خصائصه الحرارية، ولكن أيضًا بسبب مرونته الهيكلية. في شكل مسامي أو موسع، يمكن أن يعمل الجرافيت كمادة مصفوفة لمواد التخزين الأخرى مثل الأملاح أو أكاسيد المعادن، بينما يساهم في الوقت نفسه في توزيع الحرارة والاستقرار الهيكلي .
التوصيل الحراري وسلوك درجة الحرارة
ومن الخصائص الرئيسية للجرافيت هي الموصلية الحرارية متباينة الخواص الواضحة التي تكون أعلى بكثير في المستوى القاعدي (الموازي لمستوى الطبقة) من المستوى العمودي عليه. وهذا يتيح التوزيع الحراري الجانبي الفعال للحرارة، وهو أمر مفيد بشكل خاص في أنظمة التخزين المعيارية أو الطبقية. السعة الحرارية النوعية للجرافيت معتدلة مقارنةً بالمواد الصلبة الأخرى، ولكنها تزداد باستمرار مع زيادة درجة الحرارة – وهي خاصية يمكن الاستفادة منها في التخزين الحراري الحساس.
أثناء التشغيل، ثبت أن الجرافيت يظل مستقرًا حراريًا في بيئة غازية خاملة على مدار العديد من دورات درجات الحرارة. وقد أظهرت دراسات مثل تلك التي أجراها يانغ وآخرون. (2025) تُظهر أن مركبات الجرافيت المثبتة بالسيراميك تحافظ على قدرتها التخزينية بشكل مستمر تقريبًا على مدار عدة مئات من الدورات الحرارية. ويحمي الجمع مع المواد الخزفية الجرافيت من التدهور الهيكلي كما أن له تأثيرًا مثبتًا لدرجة الحرارة.
قابلية التأكسد والتدابير الوقائية
في الأجواء المؤكسدة – خاصةً في وجود الأكسجين الجوي – يبدأ الجرافيت في التأكسد عند درجات حرارة تبلغ حوالي 600درجة مئوية. وهذا يحد بشدة من استخدامه في الأنظمة المفتوحة. وهذا يحد بشدة من استخدامه في الأنظمة المفتوحة. من أجل توسيع نطاقات درجات حرارة التطبيق، غالبًا ما يتم اتخاذ تدابير وقائية للتخميل على سبيل المثال:
- التشغيل في جو غاز خامل (الأرجون، النيتروجين)
- التضمين في هياكل الكسوة الخزفية (على سبيل المثال Al₂O₃، SiC)
- استخدام أنظمة الطلاء ذات الخصائص المثبطة للانتشار
ومن الأمثلة العملية على ذلك عمل ران وآخرون. (2020)حيث تم دمج الجرافيت الممدد مع أملاح سهلة الانصهار وإضافات خزفية. لم تُظهر المركبات تحسنًا في التوصيل الحراري مقارنةً بأنظمة الأملاح النقية فحسب، بل زادت أيضًا من ثبات الدورة بشكل كبير. كان دور الجرافيت هنا هو امتصاص الملح وتحسين توزيع الحرارة في الحجم. وأظهر التحليل الحراري باستخدام DSC أن الإنثالبي المخزن ظل ثابتًا إلى حد كبير على مدى عشرات الدورات.
سيناريوهات التطبيق وتكامل المواد
وبالإضافة إلى دوره كمادة تخزين نشطة، يمكن أن يعمل الجرافيت أيضًا كحامل هيكلي في مركبات المواد الأكثر تعقيدًا. ويمكن استخدام الجرافيت في أنظمة التخزين عالية الحرارة القائمة على الوحدات النمطية مثل تلك المستخدمة في محطات الطاقة الشمسية المركزة أو أنظمة الحرارة الصناعية في العمليات الصناعية، لتحقيق مسارات موصلة للحرارة داخل نظام عازل.
كما يتيح تكامل هياكل الجرافيت المسامية أيضًا التشريب بمكونات PCM أو الاقتران مع وسائط التخزين المعدنية. ويعمل الجرافيت كوسيط قولبة يجمع بين الوظائف الحرارية والميكانيكية في مكون واحد.
العوازل الخزفية: الهيكل والحماية والثبات في صهاريج التخزين ذات درجات الحرارة العالية
تلعب مواد السيراميك دورًا استراتيجيًا مهمًا في سياق تخزين الطاقة الحرارية في نطاق درجات الحرارة المرتفعة – ليس كمخزن للطاقة في المقام الأول، ولكن كمكونات هيكلية وحرارية وكيميائية للتثبيت. وهي تُستخدم في شكل مصفوفات أو طبقات أو تضمينات وظيفية وتساهم بشكل حاسم في متانة وسلامة أنظمة تخزين الحرارة.
الخواص الحرارية وحدود التطبيق
يتميز السيراميك النموذجي عالي الأداء مثل أكسيد الألومنيوم (Al₂O₃) أو أكسيد الزركونيوم (ZrO₂) أو كربيد السيليكون (SiC ) بمقاومته الشديدة لدرجات الحرارة (>1500 درجة مئوية)، والتوصيل الحراري المنخفض (عادةً <10 واط/م-ك) والتمدد الحراري المنخفض للغاية. وتؤهلها هذه الخصائص لاستخدامها كعوازل حرارية في وحدات التخزين المعيارية، خاصةً لفصل مناطق التوصيل الحراري عن مناطق تخزين الحرارة أو لحماية المواد الحساسة.
تعمل الموصلية الحرارية المنخفضة على مقاومة الإطلاق غير المرغوب فيه للحرارة في البيئة، بينما يضمن ثبات الأبعاد العالي السلامة الميكانيكية على مدار العديد من الدورات. وفي ظل الإجهاد الحراري المتكرر – كما هو معتاد في عملية الشحن/التفريغ لخزانات التخزين ذات درجة الحرارة العالية – لا تظهر هذه المواد أي تغييرات هيكلية ذات صلة.
الثبات الكيميائي: التخميل وحاجز الانتشار
وثمة ميزة أخرى للعوازل الخزفية وهي خمولها الكيميائي تجاه الوسائط المؤكسدة أو المسببة للتآكل أو التفاعلية. ويكتسب هذا الأمر أهمية خاصة عند استخدامه مع مواد مثل الجرافيت الذي يتأكسد عند التلامس مع الأكسجين فوق 600 درجة مئوية. في ظل هذه الظروف، يشكل السيراميك مثل
وفي الأنظمة المركبة، تؤدي هذه السيراميك بالتالي وظيفة مزدوجة: فمن ناحية، تعمل كهيكل دعم ميكانيكي، ومن ناحية أخرى، كغلاف خامل كيميائيًا يحمي نوى الجرافيت أو مكونات PCM من التأثيرات البيئية، على سبيل المثال. وهذا يخلق بيئة متناهية الصغر يمكن التحكم فيها مما يطيل بشكل كبير من عمر خدمة النظام بأكمله.
الوظيفة الهيكلية في المواد المركبة
يمكن هيكلة السيراميك بطريقة مستهدفة – على سبيل المثال في شكل مواد حاملة مسامية أو ألواح أو أقراص عسلية أو مواد صلبة سائبة – وبالتالي تتيح تصميمًا دقيقًا لتدفق الحرارة في خزان التخزين. وبالاقتران مع المكونات الموصلة للحرارة مثل الجرافيت، يتم إنشاء أنظمة هجينة يتم فيها الجمع بين مزايا كلتا المادتين من الناحية الوظيفية: المقاومة الميكانيكية والاستقرار الكيميائي من جانب السيراميك، وتوزيع الحرارة وتخزين الطاقة من جانب الجرافيت.
ومن الأمثلة الناجحة على ذلك عمل ران وآخرون. (2020)حيث تم تضمين مكونات السيراميك في نظام ملح الجرافيت. ضمنت مصفوفة السيراميك توزيعًا متساويًا لمواد التخزين، وقللت من الضغوط الميكانيكية الحرارية، وفي الوقت نفسه حسّنت مقاومة الأكسدة للجسم المركب بأكمله. تم تأكيد الثبات على المدى الطويل من خلال قياسات DSC على مدى العديد من دورات درجة الحرارة.
| Graphit | 0,7–1,0 | >100 | Hoch | Niedrig (oxidativ) |
| Aluminiumoxid (Al₂O₃) | 0,8–1,1 | <10 | Hoch | Hoch |
| Keramisch-Graphit-Verbund | variabel | mittel–hoch | Hoch | anpassbar |
قياس المسعر بالمسح التفاضلي (DSC): مفتاح تقييم ثبات الدورة
يعتمد تطوير مواد تخزين حراري مستقرة الدورة لنطاق درجات الحرارة المرتفعة على طرق تحليل موثوقة تحدد بدقة الخصائص الحرارية. وقد أثبت مسعر المسح التفاضلي (DSC) نفسه كأحد طرق الاختبار الرئيسية في هذا الصدد. فهو يجعل من الممكن تحديد التحولات الطورية، وتغيرات الإنثالبي والسعة الحرارية النوعية (cـــــــــ) للمواد كدالة لدرجة الحرارة وعلى دورات التحميل المتكررة.
مبدأ DSC
يقيس DSC الفرق في التدفق الحراري بين عينة ومرجع أثناء تسخين أو تبريد كليهما إلى درجة حرارة محددة بطريقة مضبوطة. تشير التغيرات في التدفق الحراري إلى التحولات الفيزيائية أو الكيميائية في العينة، على سبيل المثال:
- العمليات الماصة للحرارة: على سبيل المثال الذوبان والتغير الطوري
- العمليات الطاردة للحرارة: مثل التبلور، والتفاعلات
- تغيرات cـ cــA↩ المعتمدة على درجة الحرارة
إن كيفية تغير هذه الخصائص الحرارية على مدى العديد من الدورات أمر مثير للاهتمام بشكل خاص لتقييم المراكم الحرارية عالية الحرارة. وهنا بالضبط تكمن قوة DSC: من خلال تكرار دورات التسخين/التبريد، يمكن تحديد ما إذا كانت المادة تفقد الأداء ومدى سرعة فقدانها للأداء – على سبيل المثال بسبب التغيرات الهيكلية أو الأكسدة أو انفصال الطور.
التطبيق على المواد ذات درجة الحرارة العالية
بالنسبة لمواد مثل الجرافيت أو مركبات السيراميك-الجرافيت أو المركبات المحتوية على الجرافيت-الجرافيت أو المركبات المحتوية على PCM، يمكن استخدام DSC لتحليل المعلمات الرئيسية مثل السعة الحرارية ودرجات الحرارة الانتقالية ليس فقط في الحالة الطازجة، ولكن أيضًا بعد العديد من الدورات الحرارية. على سبيل المثال، من الممكن معرفة ما إذا كان الإنثالبي المخزن يتناقص بمرور الوقت أو ما إذا كان نطاق درجة الحرارة الذي يحدث فيه الانتقال الطوري يتغير.
في عمل يانغ وآخرون. (2025) تم اختبار مركبات الجرافيت المثبتة بالسيراميك في عدة دورات تسخين/تبريد. أظهرت نتائج DSC أداءً حراريًا مستقرًا على مدار
يمكن العثور على نهج مماثل في ران وآخرون. (2020)التي حللت مصفوفة ملح-جرافيت-سيراميك سهل الانصهار. هنا أيضًا، تم استخدام DSC لاختبار قابلية انعكاس التحولات الحرارية على الإجهاد الحراري المتكرر – مع نتائج إيجابية من حيث ثبات الدورة.
الأهمية والحدود
مزايا DSC في فحص المواد هي
- حساسية عالية للتأثيرات الحرارية الصغيرة
- بروتوكولات الاختبار القادرة على الدوران لمحاكاة أحمال التخزين الحقيقية
- التحديد الكمي للسعة الحرارية والحرارة الحرارية
- قابلية تطبيق درجة حرارة واسعة (تصل إلى >1500 درجة مئوية حسب الجهاز)
وفي الوقت نفسه، هناك قيود: يمكن أن يحدث عدم دقة القياس في درجات الحرارة المرتفعة للغاية أو مع العينات الكبيرة جدًا، وكذلك مع المواد متباينة الخواص ذات الموصلية الحرارية العالية. في مثل هذه الحالات، من المنطقي الجمع بين طرق أخرى – مثل قياس الثقل الحراري (TG) أو القياسات التوسعية.
الخلاصة والتوقعات: التقييم المنهجي للتخزين الحراري
يعد التخزين الحراري المستهدف في نطاق درجات الحرارة المرتفعة قضية رئيسية للعمليات الصناعية وأنظمة الطاقة المتجددة. في تطبيقات مثل الطاقة الشمسية المركزة (CSP) أو صناعة تشغيل المعادن، يمكن أن تساعد حلول التخزين عالية الكفاءة في تقليل فقد الطاقة وتخفيف أحمال الذروة وتوفير حرارة المعالجة بما يتماشى مع الطلب.
يظهر التحليل: لا يفي الجرافيت ولا المواد الخزفية بجميع المتطلبات بمعزل عن بعضها البعض. ومع ذلك، يتيح الجمع بينهما في المواد المركبة الجمع بين التوصيل الحراري وسعة التخزين والاستقرار الكيميائي بطريقة مستهدفة. يوفر السيراميك القوة الهيكلية والحماية الكيميائية، بينما يقوم الجرافيت بتوزيع الحرارة وتخزينها بكفاءة كمصفوفة أو مادة مضافة.
يعد استقرار الدورة أمرًا أساسيًا لاختيار المواد: لا يكون المركم الحراري مناسبًا للاستخدام العملي إلا إذا كان يوفر أداءً ثابتًا على مدار العديد من عمليات الشحن والتفريغ. يقدم قياس المسعر بالمسح التفاضلي (DSC) مساهمة حاسمة هنا: فهو يجعل انخفاض الأداء مرئيًا في مرحلة مبكرة، ويحدد القيم المميزة ذات الصلة مثل السعة الحرارية والحرارة الحرارية، ويسمح بالمقارنة المباشرة بين أنظمة المواد المختلفة في ظل ظروف واقعية.
الأعمال التي استشهد بها يانغ وآخرون. (2025) و ران وآخرون. (2020) كيف يمكن تطوير مواد تخزين عالية الاستقرار من خلال تركيبات المواد المستهدفة والتحليل الدقيق. يتم دمج هذه النتائج بشكل متزايد في تطوير المواد لحلول التخزين الصناعية.
وجهات نظر
ستركز التطورات المستقبلية على الجوانب التالية:
- قابلية التوسع وإنتاج المواد المركبة المحسّنة من حيث التكلفة
- طرق الاختبار الموحدة للتقييم القابل للمقارنة لثبات الدورة
- اختبارات طويلة الأجل في ظل ظروف تشغيل حقيقية
- الجمع بين DSC والطرق التحليلية الأخرى (مثل TG، وقياس حيود الأشعة السينية)
وبهدف التنفيذ الصناعي، من الواضح أن علم المواد يمكن أن يسهم إسهامًا كبيرًا في زيادة الكفاءة والمتانة والموثوقية التشغيلية لأنظمة التخزين الحراري من خلال التحليلات المنهجية مثل DSC. وهذا يجعلها جزءًا لا يتجزأ من أنظمة الطاقة المستدامة – من النطاق المختبري إلى النطاق الصناعي.
المراجع
- Yang, X. et al. (2025):
مركبات سيراميك-جرافيت ذاتية التسخين ذات سعة تخزين طاقة حرارية مستقرة، ACS Energy Letters, 10(3), 1234-1242. DOI: 10.1021/acsenergylett.4c03270
- Ran, X., Wang, H., Zhong, Y., Zhang, F., Lin, J., Zou, H., Dai, Z., & An, B. (2021). الخصائص الحرارية للأملاح سهلة الانصهار/السيراميك/الجرافيت المركب/الجرافيت الموسع لمواد تغيير الطور المركبة لتخزين الطاقة الحرارية في درجات الحرارة العالية. مواد الطاقة الشمسية والخلايا الشمسية، 231، 111047. DOI: 1016/j.solmat.2021.111047
