چگونه مي‌توان از گرما براي ذخيره انرژي تجديدپذير استفاده كرد؟
تأثير سوخت‌هاي فسيلي بر وضعيت اضطراري آب‌و‌هوا موجب فشار بين‌المللي براي استفاده از منابع انرژي كم‌كربن شده است. درحال‌حاضر، بهترين گزينه براي توليد انرژي كم‌كربن در مقياس وسيع انرژي‌هاي بادي و خورشيدي هستند. در سال‌هاي اخير، پيشرفت‌هايي هم در عملكرد و هم در هزينه‌ي فناوري‌هاي مربوط به بهره‌برداري از اين انرژي‌ها حاصل شده است؛ اما يكي از اشكالات اساسي آن‌ها همچنان باقي مانده است: باد هميشه نمي‌وزد و خورشيد نيز هميشه نمي‌تابد. شبكه‌ي برقي كه متكي‌بر اين منابعِ داراي نوسان باشد، براي ايجاد تطابق ميان عرضه و تقاضا دچار اشكال مي‌شود و ازآنجاكه انرژي تجديدپذير در زمان موردنياز توليد نمي‌شود، انرژي گاهي به‌هدر مي‌رود. يكي از راه‌حل‌هاي اصلي اين اشكال، فناوري‌هاي ذخيره‌سازي برق در مقياس بزرگ است. اين فناوري‌ها با هدف انباشت برق زماني كار مي‌كنند كه عرضه بيش از تقاضا است و سپس آزادكردن آن زماني‌كه تقاضا بيش از عرضه است. يكي از اشكالات اين روش آن است كه شامل مقادير زيادي برق مي‌شود.
فناوري‌هاي ذخيره‌سازي موجود مانند باتري‌ها به‌دليل هزينه‌ي هنگفت به‌ازاي هر واحد انرژي براي اين فرايند مناسب نيستند. درحال‌حاضر، بيش از ۹۹ درصد از ذخيره‌ي برق در مقياس وسيع دراختيار سدهاي آبي تلمبه‌اي است كه براي ذخيره يا توليد انرژي، آب را با استفاده از پمپ يا توربين بين دو مخزن جا‌به‌جا مي‌كنند؛ البته به‌خاطر نيازهاي جغرافيايي خاص، محدوديت‌هايي از انديشه متخصصين ساخت آن‌ها در مناطق مختلف وجود دارد. يكي از گزينه‌هاي ذخيره‌سازي اميدواركننده، ذخيره‌ي برق حرارتي تلمبه‌اي است. اين فناوري نسبتا جديد حدود ۱۰ سال پيش ارائه شده و هم‌اكنون در نيروگاه‌هاي آزمايشي در حال آزمايش است.
تبديل برق به گرما در مدار مركزي اتفاق مي‌افتد، سپس، در مخازنِ گرم و سرد ذخيره مي‌شود.
سيستم ذخيره‌ي برق حرارتي تلمبه‌اي ازطريق تبديل برق به حرارت با استفاده از پمپ حرارتي بزرگي كار مي‌كند و اين گرما در مخزني عايق و در ماده‌ي جديدي مانند آب يا شن ذخيره مي‌شود. درصورت نياز، گرما با استفاده از موتور حرارتي به برق تبديل مي‌شود. اين تبديل انرژي با چرخه‌هاي ترموديناميك و طبق همان اصول فيزيكي به‌كار‌رفته در يخچال‌ها يا موتور خودروها يا نيروگاه‌هاي حرارتي كار مي‌كند.
فناوري شناخته‌شده
سيستم ذخيره‌ي برق حرارتي تلمبه‌اي مزيت‌هاي زيادي دارد. فرايندهاي تبديل عمدتا متكي بر اجزا و فناوري‌هاي متعارفي هستند كه قبلا نيز در صنايع انرژي و فرايند انرژي به‌طور گسترده استفاده شده‌اند؛ مانند مبدل‌هاي حرارتي، كمپرسورها، توربين‌ها و ژنراتورهاي برقي. اين امر موجب مي‌شود زمان موردنياز براي طراحي و ساخت چنين سيستمي كاهش پيدا كند. مخازن ذخيره‌سازي مي‌توانند با مواد فراوان و ارزان‌ارزشي نظير شن يا نمك‌هاي مذاب يا آب پر شوند. برخلاف باتري‌ها، اين مواد تهديدي براي محيط‌زيست به‌شمار نمي‌روند. از مخازن بزرگ نمك مذاب سال‌ها است كه در نيروگاه‌هاي خورشيدي متمركز استفاده مي‌شود كه يكي از فناوري‌هاي انرژي‌هاي تجديدپذيري است كه در دهه‌ي گذشته، رشد سريعي يافته است.
انرژي خورشيدي متمركز و ذخيره‌ي برق حرارتي تلمبه‌اي شباهت‌هاي زيادي به‌هم دارند؛ اما درحاليكه نيروگاه‌هاي خورشيدي متمركز ازطريق ذخيره‌ي نورخورشيد به‌صورت گرما و سپس تبديل آن به برق انرژي توليد مي‌كنند، نيروگاه‌هاي ذخيره برق حرارتي تلمبه‌اي برقي را ذخيره مي‌كنند كه ممكن است از هر منبعي نظير خورشيدي يا بادي يا انرژي هسته‌اي بيايد.
نيروگاه خورشيدي متمركز
نيروگاه‌هاي ذخيره‌ي برق حرارتي تلمبه‌اي بدون توجه به جغرافيا در هر جايي نصب‌شدني هستند و آن‌ها را مي‌توان به‌آساني تغيير مقياس داد تا نيازهاي شبكه را تأمين كنند. ديگر فناوري‌هاي ذخيره‌ي انرژي انبوه ازانديشه متخصصين محل نصب با محدوديت مواجه هستند. براي مثال، سيستم ذخيره‌ي آبي تلمبه‌اي به كوهستان‌ها و دره‌هايي نياز دارد كه در آن، مخازن آب بزرگي بتوان احداث كرد. ذخيره‌ي انرژي با هواي فشرده نيز متكي‌بر وجود غارهاي زيرزميني بزرگ است.
ذخيره‌ي برق حرارتي تلمبه‌اي درمقايسه‌با سدهاي آبي تلمبه‌اي چگالي انرژي بيشتري دارد و در حجم معين، انرژي بيشتري ذخيره مي‌كند. به‌عنوان مثال، درمقايسه‌با يك كيلوگرم آبي كه در ارتفاع ۵۰۰ متري در نيروگاه آبي تلمبه‌اي ذخيره شده باشد، از يك كيلوگرم آبي كه در دماي ۱۰۰ درجه ذخيره شده باشد، ۱۰ برابر برق بيشتري مي‌توان بازيابي كرد. اين بدان‌معنا است كه براي ذخيره‌ي مقدار معيني از انرژي به فضاي كمتري نياز است؛ بنابراين، تأثيرات زيست‌محيطي نيروگاه كمتر مي‌شود.
مخازن نمك مذاب براي ذخيره‌ي انرژي حرارتي در نيروگاه خورشيدي متمركز
عمر طولاني
اجزاي سيستم ذخيره‌ي برق حرارتي تلمبه‌اي معمولا چندين دهه كار مي‌كنند؛ درحاليكه باتري‌ها با گذشت زمان تخريب مي‌شوند و بايد چند سال يك‌بار عوض شوند. ناگفته نماند بيشتر باتري‌هاي خودروهاي برقي فقط حدود ۵ تا ۱۰ سال ضمانت دارند.
اگرچه موارد زيادي وجود دارد كه ذخيره‌ي برق حرارتي تلمبه‌اي را براي ذخيره انرژي‌هاي تجديدپذير در مقياس وسيع مناسب مي‌سازد، اين فناوري معايبي نيز دارد. احتمالا بزرگترين عيب آن بازده‌ي نسبتا متوسط آن است (مقدار برقي كه در جريان تخليه باز مي‌گرداند، درمقايسه‌با مقدار برقي كه طي شارژ وارد آن مي‌شود). بيشتر سيستم‌هاي ذخيره‌ي برق حرارتي تلمبه‌اي ۵۰ تا ۷۰ درصد بازده دارند. اين در حالي است كه بازده‌ي باتري‌هاي ليتيوم‌يون حدود ۸۰ تا ۹۰ درصد و بازده سيستم ذخيره‌ي آبي تلمبه‌اي ۷۰ تا ۸۰ درصد است. البته مهم‌ترين مسئله هزينه است: هرچه هزينه كمتر باشد، جامعه سريع‌تر مي‌تواند به‌سمت آينده‌اي با كربن كم حركت كند.
انتظار مي‌رود ذخيره‌ي برق حرارتي تلمبه‌اي بتواند با فناوري‌هاي ديگر ذخيره‌ي انرژي رقابت كند؛ اگرچه تا زمان بلوغ اين فناوري و تجاري‌سازي كامل آن، چنين موضوعي مشخص نمي‌شود. درحال‌حاضر، چندين سازمان در حال كار با نمونه‌هاي اوليه‌اي از اين فناوري در موقعيت‌هاي واقعي هستند. هرچه زودتر ذخيره‌سازي برق پمپ حرارتي را آزمايش و عملي كنيم، سريع‌تر مي‌توانيم از آن براي انتقال به سيستم كم‌كربن بهره ببريم.
هم انديشي ها