چگونه باتری شنی می‌تواند صنعت انرژی‌های پاک را متحول کند؟

در انتهای جاده روستایی پر پیچ‌و‌خمی در غرب فنلاند، چهار مهندس جوان بر این باورند که راه‌حلی برای یکی از بزرگ‌ترین چالش‌های انرژی‌ سبز پیدا کرده‌اند. چالش این است که چگونه می‌توان در جریان فصول مختلف و شرایط آب‌وهوایی متغیر منبع تغذیه دائمی از انرژی‌های تجدیدپذیر را مهیا کرد. پاسخ در نیروگاه واتایانکوسکی در ۲۷۰ کیلومتری شمال غربی هلسینکی پایتخت فنلاند قرار دارد و بسیار ساده، فراوان و ارزان است: شن.

نیروگاه واتایانکوسکی محل استقرار اولین باتری شنی در مقیاس تجاری جهان است. این باتری که به‌طور کامل در محفظه‌ای فولادی به ارتفاع هفت متر محصور شده است، از ۱۰۰ تن شن و ماسه ساختمانی درجه پایین، دو لوله گرمایش منطقه‌ای و یک فن تشکیل شده است.

شن پس از اینکه با استفاده از برق تولیدشده توسط توربین‌های بادی و پنل‌های خورشیدی در فنلاند گرم می‌شود و دمای آن به ۶۰۰ درجه سانتیگراد می‌رسد، به باتری تبدیل می‌شود. انرژی تجدیدپذیر به یک هیتر مقاومتی انرژی می‌دهد و هیتر هوای درون شن را گرم می‌کند. درون باتری، هوای گرم به‌وسیله فن در لوله‌های تبادل حرارتی به گردش درمی‌آید. عایق ضخیمی که شن را احاطه کرده است، دمای درون باتری را حتی زمانی که دمای بیرون در حد انجماد است، در حد ۶۰۰ درجه سانتیگراد حفظ می‌کند.

ویله کیویویا، دانشمند ارشد شرکت پُلار نایت انرژی (Polar Night Energy) که به صورت آنلاین بر عملکرد باتری نظارت دارد، می‌گوید: «نمی‌خواهیم هیچ گرمایی را از دست بدهیم. در کانکانپه میانگین دمای زمستان زیر صفر درجه سانتیگراد است.»

وقتی باتری پر شود، ۸ مگاوات ساعت انرژی حرارتی ذخیره می‌کند. وقتی تقاضا برای انرژی افزایش پیدا می‌کند، باتری حدود ۲۰۰ کیلووات برق را از راه لوله‌های تبادل حرارتی تخلیه می‌کند: این مقدار انرژی برای تأمین گرما و آب گرم حدود ۱۰۰ خانه و یک استخر عمومی در کانکانپه کافی است و برق شبکه را تکمیل می‌کند. باتری در طول شب یعنی زمانی که قیمت برق پایین‌تر است، شارژ می‌شود.

کیویویا می‌‌گوید هزینه نگه‌داری و تعمیر این سیستم پایین است. شرکت آن‌ها به جای شن رودخانه‌ای باکیفیت که در حجم بالایی برای ساخت‌وساز مصرف می‌‌شود و منجر به کمبود جهانی شن و ماسه می‌شود، از شن ارزان و با کیفیت پایین استفاده می‌کند که سازندگان ساختمان‌ها آن‌ها را رد کرده‌اند. کیویویا می‌گوید: «هیچ فرسایشی در لوله‌های تبادل حرارتی و شن‌ها وجود ندارد. فن تنها قسمت متحرک سیستم است و در صورت نیاز به‌راحتی قابل تعویض است.»

شن محیط بسیار کارآمدی برای حفظ گرما در طولانی‌مدت است و هر بار می‌تواند انرژی را برای چند ماه ذخیره کند. این سیستم مزیت‌های دیگری نیز دارد. کیویویا می‌گوید: «شن طول عمر بسیار طولانی دارد و می‌تواند به هر تعداد باری گرم و سرد شود. شن پس از مدتی متراکم‌تر می‌شود، بنابراین فضای کمتری می‌گیرد. در آن زمان می‌توانیم شن بیشتری اضافه کنیم.»

باتری شنی ساخته‌شده توسط تامی ارونن (راست) و ویله کیویویا (چپ) گرمای کافی را برای حدود ۱۰۰ خانه و یک استخر شنای عمومی در کانکانپه فراهم می‌کند.

ماجرای چهار مهندس جوان فنلاندی که باتری شنی را اختراع کردند، به گذشته‌های دور برمی‌گردد. تامی ارونن، مارکو ایلونن، لیزا ناسکالی و ویله کیویویا در دوران کودکی به خاطر علاقه مشترک به ورزش‌های دو و میدانی به هم پیوند خوردند. آن‌ها به باشگاهی در تامپره در جنوب فنلاند می‌رفتند و در طول سال‌های نوجوانی همدیگر را در مسابقات ورزشی تشویق می‌کردند.

با ورود آن‌ها به دهه سوم زندگی، علاقه آن‌ها از ورزش به علم تبدیل شد. زمستان‌های کوتاه‌تر و گرم‌تر جنوب فنلاند انگیزه مشترکی برای مقابله با تغییرات اقلیمی ایجاد کرد. ارونن می‌گوید: «تعداد روزهای پوشیده از یخ دریاچه ناسیاروی که در دوران کودکی روی آن اسکیت بازی می‌کردیم، در چند سال اخیر به‌طور چشمگیری کاهش پیدا کرده است. تغییرات اقلیمی جلوی چشمان ما در حال رخ دادن است.»

در سال ۲۰۱۶، ارونن درحالی‌که در حال انجام پژوهشی برای کارشناسی ارشد خود بود، به‌دنبال سیستم‌های ذخیره مبتنی بر آب برای انرژی‌های تجدیدپذیر می‌گشت؛ اما هنگام خواندن مقاله‌ای درمورد شومینه‌های سنتی فنلاندی که از سنگ و شن ساخته شده بود، ایده‌ای به ذهنش آمد. او می‌گوید: «به این فکر افتادم که آیا یک ماده جامد، به جای آب، برای ذخیره کردن انرژی خورشیدی و بادی مناسب‌تر نیست؟ »

ارونن به همراه ایلونن ساخت نمونه اولیه از باتری شنی را شروع کرد. آن‌ها پس از آزمایش موفقیت‌آمیز باتری آزمایشی خود در باغ پدربزرگ ارونن در نزدیکی تامپره، دوستان دوران کودکی خود از باشگاه ورزشی را فراخواندند تا شرکت پلار نایت انرژی را راه‌اندازی کنند. آن‌ها در ماه ژوئیه اولین باتری شنی تجاری را در نیروگاه واتایانکوسکی در کانکانپه نصب کردند.

نوآوری باتری شنی موجی از هیجان را در سراسر جهان ایجاد کرده است. ارونن می‌گوید: «تلفنم همیشه زنگ می‌خورد و هزاران ایمیل خوانده نشده دارم.»

ذخیره‌سازی کارآمد انرژی خورشیدی و بادی به‌ویژه برای کشورهای شمال اروپا که در فصل زمستان ساعات طولانی تاریکی و نیاز زیادی به گرما دارند؛ اما در تابستان ساعات طولانی نور خورشید را دارند، بسیار مهم است.

در پی جنگ اوکراین، فنلاند اتحادیه اروپا را تشویق کرده است تولید انرژی‌های تجدیدپذیر خود را افزایش دهد. سانا مارین، نخست‌وزیر فنلاند در ماه سپتامبر گفت: «تنها راه خروج از بحران انرژی سرمایه‌گذاری عظیم روی انرژی‌های تجدیدپذیر و تولید انرژی عاری از انتشارات است.» مخترعان باتری شنی امیدوار هستند راه‌حل آن‌ها به حل این مشکل کمک کند.

ایوا پونگراچ، معاون واحد تحقیات مهندسی آب، انرژی و محیط زیست در دانشگاه اولو در شمال فنلاند با خنده می‌گوید: «اولین چیزی که به ذهنم رسید، این بود که چرا خودم به آن فکر نکرده بودم؟ ایده آن‌ها اید‌ه‌ای ساده، تازه و نوآورانه است. آیا این ایده می‌تواند راه‌حلی برای عرضه پایدار انرژی سبز باشد؟ فکر نمی‌کنم فقط یک راه‌حل وجود داشته باشد، اما باتری شنی بخشی از راه‌حل است.»

فقدان فناوری‌های ذخیره‌سازی ارزان، پایدار و کارآمد یکی از بزرگ‌ترین موانع برای کمک به روی آوردن جهان به انرژی‌های تجدیدپذیر است.

حال عملکرد باتری‌های شنی درمقایسه‌با باتری‌های دیگر خصوصا همتای الکتروشیمیایی آن یعنی باتری‌های لیتیوم‌یون چگونه است؟ پونگراچ می‌گوید یکی از مشکلات بزرگ باتری‌های لیتیوم‌یون که از آن‌ها برای تأمین انرژی لپ‌تاپ‌ها، تلفن‌ها و وسایل نقلیه برقی خود استفاده می‌کنیم، این است که حتی زمانی که مورد استفاده قرار نگیرند‌، به مرور زمان تخریب می‌شوند. او می‌گوید: «در باتری‌های شنی هیچ واکنش شیمیایی وجود ندارد، بنابراین آن‌ها فرایند فرسودگی مشابهی را طی نمی‌کنند.»

یولونگ دینگ، مدیر مرکز ذخیره‌سازی انرژی بیرمنگام در بریتانیا می‌گوید باتری‌های لیتیومی برای کاربردهای ذخیره‌سازی در مقیاس بزرگ مناسب نیستند و ذاتا قابل اشتعال هستند. نگرانی‌های زیست‌محیطی هم وجود دارد. پونگراچ می‌گوید: «تأثیر زیست‌محیطی ناشی از لیتیوم بیشتر از تأثیر شن است. برای تولید هر تن لیتیوم پالایش‌شده، بسته به نحوه استخراج، معادل حدود سه تا نُه تن کربن‌دی‌اکسید منتشر می‌شود.»

دراین‌میان، تیم پلار نایت انرژی با چالش‌های بزرگی رو‌به‌رو است: آیا آن‌ها موفق می‌شوند مقیاس فناوری خود را افزایش دهند تا واقعاً شرایط را تغییر دهند و آیا می‌توانند از باتری خود برای تولید مقدار قابل‌توجهی برق علاوه بر گرما استفاده کنند؟ کارشناسان خاطرنشان می‌کنند که محدودیت‌هایی وجود دارد. دن گلدوین از گروه مهندسی الکتریک و الکترونیک دانشگاه شفیلد بریتانیا می‌گوید: «باتری شنی درمقایسه‌با باتری‌های شیمیایی مرسوم (در واحد حجم)، پنج تا ده برابر انرژی کمتری ذخیره می‌کند.»

تیم پلار نایت انرژی این موضوع را قبول دارد، اما استدلال می‌کند که باتری شنی راه‌حل بسیار مقرون‌به‌صرفه‌تری است. طبق محاسبات این تیم، باتری آن‌ها ۸ تا ۱۰ برابر ارزان‌تر از باتری لیتیومی است که همان مقدار انرژی را ذخیره می‌کند. ارونن می‌گوید تولید ۸ مگاوات ساعت انرژی با استفاده از باتری شنی کانکانپه حدود ۲۰۰ هزار دلار هزینه دارد. هزینه یک باتری لیتیوم‌یون که ۸ مگاوات ساعت انرژی را ذخیره می‌کند، حداقل یک میلیون و ۶۰۰ هزار دلار است.

ذخیره‌سازی انرژی‌های تجدیدپذیر خصوصا برای کشورهای نوردیک که در جریان زمستان به گرمایش زیادی نیاز دارند و در طول تابستان ساعت طولانی نور خورشید دارند، بسیار مهم است.

گلدوین می‌گوید باتری شنی برای گرم کردن خانه‌ها در کشورهایی با آب‌و‌هوای سرد عالی است، اما هشدار می‌دهد که وقتی از آن برای تولید برق استفاده می‌شود، راندمان کاهش پیدا می‌کند. او می‌گوید: «برای اینکه بتوانیم آن را به‌طور گسترده‌تر استفاده کنیم، باید راهی برای تبدیل گرمای باتری به برق با راندمان ۷۵ تا ۸۰ درصد پیدا کنیم. این امر موجب می‌شود باتری شنی بتواند تحول‌آفرین باشد.»

ارونن می‌گوید با فناوری‌های فعلی فرایند تبدیل گرما به برق دارای بازده ۳۰ درصد است؛ اما او آن را مسئله مهمی نمی‌بیند. او می‌گوید: «در کشور سردی مانند فنلاند، ما ۷۰ درصد گرمایی را که پس از تبدیل در شبکه‌های گرمایش منطقه‌ای می‌ماند، هدر می‌دهیم» گام بعدی در افزایش مقیاس باتری برای تولید برق، اضافه کردن توربینی برای تبدیل گرما به برق است. ارونن می‌گوید: «در چند سال آینده سیستم کارآمدی برای انجام این کار خواهیم داشت.»

شرکت Polar Night Energy در حال امضای قراردادی برای ساخت باتری دومی برای شرکت گرمایش منطقه‌ای دیگری در فنلاند است. ارونن می‌گوید: «این باتری برای سیستم بسیار بزرگ‌تری است: ۲ مگاوات قدرت گرمایش و ۵۰۰ مگاوات ساعت ظرفیت ذخیره‌سازی. باتری جدید ده برابر بزرگ‌تر از چیزی است که در کانکانپه داریم.»

پونگراچ می‌گوید درحال‌حاضر باتری شنی عمدتا راه‌حلی اساسی برای منطقه نوردیک است. او می‌گوید این باتری در فنلاند که زمستان‌های سردی داریم و از سپتامبر تا می به گرمایش بیشتری نیاز داریم، به این خاطر که میانگین دمای سالانه زیر ده درجه سانتیگراد است، بسیار مفید است و می‌افزاید که نیمی از ۵/۵ میلیون نفر جمعیت فنلاند به یک شبکه گرمایش منطقه‌ای متصل هستند.

در تئوری، این راه‌حل ذخیره انرژی را می‌توان در هر منطقه‌ای در جهان که دارای زیرساخت‌های گرمایش منطقه‌ای است مانند نیویورک، سانفرانسیسکو و کپنهاگ به کار برد. لیزا ناسکالی، مدیر پروژه شرکت، می‌گوید: «پتانسیل باتری شنی بسیار بیشتر از گرم کردن خانه‌ها است. وقتی مقیاس آن افزایش پیدا کند، در تمام انواع فرایندهای صنعتی که به گرمای زیادی نیاز دارند، قابل استفاده خواهد بود.»

ارونن می‌گوید پلار نایت انرژی قصد دارد تا سال ۲۰۲۳ به شرکتی جهانی تبدیل شود و باتری‌های شنی را در سطح جهانی بسازد. رونق چشمگیر نیروگاه بادی دریایی (تا سال ۲۰۲۵ انرژی بادی ۲۵ درصد از مصرف برق فنلاند را پوشش خواهد داد) به اجرای این طرح کمک خواهد کرد، اما هنوز کارهای زیادی برای انجام دادن وجود دارد. او می‌گوید: «به ظرفیت‌های ذخیره‌سازی عظیمی نیاز داریم تا نوسانات در تولید را خنثی کنیم.»

مارکو ایلونن و تامی ارونن بنیان‌گذاران شرکت پلار نایت انرژی دوستان دوران کودکی هستند که به خاطر علاقه به ورزش و علم در کنار هم جمع شدند.

شرکت مذکور برای کمک به برنامه‌های توسعه بین‌المللی به‌دنبال جایگزینی شن یا مواد دانه‌دانه غیر قابل اشتعال در مکان‌هایی است که در آن کمبود شن وجود دارد. ارونن می‌گوید: «ایده این است که به اطراف نگاه کنیم و ماده مناسب محلی را پیدا کنیم: برای مثال می‌توانیم محصولات فرعی فرایندهای صنعتی را آزمایش کنیم و ببینیم که آیا می‌توانیم از آن‌ها استفاده کنیم.»

پاسی نیز همچون ناسکالی بر این باور است که که بزرگ‌ترین پتانیسل باتری شنی استفاده صنعتی است و می‌افزاید: «برای مثال، برخی از صنایع برای خشک کردن چیزی به هوای بسیار گرم ۳۰۰ درجه سانتیگراد نیاز دارند. ما اکنون به‌دنبال همکاری با شرکت‌های صنعتی در منطقه کانکانپه هستیم که از برق برای تولید گرما استفاده می‌کنند. داشتن باتری شنی که بتواند در طول شب شارژ شود، به آن‌ها انعطاف‌پذیری می‌دهد و از آن‌ها دربرابر نوسان قیمت محافظت می‌کند.» مهندسان جوان فنلاندی با اشاره به دمای شدید، خشکسالی و آتش‌سوزی که جهان را فراگرفته است، می‌گویند این فرصت را نداریم که منتظر بمانیم تا فناوری‌های جدیدی ایجاد شوند. کیویویا می‌گوید: «باید هم اکنون برای پرهیز از بحران اقلیمی تصمیمات شجاعانه‌ای بگیریم.»

کیویویا می‌گوید: «فشار زیادی روی ما دانشمندان و مهندسان برای حل کردن مشکل تغییرات اقلیمی وجود دارد. من درست مانند زمانی که در مسابقات پرتاب دیسک شرکت می کردم، این فشار را به انگیزه تبدیل می‌کنم. وقتی در زمین قرار دارید و برای پرتاب بعدی آماده می‌شوید، نمی‌توانید تحت فشار حرکتی نکنید. من همین نگرش را به کار خودم می‌آورم»

ارونن می‌گوید راه‌اندازی شرکت کمی شبیه رقابت در ورزش است: شما می‌خواهید برنده شوید. او به همراه ایلونن برای شرکت در کنفرانس انرژی که سال ۲۰۱۸ در هلسینکی برگزار شد، ۱۷۰ کیلومتر را از منزل خود تا تامپره دوچرخه‌سواری کردند. او می‌گوید: «همه شرکت‌کنندگان دیگر با اتومبیل یا هواپیما رسیدند. این مسئله موجب شد به این فکر کنیم ما واقعاً باید تأثیری داشته باشیم.»