باتري گرانشي؛ چگونه مي‌توان باكمك جاذبه بزرگترين اشكال منابع تجديدپذير را حل كرد؟

در شهر آربدو-كاستين از كشور سوئيس، يك جرثقيل برجي الكتريكي عظيم با ارتفاع ۱۲۰ متر و مجهز به ۶ بازوي حامل در حال چيدن ستوني مرتفع از بلوك‌هاي فشرده روي يكديگر است. چند روز ديگر قرار است جرثقيل دوباره بلوك‌ها را از بالا به سطح زمين منتقل كند و از تبديل انرژي گرانشي اين بلوك‌ها براي توليد برق استفاده كند.

شركت Energy Vault، مبدع طرح فعلي بر اين باور است كه باكمك اين روش توانسته يكي از بزرگ‌ترين اشكالات منابع تجديدپذير را حل كند: ماهيت متناوب و ناپيوسته توليد منابعي مانند انرژي خورشيدي و بادي كه باعث مي‌شود نتوان ميزان توليد و مصرف در شبكه را به‌راحتي تطبيق داد.

امروزه منابع تجديدپذير وارد رقابت با سوخت‌هاي فسيلي شده‌اند؛ اما هنوز نمي‌توان براي توليد ۲۴ ساعته‌ي انرژي روي آن‌ها حساب كرد. تا وقتي نتوانيم در روزهاي ابري يا اوقاتي كه باد نمي‌ورزد، راهي براي تأمين انرژي موردنياز مصرف‌كنندگان بيابيم، مسلما وابستگي ما به منابع تجديدناپذير همچنان ادامه خواهد يافت. اريك تون، استاد بازنشسته‌ي شيمي از دانشگاه دوك و مدير اجرايي صندوق سرمايه‌گذاري Breakthrough Energy مي‌گويد:

آنچه ما مي‌خواهيم تأمين ۱۰۰ درصدي برق از منابع انرژي عاري از كربن است؛ درحالي‌كه روش‌هاي زيادي براي توليد اين نوع انرژي وجود ندارد. براي آن‌كه بتوانيم  با انرژي خورشيدي و بادي منابع انرژي جهان را كربن‌زدايي كنيم، بايد ظرفيت ذخيره‌سازي انرژي را توسعه دهيم.

يك منبع رايگان و نامحدود

پژوهشگران و كارآفرينان از همه‌سو در حال مطالعه چالش‌هاي مربوط‌به ممباحثه ذخيره‌سازي انرژي هستند. باتري‌هاي ليتيوم‌يوني مهم‌ترين فناوري ذخيره‌سازي در حال حاضر محسوب مي‌شوند كه در بسياري از تجهيزات فعلي از گوش‌هاي موبايل گرفته تا خودروهاي هيبريدي و الكتريكي مورداستفاده قرار گرفته‌اند. گرچه هزينه‌ي توليد اين باتري‌ها روزبه‌روز كاهش مي‌يابد؛ تجهيزات مربوطه با گذشت زمان دچار افت عملكرد مي‌شوند و بدتر از همه اينكه در ساختار آن‌ها از فلزات كميابي استفاده مي‌شود كه ذخايرشان در جهان با محدوديت مواجه است. چنين اشكالاتي باعث شده برخي از دانشمندان به‌فكر ساخت نسل جديدي از باتري‌ها باكمك موادي ارزان‌ترنظير هواي فشرده يا هيدروژن بيفتند.

شركت انرژي والت يكي از چندين استارتاپي است كه قصد دارد از گرانش زمين به‌عنوان منبعي رايگان و محدود براي ذخيره‌سازي انرژي الكتريكي استفاده كند.

شركت سوئيسي انرژي والت از يك جرثقيل برجي براي چيدن تعداد زيادي از بلوك‌هاي ۳۵ تني استفاده مي‌كند. انرزي موردنياز اين جرثقيل از برق مازاد توليدي از منابع خورشيدي و بادي تأمين مي‌شود. سيستم نرم‌افزاري جرثقيل به‌گونه‌اي برنامه‌ريزي شده كه بتواند به‌صورت خودكار  از انرژي مازاد شبكه براي ساخت برج‌هايي از بلوك‌هاي بتني استفاده كند. وقتي تقاضا براي انرژي از ميزان توليد پيشي بگيرد، جرثقيل شروع به پايين‌آوردن بلوك‌ها از برج مي‌كند و از انرژي جنبشي حاصل از سقوط بلوك‌ها از ارتفاعات بالاي برج براي به‌كار انداختن يك ژنراتور و بازتوليد برق استفاده مي‌كند. سازوكار فعلي سيستم ابداعي انرژي والت اين‌گونه است:

سيستم‌‌هاي گرانشي مشابه ديگري نيز در كشورهاي اسكاتلند، آلمان، ايالات متحده و مراكش طراحي و اجرا شده‌‌اند.

شركت گراويتريسيتي (Gravitricity) در شهر ادينبرا از اسكاتلند قصد دارد از تجهيزات معدن‌كاوي بلااستفاده براي ذخيره‌‌سازي و توليد انرژي بهره گيرد. در اين مدل، وزنه‌‌هايي ۱۲ تني باكمك يك وينچ الكتريكي به ارتفاعي بالا كشيده شده و در هنگام نياز، با رهاسازي اين وزنه‌‌ها، انرژي برق موردنياز خانه‌‌هاي منطقه تأمين مي‌‌شود. شركت يادشده ادعا مي‌‌كند كه هزينه‌‌ي اجراي سيستم ابداعي آن‌‌ها تنها نصف هزينه‌‌ي سيستم‌‌هاي مبتني‌‌بر باتري‌‌هاي ليتيوم‌‌يوني است و به‌علاوه، دچار فرسايش و افت عملكرد نيز نخواهد شد. چارلي بلير، مديرعامل شركت گراويتريسيتي مي‌‌گويد اخيرا پيشنهادهاي زيادي براي استفاده از اين نوع سيستم‌‌ها ازسوي معادن درحال تعطيلي دريافت كرده است.

درحالي‌كه جرثقيل برجي شركت انرژي والت مي‌تواند براي مدتي معادل ۸ الي ۱۶ ساعت به‌صورت بي‌وقفه انرژي الكتريكي موردنياز را تأمين كند؛ سيستم پيشنهادي گراويتريسيتي تنها قادر به تأمين انرژي در بازه‌هاي زماني بين ۱۵ دقيقه تا ۸ ساعت خواهد بود.

طرح به‌روزرساني‌شده

بايد گفت ايده‌ي اصلي طرح‌هاي پيشنهادي دو شركت يادشده شباهت فراواني به طرح برق‌آبي تلمبه ذخيره‌‌اي دارد. در اين روش از ذخيره‌سازي انرژي كه قدمتي ۱۰۰ ساله دارد، ابتدا با استفاده از انرژي برق مازاد شبكه، آب از پايين‌دست به نقطه‌اي در بالادست پمپاژ مي‌شود و بعدا در هنگام نياز، مسيرآب به‌‌سمت پايين باز مي‌‌شود و با حركت به پايين‌‌دست، يك توربين را به‌‌گردش درمي‌‌آورد. بنابر گزارش آژانس بين‌‌المللي انرژي، روش تلمبه ذخيره‌‌اي هم‌‌اكنون حدود ۹۵ درصد از ظرفيت انرژي الكتريكي ذخيره‌‌سازي‌‌شده‌‌ي جهان را پوشش مي‌‌دهد. هوراتيو ون جان، مديرعامل شركت آلماني‌‌الاصل Gravity Energy AG معتقد است كه «به‌‌دليل مقاومت افكار عمومي در مباحث مربوط‌‌به تغيير چشم‌‌انداز طبيعي، ديگر نمي‌‌توان ساختگاه‌‌هاي تلمبه ذخيره‌‌اي بيش‌‌تري احداث كرد.» اين شركت پيش‌‌تر در زمينه‌‌ي ساخت مخازن زيرزميني آب و توليد انرژي با كمك پيستون‌‌هاي آبي سرمايه‌‌گذاري كرده است. جان اضافه مي‌‌كند:

براي استفاده از انرژي برق‌‌آبي تلمبه ذخيره‌‌اي نياز به اراضي واقع در منطقه‌‌اي مرتفع داريم كه در آن بتوان يك درياچه در بالادست و يك درياچه در پايين‌‌دست و نيز يك نيروگاه احداث كرد.

اما او مي‌‌گويد سيستم پيشنهادي شركت وي مي‌تواند در فضايي بسيار كوچك‌‌تر (درحد يك زمين فوتبال) تواني معادل ۱۰۰۰ مگاوات را براي مدت ۴ الي ۱۰ ساعت تأمين كند.

تصويري رندرشده از برج ذخيره‌‌سازي انرژي والت؛ بنابر ادعاي شركت، پس از سرمايه‌‌گذاري اوليه‌‌ي ۸ الي ۹ ميليون دلاري براي ساخت يك سيستم استاندارد، هزينه‌‌ي ذخيره‌‌سازي انرژي به كمتر از ۵ سنت در ازاي هر كيلووات‌‌ساعت خواهد رسيد.

نمونه‌‌ي اوليه‌‌ي توليدشده توسط شركت انرژي والت تنها حدود ۱۲۰ متر ارتفاع دارد؛ اما روبرت پبكوني، مديرعامل شركت و ازجمله مديران سابق غول نفتي BP و شركت آموكو معتقد است كه به‌‌زودي نمونه‌‌هايي از جرثقيل با ارتفاعي بيش‌‌از ۱۵۰ متر نيز توليد خواهند شد. اين شركت هم‌‌اكنون توانسته با يك مشتري از هند با نام Tata Power قرارداد امضا كند. توماس مورستين، از پژوهشگران حوزه‌‌ي انرژي در دانشگاه آكسفورد است كه اخيرا مطالعاتي را درمورد طرح‌‌هاي شركت گراويتريسيتي انجام داده است. او مي‌‌گويد روش ذخيره‌‌سازي گرانشي مي‌‌تواند براي متعادل‌‌سازي نوسانات كوتاه‌‌مدت رخ‌‌داده در شبكه‌‌ي سراسري برق مفيد واقع شود.

افزايش سطح نفوذ منابع متناوبي نظير انرژي بادي و خورشيدي باعث شده ميزان نوسانات توان در شبكه بيش‌‌تر شود. استفاده از سيستم‌‌هاي گرانشي مي‌‌تواند دو مزيت عمده نسبت‌‌به باتري‌‌ها داشته باشد كه اولين مورد آن، سرعت استهلاك بسيار پايين‌‌تر آن‌‌ها است. دومين مزيت نيز قابليت‌‌تنظيم‌‌پذيري توليد اين نوع سيستم‌‌ها خواهد بود. بدين‌‌ترتيب كه آزادسازي انرژي گرانشي اجرام كوچك‌‌تر مي‌‌تواند انرژي الكتريكي بيش‌‌تري را در مدت زماني طولاني‌‌تر فراهم كند و با آزادسازي انرژي ذخيره‌‌شده در اجرام سنگين‌‌تر قادر به توليد مقاديري بالاتري انرژي براي پاسخ به پيك‌‌هاي كوتاه‌‌مدت خواهيم بود. اين در حالي است كه تأمين انرژي بارهاي لحظه‌‌اي سنگين در سيستم‌‌هاي مبتني‌‌بر باتري ليتيوم‌‌يون با جريان‌‌كشي شديد و كاهش طول عمر مفيد اين تجهيزات همراه خواهد شد.

البته سيستم‌‌هاي ذخيره‌‌سازي گرانشي ضعف‌‌هايي نيز دارند. براي استفاده از اين فناوري بايد بلوك‌‌ها را به‌‌شكلي دقيق جابه‌جا كرد و در محل صحيح خود روي هم چيد. پيكوني مي‌‌گويد الگوريتم‌‌هاي شركت انرژي والت امكان تطبيق سيستم با شرايط آب‌‌وهوايي گوناگون و نيز تغييرات ساختاري جرثقيل در طول زمان را فراهم خواهد كرد. به‌‌علاوه، احداث مجموعه‌‌اي از اين نوع جرثقيل‌‌ها در يك منطقه قطعا با ايجاد سروصدا و تخريب مانديشه متخصصينه‌‌ي طبيعي همراه خواهد بود؛ موضوعي كه مي‌‌تواند موجب نارضايتي و خشم ساكنان محلي شود.

يكي از مهندسان دانشگاه بين‌‌الملل رباط در مراكش به‌‌نام اسما برادا در تلاش است كه با حمايت دولت اين كشور، نوعي سيستم ذخيره‌‌سازي گرانشي مبتني‌‌بر مخزن را طراحي كند. اين سامانه قرار است به‌‌موازات يكي از بلندپروازانه‌‌ترين پروژه‌‌هاي انرژي تجديدپذير مراكش پياده‌‌سازي شود. او مي‌‌گويد:

در مراكش، سهم انرژي‌‌هاي تجدپذير متناوب از كل سبد انرژي كشور و رشد نفوذ اين نوع منابع در شبكه‌‌ي قدرت  بسيار بالا است كه اين امر اشكالاتي در ممباحثه پايداري شبكه ايجاد كرده است. ذخيره‌‌سازي انرژي مي‌‌تواند اشكالات مباحثه پايداري شبكه را مرتفع كند.

با اين حال، وي معتقد است كه ساخت هرگونه سيستم پيچيده بسيار مرتفع كار چندان ساده‌‌اي نخواهد بود. او مي‌افزايد: «درصورت عدم طراحي صحيح، ضعف هر كدام از قطعات سيستم مي‌‌تواند به خرابي كل سامانه منجر شود.»

ساير روش‌‌هاي ذخيره‌‌سازي انرژي پاك

پيش‌تر گفتيم باتري‌‌هاي ليتيوم‌‌يون مي‌‌توانند انرژي موردنياز موبايل‌‌هاي هوشمند و خودروهاي الكتريكي را تأمين كنند ولي عملكرد آن‌‌ها براي تأمين برق شبكه كافي نيست. در ساختار اين باتري‌‌ها از فلزات كمياب استفاده مي‌‌شود؛ به‌علاوه، عملكرد اين نوع تجهيزات در طول زمان با افت مواجه مي‌‌شود و همچنين احتمال وقوع آتش‌‌سوزي در حين كاركردشان وجود دارد.

امروزه بسياري از شركت‌‌هاي فعال در عرصه‌‌ي ذخيره‌‌سازي انرژي تلاش خود را معطوف ساخت باتري‌‌هايي با هزينه‌‌اي كمتر نسبت‌‌به باتري‌‌هاي ليتيومي كرده‌‌اند. باتري‌‌هاي ليتيوم‌‌يون به‌‌دليل چگالي انرژي بالا و ظرفيت الكتروشيميايي قابل‌‌ملاحظه توانسته‌‌اند بازار مناسبي را در تجهيزات كوچك نظير موبايل‌‌هاي همراه و خودروها دست‌وپا كنند. اما در صنايع بزرگي مانند شبكه‌‌ي برق، ابعاد تجهيزات اهميت چنداني ندارد. اين بدان معنا است كه فعالان اين عرصه ترجيح مي‌‌دهند از تجهيزاتي با بازدهي كم‌‌تر ولي در عوض ارزان‌‌تر استفاده كنند. براي مثال در باتري‌‌هاي جرياني، واكنشگرهاي شيميايي درون مخازن بيروني ذخيره مي‌‌شوند. بدين‌‌ترتيب، تنها محدوديت پيش‌‌رو در ظرفيت نهايي چنين باتري‌‌هايي، ابعاد مخازن قابل‌‌ساخت  و مساحت اراضي دردسترس خواهد بود.

استارتاپ ESS از ايالت اورگان ايالات متحده نوعي باتري طراحي كرده است كه انرژي خود را از كلريدآهن تأمين مي‌‌كند. استارتاپ‌‌هاي ديگري نظير NantEnergy و Eos نيز باتري‌‌هايي مبتني بر فلز روي طراحي كرده‌‌اند.

كارمندان استارتاپ Malta در حال كار روي مدل سه‌‌بعدي از فناوري ذخيره‌‌سازي انرژي حرارتي با استفاده از نمك

Malta نام استارتاپ ديگري در حوزه‌‌ي صنايع ذخيره‌‌سازي انرژي است كه از زيرمجموعه‌‌هاي شركت آلفابت (Alphabet) به شمار مي‌‌آيد. سامانه‌‌ي ذخيره‌سازي انرژي ابداعي اين شركت از نمك به‌‌عنوان عنصر كليدي طراحي خود استفاده مي‌‌كند. در اين سامانه كه ابعادي به‌‌اندازه‌‌ي يك نيروگاه برق خواهد داشت، انرژي الكتريكي مازاد شبكه يا منابع تجديدپذير به‌‌كمك يك پمپ الكتريكي تبديل به انرژي حرارتي مي‌‌شود. بدين‌‌ترتيب، انرژي برق براي مذاب‌‌كردن يك نمك (متشكل از سديم نيترات و پتاسيم نيترات) در دمايي حدود ۱۰۰ درجه‌‌ي سانتي‌‌گراد و نيز خنك‌‌سازي مايعي مانند ضديخ به‌‌كار گرفته مي‌‌شود. در مواقع نياز به انرژي برق، سامانه به‌‌صورت معكوس عمل كرده و  بااستفاد از هواي سرد و گرم، فرايند توليد توليد بخار موردنياز براي راه‌‌اندازي يك توربين را آغاز خواهد كرد.

سازوكار علمي اين سامانه كاملا اثبات‌‌شده است ولي هنوز نمي‌‌توان درمورد اقتصادي‌‌بودن آن به‌‌عنوان روشي براي توليد برق اظهارانديشه متخصصين كرد. Malta مي‌‌گويد فرايند و مواد مورد استفاده در اين طراحي كاملا بهينه‌‌سازي شده‌‌اند و با اطمينان از قدرت رقابت‌‌پذيري اين سيستم در آينده‌‌ي نزديك خبر مي‌‌دهد. اين شركت مدعي است كه باتري‌‌هاي يادشده قادر به تأمين انرژي الكتريكي براي مدت ۶ ساعت خواهند بود و عمر مفيد كل سامانه به بيش‌‌از ۲۰ سال خواهد رسيد. چنين دستاوردي مي‌‌تواند به‌‌منزله‌‌ي يك برتري آشكار درمقايسه با عمر كوتاه باتري‌‌هاي ليتومي تلقي شود.

نمايي از تأسيسات شركت هيدروستور (Hydrostor) در گودريچ از ايالت اُنتاريو كانادا؛ ايده‌‌ي اين شركت كانادايي، استفاده از هواي فشرده براي ذخيره‌‌سازي انرژي الكتريكي است.

يكي از راه‌‌هاي ديگر براي ذخيره‌‌سازي انرژي الكتريكي، استفاده از هواي فشرده است.؛ اما اين روش تاكنون نتوانسته توجيه اقتصادي پيدا كند. با اين حال، استارتاپ كانادايي هيدروستور (Hydrostor) اميدوار است بتواند اوضاع را تغيير دهد.

بنابر طرح پيشنهادي هيدروستور، زماني‌كه تقاضا براي مصرف برق پايين باشد، انرژي الكتريكي مازاد توليدي از منابع خورشيدي و بادي براي راه‌‌اندازي يك كمپرسور استفاده مي‌‌شود. هواي فشرده‌‌ي خروجي در يك مخزن زيرزميني ذخيره مي‌‌شود كه ساخت آن هزينه‌‌ي به‌‌مراتب كم‌‌تري نسبت‌‌به مخازن تحت‌‌فشار روي زمين خواهد داشت. براي آن‌‌كه بتوان از اين هواي فشرده براي راه‌‌اندازي يك توربين استفاده كرد، ابتدا نياز است آن را گرم و درنتيجه منبسط كرد. هيدروستور حرارت لازم در اين مرحله را از بازيافت گرماي توليدشده در مرحله‌‌ي فشرده‌‌سازي هوا تأمين مي‌‌كند كه اين امر بازدهي كل فرايند را تاحد قابل‌‌توجهي افزايش مي‌‌دهد.

از سوي ديگر، دهه‌‌هاست كه دانشمندان در حال كار روي هيدروژن (فراوان‌‌ترين عنصر جهان) هستند تا بتواند از آن به‌‌عنوان سوختي پاك بهره‌‌برداري كنند؛ اما بازدهي روش‌‌هاي فعلي هنوز به اندازه‌‌ي باتري‌‌هاي شيميايي نيست. سازوكار بيش‌‌تر طرح‌‌هاي پيشنهادي شامل تجهيزي به‌نام الكتروليزر است كه مي‌‌تواند با مصرف برق و تجزيه‌‌ي مولكول‌‌هاي آب به عناصر هيدروژن و اكسيژن و جداسازي آن‌‌ها، گاز هيدروژن موردنياز براي به‌‌كارانداختن سلول‌‌هاي سوختي را فراهم كند. اين سلول‌‌ها مي‌‌توانند درصورت لاخبار تخصصي، با تركيب دوباره‌ي عناصر هيدروژن و اكسيژن، انرژي الكتريكي موردنياز مصرف‌‌كنندگان را تأمين كنند. چنانچه انرژي الكتريكي اوليه‌‌ي مورداستفاده در فرايند الكتروليز از منابعي تجديدپذير (نظير توربين‌‌هاي بادي يا سلول‌‌هاي خورشيدي) تأمين شده باشد، مي‌‌توان انرژي خروجي از سلول‌‌هاي سوختي را نيز منبعي پاك تلقي كرد.

پژوهشگران همچنان تلاش مي‌‌كنند هزينه‌‌هاي استفاده از اين روش ذخيره‌‌سازي انرژي را كاهش دهند. به‌‌عنوان نمونه‌‌اي از تلاش‌‌هاي اخير، مي‌‌توان به دستاورد مهندسان در ذخيره‌‌سازي مقادير بالاي انرژي بادي در جزاير بادخيز اوركني بريتانيا اشاره كرد. در اين پروژه كه باحمايت اتحاديه‌‌ي اروپا در حال انجام است، از سلول‌‌هاي سوختي براي ذخيره‌‌سازي انرژي بادي و انرژي حاصل از امواج دريا استفاده مي‌‌شود.