تخزين الطاقة الحرارية

يتكون خزان البخار من خزان ضغط فولاذي معزول يحتوي على ماء ساخن وبخار مضغوط. وباعتباره جهازًا لتخزين الحرارة، يُستخدم لتنظيم إنتاج الحرارة من مصدر متغير أو ثابت استجابةً لطلب متغير عليها. وقد تكتسب خزانات البخار أهميةً في تخزين الطاقة ضمن مشاريع الطاقة الشمسية الحرارية .

تُستخدم خزانات تخزين الحرارة على نطاق واسع عالميًا، لا سيما في المناطق التي تتمتع بشبكات تدفئة مركزية راسخة وفي المناطق المشمسة للاستفادة من الطاقة الشمسية المركزة. وتُستخدم هذه الخزانات لأغراض سكنية وتجارية وصناعية، بدءًا من التدفئة الموسمية وصولًا إلى موازنة شبكات الطاقة المتجددة. وهذا مثال على جهاز تخزين حراري محسوس له مزايا وعيوب. ^{[ 10 ]}

تتمتع المياه بواحدة من أعلى السعات الحرارية، حيث تبلغ 4.2 كيلوجول/(كجم·كلفن). وتُستخدم خزانات كبيرة، معظمها خزانات لتخزين المياه الساخنة، على نطاق واسع في دول الشمال لتخزين الحرارة لعدة أيام، لفصل إنتاج الحرارة عن إنتاج الطاقة، وللمساعدة في تلبية ذروة الطلب. وتستخدم بعض المدن بركًا معزولة تُسخّن بالطاقة الشمسية كمصدر حراري لمضخات التدفئة المركزية . ^{[ 11 ]} وقد دُرست إمكانية التخزين بين المواسم في الكهوف، ويبدو أنها اقتصادية ^{[ 12 ]} وتلعب دورًا هامًا في التدفئة في فنلندا . وتُقدّر شركة هيلين أو واي، المُنتجة للطاقة، سعة تخزين تبلغ 11.6 جيجاواط ساعة، وقدرة إنتاج حراري تبلغ 120 ميجاواط لـخزان مياه بسعة 260,000  متر ^مكعب تحت موستيكاما (يتم ملؤه أو تفريغه بالكامل في 4 أيام عند السعة القصوى)، سيبدأ تشغيله اعتبارًا من عام 2021 لتعويض أيام ذروة الإنتاج/الطلب؛ ^{[ 13 ]} بينما كهوف صخرية ^بحجم 300,000 متر مكعبتم تخصيص خزانات مياه تحت سطح البحر بعمق 50  مترًا في كروونوفوورينرانتا (بالقرب من لاجاسالو ) عام 2018 لتخزين الحرارة في الصيف من مياه البحر الدافئة وإطلاقها في الشتاء للتدفئة المركزية . ^{[ 14 ]} وفي عام 2024، أُعلن أن شركة تزويد الطاقة البلدية في فانتا قد بدأت تشغيل منشأة تخزين حراري تحت الأرض بسعة تزيد عن 1,100,000 متر مكعب (39,000,000 قدم مكعب ) وقدرة 90 جيجاواط/ساعة، ومن المتوقع أن تبدأ تشغيلها عام 2028. ^{[ 15 ]}  

تُستخدم الحرارة المحسوسة للأملاح المنصهرة أيضًا لتخزين الطاقة الشمسية عند درجة حرارة عالية، ^{[ 16 ]} وتُعرف هذه التقنية بتقنية الأملاح المنصهرة أو تخزين الطاقة بالأملاح المنصهرة (MSES). يمكن استخدام الأملاح المنصهرة كطريقة لتخزين الطاقة الحرارية. حاليًا، تُعد هذه التقنية مُستخدمة تجاريًا لتخزين الحرارة المُجمّعة من الطاقة الشمسية المركزة (مثلًا، من برج الطاقة الشمسية أو حوض الطاقة الشمسية ). يمكن تحويل هذه الحرارة لاحقًا إلى بخار مُحمّص لتشغيل التوربينات البخارية التقليدية وتوليد الكهرباء. وقد تم تطبيق هذه التقنية في مشروع Solar Two من عام 1995 إلى عام 1999. وتوقعت التقديرات في عام 2006 كفاءة سنوية تبلغ 99%، وهي نسبة الطاقة المُحتفظ بها عن طريق تخزين الحرارة قبل تحويلها إلى كهرباء، مقارنةً بتحويل الحرارة مباشرةً إلى كهرباء. ^{[ 17 ] [ 18 ] [ 19 ]} تُستخدم مخاليط يوتكتيكية مختلفة من أملاح متنوعة (مثل نترات الصوديوم ، ونترات البوتاسيوم ، ونترات الكالسيوم ). توجد خبرة في استخدام هذه الأنظمة في تطبيقات غير شمسية في الصناعات الكيميائية والمعادن كسائل لنقل الحرارة.

ينصهر الملح عند درجة حرارة 131 درجة مئوية (268 درجة فهرنهايت) . ويُحفظ سائلاً عند درجة حرارة 288 درجة مئوية (550 درجة فهرنهايت) في خزان تخزين "بارد" معزول. يُضخ الملح السائل عبر ألواح في مُجمِّع شمسي حيث تُسخِّنه أشعة الشمس المركزة إلى 566 درجة مئوية (1051 درجة فهرنهايت) . ثم يُرسل إلى خزان تخزين ساخن. مع العزل المناسب للخزان، يُمكن تخزين الطاقة الحرارية بكفاءة لمدة تصل إلى أسبوع. ^{[ 20 ]} عند الحاجة إلى الكهرباء، يُضخ الملح المنصهر الساخن إلى مولد بخار تقليدي لإنتاج بخار مُحمَّص لتشغيل مجموعة توربين/مولد تقليدية كما هو مُستخدم في محطات الطاقة التي تعمل بالفحم أو النفط أو الطاقة النووية. يحتاج توربين بقدرة 100 ميغاواط إلى خزان يبلغ ارتفاعه حوالي 9.1 متر (30 قدمًا) وقطره 24 مترًا (79 قدمًا) لتشغيله لمدة أربع ساعات وفقًا لهذا التصميم.        

يجري تطوير خزان واحد مزود بلوحة فاصلة لفصل الملح المنصهر البارد عن الساخن. ^{[ 21 ]} وهو أكثر اقتصادية، إذ يحقق زيادة في تخزين الحرارة بنسبة 100% لكل وحدة حجم مقارنةً بنظام الخزانين، نظرًا لتكلفة خزان تخزين الملح المنصهر الباهظة بسبب تعقيد بنائه. تُستخدم مواد تغيير الطور (PCMs) أيضًا في تخزين طاقة الملح المنصهر، ^{[ 22 ]} بينما لا تزال الأبحاث جارية للحصول على مواد تغيير طور مستقرة الشكل باستخدام مصفوفات عالية المسامية. ^{[ 23 ]}

تعتمد معظم محطات الطاقة الشمسية الحرارية على مفهوم تخزين الطاقة الحرارية هذا. تستطيع محطة سولانا لتوليد الطاقة في الولايات المتحدة تخزين طاقة توليد تكفي لست ساعات في الملح المنصهر. وخلال صيف عام ٢٠١٣، حققت محطة جيماسولار ثيرموسولار للطاقة الشمسية الحرارية في إسبانيا إنجازًا غير مسبوق بإنتاجها المستمر للكهرباء على مدار الساعة لمدة ٣٦ يومًا. ^{[ ٢٤ ]} أما محطة سيرو دومينادور للطاقة الشمسية الحرارية ، التي افتُتحت في يونيو ٢٠٢١، فتتمتع بسعة تخزين حراري تبلغ ١٧.٥ ساعة. ^{[ ٢٥ ]}

يوفر السيليكون الصلب أو المنصهر درجات حرارة تخزين أعلى بكثير من الأملاح، مما ينتج عنه سعة وكفاءة أكبر. ويجري البحث فيه كتقنية تخزين طاقة أكثر كفاءة. يستطيع السيليكون تخزين أكثر من 1 ميغاواط ساعة من الطاقة لكل متر مكعب عند 1400  درجة مئوية. ومن المزايا الإضافية وفرة السيليكون النسبية مقارنةً بالأملاح المستخدمة للغرض نفسه. ^{[ 26 ] [ 27 ]}

تُتيح تقنية تخزين الطاقة الحرارية باستخدام السيليكون الساخن تخزين كميات كبيرة من الطاقة الحرارية عند درجات حرارة عالية للغاية (حوالي 1400-2000  درجة مئوية). ويتم استغلال هذه الطاقة عن طريق استخدام السيليكون المنصهر شديد السخونة لتخزين فائض الكهرباء المُولّدة من مصادر الطاقة المتجددة المحيطة، مثل الطاقة الشمسية وطاقة الرياح. يُمكّن هذا النظام من تخزين الطاقة بكفاءة عالية، وبتكلفة أقل، ولمدة أطول مقارنةً بخيارات تخزين الحرارة المحسوسة الأخرى. ^{[ 28 ]}

يُعدّ الألومنيوم المنصهر (المعاد تدويره) وسيلة أخرى لتخزين الطاقة الحرارية. وقد طوّرت هذه التقنية شركة أزيليو السويدية. يُسخّن الألومنيوم إلى 600  درجة مئوية، وعند الحاجة، تُنقل الطاقة إلى محرك ستيرلينغ باستخدام سائل ناقل للحرارة.

لا يُستخدم الألومنيوم المنصهر على نطاق واسع لتخزين الطاقة نظرًا لبعض العيوب التي لم تُتغلب عليها بعد. تشمل هذه العيوب تفاعلية الألومنيوم المنصهر والتحديات المصاحبة لعملية تجميده. مع ذلك، تتواصل الأبحاث حول كيفية استخدام تخزين الطاقة الحرارية بالألومنيوم نظرًا لكثافته العالية للطاقة. تتمتع تقنيات التخزين القائمة على الألومنيوم بإمكانية النمو ودمج مصادر الطاقة المتجددة، مثل الطاقة الشمسية وطاقة الرياح، في الشبكة الكهربائية. تُعدّ هذه التقنيات مرشحة واعدة لتخزين الطاقة على المدى الطويل بأقل قدر من الفاقد. ^{[ 28 ]}

تتمتع الصخور والرمل والخرسانة بسعة حرارية تعادل ثلث سعة الماء تقريبًا. من ناحية أخرى، يمكن تسخين الخرسانة إلى درجات حرارة أعلى بكثير (1200  درجة مئوية) باستخدام التسخين الكهربائي، على سبيل المثال، وبالتالي تتمتع بسعة حجمية إجمالية أعلى بكثير. لذا، في المثال أدناه، مكعب معزول بحجم حوالييبدو أن سعة 2.8  متر ^مكعب توفر تخزينًا كافيًا لمنزل واحد لتلبية 50% من احتياجات التدفئة. ويمكن، من حيث المبدأ، استخدام هذه السعة لتخزين فائض حرارة الرياح أو الطاقة الشمسية نظرًا لقدرة التدفئة الكهربائية على الوصول إلى درجات حرارة عالية. وعلى مستوى الأحياء، حظي مشروع فيغينهاوزن-سود للطاقة الشمسية في فريدريشهافن بجنوب ألمانيا باهتمام دولي. ويتميز هذا المشروع بـ12000  متر ^مكعب (مخزن حراري من الخرسانة المسلحة بسعة 420,000  قدم ^مكعب متصل بـ4300  متر ^مربع (ستُستخدم ألواح شمسية بمساحة 46,000  قدم ^مربع لتزويد 570 منزلاً بنحو 50% من احتياجاتها من التدفئة والمياه الساخنة. وقد أنشأت شركة سيمنز-جاميسا محطة  تخزين حراري بسعة 130 ميغاواط/ساعة بالقرب من هامبورغ، باستخدام صخور البازلت عند درجة حرارة 750  درجة مئوية، وبقدرة إنتاجية كهربائية تبلغ 1.5 ميغاواط. ^{[ 29 ] [ 30 ]} وكان من المقرر إنشاء نظام مماثل في سوروه ، الدنمارك، حيث سيتم إعادة 41-58% من الحرارة المخزنة البالغة 18 ميغاواط/ساعة إلى نظام التدفئة المركزية للمدينة، بينما سيتم إعادة 30-41% منها على شكل كهرباء، ^{[ 31 ]} ولكن لن يتم الاحتفاظ بها.  

تشمل عيوب استخدام الصخور الساخنة والخرسانة انخفاض سعتها الحرارية مقارنةً بالماء (حوالي الثلث)، مما يعني الحاجة إلى كميات أكبر بكثير من المواد الصلبة لتخزين نفس كمية الطاقة، الأمر الذي يجعلها أقل ملاءمةً لمناطق التخزين ذات المساحة المحدودة. وتتعلق تحدياتها أيضًا بتنفيذها وصيانتها. فمع مرور الوقت، يصبح فقدان الحرارة أمرًا لا مفر منه مع هذه المواد، كما أن تدهورها وارتفاع تكلفتها الأولية كلها عوامل تُثير التساؤلات حول جدوى استخدامها. وفيما يخص صعوبات التكامل، فإنها تتطلب تصميمًا معقدًا لربط نظام التخزين ومصدر الحرارة بنظام التوزيع. ^{[ 10 ]}

تم الإعلان عن "محمصة الطوب" في عام 2022، وهي عبارة عن خزان حراري مبتكر يعمل بدرجة حرارة تصل إلى 1500  درجة مئوية (2732  درجة فهرنهايت). ^{[ 32 ]}

قامت شركة "بولار نايت إنرجي" بتركيب بطارية حرارية في فنلندا تخزن الحرارة في كتلة من الرمل. وكان من المتوقع أن تُخفّض هذه البطارية انبعاثات الكربون من شبكة التدفئة المحلية بنسبة تصل إلى 70%. يبلغ  ارتفاعها حوالي 13 مترًا  وعرضها 15 مترًا. وتستطيع تخزين 100 ميغاواط/ساعة، بكفاءة دورة كاملة تبلغ 90%. تصل درجات الحرارة فيها إلى 600  درجة  مئوية. وسيط نقل الحرارة هو الهواء، الذي تصل درجة حرارته إلى 400  درجة  مئوية، ويمكن استخدامه لإنتاج البخار للعمليات الصناعية، أو لتزويد التدفئة المركزية باستخدام مبادل حراري .

تُجري الأبحاث تقييمًا لمواد البوكسيت المُلبَّدة كدعامات لتخزين الطاقة الحرارية، وذلك بتسخينها حتى 1000  درجة مئوية. وقد تم اختبار هذه المادة مقارنةً بمركبات الألومينا والموليت المرشوشة بالبلازما، ومركبات الألومينا المُدعَّمة بألياف الألومينا/مصفوفة الألومينا، ومركبات الموليت المُدعَّمة بألياف الموليت/مصفوفة السيراميك الموليت. وقد تم اختيار هذه المواد الأربع نظرًا لفوائدها كمستقبلات للطاقة الشمسية، وأنابيب نقل، وخزانات تخزين. ^{[ 33 ]}

تعتمد سبائك فجوة الامتزاج ^{[ 35 ]} على تغير طور المادة المعدنية (انظر: الحرارة الكامنة ) لتخزين الطاقة الحرارية. ^{[ 36 ]}

بدلاً من ضخ المعدن السائل بين الخزانات كما في نظام الملح المنصهر، يُغلّف المعدن بمادة معدنية أخرى لا يمكن أن يختلط بها ( غير قابلة للامتزاج ). وبحسب المادتين المختارتين (مادة تغيير الطور ومادة التغليف)، يمكن أن تتراوح كثافة التخزين بين 0.2 و2  ميغا جول/لتر.

يُستخدم سائل ناقل، عادةً الماء أو البخار، لنقل الحرارة من وإلى النظام. غالبًا ما تكون الموصلية الحرارية لسبائك فجوة الامتزاج أعلى (تصل إلى 400  واط/(متر·كلفن)) من التقنيات المنافسة ^{[ 37 ]} ، مما يعني إمكانية "شحن" و"تفريغ" تخزين الحرارة بشكل أسرع. لم تُطبَّق هذه التقنية بعد على نطاق واسع.

مع ذلك، تُطبَّق تقنية سبائك فجوة الامتزاج بشكل أساسي في أستراليا. حيث طُوِّرت هذه التقنية على يد باحثين من جامعة نيوكاسل، وتتولى شركة MGA Thermal تسويقها. ^{[ 38 ]} وتنتشر تطبيقات هذه التقنية تدريجيًا في أنحاء أخرى من العالم، مثل محطة تجريبية مُخطَّط لها في أوروبا بالتعاون مع شريك تجاري سويسري لتخزين الطاقة المتجددة وتوفير طاقة نظيفة. ^{[ 39 ]}

يجري تطوير العديد من التطبيقات التي يتم فيها إنتاج الجليد خلال فترات انخفاض الطلب على الكهرباء، ثم استخدامه للتبريد لاحقًا. ^{[ 40 ] [ 41 ]} على سبيل المثال، يمكن توفير تكييف الهواء بتكلفة أقل باستخدام الكهرباء منخفضة التكلفة ليلًا لتجميد الماء وتحويله إلى جليد، ثم استخدام قدرة التبريد للجليد بعد الظهر لتقليل استهلاك الكهرباء اللازمة لتلبية احتياجات التكييف. يعتمد تخزين الطاقة الحرارية باستخدام الجليد على الحرارة العالية لانصهار الماء. تاريخيًا، كان يُنقل الجليد من الجبال إلى المدن لاستخدامه كمبرد. يمكن لطن متري واحد من الماء (أي متر مكعب واحد) تخزين 334 مليون جول (ميغا جول) أو 317,000 وحدة حرارية بريطانية (93 كيلوواط ساعة). يمكن لمنشأة تخزين صغيرة نسبيًا أن تحتوي على كمية كافية من الجليد لتبريد مبنى كبير لمدة يوم أو أسبوع.  

تُستخدم أنظمة تكييف الهواء بالتخزين الجليدي حاليًا على نطاق واسع عالميًا، مع استخدام كبير في الولايات المتحدة، لا سيما في الفنادق والمباني التجارية والجامعات. كما تُستخدم أيضًا في الصين، وتحديدًا في المرافق العامة في شنتشن. وتُستخدم أيضًا، وإن كان استخدامها أقل شيوعًا، في اليابان وتركيا وماليزيا (سونغ وآخرون). تُعد هذه التقنية فعّالة في المناطق ذات الطلب العالي على التبريد، والمناطق التي تتميز بانخفاض أسعار الكهرباء خلال فترات محددة، وهو ما يُفسر انخفاض الأسعار. يسمح هذا بتخزين الطاقة الباردة، التي تُنتج بشكل رئيسي خلال ساعات انخفاض التكلفة، لاستخدامها خلال فترات ذروة الطلب. ^{[ 42 ]}

تشمل عيوب هذا النوع من تقنيات تخزين الطاقة الباردة ارتفاع التكاليف الأولية والحاجة إلى مساحة كبيرة لخزانات التخزين الضخمة. وقد يكون هناك أيضًا انخفاض في كفاءة الطاقة نظرًا لعمل المبردات عند درجات حرارة منخفضة لإنتاج الثلج. ^{[ 42 ]}

إضافةً إلى استخدام الجليد في تطبيقات التبريد المباشر، يُستخدم أيضًا في أنظمة التدفئة القائمة على المضخات الحرارية. في هذه التطبيقات، توفر طاقة تغيير الطور طبقةً كبيرةً من السعة الحرارية، قريبةً من أدنى نطاق درجات الحرارة التي تعمل ضمنها المضخات الحرارية المائية. وهذا يسمح للنظام بتجاوز أحمال التدفئة القصوى، ويُطيل الفترة الزمنية التي يمكن خلالها لعناصر الطاقة المصدرية إعادة ضخ الحرارة إلى النظام.

تستخدم تقنية تخزين الطاقة المبردة تسييل الهواء أو النيتروجين كمخزن للطاقة.

نظام طاقة تبريد تجريبي يستخدم الهواء السائل كمخزن للطاقة، وحرارة النفايات منخفضة الدرجة لدفع إعادة التمدد الحراري للهواء، تم تشغيله في محطة طاقة في سلاو ، المملكة المتحدة في عام 2010. ^{[ 43 ]}

يُعدّ تخزين الطاقة المبردة خيارًا جيدًا لاستخدام الطاقة نظرًا لإمكانية تشغيله في أي مكان. فما دامت المساحة اللازمة لتخزين هذه الحاويات متوفرة، يُمكن إنشاء هذه الأنظمة. كما يُعرف هذا النوع من تخزين الطاقة بقدرته على التخزين لفترات طويلة، على الرغم من ارتفاع تكلفة الأنظمة المستقلة. وهذا أمر منطقي نظرًا للحاجة إلى مدخلات طاقة عالية لعملية تسييل المواد غير السامة. ^{[ 44 ]}

تندرج عمليات الامتزاز أيضاً ضمن هذه الفئة. ويمكن استخدامها ليس فقط لتخزين الطاقة الحرارية، بل أيضاً للتحكم في رطوبة الهواء. وتُعدّ الزيوليتات (سيليكات الألومينا البلورية ذات المسام الدقيقة) وهلام السيليكا مناسبة تماماً لهذا الغرض. وفي البيئات الحارة والرطبة، تُستخدم هذه التقنية غالباً مع كلوريد الليثيوم لتبريد المياه.

حظيت الزيوليتات الاصطناعية، مثل Linde 13X المزودة بمادة ماصة للماء، باهتمام أكاديمي وتجاري واسع النطاق مؤخرًا نظرًا لتكلفتها المنخفضة (200 دولار/طن) ومعدل دوراتها العالي (2000 دورة)، وذلك لاستخدامها في تخزين الطاقة الحرارية، وتحديدًا الطاقة الشمسية منخفضة الجودة والحرارة المهدرة. وقد مُوِّلَت عدة مشاريع تجريبية في الاتحاد الأوروبي منذ عام 2000 وحتى الآن (2020). وتقوم الفكرة الأساسية على تخزين الطاقة الحرارية الشمسية كطاقة كامنة كيميائية في الزيوليت. وعادةً ما يُمرَّر هواء جاف ساخن من مُجمِّعات الطاقة الشمسية المسطحة عبر طبقة من الزيوليت، مما يؤدي إلى إزالة أي مادة ماصة للماء موجودة. ويمكن أن يكون التخزين يوميًا أو أسبوعيًا أو شهريًا أو حتى موسميًا، وذلك حسب حجم الزيوليت ومساحة الألواح الشمسية الحرارية. وعند الحاجة إلى التدفئة ليلًا، أو خلال ساعات غياب الشمس، أو في فصل الشتاء، يتدفق هواء رطب عبر الزيوليت. ومع امتصاص الزيوليت للرطوبة، تُطلق الحرارة إلى الهواء، ومن ثم إلى حيز المبنى. طُوِّر هذا النوع من أنظمة تخزين الطاقة الحرارية، الذي يعتمد تحديدًا على الزيوليت، لأول مرة على يد غيرا عام ١٩٧٨. ^{[ ٤٥ ]} وتشمل مزاياه مقارنةً بالأملاح المنصهرة وغيرها من أنظمة تخزين الطاقة الحرارية ذات درجات الحرارة العالية ما يلي: (١) أن درجة الحرارة المطلوبة هي فقط درجة حرارة الركود النموذجية للمجمعات الحرارية الشمسية المسطحة، و(٢) أنه طالما بقي الزيوليت جافًا، تُخزَّن الطاقة إلى أجل غير مسمى. ونظرًا لانخفاض درجة الحرارة، ولأن الطاقة تُخزَّن على شكل حرارة كامنة للامتصاص، مما يُلغي الحاجة إلى العزل اللازم لأنظمة تخزين الأملاح المنصهرة، فإن التكاليف تكون أقل بكثير.

تشمل عيوب التسخين والتخزين الشمسي انخفاض كثافة الطاقة مقارنةً بأنظمة الطاقة الحرارية الأخرى، بالإضافة إلى بطء عملية نقل الطاقة نسبيًا في النظام المعروف باسم طبقة الامتصاص. علاوة على ذلك، يتطلب النظام صيانة دورية دقيقة لأجهزة التحكم للحفاظ على أعلى أداء. تتحكم هذه الأجهزة في عوامل مثل الرطوبة ودرجة الحرارة وتدفق الهواء، والتي قد تؤثر على ظروف التشغيل. ^{[ 10 ]}

من الأمثلة على أنظمة التخزين التجريبية القائمة على طاقة التفاعلات الكيميائية تقنية هيدرات الملح. يستخدم هذا النظام طاقة التفاعل الناتجة عن ترطيب الأملاح أو تجفيفها. ويعمل عن طريق تخزين الحرارة في وعاء يحتوي على محلول هيدروكسيد الصوديوم (NaOH) بنسبة 50%. تُخزن الحرارة (مثلاً من استخدام مُجمِّع شمسي) عن طريق تبخير الماء في تفاعل ماص للحرارة. وعند إضافة الماء مرة أخرى، تنطلق الحرارة في تفاعل طارد للحرارة عند 50  درجة مئوية (120  درجة فهرنهايت). تعمل الأنظمة الحالية بكفاءة 60%. يتميز هذا النظام بميزة خاصة لتخزين الطاقة الحرارية الموسمية، حيث يمكن تخزين الملح المجفف في درجة حرارة الغرفة لفترات طويلة دون فقدان الطاقة. بل ويمكن نقل الأوعية التي تحتوي على الملح المجفف إلى موقع آخر. يتمتع هذا النظام بكثافة طاقة أعلى من الحرارة المخزنة في الماء، ويمكن تصميم سعة النظام لتخزين الطاقة لفترات تتراوح من بضعة أشهر إلى سنوات. ^{[ 46 ]}

في عام 2013، عرضت مؤسسة TNO الهولندية لتطوير التكنولوجيا نتائج مشروع MERITS لتخزين الحرارة في حاوية ملح. تعمل الحرارة، التي يمكن الحصول عليها من مُجمِّع شمسي على سطح المنزل، على طرد الماء الموجود في الملح. وعند إضافة الماء مرة أخرى، تُطلق الحرارة مع أدنى حد من فقدان الطاقة. يمكن لحاوية تحتوي على بضعة أمتار مكعبة من الملح تخزين كمية كافية من هذه الطاقة الحرارية الكيميائية لتدفئة منزل طوال فصل الشتاء. في مناخ معتدل كمناخ هولندا، يحتاج المنزل ذو الاستهلاك المنخفض للطاقة إلى حوالي 6.7 جيجا جول في الشتاء. لتخزين هذه الطاقة في الماء (عند فرق درجة حرارة 70  درجة مئوية)، يلزم وجود خزان مياه معزول بسعة 23  مترًا ^مكعبًا ، وهو ما يتجاوز قدرات التخزين لمعظم المنازل. باستخدام تقنية هيدرات الملح بكثافة تخزين تبلغ حوالي 1  جيجا جول/متر ^مكعب ، قد تكون سعة 4-8  أمتار ^{مكعبة كافية. [ 47 ]}

اعتبارًا من عام 2016، يجري باحثون في عدة دول تجارب لتحديد أفضل أنواع الأملاح، أو مزيج الأملاح. ويبدو أن انخفاض الضغط داخل الحاوية يُعدّ عاملًا مساعدًا لنقل الطاقة. ^{[ 48 ]} وتُعتبر الأملاح العضوية، أو ما يُسمى بالسوائل الأيونية ، واعدةً بشكل خاص . فمقارنةً بالمواد الماصة القائمة على هاليدات الليثيوم، تُعدّ هذه الأملاح أقل إشكالية من حيث محدودية الموارد العالمية، ومقارنةً بمعظم الهاليدات الأخرى وهيدروكسيد الصوديوم (NaOH)، فهي أقل تآكلًا ولا تتأثر سلبًا بتلوث _ثاني أكسيد الكربون . ^{[ 49 ]}

على الرغم من فوائد الأملاح العديدة، إلا أن تقنية هيدرات الأملاح تنطوي على عيوب كثيرة. فمع أن استخدام الأملاح العضوية والسوائل الأيونية يُظهر إمكانات واعدة من حيث الاستقرار طويل الأمد والفعالية من حيث التكلفة في التطبيقات واسعة النطاق، إلا أن الطبيعة المُسببة للتآكل للأملاح المستخدمة، مثل كلوريد البوتاسيوم، تستلزم استخدام مواد خاصة مقاومة للتآكل، وهي مواد باهظة الثمن. كما أن الأملاح تتبلور خلال مرحلتي الإماهة والتجفيف، مما يقلل من تفاعليتها، وبالتالي يؤثر سلبًا على النظام بأكمله، وهذا عيب آخر من عيوبها. ولا تزال هذه التقنية قيد التقييم تمهيدًا لاستخدامها على نطاق أوسع. ^{[ 50 ]}

يجري البحث حاليًا في تخزين الطاقة في الروابط الجزيئية، وقد تم تحقيق كثافات طاقة تعادل بطاريات الليثيوم أيون . ^{[ 51 ]} وقد تم ذلك باستخدام خلية DSPEC (خلية التحليل الكهروضوئي غير الحساسة). هذه الخلية قادرة على تخزين الطاقة التي تكتسبها الألواح الشمسية خلال النهار لاستخدامها ليلًا (أو حتى لاحقًا). وقد صُممت هذه الخلية بالاستناد إلى عملية التمثيل الضوئي الطبيعية المعروفة.

يُنتج جهاز DSPEC وقود الهيدروجين باستخدام الطاقة الشمسية المُكتسبة لفصل جزيئات الماء إلى عناصرها. ونتيجةً لهذا الفصل، يُعزل الهيدروجين ويُطلق الأكسجين في الهواء. قد يبدو هذا أسهل مما هو عليه في الواقع، إذ يتطلب الأمر فصل أربعة إلكترونات من جزيئات الماء ونقلها إلى مكان آخر. ومن الصعوبات الأخرى عملية دمج جزيئي الهيدروجين المنفصلين.

يتكون جهاز DSPEC من عنصرين: جزيء وجسيم نانوي . يُسمى الجزيء بمجموعة الكروموفور-المحفز، وهو يمتص ضوء الشمس ويبدأ عملية التحفيز. يفصل هذا المحفز الإلكترونات عن جزيئات الماء. تتجمع الجسيمات النانوية في طبقة رقيقة، ويحتوي كل جسيم نانوي على العديد من مجموعات الكروموفور-المحفز. وظيفة هذه الطبقة الرقيقة من الجسيمات النانوية هي نقل الإلكترونات المنفصلة عن الماء. تُغطى هذه الطبقة الرقيقة من الجسيمات النانوية بطبقة من ثاني أكسيد التيتانيوم. بفضل هذه الطبقة، يمكن نقل الإلكترونات المتحررة بسرعة أكبر، مما يسمح بإنتاج الهيدروجين. تُغطى هذه الطبقة بدورها بطبقة واقية تُعزز الاتصال بين مجموعة الكروموفور-المحفز والجسيم النانوي.

باستخدام هذه الطريقة، تُحوّل الطاقة الشمسية المُستمدة من الألواح الشمسية إلى وقود (هيدروجين) دون انبعاث ما يُعرف بالغازات الدفيئة. ويمكن تخزين هذا الوقود في خلية وقود، واستخدامه لاحقًا لتوليد الكهرباء. ^{[ 52 ]}

تُعدّ الطاقة الشمسية الحرارية الجزيئية (MOST) طريقة واعدة أخرى لتخزين الطاقة الشمسية لإنتاج الكهرباء والحرارة. تعتمد هذه الطريقة على تحويل الجزيئات، عبر عملية التماثل الضوئي، إلى متصاوغ ذي طاقة أعلى . يقوم الضوء (ضوء الشمس) بتحويل أحد المتصاوغين إلى الآخر. يخزن هذا المتصاوغ الثاني الطاقة الشمسية إلى أن يتم إطلاقها بواسطة مُحفّز حراري (يُعيد المتصاوغ إلى متصاوغه الأصلي).

يُعد النوربورنادين (NBD) أحد المرشحين الواعدين لتطبيقات MOST . ويعود ذلك إلى أن NBD يُظهر فرقًا كبيرًا في الطاقة بين شكله النموذجي ونظيره الضوئي الرباعي الحلقات (QC)، يبلغ حوالي 96  كيلوجول/مول. في مثل هذه الأنظمة، تُوفر عمليات استبدال المانح والمستقبل وسيلة فعالة لإزاحة امتصاص أطول موجة نحو الأحمر، مما يُحسّن التوافق مع الطيف الشمسي .

يتمثل أحد التحديات التي تواجه نظام MOST الفعال في الحصول على كثافة تخزين طاقة كافية (أعلى من 300 كيلوجول/كيلوجرام). ويتمثل تحدٍ آخر في إمكانية استخلاص الضوء في نطاق الطيف المرئي. ويُستخدم تعديل نطاق امتصاص النيوكليوتيدات (NBD) بوحدات مانحة ومستقبلة لضبط ذروة الامتصاص. إلا أن هذا التأثير الإيجابي على الامتصاص يُقابله زيادة في الوزن الجزيئي، مما يُقلل من كثافة الطاقة. ويُقلل هذا التأثير الإيجابي على امتصاص الطاقة الشمسية من مدة تخزين الطاقة عند انزياح الامتصاص نحو الأحمر. ويتمثل أحد الحلول الممكنة في ربط وحدة كروموفورية واحدة بعدة مفاتيح ضوئية. وفي هذه الحالة، يُفضل تكوين ثنائيات أو ثلاثيات. وتتشارك وحدات NBD في مانح أو مستقبل مشترك.

سعت إحدى الدراسات إلى تحسين استقرار المتصاوغ الضوئي عالي الطاقة باستخدام مفتاحين ضوئيين متصلين إلكترونيًا بحاجزين منفصلين للتحويل الحراري. ^{[ 53 ]} وقد تسبب ذلك في انزياح نحو الأزرق بعد عملية التماثل الأولى (من NBD-NBD إلى QC-NBD). وأدى هذا إلى طاقة تماثل أعلى في عملية التبديل الثانية (من QC-NBD إلى QC-QC). ومن المزايا الأخرى لمشاركة مانح الإلكترونات، انخفاض الوزن الجزيئي لكل وحدة NBD، مما يزيد من كثافة الطاقة.

في نهاية المطاف، قد يصل هذا النظام إلى مردود كمي للتحويل الضوئي يصل إلى 94%. المردود الكمي هو مقياس لكفاءة انبعاث الفوتونات. مع هذا النظام، وصلت كثافة الطاقة إلى 559  كيلوجول/كيلوجرام. ^{[ 53 ]}

في عام 2022، أفاد باحثون بدمج تقنية MOST مع مولد كهروحراري بحجم شريحة إلكترونية لتوليد الكهرباء. ويُقال إن هذا النظام قادر على تخزين الطاقة الشمسية لمدة تصل إلى 18 عامًا، وقد يكون خيارًا مناسبًا لتخزين الطاقة المتجددة . ^{[ 54 ] [ 55 ]}

في عام 2026، أفاد باحثون بأن نظام MOST القائم على البيريميدون باستخدام وعاء ديوار من البيريميدون يمكن أن يوفر تخزينًا متعدد السنوات بكثافة طاقة تبلغ 1.6 ميجا جول/كجم (444 واط ساعة/كجم). ^{[ 56 ] [ 57 ]}

تتميز مواد تغيير الطور المستخدمة في تخزين الطاقة الحرارية بقدرتها على تخزين وإطلاق كميات كبيرة من الحرارة عند درجة حرارة تحولها. ويتم اختيار هذه المواد بناءً على تطبيقات محددة، نظرًا لوجود نطاق واسع من درجات الحرارة التي قد تكون مفيدة في تطبيقات مختلفة، بالإضافة إلى تنوع المواد التي يتغير طورها عند درجات حرارة مختلفة. وتشمل هذه المواد الأملاح والشموع المصممة خصيصًا للتطبيقات التي تخدمها. وإلى جانب المواد المصنعة، يُعد الماء مادةً من مواد تغيير الطور. وتبلغ الحرارة الكامنة للماء 334 جول/غرام. ويحدث تحول طور الماء عند درجة حرارة 0  درجة مئوية (32  درجة فهرنهايت).

تستخدم بعض التطبيقات السعة الحرارية للماء أو الجليد للتبريد، بينما تستخدمها تطبيقات أخرى للتبريد. ويمكن استخدامها في كلا التطبيقين؛ إذ يُمكن إذابة الجليد لتخزين الحرارة ثم إعادة تجميده لتدفئة البيئة. وتكمن ميزة استخدام تغير الحالة بهذه الطريقة في قدرة كتلة معينة من المادة على امتصاص كمية كبيرة من الطاقة دون تغيير درجة حرارتها. وبالتالي، يُمكن تصنيع بطارية حرارية تستخدم تغير الحالة أخف وزنًا، أو يُمكن تزويدها بكمية أكبر من الطاقة دون رفع درجة حرارتها الداخلية بشكل غير مقبول.

من أبرز عيوب بطاريات تغيير الطور انخفاض موصليتها الحرارية، مما يحد من سرعة شحنها وتفريغها. إلا أن أحدث التطورات في هذه التقنية تمثلت في تعديل هذه البطاريات للتركيز على تحسين كثافة طاقتها واستقرار دوراتها، بهدف تعزيز تطبيقاتها. ويتحقق ذلك من خلال دمج مواد تغيير الطور في الهياكل الداعمة لنظام البطاريات. تمثل بطاريات تغيير الطور الحرارية تقنية واعدة وقابلة للتكيف لإدارة الطاقة الحرارية بكفاءة في استخدامات متعددة. ^{[ 59 ]}

تُشبه البطارية الحرارية المُغلّفة البطارية الحرارية ذات التغيير الطوري من حيث كونها كمية محدودة من مادة مادية يتم تسخينها أو تبريدها حراريًا لتخزين الطاقة أو استخراجها. مع ذلك، في البطارية الحرارية المُغلّفة غير ذات التغيير الطوري، تتغير درجة حرارة المادة دون إحداث تغيير في حالتها. ولأن التغيير الطوري غير مطلوب، تتوفر مواد أكثر بكثير للاستخدام في البطارية الحرارية المُغلّفة. إحدى الخصائص الرئيسية للبطارية الحرارية المُغلّفة هي سعتها الحرارية الحجمية (VHC)، والتي تُسمى أيضًا السعة الحرارية النوعية الحجمية . تُستخدم عدة مواد في هذه البطاريات الحرارية، مثل الماء والخرسانة والرمل الرطب أو الجاف. ^{[ 60 ] [ 61 ]}

من الأمثلة على البطاريات الحرارية المُغلّفة سخانات المياه المنزلية المزودة بخزان تخزين. ^{[ 62 ] [ 63 ]} تُشحن هذه البطارية الحرارية عادةً ببطء على مدى 30-60 دقيقة تقريبًا لاستخدامها السريع عند الحاجة (مثلاً، 10-15 دقيقة). وقد بدأت العديد من شركات الكهرباء، إدراكًا منها لطبيعة "البطاريات الحرارية" في سخانات المياه، باستخدامها لتخزين فائض الطاقة المتجددة المتاحة لاستخدامها لاحقًا من قِبل مالك المنزل. ووفقًا للمقال المذكور أعلاه، ^{[ 62 ]} "قد تصل الوفورات الصافية لنظام الكهرباء ككل إلى 200 دولار أمريكي سنويًا لكل سخان، ويمكن تمرير جزء منها إلى مالكه".

يُستخدم نظام تخزين حراري للتدفئة المركزية في بورناين بفنلندا، يعتمد على الرمل أو الحجر، حيث يتم شحن وحدة تخزين حراري بقدرة 1 ميغاواط/100 ميغاواط ساعة (باستخدام 2000 طن من نفايات الحجر الصابوني ) بواسطة فائض الكهرباء، ويمكنها تلبية احتياجات التدفئة في المنطقة لمدة أسبوع. ^{[ 64 ]} ويأتي هذا النظام استكمالاً لأبحاث أجريت على نموذج أولي لبطارية رملية بقدرة 0.1 ميغاواط/8 ميغاواط ساعة ، تم بناؤها عام 2022 لتخزين الطاقة الشمسية وطاقة الرياح المتجددة على شكل حرارة، لاستخدامها لاحقًا في التدفئة المركزية، وربما لتوليد الطاقة لاحقًا. ^{[ 65 ] [ 66 ]} وفي كندا، يُستخدم نظام تخزين حراري للمباني الفردية لتخزين الطاقة الشمسية وطاقة الرياح المتجددة على شكل حرارة، لاستخدامها لاحقًا في تدفئة المساحات أو المياه للمبنى الذي تم تركيبه فيه. ويختلف هذا النظام عن النظام الفنلندي في كونه صغير الحجم، ويستخدم سوائل يتم ضخها بضغط منخفض، ويمكنه تدفئة مبنى واحد فقط بدلاً من عدة مبانٍ. كما يمكنه استقبال الحرارة المهدرة من مصادر بديلة مثل غرف خوادم الكمبيوتر أو أكوام السماد وتخزينها لتوزيعها لاحقًا. ^{[ 67 ]}

المبادل الحراري الأرضي (GHEX) عبارة عن منطقة في الأرض تُستخدم كبطارية حرارية موسمية/سنوية. تتكون هذه البطاريات الحرارية من مناطق أرضية وُضعت فيها أنابيب لنقل الطاقة الحرارية. تُضاف الطاقة إلى المبادل الحراري الأرضي عن طريق تمرير سائل ذي درجة حرارة أعلى عبر الأنابيب، مما يرفع درجة حرارة الأرض المحيطة. كما يمكن سحب الطاقة من المبادل الحراري الأرضي عن طريق تمرير سائل ذي درجة حرارة أقل عبر الأنابيب نفسها.

تُنفذ مبادلات الغاز الأرضية عادةً بنوعين. تُظهر الصورة أعلاه ما يُعرف بمبادل الغاز الأرضي "الأفقي"، حيث يُستخدم الحفر لوضع كمية من الأنابيب في حلقة مغلقة تحت الأرض. كما تُصنع هذه المبادلات بحفر آبار في الأرض، إما رأسيًا أو أفقيًا، ثم تُدخل الأنابيب على شكل حلقة مغلقة مع وصلة على شكل حرف "U" في الطرف البعيد من الحلقة.

يمكن إضافة الطاقة الحرارية إلى مبادل حراري أرضي أو إزالتها منه في أي وقت. ومع ذلك، يُستخدم هذا المبادل في أغلب الأحيان كمخزن حراري موسمي يعمل بدورة سنوية، حيث تُستخرج الطاقة من المبنى خلال فصل الصيف لتبريده وتُضاف إلى المبادل. ثم تُستخرج هذه الطاقة نفسها لاحقًا من المبادل في فصل الشتاء لتدفئة المبنى. تتميز هذه الدورة السنوية لإضافة الطاقة وطرحها بدقة عالية بناءً على نمذجة الطاقة للمبنى. تُعد البطارية الحرارية المستخدمة في هذا الوضع مصدرًا للطاقة المتجددة، حيث تُعاد الطاقة المستخرجة في الشتاء إلى المبادل في الصيف التالي في دورة متكررة باستمرار. يعتمد هذا النوع على الطاقة الشمسية، إذ تُستخرج حرارة الشمس في الصيف من المبنى وتُخزن في الأرض لاستخدامها في التدفئة خلال فصل الشتاء التالي. هناك طريقتان رئيسيتان لاختبار الاستجابة الحرارية تُستخدمان لتحديد الموصلية الحرارية والسعة/الانتشارية الحرارية للبطاريات الحرارية للمبادلات الحرارية الأرضية: طريقة مطابقة المنحنى أحادي البعد مع الزمن اللوغاريتمي ^{[ 68 ]} ، وطريقة اختبار الاستجابة الحرارية المتقدمة التي طُرحت حديثًا. ^{[ 69 ] [ 70 ]}

يُمكن ملاحظة مثال جيد على الطبيعة الدورية السنوية لبطاريات الطاقة الحرارية الأرضية في دراسة ASHRAE للمباني. ^{[ 71 ]} كما هو موضح في الرسم البياني "درجات حرارة الحلقة الأرضية والهواء المحيط حسب التاريخ" (الشكل 2-7)، يُمكن بسهولة ملاحظة الشكل الجيبي للدورة السنوية لدرجة حرارة الأرض، حيث تُستخرج الحرارة من الأرض موسميًا في الشتاء وتُعاد إليها في الصيف، مما يُنشئ "شحنة حرارية" أرضية في أحد المواسم لا تُفرغ وتُدفع في الاتجاه المعاكس من حالة التعادل حتى موسم لاحق. وتجري حاليًا أبحاث على أمثلة أخرى أكثر تطورًا لبطاريات الطاقة الحرارية الأرضية التي تستخدم أنماطًا حرارية مُتعمدة في آبار الحفر، وهي قيد الاستخدام الأولي. تُستخدم بطاريات الطاقة الحرارية الأرضية بشكل شائع في شبكات الطاقة الحرارية وشبكات الطاقة الحرارية الأرضية .

البطارية الحرارية الأرضية العمودية هي شكل جديد من أشكال المبادلات الحرارية الأرضية ذات القطر الكبير، والمدمجة مع خزان مدفون بالكامل يمتد عموديًا في الأرض، لا سيما في منطقة الطبقات السطحية فوق الصخور الأساسية. وقد طُوّرت أشكال البطاريات الحرارية العمودية لأول مرة من قِبل مجموعة أبحاث تخزين الطاقة الحرارية في مختبر أوك ريدج الوطني (ORNL) . ^{[ 72 ]} يُعد هذا النوع من أنظمة تخزين الطاقة الحرارية ذا قيمة خاصة في المناطق ذات منسوب المياه الجوفية المرتفع، حيث يربط خزان تخزين الطاقة الحرارية بمنطقة أوسع محيطة به، مما يزيد من كفاءة تخزينه الحراري. ومن المتوقع أن يكون هذا النوع من البطاريات الحرارية مفيدًا لشبكات الطاقة الحرارية.

في الصناعات الدفاعية، تُعرف بطاريات الأملاح المنصهرة الأولية باسم "البطاريات الحرارية". وهي بطاريات كهربائية غير قابلة لإعادة الشحن، تستخدم مزيجًا منخفض الانصهار من أملاح المعادن الأيونية (كلوريدات وبروميدات الصوديوم والبوتاسيوم والليثيوم، وغيرها) كمحلول إلكتروليتي، ويتم تصنيعها مع الأملاح في حالتها الصلبة. وطالما بقيت الأملاح صلبة، تتمتع البطارية بعمر تخزين طويل يصل إلى 50 عامًا. ^{[ 73 ]} وبمجرد تنشيطها (عادةً بواسطة مصدر حراري ناري ) وانصهار المحلول الإلكتروليتي، تصبح البطارية موثوقة للغاية ذات كثافة طاقة وقدرة عالية. وتُستخدم على نطاق واسع في التطبيقات العسكرية، مثل الصواريخ الموجهة الصغيرة والكبيرة، والأسلحة النووية.

توجد منتجات أخرى تُعرف تاريخيًا باسم "البطاريات الحرارية"، مثل أكياس التدفئة التي يستخدمها المتزلجون لتدفئة أيديهم وأقدامهم (انظر: مدفئ اليدين ). تحتوي هذه الأكياس على مسحوق حديد مُبلل بماء مالح خالٍ من الأكسجين، والذي يتآكل بسرعة خلال ساعات، مُطلقًا حرارة عند تعرضه للهواء. أما أكياس التبريد الفورية، فتمتص الحرارة عن طريق تغيير طوري غير كيميائي، مثل امتصاص الحرارة الناتجة عن ذوبان بعض المركبات.

المبدأ المشترك الوحيد بين هذه البطاريات الحرارية الأخرى هو أن التفاعل الحاصل فيها غير قابل للانعكاس. ولذلك، لا تُستخدم هذه البطاريات لتخزين واسترجاع الطاقة الحرارية.