کاربرد و اهمیت ذخیره سازی هوای فشرده در صنعت برق

هفته گذشته بخش اول مقاله موتورهای هوای فشرده و سيستمهای ذخيره‌سازی هوای فشردة کوچک مقياس، فرصتی مهم برای سرمايه‌گذاری و پيشرفت ملی در خبری با عنوان"چشم‌انداز استفاده از موتورهای هوای فشرده در صنعت خودروسازی" در برق نیوز منتشر شد. قسمت دوم این مقاله در ادامه قابل مشاهده است:

برق نیوز-فرهاد یزدی: يکی از کاربردهای قديمی ذخيره‌سازی هوای فشرده، استفاده از انرژی آن برای توليد برق بوده است. در سال 1978، اولين سيستم ذخيره سازی هوای فشردة بزرگ مقياس جهان، به منظور توليد برق در ساعات پيک، در Huntorf آلمان احداث شد که هنوز هم در حال کار است. در اين سيستم که ذخيره سازی انرژی هوای فشرده در مقياس بزرگ ناميده می شود، کپمرسورهای الکتريکی بزرگ در ساعات کم باری به کار افتاده و هوا را فشرده می‌کنند. هوای فشرده در غارهای زير زمينی، گنبدهای نمکی، معادن متروکه، حفره‌های آهکی و يا حفره‌های موجود در صخره ها ذخيره می‌شود. سپس با استفاده از توربينهای گازی، هوای فشرده برای توليد برق در ساعات پيک مورد استفاده قرار می‌گيرد.

توربينهای مورد استفاده در اين نيروگاه‌ها فاقد کمپرسور بوده و به همين لحاظ انرژی مصرفی آنها برای توليد برق، تقريباً يک سوم توربينهای گازی معمولی است. معمولاً به منظور بهبود بازدهی، در هنگام فشرده‌سازی هوا از سيستمهای بازيابی حرارت و در هنگام آزاد نمودن هوای فشرده، از سيستمهای بازيابی سرمايش استفاده می‌شود. در حال حاضر، يك نيروگاه بزرگ توليد برق از انرژی هوای فشرده در كشور آلمان و سه نيروگاه ديگر در كشور آمريكا در حال بهره‌برداري هستند و چندين نيروگاه بزرگ ديگر نيز در حال احداث هستند.

يکی از مهمترين معايب استفاده از انرژی هوای فشرده برای توليد برق، ذخيره سازی انرژی به صورت مکانيکی و سپس تبديل مجدد آن به انرژی الکتريکی است؛ زيرا افزايش تعداد چرخه‌های تبديل انرژی، منجر به کاهش بازده کل سيستم ذخيره‌سازی می‌شود. بعلاوه دو مشکل غيرفنی و مهم ديگر، احداث و توسعة سيستمهای ذخيره‌سازی هوای فشرده در مقياس بزرگ را با محدوديتهايي زيادی مواجه نموده‌اند. اين دو مشکل عبارتند از :

· نياز به عوارض و ويژگيهای جغرافيايي خاص برای ذخيره سازی هوا در مقياسهای بزرگ

· نياز به سرمايه‌گذاری سنگين

با اين حال، سيستمهای ذخيره سازی هوای فشرده مقياس کوچک، مهمترين عيوب برشمرده برای سيستمهای ذخيره‌سازی هوای فشرده مقياس بزرگ را برطرف نموده‌اند. بدين ترتيب که:

1- عمل ذخيره سازی انرژی در مخازن فشار بالای کوچک (که بدنة آنها از جنس فولاد يا الياف کربن است) انجام گرفته و لذا پياده سازی اين سيستمها در هر نقطه و حتی در مساحتهای کوچک امکان پذير است.

2- در حالت اخير، هر چند هنوز هم بخش عمدة سرمايه گذاری اولية مورد نياز مربوط به مخازن ذخيره سازی هوای فشرده است ، ليکن با کاهش ابعاد ذخيره‌سازی، ميزان سرمايه‌گذاری مورد نياز به شدت کاهش می‌يابد.

3- كاركرد اين سيستمها در كنار نيروگاه‌هاي تجديدپذير (مثل نيروگاه های خورشيدی کوچک)، در سناريوهاي مختلف متصل به شبكه و ايزوله از شبكه منجر، به مزاياي متنوع و مكمل هم منجر مي‌شود.

4- توسعة بسيار سريع توربينها و موتورهايي که به طور مستقيم با هوای فشرده کار می‌کنند، مزاياي بسيار زيادی را به همراه آورده و استراتژيهای متنوعی را برای بهبود محيط زيست، کاهش هزينه‌ها، افزايش بهره‌وری، ايجاد فرصتهای شغلی و ... در دسترس قرار داده است.

علاوه بر مزايايي که در خصوص کاربرد موتورهای هوای فشرده در صنعت حمل و نقل برشمرده شد، با استفاده از موتورهای هوای فشرده به عنوان موتور محرک پمپهاي هوای فشرده، می‌توان بخش بزرگی از مصارف انرژي الكتريكي (مثل پمپهاي آبياري كشاورزي را كه برقرساني به آنها هزينه‌هاي زيادي به همراه دارد) به حوزه کاربری مصارف هواي فشره منتقل نمود. از طرف ديگر، عملكرد اين موتورها با هواي فشرده، منجر به حذف چرخة تبديل انرژي هواي فشرده به برق شده و در نتيجه بازده كل سيستم افزايش مي‌يابد.

مطالعات انجام شده نشان می‌دهد که سيستمهای ذخيره‌سازی هوای فشرده در مقياس بزرگ، تنها هنگامی دارای توجيه اقتصادی خواهند بود که بصورت چند هدفه مورد استفاده قرار گيرند. اين در حالي است كه سيستمهای ذخيره‌سازی هوای فشرده مقياس كوچك، به دليل قابليت استفاه مستقيم از هواي فشرده در موتورهای هوای فشرده، ايجاد سيستم ذخيره‌سازی ارزان قيمت، کمی تلفات نشتی، عمر طولانی (بر خلاف باتری که عمر مفيد اندک و نشتی انرژی بالايي دارد)، فراهم آوردن قابليت کنترلی براي نيروگاه‌هاي تجديدپذير و هچنين بستر‌سازی برای حضور سيستمهای تهوية مطبوع کارآمد، پاک و ارزان قيمت، ذاتاً چند منظوره خواهند بود.

با توسعة سيستمهاي ذخيره‌سازي هوای فشرده ، می‌توان شبکة هوشمندی را پايه‌گذاری کرد كه نسبت به شبكه‌هاي هوشمند مبتنی بر خودروهای الكتريكي و هيبريد، دارای مزايای متعددی است. به نظر می‌‌رسد که خودروهای هوای فشرده تهديدی بالقوه برای خوروهای الکتريکی و هايبريد الکتريکی باشند، زيرا چرخه تبديل انرژی آنها بازده بسيار بالاتری دارد.

يکی از مهمترين موانع توسعة استفاده از هوای فشرده، مفروض دانستن انرژی الکتريسيته به عنوان انرژی برتر است. در حال حاضر، قسمت مهمی از نقشة راه شبکه‌های هوشمند برق در کشورهای مختلف جهان، بر پاية ذخيره‌سازی انرژی الکتريکی در باتری خودروهای هايبريد الکتريکی (EHV) تدوين شده است.
با اين وجود، در صورت تداوم روند پيشرفت و توسعة موتورها، توربينها و خودروهای مبتنی بر هوای فشرده و بر پايه دلايل عنوان شده در زير (که خودروهای هايبريد الکتريکی و خودروهای هوای فشرده را مقايسه می‌کند)، می‌توان انتظار داشت که ذخيره‌سازی انرژی بصورت هوای فشرده و در مقياس كوچك، بدون مشکل زيادی، جايگزين ذخيره‌سازي انرژي توسط باتري خودروهای هايبريد الکتريکی خواهد شد. بدين شكل، به نظر می‌رسد ويژگيها و مشخصه‌هاي شبكه‌هاي هوشمند نيز نيازمند بازنگري خواهد بود. مزاياي شبکة هوشمند مبتنی بر خودروهای هوای فشرده بر شبکة هوشمند مبتنی بر خودروهای هايبريد الکتريکی به شرح زير است :

1- شارژ مخازن هوای فشرده درمقايسه با شارژ باتری خودروهای هايبريد الکتريکی، بسيار سريعتر انجام می‌شود. با توجه به اينکه زمان، عامل بسيار مهمی در تصميم‌گيريهای آتی خواهد بود، چنين مزيتی بسيار مهم تلقی می‌شود.

2- نرخ دشارژ خود به خود محفظه‌های هوای فشرده، بسيار کمتر از باتری است.

3- تاثير شارژ باتريها بر کيفيت برق بسيار مخرب است، در صورتي که ذخيره‌سازی و استفاده مستقيم از هوای فشرده، تأثير قابل توجهی بر کيفيت برق ندارد.

4- از ديدگاه زيست محيطی، برخلاف باتريهايي چون باتريهای پليمری و باتريهای سرب-اسيد که آلوده کنندة محيط زيست هستند، ذخيره سازی هوای فشردة کوچک مقياس منجر به آلودگی محيط زيست نمی‌شود.

5- ايمنی و قابليت اطمينان سيستم مبتنی هوای فشرده بسيار بالاتر از سيستمهای مبتنی بر باتری است. در سالهاي اخير حوادث و آتش‌سوزيهای متعددي که علت آن استفاه از باتريها بوده، گزارش شده است.

6- هزينه تمام شدة مالکيت سيستمهای ذخيره‌سازهای هوای فشرده (دارای محفظه‌های ذخيره‌سازی هوا) به نسبت ذخيره سازهای انرژی الکتريکی (در شکل باتری)، بسيار ارزانتر است.

7- سيستمهای کوچک مقياس ذخيره سازی انرژی، گزينه‌های متعدد و استراتژيهای متنوعی را برای کاهش تلفات و پيک در اختيار شرکتهای توزيع برق قرار خواهد گرفت.

به طور کلی، مزايای بکارگيری ترکيبط سيستمهای ذخيرة هوای کوچک مقياس و خودروهای دارای موتورهای عمل کننده با هوای فشرده، به شرح زير است :

1- منجر به توسعة اشتغال و کسب و کارهای مبتنی بر ذخيره سازی هوای فشرده می‌شود. دهوای فشرده در ساعات آف پيک توليد شده و پس از ذخيره سازی، به عنوان سوخت مناسب برای خودروهای هوای فشرده و در جايگاه‌های مربوطه عرضه می‌شود. زير ساخت مورد نياز ذخيره‌سازی هوای فشرده در بيشتر کارخانجات صنعتی موجود بوده و لذا امکان بهينه‌سازی سيستمهای توليد و مصرف انرژی را به عنوان يک کسب و کار جانبی را برای آنها فراهم می‌آورد. بر اساس قانون Economy of Scope، افزايش حوزه های کسب و کار، منجر به سود بيشتر و پايداری اقتصادی بالاتر برای اين کارخانجات خواهد شد.

2- منجر به توسعه و افزايش جذابيتهای استفاده از نيروگاههای کوچک مقياس تجديد پذير و کاهش هزينه ها و معايب استفاده از آنها بصورت متصل به شبکه می شود. بحثهايي چون کيفيت برق، نياز به اينورتر، پيش بينی ناپذيری و کنترل ناپذيری و ... در چنين سيستمهايي يا حذف شده و يا کمرنگ خواهند شد.

3- توليد برق بصورت مستقيم از هواي فشره امكان پذير شده و نيازمند وجود سوخت ديگري (گاز) نخواهد بود.

4- منجر به کاهش ارزش زمين در سرمايه گذاريهای اوليه می‌شود؛ زيرا بهترين محل برای احداث سيستمهای ذخيره‌سازی هوای فشرده و نيروگاه های تجديد پذير مربوط به آنها، در بين راه‌های ارتباطی است که زمين قيمت چندانی ندارد. بدين ترتيب، مراکز توليد و مصرف انرژی الکتريکی نيز در کنار هم قرار گرفته و تدر نتيجه لفات توزيع انرژی کاهش خواهد يافت.

5- هزينه‌ها و مخاطرات حمل و نقل سوخت به پمپ بنزينها، خصوصا نقاط صعب العبور و دور دست کاهش می‌يابد و هزينه‌های احداث و تعمير و نگهداری خطوط انتقال بنزين حذف خواهد شد.