کارخانهای را تصور کنید که پر از پنلهای خورشیدی است. هر روز ظهر پنلها بیش از نیاز کارخانه برق تولید میکنند و به جای آنکه برق اضافی را به شبکه تزریق کنند، کارخانه آن را برای راهاندازی یک دستگاه کمپرسور هوا استفاده میکند. در عوض کمپرسور سیستم ذخیرهی بزرگی را از هوای فشردهی آماده به خدمت پر میکند. برای کارخانجات معمولی تعدادی کمپرسور اسکرو کارکرده کافیست و برای مجموعههای عظیم شهری میتوان از کمپرسورهای قدرتمند سانتریفیوژ استفاده کرد. کمپرسور اسکرو هوا را ماکسیمم تا ۴۰ بار و کمپرسور سانتریفیوژ یا گریز از مرکز هوا را فراتر از آن فشرده میکند، اما بسیار گرانقیمت و نیازمند نگهداری پرهزینه است.
گنبدهای نمکی بهترین حفرههای زیرزمینی برای ذخیرهی بلندمدت انرژی خورشیدی هستند. گنبد نمکی قم در ۲۰ کیلومتری جنوب غربی شهر قم قرار دارد.
سیستم ذخیره انرژی با هوای فشرده چطور کار میکند؟
نمونه استاندارد سیستم CAES انرژی را با استفاده از برق تولیدی پنلهای خورشیدی ذخیره میکند. برق تولیدی کمپرسور را به کار انداخته و هوا به درون مخزن ذخیره پمپاژ میشود. یکی از نقاط ضعف این سیستم عیب بزرگی است: وقتی هوای فشرده آزاد میشود دمای آن افت میکند. این در حالیست که برای تولید کارآمد برق باید دوباره گرم شود. در بسیاری از موارد برای گرمایش از سوزاندن گاز طبیعی بهره میبرند که چندان دوستدار محیط زیست نیست. اما این فقط یکی از مشکلات CAES است.
چارهی نوآورانهی مشکل بالا جایگزینی گاز طبیعی با انرژی خورشیدی است. در عمل از ادغام فناوری CAES با نیروگاه خورشیدی متمرکز یا CSP مجموعهای تکمیل خواهید داشت. اما راهحل معقولتری هم در ادامه خواهیم داشت.
ذخیرهی انرژی به شکل هوای فشرده یک باتری غول آسا در اختیار کارخانه قرار میدهد، غول آسا و کارآمد، چون انرژی به شکل هوای فشردهای ذخیره شده که میتوان مستقیما در لولهکشی کارخانه تزریق کرد و ماشینآلات و تجهیزات را به کار انداخت.
ایدهی اصلی بدیهی و ساده است: ☀️ پنل خورشیدی ← ⚡ برق ← 🌀 کمپرسور ← 💨 هوای فشرده
همچنین عکس این مسیر را میتوان رفت تا از انرژی هوای فشرده به برق رسید: 💨 هوای فشرده ← 🌀 انبساط و موتور پنوماتیک ← ⚡ برق
مرحلهی انبساط همان جاست که به گرمایش هوای فشرده نیاز داریم. جالب است بدانید اولین هواپیمایی که با قدرت خود و پس از حرکت بر روی باند پرواز کرد نیز با موتور پنوماتیک کار میکرد.
هواپیمای ویکتور تاتین در سال ۱۸۷۹ (زمانی که برادران رایت بچه بودند) از موتور هوای فشرده برای رانش استفاده کرد. تصویر اصل هواپیمای تاتین در موزه هوا فضای فرانسه.
اما یک مشکل بزرگتر همواره سایه به سایهی ماست: فشردهسازی هوا هیچوقت عملیاتی بهینه و خوشبازده نبوده است. وقتی هوا فشرده میشود مقدار زیادی از انرژی به شکل حرارت هدر میرود. اگر این حرارت مستقیما به محیط منتقل شود، تلف خواهد شد، بخشی از انرژی خورشیدی که با زیرکی قصد ذخیرهی آن را داشتیم از دست میرود.
در سیستمهای پیشرفتهی CAES تلاش بر آن است که حرارت تولیدی در هنگام فشردهسازی جمع آوری و ذخیره شود و بعدا به هنگام انبساط هوا مجدد مورد استفاده قرار گیرد.
کمپرسور شما، بخشی از سیستم عظیم ذخیرهسازی انرژی
در تکنولوژی CAES کمپرسور دیگر تنها تامینکنندهی هوای فشرده برای ابزارآلات، شیرهای پنوماتیک و تجهیزات خط تولید نخواهد بود، این دستگاه به ماشینی برای ذخیرهی انرژی تبدیل میشود. یک چرخهی کامل متشکل از اجزای زیر خواهد بود:
کمپرسورهای صنعتی
مخازن عظیم یا حفرههای زیرزمینی برای ذخیرهی انرژی
سیستم ذخیرهی حرارت برای جلوگیری از هدررفت انرژی
موتور پنوماتیک برای تبدیل هوای فشرده به انرژی برق
سیستمهای کنترلی
یک سوال خُرد: چرا انرژی را به صورت الکتریسیته ذخیره نکنیم و این همه سختی را به جان بخریم؟
یک جواب کلان: در نگاه اول احمقانه است که برق را به هوا و حرارت تبدیل کنیم تا بعدتر دوباره برق بگیریم، نه؟ چرا انرژی خورشیدی را مستقیما در باتری ذخیره نکنیم؟
جواب در دو کلمه نهفته است: هزینه و مقیاس. کارخانجات به مقدار عظیمی انرژی در ساعات و روزهای مختلف نیاز دارند، باتری به شکل وحشتناکی گران تمام خواهد شد، هوای فشرده بسیار ارزانتر است.
باتریها برای ذخیرهسازی کوتاهمدت عالی هستند. آنها برای ۲ تا ۴ ساعت یا جابجایی انرژی خورشیدی از ظهر تا اوایل شب خوب عمل میکنند. اما اگر کارخانه بخواهد تمام طول شب یا کل یک هفتهی ابری را سر کند، یا حتی انرژی خورشیدی تابستانی را برای زمستان ذخیره کند، دیگر هیچ کاری از دست باتریها ساخته نیست.
هرچه ذخیرهسازی از ۱۲ ساعت فراتر رود، پکیجهای باتریهای گرانقیمت بیشتری باید خریداری شود. حال حفرهای زیرزمینی را با این باتریها مقایسه کنید، کدام گرانتر است؟ در ضمن باتریهای یون لیتیوم هر ۵ تا ۱۰ هزار چرخهی شارژ و دشارژ نیازمند تعویض هستند، این را از لپتاپ یا گوشی خود بپرسید. سیستم صنعتی کمپرسور و توربین؟ ۳۰ تا ۵۰ سال.
آیا هر کارخانه معمولی به سراغ ذخیرهسازی انرژی با هوای فشرده برود؟
بله. کارخانجات میتوانند انرژی خورشیدی خود را به صورت هوای فشرده ذخیره کنند. این فناوری با نام ذخیرهسازی انرژی با هوای فشرده یا به اختصار CAES شناخته میشود و اغلب با انرژی حرارتی خورشیدی ترکیب میشود تا راهحلی کامل باشد.
نه واقعا. هرچیزی که قابل انجام است لزوما بهترین انتخاب برای کارخانهی شما نیست. دلیلی دارد که باتریهای یون لیتیوم بازار ذخیرهسازی انرژی خورشیدی را تسخیر کرده اند. بازده رفت و برگشتی این باتریها بسیار بالا و در حدود ۹۰ درصد است. اگر ۱۰۰ کیلووات ساعت برق خورشیدی وارد این باتری کنید حدودا ۹۰ کیلووات ساعت آن را به شما پس خواهد داد.
در ذخیرهسازی با هوای فشرده یا CAES، حتی اگر از حرارت خورشیدی هم کمک بگیرید بازدهی ماکسیمم به ۷۰ درصد خواهد رسید و در اغلب اوقات حوالی ۵۰ درصد است. هر ۱۰۰ کیلووات ساعت ذخیره ← ۹۰ کیلووات ساعت بازگشت.
کارخانجات سوال سادهای را باید از خود بپرسند: من چقدر بزرگ هستم؟ برای ۹۰ درصد کارخانجات امروزی که از پانلهای خورشیدی استفاده میکنند، باتریها بهترین انتخاب هستند. CAES فقط برای سایتهای صنعتی بسیار بزرگ که به حفرههای زیرزمینی ارزان و عظیم همچون گنبدهای نمکی دسترسی دارند مناسب است.
اما فقط تصور کنید روزی را که شهرهای ایران با پنلهای خورشیدی پوشیده شوند، در تابستان ذخیره کنیم و در زمستان از منابع زیرزمینی هوای فشرده برق شهرها را تامین کنیم. این شهرهای زیرزمینی بایستی با کمپرسور مناسب و ویژهی گریز از مرکز راهاندازی شود. اما کارخانجاتی که انرژی خورشیدی خود را تولید میکنند میتوانند با سیستمهایی بسیار سادهتر و با کمک کمپرسور اسکرو به ذخیره انرژی به صورت هوای فشرده بپردازند. بخصوص اگر به گنبد نمکی یا معادن قدیمی دسترسی داشته باشند یا با مدیریت بهتر و یکپارچه محیطی را فراهم کنند.
سیستم ASTERIx-CAESar اتحادیهی اروپا
رویکردی تلفیقی اکنون با بودجهی اتحادیهی اروپا در اسپانیا به شکل نیروگاه پایلوت در حال تست است. در این فرآیند ابتدا برق تولیدی پنل خورشیدی کمپرسور هوایی را به کار می اندازد و هوای فشردهی تولیدی در حفرههای زیرزمینی مانند گنبدهای نمکی یا معادن متروکه ذخیره میشود.
همزمان سیستم CSP یا نیروگاه خورشیدی متمرکز نیز کار خود را میکند. با بکارگیری آینهها نور خورشید متمرکز شده و انرژی گرمایی مورد نیاز برای انبساط هوای فشرده ذخیره میشود. حرارت گفته شده در نمکهای مذاب و در دماهای بالای ۷۰۰ درجه سانتیگراد ذخیره میشود.
شبها، هنگام اوج مصرف، هفتههای ابری یا زمستان به سراغ این منابع میرویم. هوای فشرده آزاد میشود، با کمک حرارت ذخیره شده گرم میشود و سپس به توربین رفته و برق تولید میکند.
