یادداشت / ذخیره انرژی پاک در باتر‌های شنی

به گزارش نبض بازار، پژوهشگران فنلاندی یک «باتری شنی» را راه‌اندازی کرده‌اند که به خوبی کار می‌کند و به این ترتیب امکان آن را می‌دهد تا انرژی پاک را برای چند ماه ذخیره کرد. باتری‌های شنی می‌توانند پیشرفتی کلیدی در ذخیره انرژی خورشیدی و بادی در تمام طول سال داشته باشند. انرژی خورشیدی ذخیره شده در «باتری‌های شنی» می‌تواند به کشور‌های دارای آب و هوای قطبی کمک کند زمستان سرد طولانی را پشت سر بگذارند، زمستانی که قرار است پس از توقف گاز و برق روسیه سخت‌تر شود. این فناوری جدید توسط مهندسان جوان فنلاندی Tommi Eronen و Markku Ylönen، بنیانگذاران انرژی شب قطبی، ابداع شده است، اما می‌تواند در سراسر جهان مورد استفاده قرار گیرد. اگرچه تعدادی از گروه‌های تحقیقاتی دیگر در حال آزمایش محدودیت‌های شن و ماسه به عنوان ذخیره انرژی سبز هستند، این دو نفر اولین کسانی هستند که با موفقیت آن را به یک نیروگاه تجاری منتقل کردند. حدود ۱۰۰ تن از مواد خوب که در داخل یک سیلو انباشته شده بود، در اواخر ماه مه در یک نیروگاه برق در شهر جنوب غربی کانکاانپا – درست زمانی که پوتین به انتقام پیوستن به ناتو، ارتباط کشور فنلاند را قطع کرد. روش ابداعی پژوهشگران فنلاندی شامل استفاده از ماسه معمولی است که با گرمای تولید شده از برق ارزان خورشیدی یا بادی شارژ می‌شود. شن و ماسه گرمای حدود ۵۰۰ درجه سانتیگراد را ذخیره می‌کند تا در زمستان که تولید انرژی گران‌تر و مصرف آن بیشتر است برای گرم کردن خانه‌ها مورد استفاده قرار گیرد. باتری شنی یک ساختار کاملاً ساده برای شروع است، بدینصورت که یک برج بلند و خاکستری با شن و ماسه کم درجه پر شده و با گرمای ناشی از برق اضافی خورشیدی و باد شارژ می‌شود. این فرآیند با فرآیندی به نام گرمایش مقاومتی کار می‌کند، که به موجب آن گرما از طریق اصطکاک ایجاد می‌شود که جریان الکتریکی از هر ماده‌ای که یک ابر رسانا نیست، عبور می‌کند؛ سپس هوای گرم از طریق مبدل حرارتی در ظرف به گردش در می‌آید.

ماسه می‌تواند گرما را در حدود ۵۰۰ درجه سانتیگراد برای چندین ماه ذخیره کند و ذخیره ارزشمندی از انرژی ارزانتر در طول زمستان فراهم نماید. در صورت نیاز، باتری، هوای گرم را تخلیه می‌کند، آب گرم را در شبکه گرمایش منطقه‌ای که به شهر تامپره خدمات می‌دهد. خانه ها، ادارات و حتی استخر‌های محلی همگی از مزایای آن بهره‌مند هستند. عنصر اصلی در دستگاه، حدود ۱۰۰ تن شن و ماسه ساختمانی است که در داخل یک سیلو به رنگ خاکستری انباشته شده است. این توده دانه‌های شن و ماسه می‌تواند نشان‌دهنده راهی ساده و مقرون به صرفه برای ذخیره انرژی و استفاده از آن در زمانی باشد که بیشتر مورد نیاز است.

«باتری شنی»، ماسه با کیفیت پایین را با گرمای تولید شده از برق خورشیدی یا باد نسبتا کم هزینه “شارژ” می‌کند. این می‌تواند گرما را در حدود ۵۰۰ درجه سانتیگراد ذخیره کند و آن را برای ماه‌ها حفظ کند تا خانه‌ها را در زمستان گرم نگه دارد.

یکی از مشکلات اصلی تولید انرژی پاک از منابع تجدیدپذیر مانند نور خورشید و باد این است که این منابع همیشه آماده استفاده نیستند و نمی‌توان انرژی تولیدی در زمان دسترسی زیاد به آن‌ها را برای استفاده در زمان‌های دیگر ذخیره کرد. شن و ماسه داخل سیلو می‌تواند گرما را در حدود ۵۰۰ درجه سانتیگراد برای چندین ماه ذخیره کند. محققان، به عنوان راهی مقرون به صرفه برای ذخیره برق فراوان تولید شده در هنگام تابش خورشید یا باد با سرعت بالا، روی شن تحقیق کردند. به نظر می‌رسد دانه‌های شن در مورد ذخیره انرژی به طرز شگفت آوری کارآمد هستند. یافتن راهی برای ذخیره‌سازی این انرژی‌های تجدیدپذیر متغیر، هسته اصلی استفاده از پتانسیل کامل آنهاست. محققان توضیح می‌دهند که باتری‌های لیتیومی برای کاربرد‌های خاص به خوبی کار می‌کنند، اما جدا از مسائل زیست محیطی و هزینه آنها، نمی‌توانند مقدار زیادی انرژی مصرف کنند. مارکو یلونن، یکی از دو بنیانگذار شرکت انرژی شب قطبی که مبتکر این شیوه است می‌گوید: «هر زمان که تولید زیاد الکتریسیته پاک در دسترس باشد آن را می‌توانیم برای بعد ذخیره کنیم.» دستگاه ابتکاری این شرکت در نیروگاه واتاجانکوسکی نصب شده که مسئول شبکه گرمایش منطقه است. در این روش، برق ارزان قیمت تولیدی از منابع تجدیدپذیر برای گرم کردن شن تا ۵٠٠ درجه به کار می‌رود. این گرمایش نتیجه مقاومت شن در برابر برق است، یعنی همان نوع مقاومتی که در فلز مورد استفاده در بخاری‌ها وجود دارد. شن و ماسه مواد موثری برای ذخیره گرماست و در طول زمان، بخش کمی از این گرما را از دست می‌دهد. ابداع کنندگان دستگاه جدید می‌گویند که می‌توان گرمای تا ۵٠٠ درجه سانتیگراد را برای چند ماه در شن و ماسه ذخیره کرد و وقتی که مقدار برق کمتر و بهای آن بالاتر است، آن را برای گرم کردن آب و انتقال آب گرم جهت گرمایش ساختمان‌های مسکونی و اداری یا حتی استخر‌های محلی به کار برد. مارکو یلونن از جمله محققین «ساختار باتری شنی» در مورد فضای ذخیره‌سازی می‌گوید: «واقعاً هیچ چیز جالبی در آنجا وجود ندارد. بخش پیچیده در رایانه اتفاق می‌افتد. ما باید بدانیم که انرژی یا گرما در داخل انبار چگونه حرکت می‌کند، به طوری که ما همیشه مطمئن باشیم که انرژی مذکور چقدر در دسترس است و با چه سرعتی می‌توانیم تخلیه و شارژ کنیم. وی می‌گوید: «ما نمی‌خواهیم برای کیفیت خوب شن و ماسه با [صنعت ساخت و ساز]رقابت کنیم. او می‌افزاید، در واقع، تمرکز کمتر بر روی شن و ماسه است، و در واقع همه چیز در مورد کمک به رشد بخش‌های باد و خورشید است. ما فکر می‌کنیم که این تنها یکی از مؤلفه‌های کلیدی برای ایجاد جامعه‌ای با تولید واقعاً بالای انرژی بادی و خورشیدی است.» به گفته دانشمندان، انرژی خورشیدی که معمولاً یک شبه از زمین خارج می‌شود، اکنون می‌تواند جذب شود. همه کشور‌های اروپایی در حال بازگشت به زغال سنگ “کثیف” هستند، زیرا روسیه تهدید می‌کند که شیر گاز را می‌بندد. در شرایطی که وضعیت ژئوپلیتیک فنلاند کاملاً آماده است، و جهان نیاز فوری به کنار گذاشتن سوخت‌های فسیلی دارد، جای تعجب نیست که انرژی شب قطبی دارای علاقمندان زیادی باشد. پس از موفقیت در تامپره، این شرکت پرس و جو‌های زیادی در مورد ساخت دستگاه‌ها قبل از زمستان، زمانی که تقاضا برای گرمایش به طور جدی شروع می‌شود، داشته است. مارکو یلونن پیشنهاد می‌کند که جاه طلبی آن‌ها فراتر از غرب فنلاند است. وی می‌گوید ما می‌خواهیم در سریع‌ترین زمان ممکن انبار‌های صد برابر بزرگ‌تری در سراسر جهان بسازیم.» در حال حاضر، بیشتر باتری‌های مقیاس صنعتی که برای ذخیره‌سازی برق از منابع انرژی تجدیدپذیر متناوب استفاده می‌شوند از لیتیوم ساخته می‌شوند. آن‌ها حجیم و گران هستند و به خوبی با مقدار زیادی نیروی اضافی کنار نمی‌آیند.

از طرف دیگر باتری شنی یک راه حل کم هزینه است که به مواد جدید و کمیاب نیاز ندارد و می‌تواند در برابر نوسانات برق قابل توجهی مقاومت کند.

باتری‌های شنی همچنین می‌توانند به سرعت نوسانات بالای انرژی از منابع تجدیدپذیر را ذخیره کنند و کارایی را در سیستم به حداکثر برسانند.

ماسه با گذشت زمان انرژی کمی از دست می‌دهد و می‌تواند گرما را در یک باتری شنی برای چندین ماه در دمای ۵۰۰ درجه سانتی گراد ذخیره کند. این بدان معنی است که باتری می‌تواند هوای گرم را در زمانی که قیمت انرژی بالاتر است تخلیه کند و منطقه را قادر می‌سازد تا خانه ها، دفاتر و استخر‌های محلی را با هزینه بسیار کمتر گرم کند.

باتری شنی در زمانی معرفی شده است که شبکه‌های برق و شرکت‌های برق در سراسر جهان سرمایه گذاری زیادی در انرژی‌های تجدیدپذیر انجام می‌دهند.

مزارع خورشیدی، توربین‌های بادی و سیستم‌های انرژی زمین‌گرمایی با پیشرفت‌های قابل‌توجهی در فناوری انرژی تجدیدپذیر و هزینه در سال‌های اخیر به تعداد زیادی در سرتاسر جهان رشد می‌کنند. اما افزایش ظرفیت تولید انرژی‌های تجدیدپذیر به شبکه ملی تنها بخشی از راه حل است. ذخیره سازی به همان اندازه مهم است، به ویژه در مناطقی که بیشتر تحت تأثیر تغییرات آب و هوایی فصلی مانند شمال اروپا قرار دارند. شبکه‌های برق نیاز به حفظ تعادل در شبکه دارند، بنابراین اضافه کردن یک موج برق از منابع تجدیدپذیر – برای مثال در هنگام طوفان که ظرفیت توربین‌های بادی کامل است – می‌تواند در واقع شبکه را مختل کند. ذخیره سازی موثر باتری می‌تواند به مهندسان (و به طور فزاینده سیستم‌های خودکار) کمک کند تا با جذب نوسانات برق و آزاد کردن انرژی بعداً زمانی که شبکه به آن نیاز دارد، تعادل را در شبکه حفظ کنند.

شن علاوه بر مشارکت فنلاندی توسط گروه‌های تحقیقاتی در سراسر جهان مورد بررسی قرار می‌گیرد.

به عنوان مثال، آزمایشگاه ملی انرژی‌های تجدیدپذیر ایالات متحده (NREL)، در حال حاضر در حال تحقیق در مورد باتری‌های شنی است. با استفاده از اولین باتری شنی تجاری در حال کار، ممکن است فقط زمان لازم باشد تا این فناوری کم هزینه و کارآمد در شبکه‌های برق جهان رایج شود.

آیا ماسه یک ماده پایدار است؟ باتری بزرگ نصب شده در نیروگاه Vatajankoski از شن و ماسه یک گودال شنی مجاور استفاده می‌کند. محققان بدنبال ماده‌ای بودند که تقریباً در همه جای دنیا قابل تهیه باشد. اما آیا شن و ماسه به همان اندازه‌ای که محققان فکر می‌کنند در همه جا وجود دارد؟ طبق یک مطالعه هلندی که اوایل سال ۲۰۲۲ منتشر شد، تقاضا برای مصالح ساختمانی در ۴۰ سال آینده ۴۵ درصد افزایش خواهد یافت. شن و ماسه ساختمانی معمولاً از رودخانه‌ها و دریاچه‌ها استخراج می‌شود و «دزدان دریایی شنی» از دست دادن آن از این اکوسیستم‌ها سرعت می‌بخشند.

اما تا آنجا که به مهندسان فنلاندی مربوط می‌شود، واقعاً مهم نیست که ماسه از کجا آمده است. اگرچه از شن و ماسه سازنده برای نمونه اولیه (برای محدود کردن انتشار گاز‌های گلخانه ای) استفاده شده است، باتری‌های شنی با هر نوع که چگالی کافی داشته باشد، در پارامتر‌های ترمودینامیکی خاص کار می‌کنند.