مدلهای خلاقانهی سامانههای ذخیرهسازی گرانشی مانند باتری گرانشی میتواند انرژی مازاد تولیدی منابع خورشیدی و بادی را ذخیره کرده و در هنگام نیاز دوباره به شبکهی سراسری برق تزریق کند.
به گزارش پایگاه خبری تاسیسات نیوز، در شهر آربدو-کاستین از کشور سوئیس، یک جرثقیل برجی الکتریکی عظیم با ارتفاع ۱۲۰ متر و مجهز به ۶ بازوی حامل در حال چیدن ستونی مرتفع از بلوکهای فشرده روی یکدیگر است. چند روز دیگر قرار است جرثقیل دوباره بلوکها را از بالا به سطح زمین منتقل کند و از تبدیل انرژی گرانشی این بلوکها برای تولید برق استفاده کند.
شرکت Energy Vault، مبدع طرح فعلی بر این باور است که باکمک این روش توانسته یکی از بزرگترین مشکلات منابع تجدیدپذیر را حل کند: ماهیت متناوب و ناپیوسته تولید منابعی مانند انرژی خورشیدی و بادی که باعث میشود نتوان میزان تولید و مصرف در شبکه را بهراحتی تطبیق داد.
امروزه منابع تجدیدپذیر وارد رقابت با سوختهای فسیلی شدهاند؛ اما هنوز نمیتوان برای تولید ۲۴ ساعتهی انرژی روی آنها حساب کرد. تا وقتی نتوانیم در روزهای ابری یا اوقاتی که باد نمیورزد، راهی برای تأمین انرژی موردنیاز مصرفکنندگان بیابیم، مسلما وابستگی ما به منابع تجدیدناپذیر همچنان ادامه خواهد یافت. اریک تون، استاد بازنشستهی شیمی از دانشگاه دوک و مدیر اجرایی صندوق سرمایهگذاری Breakthrough Energy میگوید:
آنچه ما میخواهیم تأمین ۱۰۰ درصدی برق از منابع انرژی عاری از کربن است؛ درحالیکه روشهای زیادی برای تولید این نوع انرژی وجود ندارد. برای آنکه بتوانیم با انرژی خورشیدی و بادی منابع انرژی جهان را کربنزدایی کنیم، باید ظرفیت ذخیرهسازی انرژی را توسعه دهیم.
یک منبع رایگان و نامحدود
پژوهشگران و کارآفرینان از همهسو در حال بررسی چالشهای مربوطبه مبحث ذخیرهسازی انرژی هستند. باتری لیتیومیونی مهمترین فناوری ذخیرهسازی در حال حاضر محسوب میشوند که در بسیاری از تجهیزات فعلی از گوشهای موبایل گرفته تا خودروهای هیبریدی و الکتریکی مورداستفاده قرار گرفتهاند. گرچه هزینهی تولید این باتری روزبهروز کاهش مییابد؛ تجهیزات مربوطه با گذشت زمان دچار افت عملکرد میشوند و بدتر از همه اینکه در ساختار آنها از فلزات کمیابی استفاده میشود که ذخایرشان در جهان با محدودیت مواجه است. چنین مشکلاتی باعث شده برخی از دانشمندان بهفکر ساخت نسل جدیدی از باتری باکمک موادی ارزانترنظیر هوای فشرده یا هیدروژن بیفتند.
شرکت انرژی والت یکی از چندین استارتاپی است که قصد دارد از گرانش زمین بهعنوان منبعی رایگان و محدود برای ذخیرهسازی انرژی الکتریکی استفاده کند.
شرکت سوئیسی انرژی والت از یک جرثقیل برجی برای چیدن تعداد زیادی از بلوکهای ۳۵ تنی استفاده میکند. انرزی موردنیاز این جرثقیل از برق مازاد تولیدی از منابع خورشیدی و بادی تأمین میشود. سیستم نرمافزاری جرثقیل بهگونهای برنامهریزی شده که بتواند بهصورت خودکار از انرژی مازاد شبکه برای ساخت برجهایی از بلوکهای بتنی استفاده کند. وقتی تقاضا برای انرژی از میزان تولید پیشی بگیرد، جرثقیل شروع به پایینآوردن بلوکها از برج میکند و از انرژی جنبشی حاصل از سقوط بلوکها از ارتفاعات بالای برج برای بهکار انداختن یک ژنراتور و بازتولید برق استفاده میکند. سازوکار فعلی سیستم ابداعی انرژی والت اینگونه است:
-
وقتی تقاضا برای انرژی کم باشد، جرثقیل برجی با مصرف مازاد انرژی تولیدی از منابع بادی و خورشیدی، شروع به چیدن بلوکهای ۳۶ تنی روی یکدیگر میکنند و بدینترتیب سازهای با ارتفاع نهایی ۱۲۰ متر از بلوکهای خاکی ساخته خواهد شد.
-
انرژی الکتریکی مازاد شبکه بهشکل انرژی گرانشی در سازه ذخیره میشود. میزان تقاضای انرژی بهصورت لحظهای و بهکمک نرمافزار محاسبه میشود.
-
در زمان نیاز به انرژی، جرثقیل شروع به تخلیهی بلوکها از برج میکند. انرژی جنبشی تولیدشده از سقوط بلوکها برای بهحرکتدرآوردن ژنراتور و تولید برق استفاده میشود.
یک سیستم گرانشی استاندارد Energy Vault با برخورداری از ۲۰ برج بلوک میتواند انرژی شبانهروزی موردنیاز ۴۰ هزار خانه را تأمین کند
اوت سال گذشته، انرژی والت توانست بودجهای ۱۱۰ میلیون دلاری از صندوق سرمایهگذاری ویژن سافتبانک جذب کند. این شرکت مدعی است که یک پروژهی استاندارد با برخورداری از ۲۰ برج بلوک میتواند انرژی شبانهروزی موردنیاز ۴۰ هزار خانه را ذخیرهسازی کند. هدف نهایی شرکت آن است که بتواند انرژی الکتریکی را با هزینهای پایینتر نسبتبه سوختهای فسیلی عرضه کند.
سیستمهای گرانشی مشابه دیگری نیز در کشورهای اسکاتلند، آلمان، ایالات متحده و مراکش طراحی و اجرا شدهاند.
شرکت گراویتریسیتی (Gravitricity) در شهر ادینبرا از اسکاتلند قصد دارد از تجهیزات معدنکاوی بلااستفاده برای ذخیرهسازی و تولید انرژی بهره گیرد. در این مدل، وزنههایی ۱۲ تنی باکمک یک وینچ الکتریکی به ارتفاعی بالا کشیده شده و در هنگام نیاز، با رهاسازی این وزنهها، انرژی برق موردنیاز خانههای منطقه تأمین میشود. شرکت یادشده ادعا میکند که هزینهی اجرای سیستم ابداعی آنها تنها نصف هزینهی سیستمهای مبتنیبر باتری لیتیومیونی است و بهعلاوه، دچار فرسایش و افت عملکرد نیز نخواهد شد. چارلی بلیر، مدیرعامل شرکت گراویتریسیتی میگوید اخیرا پیشنهادهای زیادی برای استفاده از این نوع سیستمها ازسوی معادن درحال تعطیلی دریافت کرده است.
درحالیکه جرثقیل برجی شرکت انرژی والت میتواند برای مدتی معادل ۸ الی ۱۶ ساعت بهصورت بیوقفه انرژی الکتریکی موردنیاز را تأمین کند؛ سیستم پیشنهادی گراویتریسیتی تنها قادر به تأمین انرژی در بازههای زمانی بین ۱۵ دقیقه تا ۸ ساعت خواهد بود.
طرح بهروزرسانیشده
باید گفت ایدهی اصلی طرحهای پیشنهادی دو شرکت یادشده شباهت فراوانی به طرح برقآبی تلمبه ذخیرهای دارد. در این روش از ذخیرهسازی انرژی که قدمتی ۱۰۰ ساله دارد، ابتدا با استفاده از انرژی برق مازاد شبکه، آب از پاییندست به نقطهای در بالادست پمپاژ میشود و بعدا در هنگام نیاز، مسیرآب بهسمت پایین باز میشود و با حرکت به پاییندست، یک توربین را بهگردش درمیآورد. بنابر گزارش آژانس بینالمللی انرژی، روش تلمبه ذخیرهای هماکنون حدود ۹۵ درصد از ظرفیت انرژی الکتریکی ذخیرهسازیشدهی جهان را پوشش میدهد. هوراتیو ون جان، مدیرعامل شرکت آلمانیالاصل Gravity Energy AG معتقد است که «بهدلیل مقاومت افکار عمومی در مباحث مربوطبه تغییر چشمانداز طبیعی، دیگر نمیتوان ساختگاههای تلمبه ذخیرهای بیشتری احداث کرد.» این شرکت پیشتر در زمینهی ساخت مخازن زیرزمینی آب و تولید انرژی با کمک پیستونهای آبی سرمایهگذاری کرده است. جان اضافه میکند:
برای استفاده از انرژی برقآبی تلمبه ذخیرهای نیاز به اراضی واقع در منطقهای مرتفع داریم که در آن بتوان یک دریاچه در بالادست و یک دریاچه در پاییندست و نیز یک نیروگاه احداث کرد.
اما او میگوید سیستم پیشنهادی شرکت وی میتواند در فضایی بسیار کوچکتر (درحد یک زمین فوتبال) توانی معادل ۱۰۰۰ مگاوات را برای مدت ۴ الی ۱۰ ساعت تأمین کند.
هزینهی ذخیرهسازی انرژی در جرثقیل برجی انرژی والت، کمتر از ۵ سنت در ازای هر کیلوواتساعت خواهد بود
شرکت انرژی والت میگوید درصورت برخورداری از یک تعمیر و نگهداری استاندارد، سیستم ذخیرهسازی جرثقیل برجی میتواند بیش از ۴۰ سال عمر مفید داشته باشد. این مورد نشاندهندهی مزیتی آشکار نسبتبه سیستمهای مبتنیبر باتری استهلاکپذیر است. شرکت میگوید که درصورت انجام سرمایهگذاری اولیهی ۸ الی ۹ میلیون دلاری برای ساخت یک سیستم استاندارد، هزینهی ذخیرهسازی انرژی به کمتر از ۵ سنت در ازای هر کیلوواتساعت خواهد رسید و سیستم بدون هیچگونه افت عملکردی و با حداقل هزینهی بهرهبرداری بهکار خود ادامه خواهد داد. انرژی والت قصد دارد با بهرهگیری از سرمایهگذاری سافتبانک پروژهی خود را بهسرعت وارد فاز تجاری کند.
نمونهی اولیهی تولیدشده توسط شرکت انرژی والت تنها حدود ۱۲۰ متر ارتفاع دارد؛ اما روبرت پبکونی، مدیرعامل شرکت و ازجمله مدیران سابق غول نفتی BP و شرکت آموکو معتقد است که بهزودی نمونههایی از جرثقیل با ارتفاعی بیشاز ۱۵۰ متر نیز تولید خواهند شد. این شرکت هماکنون توانسته با یک مشتری از هند با نام Tata Power قرارداد امضا کند. توماس مورستین، از پژوهشگران حوزهی انرژی در دانشگاه آکسفورد است که اخیرا مطالعاتی را درمورد طرحهای شرکت گراویتریسیتی انجام داده است. او میگوید روش ذخیرهسازی گرانشی میتواند برای متعادلسازی نوسانات کوتاهمدت رخداده در شبکهی سراسری برق مفید واقع شود.
افزایش سطح نفوذ منابع متناوبی نظیر انرژی بادی و خورشیدی باعث شده میزان نوسانات توان در شبکه بیشتر شود. استفاده از سیستمهای گرانشی میتواند دو مزیت عمده نسبتبه باتری داشته باشد که اولین مورد آن، سرعت استهلاک بسیار پایینتر آنها است. دومین مزیت نیز قابلیتتنظیمپذیری تولید این نوع سیستمها خواهد بود. بدینترتیب که آزادسازی انرژی گرانشی اجرام کوچکتر میتواند انرژی الکتریکی بیشتری را در مدت زمانی طولانیتر فراهم کند و با آزادسازی انرژی ذخیرهشده در اجرام سنگینتر قادر به تولید مقادیری بالاتری انرژی برای پاسخ به پیکهای کوتاهمدت خواهیم بود. این در حالی است که تأمین انرژی بارهای لحظهای سنگین در سیستمهای مبتنیبر باتری لیتیومیون با جریانکشی شدید و کاهش طول عمر مفید این تجهیزات همراه خواهد شد.
البته سیستمهای ذخیرهسازی گرانشی ضعفهایی نیز دارند. برای استفاده از این فناوری باید بلوکها را بهشکلی دقیق جابهجا کرد و در محل صحیح خود روی هم چید. پیکونی میگوید الگوریتمهای شرکت انرژی والت امکان تطبیق سیستم با شرایط آبوهوایی گوناگون و نیز تغییرات ساختاری جرثقیل در طول زمان را فراهم خواهد کرد. بهعلاوه، احداث مجموعهای از این نوع جرثقیلها در یک منطقه قطعا با ایجاد سروصدا و تخریب منظرهی طبیعی همراه خواهد بود؛ موضوعی که میتواند موجب نارضایتی و خشم ساکنان محلی شود.
یکی از مهندسان دانشگاه بینالملل رباط در مراکش بهنام اسما برادا در تلاش است که با حمایت دولت این کشور، نوعی سیستم ذخیرهسازی گرانشی مبتنیبر مخزن را طراحی کند. این سامانه قرار است بهموازات یکی از بلندپروازانهترین پروژههای انرژی تجدیدپذیر مراکش پیادهسازی شود. او میگوید:
در مراکش، سهم انرژیهای تجدپذیر متناوب از کل سبد انرژی کشور و رشد نفوذ این نوع منابع در شبکهی قدرت بسیار بالا است که این امر مشکلاتی در مبحث پایداری شبکه ایجاد کرده است. ذخیرهسازی انرژی میتواند مشکلات بحث پایداری شبکه را مرتفع کند.