ذخیره انرژی در مقیاس شبکه برای نسل بعدی انرژی خورشیدی متمرکز

هزینه انرژی های تجدیدپذیر در سال های اخیر به میزان قابل توجهی کاهش یافته است که راه را برای آینده ای کاملاً تجدیدپذیر و پایدار نشان می دهد.

با این حال این انتقال انرژی بدون فناوری ذخیره انرژی عظیم در مقیاس شبکه امکان پذیر نیست زیرا بیشتر انرژی های تجدیدپذیر بسیار متغیر هستند، در مناطقی با منابع خورشیدی بالا، انرژی خورشیدی متمرکز (CSP) می تواند نقش مهمی ایفا کند.

بنابراین پیشرفت های قابل توجهی برای افزایش رقابت پذیری آن از طریق بهبود سیستم های ذخیره سازی انرژی یکپارچه با CSP انجام می شود.

مطالعه حاضر مروری جامع بر آخرین پیشرفت‌ها و چالش‌های امیدوارکننده‌ترین استراتژی‌های ذخیره‌سازی انرژی برای نیروگاه‌های نسل بعدی CSP ارائه می‌کند، در حالی که محدودیت‌های فناوری پیشرفته را نیز مورد توجه قرار می‌دهد.

این بررسی شامل تجزیه و تحلیل کاملی از سیستم‌های نوظهور ذخیره‌سازی انرژی حرارتی (TES) برای مهار انرژی خورشیدی و همچنین سیستم‌های ذخیره‌سازی برق اضافی است.

دومی شامل فناوری‌های Power-To-Heat-To-Power (P2H2P) و ذخیره‌سازی انرژی گاز فشرده/مایع (CGES/LGES) برای ذخیره انرژی اضافی کم ارزش از سایر فناوری‌های انرژی تجدیدپذیر است که گزینه‌های ذخیره‌سازی انرژی را ندارند. (این مطالعه همچنین ادغام آنها با بلوک های قدرت پیشرفته را بررسی می کند)

یک مقایسه منصفانه با در نظر گرفتن عوامل مختلفی انجام شده است: چگالی ذخیره انرژی، شرایط عملیاتی، هزینه های تخمینی، قابلیت اطمینان، پایداری حرارتی/شیمیایی چرخه ای، بلوغ فنی، پیچیدگی و کارایی.

اگرچه هیچ فناوری واحدی نمی‌تواند همه الزامات را به طور همزمان برآورده کند، نتایج پیشرفت‌های امیدوارکننده‌ای را ارائه می‌دهند که به ترسیم خطوط کلی جهت‌ها و چشم‌اندازهای آینده برای تقویت بخش CSP در دهه آینده کمک می‌کند.

سیستم انرژی جهان در حال حاضر در فرآیند تحول به سوی آینده ای کاملاً تجدیدپذیر و پایدار است. از آنجایی که اخیراً، این فرآیند دگرگونی نه تنها با هدف کاهش تغییرات آب و هوایی انجام می شود، بلکه به دلایل ژئوپلیتیکی و اقتصادی نیز انجام می شود.

هزینه تولید برق تجدیدپذیر، مانند فتوولتائیک (PV) و باد، به طور چشمگیری کاهش یافته است، و در حال حاضر کمتر از هزینه تولید برق نهایی نیروگاه های هسته ای یا فسیلی سنتی است.

با این حال، راه به سوی یک سیستم انرژی جدید با بیشترین سهم از منابع تجدیدپذیر متغیر از عوارض مستثنی نیست. ما به سمت یک سیستم انرژی کاملاً تجدیدپذیر حرکت می کنیم که در آن برق به صورت کاملاً غیر متمرکز و کنترل نشده تولید می شود. بنابراین، الزامات کلیدی برای عملکرد کارآمد سیستم انرژی آینده، هم ذخیره انرژی عظیم و هم تولید انرژی بسیار انعطاف پذیر است.

نیروگاه ایده آل آینده نیاز به تولید برق تطبیقی دارد، قادر به تولید برق در ساعات پر تقاضا (دوره های قیمت بالا، صبح و عصر) و ذخیره انرژی بهینه، زمانی که تقاضای برق کم است، اما انرژی تجدیدپذیر است. در دسترس بیش از حد. (دوره های قیمت پایین)

منبع خورشیدی موجود بر روی زمین چندین صد برابر از تقاضای انرژی کنونی جهان فراتر می رود، بنابراین، در مناطقی با منابع خورشیدی بالا، انرژی خورشیدی متمرکز (CSP) نقش مهمی ایفا می کند.

این فناوری تابش مستقیم خورشید را برای به دست آوردن انرژی حرارتی با دمای بالا متمرکز می کند که با استفاده از یک چرخه ترمودینامیکی با یک ژنراتور الکتریکی به الکتریسیته تبدیل می شود.

CSP پیشرفته همراه با سیستم های شناخته شده ذخیره سازی انرژی حرارتی (TES) در حال حاضر تولید برق قابل توزیع مناسبی را فراهم می کند که می تواند شبکه برق را تثبیت کند و علاوه بر این، CSP را می توان به راحتی در شبکه برق و سیستم انرژی به عنوان یک کل ادغام کرد. (به عنوان مثال گرمای فرآیند صنعتی، کارخانه های نمک زدایی و تولید سوخت های خورشیدی)

علاوه بر این CSP دارای پتانسیل زیادی به عنوان یک راه حل قابل دوام برای هیبریداسیون با فن آوری های مختلف انرژی حرارتی است زیرا فناوری را با تولید برق معمولی به اشتراک می گذارد و می تواند به راحتی با سایر منابع انرژی در یک سیستم هم افزایی ادغام شود.

این ادغام مزایای بالقوه بی‌شماری را ارائه می‌دهد، مانند افزایش قابلیت ارسال و قابلیت اطمینان، بهبود بهره‌وری، کاهش هزینه از طریق اشتراک‌گذاری تجهیزات، و امکان عملیات انعطاف‌پذیر با تبادل بین منابع انرژی.

در طول چند دهه گذشته، اکثر تلاش‌های تحقیقاتی عمدتاً بر روی کشف احتمالات هیبریداسیون حرارتی با زغال‌سنگ، گاز طبیعی، سوخت زیستی و زمین گرمایی متمرکز شده‌اند.

با این حال زغال‌سنگ و گاز طبیعی کاملاً پایدار نیستند، سوخت‌های زیستی ممکن است از دسترسی مقرون‌به‌صرفه رنج ببرند، نیاز به منابع سوخت جایگزین داشته باشند، و انرژی زمین‌گرمایی محدودیت‌های مکان را نشان می‌دهد و با چرخه‌های قدرت ناکارآمد در دماهای پایین عمل می‌کند.

در نتیجه امکانات جدیدی برای هیبریداسیون به وجود می آید که فراتر از فناوری های مبتنی بر حرارت گسترش می یابد و این شامل ادغام منابع انرژی PV و باد است که بر نیاز به بررسی رویکردهای جدید برای ادغام CSP در سیستم های هیبریدی تاکید می کند.

در بخش CSP بسته به نحوه تمرکز تابش خورشیدی روی گیرنده، می توان چندین نوع متمایز از فناوری را متمایز کرد: کلکتورهای سهموی (PTC)، بازتابنده های خطی فرنل، کلکتورهای بشقاب سهموی و برج های انرژی خورشیدی (SPT) در حال حاضر، ظرفیت کلی نصب شده CSP در سراسر جهان در سال 2020 به حدود 6-6.5 گیگاوات رسیده است و بیشترین فناوری نصب شده PTC است که 80 درصد از نیروگاه های عملیاتی را تشکیل می دهد.

با این وجود طی چند سال اخیر این بخش شاهد تغییر عمیقی است که در آن SPT توجه بیشتری را به خود جلب می کند، زیرا قادر به دستیابی به فاکتورهای غلظت بالای خورشیدی (بالاتر از 1000 خورشید) و عملکرد در دماهای بالاتر از PTC است که منجر به استفاده می شود.

بلوک های قدرت با راندمان بالاتر بنابراین، تعداد نیروگاه‌های SPT در حال ساخت و توسعه بیشتری نسبت به بقیه فناوری‌های CSP وجود دارد و در نظر گرفته می‌شود که SPT فضای بالاتری را برای بهبود و پتانسیل بیشتری برای کاهش هزینه به دلیل راندمان بالاتر انرژی خورشیدی به برق ارائه می‌کند.

تراکم انرژی بالاتر، میدان خورشیدی کم هزینه، تعمیر و نگهداری کمتر و نیروگاه های بدون نفت با اثرات زیست محیطی کمتر.

با این وجود، کاهش اخیر در هزینه تولید برق PV (هزینه همسطح الکتریسیته، LCOE = 3-4 $c/kWhe) رقابت پذیری فناوری SPT را به طور قابل توجهی کاهش داده است و هیچ فایده ای برای تولید برق در طول روز وجود ندارد. (LCOE = 10-15 $c/kWhe - زمانی که PV با ظرفیت کامل کار می کند و قیمت برق پایین است - به اصطلاح منحنی اردک)

در این زمینه مزیت منحصر به فرد و بسیار ارزشمند CSP با TES معمولی - بنابراین عملیات قابل ارسال را فراهم می کند - دیگر به اندازه کافی رقابتی نیست و به یک پیشرفت مفهومی CSP نیاز است.

از این رو علاوه بر پیشرفت‌ها در گیرنده‌های برج و اجزای میدان خورشیدی، دو استراتژی اخیر با هدف افزایش رقابت‌پذیری نسل بعدی CSP از طریق ذخیره‌سازی عظیم انرژی در مقیاس شبکه: 

• سیستم های پیشرفته TES

• یکپارچه سازی سیستم های ذخیره الکتریسیته اضافی (EES)

هر دو استراتژی را می توان به طور مناسب با یکدیگر ترکیب کرد و در عین حال با بلوک های قدرت پیشرفته (APB) برای افزایش کارایی تبدیل انرژی ذخیره شده به برق ادغام شد.

اولاً ادغام سیستم‌های پیشرفته TES، که در ارتباط با انرژی خورشیدی متمرکز کار می‌کنند، بر محدودیت‌ها و معایب فناوری پیشرفته TES (sTES) غلبه می‌کند، که عمدتاً مبتنی بر نمک‌های مذاب معمولی است که چالش‌های مهمی را برای کارخانه‌های CSP تجاری ایجاد می‌کند: دمای عملیات محدود، نقطه دمای انجماد بالا، تنش حرارتی متناوب مخازن و مسائل جدی خوردگی.

این محدودیت‌ها می‌تواند منجر به پارگی مخزن ذخیره‌سازی شود، که نمونه آن حوادث نشت اخیر در کارخانه CSP Crescent Dunes در ایالات متحده، کارخانه CSP Gemasolar در اسپانیا و کارخانه CSP Noor-III در مراکش است که باعث اقتصاد قابل توجهی شده است.

امیدوارکننده‌ترین جایگزین‌های ذخیره‌سازی پیشرفته به موارد زیر طبقه‌بندی می‌شوند:

• ذخیره‌سازی حرارت محسوس (SHS): نمک‌های مذاب جدید، ذرات، ترموکلاین با بستر محسوس و فلزات مایع

• ذخیره گرمای نهان (LHS): مواد تغییر فاز دهنده ترموکلاین با بستر بسته بندی شده

• ذخیره سازی انرژی حرارتی (TCES): هیدریدها، هیدروکسیدها، کربنات ها و واکنش های ردوکس

ثانیا برای انجام یک انقلاب واقعی در بخش، یک تغییر پارادایم کامل بر اساس یک مدل تجاری جدید CSP ضروری است و بنابراین اخیراً پیشنهاد شده است که از فناوری CSP نه تنها برای تولید الکتریسیته مبتنی بر انرژی خورشیدی (به عنوان مثال CSP3 از SunShot) بلکه برای یکپارچه‌سازی ذخیره‌سازی عظیم الکتریسیته اضافی (EES) با استفاده مستقیم از مازاد ارزش کم استفاده شود. (انرژی حاصل از سایر فناوری‌های انرژی تجدیدپذیر که فاقد سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی قابل اجرا هستند)

در مقایسه با فن‌آوری‌های رایج ذخیره‌سازی انرژی الکتریکی، CSP قادر است بر محدودیت‌های اصلی خود غلبه کند، به‌عنوان مثال ذخیره‌سازی الکتریکی باتری اثرات زیست محیطی بالایی دارد، مسائل بازیافتی، طول عمر محدود و هزینه بالاتر و ذخیره‌سازی هیدرولیک پمپ شده به دلیل ضرورت ارتفاع جغرافیایی و در دسترس بودن آب، محدودیت های جغرافیایی شدیدی را ایجاد می کند.

به عنوان تابعی از قیمت برق در شبکه (که حتی می‌تواند در زمان‌های معینی منفی باشد، مثلاً در طول ظهر) به نیروگاه CSP حتی برای دریافت برق پرداخت می‌شود که می‌تواند بعداً در بلوک برق مورد استفاده قرار گیرد، زمانی که برق توسط نیرو تقاضا شود.

بنابراین این راه حل قادر است ضریب ظرفیت نیروگاه CSP را در حین اشتراک بلوک قدرت افزایش دهد، همانطور که در به روز رسانی برنامه فناوری انرژی استراتژیک اروپا در سال 2023  تعریف شده است، استفاده از CSP باید نفوذ منابع انرژی تجدیدپذیر متغیر را در سیستم الکتریکی آینده، عمدتاً از طریق نیروگاه های هیبریدی مانند سیستم های PV-CSP تسهیل کند.

نمونه‌هایی از پروژه‌های اخیر PV-CSP عبارتند از:

• نیروگاه Cerro Dominador در شیلی

• Noor Energy 1/DEWA IV در امارات متحده عربی

شایان ذکر است پروژه CSP Noor Midelt در مراکش، با ظرفیت 800 مگاوات، به عنوان یک نیروگاه هیبریدی PV-CSP پیشگام است که دارای یک بخاری برقی برای ذخیره مستقیم برق تولید شده توسط سیستم PV در سیستم TES است، بنابراین سنگ فرش می شود.

راه برای نسل بعدی فناوری CSP دلگرم‌کننده‌ترین ذخیره‌سازی عظیم الکتریسیته که می‌تواند با فناوری CSP ادغام شود در دو زیر گروه طبقه‌بندی می‌شوند:

• CSP با Power-To-Heat-To-Power (P2H2P)

• CSP با ذخیره انرژی گاز فشرده (CGES) یا ذخیره انرژی گاز مایع (CLES)

به منظور تبدیل این انرژی ذخیره شده به برق به روشی کارآمدتر، ادغام بلوک های توان پیشرفته (APB) با CSP ضروری است و جایگزین‌های ذخیره‌سازی نوظهور (TES و EES) می‌توانند در دماهای بالاتر کار کنند، از این رو، چرخه رانکین زیربحرانی معمولی را می‌توان به راحتی با نوآورانه‌ترین APB جایگزین کرد، به عنوان مثال:

• یک چرخه ترکیبی Air-Brayton (ABCC)

• یک چرخه فوق بحرانی دی اکسید کربن (sCO2)

ادغام بلوک های قدرت عمدتاً به سیستم های ذخیره انرژی انتخاب شده، شرایط عملیاتی و سیالات کاری کارخانه CSP بستگی دارد.

نتایج اصلی به لطف این استراتژی‌های جدید به دست خواهد آمد: تثبیت شبکه برق با سهم بالاتری از منابع انرژی تجدیدپذیر و CSP کارآمد، اقتصادی و به طور خلاصه رقابتی‌تر.

بنابراین انتظار می رود که این تغییر مخرب در الگوی CSP بتواند کارایی نیروگاه ها را افزایش دهد، چگالی ذخیره انرژی (ESD) را افزایش دهد، قابلیت اطمینان و طول عمر را افزایش دهد، حداقل اثرات زیست محیطی را حفظ کند، انعطاف پذیری عملیات را بهبود بخشد و هزینه را کاهش دهید.

انگیزه و اهداف

بررسی های موجود در مورد فناوری نسل بعدی CSP عمیقاً بر روی یک نوع واحد از سیستم های ذخیره انرژی، به طور جداگانه متمرکز شده است و با این وجود، با توجه به انبوه و تنوع راه حل های مخرب جدید، یک دیدگاه کلی شامل هر دو سیستم TES و EES ضروری است.

از این رو این مقاله با هدف تجزیه و تحلیل وضعیت در سطح جهانی و ارائه خلاصه ای به روز از آخرین سیستم های ذخیره سازی انرژی در مقیاس شبکه عظیم برای CSP، عمدتاً در مورد شرایط عملیاتی، چالش ها ارائه می کند:

سیستم های ذخیره سازی انرژی حرارتی (TES)

TES سنگ بنای فناوری CSP قابل توزیع را تشکیل می دهد و می توان آن را به سیستم های شناخته شده پیشرفته TES و طیف گسترده ای از سیستم های پیشرفته در حال ظهور (aTES) که شامل ذخیره سازی گرمای محسوس، نهفته و ترموشیمیایی است طبقه بندی کرد.

ذخیره برق اضافی (EES) یکپارچه با CSP

به منظور تقویت پتانسیل CSP و کاهش هزینه‌های آن، سیستم‌های ATES در حال ظهور باید نه تنها با انرژی حرارتی خورشیدی متمرکز، بلکه با برق اضافی از سایر منابع انرژی تجدیدپذیر متغیر ادغام شوند.

هدف اصلی تقویت یکپارچه سازی انرژی های تجدیدپذیر با اجرای ذخیره سازی گسترده در مقیاس شبکه و افزایش کارایی تبدیل و/یا ضریب ظرفیت CSP است و این منجر به کاهش اندازه مطلوب مورد نیاز خواهد شد

بلوک های قدرت پیشرفته (APB)

چرخه توان ترمودینامیکی یک زیر سیستم کلیدی یک نیروگاه CSP است و عملکرد آن به شدت تحت تأثیر شرایط مرزی تعیین شده توسط سیستم TES است. با استفاده از توربین ها و متعاقباً از طریق ژنراتورها، گرما را به کار مکانیکی تبدیل می کند.

چرخه های رانکین زیر بحرانی استاندارد (SCRC) برای هر دو واحد تجاری PTC و STP استفاده شده است.

در کارخانه‌های STP، می‌توان بخار را در دمای 550 درجه سانتی‌گراد/120 بار به‌دست آورد و در بهترین حالت، راندمان چرخه‌ای در حدود 37 تا 42 درصد.

این بخش یک مقایسه عادلانه بین گزینه‌های هر استراتژی ذخیره‌سازی انرژی انجام می‌دهد تا امیدوارکننده‌ترین راه‌ها برای غلبه بر محدودیت‌های فعلی CSP پیشرفته و نحوه ادامه ادغام آن در آینده را مشخص کند.

بنابراین پس از بررسی و مقایسه مفاهیم مختلف، اقدامات متداول متنوعی وجود دارد که می‌توان برای اکثر فناوری‌های ذکر شده به کار برد تا توسعه آنها در سال‌های بعد افزایش یابد.

نتیجه گیری

انرژی خورشیدی متمرکز (CSP) قادر به ارائه سیستم های ذخیره انرژی مقرون به صرفه و قابل اعتماد در مقیاس شبکه است و با این حال هیچ فناوری فردی قادر به برآوردن همه الزامات به طور همزمان نیست بنابراین، فناوری خاصی که باعث تغییر در وضعیت موجود خواهد شد هنوز مشخص نشده است.

مالکیت معنوی مجله انرژی (energymag.ir) علامت تجاری ناشر است... سایر علائم تجاری مورد استفاده در این مقاله متعلق به دارندگان علامت تجاری مربوطه می باشد، ناشر وابسته یا مرتبط با دارندگان علامت تجاری نیست و توسط دارندگان علامت تجاری حمایت، تایید یا ایجاد نشده است، مگر اینکه خلاف آن ذکر شده باشد و هیچ ادعایی از سوی ناشر نسبت به حقوق مربوط به علائم تجاری شخص ثالث وجود ندارد.