منابع نوآورانه جایگزین سوخت فسیلی کدامند؟

به گزارش خبرگزاری علم و فناوری آنا، کشف قدرت دگرگون کننده انرژی‌های تجدیدپذیر، سنگ بنای یک آینده پایدار است. کسب و کار‌ها در سطح جهانی در حال تغییر استراتژیک به سمت انرژی‌های تجدیدپذیر هستند، حرکتی که نه تنها به دلیل نگرانی‌های زیست محیطی بلکه به دلیل مزایای اقتصادی که ارائه می‌دهد، دیکته می‌شود.

روش‌های مهمی مانند «دیجیتالی شدن» که عملیات‌های ساده و پربازده را تسهیل می‌کند و «ادغام‌های کارآمد انرژی» که برای مقابله با چالش‌های متناوب در تولید انرژی تجدیدپذیر طراحی شده اند به آینده انرژی سبز نیرو می‌دهند.

در این گزارش منابع نوآورانه انرژی تجدیدپذیر را کشف خواهید کرد که از نظر اقتصادی مقرون به صرفه هستند. در حالی که انرژی خورشیدی، بادی و برق‌آبی همچنان به پیشبرد این صنعت انرژی ادامه می‌دهند، حوزه‌های نوظهوری مانند هیدروژن سبز، نتیجه سال‌ها تحقیقات بر روی انرژی‌های تجدیدپذیر را عرضه می‌کنند.

علاوه بر این، اشکال انرژی آب‌های بکر مانند جریان جزر و مد، موج و اقیانوس، راه‌های جدیدی را در بخش انرژی‌های تجدیدپذیر باز می‌کنند و نویدبخش راه حل‌های بی سابقه انرژی سبز برای فردا هستند. 

فناوری‌های یکپارچه سازی شبکه، ضمن کاهش تلفات انتقال، شبکه را به طور موثر پایدار می‌کند. این فناوری‌ها استفاده از منابع خارج از شبکه مانند سوخت‌های زیستی، بادی و انرژی آبی را حتی زمانی که دور از مراکز تقاضا قرار دارند، بهینه می‌کنند. علاوه بر این، هیدروژن سبز نقش دوگانه‌ای ایفا می‌کند: توان به دست آمده از انرژی‌های تجدیدپذیر را ذخیره و به برق رسانی کمک می‌کند. در همین حال، انرژی زیستی به دلیل ماهیت غیرمتمرکزش، جایگاه خود را به عنوان یک انتخاب مطلوب حفظ می‌کند.

شایان ذکر است شرکت‌های استارت‌آپ و اسکیل آپ بسیاری عمدتاً در اروپای غربی، آمریکا و هند در حوزه انرژی‌های تجدیدپذیر فعالیت دارند.

در این گزارش با ۱۰ روند مهم انرژی‌های تجدیدپذیر آشنا می‌شویم:

فتوولتائیک پیشرفته 

شرکت‌های انرژی خورشیدی در حال ادغام سیستم‌های فوتوولتاییک (PV) با هر جنبه‌ای از محیط اطراف خود هستند و در عین حال نیاز به استفاده اضافی از زمین را به حداقل می‌رسانند. در نتیجه، PV یکپارچه، فوتوولتاییک شناور و فوتوولتاییک کشاورزی، تغییرات منطقی در روند قلمداد می‌شوند. علاوه بر این، دانش بنیان‌ها در حال توسعه سلول‌های پلاستیکی نازکی هستند تا پنل‌های خورشیدی را انعطاف پذیر، مقرون به صرفه، سبک وزن و سازگار با محیط زیست کنند.

برای بهبود عملکرد PV، شرکت‌های نوظهور در حال ابداع فناوری‌هایی برای متمرکز کردن انرژی خورشیدی با استفاده از آینه‌ها و عدسی‌ها هستند. نوآوری در مواد PV، مانند استفاده از پروسکایت، تبدیل انرژی را چندین برابر افزایش می‌دهد. این نوآوری‌ها بیشتر با طرح‌های فتوولتائیک همراه هستند که حداکثر کارایی و بهره وری بالا را ممکن می‌سازند.

آنها با هم، پایداری را از طریق بازیافت، حداقل استفاده از منابع و استفاده از مواد جایگزین ترویج می‌کنند.

هوش مصنوعی و داده‌های بزرگ

شبکه انرژی یکی از پیچیده‌ترین زیرساخت‌هاست و نیاز به تصمیم گیری سریع بلادرنگ دارد که داده‌های بزرگ و الگوریتم‌های هوش مصنوعی این امکان را برای شرکت‌ها فراهم می‌کنند. فراتر از تجزیه و تحلیل و مدیریت شبکه، کاربرد‌های هوش مصنوعی در بخش انرژی‌های تجدیدپذیر شامل پیش بینی مصرف انرژی و نگهداری پیش‌گویانه منابع انرژی تجدیدپذیر است.

همچنین، هوش مصنوعی برنامه‌های اینترنت اشیاء را قادر می‌سازد که سطوح ظرفیت شبکه را پیش بینی کنند و معاملات و قیمت گذاری مستقل مبتنی بر زمان را انجام دهند. با نوآوری‌ها در محاسبات ابری، نیروگاه‌های مجازی (VPP) تولید برق از خدمات شهری را تکمیل می‌کنند. علاوه بر این، شرکت‌های دانش بنیان از تجزیه و تحلیل داده‌ها و یادگیری ماشینی برای طراحی مدل انرژی‌های تجدیدپذیر و تجزیه و تحلیل عملکرد بهره می‌برند.

سیستم ذخیره انرژی توزیع شده (DESS)

این سیستم، تولید و ذخیره انرژی تجدیدپذیر را محلی و بر بی نظمی در تولید غلبه می‌کند. بر اساس نیاز‌های اقتصادی و سایر الزامات، شرکت‌های دانش‌بنیان طیف وسیعی از راه حل‌های باتری و بدون باتری را ارائه می‌دهند. مثلاً، باتری‌های جریان، از انرژی کم و ثابت استفاده می‌کنند، در حالی که باتری‌های حالت جامد سبک وزن هستند و چگالی انرژی بالایی ارائه می‌دهند. برای کاربرد‌هایی که به انرژی زیاد نیاز دارند، در مدت زمان کوتاهی از خازن‌ها و ابرخازن‌ها نیز استفاده می‌شود.

با توجه به نگرانی‌های مربوط به تخلیه، ایمنی و آلودگی زیست محیطی، استارت آپ‌ها در حال ابداع جایگزین‌های ذخیره‌سازی بدون باتری مانند فناوری‌های آبی پمپ شده و هوای فشرده هستند. از سوی دیگر، انرژی مازاد از طریق فناوری مسیر‌های تبدیل برق (P۲X) به اشکال دیگر انرژی مانند گرما یا متان برای ذخیره سازی و تبدیل مجدد، تبدیل می‌شود.

 برق‌آبی

انرژی آبی انرژی حاصل از حرکت آب است. بر خلاف خورشید و باد، انرژی آبی قابل پیش بینی و در نتیجه قابل اعتمادتر است. علاوه بر این، سد‌های برق آبی و همچنین انرژی مبتنی بر اقیانوس که از جزر و مد، جریان‌ها و امواج به دست می‌آید، چگالی انرژی بالایی را ارائه داده و در عین حال وابستگی به منابع معمولی را کاهش می‌دهد.

نوآوری‌ها در این منابع تجدیدپذیر بر مبدل‌های انرژی و بهبود اجزا برای برداشت بیشتر انرژی، متمرکز است. در داخل نیروگاه‌های آبی، سد‌های برق‌آبی در مقیاس کوچک و سد‌های جزر و مدی، تولید انرژی غیرمتمرکز را امکان پذیر می‌کنند. در تبدیل انرژی حرارتی اقیانوس (OETC)، انرژی از طریق گرادیان حرارتی ایجاد شده بین سطح و عمق آب مهار می‌شود.

برخی شرکت‌های دانش‌بنیان نیز از شیب شوری ایجاد شده به دلیل اختلاف فشار اسمزی بین آب دریا و رودخانه، برای تولید انرژی استفاده می‌کنند.

انرژی باد

اگرچه باد یکی از قدیمی‌ترین منابع انرژی است، اما ماهیت تکاملی سریع این نوع انرژی، آن را به یکی از روند‌های اصلی تولید برق تبدیل کرده است. استارت آپ‌ها در حال ابداع توربین‌های بادی دریایی و هوایی هستند تا تقاضا برای انرژی بادی زمینی را کاهش دهند. نوآوری‌ها در این زمینه اغلب با سایر منابع انرژی مانند توربین‌های بادی شناور، انرژی خورشیدی یا جزر و مد ادغام می‌شوند.

برای افزایش کارایی، پیشرفت‌های مداومی در طراحی‌های آیرودینامیکی تیغه‌ها صورت گرفته است. استارت‌آپ‌ها همچنین ژنراتور‌ها و توربین‌های کارآمدی را برای تبدیل انرژی بالا تولید می‌کنند. پایداری مواد تیغه یکی از چالش‌های این صنعت است که دانش بنیان‌ها برای مقابه به آن در حال توسعه فناوری‌های بدون تیغه و مواد ترموپلاستیک قابل بازیافت برای تولید تیغه‌ها هستند.

انرژی زیستی

انرژی زیستی (بیوانرژی) نوعی انرژی تجدیدپذیر است که از منابع زیست توده به دست می‌آید. سوخت‌های زیستی مایع با کیفیت قابل مقایسه با بنزین مستقیما برای استفاده در وسایل نقلیه مخلوط می‌شوند. برای دستیابی به این کیفیت، شرکت ها، فرآیند‌های سوخت زیستی را بهبود بخشیده و روش‌ها را ارتقا می‌دهند. اکثر فرآیند‌های تبدیل سوخت زیستی مانند مایع سازی هیدروترمال (HTL)، تجزیه در اثر حرارت، فناوری پلاسما، پودر شدن و تبدیل گازی، از تبدیل حرارتی برای به دست آوردن سوخت‌های زیستی استفاده می‌کنند.

علاوه بر این، شیوه‌های ارتقا مانند جداسازی برودتی، هیدرات و جداسازی غشایی برای حذف محتوای گوگرد و نیتروژن استفاده می‌شود. به طور مشابه، فرآیند تخمیر، بیواتانول تولید می‌کند که به راحتی می‌تواند مستقیما با بنزین مخلوط شود. تخمیر همچنین توانایی تبدیل ضایعات، غلات غذایی و گیاهان را به اتانول زیستی دارد و در نتیجه تنوع مواد اولیه را فراهم می‌کند.

مواد اولیه با انرژی متراکم منجر به افزایش کیفیت سوخت می‌شود. به همین دلیل، استارت آپ‌ها و شرکت‌های بزرگ، مواد اولیه جلبکی و میکروجلبکی را برای استفاده در فرآیند‌های تبدیل فوق در نظر می‌گیرند.

یکپارچه سازی شبکه

فناوری‌های یکپارچه سازی شبکه در درجه اول شامل انتقال، توزیع و تثبیت انرژی‌های تجدیدپذیر است. نیروگاه‌های بزرگ تولید انرژی تجدیدپذیر، اغلب از مراکز تقاضا فاصله زیادی دارند که منجر به تلفات انتقال و توزیع می‌شود. برای غلبه بر این مشکل، فناوری‌های الکترونیکی شبکه‌ای با کارآمدی انرژی، مانند نیمه رسانا‌های نیترید گالیوم (GaN) و کاربید سیلیکون (SiC) مورد استفاده قرار می‌گیرند.

چالش فرکانس و نوسانات ولتاژ به دلیل تولید انرژی تجدیدپذیر متغیر، از طریق راه حل‌های مبتنی بر میکروکنترلر حل می‌شود. با وجود این فناوری‌ها، تثبیت شبکه به دلیل مصرف متناوب انرژی یک چالش بزرگ است. فناوری خودرو به شبکه (V۲G) به تثبیت شبکه در ساعات اوج مصرف کمک می‌کند در حالی که راه حل‌های شبکه به خودرو (G۲V) از خودرو به عنوان یک واحد ذخیره سازی استفاده می‌کنند. در نتیجه، هم صنعت انرژی و هم صنعت حمل و نقل سود می‌برند.

هیدروژن سبز

گاز هیدروژن دارای بالاترین چگالی انرژی در بین تمام سوخت‌ها است و تقریباً هیچ گاز گاخانه‌ای تولید نمی‌کند. با این حال، بیشتر هیدروژن از منابع تجدید ناپذیر و به شکل هیدروژن خاکستری و قهوه‌ای به دست می‌آید. در دهه گذشته، تحولات در انرژی‌های تجدیدپذیر و پیل‌های سوختی، زمینه برای هیدروژن سبز فراهم شده است.

اگرچه سوخت پاکی است، اما با مشکلاتی در کارایی تبدیل انرژی کم پیل‌های سوختی و همچنین چالش‌های حمل و نقل نیز دست و پنجه نرم می‌کند. به همین دلایل، پیشرفت در حوزه هیدروژن سبز بر بهبود ذخیره سازی، حمل و نقل و توزیع هیدروژن تمرکز دارد.

رباتیک پیشرفته

کارایی تولید و فرآیند، یک مانع بزرگ در بهره برداری از انرژی‌های تجدیدپذیر است. رباتیک دقت و استفاده بهینه از منابع را برای غلبه بر این چالش امکان پذیر می‌کند. مثلاً پنل‌های خورشیدی خودکار برای به حداکثر رساندن تبدیل انرژی تغییر جهت می دهند. اتوماسیون تجهیزات نیز فرآیند‌های تعمیر و نگهداری را تسریع می‌کند و در عین حال نیاز به کار انسانی را کاهش می‌دهد.

بازرسی هواپیما‌های بدون سرنشین و عملیات و تعمیر و نگهداری خودکار مبتنی بر رباتیک (O&M) کار‌های تکراری خطرناک را انجام می‌دهد و در نتیجه ایمنی و بهره وری را بهبود می‌بخشد. نمونه‌ای از این مورد استفاده از هواپیما‌های بدون سرنشین مبتنی بر تصویربرداری اولتراسونیک آرایه فازی برای تشخیص سریع آسیب‌های داخلی یا خارجی در توربین‌های بادی بزرگ است. پهپاد‌ها نیز امکان ایجاد دوقلو‌های دیجیتال و نقشه‌های سه بعدی را با استفاده از داده‌های مختلف فراهم می‌کنند.

بلاک چین

استارت آپ‌های انرژی از فناوری بلاک چین برای پیشبرد تراکنش‌های قابل اعتماد در بخش انرژی‌های تجدیدپذیر استفاده می‌کنند. مثلا قرارداد‌های هوشمند، تجارت برق همتا به همتا (P۲P) را برای انرژی تعاملی، پیش می‌برند. شبکه‌ها در برابر تهدیدات سایبری آسیب پذیر هستند و بلاک چین برای رمزگذاری داده‌های مرتبط با عملیات شبکه و نظارت استفاده می‌شود.

بلاک چین با رمزگذاری داده‌ها، تراکنش‌های دیجیتال را تسهیل می‌کند. ارائه دهندگان انرژی‌های تجدیدپذیر نیز از بلاک چین برای ردیابی زنجیره نگهداری مواد شبکه استفاده می‌کنند. علاوه بر این، به تنظیم کنندگان اجازه می‌دهد تا به راحتی به داده‌ها برای انطباق با مقررات دسترسی داشته باشند.

علاوه بر این، ذی‌نفعان از تمام مزایای شفافیت و پاسخگویی که بلاک چین ارائه می‌دهد بهره مند می‌شوند.