شن، انرژی خورشید را برای شب ذخیره می‌کند

به گزارش خبرگزاری آنا؛ تصور کنید انرژی خورشید در میانه روز، به جای آنکه مستقیما به برق قابل مصرف تبدیل و سپس در یک باتری الکتروشیمیایی ذخیره شود، به گرما تبدیل شود؛ گرمایی که در ماده‌ای جامد مانند شن ذخیره می‌شود و ساعت‌ها بعد دوباره برای تولید برق یا تأمین گرما به کار می‌رود. این ایده در ظاهر ساده است، اما پشت آن یکی از مسیر‌های مورد توجه برای حل مسئله ذخیره‌سازی طولانی‌مدت انرژی قرار دارد: ذخیره‌سازی انرژی حرارتی Thermal Energy Storage (TES).

نمونه‌های این فناوری در آزمایشگاه ملی ساندیا آمریکا دیگر صرفا یک طرح روی کاغذ نیستند. این آزمایشگاه سامانه‌هایی برای ذخیره‌سازی انرژی حرارتی با ذرات جامد ساخته و آزمایش کرده است. با این حال، نباید از این واقعیت نتیجه گرفت که «باتری شنی» اکنون جایگزین باتری‌های معمولی در شبکه برق شده است؛ آنچه امروز وجود دارد، مجموعه‌ای از سامانه‌های آزمایشی و پروژه‌های در حال توسعه و ارزیابی است.

انرژی را می‌توان به شکل گرما نگه داشت

ذخیره‌سازی انرژی حرارتی بر یک تغییر نگاه استوار است: انرژی همیشه مجبور نیست به شکل برق ذخیره شود. در برخی سامانه‌ها، انرژی الکتریکی یا انرژی حاصل از خورشید برای گرم کردن یک ماده به کار می‌رود. آن ماده، گرما را برای مدتی نگه می‌دارد و هنگام نیاز، انرژی حرارتی آن می‌تواند برای تولید برق یا استفاده مستقیم به کار گرفته شود.

ساندیا در تأسیسات ملی آزمایش حرارتی خورشیدی خود، چند روش ذخیره‌سازی انرژی حرارتی را آزمایش می‌کند؛ از نمک مذاب و بستر‌های سنگ‌ریزه‌ای گرفته تا سامانه‌ای که گرما را در ذرات جامد ذخیره می‌کند.

در یکی از این سامانه‌ها، سامانه دو مخزنه ذخیره‌سازی حرارتی با ذرات، امکان ذخیره‌سازی حداکثر حدود ۶ مگاوات‌ساعت انرژی حرارتی وجود دارد. در این سامانه، یک مخزن گرم، ذرات را تا دمای ۸۰۰ درجه سانتی‌گراد نگه می‌دارد. ذرات با نیروی گرانش از مخزن به سوی یک مبدل حرارتی حرکت می‌کنند و پس از انتقال گرما وارد مخزن سرد می‌شوند؛ سپس یک بالابر آنها را دوباره به بخش بالایی سامانه منتقل می‌کند.

چرا شن و ذرات جامد؟

یکی از جذابیت‌های استفاده از شن این است که می‌توان از ماده‌ای فراوان و نسبتا ارزان برای ذخیره گرما استفاده کرد.

وزارت انرژی آمریکا در معرفی پروژه ذخیره‌سازی انرژی حرارتی با شن (Sand Thermal Energy Storage)، شن، کوارتز یا سیلیس را به‌عنوان ماده ذخیره‌کننده گرما معرفی کرده است. در این فناوری، یک مبدل حرارتی ذرات و سیال، ذرات متراکم را با کمک جریان هوا جابه‌جا می‌کند. این وزارتخانه، فراوانی، هزینه پایین، ظرفیت حرارتی بالا، انعطاف‌پذیری در دما و پایداری در چرخه‌های متعدد را از ویژگی‌هایی می‌داند که شن را برای ذخیره‌سازی حرارتی جذاب می‌کند.

این ویژگی‌ها در ذخیره‌سازی طولانی‌مدت اهمیت دارند؛ زیرا فقط مقدار انرژی ذخیره‌شده مهم نیست، بلکه هزینه ماده، دوام آن و توانایی سامانه برای گرم و سرد شدن‌های مکرر نیز اهمیت دارد.

با این حال، این ویژگی‌ها به معنای برتری شن بر همه فناوری‌های ذخیره‌سازی نیست. پروژه ذخیره‌سازی انرژی حرارتی با شن در نیروگاه گاستون نیز در اسناد وزارت انرژی آمریکا در مرحله مطالعه و طراحی قرار داشته است.

از آزمایشگاه تا یک ذخیره‌ساز ۱۸ ساعته

یکی از پروژه‌های مهم این مسیر، طرحی است که با حمایت وزارت انرژی آمریکا در ساندیا برای ذخیره‌سازی طولانی‌مدت انرژی دنبال می‌شود.

وزارت انرژی آمریکا در برنامه ذخیره‌سازی طولانی‌مدت انرژی، پروژه ساندیا با عنوان ذخیره‌سازی حرارتی با ذرات متحرک را برای توسعه و ارزیابی فناوری ذخیره‌سازی حرارتی انتخاب کرده است. این پروژه استفاده از شن به‌عنوان ماده ذخیره‌کننده گرما و یک سامانه موجود تولید برق ترموالکتریک را برای ذخیره‌سازی انرژی تا ۱۸ ساعت دنبال می‌کند.

این عدد اهمیت موضوع را نشان می‌دهد. مسئله شبکه برق فقط ذخیره انرژی برای چند دقیقه یا چند ساعت نیست. هرچه سهم منابع متغیر مانند خورشید و باد افزایش یابد، شبکه به روش‌هایی نیاز دارد که بتوانند انرژی را برای مدت طولانی‌تری نگه دارند و در زمان کمبود تولید در اختیار شبکه قرار دهند.

ساندیا از کجا به اینجا رسید؟

این فناوری یک‌شبه ساخته نشده است. ساندیا سال‌ها روی سامانه‌هایی کار کرده که در آنها ذرات جامد، هم نقش حامل گرما و هم نقش محیط ذخیره‌کننده آن را بر عهده دارند.

در پژوهش‌های مربوط به «سامانه آزمایشی ذرات نسل سوم»، ساندیا یک سامانه ذخیره‌سازی حرارتی با ظرفیت حدود ۶ مگاوات‌ساعت حرارتی را بررسی کرده و برای آن حدود ۱۲۰ هزار کیلوگرم ذرات در حال جریان در نظر گرفته شده است. در پروژه «سامانه آزمایشی ذرات نسل سوم» نیز یک سامانه چندمگاواتی خورشیدی حرارتی مبتنی بر ذرات طراحی شده که برای شش ساعت ذخیره‌سازی انرژی هدف‌گذاری شده است.

پژوهشگران همچنین رفتار دما و جریان ذرات را هنگام شارژ و تخلیه مخزن آزمایش و مدل‌سازی کرده‌اند.

این مسیر نشان می‌دهد که مسئله فقط «داغ کردن شن» نیست. باید دانست ذرات چگونه حرکت می‌کنند، گرما در آنها چگونه توزیع می‌شود، چه مقدار انرژی در زمان ذخیره از دست می‌رود و چگونه می‌توان گرمای ذخیره‌شده را دوباره با بازده مناسب استخراج کرد.

در واقع، چالش اصلی همین جزئیات مهندسی است؛ چیزی که فاصله میان یک ایده جذاب و یک سامانه قابل استفاده در مقیاس بزرگ را تعیین می‌کند.

آیا شن واقعا جای باتری را می‌گیرد؟

پاسخ فعلی، نه به این سادگی است.

باتری‌های الکتروشیمیایی مانند باتری‌های لیتیوم-یون مستقیماً انرژی الکتریکی را ذخیره و هنگام نیاز دوباره به برق تبدیل می‌کنند. در ذخیره‌سازی حرارتی، انرژی ابتدا به گرما تبدیل می‌شود و برای بازگرداندن آن به برق باید یک مسیر تبدیل حرارتی-الکتریکی وجود داشته باشد.

در مقابل، مزیت بالقوه ذخیره‌سازی انرژی حرارتی در جایی ظاهر می‌شود که مدت زمان ذخیره‌سازی اهمیت زیادی پیدا می‌کند و می‌توان انرژی را برای ساعت‌های طولانی در یک ماده نسبتاً ارزان نگه داشت.

از سوی دیگر، فناوری‌های حرارتی فقط برای تولید دوباره برق طراحی نمی‌شوند. در برخی کاربرد‌های صنعتی، اگر هدف تأمین گرما باشد، حذف تبدیل دوباره گرما به برق می‌تواند خود یک مزیت باشد؛ بنابراین بهتر است «باتری شنی» را نه به‌عنوان جایگزین قطعی باتری‌های لیتیومی، بلکه به‌عنوان یکی از گزینه‌های ذخیره‌سازی طولانی‌مدت انرژی دید.

فاصله میان آزمایشگاه و شبکه برق

ذخیره‌سازی حرارتی با ذرات جامد دیگر صرفا یک ایده نظری نیست. نمونه‌های آزمایشی ساخته شده‌اند، عملکرد مواد و اجزای سامانه آزمایش شده و پروژه‌های بزرگ‌تری نیز برای ارزیابی این فناوری دنبال می‌شوند. پروژه ساندیا برای ذخیره‌سازی طولانی‌مدت با شن نیز در همین مسیر قرار دارد.

در مقابل، پروژه ذخیره‌سازی انرژی حرارتی با شن در نیروگاه گاستون مسیر متفاوتی داشته است. این پروژه برای یک سامانه با ظرفیت ۱۰ مگاوات‌ساعت الکتریکی ابتدا وارد مطالعه امکان‌سنجی و سپس مطالعه پیش‌طراحی مهندسی شد؛ بنابراین این مورد را نمی‌توان به‌عنوان یک سامانه عملیاتی در نیروگاه معرفی کرد.

آنچه اکنون در اختیار پژوهشگران است، مجموعه‌ای از آزمایش‌ها و سامانه‌های آزمایشی است که باید نشان دهند ذخیره‌سازی گرما با مواد جامد تا چه اندازه می‌تواند در مقیاس بزرگ، اقتصادی و پایدار باشد. اگر این مسیر بتواند از مرحله آزمایش به سامانه‌های عملیاتی برسد، یکی از گزینه‌های ذخیره انرژی برای دوره‌هایی خواهد بود که تولید برق خورشیدی یا بادی کاهش می‌یابد.

ممکن است بخشی از انرژی آینده، در جایی که کمتر انتظارش را داریم، درون ذراتی داغ و ارزان منتظر بماند تا خورشید دوباره طلوع کند.