ذخیره انرژی، راهکاری برای آینده

نیروی برق از هر جهت انرژی ایده آلی است، اما از یک جنبه، نقطه ضعف بزرگی دارد. راه های مختلفی برای تولید و استفاده از این انرژی وجود دارد و انتقال آن ساده، موثر و مقرون به صرفه است؛ حتی در مسافت های طولانی، اما ذخیره آن قدر هزینه در پی دارد که تقریبا می توان گفت نشدنی است.

با این حال با دست اندازی به دامان مهندسی، قادر خواهیم بود روش های هوشمندانه ای برای ذخیره این انرژی پاک پیدا کنیم.

اکنون برای ذخیره اقتصادی انرژی برق در مقیاس شبکه ای، ابتدا باید آن را به شکلی غیرالکتریکی درآوریم: انرژی جنبشی (مبنای کاری چرخ لنگر، چرخی سنگین در موتور که حرکت مداوم و نرم آن را یاری می کند)، پتانسیل گرانشی (که متضمن نیروگاه های آبی پمپی است)، انرژی شیمیایی (مکانیسم کاربردی در تولید باتری)، انرژی پتانسیل کشایی مواد لاستیکی یا پتانسیل گاز فشرده (مانند انرژی ذخیره هوایی)، یا گرمای خالص، اما در هر مورد درصد قابل توجهی از انرژی هنگام تبدیل برای ذخیره یا بعدها موقع بازیابی آن از دست می رود.

اگر ذخیره انرژی را کاملا با تولید آن یکی کنیم چه؟ در آن صورت نیاز به مخارج گزاف تجهیزات تبدیل نیرو و ذخیره برق و بازیابی آن، همچنین تمام ضررهای ناشی از این تبدیل دوسویه حذف خواهد شد. به نظر، یکی از جذاب ترین ایده ها این است که ذخیره سازی را با نیروی تولیدی باد ادغام کنیم.

اما ابتدا طرح های موجود این ادغام را از نظر خواهیم گذراند. نیروی طبیعی آبی بهترین نمونه ممکن است. این انرژی از بارش باران حاصل می شود که آب را از سطح دریا جدا کرده، به رودخانه ها تزریق و در نهایت خزانه آبی بزرگ واقع در پشت سد را تغذیه می کند. این انرژی هرگاه لازم باشد به نیروی برق تبدیل خواهد شد، نه هر موقع که باران ببارد. یکی از نمونه های عالی، نیروگاه آبی ۱۴ گیگاواتی ایتاپو در برزیل و پاراگوئه است که سال پیش رکورد ۹۸.۶ تراوات در ساعت تولید انرژی را به جا گذاشت؛ مقداری که برای تامین نیروی برق برزیل به مدت بیش از دو ماه و نیم کفایت می کرد.

فرض بگیریم بالای برکه ای، ذخیره ای قابل توجه، شامل یک میلیون تن آب به ارتفاع ۴۲۰ متر داریم. از آن ذخیره می توانیم ساعتی یک گیگاوات انرژی برق استخراج کنیم؛ چه همین امروز به آن دست ببریم، چه یکی دو هفته دیگر اقدام کنیم. بازده موثر که در این مورد حدود صد در صد است، مبنای مقیاس بین مقدار انرژی است که در صورت استفاده فوری حاصل می شود و مقداری که پس از مدتی انتظار به دست خواهد آمد.

متمرکز کردن نیروی خورشیدی، وسیله خوش آتیه دیگری برای تولید و ذخیره است. به عنوان مثال، نیروگاه خورشیدی آنداسول در اسپانیا، نور خورشید را در قالب گرما جذب کرده، با آن ایجاد بخار می کند تا توربین ها را به چرخش درآورد. این امکان وجود دارد که با ذخیره گرما در مخازن بزرگ نمک مذاب، انرژی را در غیاب نور خورشید هم داشت. در این مورد نیز بازده موثر بشدت بالاست و مقدار کم انرژی هدر شده از طریق نشت گرما و محدودیت توربین ها، فارغ از ذخیره کردن یا نکردن گرمای خورشید در مخازن نمکی یکسان است.

پال برگان، مدیر فنی شرکت نست (Nest) از کشور نروژ حتی امکان ادغام نیروی هسته ای با ذخیره انرژی را دور از ذهن نمی داند. شرکت وی در حال ساخت ذخایر انرژی حرارتی برای راکتورهای هسته ای، همچنین نیروگاه های خورشیدی، بادی و سوخت فسیلی است. ایده وی زمینه ای را فراهم خواهد آورد تا راکتورهای هسته ای بی وقفه به کار ادامه دهند و در عین حال از انرژی ذخیره برای تشدید یا تقلیل فعالیت ژنراتورها بنا به نیاز استفاده شود؛ موضوعی که در راکتورهای هسته ای فعلی با کاهش یا افزایش فعالیت هسته ای در رآکتورها، دردسرهای فنی بی شماری به وجود می آورد.

یکی از راه های ادغام ذخیره انرژی با نیروی باد، استفاده از توربین های بادی به منظور پمپاژ آب به سربالایی است. این شگرد سالیان سال است در آسیاب های بادی به کار رفته و امروزه نیز آسیاب های مزرعه ای بسیاری (که به پمپ بادی هم آنها را می شناسند) فعالیت می کنند. از آنجا که مکش آب از بالا، بیشتر از ده متر کارساز نیست (به خاطر کمبود فشار جوی)، باید آب از پایین بادکش شود. برای مثال اگر قصد دارید آب را در آب انباری در ارتفاعات کوه ذخیره کنید (که بهترین محل برای توربین های بادی است)، شانستان ته می کشد.

طرح جزیره انرژی از سوی DNV Kema (اکنون موسوم بهDNV GL) فرصتی نوین به ایده ادغام پمپ آبی و نیروگاه بادی می بخشد. در این طرح توربین های بادی در جزیره مصنوعی حلقه ای شکلی قرار گرفته، آب را از یک خزانه آب نمک پمپاژ می کنند. زمانی هم که باد نوزد، دریچه های آبی باز شده، از آب ورودی برای تولید برق استفاده می شود.

از آنجا که عمق آب در مخزن حدود ۴۰ متر زیر سطح دریاست، محرکی مکانیکی که متصل به توربین بادی و متکی به پایه برج هاست، برای راه اندازی پمپ ها به کار می رود. اطلاعات حاکی است بلژیک قصد ساخت چنین کارخانه تولید برقی را دارد.

به نظر تنها راه منطقی دیگر برای ادغام باد با ذخیره انرژی، فشرده سازی گاز است. دفاتر اداره ثبت اختراعات سرشار از پیشنهادهایی برای جای دادن کمپرسورهای متداول داخل اتاق دوربین های بادی است. مشکل اینجاست که توربین های بادی اصولا خیلی کند بوده، در حالی که کمپرسورها سرعت گردش محوری بالایی دارند. بنابراین عملی کردن چنین ایده ای، مثل این است که برای شخم زدن زمین، به اسب مسابقه کلنگ ببندیم.

شیمِس گاروی، پروفسور علم دینامیک و سرپرست گروه تحقیقات مکانیک، مواد و ساختار در دانشگاه ناتینگهام انگلستان ـ که نویسنده اصلی این مقاله نیز است ـ چند سال پیش راهکاری را در این زمینه ارائه داده است. او ایده یک توربین بادی دریایی را ارائه کرد که با ذخیره مستقیم انرژی سازگاری دارد. این طرح شامل برج هایی با محور افقی، هرکدام با یک دواره هشت تیغه سوار بر یک پایه چهاروجهی شناور بود. (استفاده از توربین های متداول نازک پیکر ممکن نبود، زیرا حرکت طبیعی مرکز ثقل دواره برج را تخریب می کرد.) با چرخش دواره، پیستون های عظیم درون تیغه ها بالا کشیده و بعد رها می شدند و در این فرآیند انرژی پتانسیل جاذبه ای را که جذب کرده بودند، آزاد می کردند.

دانه های پلاستیکی را تجسم کنید که برای تزئین به پره های چرخ دوچرخه وصل می کنند. اگر دوچرخه سوار آرام پدال بزند، دانه ها اول به سمت لاستیک و با چرخش چرخ به مرکز رانده می شوند و این روند گردونه ای ادامه خواهد داشت. در روندی مشابه، همچنان که پیستون های درون تیغه های توربین به بالا و پایین حرکت می کند، هوای فشرده ایجاد و زیر آب ذخیره می شود.

یکی از چالش های پیش روی این طرح، نیاز به توربین های عظیمی با قطری حدود ۲۵۰ متر است. چرا آنقدر عظیم؟ زیرا نیروی جاذبه باید نقش پررنگ تری نسبت به شتاب سانتریفیوژی نوک تیغه ها داشته باشد و هر چه قطر تیغه ها بیشتر، شتاب سانتریفیوژی کمتر خواهد بود. چالش دیگر به دیگر اجزای لازم سیستم برای ارسال انرژی به زمین است. نیاز به بسط دهنده های توربو، مخزن های هوای فشار قوی و مخزن های حرارتی وجود دارد. با همه این احوال، فناوری های روزآمد برای ذخیره هوای فشار قوی زیر آب دارد نقل محافل می شود.

با توجه به این چالش ها، گاروی طرحی تازه تر و اقتصادی تر برای ادغام نیروی باد (چه زمینی و چه غیرزمینی) با ذخیره هوای فشرده رو کرد. این طرح مشتمل بر استفاده از چند توربین بادی می شود که گروهی فعالیت، هر کدام کمپرسور داخلی خاص خود را هدایت و سر جمع یک مجموعه ژنراتور را تغذیه می کنند.

اسم این طرح WIND TP، مخفف wind driven thermal pumping یا پمپاژ حرارتی با نیروی محرکه باد است. در این نمونه، گاز فشرده شده در مداری بسته می چرخد. نیمی از مدار کم فشار (حدود دو میلیون پاسکال یا ۲۰ برابر فشار جوی) و نیمی دیگر پرفشار (حدود ۵۰ میلیون پاسکال) است. اگر نیاز به ذخیره انرژی نبود، کمپرسور گاز را از سمت کم فشار چلانده و به سمت پرفشار هدایت می کند. سپس بسط دهنده و ژنراتور گاز پرفشار را به قسمت کم فشار هدایت می کنند. گاز در حالت انقباض داغ و در حالت انبساط سرد می شود. در نتیجه حرارت قسمت پرفشار به ۱۸۰ درجه و قسمت کم فشار به ۱۰۰ـ درجه سانتی گراد می رسد.

برای ذخیره انرژی، دستگاه گرما را از گاز قسمت پرفشار پیش از رسیدن به بسط دهنده جدا می کند و سپس گرما در بستری از سنگ یا شیشه ذخیره می شود. در قسمت کم فشار نیز پیش از رسیدن به کمپرسور، سرمای گاز صرف خنک کردن بخشی دیگر از مواد می شود. برای استفاده از انرژی ذخیره باید عکس فرآیند را اعمال کرد؛ گرمای ذخیره شده پس از انقباض و سرمای ذخیره شده نیز پیش از انبساط به گاز تزریق می شود.

چنین دستگاهی بازده بسیار مناسبی ـ بیش از ۸۵ درصد ـ خواهد داشت که نسبت به بازده ۷۰ درصدی نمونه های مشابه و خرج بالایشان، گزینه خیلی خوبی به شمار می رود. این که طرح تا چه حد موفق خواهد بود، فقط به زمان نیاز دارد. امر بدیهی در زمان حاضر این است که همه دنبال کشف یا فراهم سازی منابع بی وقفه انرژی با کمترین میزان آلاینده ها هستند.

همچنان که به منابع متناوب انرژی قابل بازیافت افزوده می شود، چالش برقراری تعادل بین عرضه و تقاضا نیز افزایش خواهد یافت. در نتیجه تدارکات لازم برای ذخیره این انرژی ها به جزئی اساسی از شبکه های برق تبدیل خواهد شد. با توجه به مقیاس عظیم انرژی لازم به ذخیره، نیاز مبرمی به راه های جدید ذخیره احساس می شود.