باتری گرانشی؛ چگونه می‌توان باکمک جاذبه بزرگترین مشکل منابع تجدیدپذیر را حل کرد؟

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. باتری‌های 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 باتری‌ها 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 باتری‌ها 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:

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 باتری‌‌های 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.

تصویری رندرشده از برج ذخیره‌‌سازی انرژی والت؛ بنابر ادعای شرکت، پس از 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.

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 باتری‌‌ها 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.

با این حال، وی معتقد است که ساخت هرگونه سیستم پیچیده بسیار مرتفع کار چندان ساده‌‌ای نخواهد بود. او می‌افزاید: «درصورت عدم طراحی صحیح، ضعف هر کدام از قطعات سیستم می‌‌تواند به خرابی کل سامانه منجر شود.»

سایر روش‌‌های ذخیره‌‌سازی انرژی پاک

پیش‌تر گفتیم باتری‌‌های لیتیوم‌‌یون می‌‌توانند انرژی موردنیاز گوشی‌‌های هوشمند و خودروهای الکتریکی را تأمین کنند ولی عملکرد آن‌‌ها برای تأمین برق شبکه کافی نیست. در ساختار این باتری‌‌ها از فلزات کمیاب استفاده می‌‌شود؛ به‌علاوه، عملکرد این نوع تجهیزات در طول زمان با افت مواجه می‌‌شود و همچنین احتمال وقوع آتش‌‌سوزی در حین کارکردشان وجود دارد.

امروزه بسیاری از شرکت‌‌های فعال در عرصه‌‌ی ذخیره‌‌سازی انرژی تلاش خود را معطوف ساخت باتری‌‌هایی با هزینه‌‌ای کمتر نسبت‌‌به باتری‌‌های لیتیومی کرده‌‌اند. باتری‌‌های لیتیوم‌‌یون به‌‌دلیل چگالی انرژی بالا و ظرفیت الکتروشیمیایی قابل‌‌ملاحظه توانسته‌‌اند بازار مناسبی را در تجهیزات کوچک نظیر گوشی‌‌های همراه و خودروها دست‌وپا کنند. اما در صنایع بزرگی مانند شبکه‌‌ی برق، ابعاد تجهیزات اهمیت چندانی ندارد. این بدان معنا است که فعالان این عرصه ترجیح می‌‌دهند از تجهیزاتی با بازدهی کم‌‌تر ولی در عوض ارزان‌‌تر استفاده کنند. برای مثال در باتری‌‌های جریانی، واکنشگرهای شیمیایی درون مخازن بیرونی ذخیره می‌‌شوند. بدین‌‌ترتیب، تنها محدودیت پیش‌‌رو در ظرفیت نهایی چنین باتری‌‌هایی، ابعاد مخازن قابل‌‌ساخت  و مساحت اراضی دردسترس خواهد بود.

استارتاپ ESS از ایالت اورگان ایالات متحده نوعی باتری طراحی کرده است که انرژی خود را از کلریدآهن تأمین می‌‌کند. استارتاپ‌‌های دیگری نظیر NantEnergy و Eos نیز باتری‌‌هایی مبتنی بر فلز روی طراحی کرده‌‌اند.

کارمندان استارتاپ Malta در حال کار روی مدل سه‌‌بعدی از فناوری ذخیره‌‌سازی انرژی حرارتی با استفاده از نمک

Malta نام استارتاپ دیگری در حوزه‌‌ی صنایع ذخیره‌‌سازی انرژی است که از زیرمجموعه‌‌های شرکت آلفابت (Alphabet) به شمار می‌‌آید. سامانه‌‌ی ذخیره‌سازی انرژی ابداعی این شرکت از نمک به‌‌عنوان عنصر کلیدی طراحی خود استفاده می‌‌کند. در این سامانه که ابعادی به‌‌اندازه‌‌ی یک نیروگاه برق خواهد داشت، انرژی الکتریکی مازاد شبکه یا منابع تجدیدپذیر به‌‌کمک یک پمپ الکتریکی تبدیل به انرژی حرارتی می‌‌شود. بدین‌‌ترتیب، انرژی برق برای مذاب‌‌کردن یک نمک (متشکل از سدیم نیترات و پتاسیم نیترات) در دمایی حدود ۱۰۰ درجه‌‌ی سانتی‌‌گراد و نیز خنک‌‌سازی مایعی مانند ضدیخ به‌‌کار گرفته می‌‌شود. در مواقع نیاز به انرژی برق، سامانه به‌‌صورت معکوس عمل کرده و  بااستفاد از هوای سرد و گرم، فرایند تولید تولید بخار موردنیاز برای راه‌‌اندازی یک توربین را آغاز خواهد کرد.

سازوکار علمی این سامانه کاملا اثبات‌‌شده است ولی هنوز نمی‌‌توان درمورد اقتصادی‌‌بودن آن به‌‌عنوان روشی برای تولید برق اظهارنظر کرد. Malta می‌‌گوید فرایند و مواد مورد استفاده در این طراحی کاملا بهینه‌‌سازی شده‌‌اند و با اطمینان از قدرت رقابت‌‌پذیری این سیستم در آینده‌‌ی نزدیک خبر می‌‌دهد. این شرکت مدعی است که باتری‌‌های یادشده قادر به تأمین انرژی الکتریکی برای مدت ۶ ساعت خواهند بود و عمر مفید کل سامانه به بیش‌‌از ۲۰ سال خواهد رسید. چنین دستاوردی می‌‌تواند به‌‌منزله‌‌ی یک برتری آشکار درمقایسه با عمر کوتاه باتری‌‌های لیتومی تلقی شود.

نمایی از تأسیسات شرکت هیدروستور (Hydrostor) در گودریچ از ایالت اُنتاریو کانادا؛ ایده‌‌ی این شرکت کانادایی، استفاده از هوای فشرده برای ذخیره‌‌سازی انرژی الکتریکی است.

یکی از راه‌‌های دیگر برای ذخیره‌‌سازی انرژی الکتریکی، استفاده از هوای فشرده است.؛ اما این روش تاکنون نتوانسته توجیه اقتصادی پیدا کند. با این حال، استارتاپ کانادایی هیدروستور (Hydrostor) امیدوار است بتواند اوضاع را تغییر دهد.

بنابر طرح پیشنهادی هیدروستور، زمانی‌که تقاضا برای مصرف برق پایین باشد، انرژی الکتریکی مازاد تولیدی از منابع خورشیدی و بادی برای راه‌‌اندازی یک کمپرسور استفاده می‌‌شود. هوای فشرده‌‌ی خروجی در یک مخزن زیرزمینی ذخیره می‌‌شود که ساخت آن هزینه‌‌ی به‌‌مراتب کم‌‌تری نسبت‌‌به مخازن تحت‌‌فشار روی زمین خواهد داشت. برای آن‌‌که بتوان از این هوای فشرده برای راه‌‌اندازی یک توربین استفاده کرد، ابتدا نیاز است آن را گرم و درنتیجه منبسط کرد. هیدروستور حرارت لازم در این مرحله را از بازیافت گرمای تولیدشده در مرحله‌‌ی فشرده‌‌سازی هوا تأمین می‌‌کند که این امر بازدهی کل فرایند را تاحد قابل‌‌توجهی افزایش می‌‌دهد.

از سوی دیگر، دهه‌‌هاست که دانشمندان در حال کار روی هیدروژن (فراوان‌‌ترین عنصر جهان) هستند تا بتواند از آن به‌‌عنوان سوختی پاک بهره‌‌برداری کنند؛ اما بازدهی روش‌‌های فعلی هنوز به اندازه‌‌ی باتری‌‌های شیمیایی نیست. سازوکار بیش‌‌تر طرح‌‌های پیشنهادی شامل تجهیزی به‌نام الکترولیزر است که می‌‌تواند با مصرف برق و تجزیه‌‌ی مولکول‌‌های آب به عناصر هیدروژن و اکسیژن و جداسازی آن‌‌ها، گاز هیدروژن موردنیاز برای به‌‌کارانداختن سلول‌‌های سوختی را فراهم کند. این سلول‌‌ها می‌‌توانند درصورت لزوم، با ترکیب دوباره‌ی عناصر هیدروژن و اکسیژن، انرژی الکتریکی موردنیاز مصرف‌‌کنندگان را تأمین کنند. چنانچه انرژی الکتریکی اولیه‌‌ی مورداستفاده در فرایند الکترولیز از منابعی تجدیدپذیر (نظیر توربین‌‌های بادی یا سلول‌‌های خورشیدی) تأمین شده باشد، می‌‌توان انرژی خروجی از سلول‌‌های سوختی را نیز منبعی پاک تلقی کرد.

پژوهشگران همچنان تلاش می‌‌کنند هزینه‌‌های استفاده از این روش ذخیره‌‌سازی انرژی را کاهش دهند. به‌‌عنوان نمونه‌‌ای از تلاش‌‌های اخیر، می‌‌توان به دستاورد مهندسان در ذخیره‌‌سازی مقادیر بالای انرژی بادی در جزایر بادخیز اورکنی بریتانیا اشاره کرد. در این پروژه که باحمایت اتحادیه‌‌ی اروپا در حال انجام است، از سلول‌‌های سوختی برای ذخیره‌‌سازی انرژی بادی و انرژی حاصل از امواج دریا استفاده می‌‌شود.