مقایسه فناوریهای ذخیرهسازی انرژی بلندمدت: هیدرو پمپاژ، هوای فشرده و باتریهای جریانی
با گسترش تولید انرژیهای تجدیدپذیر، اپراتورهای شبکه به طور فزایندهای به ذخیرهسازی انرژی بلندمدت روی آوردهاند تا نوسانات چند روزه را مدیریت کنند. در حالی که هیدرو پمپاژ همچنان فناوری غالب است، هوای فشرده و باتریهای جریانی به عنوان جایگزینهای مقیاسپذیر برای ایجاد تعادل در سیستمهای قدرت کربنزدایی شده در حال ظهور هستند.
به قلم سامان جعفری
این خبر را به اشتراک بگذارید
- برنامهریزان قابلیت اطمینان شبکه
- ثبات سیستم و نیاز به ظرفیت قابل توزیع چند روزه برای جایگزینی نیروگاههای سوخت فسیلی در حال بازنشستگی را در اولویت قرار میدهند.
- توسعهدهندگان فناوری ذخیرهسازی
- بر مقیاسبندی فناوریهای جایگزین مانند باتریهای جریانی و CAES برای غلبه بر محدودیتهای جغرافیایی هیدرو پمپاژ تمرکز میکنند.
- سیاستگذاران انرژی
- بر لزوم کمکهای مالی هدفمند و اصلاحات بازار برای پر کردن شکاف تجاریسازی راهحلهای ذخیرهسازی نوظهور تأکید میکنند.
پرسشهای متداول
چرا نمیتوانیم فقط از باتریهای لیتیوم-یون برای همه چیز استفاده کنیم؟
باتریهای لیتیوم-یون برای ذخیرهسازی کوتاهمدت (معمولاً ۲ تا ۴ ساعت) و جابجایی انرژی روزانه بسیار کارآمد هستند. با این حال، مقیاسبندی آنها برای تأمین برق پشتیبان مداوم برای روزها یا هفتهها در حال حاضر از نظر هزینه مقرون به صرفه نیست و این امر فناوریهای جایگزین را برای نیازهای بلندمدت ضروری میسازد.
تأسیسات هیدرو پمپاژ در کجا میتوانند ساخته شوند؟
هیدرو پمپاژ نیازمند ویژگیهای توپوگرافی خاص است، به ویژه اختلاف ارتفاع قابل توجه بین دو منبع بزرگ آب. این محدودیت جغرافیایی، مکانهایی را که میتوان در آنها تأسیسات جدید توسعه داد، محدود میکند و نیاز به روشهای ذخیرهسازی جایگزین را افزایش میدهد.
آیا باتریهای جریانی ایمن هستند؟
بله، باتریهای جریانی عموماً بسیار ایمن تلقی میشوند. برخلاف برخی از شیمیهای لیتیوم-یون، الکترولیتهای مایع مورد استفاده در باتریهای جریانی معمولاً غیرقابل اشتعال هستند و در دمای محیط کار میکنند، که خطر آتشسوزی را به طور قابل توجهی کاهش میدهد.
ذخیرهسازی هوای فشرده چه تأثیری بر محیط زیست دارد؟
در حالی که CAES ردپای سطحی کوچکتری نسبت به هیدرو پمپاژ دارد، سیستمهای سنتی برای گرم کردن هوای در حال انبساط نیاز به سوزاندن مقداری گاز طبیعی دارند. طرحهای پیشرفته در حال توسعه هستند تا گرمای تولید شده در طول فشردهسازی را جذب و دوباره استفاده کنند و هدف آنها انتشار صفر است.
نکات کلیدی
- ذخیرهسازی انرژی بلندمدت (LDES) برای مدیریت نوسانات چند روزه انرژیهای تجدیدپذیر و جایگزینی نیروگاههای پایه سوخت فسیلی که در حال بازنشستگی هستند، ضروری است.
- نیروگاههای برق آبی پمپاژ-ذخیرهای همچنان فناوری غالب LDES هستند و ظرفیت عظیمی ارائه میدهند، اما با محدودیتهای شدید جغرافیایی و سرمایهای مواجهاند.
- ذخیرهسازی انرژی هوای فشرده (CAES) با استفاده از سازندهای زمینشناسی زیرزمینی گسترده، پشتیبانی مقیاسپذیر و بلندمدت را فراهم میکند.
- باتریهای جریانی، توان را از ظرفیت جدا میکنند و امکان ذخیرهسازی مایع ایمن و بسیار ماژولار را فراهم میآورند که میتواند برای هزاران چرخه کار کند.
- دولتها و اپراتورهای شبکه در حال تسریع سرمایهگذاریها و کمکهای مالی برای پر کردن شکاف تجاریسازی راهحلهای نوظهور ذخیرهسازی غیرهیدرو هستند.
برق مورد نیاز خانهها، بیمارستانها و مراکز داده در حال تجربه یک تغییر اساسی در نحوه ذخیره و توزیع است. با افزایش اتکای شبکه برق جهانی به تولید باد و خورشید که وابسته به شرایط آب و هوایی هستند، چالش دیگر صرفاً تولید انرژی پاک نیست، بلکه اطمینان از دسترسی به آن در طول دورههای طولانی کمبادی یا آسمان ابری است. این نیاز، موجی از سرمایهگذاری و حمایتهای نظارتی را برای فناوریهای ذخیرهسازی انرژی بلندمدت (LDES) که قادر به تأمین برق برای ۱۰ تا ۱۰۰ ساعت یا بیشتر هستند، به دنبال داشته است.[1][7]
مقیاس این چالش بسیار بزرگ است. در اروپا، یک تحلیل اخیر توسط Eurelectric-AFRY نشان داد که هر گیگاوات LDES میتواند با کاهش محدودیت تولید تجدیدپذیر و تسهیل ازدحام شبکه، سالانه ۱۵۰ تا ۲۵۰ میلیون یورو صرفهجویی در هزینههای عملیاتی متغیر در سطح سیستم ایجاد کند. در ایالات متحده، وزارت انرژی (DOE) LDES را به عنوان سیستمهایی تعریف کرده است که قادر به تأمین برق برای ۱۰ ساعت یا بیشتر هستند و یک برنامه آزمایشی ۱۰۰ میلیون دلاری را برای پیشبرد این فناوریها به سمت دوام تجاری آغاز کرده است. در سراسر جهان، اپراتورهای شبکه اذعان دارند که باتریهای استاندارد لیتیوم-یون، که معمولاً طی دو تا چهار ساعت تخلیه میشوند، نمیتوانند رویدادهای آب و هوایی چند روزه را پوشش دهند.[1][2][7]
در حال حاضر، ستون فقرات انعطافپذیری بلندمدت شبکه، نیروگاههای برق آبی پمپاژ-ذخیرهای (PSH) هستند. این فناوری بالغ شامل پمپاژ آب از یک مخزن پایینی به یک مخزن بالایی در زمانی است که برق فراوان و ارزان است. هنگامی که تقاضا به اوج میرسد، آب از طریق توربینها به پایین رها میشود تا برق تولید کند. هیدرو پمپاژ بخش عمده ظرفیت ذخیرهسازی انرژی جهانی را تشکیل میدهد و بازدهی رفت و برگشت بالا و طول عمری که میتواند از ۵۰ سال فراتر رود، ارائه میدهد.[2][5][7]
تحولات اخیر بر اتکای مستمر به این روش تثبیتشده تأکید دارند. در کانادا، شرکت TC Energy اخیراً Worley را برای پیشبرد توسعه یک پروژه عظیم ذخیرهسازی پمپاژی با ظرفیت ۱ گیگاوات و ۱۱ گیگاوات ساعت در انتاریو منصوب کرد. با این حال، هیدرو پمپاژ از نظر جغرافیایی محدود است. این فناوری نیازمند ویژگیهای توپوگرافی خاص است – به ویژه، تغییرات ارتفاعی قابل توجه و دسترسی به حجم زیادی از آب – و اغلب با فرآیندهای طولانی اخذ مجوز، بررسیهای زیستمحیطی و هزینههای اولیه سرمایهای بالا مواجه میشود.[5][7]
در نتیجه، اپراتورهای شبکه به طور فزایندهای به دنبال فناوریهای جایگزین LDES هستند که میتوانند در طیف وسیعتری از مکانها مستقر شوند. یکی از این جایگزینها، ذخیرهسازی انرژی هوای فشرده (CAES) است. این فناوری از برق مازاد برای به کار انداختن کمپرسورهایی استفاده میکند که هوا را به داخل سازندهای زمینشناسی زیرزمینی، مانند غارهای نمکی، آبخوانها یا میادین گازی تخلیه شده، فشرده میکنند. هنگامی که به برق نیاز است، هوای بسیار فشرده شده آزاد، گرم و از طریق یک توربین منبسط میشود تا برق تولید کند.[2][7]
CAES مزیت ذخیرهسازی در مقیاس بزرگ و بلندمدت را بدون نیاز به الزامات سختگیرانه توپوگرافی سطحی هیدرو پمپاژ ارائه میدهد. اگرچه این فناوری همچنان به سازندهای زمینشناسی خاصی متکی است، اما این ساختارهای زیرزمینی توزیع گستردهتری نسبت به سایتهای مناسب هیدرو پمپاژ دارند. این فناوری میتواند برق پشتیبان را برای روزها یا حتی هفتهها تأمین کند و آن را به یک جزء حیاتی برای مدیریت تغییرات فصلی در تولید انرژی تجدیدپذیر تبدیل میکند. با این حال، سیستمهای سنتی CAES برای گرم کردن هوای در حال انبساط به گاز طبیعی نیاز دارند که مقداری آلایندگی تولید میکند، اگرچه طرحهای پیشرفته CAES آدیاباتیک قصد دارند گرمای فشردهسازی را جذب و دوباره استفاده کنند تا به انتشار صفر دست یابند.[2][7]
دسته اصلی سوم LDES، باتری جریانی است. برخلاف باتریهای متداول لیتیوم-یون که انرژی را در الکترودهای جامد ذخیره میکنند، باتریهای جریانی انرژی را در الکترولیتهای مایع موجود در مخازن خارجی ذخیره میکنند. توان خروجی (که بر حسب مگاوات اندازهگیری میشود) توسط اندازه پشته سلول الکتروشیمیایی تعیین میشود، در حالی که ظرفیت ذخیرهسازی (که بر حسب مگاوات ساعت اندازهگیری میشود) کاملاً توسط اندازه مخازن خارجی مشخص میشود.[7]
برخلاف باتریهای متداول لیتیوم-یون که انرژی را در الکترودهای جامد ذخیره میکنند، باتریهای جریانی انرژی را در الکترولیتهای مایع موجود در مخازن خارجی ذخیره میکنند.
این جداسازی توان و ظرفیت، باتریهای جریانی را بسیار مقیاسپذیر و به ویژه برای کاربردهای بلندمدت مناسب میسازد. برای دو برابر کردن مدت زمان تخلیه یک باتری جریانی، توسعهدهندگان به سادگی مخازن بزرگتری از الکترولیت نصب میکنند، به جای خرید سلولهای باتری کاملاً جدید. باتریهای جریانی، مانند سیستمهای ردوکس وانادیوم یا مبتنی بر آهن، میتوانند برای هزاران چرخه با حداقل تخریب کار کنند و عمر عملیاتی طولانیتری نسبت به سیستمهای استاندارد لیتیوم-یون ارائه دهند.[2][7]
این باتریها ذاتاً ایمنتر نیز هستند، زیرا الکترولیتهای مایع معمولاً غیرقابل اشتعال بوده و در دمای محیط کار میکنند. با این حال، در حال حاضر با چالشهایی مرتبط با چگالی انرژی پایینتر – به این معنی که به فضای فیزیکی بزرگتری نیاز دارند – و هزینههای اولیه سرمایهای بالاتر در مقایسه با فناوریهای باتری تثبیتشده مواجه هستند. زنجیرههای تأمین برای موادی مانند وانادیوم نیز کمتر از مواد لیتیوم و کبالت توسعه یافتهاند.[7]
فوریت تجاریسازی این جایگزینها به سرعت در حال افزایش است. در بریتانیا، دولت اخیراً چالش ذخیرهسازی انرژی فوقبلندمدت ۲۸ میلیون پوندی را راهاندازی کرده است که کمکهای مالی را برای حمایت از توسعه فناوریهایی که قادر به تأمین برق پاک برای ۱۰۰ ساعت یا بیشتر هستند، ارائه میدهد. این ابتکار به طور خاص سیستمهای الکتروشیمیایی پیشرفته و راهحلهای ذخیرهسازی زیرزمینی را هدف قرار داده تا اتکا به پشتیبانهای گرانقیمت سوخت فسیلی در طول دورههای طولانی کاهش تولید باد را کاهش دهد.[4]
در همین حال، حجم خالص ذخیرهسازی مورد نیاز، باعث گسترش سریع بازار میشود. در آلمان، اپراتورهای شبکه ظرفیت ذخیرهسازی باتری را برای اتصال در سال ۲۰۲۵ بیش از سه برابر سال قبل تأیید کردند. این ظرفیت تأیید شده تقریباً با حجم ذخیرهسازی کل ناوگان هیدرو پمپاژ این کشور برابری میکند و نشاندهنده یک تغییر عظیم در نحوه مدیریت نوسانات توسط شبکه است.[6]
در ایالات متحده، ابتکارات در سطح ایالتی نیز محرک استقرار هستند. کمیسیون انرژی کالیفرنیا بیش از ۲۴۷ میلیون دلار برای سرمایهگذاری در نمایش و استقرار فناوریهای ذخیرهسازی انرژی بلندمدت غیر لیتیوم-یون اختصاص داده است. این شامل تأمین مالی برای سیستمهای ذخیرهسازی ۱۰۰ ساعته و پروژههای ریزشبکه (میکروگرید) است که برای حفظ عملیات حیاتی در طول رویدادهای آب و هوایی شدید و قطعیهای شبکه طراحی شدهاند.[3]
با وجود پیشرفتهای فنی، این گذار بدون ابهامات اقتصادی نیست. در حالی که امکانپذیری فنی CAES و باتریهای جریانی به اثبات رسیده است، دوام مالی آنها در مقیاس شبکه همچنان یک مانع است. هزینههای اولیه سرمایهای بالا و فقدان سازوکارهای بازار تثبیتشده برای جبران کافی انعطافپذیری که ذخیرهسازی بلندمدت فراهم میکند، تأمین مالی این پروژهها را دشوار میسازد.[2][7]
بازارهای برق کنونی عمدتاً برای پاداش دادن به آربیتراژ انرژی کوتاهمدت و تنظیم سریع فرکانس طراحی شدهاند – خدماتی که باتریهای لیتیوم-یون در آنها برتری دارند. برای آزادسازی پتانسیل کامل LDES، تنظیمکنندگان و اپراتورهای شبکه باید بازارهای ظرفیت جدید یا قراردادهای بلندمدتی را توسعه دهند که توانایی تأمین مداوم برق برای روزها را ارزشگذاری کنند.[2][7]
با این حال، مسیر مشخص است. با عمیقتر شدن نفوذ انرژیهای تجدیدپذیر، نیاز شبکه به انعطافپذیری تنها افزایش خواهد یافت. استقرار موفقیتآمیز مجموعهای متنوع از فناوریهای LDES – شامل مقیاس تثبیتشده هیدرو پمپاژ، انعطافپذیری جغرافیایی هوای فشرده، و ماژولار بودن باتریهای جریانی پیشرفته – نقطه اتکای دستیابی به یک سیستم قدرت مطمئن و کربنزدایی شده خواهد بود.[1][2][7]
چرا مهم است
گذار به یک شبکه کاملاً تجدیدپذیر، به توانایی ذخیره انرژی مازاد باد و خورشید برای روزها یا هفتهها، و نه فقط ساعتها، بستگی دارد. دوام تجاری این فناوریها تعیین خواهد کرد که آیا شرکتهای برق میتوانند در طول دورههای طولانی کاهش تولید تجدیدپذیر، بدون اتکا به سوختهای فسیلی، برق مطمئن را حفظ کنند یا خیر.
بررسی عمیق دیدگاهها
اپراتورهای شبکه
تمرکز بر قابلیت اطمینان و نیاز به برق قابل توزیع در طول رویدادهای آب و هوایی چند روزه.
اپراتورهای شبکه استدلال میکنند که با بازنشستگی نیروگاههای پایه سوخت فسیلی، سیستم بافر اصلی خود را در برابر دورههای طولانی کاهش تولید باد و خورشید – که اغلب رویدادهای "دانکلفلوته" (Dunkelflaute) نامیده میشوند – از دست میدهد. آنها تأکید میکنند که در حالی که باتریهای لیتیوم-یون کوتاهمدت برای مدیریت چرخههای روزانه خورشید عالی هستند، نمیتوانند شبکه را در طول یک هفته هوای ابری و بدون باد حفظ کنند. برای اپراتورها، LDES یک بیمه اجباری است و آنها برای اصلاحات بازار فشار میآورند که به این تأسیسات برای ظرفیت آمادهشان پاداش دهد، نه فقط برای آربیتراژ انرژی روزانه.
توسعهدهندگان فناوری
طرفدار راهحلهای متنوع ذخیرهسازی و سازوکارهای بازاری که انعطافپذیری بلندمدت را ارزشگذاری میکنند.
توسعهدهندگان سیستمهای باتری جریانی و هوای فشرده معتقدند که اتکای صرف به هیدرو پمپاژ از نظر جغرافیایی غیرممکن است. آنها استدلال میکنند که فناوریهایشان جایگزینهای مقیاسپذیر و ماژولاری را ارائه میدهند که میتوانند نزدیکتر به مراکز تقاضا یا قطبهای تولید تجدیدپذیر مستقر شوند. با این حال، آنها اغلب تأکید میکنند که بازارهای انرژی کنونی در قیمتگذاری مناسب انعطافپذیری که سیستمهایشان فراهم میکنند، شکست میخورند، و این امر تأمین مالی لازم برای حرکت از پروژههای آزمایشی به استقرار در مقیاس گیگاوات را دشوار میسازد.
حامیان محیط زیست
از LDES به عنوان کلید بازنشستگی سوختهای فسیلی حمایت میکنند اما نگرانیهایی را در مورد تأثیرات زیستمحیطی محلی مطرح میکنند.
گروههای محیط زیست ذخیرهسازی بلندمدت را به عنوان حلقه مفقوده حیاتی برای از رده خارج کردن دائمی نیروگاههای اوجبار زغال سنگ و گاز طبیعی میبینند. با ذخیره انرژی تجدیدپذیر مازاد، LDES تضمین میکند که برق پاک به صورت شبانهروزی در دسترس است. با این حال، برخی از حامیان در مورد ردپای زیستمحیطی مخازن عظیم هیدرو پمپاژ یا تأثیرات احتمالی آبهای زیرزمینی ناشی از ذخیرهسازی هوای فشرده زیرزمینی ابراز احتیاط میکنند و اصرار دارند که استقرار باید با ارزیابیهای دقیق زیستمحیطی متعادل شود.
منابع
پوشش منابع
7 منبع
3 دیدگاه شناساییشده
- [1]Department of Energyبرنامهریزان قابلیت اطمینان شبکه
Long-Duration Energy Storage
مطالعه در Department of Energy → - [2]Eurelectricبرنامهریزان قابلیت اطمینان شبکه
Innovative Long-Duration Energy Storage (LDES) technologies
مطالعه در Eurelectric → - [3]California Energy Commissionبرنامهریزان قابلیت اطمینان شبکه
Long Duration Energy Storage (LDES) program
مطالعه در California Energy Commission → - [4]UK Research and Innovationسیاستگذاران انرژی
Ultra-Long Duration Energy Storage (Ultra-LDES) Challenge
مطالعه در UK Research and Innovation → - [5]Energy-Storage.newsتوسعهدهندگان فناوری ذخیرهسازی
TC Energy appoints Worley to advance development of 11GWh Ontario pumped hydro energy storage project
مطالعه در Energy-Storage.news → - [6]Clean Energy Wireتوسعهدهندگان فناوری ذخیرهسازی
Germany approves large battery storage on a par with its pumped hydro fleet
مطالعه در Clean Energy Wire → - [7]تیم سردبیری کوهستانتوسعهدهندگان فناوری ذخیرهسازی
تحلیل تیم سردبیری کوهستان
مطالعه در تیم سردبیری کوهستان →
نظرات
هر زاویه. هر روز.
دریافت انرژی اخبار همراه با پوشش کامل منابع و تحلیل دیدگاهها، مستقیم در صندوق ورودی شما.