چگونه می‌توان از گرما برای ذخیره انرژی تجدیدپذیر استفاده کرد؟

تأثیر سوخت‌های فسیلی بر وضعیت اضطراری آب‌و‌هوا موجب فشار بین‌المللی برای استفاده از منابع انرژی کم‌کربن شده است. درحال‌حاضر، بهترین گزینه برای تولید انرژی کم‌کربن در مقیاس وسیع انرژی‌های بادی و خورشیدی هستند. در سال‌های اخیر، پیشرفت‌هایی هم در عملکرد و هم در هزینه‌ی فناوری‌های مربوط به بهره‌برداری از این انرژی‌ها حاصل شده است؛ اما یکی از مشکلات اساسی آن‌ها همچنان باقی مانده است: باد همیشه نمی‌وزد و خورشید نیز همیشه نمی‌تابد. شبکه‌ی برقی که متکی‌بر این منابعِ دارای نوسان باشد، برای ایجاد تطابق میان عرضه و تقاضا دچار مشکل می‌شود و ازآنجاکه انرژی تجدیدپذیر در زمان موردنیاز تولید نمی‌شود، انرژی گاهی به‌هدر می‌رود. یکی از راه‌حل‌های اصلی این مشکل، فناوری‌های ذخیره‌سازی برق در مقیاس بزرگ است. این فناوری‌ها با هدف انباشت برق زمانی کار می‌کنند که عرضه بیش از تقاضا است و سپس آزادکردن آن زمانی‌که تقاضا بیش از عرضه است. یکی از مشکلات این روش آن است که شامل مقادیر زیادی برق می‌شود.

فناوری‌های ذخیره‌سازی موجود مانند باتری‌ها به‌دلیل هزینه‌ی هنگفت به‌ازای هر واحد انرژی برای این فرایند مناسب نیستند. درحال‌حاضر، بیش از ۹۹ درصد از ذخیره‌ی برق در مقیاس وسیع دراختیار سدهای آبی تلمبه‌ای است که برای ذخیره یا تولید انرژی، آب را با استفاده از پمپ یا توربین بین دو مخزن جا‌به‌جا می‌کنند؛ البته به‌خاطر نیازهای جغرافیایی خاص، محدودیت‌هایی از نظر ساخت آن‌ها در مناطق مختلف وجود دارد. یکی از گزینه‌های ذخیره‌سازی امیدوارکننده، ذخیره‌ی برق حرارتی تلمبه‌ای است. این فناوری نسبتا جدید حدود ۱۰ سال پیش ارائه شده و هم‌اکنون در نیروگاه‌های آزمایشی در حال آزمایش است.

تبدیل برق به گرما در مدار مرکزی اتفاق می‌افتد، سپس، در مخازنِ گرم و سرد ذخیره می‌شود.

سیستم ذخیره‌ی برق حرارتی تلمبه‌ای ازطریق تبدیل برق به حرارت با استفاده از پمپ حرارتی بزرگی کار می‌کند و این گرما در مخزنی عایق و در ماده‌ی داغی مانند آب یا شن ذخیره می‌شود. درصورت نیاز، گرما با استفاده از موتور حرارتی به برق تبدیل می‌شود. این تبدیل انرژی با چرخه‌های ترمودینامیک و طبق همان اصول فیزیکی به‌کار‌رفته در یخچال‌ها یا موتور خودروها یا نیروگاه‌های حرارتی کار می‌کند.

سیستم ذخیره‌ی برق حرارتی تلمبه‌ای مزیت‌های زیادی دارد. فرایندهای تبدیل عمدتا متکی بر اجزا و فناوری‌های متعارفی هستند که قبلا نیز در صنایع انرژی و فرایند انرژی به‌طور گسترده استفاده شده‌اند؛ مانند مبدل‌های حرارتی، کمپرسورها، توربین‌ها و ژنراتورهای برقی. این امر موجب می‌شود زمان موردنیاز برای طراحی و ساخت چنین سیستمی کاهش پیدا کند. مخازن ذخیره‌سازی می‌توانند با مواد فراوان و ارزان‌قیمتی نظیر شن یا نمک‌های مذاب یا آب پر شوند. برخلاف باتری‌ها، این مواد تهدیدی برای محیط‌زیست به‌شمار نمی‌روند. از مخازن بزرگ نمک مذاب سال‌ها است که در نیروگاه‌های خورشیدی متمرکز استفاده می‌شود که یکی از فناوری‌های انرژی‌های تجدیدپذیری است که در دهه‌ی گذشته، رشد سریعی یافته است.

انرژی خورشیدی متمرکز و ذخیره‌ی برق حرارتی تلمبه‌ای شباهت‌های زیادی به‌هم دارند؛ اما درحالی‌که نیروگاه‌های خورشیدی متمرکز ازطریق ذخیره‌ی نورخورشید به‌صورت گرما و سپس تبدیل آن به برق انرژی تولید می‌کنند، نیروگاه‌های ذخیره برق حرارتی تلمبه‌ای برقی را ذخیره می‌کنند که ممکن است از هر منبعی نظیر خورشیدی یا بادی یا انرژی هسته‌ای بیاید.

نیروگاه خورشیدی متمرکز

نیروگاه‌های ذخیره‌ی برق حرارتی تلمبه‌ای بدون توجه به جغرافیا در هر جایی نصب‌شدنی هستند و آن‌ها را می‌توان به‌آسانی تغییر مقیاس داد تا نیازهای شبکه را تأمین کنند. دیگر فناوری‌های ذخیره‌ی انرژی انبوه ازنظر محل نصب با محدودیت مواجه هستند. برای مثال، سیستم ذخیره‌ی آبی تلمبه‌ای به کوهستان‌ها و دره‌هایی نیاز دارد که در آن، مخازن آب بزرگی بتوان احداث کرد. ذخیره‌ی انرژی با هوای فشرده نیز متکی‌بر وجود غارهای زیرزمینی بزرگ است.

ذخیره‌ی برق حرارتی تلمبه‌ای درمقایسه‌با سدهای آبی تلمبه‌ای چگالی انرژی بیشتری دارد و در حجم معین، انرژی بیشتری ذخیره می‌کند. به‌عنوان مثال، درمقایسه‌با یک کیلوگرم آبی که در ارتفاع ۵۰۰ متری در نیروگاه آبی تلمبه‌ای ذخیره شده باشد، از یک کیلوگرم آبی که در دمای ۱۰۰ درجه ذخیره شده باشد، ۱۰ برابر برق بیشتری می‌توان بازیابی کرد. این بدان‌معنا است که برای ذخیره‌ی مقدار معینی از انرژی به فضای کمتری نیاز است؛ بنابراین، تأثیرات زیست‌محیطی نیروگاه کمتر می‌شود.

مخازن نمک مذاب برای ذخیره‌ی انرژی حرارتی در نیروگاه خورشیدی متمرکز

اجزای سیستم ذخیره‌ی برق حرارتی تلمبه‌ای معمولا چندین دهه کار می‌کنند؛ در‌حالی‌‌که باتری‌ها با گذشت زمان تخریب می‌شوند و باید چند سال یک‌بار عوض شوند. ناگفته نماند بیشتر باتری‌های خودروهای برقی فقط حدود ۵ تا ۱۰ سال ضمانت دارند.

اگرچه موارد زیادی وجود دارد که ذخیره‌ی برق حرارتی تلمبه‌ای را برای ذخیره انرژی‌های تجدیدپذیر در مقیاس وسیع مناسب می‌سازد، این فناوری معایبی نیز دارد. احتمالا بزرگ‌ترین عیب آن بازده‌ی نسبتا متوسط آن است (مقدار برقی که در جریان تخلیه باز می‌گرداند، درمقایسه‌با مقدار برقی که طی شارژ وارد آن می‌شود). بیشتر سیستم‌های ذخیره‌ی برق حرارتی تلمبه‌ای ۵۰ تا ۷۰ درصد بازده دارند. این در حالی است که بازده‌ی باتری‌های لیتیوم‌یون حدود ۸۰ تا ۹۰ درصد و بازده سیستم ذخیره‌ی آبی تلمبه‌ای ۷۰ تا ۸۰ درصد است. البته مهم‌ترین مسئله هزینه است: هرچه هزینه کمتر باشد، جامعه سریع‌تر می‌تواند به‌سمت آینده‌ای با کربن کم حرکت کند.

انتظار می‌رود ذخیره‌ی برق حرارتی تلمبه‌ای بتواند با فناوری‌های دیگر ذخیره‌ی انرژی رقابت کند؛ اگرچه تا زمان بلوغ این فناوری و تجاری‌سازی کامل آن، چنین موضوعی مشخص نمی‌شود. درحال‌حاضر، چندین سازمان در حال کار با نمونه‌های اولیه‌ای از این فناوری در موقعیت‌های واقعی هستند. هرچه زودتر ذخیره‌سازی برق پمپ حرارتی را آزمایش و عملی کنیم، سریع‌تر می‌توانیم از آن برای انتقال به سیستم کم‌کربن بهره ببریم.