هوای مایع چیست و چرا آن را ذخیره می‌کنیم؟

همانطور که استفاده جهانی از برق تجدیدپذیر در حال افزایش است و برای اولین بار از ذغال سنگ پیشی گرفته، نیاز به ذخیره این انرژی هنگامی که خورشید نمی‌تابد و باد نمی‌وزد نیز به همان اندازه رو به افزیش است.

بعضی به باتری‌های لیتیومی در مقیاس شبکه روی می‌آورند و برخی دیگر به ذخیره‌سازی برق با آب پمپ‌شده یا نیروگاه‌های تلمبه ذخیره‌ای (Pumped-storage hydroelectricity). اما یک صنعت کوچک و البته در حال رشد نشان می‌دهد که راه‌حل بهتری نیز هست: باتری‌هایی که به هوا متکی هستند.

در نزدیکی روستای کارینگتون در شمال غربی انگلستان، پایه‌های بزرگترین تاسیسات تجاری ذخیره‌سازی انرژی با هوای مایع در جهان شکل می‌گیرد. انرژی ذخیره‌شده را می‌توان هنگامی که تقاضا از عرضه پیشی می‌گیرد، آزاد کرد.

اگر این پروژه موفق شود، پروژه‌های بیشتری به دنبال خواهد داشت. این تکنالوژی حالا گران است اما با توجه به اینکه نیاز به ذخیره‌سازی انرژی پاک در حال افزایش است، کارشناسان شرکت هایویو پاور معتقدند که در آینده کفهٔ ترازو به نفع هوای مایع سنگینی خواهد کرد.

مشکل انرژی تجدیدپذیر ناپایدار

تغییر به انرژی تجدیدپذیر برای کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای و جلوگیری از تاثیرهای منفی تغییرات اقلیمی ضروری است اما این کار برای شبکه‌های برق چالش‌هایی ایجاد می‌کند.

نیروگاه‌هایی که سوخت‌های فسیلی مانند ذغال سنگ و گاز را می‌سوزانند، تا حد زیادی می‌توانند به دلخواه روشن و خاموش شوند و زمان عرضه‌ قابل پیش‌بینی دارند که می‌تواند با تقاضا هماهنگ شود.

در مقابل، منابع تجدیدپذیر متناوب هستند. این بدان معناست که گاهی اوقات برق کافی تولید نمی‌شود که خطر قطعی برق در پی دارد و گاهی اوقات برق بیش از حد تولید می‌شود، مانند روزهای بسیار بادی، که می‌تواند به شبکه آسیب بزند.

بخش بزرگی از راه‌حل این است که انرژی مازاد را ذخیره کنیم تا بتوان آن را در مواقع نیاز، آزاد کرد. این کار به تضمین عرضه مطمئن کمک می‌کند و خطر آسیب به شبکه را به حداقل می‌رساند.

برای دهه‌ها، شکل اصلی ذخیره‌سازی انرژی، نیروگاه‌های تلمبه ذخیره‌ای بوده است. برق مازاد برای پمپ کردن آب به ارتفاعات استفاده می‌شود، جایی که آب پشت یک سد جمع می‌شود. وقتی انرژی مورد نیاز است، اجازه داده می‌شود آب از طریق توربین‌ها جریان یابد و برق تولید کند. در سال ۲۰۲۱، جهان ۱۶۰ گیگاوات ظرفیت تلمبه ذخیره‌ای داشت.

اخیرا، با افزایش تقاضا برای ذخیره‌سازی انرژی، سیستم‌های ذخیره‌سازی باتری در مقیاس بزرگ ساخته شده‌اند. به گفته آژانس بین‌المللی انرژی، ذخیره‌سازی باتری در مقیاس شبکه از یک گیگاوات در سال ۲۰۱۳ به بیش از ۸۵ گیگاوات در سال ۲۰۲۳ افزایش یافت که بیش از ۴۰ گیگاوات آن تنها در سال ۲۰۲۳ بود.

راه‌حل هوای مایع

ذخیره‌سازی انرژی با هوای مایع اما یک فن‌آوری نسبتا جدید است. ایده اصلی آن از سال ۱۹۷۷ وجود داشته است ولی تا این قرن توجه کمی به آن شد.

این فرآیند در سه مرحله کار می‌کند: ابتدا، هوا از محیط اطراف گرفته و تصفیه می‌شود. سپس هوا به طور مکرر فشرده می‌شود تا به فشار بسیار بالایی برسد و بعد هوا با استفاده از یک مبدل حرارتی چندجریانی آن‌قدر سرد می‌شود که به مایع تبدیل شود.

شیلین ستگن، مهندس شیمی در مؤسسه فن‌آوری ماساچوست، امریکا، می‌گوید: «انرژی‌ای که از شبکه می‌گیریم صرف این مرحله شارژ می‌شود.»

وقتی شبکه برق نیاز به انرژی اضافه دارد، هوا وارد مرحله تخلیه می‌شود: از مخزن خارج و دوباره تبخیر می‌شود، به گاز تبدیل می‌شود و توربین‌ها را می‌چرخاند و برق تولید می‌کند. در پایان هم هوا دوباره وارد جو می‌شود.

چالش اصلی این است که آن‌قدر ظرفیت ایجاد شود که بتواند گذار به انرژی پاک را واقعا سرعت دهد.

یک راهکار میان‌بر در مقیاس شبکه

تاسیسات جدید، که در نزدیکی روستای کارینگتون در حال ساخت است، بزرگترین پروژه در مقیاس تجاری در جهان خواهد بود. شرکت هایویو پاور این پروژه را می‌سازد که ۲۰ سال است در حال توسعه ذخیره‌سازی انرژی با هوای مایع است.

به گفته هایویو پاور، این تاسیسات در نهایت ۳۰۰ مگاوات ساعت ذخیره‌سازی و خروجی ۵۰ مگاوات به مدت شش ساعت خواهد داشت، که: «در نهایت به اندازه‌ای ذخیره‌سازی انرژی پاک و تجدیدپذیر را فراهم می‌کند که نیازهای ۴۸۰ هزار خانه را تامین کند.»

ریچارد باتلند، مدیر عامل شرکت، می‌گوید این پروژه در دو مرحله راه‌اندازی می‌شود. در ماه آگست ۲۰۲۶، قرار است توربین شروع به کار کند. این مرحله هنوز برق تولید نمی‌کند ولی به پایدارسازی شبکه برق کمک خواهد کرد.

باتلند می‌گوید که درحال حاضر اپراتورهای شبکه گاهی نیروگاه‌های گازی را برای تثبیت شبکه روشن می‌کنند: «این برای کل سیستم هزینه زیادی دارد» اما با این تکنالوژی «می‌توانیم جلوی این کار را بگیریم.»

در سال ۲۰۲۷ ذخیره‌سازی هوای مایع نیز عملیاتی خواهد شد و های‌ویو قصد دارد از طریق فروش برق در ساعات اوج تقاضا، درآمد کسب کند.

نتیجه نهایی

به گفتهٔ شیلین ستگن هرچند ذخیره‌سازی انرژی موردی ضروری به شمار می‌رود اما وضعیت اقتصادی آن پیچیده است. او و همکارانش در پژوهشی که ماه مارچ امسال منتشر شد، به صرفه بودن اقتصادی این فن‌آوری را در ۱۸ منطقه امریکا بررسی کردند.

آنها هشت سناریوی مختلف کاهش کربن را بررسی کردند و این که یک پروژه در طول ۴۰ سال چقدر می‌تواند از خرید و فروش برق درآمد داشته باشد.

این تکنالوژی در سناریویی که کربن به شدیدترین نحو کاهش پیدا کند، تنها در فلوریدا و تگزاس مقرون‌به‌صرفه بود و نه در جای دیگری. اما ستگن می‌گوید این نتیجه منفی نیست، چراکه معیارهای پژوهش بسیار محافظه‌کارانه بوده و سایر روش‌ها از جمله تلمبه‌‌ ذخیره‌ای و باتری‌ها، حتی کمتر اقتصادی بودند.

مشکل اصلی این بود که در سال‌های نخست هنوز انرژی تجدیدپذیر کافی در شبکه نبود تا نوسان قیمت را بالا ببرد: «در سال‌های اولیه، سیستم خیلی استفاده نمی‌شد.»

به گفته ستگن، شرکت‌ها می‌توانند چند سال صبر کنند تا سهم انرژی‌های تجدیدپذیر بالا برود ولی این کار به روند گذار انرژی لطمه می‌زند. در عوض، دولت‌ها می‌توانند با حمایت‌های مالی، مثل کمک به پرداخت هزینه‌های اولیه، این فناوری را مقرون به‌صرفه کنند.

افزایش سرعت توسعه انرژی‌های تجدیدپذیر نیز خود باعث افزایش نوسان قیمت و سودآوری بیشتر ذخیره‌سازی خواهد شد.

ستگن می‌گوید یک مزیت اصلی هوای مایع، «ارزان بودن» آن است. هزینه یک مگاوات‌ساعت انرژی ذخیره‌شده در طول عمر پروژه (که «هزینه هم‌سطح ذخیره‌سازی» نام دارد) برای هوای مایع می‌تواند تا ۴۵ دلار باشد؛ در حالی که همین رقم برای تلمبه‌‌ ‌ذخیره‌ای ۱۲۰ دالر و برای باتری لیتیومی ۱۷۵ دالر است.

او می‌گوید: «اگرچه هیچ‌کدام بدون سیاست حمایتی فعلا به طور کامل اقتصادی نیستند، اما ذخیره‌سازی هوای مایع برای مقیاس‌های بزرگ گزینه‌ای به‌صرفه‌تر است.»

در نهایت، باتلند انتظار دارد که شبکه‌های برق بر ترکیبی از فناوری‌های ذخیره‌سازی تکیه کنند. تلمبه ذخیره‌ای بسیار موثر است و دهه‌ها کار می‌کند اما به موقعیت مکانی وابسته است زیرا به منبع آب نیاز دارد.

در همین حال، باتری‌ها بسیار کارآمد هستند و می‌توانند در هر مکانی قرار گیرند، اما باید پس از حدود ۱۰ سال تعویض شوند. هوای مایع این مزیت را دارد که می‌تواند انرژی را طولانی‌تر از باتری‌ها و با حداقل تلفات ذخیره کند.

باتلند می‌گوید با ورود هر کشور به گذار انرژی، شبکه‌های برق باید بازطراحی شوند: «ما در حال بازسازی همه شبکه‌های برق جهان بر اساس نسل جدید انرژی هستیم.»

این می‌تواند به معنای مقدار زیادی ذخیره‌سازی انرژی با هوای مایع باشد.