اهمیت ذخیرهسازی انرژیهای تجدیدپذیر
مجله علمی ایلیاد - مهندسین MIT طرحی مفهومی بهمنظور ساخت سیستمی برای ذخیرهی انرژیهای تجدیدپذیر، مانند انرژی خورشیدی و بادی ارائه دادهاند که میتواند انرژی ذخیره شده را در صورت تقاضا به شبکهی برق وارد کند. این سیستم را میتوان به نحوی طراحی کرد که برق شهری کوچک را نه تنها در زمان وجود خورشید و باد، بلکه به صورت دائم تولید کند.
در این طرح جدید، گرمای تولید شده توسط برق اضافی ناشی از انرژی خورشیدی و یا بادی در مخازن بزرگ سیلیکون مذاب، ذخیره شده و سپس در مواقع نیاز، نور متصاعد شده از این فلز درخشان به الکتریسیته تبدیل میشود. محققین تخمین میزنند که چنین سیستمی میتواند بسیار مقرون به صرفهتر از باتریهای لیتیوم یونی باشد که روشی قابل اعتماد و گران برای نگهداری انرژیهای تجدیدپذیر است. آنها همچنین تخمین میزنند که هزینهی این روش، نصف هزینهی سیستمهای برقآبی، بهعنوان ارزانترین روش کنونی، برای ذخیرهی انرژی است.
«آسگون هنری» پروفسور مهندسی مکانیک، میگوید: «در حال حاضر اگر بخواهیم یک شبکهی برق را بر اساس انرژیهای تجدیدپذیر طراحی کنیم، نمیتوانیم؛ زیرا به توربینهای با سوختهای فسیلی برای جبران در دسترس نبودن انرژیهای تجدیدپذیر نیاز داریم. ما در حال توسعهی یک تکنولوژی جدید هستیم که اگر موفق شویم مشکل مهم و اساسی ذخیرهی انرژی برطرف میشود.» هنری و همکارانش طراحی خود را در مجلهی Energy and Environmental Science به چاپ رساندهاند.
سیستم جدید ذخیرهی انرژی، ریشه در پروژهای دارد که طی آن محققین به دنبال راهی برای افزایش کارایی شکلی از انرژی تجدیدپذیر به نام «انرژی خورشیدی متمرکز» بودهاند. برخلاف نیروگاههای خورشیدی مرسوم که درآن از پانلهای خورشیدی برای تبدیل مستقیم نور به الکتریسیته استفاده میشود، در انرژی خورشیدی متمرکز، میدان وسیعی از آینههای عظیم مورد نیاز است که نور خورشید را بر روی یک برج مرکزی که در آنجا نور تبدیل به گرما شده و سپس به الکتریسیته تبدیل میشود، متمرکز میکنند.
هنری میگوید: «دلیل جالب بودن این تکنولوژی این است که وقتی فرآیند متمرکز کردن نور برای بهدست آمدن حرارت را انجام میدهید، میتوانید حرارت را با هزینهی کمتری نسبت به الکتریسیته ذخیره کنید.» نیروگاههای خورشیدی متمرکز حرارت خورشیدی را در مخازن بزرگ پُر شده از نمک مذاب که تا ۱۰۰۰ درجهی فارنهایت گرم میشوند، ذخیره میکنند. در صورت نیاز به برق، نمک داغ از مبدلی حرارتی عبور کرده و گرمای خود را به بخار میدهد. حرارت بخار به وسیلهی توربین به برق تبدیل میشود.
هنری میگوید: «این تکنولوژی مدت مدیدی است که وجود دارد، ولی مساله اینجا است که هزینهی آن به اندازهای پایین نیست که بتواند با گاز طبیعی رقابت کند. بنابراین باید با دماهای بالاتری کار کند تا بتوان با استفاده از موتورهای حرارتی کاراتر، هزینهی نهایی را پایین آورد.» به هر حال، اگر دمای نمک مذاب بسیار بالاتر رود، باعث خوردگی مخازن فولادی نگهداری آنها میشود. به همین دلیل هنری و همکارانش به دنبال جایگزین بهتری برای نمک مذاب بودهاند. پیشنهاد اولیه، فلز مذاب بود که در نهایت به سیلیکون ختم شد. سیلیکون بر روی زمین به وفور یافت میشود و میتواند در برابر دماهای حدود ۴۰۰۰ درجهی فارنهایت، مقاومت کند.
سال ۲۰۱۷، گروه محققین پمپی ساختند که میتواند این گرما را تحمل کرده و سیلیکون مایع را درون سیستم ذخیرهی انرژیهای تجدیدپذیر پمپ کند. این پمپ، رکورد بیشترین تحمل حرارتی را تا کنون از آن خود نشان داده و نام آن در کتاب رکوردهای گینس ثبت شده است. اکنون محققین مفهوم مورد نظر خود در مورد سیستم ذخیرهی انرژی تجدیدپذیر به نام «TEGS-MPV» را شرح دادهاند. به جای استفاده از میدانهایی از آینه که نور را به یک برج مرکزی هدایت میکنند تا در آنجا به حرارت تبدیل شود، محققین پیشنهاد میدهند که انرژی الکتریسیتهی تولیدی توسط منابع تجدیدپذیر را میتوان به کمک فرآیندی بهنام «گرمایش ژول» به انرژی گرمایی تبدیل و آنرا ذخیره کرد. گرمایش ژول فرآیندی است که طی آن جریان الکتریسیته از درون یک اِلِمنت گرمایی عبور داده میشود.
این سیستم را میتوان با سیستمهای انرژی تجدیدپذیر موجود، مانند سلولهای خورشیدی ترکیب کرد و برق اضافی تولیدی در طول روز را برای مصارف بعدی ذخیره کرد. سیستم طراحی شده توسط محققین شامل یک مخزن بزرگ عایق به عرض ۱۰ متر و ساخته شده از گرافیت است که با سیلیکون مایع پُر شده و در دمای سرد ۳،۵۰۰ درجهی فارنهایت نگهداری میشود. دستهای از لولهها که در معرض المنتهای گرمایی هستند، این مخزن سرد را به یک مخزن داغ متصل میکنند. وقتی که برق از سلولهای خورشیدی به درون سیستم میآید، درون المنتهای گرمایی به حرارت تبدیل میشود. در ادامه، سیلیکون مایع از مخزن سرد از طریق مجموعهی لولهها وارد مخزن داغ میشود. دما در این مخزن تا ۴،۳۰۰ درجهی فارنهایت بالا میرود.
در زمان نیاز به الکتریسیته و پس از غروب خورشید، سیلیکون داغ که مانند یک جسم سفید میدرخشد، از لولههایی عبور میکند و از خود نور ساطع میکند. این نورهای منتشر شده توسط سلولهای خورشیدی خاص به الکتریسیته تبدیل میشود. در ادامهی فرآیند، سیلیکون خنک شده، مجدداً به مخزن سرد وارد میشود. هنری میگوید: «این سیستم به مخازنی ضخیم و مستحکم نیاز دارد که بتوانند سیلیکون مایع را درون خود نگهداری کند.» محققین پیشنهاد دادهاند که مخازن از گرافیت ساخته شوند، ولی این نگرانی وجود دارد که سیلیکون در دماهای بسیار بالا با گرافیت واکنش داده و کربیدسیلیکون تولید میکند که میتواند باعث خوردگی مخزن شود.
برای آزمایش این پیشنهاد، گروه محققین یک مخزن کوچک گرافیتی ساختند و آنرا با سیلیکون مایع پُر کردند. وقتی که مایع سیلیکون به مدت ۶۰ دقیقه در دمای ۳،۶۰۰ درجهی فارنهایت، نگهداری شد، کربیدسیلیکون تشکیل شد، ولی به جای بروز خوردگی در مخزن باعث شد، لایهای نازک و محافظت کننده روی سطح داخلی آن تشکیل شود.
یکی از چالشهای دیگر این است که مخازن بسیار بزرگ را نمیتوان با قطعهای گرافیتی ساخت و ساختن آنها با تعدادی از قطعات باعث بروز مشکل آببندی مخزن میشود. محققین در مقالهی خود نشان دادهاند که میتوانند قطعات گرافیت را با پیچهای فیبر کربنی به یکدیگر وصل کرده و آنها را با گرافویل یا همان گرافیت انعطافپذیری که میتواند به عنوان آببند در دماهای بالا عمل کند، آببندی کنند. محققین تخمین میزنند که سیستم طراحی شده توسط آنها میتواند شهری دارای ۱۰۰،۰۰۰ خانه را فقط با انرژیهای تجدیدپذیر برقرسانی کند. هنری تاکید میکند که این سیستم از لحاظ جغرافیایی محدودیت ندارد و میتوان آنرا همهجا نصب کرد.
نوشته: ScienceDaily
ترجمه: امید محمدی – مجله علمی ایلیاد
ترجمه: امید محمدی – مجله علمی ایلیاد