باتری‌های گرانشی؛ تلاشی برای رفع یکی از بزرگترین مشکلات انرژی‌های تجدیدپذیر
انقلاب انرژی‌های تجدیدپذیر در دل خود معمای عجیبی دارد: زمانی که باد نمی‌وزد، هوا ابری است و موجی در دریا دیده نمی‌شود، چه باید کرد؟ گروهی از دانشمندان می‌خواهند در این مواقع از باتری‌های گرانشی استفاده کنند تا انرژی مورد نیاز مردم همواره در دسترس آن‌ها قرار بگیرد.
بسیاری از کشورها در حال حاضر در اوقاتی که منابع انرژی تجدیدپذیر در دسترس نیستند، به‌سراغ سوزاندن سوخت‌های فسیلی می‌روند. از سوی دیگر، عده‌ای از کارشناسان می‌گویند باید اندازه باتری‌های لیتیوم-یونی را افزایش داد تا با ذخیره‌سازی انرژی در این شرایط پاسخگوی نیاز مردم باشیم. بعضی افراد به استفاده از هیدروژن پاک امیدوارند. اما برخی دیگر می‌خواهند از نیرویی استفاده کنند که به شکل نامحدود در دسترس ما قرار دارد: گرانش.
طبق قواعد نیوتن، آن‌چه بالا می‌رود باید پایین بیاید. حوزه جدید ذخیره‌سازی انرژی هم دقیقا به همین اندازه ساده و سرراست کار می‌کند. دانشمندان می‌گویند زمانی که انرژی‌های پاک فراوان هستند، باید با مازاد انرژی یک وزنه را تا یک ارتفاع مشخص بالا برد. سپس وقتی تولید انرژی محدود شد، این وزنه رها می‌شود تا در حین پایین آمدن با نیروی گرانش برق تولید کند.
رویکرد دیگری که تحت عنوان «تلمبه آب» شناخته می‌شود، بیش از 90 درصد ظرفیت فعلی ذخیره‌سازی انرژی در جهان را تشکیل می‌دهد. در این روش، آب با مازاد انرژی به سمت بالا برده می‌شود و بعد در هنگام نیاز از طریق ژنراتورهای برق آبی به پایین برمی‌گردد. این سیستم تاکنون بارها آزمایش و ثابت شده اما هنوز در زمینه مقیاس‌پذیری با مشکلاتی مواجه است.
پروژه‌های آبی معمولا بزرگ و پرهزینه‌اند. به‌علاوه، استفاده از این سیستم محدود به مناطق جغرافیایی خاص است. بنابراین، اگر جهان واقعا می‌خواهد تولید کربن را به صفر برساند، باید یک سیستم ذخیره‌سازی انرژی داشته باشد که در هر مکان و با هر مقیاسی قابل استفاده باشد.
باتری‌های گرانشی استارتاپ Gravitricity
استارتاپ Gravitricity سعی دارد به این هدف دست پیدا کند. این شرکت آوریل پارسال اولین نمونه اولیه باتری گرانشی خود را به آزمایش گذاشت. این نمونه اولیه یک برج فولادی 15 متری بود که یک وزنه آهنی 50 تنی را نگه می‌داشت. موتور الکتریکی این برج آرام آرام این جعبه فلزی سنگین را به سمت بالا میبرد و بعد آن را رها می‌کند تا ژنراتورهای الکتریکی از پایین آمدن وزنه برق تولید کنند.
«جیل مک‌فرسن»، مهندس ارشد آزمایش و شبیه‌سازی Gravitricity می‌گوید این نمونه اولیه در مقیاس کوچک پیاده‌سازی شد اما توانست به‌صورت آنی 250 کیلووات برق تولید کند. این مقدار برق برای تامین انرژی حدود 750 خانه کافی بود. نکته مهم بعدی این بود که این آزمایش نشان داد طول عمر این سیستم می‌تواند چقدر باشد.
مک‌فرسن می‌گوید: «ثابت کردیم که می‌توانیم سیستم را کنترل کنیم تا طول عمر برخی از قطعات مکانیکی از جمله کابل بالابر را افزایش دهیم. به‌علاوه، این سیستم طوری طراحی شده که هر قطعه بدون نیاز به تعویض کل سیستم قابل تعویض باشد. بنابراین می‌توان امید داشت که طول عمر عملیاتی سیستم به چند دهه برسد.»
با وجود این که Gravitricity در نمونه اولیه خود روی زمین کار کرد، اما حالا تمرکز خود را به فعالیت در زیر زمین گذاشته است. مهندسان این استارتاپ در یک سال گذشته مشغول بررسی معادن زغال‌سنگ بلااستفاده در بریتانیا، شرق اروپا، آفریقای جنوبی و شیلی بوده‌اند. «چارلی بلر» از مدیران Gravitricity می‌گوید علت انتخاب این رویکرد جدید واضح است: «چرا روی زمین برج بسازیم، وقتی می‌توانیم از ژئولوژی زمین برای بالا نگه داشتن وزنه‌ها استفاده کنیم؟»
این ایده بسیار جذاب به نظر می‌رسد. زمین پر از معادن عمیقی است که می‌توانند میزبان تجهیزات این استارتاپ باشند. افزون بر این، بلر می‌گوید عزم سیاسی هم از ایده آن‌ها حمایت می‌کند چون سیاست‌مداران مایل به پشتیبانی از ایده‌ای موسوم به «گذار عادلانه» هستند؛ ایده‌ای که در هنگام عبور از اقتصاد فسیلی، زندگی کارگران صنعت نفت و شهرهای نفتی را هم در نظر می‌گیرد. بنابراین، پروتوتایپ این سازه زیرزمینی با سرمایه‌گذاری کافی احتمالا تا سال 2024 آماده می‌شود. اما ابتدا باید بر چالش‌ها غلبه کرد.
بلر توضیح می‌دهد: «باید سازه‌های موجود را به‌طور دقیق بررسی کنیم و مطمئن شویم که همه‌چیز ایمن است و توانایی نگه داشتن هزاران تن وزن را دارد. بحث ایمنی در خصوص گاز متان و سرازیر شدن سیل به معادن هم وجود دارد.»
استارتاپ Energy Vault
همه نوآوران حوزه انرژی به دنبال راهکارهای زیرزمینی نیستند. در دره‌ای در جنوب سوئیس، نمونه اولیه استارتاپ Energy Vault در قالب برجی به ارتفاع 20 طبقه سیستم خودش را ساخته است. این پروتوتایپ هم با کمک هوش مصنوعی از مازاد انرژی‌های پاک استفاده می‌کند تا یک جفت بلوک 30 تنی را بالا ببرد. زمانی که شبکه برق دچار کمبود شد، بلوک‌ها پایین فرستاده می‌شوند تا انرژی مورد نیاز هزاران خانه تامین شود.
شرکت Energy Vault با انجام آزمایش‌های لازم، توانسته 402 میلیون دلار سرمایه جذب کند و حالا آماده استفاده تجاری از این فناوری است. منتها حالا پروتوتایپ آن‌ها کمی تغییر کرده و به یک ساختمان ماژولار تبدیل شده که EVx نام دارد و هزاران وزنه را نگه می‌دارد.
«رابرت پیکونی»، مدیرعامل Energy Vault می‌گوید: «به این سیستم به عنوان انبار آسانسورهای انرژی نگاه کنید. وقتی برق پاک وارد سیستم می‌شود، بلوک‌ها که از مواد بازیافتی ساخته شده‌اند بالا می‌روند. وقتی شبکه برق به انرژی نیاز پیدا کرد، بلوک‌ها پایین برمی‌گردند. یک EVx با ظرفیت 100 مگاوات ساعت می‌تواند انرژی یک روز حدود 25 هزار خانه را تامین کند.»
ظرفیت هر ساختمان به اندازه و چیدمان آن بستگی دارد، اما هر ساختمان در کمترین حالت چند هکتار زمین را اشغال می‌کند. آیا این مسئله مشکل‌ساز نخواهد بود؟ پیکونی می‌گوید نه، چون سیستم‌ها احتمالا در نزدیکی نیروگاه‌های بادی و خورشیدی قرار می‌گیرند و فاصله زیادی با محیط‌های شهری دارند: «لازم نیست سوراخ‌های عمیقی حفر کنیم و از نظر مکانی با محدودیت بزرگی روبرو نمی‌شویم. اساساً هر جایی که امکان احداث ساختمان‌های 20 طبقه وجود داشته باشد، می‌توان از این سیستم استفاده کرد.»
چین هم به باتری‌های گرانشی علاقه نشان داده است
ایده Energy Vault با استقبال خوبی روبرو شده، چرا که سفارش‌های زیادی از اروپا، آمریکا، خاورمیانه، استرالیا و چین به این شرکت ارسال شده است. پیکونی می‌گوید ابراز علاقه چین برای آن‌ها بسیار جذاب است و امیدوارند در بزرگترین کشور تولیدکننده گازهای گلخانه‌ای در جهان تفاوت مهمی ایجاد کنند.
این هدف‌گذاری شاید کمی جاه‌طلبانه به نظر برسد، اما همه کشورها دیر یا زود باید به دنبال نوعی از فناوری‌های ذخیره‌سازی انرژی‌های پاک باشند. دولت‌ها باید بتوانند انرژی را برای مدت طولانی ذخیره کرده و در زمان نیاز درخواست‌های شبکه را تامین کنند. اینجاست که مشکل مهم بعدی بر سر راه توسعه‌دهندگان انرژی‌های پاک مطرح می‌شود: شبکه‌های برق طوری طراحی شده‌اند که با نیروگاه‌های مرسوم کار کنند نه با سیستم‌های تامین انرژی تجدیدپذیر.
«توماس مورستین»، مهندس برق دانشگاه ادینبرو می‌گوید: «شبکه برق همواره باید در تعادل باشد. اپراتورها دائما باید عرضه و تقاضا را تراز کنند، اما وقتی با یک پدیده تناوبی مثل باد یا خورشید سروکار دارید که مستعد تغییرات ناگهانی هستند، شرایط سخت می‌شود.»
وزن بالای باتری گرانشی در ترکیب با حرکت آهسته آن در پایین آمدن و تولید گشتاور بالا، به سیستم اجازه می‌دهد تقریبا به‌صورت آنی حداکثر توان را ارائه کند. به همین خاطر، این فناوری در حفظ موازنه در شبکه بسیار خوب عمل می‌کند و ریسک آسیب‌های ساختاری جدی و خاموشی را کاهش می‌دهد.
آیا نمی‌توان از باتری‌های لیتیومی استفاده کرد؟
باتری‌های لیتیوم-یونی که در گوشی‌ها، لپ‌تاپ‌ها و خودروهای برقی به کار می‌روند هم می‌توانند به عنوان یک راهکار جایگزین استفاده شوند. هزینه تولید سلول‌های لیتیومی در سال‌های اخیر کاهش چشمگیری داشته است؛ بنابراین چرا نمی‌توان به سراغ ساخت باتری‌های شیمیایی بزرگ‌تر رفت؟
در پاسخ به این سوال نه تنها باید هزینه اولیه را در نظر گرفت، بلکه باید هزینه کل در طول عمر سیستم را محاسبه کرد. باتری‌های گرانشی ابزارهای مکانیکی هستند که احتمال خرابی دارند. ممکن است یک کابل پاره شود یا چرخ‌دنده‌ها درون یکدیگر گیر کنند. این اتفاقات مشکل‌سازند اما فعالیت کل سیستم را تهدید نمی‌کنند. هر قطعه تقریبا به راحتی قابل تعویض است. «اسما برادا» از دانشگاه بین‌المللی رباط مراکش می‌گوید «قابلیت تعویض» یعنی باتری‌های گرانشی می‌توانند حداکثر 50 سال عمر کنند.
ولی شرایط در خصوص باتری‌های الکتروشیمیایی فرق می‌کند. سلول‌های لیتیوم-یونی به مرور زمان فرسوده می‌شوند، یعنی ظرفیت آن‌ها کم‌کم به شکل جبران‌ناپذیری پایین می‌آید. اسما برادا طی تحقیقاتی متوجه شده که هزینه کل طول عمر باتری‌های لیتیومی دو برابر سیستم‌های مکانیکی است: «به‌علاوه، اگر می‌خواهید در بلندمدت از باتری‌های لیتیومی استفاده کنید، این فناوری از نظر چرخه مصرف روزانه محدودیت دارد. ولی درباره سیستم‌های گرانشی چنین نگرانی وجود ندارد چون قطعات آن‌ها به راحتی قابل تعویض هستند.»
اگر مباحث مربوط به آزارهای حقوق بشری در معادن استخراج کبالت و آسیب‌های زیست‌محیطی را به این معادله اضافه کنید، می‌توانید بهتر درک کنید که چرا شرکت‌ها به سراغ استفاده از باتری‌های لیتیوم-یونی نرفته‌اند. برادا و تیمش در حال آزمایش نوع دیگری از باتری گرانشی بر پایه آب هستند که سرمایه آن توسط دولت‌های مراکش و اسپانیا تامین شده است.
در این روش به جای بلند کردن یک وزنه سنگین، از مازاد انرژی‌های پاک برای حرکت دادن پیستون‌های زیرآبی به سمت بالا استفاده می‌شود. این پیستون‌ها در برگشت به سمت پایین آب را با فشار زیاد به ژنراتور وارد و برق تولید می‌کنند. سیستم‌های مشابهی در کالیفرنیای آمریکا و آلمان هم در دست توسعه قرار دارند.
در حال حاضر نمی‌توان پیش‌بینی کرد که چند سازوکار برای استفاده از نیروی گرانش تجاری‌سازی خواهد شد. ولی با اطمینان می‌توان گفت که جهان به راهکارهای انقلابی برای تغییر شرایط اقلیمی نیاز دارد. از این رو، به نظر می‌رسد که باتری‌های گرانشی می‌توانند راهکار مناسبی برای حل مشکل استفاده گسترده‌تر از انرژی‌های تجدیدپذیر باشند.
