ذخیره انرژی، راهکاری برای آینده

با این حال با دست‌اندازی به دامان مهندسی، قادر خواهیم بود روش‌های هوشمندانه‌ای برای ذخیره این انرژی پاک پیدا کنیم.

اکنون برای ذخیره اقتصادی انرژی برق در مقیاس شبکه‌ای، ابتدا باید آن را به شکلی غیرالکتریکی درآوریم: انرژی جنبشی (مبنای کاری چرخ لنگر، چرخی سنگین در موتور که حرکت مداوم و نرم آن را یاری می‌کند)، پتانسیل گرانشی (که متضمن نیروگاه‌های آبی - پمپی است)، انرژی شیمیایی (مکانیسم کاربردی در تولید باتری)، انرژی پتانسیل کشایی مواد لاستیکی یا پتانسیل گاز فشرده (مانند انرژی ذخیره هوایی)، یا گرمای خالص، اما در هر مورد درصد قابل توجهی از انرژی هنگام تبدیل برای ذخیره یا بعدها موقع بازیابی آن از دست می‌رود.

اگر ذخیره انرژی را کاملا با تولید آن یکی کنیم چه؟ در آن صورت نیاز به مخارج گزاف تجهیزات تبدیل نیرو و ذخیره برق و بازیابی آن، همچنین تمام ضررهای ناشی از این تبدیل دوسویه حذف خواهد شد. به نظر، یکی از جذاب‌ترین ایده‌ها این است که ذخیره‌سازی را با نیروی تولیدی باد ادغام کنیم.

اما ابتدا طرح‌های موجود این ادغام را از نظر خواهیم گذراند. نیروی طبیعی آبی بهترین نمونه ممکن است. این انرژی از بارش باران حاصل می‌شود که آب را از سطح دریا جدا کرده، به رودخانه‌ها تزریق و در نهایت خزانه آبی بزرگ واقع در پشت سد را تغذیه می‌کند. این انرژی هرگاه لازم باشد به نیروی برق تبدیل خواهد شد، نه هر موقع که باران ببارد. یکی از نمونه‌های عالی، نیروگاه آبی 14 گیگاواتی ایتاپو در برزیل و پاراگوئه است که سال پیش رکورد 98.6 تراوات در ساعت تولید انرژی را به جا گذاشت؛ مقداری که برای تامین نیروی برق برزیل به مدت بیش از دو ماه و نیم کفایت می‌کرد.

فرض بگیریم بالای برکه‌ای، ذخیره‌ای قابل توجه، شامل یک میلیون تن آب به ارتفاع 420 متر داریم. از آن ذخیره می‌توانیم ساعتی یک گیگاوات انرژی برق استخراج کنیم؛ چه همین امروز به آن دست ببریم، چه یکی دو هفته دیگر اقدام کنیم. بازده موثر که در این مورد حدود صد در صد است، مبنای مقیاس بین مقدار انرژی است که در صورت استفاده فوری حاصل می‌شود و مقداری که پس از مدتی انتظار به دست خواهد آمد.

متمرکز کردن نیروی خورشیدی، وسیله خوش آتیه دیگری برای تولید و ذخیره است. به عنوان مثال، نیروگاه خورشیدی آنداسول در اسپانیا، نور خورشید را در قالب گرما جذب کرده، با آن ایجاد بخار می‌کند تا توربین‌ها را به چرخش درآورد. این امکان وجود دارد که با ذخیره گرما در مخازن بزرگ نمک مذاب، انرژی را در غیاب نور خورشید هم داشت. در این مورد نیز بازده موثر بشدت بالاست و مقدار کم انرژی هدر شده از طریق نشت گرما و محدودیت توربین‌ها، فارغ از ذخیره‌کردن یا نکردن گرمای خورشید در مخازن نمکی یکسان است.

پال برگان، مدیر فنی شرکت نست (Nest) از کشور نروژ حتی امکان ادغام نیروی هسته‌ای با ذخیره انرژی را دور از ذهن نمی‌داند. شرکت وی در حال ساخت ذخایر انرژی حرارتی برای راکتورهای هسته‌ای، همچنین نیروگاه‌های خورشیدی، بادی و سوخت فسیلی است. ایده وی زمینه‌ای را فراهم خواهد آورد تا راکتورهای هسته‌ای بی‌وقفه به کار ادامه دهند و در عین حال از انرژی ذخیره برای تشدید یا تقلیل فعالیت ژنراتورها بنا به نیاز استفاده شود؛ موضوعی که در راکتورهای هسته‌‌ای فعلی با کاهش یا افزایش فعالیت هسته‌ای در رآکتورها، دردسرهای فنی بی‌شماری به وجود می‌آورد.

یکی از راه‌های ادغام ذخیره انرژی با نیروی باد، استفاده از توربین‌های بادی به منظور پمپاژ آب به سربالایی است. این شگرد سالیان سال است در آسیاب‌های بادی به کار رفته و امروزه نیز آسیاب‌های مزرعه‌ای بسیاری (که به پمپ بادی هم آنها را می‌شناسند) فعالیت می‌کنند. از آنجا که مکش آب از بالا، بیشتر از ده متر کارساز نیست (به خاطر کمبود فشار جوی)، باید آب از پایین بادکش شود. برای مثال اگر قصد دارید آب را در آب انباری در ارتفاعات کوه ذخیره کنید (که بهترین محل برای توربین‌های بادی است)، شانستان ته می‌کشد.

طرح جزیره انرژی از سوی DNV-Kema (اکنون موسوم بهDNV-GL)‌ فرصتی نوین به ایده ادغام پمپ آبی و نیروگاه بادی می‌بخشد. در این طرح توربین‌های بادی در جزیره مصنوعی حلقه‌ای شکلی قرار گرفته، آب را از یک خزانه آب نمک پمپاژ می‌کنند. زمانی هم که باد نوزد، دریچه‌های آبی باز شده، از آب ورودی برای تولید برق استفاده می‌شود.

از آنجا که عمق آب در مخزن حدود 40 متر زیر سطح دریاست، محرکی مکانیکی که متصل به توربین بادی و متکی به پایه برج‌هاست، برای راه‌اندازی پمپ‌ها به کار می‌رود. اطلاعات حاکی است بلژیک قصد ساخت چنین کارخانه تولید برقی را دارد.

به نظر تنها راه منطقی دیگر برای ادغام باد با ذخیره انرژی، فشرده‌سازی گاز است. دفاتر اداره ثبت اختراعات سرشار از پیشنهادهایی برای جای دادن کمپرسورهای متداول داخل اتاق دوربین‌های بادی است. مشکل اینجاست که توربین‌های بادی اصولا خیلی کند بوده، در حالی که کمپرسورها سرعت گردش محوری بالایی دارند. بنابراین عملی کردن چنین ایده‌ای، مثل این است که برای شخم زدن زمین، به اسب مسابقه کلنگ ببندیم.

شیمِس گاروی، پروفسور علم دینامیک و سرپرست گروه تحقیقات مکانیک، مواد و ساختار در دانشگاه ناتینگهام انگلستان ـ که نویسنده اصلی این مقاله نیز است ـ چند سال پیش راهکاری را در این زمینه ارائه داده است. او ایده یک توربین بادی دریایی را ارائه کرد که با ذخیره مستقیم انرژی سازگاری دارد. این طرح شامل برج‌هایی با محور افقی، هرکدام با یک دواره هشت تیغه سوار بر یک پایه چهاروجهی شناور بود. (استفاده از توربین‌های متداول نازک‌پیکر ممکن نبود، زیرا حرکت طبیعی مرکز ثقل دواره برج را تخریب می‌کرد.) با چرخش دواره، پیستون‌های عظیم درون تیغه‌ها بالا کشیده و بعد رها می‌شدند و در این فرآیند انرژی پتانسیل جاذبه‌ای را که جذب کرده بودند، آزاد می‌کردند.

دانه‌های پلاستیکی را تجسم کنید که برای تزئین به پره‌های چرخ دوچرخه وصل می‌کنند. اگر دوچرخه‌سوار آرام پدال بزند، دانه‌ها اول به سمت لاستیک و با چرخش چرخ به مرکز رانده می‌شوند و این روند گردونه‌ای ادامه خواهد داشت. در روندی مشابه، همچنان که پیستون‌های درون تیغه‌های توربین به بالا و پایین حرکت می‌کند، هوای فشرده ایجاد و زیر آب ذخیره می‌شود.

یکی از چالش‌های پیش روی این طرح، نیاز به توربین‌های عظیمی با قطری حدود 250 متر است. چرا آنقدر عظیم؟ زیرا نیروی جاذبه باید نقش پررنگ‌تری نسبت به شتاب سانتریفیوژی نوک تیغه‌ها داشته باشد و هر چه قطر تیغه‌ها بیشتر، شتاب سانتریفیوژی کمتر خواهد بود. چالش دیگر به دیگر اجزای لازم سیستم برای ارسال انرژی به زمین است. نیاز به بسط دهنده‌های توربو، مخزن‌های هوای فشار قوی و مخزن‌های حرارتی وجود دارد. با همه این احوال، فناوری‌های روزآمد برای ذخیره هوای فشار قوی زیر آب دارد نقل محافل می‌شود.

با توجه به این چالش‌ها، گاروی طرحی تازه‌تر و اقتصادی‌تر برای ادغام نیروی باد (چه زمینی و چه غیرزمینی) با ذخیره هوای فشرده رو کرد. این طرح مشتمل بر استفاده از چند توربین بادی می‌شود که گروهی فعالیت، هر کدام کمپرسور داخلی خاص خود را هدایت و سر جمع یک مجموعه ژنراتور را تغذیه می‌کنند.

اسم این طرح WIND - TP، مخفف wind-driven thermal pumping یا پمپاژ حرارتی با نیروی محرکه باد است. در این نمونه، گاز فشرده شده در مداری بسته می‌چرخد. نیمی از مدار کم‌فشار (حدود دو میلیون پاسکال یا 20 برابر فشار جوی) و نیمی دیگر پرفشار (حدود 50 میلیون پاسکال) است. اگر نیاز به ذخیره انرژی نبود، کمپرسور گاز را از سمت کم‌فشار چلانده و به سمت پرفشار هدایت می‌کند. سپس بسط‌دهنده و ژنراتور گاز پرفشار را به قسمت کم‌فشار هدایت می‌کنند. گاز در حالت انقباض داغ و در حالت انبساط سرد می‌شود. در نتیجه حرارت قسمت پرفشار به 180 درجه و قسمت کم‌فشار به 100ـ درجه سانتی‌گراد می‌رسد.

برای ذخیره انرژی، دستگاه گرما را از گاز قسمت پرفشار پیش از رسیدن به بسط‌دهنده جدا می‌کند و سپس گرما در بستری از سنگ یا شیشه ذخیره می‌شود. در قسمت کم‌فشار نیز پیش از رسیدن به کمپرسور، سرمای گاز صرف خنک‌کردن بخشی دیگر از مواد می‌شود. برای استفاده از انرژی ذخیره باید عکس فرآیند را اعمال کرد؛ گرمای ذخیره شده پس از انقباض و سرمای ذخیره شده نیز پیش از انبساط به گاز تزریق می‌شود.

چنین دستگاهی بازده بسیار مناسبی ـ بیش از 85 درصد ـ خواهد داشت که نسبت به بازده 70 درصدی نمونه‌های مشابه و خرج بالایشان، گزینه خیلی خوبی به شمار می‌رود. این‌که طرح تا چه حد موفق خواهد بود، فقط به زمان نیاز دارد. امر بدیهی در زمان حاضر این است که همه دنبال کشف یا فراهم‌سازی منابع بی‌وقفه انرژی با کمترین میزان آلاینده‌ها هستند.

همچنان که به منابع متناوب انرژی قابل بازیافت افزوده می‌شود، چالش برقراری تعادل بین عرضه و تقاضا نیز افزایش خواهد یافت. در نتیجه تدارکات لازم برای ذخیره این انرژی‌ها به جزئی اساسی از شبکه‌های برق تبدیل خواهد شد. با توجه به مقیاس عظیم انرژی لازم به ذخیره، نیاز مبرمی به راه‌های جدید ذخیره احساس می‌شود.

spectrum.ieee / مترجم: سیاوش شهبازی