ذخیره سازی انرژی های تجدیدپذیر در برج های باتری و مبتنی بر جاذبه

انرژی های تجدیدپذیر به عنوان یک منبع پاک انرژی نام برده می شود که تمدن را از سوخت های فسیلی کثیف و تولید کننده CO2 که منجر به تغییرات آب و هوایی می شود، رها می کند.

انرژی‌های تجدیدپذیر با استخراج انرژی از جریان بی‌ پایان پرتوهای خورشیدی که به سطح زمین و بادهایی که بر روی آن می‌چرخند، از نیروی خورشید بهره می‌برند.

با این حال، خورشید اغلب توسط ابرها پوشیده می شود (یا در شب کاملاً از دید خارج می شود) و بادها در حال حرکت هستند.

اگر انتقال به انرژی‌های تجدیدپذیر ادامه یابد - جایگزینی برق ثابت و معمولی زغال‌سنگ، گاز و نیروگاه‌های هسته‌ای با منابع متناوب و غیرقابل پیش‌بینی انرژی پاک - ارائه‌دهندگان انرژی چگونه از عرضه ثابت برق اطمینان می‌دهند؟

پاسخ ممکن است در برج‌هایی از بلوک‌های بتنی عظیم باشد که صدها فوت ارتفاع دارند و مانند باتری‌های مکانیکی غول‌پیکر عمل می‌کنند و نیرو را به شکل انرژی پتانسیل گرانشی ذخیره می‌کنند.

این مفهوم جدید ذخیره انرژی توسط یک شرکت استارت آپی کالیفرنیایی/سوئیسی به نام Energy Vault به عنوان راه حلی برای مشکل متناوب انرژی های تجدیدپذیر ارائه شده است.

این برج‌ها برق تولید شده توسط انرژی‌های تجدیدپذیر را زمانی که خروجی آن‌ها در شرایط بادی و آفتابی زیاد است ذخیره می‌کنند و با کاهش تولید با خاموش شدن باد و حرکت ابرها، انرژی را به شبکه باز می‌گردانند.

باتری های گرانشی

در بالای هر برج جرثقیل هایی قرار دارد که هزاران بلوک بتنی قابل انباشته را بالا و پایین می آورند که هر کدام 35 تن وزن دارند، مازاد برق شبکه، موتورهای موجود در جرثقیل را برای بلند کردن بلوک‌ها، برداشتن آن‌ها از حلقه بیرونی قطعات اضافی و بالا بردن آنها به بالای یک حلقه متحدالمرکز داخلی، نیرو می‌دهد.

برای بازگرداندن برق به شبکه، انرژی پتانسیل بلوک های برجسته مهار می شود. جرثقیل ها آنها را از قله حلقه داخلی جدا می کنند و دوباره به حلقه بیرونی می اندازند و انرژی جنبشی توده های در حال سقوط را با ژنراتورها به برق تبدیل می کنند.

یک برج استاندارد دارای ظرفیت 35 مگاوات ساعت با حداکثر توان خروجی 4 مگاوات است که می تواند بر اساس تقاضا مدوله شود، Energy Vault ادعا می کند راندمان رفت و برگشت 90٪ است که با سادگی مکانیکی مبتنی بر فیزیک اساسی که توسط یک طرح کنترل هوشمند هدایت می شود، فعال می شود.

موقعیت یابی خاص و توالی حرکت جرثقیل کاملاً مستقل است و توسط الگوریتم های نرم افزاری سفارشی کنترل می شود که شرایط باد و اینرسی بلوک های عظیم را در نظر می گیرد تا آنها را در کارآمدترین پیکربندی ممکن قرار دهد.

این مفهوم از ذخیره انرژی هیدروالکتریک پمپ شده الهام گرفته شده است، که در آن آب بین دو مخزن در ارتفاعات مختلف منتقل می شود و با این رویکرد، الکتریسیته اضافی برای پمپاژ آب به ارتفاعات بالاتر استفاده می‌شود تا بعداً با آزاد کردن آن برای جریان از طریق یک توربین در حین سقوط به مخزن پایین، دوباره به برق تبدیل شود.

مخازن آن فضای زیادی را اشغال می کنند و باید در مکان هایی با تغییرات ارتفاعی بزرگ و طبیعی واقع شوند. یک برج به مساحت کمتری نیاز دارد و می‌توان آن را تقریباً در هر جایی که زمین نسبتاً صافی وجود دارد، قرار داد.

برج‌ها علاوه بر تامین یک ذخیره انعطاف‌پذیر انرژی برای جبران تناوب انرژی‌های تجدیدپذیر، پتانسیل ارائه خدمات جانبی مهم دیگری را برای حفظ پایداری و قابلیت اطمینان شبکه دارند، تولید برج در عرض میلی ثانیه افزایش می یابد و در 2.9 ثانیه به توان خروجی کامل می رسد.

پاسخ سریع نشان دهنده مزیت دیگری نسبت به هیدرولیک پمپی کند است و امکان استفاده از دکل ها را به عنوان منابع انرژی واکنش سریع به جای راه حل های سنتی مانند ژنراتورها باز می کند. در این نقش، دکل‌ها می‌توانند خدمات تنظیمی را ارائه دهند و عدم تعادل مختصر در شبکه برق مانند اختلاف فرکانس یا ولتاژ را یکسان کنند.

آن‌ها همچنین می‌توانند در صورت قطع شبکه، خدمات راه‌اندازی سیاه را ارائه دهند و با تأمین حداقل انرژی مورد نیاز برخی از عناصر شبکه مانند ژنراتورهای بزرگ برای راه‌اندازی مجدد، به بازیابی برق کمک کنند.

برج Energy Vault یکی از بسیاری از فناوری‌هایی است که برای سهمی از بازار رو به رشد ذخیره‌سازی انرژی رقابت می‌کند، در مورد نحوه انطباق این برج در برابر سایر مفاهیم ذخیره انرژی از جمله باتری های لیتیوم یونی و سایر رویکردهای مبتنی بر گرانش بخوانید.

باتری های گرانشی راه حل بالقوه مهمی برای یک مشکل حیاتی در انقلاب انرژی سبز هستند: اطمینان از اینکه برق زمانی که به آن نیاز داریم در دسترس است، نه فقط در مواقعی که خورشید و باد آن را تامین می کنند.

و این فقط یک ایده نیست با دو سایت در حال ساخت - یکی در رودونگ، چین، درست در شمال شانگهای، و دیگری در اسنایدر، تگزاس، در حدود 250 مایلی غرب دالاس - استارتاپ Energy Vault آزمایش جدی قابلیت استفاده از فناوری ذخیره‌سازی گرانشی را آغاز خواهد کرد.

یک برج گرانشی 5 مگاوات نیرو تولید می کرد، اما این دو تاسیسات و جانشین های مورد انتظار نشان خواهند داد که آیا ذخیره گرانشی به اندازه کافی مقرون به صرفه و کارآمد برای کار در مقیاس بزرگ است یا خیر.

وقتی خورشید غروب می‌کند

ممکن است فکر کنید قرار دادن پنل های خورشیدی بر روی پشت بام به مبارزه با تغییرات آب و هوایی کمک می کند، اما بدون نوعی ذخیره انرژی در خانه یا در شبکه، احتمالاً برای روشن کردن چراغ های خانه خود به نیروگاه های گازی و زغال سنگ پرتاب کننده دی اکسید کربن متکی خواهید بود، تلویزیون و ماشین ظرفشویی با غروب خورشید.

Energy Vault فناوری خود را در مقیاس کوچکتر در سوئیس آزمایش کرد، جایی که دفتر مرکزی این شرکت 170 نفری قرار دارد. دو سیستم EVx در حال ساخت آن بسیار بزرگتر هستند و سیستم چینی که برای شرکت مدیریت زباله و بازیافت China Tianying ساخته شده است، در ساختمانی به ارتفاع 400 فوت است و ظرفیت ذخیره انرژی 100 مگاوات ساعت خواهد داشت.

این برای تامین برق 3400 خانه برای یک روز کامل کافی است و این سیستم باید تا ژوئن تکمیل شود. سیستم تگزاس، در ساختمانی با ارتفاع 460 فوت (اما باریکتر)، ظرفیت 36 مگاوات ساعت را برای شرکت برق Enel فراهم می کند.

پنل های خورشیدی و توربین های بادی در حال حاضر انرژی ارزان تری نسبت به نیروگاه های زغال سنگ و گاز طبیعی تولید می کنند که آنها را به گزینه ای واضح برای جایگزینی سوخت های فسیلی تبدیل می کند.

بر اساس ردیابی شرکت مشاوره سرمایه گذاری و مدیریت دارایی Lazard، هزینه های انرژی خورشیدی از سال 2009 تا 2023 83 درصد و هزینه های باد در مدت مشابه 63 درصد کاهش یافته است.

اما در بسیاری از نقاط کشور، پنل‌های خورشیدی جدید اغلب در اواسط روز بدون کمک در عصرها، انرژی زیادی را تامین می‌کنند.

عدم تطابق بین تولید برق و مصرف برق عامل بدنام منحنی اردک است، نموداری با شکل پرنده ای که نشان می دهد نابرابری هر سال افزایش می یابد، این نابرابری، سازگاری شرکت‌های برق با تغییرات سریع تقاضا را دشوار می‌کند و به این معناست که منابع انرژی فسیلی مانند نیروگاه‌های اوج‌پذیر گاز طبیعی، برق را در عصرها تامین می‌کنند.

رابرت پیکنی، مدیر اجرایی Energy Vault می‌گوید: اگر روزی بخواهیم بیشتر و بیشتر خود را از سوخت‌های فسیلی کنار بگذاریم و آن را با تولید انرژی‌های تجدیدپذیر متناوب جایگزین کنیم، تنها راه حل این مشکل ذخیره‌سازی است.

Energy Vault تنها نیست. استارت آپ دیگری به نام Gravitricity یک سیستم نمایشی 250 کیلوواتی ساخته است و در حال برنامه ریزی یک سیستم بزرگتر 4 تا 8 مگاواتی در یک شفت معدن بلااستفاده است.

هزینه ذخیره انرژی نکته کلیدی است

ذخیره گرانشی تنها یک راه برای هموار کردن جهش های باد و خورشید است و باتری‌های بزرگی مانند Tesla Megapacks - نسخه‌هایی در مقیاس صنعتی از همان باتری‌هایی که انرژی تلفن یا وسیله نقلیه الکتریکی شما را تامین می‌کنند - به طور فزاینده‌ای در شبکه برق رایج هستند.

هیدرو پمپ شده، شکل قدیمی‌تری از باتری گرانشی که آب را به یک مخزن سربالایی پمپ می‌کند و پس از بازگشت به سرازیری، انرژی تولید می‌کند، برای دهه‌ها مورد استفاده قرار گرفته است، اما توجه جدیدی را به خود جلب کرده است.

روش‌های دیگر عبارتند از پر کردن محفظه‌های زیرزمینی با هوای فشرده، ذخیره هیدروژن که بعداً سلول‌های سوختی را تامین می‌کند، و ساخت انواع مختلف باتری‌ها مانند باتری‌های روی و باتری‌های جریانی.

هزینه عامل اصلی در تعیین اینکه چه فناوری ذخیره سازی غالب است، از جمله تولید اولیه و عملیات ادامه خواهد بود.

سلن لاو، تحلیلگر انرژی در شرکت مشاوره Cleantech Group می گوید: در پایان روز همه چیز به قیمت پایین می آید، او گفت و برای ذخیره گرانشی، سؤالات در مورد هزینه کل همچنان وجود دارد.

در واقع، یک مطالعه وزارت انرژی ایالات متحده در سال 2022 به این نتیجه رسید که ذخیره انرژی گرانشی در تاسیسات کوچکتر نسبتاً گران است و جایی که مقرون به صرفه تر است، سیستم های با ظرفیت بالا است که برای مدت زمان نسبتاً طولانی - 10 ساعت یا بیشتر، نیرو تولید می کنند.

Energy Vault هزینه دو سیستم در دست ساخت را فاش نکرده است، اما موافق است که این فناوری مزایایی را برای نیازهای انرژی طولانی مدت ارائه می دهد.

طول عمر یک عامل هزینه در طول عمر گیاه است. باتری ها با استفاده ظرفیت خود را از دست می دهند، همان طور که تلفن شما پس از چند سال مالکیت به مدت طولانی کار نمی کند، اما اجزای ذخیره سازی جاذبه مانند قرقره ها و ژنراتورها را می توان حفظ کرد.

مارکو تروزین، مهندس مکانیک و مدیر ارشد محصولات تجاری Energy Vault، گفت: کلید پیشنهاد ارزش ما عدم تخریب محیط ذخیره سازی است، ما حداقل 35 سال ضمانت سیستم را ارائه می دهیم.

اگرچه Energy Vault تنها گام‌های اولیه خود را در اثبات ارزش این فناوری برداشته است، دو مشتری به این نتیجه رسیده‌اند که امروز ارزش پرداخت برای آن را دارد.

این شرکت گفت و سیستم 100 مگاوات ساعت در چین تنها اولین سیستم در آنجا است، این کشور انتظار دارد بعداً 4 گیگاوات ساعت تا 6 گیگاوات ساعت ظرفیت دیگر را تأمین کند - که 40 تا 60 برابر نیروگاه اولیه افزایش می یابد.

EVx Energy Vault چگونه کار می کند

سیستم ذخیره سازی EVx گرانشی Energy Vault یک ساختمان مستطیل شکل غول پیکر است که تا حد زیادی به صورت خودکار کار می کند.

ابعاد آجرهای موجود در قلب سیستم هر کدام 3.5 در 2.7 در 1.3 متر (حدود 11 در 9 در 4 فوت) و وزن 24 متریک تن است، آنها از 99٪ خاک فشرده شده با مقداری آب و مخلوط پلیمری برای تثبیت آن با استفاده از دستورالعمل شرکت مواد ساختمانی مکزیکی Cemex ساخته شده اند. (چگالی آنها 2.4 برابر آب و تقریباً به اندازه بتن است)

آجرها در کنار هم در داخل ساختمان ذخیره می شوند، مانند دومینوهایی که به هم چسبیده اند و قبل از اینکه آنها بالا یا پایین بیایند، یک سیستم واگن برقی هر آجر را سنگین می کند و آن را به سمت آسانسور می برد.

آجرها برای ذخیره انرژی در هشت سطح بالای ساختمان قرار می گیرند و برای تولید برق به هشت سطح پایینی مربوطه پایین می آیند، تروزین گفت که هر آجر که با سرعت 1.9 متر در ثانیه (6.23 فوت) پایین می آید، حدود یک مگاوات است. این مقدار برای تامین برق 2000 یخچال کافی است.

هنگامی که هر آجر به پایین می رسد، به صورت رباتیک به سیستم چرخ دستی منتقل می شود و به سمت مرکز ساختمان حرکت می کند.

طولانی‌تر کردن ساختمان، با مسیرهای ترولی طولانی‌تر، به این معنی است که آجرهای بیشتری را می‌توان برای ساعت‌های بیشتری از تولید برق ذخیره کرد، عریض‌تر کردن ساختمان با آسانسورهای بیشتر به این معنی است که سیستم می‌تواند نرخ اوج توان بالاتری تولید کند.

در مورد کارایی، Energy Vault تضمین می‌کند که سیستم‌های EVx حداقل 80 درصد انرژی مورد نیاز برای بلند کردن آجرها و جابجایی آن‌ها از جمله عواملی مانند اصطکاک را تولید خواهند کرد. (این راندمان کلی با آب پمپاژ شده قابل مقایسه است)

کلید کسب‌وکار Energy Vault سیستم کنترلی است که تصمیم می‌گیرد زمان و مکان آجرها را برای ذخیره‌سازی بهینه و حتی خروجی انرژی تعیین می‌کند.

بیل گراس، مدیر اجرایی Idealabs و یکی از بنیانگذاران Energy Vault که در کنفرانس Techonomy Climate در ماه مارس صحبت می کرد، گفت: در حالی که ما در حال کاهش سرعت یکی در پایین هستیم، دیگری در حال بارگیری است و شروع به شتاب می کند.

حداکثر خروجی در سیستم چین 25 مگاوات و در سیستم تگزاس 18 مگاوات خواهد بود.

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.