افق‌های نو در انباشت انرژی
ذخیره‌سازی انرژیهای تجدیدپذیر پا را فراتر از باتری‌ها می‌گذارد
ساختن آینده متکی به انرژیهای سبز صرفا وابسته به توسعه بیش از حد مزارع بادی و خورشیدی نیست (اگرچه مطمئنا این یک شروع است). در واقع برای ذخیره این انرژی‌ها به باتری‌هایی نیاز است، بهویژه زمانی که باد نمی‌وزد و خورشید نمی‌تابد و همچنین امکان برداشت قابل توجه از منابع تجدیدپذیر (به‌خصوص باد و خورشید) معمولا در مناطقی امکان‌پذیر است که این مناطق از محل مصرف دور هستند و به‌همین‌دلیل خطوط انتقال برای رساندن این انرژی باید به میران قابل توجهی توسعه یابند یا تقویت شوند.
ترجمه: امید شاه‌حسینی: ساختن آینده متکی به انرژیهای سبز صرفا وابسته به توسعه بیش از حد مزارع بادی و خورشیدی نیست (اگرچه مطمئنا این یک شروع است). در واقع برای ذخیره این انرژی‌ها به باتری‌هایی نیاز است، بهویژه زمانی که باد نمی‌وزد و خورشید نمی‌تابد و همچنین امکان برداشت قابل توجه از منابع تجدیدپذیر (به‌خصوص باد و خورشید) معمولا در مناطقی امکان‌پذیر است که این مناطق از محل مصرف دور هستند و به‌همین‌دلیل خطوط انتقال برای رساندن این انرژی باید به میران قابل توجهی توسعه یابند یا تقویت شوند. به‌طورکلی پیشرفت در تولید برق از انرژیهای تجدیدپذیر چشمگیر و قابل مشاهده است. پروژه‌های بادی و خورشیدی به‌سرعت جایگزین منابع انرژی آلوده‌کننده می‌شوند و بسیاری از شرکت‌ها در حال توسعه سیستم‌های ذخیره‌سازی، اعم از سیستم‌های مدرن مانند سیستم پتانسیل گرانشی یا باتری‌های فوق پیشرفته آهن-هوا هستند تا مطمئن شوند که انرژی تولیدشده قابلیت ذخیره‌سازی دارد و به نوعی آماده و در دسترس است؛ اما خطوط انتقال همچنان یک چالش و یک مشکل رو به افزایش است. در واقع می‌توان امیدوار بود که تمام انرژی مورد نیاز قابل تولید و ذخیره‌کردن باشد؛ اما اگر راهی برای انتقال آن به خانه یا مشاغل مردم وجود نداشته باشد، فایده چندانی ندارد. از زمان پیدایش صنعت برق به شکل کنونی آن، شرکت‌های برق بیشتر نیروگاه‌ها را در مکان‌های نزدیک به شهرها احداث کرده‌اند؛ اما این مدل مکان‌یابی همان‌گونه که پیش‌تر نیز ذکر شد، با خورشید و باد قابل پیاده‌سازی نیست، زیرا بسیاری از بهترین مکان‌ها برای تولید برق قابل توجه از این منابع، از مراکز شهری دور هستند؛ برای مثال، ایالات متحده برای رسیدن به هدف انتشار کربن صفر در سال 2050، به یک شبکه انرژی ارتقایافته نیاز دارد که بتواند افزایش تقاضای برق به میزان 50 درصد را در مقایسه با زمان حال (به دلیل افزایش وسایل نقلیه الکتریکی، اجاق‌های برقی و سایر تکنولوژی‌های مصرف‌کننده برق) برطرف کند؛ این بدان معنی است که خطوط برق فشار قوی بیشتری بهویژه در جاهایی که باد می‌وزد (در میانه غربی این کشور) و خورشید می‌تابد (جنوب غربی این کشور) باید ساخته شود و گسترش یابد.
سال 2022 برای انرژی سبز، بهویژه انرژی خورشیدی و بادی، عالی بود و این روند کند نمی‌شود. با ادامه کاهش قیمت تولید به ازای هر وات و افزایش قیمت برق و گاز، تقاضای کسب‌وکارها برای انرژی سبز سال به سال افزایش می‌یابد. در سال گذشته، انرژی خورشیدی و بادی تأمین 12 درصد از برق جهان را به خود اختصاص دادند که این یک دستاورد بزرگ است. با این حال، از آنجایی که تعداد زیادی از خانوارها و کسب‌وکارها انرژی سبز را انتخاب می‌کنند، چالش جدیدی تحت عنوان ظرفیت شبکه ایجاد می‌شود. چالش ظرفیت شبکه زمانی رخ می‌دهد که شبکه برق قادر به مدیریت و بهره‌برداری از منابع تجدیدپذیر و ذخیره آنها در طول روز نباشد و در نتیجه توان خروجی از آنها یا تولیدی توسط آنها تلف شود. این امر می‌تواند موجب ایجاد هزینه‌های هنگفتی شود، به همین دلیل مهم است که با انرژی سبز هوشمندانه‌تر برخورد شود، نه سخت‌گیرانه‌تر.
چالش ظرفیت شبکه
برخلاف منبع آب، سودمندی بهره‌گیری از انرژی الکتریکی به صورت استفاده از آن یا تلف‌کردن آن تعریف می‌شود. بیشتر مناطق دارای امکانات ذخیره انرژی مانند باتری بزرگ ویکتوریا در استرالیا که قادر است برق 650 هزار خانه را برای یک ساعت تأمین کند، نیستند. در بیشتر مواقع برق تولیدی از طریق شبکه برای تأمین تقاضا در آن لحظه، استفاده می‌شود. نیروگاه‌های حرارتی قابلیت همگامی با نوسانات تقاضا در طول یک چرخه روزانه، چرخه هفتگی و حتی تغییراتی را که در طول سال ایجاد می‌شود، دارند. با این حال، با انرژیهای سبز مانند خورشیدی و بادی، کنترل خوبی (مانند آنچه در نیروگاه‌های سوخت‌های فسیلی و هسته‌ای اعمال می‌شود) بر عرضه انرژی وجود ندارد که موجب ایجاد چالشی کلیدی می‌شود. در حال حاضر، مقدار قابل توجهی از انرژی الکتریکی در جهان از طریق تبدیل انرژی خورشیدی و بادی حاصل می‌شود که یک پیشرفت قابل توجه است، اما شبکه‌های انرژی را به طور فزاینده‌ای به چالش می‌کشد. درحالی‌که امکان ایجاد مراکز ذخیره‌ساز باتری بزرگ برای ذخیره توان اضافه و تحویل مجدد آن به شبکه در زمان نیاز، وجود دارد اما این بانک‌های ذخیره‌ساز برای کنترل یک شبکه انرژی کاملا سبز هم از لحاظ هزینه و هم اثرات زیست‌محیطی بسیار پرهزینه هستند. تولید باتری‌ها مستلزم استخراج و فراوری مواد خامی مانند لیتیوم، کبالت و نیکل است که در سلول‌های باتری‌ها استفاده می‌شوند. استخراج و تصفیه این مواد می‌تواند موجب تولید زباله‌های سمی شود و همچنین فعالیت‌های معدنی نیز می‌تواند به جنگل‌زدایی و تخریب محیط زیست کمک کند. موضوع دیگر ردپای کربن در تولید باتری است. ساخت باتری‌ها نیازمند انرژی زیادی است و اگر این انرژی از سوخت‌های فسیلی تأمین شود، موجب آزادشدن گازهای گلخانه‌ای در جو می‌شود. در نهایت دورریختن باتری‌ها مشکل دیگری است. باتری‌ها حاوی مواد شیمیایی سمی هستند که اگر به‌درستی دور ریخته نشوند می‌توانند وارد محیط شوند. در حال حاضر، تنها درصد کمی از باتری‌ها بازیافت می‌شوند و بسیاری از آنها در محل‌های دفن زباله یا زباله‌سوزها قرار می‌گیرند که می‌توانند باعث آلودگی شوند.
جایگزین‌های باتری برای ذخیره انرژیهای تجدیدپذیر
برخی از اثرات نامطلوب تولید باتری اجتناب‌ناپذیر است، زیرا در حالت مقایسه با استفاده از سوخت‌های فسیلی آسیب کمتری به محیط زیست وارد می‌شود؛ بنابراین در حال حاضر در بسیاری از موارد، گزینه بهتری وجود ندارد. با این حال، این بدان معنا نیست که نمی‌توان ذخیره‌سازی انرژی تجدیدپذیر را با استفاده از سیستم‌های ذخیره‌ساز جایگزین با مصرف کربن کم (در هر جایی که ممکن است) بهینه کرد.
الف- ذخیره‌سازی با استفاده از وسیله نقلیه متصل به شبکه: مدتی است که کارشناسان روی راه‌حل‌های چالش ذخیره انرژی سبز کار می‌کنند. یکی از این راه‌حل‌ها استفاده از خودروهای برقی متصل به شبکه به صورت ذخیره‌ساز -معروف به فناوری خودرو به شبکه (V2G)1- در شرایطی است که عرضه توان بیشتر از تقاضاست. در حالت مقایسه و برعکس زمانی که تولید کمتر از تقاضا است و شبکه به مقداری از توان ذخیره‌شده در باتری خودرو نیاز دارد، با استفاده از یک برنامه تشویقی، باتری‌های خودرو برقی را تخلیه می‌کنند. این یک ایده جالب است اما بدون چالش نیست.
ب- ذخیره‌ساز هوا/ گاز فشرده2: ذخیره‌سازی هوا/ گاز فشرده یک فناوری است که سال‌هاست برای ذخیره انرژی استفاده می‌شود. اصول کارکرد آن ساده است، به این صورت که انرژی به شکل هوا یا گاز فشرده در یک محفظه ذخیره می‌شود و سپس برای تولید برق آزاد می‌شود. ذخیره‌ساز هوا/ گاز فشرده گزینه‌ای جذاب برای ذخیره‌سازی انرژی است زیرا نسبتا ارزان است و می‌توان از آن در مقیاس بزرگ استفاده کرد. یک نمونه از ذخیره‌سازی هوا/ گاز فشرده، سیستم CASE (ذخیره انرژی هوای فشرده)3 است. در سیستم CAES هوا در یک محفظه ذخیره‌سازی فشرده می‌شود و سپس برای چرخاندن توربین و تولید برق آزاد می‌شود. این فناوری در چندین پروژه ذخیره انرژی در مقیاس بزرگ از جمله نیروگاه مک‌اینتاش4 در آلاباما5 با ظرفیت ذخیره‌سازی 110 مگاوات، استفاده شده است.
ج- ذخیره‌ساز تلمبه ذخیره‌ای6: تلمبه ذخیره‌ای یکی دیگر از فناوری‌های ذخیره انرژی است که سال‌هاست مورد استفاده قرار می‌گیرد. عملکرد این ذخیره‌ساز به این صورت است که در شرایط وجود برق اضافی، آب را از یک مخزن پایین به مخزن بالاتر پمپاژ می‌کند و سپس برای تولید برق در شرایط کمبود برق آب را به مخزن پایینی رها می‌کند. تلمبه ذخیره‌ای یک گزینه جذاب برای ذخیره انرژی است، زیرا بسیار کارآمد است و می‌توان از آن در مقیاس بزرگ استفاده کرد. در حال حاضر، بیش از 90 درصد از ظرفیت ذخیره‌سازی انرژی در جهان، تلمبه ذخیره‌ای است. یکی از نمونه‌های تلمبه ذخیره‌ای، ایستگاه تلمبه ذخیره‌ای کانتی باث7 در ویرجینیا8 است که ظرفیت آن 3000 مگاوات است و بزرگ‌ترین تأسیسات تلمبه ذخیره‌ای در جهان به شمار می‌آید.
د- ذخیره‌ساز انرژی حرارتی9: فناوری ذخیره انرژی حرارتی شامل ذخیره گرما در موادی مانند نمک مذاب یا بتون است که در صورت نیاز برای تولید برق استفاده می‌شود. این فناوری بهویژه برای نیروگاه‌های خورشیدی مفید است، چراکه می‌توان گرمای تولیدشده توسط خورشید را در طول روز ذخیره و از آن برای تولید برق در شب استفاده کرد. ذخیره‌ساز انرژی حرارتی یک گزینه جذاب برای ذخیره انرژی است، زیرا نسبتا ارزان است و می‌توان از آن در مقیاس بزرگ استفاده کرد. یکی از نمونه‌های ذخیره‌ساز انرژی حرارتی نیروگاه گماسولار10 در اسپانیا است که از نمک مذاب برای ذخیره گرما استفاده می‌کند و ظرفیت آن 19.9 مگاوات است.
هـ- ذخیره‌ساز انرژی گرانشی: عملکرد ذخیره‌ساز گرانشی شامل ذخیره انرژی با بالابردن یک جسم سنگین، مانند یک وزنه بزرگ یا یک بلوک بتونی، به سطح بالاتر است. سپس انرژی پتانسیل جسم هنگامی که به موقعیت اصلی خود برگردد (به سمت پایین حرکت کند) به الکتریسیته تبدیل می‌شود. ذخیره‌ساز گرانشی یک گزینه جذاب برای ذخیره انرژی است زیرا نسبتا ارزان است و می‌توان از آن در مقیاس کوچک استفاده کرد. با این حال، برای ذخیره‌سازی انرژی در مقیاس بزرگ مناسب نیست، زیرا به فضای زیادی نیاز دارد و کارایی زیادی ندارد. یکی از نمونه‌های ذخیره‌سازی گرانشی، سیستم گرانشی است که از وزنه‌های معلق در شفت‌های معدن قدیمی برای ذخیره انرژی استفاده می‌کند. این سیستم تا 50 مگاوات ظرفیت دارد و می‌تواند در کسری از ثانیه به تغییرات تقاضا پاسخ دهد.
حداقل و حداکثر ذخیره انرژی
چالش ظرفیت شبکه همچنین می‌تواند از طریق ابزارهای بهینه‌سازی پیشرفته که می‌تواند به شرکت‌ها و مصرف‌کنندگان کمک کند تا بیشترین استفاده را از انرژی خود ببرند، برطرف شود. درحالی‌که نمی‌توان آب‌وهوا را کنترل کرد، اما پیشرفت قابل توجهی در پیش‌بینی آن حاصل شده است. بسیاری از ابزارهای موجود می‌توانند داده‌های تاریخی باارزش و پیش‌بینی‌های دقیقی را برای آب‌وهوای محلی ارائه کنند. شرکت‌های آب‌وهوایی وجود دارند که یک API داده‌های آب‌وهوایی تاریخی قابل تنظیم ارائه می‌دهند. این اطلاعات به دو دلیل حیاتی است: اول، کسب‌وکارهایی با فرایندهای با تقاضای انرژی بالا می‌توانند زمان‌بندی این فرایندها را برای تطبیق بهتر با دوره‌های خورشیدی و بادی در طول روز انجام دهند، بنابراین عرضه و تقاضا مطابقت پیدا خواهند کرد. دوم، با ابزارهای API، یک کسب‌وکار می‌تواند هر روز فرایند کاری خود را با تطبیق منبع تغذیه پیش‌بینی‌شده برای آن روز، کل تقاضای برق برای آن روز و بهترین زمان برای برنامه‌ریزی فرایندهای تقاضای پرمصرف، خودکار کند.
فناوری برای نجات
درحالی‌که باتری‌ها متداول‌ترین فناوری مورد استفاده برای ذخیره انرژی هستند، چندین جایگزین دیگر وجود دارد که ارزش بررسی دارند. هر فناوری نقاط قوت و ضعف خاص خود را دارد و راه‌حل بهینه به عواملی مانند مقیاس سیستم انرژی، مقدار انرژی که باید ذخیره شود و هزینه و در دسترس بودن گزینه‌های مختلف ذخیره‌سازی بستگی دارد.
پی‌نوشت‌ها:
1- Vehicle to Grid
2- Compressed Air/Gas Storage
3- Compressed Air Energy Storage
4- McIntosh
5- Alabama
6- Pumped Hydro Storage
7- Bath County
8- Virginia
9- Thermal Energy Storage
10- Gemasolar
www.zmescience.com