ذخیره انرژی با فشرده سازی هوا در زیر زمین

سرویس آموزش و آزمون برق نیوز: استفاده از پانل‌های خورشیدی و مزارع بادی به طور روز افزونی در حال افزایش است؛ اما ذخیره سازی انرژی به دست آمده با استفاده از انرژی‌های تجدیدپذیر و استفاده از آن در شبکه‌های برق رسانی، به یک چالش بزرگ برای دانشمندان تبدیل شده است. دانشمندان اروپایی به تازگی موفق شده اند به یک روش کم هزینه برای ذخیره سازی انرژی دست پیدا کنند. در این روش از هوا برای ذخیره سازی انرژی استفاده می‌شود.


با وجود اینکه دانشمندان توانسته اند با استفاده از باتری‌های جریان (باتری‌های قابل شارژی که در آن‌ها دو عنصر شیمیایی در دو مایع که توسط یک غشاء از یک جدا شده اند، حل می‌شوند) و شبکه‌های برق رسانی هوشمند، توانسته اند تا حدودی مشکل ذخیره سازی برق تولید شده با استفاده از انرژی‌های تجدیدپذیر را حل کنند، اما به تازگی محققان اروپایی توانسته اند با استفاده از روش فشرده سازی هوا، نیز فناوری جدیدی برای ذخیره سازی نیروی برق ایجاد است.

در این روش که چندین دهه سابقه دارد، از برق مازاد بر مصرف برای فشرده سازی هوا استفاده می‌شود و سپس هوای فشرده شده در مکانی غار مانند در زیر زمین ذخیره می‌گردد. برای استفاده از برق ذخیره شده توسط این روش که CAES نام دارد، کافی است هوای فشرده شده به سمت یک توربین گازی هدایت شود تا توربین به کمک آن برق تولید کند. این روش از نظر تئوری، روشی کارآمد و کاربردی است؛ زیرا با هزینه بسیار کمی می‌توان از آن استفاده کرد و در واقع ارزان‌ترین روش برای ذخیره سازی انرژی است. از سویی دیگر استفاده از این روش در مقایسه با روش‌های دیگر همانند ایجاد مخازنی برای تولید نیروی برق آبی که باید تجهیزات خاصی در کوه‌ها نصب شوند (ممکن است در برخی از کشور کوه‌های کمی وجود داشته باشند)، نیازمند هیچ گونه شرایط جغرافیایی خاصی نیست.


اما مشکل استفاده از این روش، تولید گرما در اثر فشرده سازی هوا است، درست همانند زمانی که تایر دوچرخه خود را به وسیله یک تلمبه باد می‌کنید و این کار باعث افزایش دمای تایر می‌شود. چگونگی استفاده از گرمای تولید شده در نیروگاه‌هایی که از این روش برای ذخیره سازی برق استفاده می‌کنند، به یک چالش بزرگ برای محققان تبدیل شده است.

در حال حاضر در جهان فقط دو نیروگاه CAES وجود دارد که یکی از این دو نیروگاه، نیروگاه Huntrof در آلمان و دیگری نیروگاه Mclntosh در آمریکا است که حداکثر ظرفیت ذخیره انرژی توسط آن‌ها به ترتیب ۲۹۰ مگاوات و ۲۲۶ مگاوات است، اما متاسفانه در هیچ یک از این دو نیروگاه هیچ مکانی برای ذخیره و استفاده از گرمای ایجاد شده وجود ندارد.


ذخیره نکردن این گرما و عدم استفاده از آن باعث می‌شود که یک منبع انرژی برای تولید انرژی به سادگی هدر برود. همچنین هنگام استفاده از هوای فشرده شده برای به حرکت درآوردن توربین‌ها و تولید برق، دمای هوا کاهش پیدا می‌کند و برای افزایش مجدد دمای آن، انرژی زیادی مصرف می‌شود که باعث کاهش بهره وری انرژی در نیروگاه می‌شود.

دانشمندان برای حل این مشکل، در پروژه‌ای تحت عنوان RICAS ۲۰۲۰ که بودجه آن توسط اتحادیه اروپا تأمین می‌شود. در حال کار کردن بر روی یک نیروگاه پیشرفته CAES بی در رو هستند (نیروگاهی که در آن گرمای ایجاد شده از فرایند فشرده سازی هوا ذخیره نمی‌شود)، تا گرمای ایجاد شده در آن را ذخیره کنند.


مهمترین کاری که باید در این پروژه انجام شود، ایجاد شرایطی است که باعث شود گرمای هوا در طول فرایند فشرده شدن آن، کاملا جذب شود. در این روش هوای گرمی که از کمپرسور خارج می‌شود، از خرده سنگ‌هایی که در یک مکان غار مانند هستند و منافذ زیادی هم در آن‌ها وجود دارد، عبور داده می‌شود و گرمای هوا توسط سنگ‌ها جذب می‌شوند. سپس هوای سرد شده دوباره به مکانی که قبلا در آن ذخیره شده است، باز می‌گردد. هنگامی که افراد نیازمند استفاده از هوای سرد می‌شوند، این جریان هوا دوباره از میان خرده سنگ‌ها عبور داده می‌شود تا دمای آن افزایش پیدا کند و در این صورت نیاز به استفاده از سوخت برای افزایش دمای هوا نیست.


جیواونی پریلو، یک دانشمند ماده در موسسه تحقیقاتی نروژی SINTEF به بیان این مطلب پرداخت که مزیت این روش نسبت به سایر روش‌های ذخیره سازی این است که هم برای مدت بسیار زیادی می‌توان از آن استفاده کرد و هم با استفاده از این روش، هزینه ذخیره سازی نیروی برق به ازای هر کیلووات برق به میزان قابل توجهی کاهش پیدا می‌کند. از سویی دیگر باید گفت که میزان کارایی مکان‌های ذخیره سازی انرژی، ۴۵ تا ۵۵ درصد است و فقط می‌توانند نیمی از انرژی برقی را که برای فشرده سازی هوا مورد استفاده قرار گرفته است، تولید کنند. این در حالی است که میزان کارایی سیستم جدید ایجاد شده، بیش از ۷۰ تا ۸۰ درصد است.

وی در ادامه گفته‌های خود اذعان کرد که هر چقدر گرمای ایجاد شده در فرایند فشرده سازی هوا بیشتر حفظ شود، کارایی هوای فشرده شده پس از آزاد شدن آن و به حرکت درآوردن توربین گاز بیشتر می‌شود. او معتقد است که عملکرد این روش برای ذخیره سازی گرما بیشتر از فناوری‌های مشابه است؛ بنابراین استفاده از آن باعث افزایش کارایی تجهیزات ذخیره سازی نیروی برق می‌شود.


یکی از مزایای ذخیره سازی برق با روش فشرده سازی هوا این است که برای بهره گیری از آن نیازی نیست که مکان مورد نظر دارای شکل جغرافیایی خاصی باشد. با وجود اینکه تجهیزات مورد نیاز برای استفاده از این روش، باید در یک فضای تو خالی بزرگ نصب شوند، اما به گفته محققان می‌توان به راحتی از فضا‌های غار مانند بی استفاده و معادن متروکه، برای این کار استفاده کرد؛ به عنوان مثال پروژه RICAS ۲۰۲۰ در یک معدن متروکه در اتریش انجام شده است.

طبق گفته محققان، برای اینکه روش جدید ذخیره سازی گرمای ایجاد شده از فشرده سازی هوا، از مرحله طراحی به مرحله اجرای آزمایشی برسد، باید شرایطی فراهم شود که یکی از این شرایط، ایجاد یک غشای مهر و موم کننده با توانایی مقاومت در برابر فشار و دمای بالای فضا‌های غار مانند زیر زمینی است. تصمیم برای اجرا کردن و یا اجرا نکردن این طرح به صورت آزمایشی، پس از بررسی نتایج و همچنین هزینه‌های لازم برای آن مشخص می‌شود.


با وجود اینکه چندین دهه است که از روش فشرده سازی هوا استفاده می‌شود، اما توانایی بالقوه آن برای ذخیره سازی انرژی‌های تجدیدپذیر، هنوز هم باید مورد بررسی قرار بگیرد. پروفسور ماتیاس فینکِنراس، استاد مهندسی انرژی از دانشگاه علوم کاربردی کمپتن آلمان دلیل این موضوع را پایین بودن قیمت انرژی و مبهم بودن برخی از موارد در بازار دانست و معتقد است که همین دو عامل باعث متوقف شدن چنین طرح‌هایی در مقیاس گسترده می‌شود؛ به عنوان مثلا عده‌ای از محققان تصمیم گرفتند که روش ذخیره سازی نیروی برق با فشرده سازی هوا را در پارک Lowa Store Energy که با هزینه ۴۰۰ میلیون دلار ایجاد شده بود، اجرا کنند؛ اما پس از مدتی متوجه شدند که سفره‌های آب زیرزمینی ماسه سنگ این پارک برای این کار مناسب نیست و پروژه متوقف شد.

اما با این حال این مشکلات و موانع باعث توقف جستجوی محققان برای یافتن روش‌هایی جهت ذخیره سازی نیروی برق مازاد بر مصرف نمی‌شوند. دانشمندان معتقدند که هزینه استفاده از هوا در مقابل هزینه استفاده از مواد شیمیایی لازم در مکان‌های ذخیره سازی انرژی که در آن‌ها از باتری استفاده می‌شود، بسیار ناچیز است و اگر در مناطقی همچون جزایر هاوایی برای ذخیره سازی انرژی باد از چنین ابتکاراتی استفاده شود، می‌توان بخش اعظمی از انرژی برق مورد نیاز این جزایر را با بهره گیری از انرژی‌های تجدیدپذیر تأمین کرد. در ضمن در صورتی که محققان به نحوه استفاده بهینه از این روش پی ببرند و بتوانند مشکلات مرتبط با شرایط جغرافیایی هر منطقه را برطرف کنند، می‌توان با بهره گیری از این روش، به انرژی برق حاصل از انرژی‌های تجدیدپذیر، به اندازه انرژی برقی که با استفاده از سوخت‌های فسیلی تولید می‌شود، متکی شد.