تجدید پذیر، شارژ پذیر و خارق العاده

باتری های جریانی (Flow Batteries) می توانند انرژی ناپیوسته و «کم بازده» باد را به منبعی سبز و قابل اطمینان برای تأمین انرژی تبدیل كنند. باتری های جریانی می تواند نقطه اتصالی میان باتری های سربی- اسیدی و پیل های سوختی باشد. باتری های جریانی ازسال۱۸۸۰ به گونه ای دیگر موجودیت داشته اند و در کشتی بادی برای تأمین نیرو استفاده می شدند. پس از چند دهه بی اعتنایی در نیمه های دهه هشتاد، پژوهشگران استرالیایی و ژاپنی دوباره این ایده را برای تحقیقات خود به کار گرفتند. این باتری مشتق شده از پیل سوختی ثبت شده احیاپذیر رداکس با پایه وانادیمی است(VBR). باتری های جریانی VBR انرژی شیمیایی را به انرژی الکتریکی تبدیل می کنند. انرژی شیمیایی در شكل های متفاوت آیونی و انادیم درون الکترولیت اسید سولفوریک رقیق ذخیره می شود. الکترولیت از مخازن پلاستیکی مجزایی از طریق یک غشای تبادل پروتون به درون پیل سوختی پمپ می شود و در آنجا یکی از انواع الکترولیت به صورت الکتروشیمیایی اکسیده و از دیگری به صورت الکتروشیمیایی کاسته می شود. این فرآیند، جریان تولید می کند و این جریان به وسیله الکترودها گردآوری می شود و دراختیار مداری در خارج مجموعه قرار می گیرد. این واکنش برگشت پذیر است، در نتیجه باتری را می توان دوباره شارژ، دشارژ و ری شارژ کرد.از یک سو علاقه عمومی شدید به استفاده از انرژی های پاک و سردرگمی برنامه ریزان صنعت برق در استفاده از منابع نسبتاً جدید و پردردسر انرژی برای شبکه تحت فشار برق رسانی، تعیین الویت و انتخاب یکی از این دوسیاست را دشوار ساخته است. از سوی دیگر، مشتریان و رسانه ها موضع خود را مشخص کرده اند که انتظار دارند باد، خورشید و دیگر منابع تجدیدپذیر انرژی، نقش عمده ای در تولید برق جوامع مدرن امروزی بازی کنند. این اشتیاق محرک هایی همچون کیفیت هوا، بهداشت عمومی و امنیت انرژی را در پشت سر خود دارد.طرف دیگر ماجرا، برنامه ریزان تأسیسات هستند که تلاش می کنند تقاضای فزاینده و همیشگی به انرژی الکتریکی را تأمین و بار وارد شده بر شبکه توزیع و انتقال را با مصرف هماهنگ کنند. آنها در شگفتند که چگونه ۵ درصد انرژی ناپایدار را در شبکه توزیع دخیل کنند، در حالی که به آنها وعده ۲۰ درصد تأمین انرژی از این منابع داده شده بود. در تمام کنفرانس های مهندسی قدرت که در این اواخر برگزار شده اند، یک پرسش به فراوانی شنیده می شود: «اگر به هنگام نیاز مبرم بادی نوزد و یا وزش باد هنگامی دیگر بیش از حد نیاز باشد، چه کنیم؟» این مورد هم مشابه دیگر مواردی است که انتظارهای مشتریان با آنچه عرضه کنندگان ارائه می دهند، تفاوت بسیاری دارد و چاره این مشکل در استفاده از فناوری های نوین است. در این مورد فناوری ای که ایجاد پلی میان دو نقطه گسسته را نوید می دهد، فناوری ذخیره سازی انرژی الکتریکی خطوط انتقال قدرت است. شبكه های ذخیره سازی انرژی مدرن، توانایی ذخیره ده ها یا حتی صدها مگاوات- ساعت از انرژی را دارند و می توانند منابع ناپیوسته انرژی های تجدید پذیر را به انتخابی مطمئن و جذاب تبدیل كنند. این فناوری به نام باتری جریانی شناخته می شود و به نظر می رسد که مجموعه ای از مشخصات مورد نیاز برای تأمین خواست های مشتریان امروز وساخت شبكه تولید انرژی پاک و فراوان در آینده را دارد.پیش از این که به چگونگی استفاده از باتری های جریانی بپردازیم، بهتراست مشکلات و چالش های استفاده از باد، برای برنامه ریزان تأسیسات را مرور کنیم. در وهله نخست بسیاری از انرژی های تجدیدپذیر همیشگی نیستند و این به آن معنا است که همواره در دسترس نیستند و نمی توان آنها را برای جریان همیشگی برق نیروگاه ها و تأسیسات به کار برد. در نتیجه برای برنامه ریزان ومتولیان تأسیسات برق رسانی، هرگونه منبع ناپیوسته الکتریسیته قابل ارسال به خطوط در لحظه را نمی تواند تهیه کند. منبع ارسال پذیر انرژی را می توان هر زمان برای استفاده مصرف کنندگان در برنامه قرار داد. منابع سنتی تأمین انرژی مانند زغال سنگ، گاز طبیعی و نیروگاه های هسته ای حرارتی اگر مشکل فنی درشبكه پیش نیاید، پیوسته قابلیت تولید انرژی دارند. در میان انرژی های تجدیدپذیر، نیروگاه های هیدروالکتریکی و ژئوترمال نیز امکان تولید انرژی پیوسته را دارند و تنها محدودیت آنها ظرفیت های طبیعی منابع آنها است.دلیل این که قدرت ارسال انرژی dispatchbility اهمیت دارد این است که شبکه الکتریکی نیازمند تطابقی همیشگی و در لحظه میان انرژی الکتریکی تولیدی و مصرفی است. به جز بخش الکتریکی، همواره در چرخه عرضه انبار ذخیره ای میان تقاضا و عرضه وجود دارد، زیرا اصولاً در بخش الکتریکی امکان ذخیره نداریم.برای این که به تعادل عرضه برسیم، متولیان تأسیسات قدرت بر مجموعه ای از منابع تأمین انرژی تکیه می کنند. تأسیسات پایه ای زیربار، معمولاً نزدیک به حداکثر ظرفیتشان، توان تولید می کنند تا انرژی مورد نیاز را تأمین کنند. نیروگاه های زغال سنگ سوز به طورکلاسیک بیشترین بار مصرفی شبکه را تأمین می کنند. نیروگاه های کمکی وجود دارند که در هنگام اوج جریان مصرف یا کاهش شدید آن وارد عمل می شوند. در دهه های اخیر، تأسیساتی که گاز طبیعی را می سوزانند، به عنوان نیروگاه های واکنش سریع، در دسته بندی نیروگاه های کمکی (Peaking Plants) قرار می گیرند. مشتریانی وجود دارند که حاضرند برق مصرفی شان ساعاتی خاموش بماند و درعوض بهای کمتری بپردازند، این انتخاب نیز به تعادل مصرف شبکه کمک می کند.هنگامی که از منابع ناپیوسته برای تأمین انرژی شبکه استفاده کنیم، تطبیق بار مصرفی و انرژی تولیدی شبکه پیچیده می شود. حال، به جای پیش بینی دوره های مصرف روزانه و نوسان های مصرف درفصول مختلف، می باید زمانی را در نظر بگیریم که به طور پیش بینی نشده ده ها یا صدها مگاوات اضافه مصرف به ناگهان بر شبکه تحمیل می شود؛ با این که روش های متنوعی برای پیش بینی تغییرات ناگهانی مصرف به کار گرفته می شوند، به ویژه برای انرژی بادی، خود منبع خارج از کنترل برنامه ریزان انرژی تولید می کند. برای برنامه ریزان تأسیساتی، این تغییرات پیش بینی ناپذیر به دو شكل بروز می کنند: صعود ناگهانی و افت شدید.صعود ناگهانی تولید انرژی در انرژی های بادی و خورشیدی سبب هدر رفت اضافه توان تولیدی می شود و نیروگاه می باید شبكه را به تعادل نخستین خود بازگرداند. چالش بزرگ تر هنگامی رخ می دهد كه افت ناگهانی تولید داشته باشیم. هنگامی كه وزش باد قطع می شود یا ابری جلوی خورشید را سد می كند، نیروگاه می باید بی درنگ از منبع دیگری استفاده كند، راه حل دیگر این است كه مشتری برق دریافت نكند. متأسفانه با این كه نیروگاه های گازی می توانند به سرعت وارد عمل شوند، نزدیك به ۱۵ دقیقه یا بیشتر طول می كشد تا خروجی برق خود را با مصرف خروجی مطابقت دهند.
درسال های اخیر، تعدادی از فناوری های ذخیره سازی انرژی پیشنهاد شده اند تا بتوان منابع ناپیوسته تولید انرژی را پیوسته استفاده كرد و یا حداقل بتوان نرخ كاهش تولید انرژی میان قطع شدن تولید انرژی منابع غیردائم و واردشدن نیروگاه های كمكی را به حداقل رساند. سدهای هیدروالكتریكی در این زمینه هنوز هم از بهترین انتخاب ها هستند. این تأسیسات می توانند حتی سریع تر از نیروگاه های گازی واردعمل شوند و خلأ تولید را پركنند. درمناطقی كه میزان عمده ای انرژی از منابع بادی تولید می شود، می توان همان انرژی تولید شده را برای پمپ كردن آب پشت سد به درون مخازن ذخیره به كار برد؛ درنتیجه می توان انرژی تولیدی را برای بعدها ذخیره كرد. این نوع منبع آبی نسبتاً ارزان است و به خوبی با شبكه تولید انرژی بادی هماهنگ می شود، اما متأسفانه منابع آبی درآن نزدیكی ها نیست و به عكس.دیگر روش مورد استفاده برای ذخیره سازی انرژی، استفاده از هوای فشرده است. انرژی باد برای فشرده سازی هوا به كار می رود و آن را درمخزنی زیرزمینی ذخیره می كند، سپس هوای فشرده هنگام نیاز توربین را به حركت درمی آورد.محدودیت فنی برای اجرای این پروژه وجود ندارد. متأسفانه حفره های طبیعی مناسب برای ذخیره هوای فشرده در همه جا و امكان ساخت مخازن به تعداد بسیار زیاد وجود ندارد، درنتیجه این راه مشكل را حل نمی كند.باتری های سنتی الكتروشیمیایی كه شامل باتری های سربی- اسیدی می شوند، انتخابی دیگرند. برای مناطق مسكونی دور افتاده كه نیاز شدیدی به ذخیره سازی انرژی دارند، باتری های سربی- اسیدی قابل استفاده اند، زیرا مشكلات خاص خود را دارند وعلاوه بر هزینه و محدودیت های كارآیی، عمركاری آنها نیز پایین است. نصب باتری های سربی- اسیدی بزرگ نزچاره این مشكل نیست.مسلماً بدون درنظر گرفتن اقتصاد هیدروژنی، بحث انرژی های پاك كامل نخواهد شد. پیل های سوختی هیدروژن(یا دیگر سوخت ها) را بدون عمل احتراق به الكتریسیته تبدیل می كنند و تجاری ساختن آنها درسطح گسترده می تواند به طور باورناپذیری تولید انرژی در زندگی بشری ما را دگرگون سازد. برخی طرفداران پیل های سوختی روزی را پیش بینی می كنند كه مزارع بادی(توربین های بادی) و دیگر منابع پاك انرژی، توان لازم را برای الكترولیز آب در قیاس وسیع فراهم می آورند وهیدروژن تولیدی در پیل های سوختی چرخ های اقتصاد را توانمندانه به گردش درخواهد آورد. با این كه این رویا شبكه ای مطلوب برای تولید انرژی را تصویر می كند، هنوز مشكلات تكنولوژیك و اقتصادی فراوانی درپیش رو هستند.تمام این راه حل ها ما را به نوع جدیدی از باتری ها به عنوان راهگشای معضل ها هدایت می كند. باتری های جریانی اصولاً از دو بخش عمده تشكیل شده اند: سلول های به روی هم انباشته كه در آنجا توان از فرم الكتریكی به فرم شیمیایی تبدیل می شود و بخش دیگر، تانك های حاوی الكترولیت ها كه انرژی درآنها ذخیره می شود. پرطرفدارترین باتری جریانی در بازار از فناوری وانادیم ری داكس استفاده می كند كه از وانادیم شارژ شده در محلول رقیق شده اسید سولفوریك برای ذخیره سازی انرژی استفاده می كند.استفاده از باتری های جریانی برای شبكه برق این است كه آنها توانمندی های باتری های معمول و پیل های سوختی را با هم همراه می سازند. همانند پیل سوختی، عمر باتری های جریانی بالا است و بازده انرژی مناسبی دارند، درضمن با محیط زیست نیز سازگار هستند.تشابه دیگر آنها با پیل سوختی این است كه متغیر طراحی نرخ انرژی تولیدی سیستم جدا از نرخ توان محاسبه می شود. با افزایش میزان تانك های الكترولیتی، مقدار انرژی ای كه شبكه می تواند ذخیره وآزاد كند، افزایش می یابد. با افزایش پیل های روی هم انباشته می توان توان تولیدی شبكه را بالابرد.همانند باتری های سنتی، اما متفاوت از پیل های سوختی، باتری های جریانی شبكه ورودی و خروجی برق را هم زمان دارند. هیچ گونه منبع خارجی انرژی وجود ندارد. درعوض انرژی الكتریكی دریك زمان به شبكه وارد می شود و شبكه انرژی الكتریكی تا هنگام نیاز آتی، درمحلول های الكتروشیمیایی ذخیره می كند. برای استفاده درشبكه، قراردادن این باتری ها درآرایش تولیدكنندگان الكتریسیته نیاز به ایجاد سیستم توزیع جدید و یا استفاده از سوختی نو را برطرف می سازد.برخلاف پیل های سوختی، باتری های جریانی نیازمند منابع پرارزش و نایاب برای تغذیه خود نیستند. پیل های سوختی معمولاً از پلاتین یا دیگر كاتالیست های گران قیمت برای تسریع عمل اكسیداسیون استفاده می كنند. درعوض، ماده مورداستفاده درقلب پیل باتری جریانی و انادیم است كه فلزی فراوان و غیرسمی است، درحالی كه باتری جریانی كه از محلول الكترولیت استفاده می كند، همان چگالی انرژی را كه پیل سوختی هیدروژنی قادر به نگاهداری است، ندارد. برای بیشتر مصارف، شبكه های چگالی بالای انرژی، مهم ترین عامل طراحی محسوب نمی شود. به دلیل همین چگالی پایین انرژی است كه این پیل های جریانی برای خودروها استفاده نمی شوند، اما ظرفیت فراوانی برای این صنعت درمصارف برق وشبكه قدرت وجود دارد.توان تولیدی مزرعه بادی را می توان دراین شبكه ذخیره كرد و سطح برق خروجی را با حداقل نوسان تصحیح كرد؛ درنتیجه هنگام افزایش تولید برق به هنگام پركاری توربین ها و یا به هنگام قطع وزش باد، می توان برق را ذخیره و در زمان نیاز از آن استفاده كرد. درآن صورت مصرف كنندگان شاهد نوسان های جریان نخواهند بود و نیازی به تأسیس نیروگاه هایی با سوخت های گوناگون نخواهد بود.
منبع: ASME, online power & Energy Magazine
نویسندگان: مارك.تی.كوتز و جاستین داو

منبع : شبکه اطلاع رسانی شانا