نگاهی به باتری‌های گرانشی و قابلیت‌های آن‌ها برای حل مشکل ذخیره مطلوب انرژی الکتریکی
در قلب انقلاب انرژی‌های تجدیدپذیر، معمای بزرگی نهفته است. وقتی که باد می‌وزد یا آفتاب می‌تابد یا موج‌های دریاها و اقیانوس‌ها خروش کافی را دارند، می‌توان انرژی سبز فراوانی تولید کرد. بااین‌حال، هنگام ابری‌بودن هوا یا در ساعات شب و هنگامی که وزش باد به مقدار کافی نباشد، چه می‌توان کرد؟
درحالحاضر، پاسخ ما به این چالش افزایش تولید الکتریسیته و تأمین برق شبکه ازطریق سوزاندن بیشتر سوخت‌های فسیلی است. این راه‌حلی قرن‌بیستمی برای چالشی قرن بیست‌ویکمی است که در تضاد مستقیم با هدف دستیابی به انتشار کربن صفر خالص قرار دارد.
برخی کارشناسان می‌گویند داشتن آیندهای پاک در گروِ ساختن باتری‌های لیتیوم‌یونی بزرگتر است. برخی دیگر معتقدند هیدروژن سبز امید اصلی جهان برای داشتن آیندهای بهتر است؛ اما برخی دیگر به‌جای دل بستن به شیمی و دستاوردهای آن، به‌دنبال استفاده از نیروی فیزیکی نامحدودی هستند که همه ما را احاطه کرده است و آن چیزی نیست جز نیروی گرانش.
«هر چیزی که بالا می‌رود، باید پایین بیاید.» این قانون تغییرناپذیر نیوتونی اساس کار فناوری جدید ذخیره انرژی است. طراحی باتری‌های گرانشی به‌طور شگفت‌انگیزی ساده است: از انرژی تجدیدپذیر مازاد می‌توان برای جابه‌جایی جرمی سنگین به ارتفاع از‌پیش‌تعیین‌شده استفاده کرد و وقتی دسترسی به انرژی تجدیدپذیر محدود باشد، با رهاکردن وزنه و حرکت آن به‌سمت پایین دراثر نیروی گرانشی می‌توان یک ژنراتور را به‌کار انداخت.
- باتری گرانشی؛ چگونه می‌توان باکمک جاذبه بزرگ‌ترین مشکل منابع تجدیدپذیر را حل کرد؟
در نیروگاه‌های برق‌آبی از رویکرد مشابهی برای ذخیره انرژی استفاده می‌شود. هنگام تولید مازاد انرژی، آب به ارتفاع بالاتر پمپاژ می‌شود و در مواقع نیاز با بازکردن دریچه‌های سد آب به‌سمت ژنراتورهای برق‌آبی هدایت می‌شود. این سیستم پیش‌از‌این امتحان خود را پس داده است و درحالحاضر، ۹۰ درصد از ذخیره انرژی با ظرفیت بسیار زیاد در جهان بدین‌صورت انجام می‌شود.
بااین‌حال، مشکلات متعددی درزمینه انطباق‌پذیری روش ذخیرهی انرژی به‌صورت برق‌آبی وجود دارد. پروژه‌های برق‌آبی بسیار هزینه‌بر است و ساختگاه نیروگاه‌ها به اعتبار مالی زیادی نیاز دارد. همچنین، الزامات جغرافیایی سخت‌گیرانه‌ای درباره محل ساخت پروژه وجود دارد؛ چراکه ساخت نیروگاه‌های برق‌آبی فقط در مناطقی ممکن است که در آن آب فراوانی جریان داشته باشد. اگر به‌دنبال تحقق هدف انتشار کربن صفر خالص هستیم، باید به‌دنبال روش دیگری برای ذخیرهی انرژی بگردیم؛ سیستمی که بتوان آن را تقریباً در هر نقطه از زمین و به تعداد زیاد راه‌اندازی کرد.
باتری‌های گرانشی به روشی مشابه برق‌آبی عمل می‌کنند؛ روشی مبتنی‌بر متمرکز و هدایت آب در سربالایی قبل از رهاکردن آن ازطریق توربین‌ها برای تولید انرژی.
گرویتریسیتی (Gravitricity) نام استارت‌‌آپی مستقر در ادینبورگ است که در حوزه فناوری انرژی‌های تجدیدپذیر فعالیت می‌کند. مهندسان این شرکت در آوریل سال گذشته توانستند اولین نمونه از باتری‌های گرانشی خود متشکل از وزنه آهنی ۵۰ تنی آویزان‌شده از برجکی فولادی به ارتفاع ۱۵ متر را با موفقیت آزمایش کنند. موتورهای الکتریکی ابتدا جعبه فلزی سنگین را به بالای برجک منتقل و سپس با رهاکردن تدریجی آن و حرکت وزنه دراثر نیروی گرانش به‌سمت زمین، ژنراتورهای سیستم شروع به کار می‌کنند.
جیل مک‌فرسون، مهندس ارشد بخش شبیه‌سازی و آزمایش گرویتریسیتی، می‌گوید با اینکه تجهیزات آزمایش‌شده در مقیاس واقعی ساخته نشده بودند، ۲۵۰ کیلووات برق تولید کردند و این میزان برای تأمین چندساعته برق ۷۵۰ خانه کافی است. دراین‌بین، شاید دلگرم‌کننده‌ترین بخش از آزمایش اولین نمونه از باتری‌های گرانشی پی‌بردن به ظرفیت فراوان این فناوری باشد. مک‌فرسون دراینباره می‌گوید:
ثابت کردیم تا جایی که عمر مکانیکی تجهیزاتی مانند کابل بالابرنده اجازه بدهد، می‌توانیم روی سیستم تولید الکتریسیته کنترل داشته باشیم. این سیستم به‌گونه‌ای طراحی شده است که در‌صورت خرابی هر قطعه، به‌جای جایگزینی کل سیستم بتوان قطعه معیوب را جداگانه با قطعه جدید تعویض کرد. بنابراین، می‌توان گفت این سیستم احتمالاً برای ده‌ها سال بهره‌برداری‌شدنی باشد.
با اینکه نمونه‌های اولیه از باتری‌های شرکت گرویتریسیتی به‌سوی آسمان افراشته شده‌اند، مهندسان آن تمرکز خود را به زیرِ زمین معطوف کرده‌اند. آن‌ها در سال گذشته معادن زغال‌سنگ بلااستفاده واقع در انگلستان، شیلی، آفریقای‌جنوبی و اروپای‌شرقی را بررسی کردند. چارلی بلیر، مدیرعامل گرویتریستی، در توضیح این موضوع می‌گوید:
چرا باید برجک بسازیم؛ درحالی‌که می‌توانیم از جغرافیای فعلی زمین برای جابه‌جایی وزنه‌ها استفاده کنیم؟
استفاده از تجهیزات قدیمی برای مصارف جدید و پاک راه‌حل هوشمندانه‌ای به‌نظر می‌رسد. در گوشه‌وکنار دنیا، می‌توان معادن زغال‌سنگی را پیدا کرد که تونل‌های آن برای نصب تجهیزات باتری‌های گرانشی گرویتریسیتی در عمق ۳۰۰ متر و بیشتر به‌اندازه کافی عمیق هستند. بلیر می‌گوید برای انجام این کار اراده سیاسی لازم نیز وجود دارد؛ چراکه سیاست‌گذاران مایل‌اند از تمایل افکار عمومی به رویکرد «فقط گذار» نهایت بهره را ببرند.
طبق این سیاست در مرحله گذار به اقتصاد پاک و کم‌کربن، از اخراج نیروی کار فعال در حوزه صنایع سوخت‌های فسیلی جلوگیری و حفظ منابع درآمد این قشر تضمین می‌شود. بلیر معتقد است با اختصاص اعتبار کافی، ممکن است اولین نمونه از باتری‌های گرانشی زیرزمینی در سال ۲۰۲۴ در کشور جمهوری چک شروع به کار کند؛ اما پیش‌از‌آن باید مشکلات باقی‌مانده برای بهره‌برداری از آن حل شوند. بلیر دراینباره توضیح می‌دهد:
باید به‌دقت سازه‌های فعلی مانند دیواره تونل‌ها و اطراف دالان‌های معادن را بررسی کنیم تا از استحکام و توانایی آن‌ها در تحمل وزن بارهای چندهزار تنی مطمئن شویم. همچنین، خطرهای بالقوه‌ای درباره انتشار گاز متان و آب‌گرفتگی معادن دراثر سیل وجود دارد.
مدیران گرویتریسیتی با درنظرگرفتن این مسائل به‌دنبال حفر تونل‌های زیرزمینی مخصوص نیز هستند. با اینکه حفر تونل باعث افزایش هزینه‌های استفاده از باتری‌های گرانشی می‌شوند، خطر بروز حوادث سازه‌ای و تداخل بین عملکرد تجهیزات را کاهش می‌دهد.
استارتاپ انرژی Gravitricity قصد دارد از شفت‌های متروکه معادن برای تولید انرژی‌های تجدیدپذیر استفاده کند.
همه نوآوران عرصه انرژی‌های سبز به‌دنبال راه‌حل‌های زیرزمینی نیستند. در دره‌ای در جنوب سوئیس، یکی دیگر از شرکت‌های پیشرو درزمینه ساخت باتری‌های گرانشی به نام انرژی والت در حال آزمایش نمونه اولیه از محصول خود هستند.
این سازه عظیم از جنس فولاد و بتن که ارتفاعی بیش از یک ساختمان بیست‌طبقه دارد، هنگام پیشی‌گرفتن میزان تولید انرژی تجدیدپذیر بر مصرف ازطریق جرثقیل‌های کنترل‌شونده با کمک برنامه هوش‌مصنوعی یک جفت بلوک ۳۰ تنی را به ارتفاع بالاتر منتقل می‌کند. زمانی که میزان مصرف از تولید انرژی بیشتر باشد، وزنه‌ها به‌سمت حرکت و انرژی کافی برای تأمین برق هزاران خانه را تأمین می‌کنند.
- چگونه می‌توان از گرما برای ذخیره انرژی تجدیدپذیر استفاده کرد؟
موفقیت انرژی والت در آزمایش این فناوری باعث سرازیرشدن سرمایه‌گذاری‌های جدید به ارزش ۴۰۲ میلیون دلار شده و این شرکت امیدوار است نمونه‌های تجاری از محصول خود را به‌زودی روانه بازار کند. البته مهندسان قبل از شروع عرضه تجاری باتری‌های گرانشی خود، نیم‌نگاهی به بهبود زیبایی ظاهری آن‌ها انداخته‌اند.
نمونه‌‌ی تجاری محصول شرکت انرژی والت به نام EVx شبیه به ساختمانی مدولار است و می‌تواند ازطریق سیستم ترابری الکتریکی هزاران کیلوگرم وزنه را در ارتفاع بالا نگه دارد. رابرت پیکونی، مدیرعامل انرژی والت، در توضیح محصول شرکتش می‌گوید:
این سیستم را مانند انباری از آسانسورهای انرژی در نظر بگیرید. وقتی برق پاک تولید می‌شود، بلوک‌های ساخته‌شده از مواد بازیافتی به بالا حرکت می‌کنند و وقتی شبکه به برق بیشتر نیاز داشته باشد، این بلوک‌ها پایین می‌آیند و ژنراتورها شروع به کار می‌کنند. هر EVx با ظرفیت ذخیره ۱۰۰ مگاوات‌ساعت می‌تواند برق موردنیاز ۲۵ هزار خانه را به‌مدت یک روز تأمین کند.
ظرفیت ذخیره‌سازی هر باتری به اندازه تأسیسات و شکل کلی آن بستگی خواهد داشت؛ اما ساخت حتی کوچک‌ترین نوع از این سازه به ده‌ها هکتار زمین نیاز دارد. آیا این موضوع می‌تواند دردسرساز باشد؟ جواب پیکونی به این پرسش منفی است؛ چراکه سازه‌های باتری گرانشی آن‌ها به‌احتمال زیاد نزدیک مزارع بادی و خورشیدی و به دور از مناطق شهری ساخته خواهند شد. او می‌گوید:
لازم نیست چاه‌های عمیق حفر کنیم یا با فاکتورهای جغرافیایی دیگر محدود شویم. اساساً هرکجا که بتوان ساختمانی بیست‌طبقه احداث کرد، برای ما کفایت می‌کند.
به‌نظر می‌رسد راهکار انرژی والت باعث جلب توجه کشورهای مختلف شده است. فهرست سفارش‌های رسیده به این شرکت به‌سرعت در حال رشد است و کشورهای اروپایی و آمریکایی، خاورمیانه، استرالیا و چین به استفاده از این فناوری ابراز علاقه کرده‌اند. پیکونی می‌گوید مورد آخر بیش از همه او را به هیجان آورده است. او امیدوار است علاقه چین به فناوری انرژی‌های سبز نشانگر تغییر رویکرد بزرگ‌ترین انتشاردهنده گازهای گلخانه‌ای درقبال روش‌های تأمین انرژی خود باشد.
پایدار‌سازی شبکه
شاید این سخن رؤیاپردازانه به‌نظر برسد؛ اما همه کشورها دیر یا زود باید به استفاده از یکی از انواع انرژی‌های سبز روی بیاورند. در این صورت، نیاز به استفاده از تجهیزاتی برای ذخیره بلندمدت انرژی بیش از پیش احساس خواهد شد؛ سیستم‌هایی که بتوانند در مواقع محدودیت دسترسی به منابع انرژی تجدیدپذیر و کاهش تولید برق خلأ به‌وجود آمده را پر کنند. درواقع، باتری‌های گرانشی هنگام اوج مصرف برق می‌توانند نیاز شبکه به انرژی بیشتر را تأمین کنند.
دراین‌میان، مشکل مهم دیگری دربرابر توسعه‌دهندگان انرژی‌های سبز قرار دارد. شبکه‌های برق برای کار با نیروگاه‌های فعلی طراحی شده‌اند، نه نیروگاه‌های انرژی تجدیدپذیر. توماس مورستین، کارشناس مهندسی برق از دانشگاه ادینبورگ، درباره این موضوع توضیح می‌دهد:
پایداری شبکه دائماً باید حفظ شود. اوپراتورها همیشه باید بین میزان عرضه و تقاضا تعادل برقرار کنند. وقتی با انرژی بادی یا خورشیدی سروکار داشته باشید، انجام این کار دشوارتر خواهد شد؛ چراکه انرژی سبز ذاتا ناپایدار است و باعث بروز نوسان‌های ناگهانی در شبکه می‌شود.
وزن زیاد باتری‌های گرانشی درکنار کاهش آهسته ارتفاع وزنه‌ها، باعث تولید میزان زیادی گشتاور می‌شود و به سیستم اجازه می‌دهد حداکثر توان ممکن را در کمترین مدت‌زمان تولید کند. این ویژگی باتری‌های گرانشی می‌تواند به حفظ پایداری شبکه کمک کند و خطر واردآمدن آسیب‌های جدی به زیرساخت‌ها و وقوع خاموشی دراثر نوسان‌های لحظه‌ای را کاهش دهد.
معدن از‌رده‌خارج‌شده استاریک در جمهوری چک، یکی از مکان‌های بالقوه برای نیروگاه‌های ذخیره انرژی گرویتریسیتی.
آینده باتری‌های لیتیومی
باتری‌های شیمیایی به‌خصوص باتری‌های لیتیوم‌یونی به‌طور گسترده در ساخت تلفن‌های همراه، لپ‌تاپ و خودروهای الکتریکی استفاده می‌شوند. فناوری ساخت این باتری‌ها نیز همانند باتری‌های گرانشی شاهد پیشرفت‌های چشمگیر بوده و در سال‌های اخیر هزینه ساخت باتری‌های لیتیومی نیز کاهش پیدا کرده است. پس چرا نباید به‌سراغ راه‌حلی آسان‌تر، یعنی ساخت باتری‌های شیمیایی بزرگتر برویم؟
در پاسخ به این پرسش، باید علاوه‌‌بر هزینه‌های اولیه به هزینه نگه‌داری بلندمدت سیستم‌ها نیز توجه کرد. باتری‌های گرانشی درواقع تجهیزات مکانیکی هستند؛ بنابراین، ممکن است خراب شوند. شاید یک کابل پاره شود یا چرخ‌دنده آن گیر کند یا بخشی از آن زنگ بزند. این مسائل با وجود مشکل‌آفرین‌بودن، مخرب نیستند و باعث نابودی کامل سیستم نمی‌شوند؛ چون هر قطعه معیوب را تقریباً به‌آسانی می‌توان تعویض کرد.
متخصص ذخیره‌سازی انرژی از دانشگاه بین‌المللی رباط در مراکش به نام اسما برادا می‌گوید تعمیرپذیری باتری‌های گرانشی باعث افزایش عمر بهره‌برداری از آن‌ها تا ۵۰ سال می‌شود. بااین‌حال، داستان درباره باتری‌های الکتروشیمیایی متفاوت است. برادا معتقد است:
باتری‌های لیتیوم‌یونی فرسوده می‌شوند؛ یعنی توانایی آن‌ها در ذخیره انرژی به‌مرورزمان کاهش می‌یابد. ازلحاظ عمر مفید سیستم‌های ذخیره انرژی باید گفت باتری‌های شیمیایی با محدودیت تعداد چرخه روزانه نیز مواجه هستند. یکی از مزیت‌های باتری‌های گرانشی این است که لازم نیست درباره فرسودگی آن‌ها نگران باشیم؛ چون قطعات به‌راحتی تعویض‌شدنی هستند.
مطالعات برادا نشان داده است هزینه نگه‌داری و بهره‌برداری از باتری‌های لیتیومی دو برابر باتری‌های گرانشی است. گفتنی است نگرانی‌هایی درباره رعایت‌نشدن حقوق بشر و استفاده از کودکان کار در معادن کوبالت و تخریب محیط‌زیست به‌وسیله صنعت ساخت باتری‌های شیمیایی مطرح شده است.
برادا با اشاره به این موضوعات و نتایج تحقیقات خود به این نتیجه رسیده است که استفاده از ابزارهای غیرلیتیومی ذخیره‌سازی انرژی در آینده اجتناب‌ناپذیر خواهد بود. برادا و دیگر اعضای یک تیم تحقیقاتی در حال ساخت اولین نمونه از باتری‌های گرانشی از نوع آبی هستند. گفتنی است این پروژه را دولت‌های اسپانیا و مراکش تأمین مالی می‌کنند.
- در ماه آوریل تقریباً ۱۰۰ درصد برق کالیفرنیا از منابع انرژی تجدیدپذیر تأمین شد
برادا در توضیح نحوه کارکرد باتری‌های گرانشی آبی بر این باور است که انرژی سبز مازاد تولیدشده به‌جای بالا‌بردن یک جسم صلب بزرگ باعث حرکت رو‌به‌بالای یک پیستون داخل آب می‌شود و هنگام بازگشت پیستون به حالت اولیه آب با فشار زیاد به داخل ژنراتورها هدایت می‌شود.
گفتنی است سیستم‌های آبی مشابهی در کالیفرنیا و آلمان در حال توسعه هستند. همچنین، محققان ایالت نوادا در ایالات متحده مشغول بررسی روشی منحصربه‌فرد برای استفاده از راه‌آهن به‌منظور ذخیره انرژی هستند.
گفتن اینکه چه تعداد از این تلاش‌ها به‌ثمر خواهد رسید، غیرممکن است؛ اما واضح است که جهان برای حل مشکلات اقلیمی به راه‌حل‌های خلاقانه و جسورانه نیاز دارد. در این آوردگاه، هیچ سلاح جادویی نداریم؛ اما به‌نظر می‌رسد باتری‌های گرانشی با قابلیت خود در مهار نیروی نامحدود گرانشی می‌توانند بخش مهمی از این راه‌حل‌ها باشند.
