نوید بخش ترین فناوری های ذخیره سازی انرژی

فناوری ذخیره انرژی کارآمد برای غلبه بر نوسانات در عرضه انرژی تجدیدپذیر و کاهش اتکای ما به سوخت های فسیلی مورد نیاز است، در اینجا برخی از امیدوار کننده ترین فناوری های امروزی در صنعت ذخیره سازی انرژی آورده شده است.

فن‌آوری‌های ذخیره‌سازی انرژی به ما اجازه می‌دهند انرژی را در صورت وجود ذخیره کنیم و در صورت نیاز آن را آزاد کنیم و طیف وسیعی از مزایای را برای شبکه، مشاغل و خانوارها فراهم می‌کند.

یکی از دلایل اصلی که ذخیره انرژی کارآمد برای گذار سبز حیاتی است، نیاز به مدیریت عرضه انرژی متغیر است. منابع انرژی تجدیدپذیر مانند باد و خورشید متناوب هستند و منبع انرژی ثابتی را ارائه نمی دهند.

ذخیره انرژی می تواند با ذخیره انرژی اضافی در صورت وجود و آزاد کردن آن در صورت نیاز، این نوسانات را آرام کند.

از آنجایی که بسیاری از منابع انرژی تجدیدپذیر در حال ارزان‌تر شدن و ارزان‌تر شدن هستند، ذخیره‌سازی و استفاده از آنها در آینده می‌تواند برای جامعه بسیار مقرون‌به‌صرفه باشد.

ذخیره انرژی همچنین می تواند در مواقع اضطراری نیروی پشتیبان تامین کند و به کاهش پیک تقاضا کمک کند، که زمانی رخ می دهد که بسیاری از مردم به طور همزمان از برق استفاده می کنند.

با ذخیره انرژی اضافی در ساعات کم بار و آزادسازی آن در ساعات اوج مصرف، ذخیره انرژی می تواند به جلوگیری از خاموشی و کاهش نیاز به ارتقاء زیرساخت های گران قیمت یا اتکا به سوخت های فسیلی کمک کند.

بهبود زیرساخت‌های ذخیره‌سازی انرژی و غلبه بر مشکلات ناشی از عرضه متناوب انرژی تجدیدپذیر برای دستیابی به اهداف کربن‌زدایی ضروری است و می‌تواند به شدت به حذف وابستگی به سوخت‌های فسیلی کمک کند.

ذخیره سازی انرژی حرارتی

ذخیره سازی انرژی حرارتی (TES) یک فناوری نوآورانه است که راه حلی امیدوارکننده برای ذخیره و آزادسازی انرژی گرمایی ارائه می دهد.

این به ما این امکان را می دهد که از منابع انرژی تجدیدپذیر مانند باد و خورشید با استفاده از انرژی تولید شده برای گرم کردن باتری حرارتی که می تواند گرما را برای چندین ساعت یا حتی روزها ذخیره کند، استفاده کنیم.

این انرژی ذخیره شده را می توان در مواقع لزوم برای تولید برق استفاده کرد، به ویژه در دوره هایی که منابع انرژی تجدیدپذیر به راحتی در دسترس نیستند و این رویکرد یک تغییر بازی برای انرژی های تجدیدپذیر است، زیرا ما را قادر می سازد تا زمانی که مقرون به صرفه است از آن استفاده کنیم، که معمولاً در دوره های آفتابی یا باد رخ می دهد.

در نتیجه می توان هزینه کلی برق را کاهش داد و پایداری شبکه را بهبود بخشید.

یکی از مزایای اصلی TES این است که یک رویکرد ساده برای ذخیره انرژی ارائه می دهد، باتری‌های حرارتی معمولاً از مواد فراوانی ساخته می‌شوند که مونتاژ و نگهداری آن ارزان هستند و می‌توانند سال‌ها کار کنند.

به عنوان مثال، بسیاری از شرکت های TES، مانند Antora Energy، از کربن جامد استفاده می کنند که بسیار ارزان و در دسترس است. زنجیره تامین موجود کربن جامد بیش از 30 میلیون تن در سال است که 50 برابر مقدار موجود لیتیوم است.

این فناوری همچنین بسیار مقیاس‌پذیر است، به این معنی که می‌توان آن را برای کاربردهای مختلف، از نیروگاه‌های مقیاس بزرگ تا ساختمان‌های مسکونی کوچک‌تر، تطبیق داد.

ذخیره سازی هیدروالکتریک پمپ شده

ذخیره سازی هیدروالکتریک پمپی (PHS) در حال حاضر یکی از پرکاربردترین اشکال ذخیره سازی انرژی است، PHS شامل پمپاژ آب از یک مخزن پایین تر به مخزن بالاتر در هنگام تقاضای کم برق، مانند شب، با استفاده از برق اضافی تولید شده از منابع تجدید پذیر است.

در طول دوره های تقاضای زیاد برای برق، آب ذخیره شده به مخزن پایینی رها می شود که با چرخاندن توربین ها برق تولید می کند، این فرآیند ظرفیت الکتریکی اضافی را قادر می‌سازد تا به طور موثر و ارزان ذخیره شود، و این امکان را می‌دهد که در مواقعی که بیشتر مورد نیاز است آزاد شود.

طبق گزارش آژانس بین المللی انرژی (IEA)، کل ظرفیت نصب‌شده PHS در سراسر جهان در سال 2021 حدود 160 گیگاوات بود که آن را به گسترده‌ترین فناوری ذخیره‌سازی در مقیاس شبکه تبدیل کرد.

در واقع، PHS بیش از 90 درصد از ذخیره‌سازی برق جهان را به خود اختصاص می‌دهد که تقریباً 8500 گیگاوات ساعت در سال 2020 است.

اکثر نیروگاه‌های PHS که در حال حاضر در حال کار هستند، تعادل روزانه را فراهم می‌کنند و از عرضه ثابت برق در زمان اوج تقاضا اطمینان می‌دهند و با این حال، پتانسیل PHS برای استفاده در کاربردهای مقیاس بزرگتر، مانند پشتیبانی از ادغام منابع انرژی تجدیدپذیر متناوب در شبکه وجود دارد.

ایالات متحده بزرگترین ظرفیت PHS را دارد و تعداد زیادی کارخانه در سراسر کشور پراکنده شده است، بزرگترین نیروگاه PHS جهان، ایستگاه ذخیره سازی پمپ بت کانتی، با ظرفیت بیش از 3 گیگاوات، ظرفیت ذخیره سازی 24 گیگاوات ساعت، معادل یک سال مصرف برق برای 6000 خانه، در ویرجینیا واقع شده است.

علیرغم مزایای آن، PHS دارای محدودیت هایی است، از جمله نیاز به توپوگرافی مناسب و دسترسی به مقادیر زیادی آب. با این وجود، PHS یک فناوری کلیدی برای ذخیره‌سازی انرژی است و پتانسیل بسیار زیادی برای کمک به تسریع انتقال به آینده انرژی پایدارتر دارد.

هیدروژن سبز

تولید هیدروژن سبز از طریق الکترولیز که توسط منابع انرژی تجدیدپذیر مانند خورشید و باد تامین می شود، یک راه حل امیدوارکننده برای ذخیره انرژی طولانی مدت ارائه می دهد.

هیدروژن تولید شده از این فرآیند می تواند ذخیره شده و در صورت نیاز دوباره به برق تبدیل شود و قدرت متعادل کننده ای برای شبکه فراهم کند و مهمتر از همه، می توان آن را در صورت لزوم بدون انتشار گازهای گلخانه ای سوزاند.

یکی از مزایای قابل توجه هیدروژن قابلیت ذخیره سازی آن برای ماه ها بدون اتلاف انرژی از طریق تخلیه است که آن را به گزینه ای جذاب برای ذخیره سازی طولانی مدت انرژی تبدیل می کند. در مقایسه، باتری های لیتیوم یونی فقط می توانند انرژی را برای چند ساعت ذخیره کنند.

از سوی دیگر، فرآیند قدرت به گاز به نیرو مورد نیاز هیدروژن سبز ظرفیت ذخیره‌سازی انرژی بالایی دارد، اما نسبت به سایر فناوری‌های ذخیره‌سازی کارآمدتر و گران‌تر است.

در واقع، با توجه به مؤسسه فناوری ماساچوست، تبدیل نیرو به گاز و دوباره به برق بازدهی 18 تا 46 درصد دارد. برای در نظر گرفتن این موضوع، انرژی آبی ذخیره‌سازی پمپ شده بازدهی نزدیک‌تر به 70 تا 85 درصد دارد.

علیرغم اینکه گزینه امیدوارکننده ای برای ذخیره انرژی است، لجستیک و زیرساخت برای افزایش تولید آن هنوز به اندازه کافی توسعه نیافته است.

کاهش هزینه های تولید و در مقیاس بزرگتر می تواند گام مهمی در جهت کاهش انتشار دی اکسید کربن و حتی ایجاد یک اقتصاد دایره ای باشد.

بسیاری از پروژه‌ها هم‌اکنون در حال انجام هستند، زیرا رهبران بیشتر صنعت، مانند جان کچام در NextEra Energy Resources، هیدروژن سبز را به عنوان یک «راه‌حل واقعاً بلندمدت» می‌بینند. NextEra در حال حاضر روی 50 پروژه بالقوه هیدروژن سبز کار می کند.

در اتحادیه اروپا، پروژه های بسیاری اجرا شده است، مانند مهارت های سبز برای هیدروژن، یک برنامه تبدیل مهارت و آموزش با حمایت اتحادیه اروپا با هدف تجهیز کارگران به ابزارها و مهارت های لازم برای انطباق با فناوری جدید.

باتری های گرانشی

باتری‌های گرانشی شکل جدیدی از فناوری ذخیره‌سازی انرژی هستند که از قدرت گرانش و ترمز احیاکننده برای ارسال انرژی تجدیدپذیر به شبکه استفاده می‌کنند.

این باتری ها با استفاده از انرژی تجدیدپذیر برای بلند کردن یک جسم سنگین به هوا یا بالای یک حفره عمیق در زمین کار می کنند و سپس در زمانی که انرژی مورد نیاز است وزن را کاهش می دهند، حرکت کابل ها برای بالا و پایین آوردن جسم، بر حسب تقاضا برق تولید می کند، بنابراین بر مشکل ناشی از تولید انرژی ناسازگار غلبه می کند.

برخلاف باتری های معمولی مانند لیتیوم یون، باتری های گرانشی تخلیه خود را تجربه نمی کنند، به این معنی که می توانند انرژی را برای ماه ها یا حتی سال ها ذخیره کنند.

محققان کشف کرده‌اند که معادن متروکه در سرتاسر جهان می‌توانند برای ذخیره انرژی مورد استفاده قرار گیرند و راه‌حلی منحصربفرد برای انرژی اضافی تولید شده در شرایط آب و هوایی خوب ارائه کنند.

یکی از مزایای قابل توجه استفاده از معادن متروکه برای ذخیره انرژی، امکان استفاده از زیرساخت های موجود است.

معادن قبلاً به شبکه برق متصل شده اند و هزینه و پیچیدگی اجرا را کاهش می دهند.

مطالعه اخیر مؤسسه بین‌المللی تحلیل سیستم‌های کاربردی (IIASA) نشان می‌دهد که این معادن از کار افتاده می‌توانند تا 70 تراوات انرژی ذخیره کنند که برای مطابقت با مصرف برق روزانه کل جهان کافی است.

با برآورد 550000 معدن متروکه تنها در ایالات متحده، این فناوری پتانسیل بسیار زیادی دارد.

برخی از شرکت ها در حال ساخت باتری های گرانشی هستند که نیازی به مین ندارند و می توان آنها را در هر جایی انداخت، این فناوری ذخیره انرژی را در دسترس‌تر، مقرون به صرفه‌تر و مقیاس‌پذیرتر می‌کند و فرصت‌های جدیدی را برای انرژی‌های تجدیدپذیر باز می‌کند.

در بریتانیا، یک پروژه پیشگام به نام Gravitricity، باتری گرانشی را در ادینبورگ با استفاده از یک برج فولادی 15 متری آزمایش کرده است تا وزن سنگین را با استفاده از انرژی خورشیدی بالا و پایین کند.

اگرچه این پروژه فقط 10 ثانیه کار کرد، اما نشان داد که این تئوری می تواند عملی شود.

جیل مکفرسون، مهندس ارشد آزمایش و شبیه سازی پروژه، در مورد آزمایش موفقیت آمیز توضیح داد:

قدرت تظاهرکننده 250 کیلووات بود که برای نگهداری حدود 750 خانه کافی بود، البته برای مدت بسیار کوتاه. اما تایید کرد که ما می‌توانیم توان کامل را در کمتر از یک ثانیه تحویل دهیم، که برای اپراتورهایی که نیاز به متعادل کردن شبکه ثانیه به ثانیه دارند ارزشمند است. همچنین می تواند مقادیر زیادی را آهسته تر تحویل دهد، بنابراین بسیار انعطاف پذیر است.

وعده چنین باتری هایی بی نظیر است، زیرا می توان آنها را در سراسر جهان از جمله در آفریقا اجرا کرد. به گفته چارلی بلر، بنیانگذار Gravitricity:

اگر این فناوری واقعاً تفاوتی ایجاد می کند، در سطح جهانی تفاوت ایجاد می کند. همانطور که آنها شبکه را می سازند، همانطور که در اروپا روشن است، چراغ ها را در آفریقا روشن نگه می دارد.

ایجاد حفره هایی به طور خاص برای این باتری های گرانشی در آفریقا می تواند به آنها اجازه دهد تا عمق 2 کیلومتری را طی کنند و در آفریقا، ادغام این باتری ها در شبکه می تواند دسترسی به برق را به شدت بهبود بخشد. در اروپا، می تواند راه حلی کارآمد برای ذخیره انرژی های تجدیدپذیر ارائه دهد.

در حالی که باتری های گرانشی یک فناوری امیدوارکننده هستند، هنوز موانع زیادی برای پذیرش وجود دارد؛ هزینه یک نگرانی مهم است، همانطور که نیاز به بهینه سازی فناوری برای محیط های مختلف و موارد استفاده است.

تحقیقات و توسعه بیشتر برای بهبود کارایی و قابلیت اطمینان این باتری ها مورد نیاز است، با این وجود، پتانسیل باتری‌های گرانشی برای ذخیره‌سازی بلندمدت انرژی با استفاده از زیرساخت‌های موجود، دلیل قانع‌کننده‌ای برای کشف بیشتر این فناوری 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.