روش‌های ذخیره سازی انرژی‌های پاک

برای درک چالش‌های فراروی انرژی‌های تجدیدپذیر ، به کشور دانمارک بنگرید. کشوری کوچک که بزرگترین مجتمع‌‌‌های تولید برق از جریان باد را در خود جای داده است. یکی از چالش‌‌‌های کنونی توسعه استفاده از برق تولید شده از انرژی باد اینست که بیشترین بازده توربین‌‌‌های بادی در ساعاتی است که مصرف برق دانمارک در حد پایینی قرار دارد. لذا دولت دانمارک با فروش برق تولید شده از توربین‌‌‌های بادی به همسایگان خود؛ در ساعات پرمصرف، برق مورد نیاز خود را از کشورهای همسایه و با قیمتی بیشتر خریداری می‌کند. و به همین دلیل است که دانمارکی‌‌‌ها یکی از گران‌ترین هزینه‌‌‌های برق در دنیا را می‌پردازند.

در کالیفرنیا و تگزاس هم این عدم توازن بین زمان اوج تولید و مصرف برق وجود دارد. بنابراین دولت در ساعاتی از مشترکان می‌خواهد که از برق خورشیدی و یا برق تولید شده از توربین‌‌‌های بادی استفاده نمایند.

بر روی کاغذ این دو منبع انرژی سبز می‌توانند همه برق مورد نیاز ایالات متحده و چند کشور بزرگ  دیگر را تامین کنند. اما بر اساس مطالعات اعلام شده توسط وزارت انرژی آمریکا؛ امکان تامین بیست درصد برق مورد نیاز شهروندان آمریکایی از این دو منبع، کاملا قابل تحقق است. اما توازن بخشیدن به جریان عرضه و تقاضا همچنان یک مشکل حل نشده به شمار می‌آید. و نیاز ما دستیابی به روش‌هایی ارزان و کارا برای ذخیره‌سازی انرژی است تا در زمان‌‌‌هایی که نیاز به مصرف بیشتر برق داریم اما بادی نمی‌وزد و خورشید هم غروب کرده است، از آن بهره ببریم.

با وجود اینکه روش‌‌‌هایی گران قیمت و پرهزینه مثل ... برای ذخیره سازی انرژی وجود دارند ، اما علاوه بر هزینه بالا ، استفاده از آنها در ساعات مورد نیاز با مشکلاتی روبرو ست. در این مقاله 5 روش پیشنهادی برای غلبه بر این مساله ارائه می شود. هر کدام از این روش‌‌‌ها میتواند برق مصرفی یک ابرشهر  را برای چند روز ذخیره کند. علاوه بر این ما از چند متخصص حوزه انرژی خواسته ایم که هر یک از این روشها را بر اساس سه مولفه مهم ارزیابی کنند:

الف) تا چه حد این فناوری قابل بهره گیری در یک مقیاس بزرگ صنعتی است؟

ب) ایجاد چنین روش‌‌‌هایی تا چه حد از لحاظ هزینه‌‌‌ها ، مقرون به صرفه است ؟

ج) این روش‌‌‌ها تا چه حد از کارایی عملیاتی برخوردارند ؟

هیچیک از روش‌‌‌های ذخیره سازی انرژی ، دارایی بازدهی کامل نیستند و بخشی از انرژی ورودی به سامانه ، هدر می‌رود ، اما در این میان ، چند روش ، بازدهی مناسب‌تری دارند.

دو روش اول ، از لحاظ روش اجرا ، کامل و از جنبه اقتصادی ، کاملا توجیه پذیرند. ولی روش‌‌‌های دیگر نیازمند مطالعه و بررسی و آزمون‌‌‌های بیشتری هستند که البته این اقدامات کاملا توجیه پذیرند. و بی تردید در ده سال آینده ، ما در بسیاری از نقاط دنیا ، شاهد ایجاد مراکز ذخیره سازی انرژی‌‌‌های پاک خواهیم بود.

روش اول : پمپاژ آب

امتیاز راه اندازی طرح در مقیاس بزرگ: 4 (از 5 امتیاز)

امتیاز بازدهی اقتصادی: 4 (از 5 امتیاز)

امتیاز کارایی انرژی :4.2 (از 5 امتیاز)

مهمترین دلایل موافقان :

کارا بودن ، اثربخشی هزینه ای و قابلیت بالای اتکا به آن.

مهمترین دلایل مخالفان:

فقدان محل‌‌‌های مناسب ایجاد آن.

چند کشور دنیا و از جمله ایالات متحده سال‌‌‌هاست که به ذخیره‌سازی انرژی می‌پردازند . حجم انرژی ذخیره شده در آمریکا با استفاده از این روش، 20 گیگا وات است. روش پمپاژ آب که از قدمتی یکصد ساله برخوردار است ،در گام اول نیاز به یک سد بزرگ دارد تا بتوان در آن جریان معکوس آب را از حوضچه پایین دست به مخزن آب سد که در بالا دست قرار دارد ،برقرار نمود. برق مورد نیاز این انتقال ، از جریان برق مازاد و در ساعات غیر اوج مصرف، تامین می‌شود. لذا با جریان یافتن آب از مخزن بالادستی به مخزن پایین دستی و گذر آب از پره‌‌‌های توربین‌‌‌های تولید برق و استفاده از یک ژنراتور، می‌توان در ساعات مورد نیاز، برق تولید کرد. بدین ترتیب کارایی این روش حدود 80 درصد است.

در ایالات متحده 38 مرکز پمپاژ آب، وجود دارد که 2 درصد ظرفیت تولید برق آمریکا را به خود اختصاص داده‌اند. اما سهم این روش در اروپا 5 درصد و در ژاپن بیش از 10 درصد است. اما در برنامه‌‌‌های آتی مدیران این مجتمع‌‌‌ها، ساخت ده‌‌‌ها مرکز مشابه در کنار نیروگاه‌‌‌های برق؛ پیش‌بینی شده است تا در چند سال آینده، ظرفیت این مراکز به دو برابر عدد کنونی برسد.

مهمترین چالش ایجاد مراکز مشابه را باید در فقدان محل‌‌‌های مناسب ایجاد چنین مجتمع‌‌‌هایی، دانست. جریان یافتن مداوم حجم زیادی از آب از مخزن بالادست به مخزن پایین دست، به فرسایش و نابودی سریع اکوسیستم‌‌‌های طبیعی می‌انجامد. در هلند و دانمارک نیز مشکل اصلی همواری زمین و فقدان اختلاف ارتفاع برای جاری کردن آب است. برای رفع این مشکل، آلمانی‌‌‌ها به ساخت یک مخزن مصنوعی در یک معدن آهن روباز و در پایین دست مخزن سد ذخیره‌سازی آب طرح دست زده‌اند.

روش دوم : ذخیره‌سازی هوای فشرده

امتیاز راه‌اندازی طرح در مقیاس بزرگ: 4 (از 5 امتیاز)

امتیاز بازدهی اقتصادی: 4  (از 5 امتیاز)

امتیاز کارایی انرژی :3.4  (از 5 امتیاز)

مهمترین دلایل موافقان :

اثربخشی هزینه ای و آزمایش‌‌‌های موفق انجام شده.

مهمترین دلایل مخالفان:

وابستگی به مصرف گاز طبیعی

در بیابان‌‌‌های آلاباما ، یک مخزن زیرزمینی بسیار بزرگ ایجاد شده که توانایی جا دادن ساختمان امپایر استیت را در خود دارد. در این روش که می‌توان از آن به عنوان سریع‌ترین روش برای تامین انرژی برق مورد نیاز در مواقع اضطراری نام برد، بر روی سطح زمین، پمپ‌‌‌های برقی قدرتمندی وجود دارند که در مواقع وجود برق اضافی در شبکه، حجم زیادی از هوای فشرده را در این مخزن ذخیره می‌کنند. بدین ترتیب در هنگام نیاز به انرژی برق، خروج بخشی از هوای فشرده شده از مخزن، می‌تواند پره‌‌‌های توربین‌‌‌های تولید برق را بچرخاند. مثلا در ایالت آلاباما، یک مرکز ذخیره‌سازی هوای فشرده وجود دارد که می‌تواند در 26 ساعت و بصورت مداوم، 110 مگاوات انرژی برق تولید کند. اگرچه این روش تنها در ایالات متحده مورد استفاده قرار می‌گیرد ، اما در بیست سال گذشته، عملکرد موفقی داشته‌اند.

برای ساخت مخازن  زیر زمینی، حل کردن نمک‌‌‌های موجود در گنبدهای زیرزمینی نمکی واقع بیابان‌‌‌ها با تزریق جریان زیاد آب و سپس خارج کردن آب حاوی نمک محلول در آن، ساده‌ترین روش محسوب می‌شود. البته این روش بارها در گذشته و در بخش انرژی، برای ساخت مخازن زیرزمینی ذخیره‌سازی گاز طبیعی، مورد استفاده قرار گرفته است. استفاده از مخازن متروکه گاز طبیعی، روش دیگری است که مورد استفاده قرار می گیرد. هرچند پایداری و دوام این مخازن نگهداری هوای فشرده در فشارهای بالا، تردیدهایی را میان متخصصان پدید آورده است.

چالش دیگر فراروی گسترش چنین روشی  اینست که هوا پس از فشرده شدن ، گرم می‌شود، ولی هنگام خروج گاز از مخزن و کاسته شدن از فشار آن، دوباره سرد می شود. لذا حجم قابل توجهی از اتلاف انرژی در این روش وجود دارد. همچنین امکان منجمد شدن تجهیزات طرح به دلیل کاهش سریع دما، کاملا محتمل است. لذا در چند مرکز، برای گرم کردن هوای خروجی از سوزاندن گاز طبیعی بهره برده می‌شود که تولید گاز گلخانه‌ای دی اکسید کربن، از معایب این روش است.

اما برای حل این مشکل، عایق کاری مخزن ذخیره سازی گاز، پیشنهاد شده است تا گرمای هوا، حفظ شود. انتقال جریان گرما به مخزن هوای سرد از طریق یک مایع واسط از دیگر راهکارهای پیشنهاد شده به شمار می‌رود تا سوزاندن گاز از این روش حذف شود.

روش سوم : باتری‌‌‌های پیشرفته

امتیاز راه اندازی طرح در مقیاس بزرگ: 3.6 (از 5 امتیاز)

امتیاز بازدهی اقتصادی: 2 (از 5 امتیاز)

امتیاز کارایی انرژی:3.8 (از 5 امتیاز)

مهمترین دلایل موافقان :

کارایی انرژی و قابلیت اعتماد به آن.

مهمترین دلایل مخالفان:

گران بودن.

باتری‌‌‌ها ؛ احتمالا بهترین وسیله ذخیره سازی جریان برق متناوب هستند. باتری‌‌‌ها به سرعت شارژ می شوند و جریان خروجی به راحتی قابل قطع و وصل کردن است. همچنین، به راحتی می‌توان صدها باتری را در کنار هم، به کار برد. گسترده‌ترین روش کنونی استفاده از باتری‌‌‌ها در خودروهاست.

هم اینک در مراکز مختلفی برای پشتیبانی و ذخیره‌سازی جریان برق تولید شده در توربین‌‌‌های بادی از انواع باتری‌‌‌های موجود استفاده می‌شود. هرچند در صورت استفاده از آنها در مقیاس‌‌‌های بزرگ، باید برای کاستن از هزینه‌‌‌های عملیاتی نگاه داشتن آنها، تدبیری اندیشید. 

هم اینک چند طرح مختلف برای توسعه کاربرد باتری‌‌‌ها وجود دارد که به نظر می‌رسد در چند سال آینده شاهد تولید تجاری آنها خواهیم بود.

ساخت باتری‌‌‌هایی شبیه جعبه‌‌‌های پیتزا، که گفته میشود هزینه تولید برق از آنها به 100 دلار به ازای هر کیلووات ساعت برق کاهش خواهد یافت، یکی از این پیشنهادهاست.

اما در کنار همه طرح‌‌‌های موجود، به نظر می‌رسد ساخت باتری‌‌‌های مایع با استفاده از نانوذرات شناور، بیش از بقیه طرح‌‌‌ها، قابلیت عملیاتی شدن دارد. در این باتری‌‌‌ها، نانوذرات به عنوان الکترودهای معلق در یک مایع مخصوص  به کار گرفته می‌شوند. این باتری‌‌‌ها در دمای معمولی، قابل استفاده‌اند و به آسانی می‌توان با افزایش حجم مایع، بر ظرفیت آن افزود.

بسیاری از کارشناسان به موفقیت این باتری‌‌‌ها، امیدوارند. استفاده از عنصر وانادیوم که در فرایند پالایش نفت به عنوان یک محصول جانبی ارزان قیمت و در دسترس تولید می‌گردد، یک راه حل دیگر پیشنهادی برای بهبود کارایی این روش محسوب می‌شود.

روش چهارم : ذخیره سازی گرما

امتیاز راه اندازی طرح در مقیاس بزرگ: 3.6 (از 5 امتیاز)

امتیاز بازدهی اقتصادی: 3.6 (از 5 امتیاز)

امتیاز کارایی انرژی:3 (از 5 امتیاز)

مهمترین دلایل موافقان :

قابلیت استفاده در همه مکانها

مهمترین دلایل مخالفان:

گران بودن ، سخت بودن ذخیره‌سازی برای مدت طولانی

در مناطق دارای تابش مداوم آفتاب، ایجاد مجتمع‌‌‌های متمرکز تولید انرژی خورشیدی و ذخیره‌سازی آن می‌تواند اقتصادی باشد.

در این روش در ساعات تابش خورشید، روغن موجود در لوله‌‌‌های ریز و متراکم صفحه‌‌‌های خورشیدی گرم شده و با انتقال به یک کپسول تبادل گرمایی، بخار تولید می‌کند. در مرحله بعدی ، بخار تولید شده پره‌‌‌های توربین تولید برق را می‌چرخاند. با غروب خورشید، برای استفاده از از روغن گرم شده می‌توان آن را در تانکرهایی ذخیره کرد که تا چندین ساعت همچنان گرم باقی بماند.

چندین مرکز در اروپا و آمریکا از این روش برای ذخیره‌سازی انرژی بهره می‌برند. در ایتالیا، استفاده از نمک مذاب، به جای روغن عملیاتی شده است. نمک مذاب را می‌توان تا 550 درجه سلیسیوس گرم کرد، در حالی که این عدد برای روغن 400 درجه سلیسیوس است. لذا با این کار می‌توان بخار بیشتری پس از غروب خورشید‌، تولید کرد. پنج متر مکعب از نمک مذاب می‌تواند یک مگاوات ساعت انرژی را در خود ذخیره کند. اما در مقابل، برای ذخیره کردن یک مگاوات ساعت انرژی در روغن باید از 12  متر مکعب آن، بهره برد.

مدیران یک مرکز انرژی خورشیدی در آلمان که از سال 2011 تاکنون به مطالعه بهره گیری از این روش همراه با استفاده از نمک مذاب مشغولند، اخیرا اعلام نموده اند که دستیابی به جریان پایدار و 24 ساعته برق تولیدی از نیروگاه و سامانه ذخیره سازی انرژی را جشن گرفته‌اند.

هم اینک قیمت برق تولیدی تمام شده این نیروگاه‌‌‌ها دوبرابر قیمت تمام شده نیروگاه‌‌‌های استفاده کننده از گاز طبیعی است. و بر اساس نقشه راه ترسیم شده صنایع پیش‌بینی می‌شود که با پایان یافتن مطالعات و آزمون‌‌‌ها و بویژه تغییرات اثربخش‌تر در خواص شیمیایی مایع بکار گرفته شده در باتری‌‌‌ها و اقتصادی شدن تولید برق در سایه تولید انبوه و بهینه، نیروگاه‌‌‌های انرژی خورشیدی و بویژه در مناطق دارای روزهای آفتابی و بدون ابر نظیر صحرای آفریقا می‌توانند در ده سال آینده به رقیب نیروگاه‌‌‌های سوزاننده گاز طبیعی، تبدیل شوند.

استفاده از سامانه‌‌‌های ترکیبی تولید انواع انرژی‌‌‌های سبز و یکی از روش‌‌‌های ذخیره سازی انرژی، می‌تواند دستاوردهای قابل توجهی داشته باشد. همچنین مطالعه بر روی سامانه‌‌‌های تولید سرما نیز به نتایج اثربخشی رسیده است. در این سامانه‌‌‌ها به جای گرم کردن مایع، از سرد کردن آن در ساعات غیر اوج مصرف و عموما در شب‌‌‌ها استفاده میشود. لذا در هنگام روز و با آب شدن مایع یخ زده، سامانه تهویه هوا به کار می‌افتد. این روش در بسیاری از فروشگاه‌‌‌های آمریکایی هم اینک اجرایی شده است.

روش پنجم : هیدروژن خانگی (از 5 امتیاز)

امتیاز راه اندازی طرح در مقیاس بزرگ: 2.2

امتیاز بازدهی اقتصادی: 1

امتیاز کارایی انرژی:1.4

مهمترین دلایل موافقان :

کارایی عملیاتی ، وزن کم تجهیزات

مهمترین دلایل مخالفان:

نیاز به سرمایه گذاری بیشتر برای طراحی و ساخت تجهیزات مورد نیاز

یکی از چشم اندازهای خوشحال کننده گسترش انرژی‌‌‌های سبز را باید در استفاده گسترده تر خانواده‌‌‌ها از این انرژی، دانست. چرا که اتکا بر مجتمع‌‌‌های بزرگ صنعتی تولید این انرژی‌‌‌ها ممکن است مردم را از اهمیت این دستاوردها، چندان آگاه نکند.

از زمانی که بشر دریافت می‌تواند با عبور جریان برق از آب، آن را به مولکول‌‌‌های هیدروژن و اکسیژن تجزیه کند، می‌گذرد. هیدروژن تولیدی در این روش می‌تواند در یک پیل سوختی به جریان برق تبدیل شود. اما چالش اصلی اینست که چگونه تجزیه آب و سوزاندن هیدروژن با کارایی انرژی و بدون تولید حجم زیادی از گرمای تلف شده، همراه باشد.

ما می‌دانیم که کارایی فرآیند شکافت هیدروژن با استفاده مستقیم از نور خورشید، چقدر بالاست، همان اتفاقی که با به دام افتادن نور خورشید در برگ گیاهان و فرآیند فتوسنتز روی می‌دهد. سلول‌‌‌های هیدرولیک نیز که از گذشته به کار گرفته می‌شوند، ناکارا و گران قیمت هستند. از سوی دیگر استفاده از موادی نظیر کاتالیست‌‌‌های پایه کبالت و یا مواد نوترکیب ساخته شده با استفاده از دانش نانوفناوری، با نتایج موفقی همراه بوده است، هرچند هزینه‌‌‌های بکارگیری از این مواد همچنان بالاست.

در بکارگیری انرژی حاصل از پیل‌‌‌های سوختی که فرآیند شکافت هیدروژن را با کارایی بالا انجام می‌دهد، نباید قیمت بالای کاتالیست‌‌‌های مورد استفاده نظیر پلاتینیوم را نادیده بگیریم. مثلا تامین برق مورد نیاز یک خودرو و یا یک منزل مسکونی به کاتالیست‌‌‌هایی با ده‌‌‌ها هزار دلار قیمت، نیاز دارد. لذا دانشمندان به دنبال مواد جایگزین هستند. البته نگهداری هیدروژن، ممکن است خطر انفجار را به دنبال داشته باشد، مگر اینکه از فشار بالا و یا مایع نمودن آن بهره ببریم.

اگر ما بر همه این چالش‌‌‌ها فائق آییم، به زودی ما شاهد گسترش استفاده از نیروگاه‌‌‌های کوچک هیدروژنی در خانه‌‌‌هایمان خواهیم بود. اگر این سامانه با صفحات خورشیدی و یا توربین‌‌‌های بادی ترکیب شود، امکان استفاده از انرژی‌‌‌های سبز در همه ساعات روز فراهم می شود. و با توجه به چگالی بالاتر هیدروژن نسبت به گازوئیل، زندگی در دنیایی که استفاده از خودروها و کامیون‌‌‌های هیدروژنی در آنفراگیر باشد، یک گام مهم برای دستیابی به دنیایی است که بر پایه اقتصاد هیدروژنی پاک، پایدار و دوستدار محیط زیست بنا گردیده است.

نویسنده : دیوید کاستلوچی

منبع : SCIENTIFIC AMERICAN