ثورة خضراء من المحولات الجافة من النوع غير المتبلور: تحديات إعادة التدوير والقيمة البيئية من منظور دورة الحياة الكاملة

على خلفية تسريع أهداف حيادية الكربون العالمية ، تمر صناعة معدات الطاقة بثورة بيئية صامتة. نظرًا لأن المعدات الأساسية لنظام نقل الطاقة وتوزيعها ، فإن زيادة كفاءة الطاقة بنسبة 1 ٪ يمكن أن تحقق انخفاضًا سنويًا قدره 80 مليون طن من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون (بيانات وكالة الطاقة الدولية). في هذا التحول ، محولات من النوع الجاف غير المتبلور يقومون بإعادة تشكيل مشهد التنمية المستدامة للصناعة مع خصائصها المادية الثورية.
يتخطى بنية الترتيب الذري للسبائك غير المتبلورة القيود الكريستانية لألواح الصلب السيليكون التقليدية. تستخدم عملية التصنيع الخاصة بها تقنية تبريد عالية السرعة بملايين الدرجات في الثانية لتوحيد السبائك القائمة على الحديد مباشرة في حالة غير متبلورة. هذه العملية التخريبية تجلب مزايدين بيئيين رئيسيين:
يتم تخفيض خسارة عدم التحميل بنسبة 70-80 ٪: إن قسامة السبائك غير المتبلور ليست سوى 1/10 من صفائح الصلب السيليكون ، يتم تقليل فقدان التباطؤ بشكل كبير ، ويمكن تقليل انبعاثات الكربون بمقدار 45 طنًا على مدار دورة الحياة بأكملها (محسوبة على أساس دورة التشغيل لمدة 20 عامًا في محول 2000KVA)
يتم توفير استهلاك طاقة التصنيع بنسبة 30 ٪: يتم القضاء على عملية الصلب التقليدية ذات درجة الحرارة العالية لصلب السيليكون الموجهة ، ويتم تقليل 12 عملية تستهلك الطاقة العالية في عملية الإنتاج
تُظهر الأبحاث التجريبية التي أجراها Hitachi Metals في اليابان أن توفير الطاقة السنوي لكل 10000 محولات سبائك غير متبلورة يعادل توليد الطاقة اليومي من 3.5 ثلاث محطات طاقة. هذا تحسين كفاءة الطاقة الأسية يجعله اختيارًا استراتيجيًا لبناء الشبكة الذكية.
على الرغم من الفوائد البيئية الكبيرة ، لا يزال نظام إعادة التدوير للسبائك غير المتبلور يواجه تحديات خاصة:
مشكلة هشاشة المواد: يتم كسر بنية الشريط بسمك 25μm فقط أثناء التفكيك ، ومعدل استرداد التكسير التقليدي والفرز أقل من 60 ٪
معضلة فصل المكون: تتطلب النسبة الدقيقة للحديد (80 ٪) ، البورون (10 ٪) ، والسيليكون (5 ٪) تنقية كيميائية ، وتكون تكلفة المعالجة أعلى 2.3 مرة من فولاذ السيليكون
عدم وجود نظام قياسي: لم يثبت العالم بعد آلية شهادة تتبع موحدة ، مما يجعل من الصعب على المواد المعاد تدويرها العودة إلى سلسلة التصنيع الراقية
زادت تقنية فصل البلازما المنخفضة درجات الحرارة التي طورتها سيمنز في ألمانيا والأكاديمية الصينية للعلوم بنجاح من معدل استرداد المعادن إلى 92 ٪. في الوقت نفسه ، تم إنشاء نظام جوازات سفر مادي من خلال تقنية blockchain ، مما يوفر حلاً قابل للتكرار للصناعة.
يظهر التحليل المقارن باستخدام طريقة تقييم دورة الحياة (LCA) (انظر الرسم البياني):
مؤشر محول سبيكة غير متبلور محول الصلب السيليكون التقليدي
معادل CO₂ في مرحلة الإنتاج (KG) 8500 12000
الخسارة السنوية في مرحلة الاستخدام (KWH) 4800 22000
معدل استخدام المواد المعاد تدويره 78 ٪ 92 ٪
100 عام البصمة الكربونية (TCO₂E) 148 412
تكشف البيانات أنه على الرغم من أن السبائك غير المتبلورة لها اختناقات تقنية في رابط إعادة التدوير ، فإن فوائد تخفيض الانبعاثات في مرحلة الاستخدام كافية لتعويض التكاليف البيئية لنظام إعادة التدوير. تقدر وزارة الطاقة الأمريكية أنه إذا تم استبدال جميع محولات التوزيع العالمية بسبائك غير متبلورة ، فإن تخفيض الكربون السنوي سيتجاوز إجمالي انبعاثات الهند الوطنية.
لزيادة الفوائد البيئية لمحولات السبائك غير المتبلورة ، يجب بناء نظام ابتكار من ثلاثة مستويات:
ثورة المواد: سبيكة البلورة النانوية Fe-Si-B-Cu التي طورتها تقنية Antai تحسن الصلابة بنسبة 300 ٪ مع الحفاظ على خصائص فقدان منخفضة
ابتكار العملية: يقصر تصميم ABB المعياري دورة الاستبدال للمكونات الأساسية إلى 4 ساعات ويحسن كفاءة إعادة التدوير بنسبة 40 ٪
محرك السياسة: تشمل لوائح Ecodesign 2023 التي صدرت حديثًا للاتحاد الأوروبي محولات السبائك غير المتبلورة في معيار كفاءة الطاقة ، وتصل دعم إعادة التدوير الداعمة إلى 15 ٪ من أسعار المعدات
يوصي معهد أبحاث الطاقة الكهربائية في الصين بإنشاء آلية ربط "صندوق التدوير الائتماني للكربون" لتغذية أبحاث وتطوير تكنولوجيا إعادة التدوير من خلال دخل سوق الكربون لتشكيل حلقة مغلقة أعمال مستدامة.
في ظل الضغوط المزدوجة لتغير المناخ وأزمة الطاقة ، لا تمثل المحولات غير المتبلورة من النوع الجاف في علوم المواد ، ولكن أيضًا نقطة ارتكاز لإعادة بناء بيئة معدات الطاقة. عندما يخترق الابتكار التكنولوجي عن حول عنق الزجاجة وتصميم السياسة زخم السوق ، فإن هذا "المحول الأخضر" سيصدر فوائد إيجابية بيئية أسية ، فهذا ليس فقط مسؤولية ESG للمؤسسات ، ولكن أيضًا الطريقة الوحيدة لثورة الطاقة البشرية. في العقد المقبل ، سيهيمن على من يمكنه أن يتولى زمام المبادرة في إدارة دورة الحياة الكاملة للسبائك غير المتبلورة على الخطاب الأخضر في الشبكة الذكية العالمية .