همزمان با حرکت دنیا به سمت استفاده از منابع انرژی تجدیدپذیر، ذخیره انرژی خورشیدی و استفاده از آن، به عنوان یکی از امیدوارکننده‌ترین گزینه‌ها در این زمینه ظهور کرده است. پنل‌های خورشیدی به کار رفته در نیروگاه‌هایی همچون نیروگاه خورشیدی فولاد مبارکه یکی از بهترین ابزارهایی‌اند که بشر امروزی برای مبارزه با تغییرات اقلیمی و جلوگیری از هدررفتن منابع انرژی تجدیدناپذیر در اختیار دارد اما پنل‌های خورشیدی، نقصی اساسی دارند: وقتی خورشید نمی‌تابد، تولید برق عملاً غیرممکن می‌شود. همه‌ی نقاط جغرافیایی در زمین در همه‌ی شرایط آفتابی نیستند و وقتی هم که پرتوهای خورشید به زمین می‌رسند، انرژی تولیدشده باید فوراً استفاده شود؛ وگرنه از بین می‌رود.
اینجاست که تلاش به‌منظور ایجاد روش‌هایی برای ذخیره‌سازی انرژی خورشیدی مطرح می‌شود و شرکت‌های فعال در این زمینه همچون شرکت صنایع نیرو و انرژی پاک فولاد (صناپ) به فکر ذخیره انرژی خورشیدی میفتند. ترکیب یک سیستم پنل خورشیدی با ذخیره‌سازی انرژی، استفاده از این نیروی خدادادی را حتی در زمانی که دسترسی به پرتوهای خورشید وجود ندارد، امکان‌پذیر می‌کند. در سال‌های اخیر، پیشرفت‌های قابل توجهی در فناوری ذخیره انرژی خورشیدی حاصل شده تا انرژی خورشیدی اضافی برای استفاده در زمانی که خورشید به زمین نمی‌تابد، ذخیره‌سازی شود. اکنون گزینه‌های متعددی از باتری‌ها و سیستم‌های ذخیره‌سازی حرارتی گرفته تا سیستم‌های پیشرفته برای ذخیره‌سازی انرژی خورشیدی وجود دارد.
در این مطلب از بلاگ صناپ، برخی از بهترین راه‌حل‌های ذخیره‌سازی انرژی خورشیدی و پتانسیل آن‌ها را برای ایجاد انقلابی در نحوه‌ی تأمین انرژی صنایع و مناطق مسکونی بررسی خواهیم کرد.
چرا باید انرژی خورشیدی را ذخیره کرد؟
کارشناسان از اغلب انرژی‌های تجدیدپذیر مانند انرژی خورشیدی با عنوان منابع انرژی متناوب یا غیردائمی در دوره‌های مشخص یاد می‌کنند. تولید نیرو از این منبع انرژی به عوامل طبیعی مانند درجه‌ی تابش نور خورشید و شرایط آب و هوایی بستگی دارد. بنابراین، خروجی انرژی از مزارع خورشیدی می‌تواند بسته به زمان روز، فصل و مکان جغرافیایی نوسان داشته باشد.
چالش دیگر به غیرقابل کنترل و غیرقابل برنامه‌ریزی بودن تولید نیرو از انرژی خورشیدی برمی‌گردد. به این معنی که نمی‌توان آن را بر اساس تقاضا تنظیم کرد. درمقابل، این تولید نیرو را در بسیاری از نیروگاه‌های سوخت فسیلی می‌توان با سوزاندن بیشتر یا کمتر سوخت، به سرعت افزایش یا کاهش داد اما بشر مگر در فیلم‌ها و انیمیشن‌های علمی تخیلی هنوز نمی‌تواند کاری کند تا تابش خورشید به زمین به‌طور گسترده افزایش یا کاهش یابد!
پس اگر منابع اصلی انرژی تجدیدپذیر مانند انرژی خورشیدی همیشه نیروی کافی را در زمان نیاز فراهم نمی‌کنند، انسان چگونه می‌تواند استفاده از سوخت‌های فسیلی را به طور کامل کنار بگذارد؟ پاسخ می‌تواند در ذخیره انرژی خورشیدی در زمان‌های آفتابی روز و سپس استفاده از آن انرژی در آینده، بدون انتشار گازهای گلخانه‌ای باشد.
انواع روش‌های ذخیره انرژی خورشیدی
درک روش‌های مختلف برای ذخیره کردن انرژی خورشیدی و انتخاب بهترین آن‌ها برای به حداکثر رساندن پتانسیل انرژی خورشیدی ضروری است. در ادامه به مهم‌ترین روش‌های ذخیره کردن انرژی خورشیدی می‌پردازیم.
۱. ذخیره انرژی خورشیدی با استفاده از باتری
استفاده از باتری رایج‌ترین راه برای ذخیره‌سازی انرژی خورشیدی است. باتری‌ها برق تولید شده توسط پنل‌های خورشیدی را ذخیره کرده و در صورت نیاز آن را آزاد می‌کنند. باتری‌ها دسترسی آسان به انرژی را فراهم می‌کنند و برای نصب به فضای زیادی نیاز ندارند.
رایج‌ترین نوع باتری مورد استفاده برای ذخیره‌سازی انرژی خورشیدی، باتری‌های لیتیوم یا لیتیوم یونی هستند. باتری‌های لیتیوم یونی قادر به ذخیره انرژی خورشیدی از طریق یک سری واکنش‌های شیمیایی‌اند که در آن، یون‌های لیتیوم از طریق محلول الکترولیت درون باتری منتقل می‌شوند. بنابراین هنگامی که پنل‌های خورشیدی برق حاصل از انرژی خورشیدی را به سیستم ذخیره‌سازی باتری می‌فرستند، یک واکنش شیمیایی رخ می‌دهد که طی آن، یون‌های لیتیوم حرکت کرده و الکترون‌ها را در محلول الکترولیت درون باتری آزاد می‌کنند و در نتیجه انرژی ذخیره می‌شود. سپس هنگامی که نیاز به استفاده از برق باتری باشد، الکترون‌ها به عقب جریان می‌یابند و برق از باتری تخلیه می‌شود. این فرآیند می‌تواند بارها و بارها تکرار شود که این ویژگی، باتری را قابل شارژ می‌سازد.
از باتری‌ها در نیروگاه‌های خورشیدی که از فناوری BESS (Battery energy storage system) استفاده می‌کنند، به صورت جداگانه یا اغلب به صورت تجمیع‌شده برای ذخیره برق تولید شده توسط نیروگاه‌ها و در دسترس قرار دادن آن در مواقع نیاز استفاده می‌شود.
انواع مختلفی از باتری‌ها برای ذخیره کردن انرژی خورشیدی استفاده می‌شوند. در ادامه، با چهار مورد مهم از آن‌ها آشنا می‌شوید.
باتری سربی اسیدی
این باتری قدیمی‌ترین نوع باتری قابل شارژ محسوب شده و به دلیل قابلیت اطمینان و هزینه‌ی کمتر، معمولاً در سیستم‌های انرژی خورشیدی استفاده می‌شود. با‌این‌حال، در مقایسه با فناوری‌های جدیدتر، طول عمر کوتاه‌تر و چگالی انرژی کمتری دارد.
باتری لیتیوم
باتری‌های لیتیوم یونی که به طور گسترده در سیستم‌های مدرن ذخیره انرژی خورشیدی استفاده می‌شوند، چگالی انرژی بالاتر، طول عمر بیشتر و راندمان بهتری را ارائه می‌دهند. این باتری‌ها نسبتاً گران‌تر هستند. اما در بلندمدت، ارزش بیشتری دارند.
باتری نیکل کادمیومی
این نوع باتری‌ها مقاوم و بادوام هستند. اما کادمیوم آن‌ها بسیار سمی است و هنگام دفع مشکلاتی را ایجاد می‌کند. بنابراین از آن‌جایی که بسیاری از افراد برای محافظت از محیط زیست به منابع انرژی تجدیدپذیر و سبز روی می‌آورند، باتری‌های نیکل کادمیومی محبوبیت کمتری دارند.
باتری‌های جریانی
این باتری‌ها انرژی را در الکترولیت‌های مایع موجود در مخازن خارجی خود ذخیره می‌کنند. باتری‌های جریانی به دلیل چرخه‌ی عمر طولانی و سازگاری با شرایط دشوار شناخته شده‌اند و برای تأسیسات بزرگتر مناسب هستند و استفاده از آن‌ها در محیط‌های مسکونی به دلیل هزینه و پیچیدگی بالاتر رواج کمتری دارد.
۲. روش برق‌آبی پمپی
ذخیره آب پمپ‌شده روشی برای ذخیره انرژی خورشیدی است که شامل استفاده از آب و نیروی جاذبه برای ذخیره برق خورشیدی اضافی می‌شود. در این روش، آب در دوره‌های تقاضای کم برای مصرف برق به‌وسیله‌ی نیروی محرکه‌ای مانند انرژی خورشیدی به سمت ارتفاعی بالاتر پمپاژ شده و در یک مخزن نگهدارنده ذخیره می‌شود. سپس هنگامی که تقاضا برای مصرف برق افزایش می‌یابد، آب ذخیره‌شده در ارتفاع بالا با کمک نیروی گرانش زمین به سمت پایین آزاد شده و با به حرکت درآوردن توربین‌ها برق تولید می‌کند.
مزایا و معایب روش برق‌آبی پمپی
این روش معمولاً در نیروگاه‌های برق‌آبی استفاده می‌شود و مزایای متعددی نسبت به سایر اشکال ذخیره انرژی خورشیدی دارد که مهم‌ترین آن‌ها عبارت‌اند از:
- توانایی آن در ذخیره انرژی خورشیدی در مقادیر بالاتر: اندازه مخزن مورد استفاده برای ذخیره‌سازی می‌تواند بسته به تقاضای انرژی سیستم متفاوت باشد. اما به طور کلی، این روش می‌تواند انرژی بیشتری نسبت به سایر اشکال ذخیره انرژی ذخیره کند.
- طول عمر زیاد آن: اجزای مورد استفاده در این سیستم به گونه‌ای طراحی شده‌اند که تا چندین دهه دوام بیاورند. بنابراین منبعی قابل اعتماد و ماندگار از ذخیره انرژی خورشیدی را ارائه می‌دهند.
- کارآمدی بیشتر: این روش بسیار کارآمد است و راندمان رفت و برگشت آن حدود ۸۰٪ است. این بدان معناست که به ازای هر واحد انرژی وارد شده به سیستم، ۰.۸ واحد انرژی بازگردانده می‌شود و این روش را به یکی از کارآمدترین روش‌های ذخیره‌سازی انرژی موجود تبدیل می‌کند.
با‌این‌حال، ذخیره‌سازی برق‌آبی پمپی معایبی نیز دارد. یکی از معایب اصلی آن این است که برای عملکرد مؤثر به ویژگی‌های توپوگرافی خاصی مانند تپه‌ها یا کوه‌هایی با شکل خاص نیاز دارد و ممکن است برای همه‌ی مکان‌ها مناسب نباشد.
هرچند این روش، متداول‌ترین راه برای ذخیره انرژی خورشیدی نیست، اما امروزه پرکاربردترین تکنیک ذخیره‌سازی انرژی به شمار می‌رود و بیش از ۹۰ درصد از کل ذخیره‌سازی انرژی جهان را تشکیل می‌دهد. کشورها در سراسر جهان (به‌ویژه چین که در مسیر افزایش بیش از دو برابر ظرفیت خود تا سال ۲۰۳۰ است) همچنان به سرمایه‌گذاری در سیستم‌های برق‌آبی پمپی ادامه می‌دهند. با‌این‌حال، رشد آن در سال‌های اخیر نسبت به سایر فناوری‌های نوظهور کند شده است. این امر تا حدودی به این دلیل است که استفاده از سیستم برق‌آبی پمپی برای ذخیره انرژی با چالش‌های متعددی همراه است. به عنوان مثال، خشکسالی می‌تواند نیروگاه‌های برق‌آبی را به خطر بیندازد و باعث کمبود برق شود.
۳. روش حرارتی
ذخیره حرارتی انرژی یک روش ذخیره انرژی خورشیدی است که از گرمای تولید شده توسط پنل‌های خورشیدی برای گرم کردن یک محیط واسطه‌ی حرارتی، مانند نمک مذاب یا سایر مواد استفاده می‌کند.
سپس گرمای ذخیره شده در محیط واسطه می‌تواند برای تولید برق یا تأمین گرمایش در دوره‌هایی که تابش خورشید وجود ندارد، استفاده شود و آن را به روشی محبوب برای کاربردهای مسکونی و تجاری تبدیل می‌کند.
یکی از مزایای قابل توجه این روش، توانایی آن در ذخیره انرژی خورشیدی برای مدت طولانی است. برخلاف ذخیره انرژی در باتری که به مرور زمان دچار افت کیفیت می‌شود و طول عمر محدودی دارد، سیستم‌های ذخیره حرارتی می‌توانند انرژی خورشیدی را برای سال‌ها بدون هیچ گونه افت کارایی ذخیره کنند.
از سوی دیگر، ذخیره حرارتی انرژی فوق‌العاده کارآمد است. در بسیاری از موارد، یک سیستم ذخیره حرارتی می‌تواند به راندمانی تا ۹۵٪ دست یابد. به این معنی که انرژی بسیار کمی در طول ذخیره سازی از دست می‌رود. همچنین این روش ذخیره انرژی خورشیدی می‌تواند برای کاربردهای مختلفی از جمله تولید برق و گرمایش خانه‌ها و مشاغل استفاده شود.
با‌این‌حال، معایبی نیز وجود دارد که باید در نظر گرفته شود. یکی از معایب اصلی این روش این است که برای عملکرد مؤثر به مواد خاصی مانند نمک مذاب نیاز دارد که ممکن است انتخاب مناسبی برای همه‌ی مکان‌ها نباشد.
۴. ذخیره انرژی خورشیدی با استفاده از هوای فشرده
ذخیره انرژی با هوای فشرده (CAES) روشی برای ذخیره انرژی خورشیدی است که در آن، هوا با استفاده از انرژی خورشیدی اضافی، فشرده شده و در حفره‌ها یا مخازن زیرزمینی ذخیره می‌شود. سپس هنگامی که برق مورد نیاز است، این هوای فشرده برای به حرکت درآوردن توربین‌ها و تولید برق آزاد می‌شود.
یکی از مزایای قابل توجه روش CAES، توانایی آن در ذخیره مقادیر زیادی انرژی برای مدت طولانی است. این سیستم برخلاف باتری‌های خورشیدی که ممکن است با گذشت زمان تخریب شوند، می‌تواند انرژی خورشیدی را تا سال‌ها بدون هیچ گونه افت کارایی ذخیره کند.
یکی دیگر از مزایای استفاده از روش هوای فشرده، قابلیت ارتقای آن برای ذخیره برق در مقیاس‌های بزرگ است که آن را برای شرکت‌های برق و سایر کاربران برق در مقیاس بزرگ محبوب می‌کند. علاوه‌براین، CAES در مقایسه با سایر روش‌ها مانند ذخیره انرژی در باتری، روشی مقرون به صرفه به شمار می‌رود.
۵. ذخیره‌سازی انرژی با چرخ لنگر یا چرخ طیار (flywheel)
یکی از کارآمدترین راه‌حل‌های ذخیره‌سازی انرژی خورشیدی است. این روش شامل استفاده از یک دیسک چرخان یا چرخ طیار برای ذخیره انرژی تولید شده توسط پنل‌های خورشیدی می‌شود. سپس این انرژی ذخیره شده در زمانی که زمین از تابش نور خورشید محروم است، می‌تواند برای تأمین انرژی خانه‌ها یا صنایع استفاده شود.
یکی از مزایای مهم ذخیره انرژی خورشیدی با چرخ لنگر، طول عمر بالای آن است. اجزای مورد استفاده در این سیستم به گونه‌ای طراحی شده‌اند که تا چندین دهه دوام بیاورند. به‌علاوه، ذخیره‌سازی انرژی با چرخ طیار روشی با نیاز به رسیدگی کم است و در طول زمان به نگهداری یا تعمیر بسیار کمی نیاز دارد.
با‌این‌حال، ذخیره‌سازی انرژی با چرخ طیار معایبی نیز دارد. یکی از معایب اصلی آن این است که در مقایسه با سایر روش‌های ذخیره‌سازی، مانند باتری‌های خورشیدی، چگالی انرژی نسبتاً کمتری دارد.
کلام آخر
استفاده از انرژی خورشیدی روشی سبز و پایدار برای تأمین برق خانه‌ها، ادارات، کارخانه‌ها و صنایع شناخته می‌شود. البته، بدون داشتن سیستم‌های ذخیره انرژی خورشیدی، دستیابی به مزایای کامل این نعمت خدادای هرگز محقق نمی‌شود زیرا همانطور که می‌دانیم، در طول شبانه‌روز زمان‌های زیادی وجود دارد که تولید انرژی خورشیدی در سطح پایین‌تری قرار داشته، اما تقاضا برای مصرف انرژی زیاد است.
درنهایت، انتخاب روش مناسب برای ذخیره انرژی خورشیدی به عوامل مختلفی از جمله مکان، بودجه، میزان نیاز به انرژی و ترجیحات شخصی بستگی دارد. بهترین سیستم ذخیره‌سازی انرژی خورشیدی برای یک نفر یا یک سازمان ممکن است برای دیگری بهترین نباشد. بنابراین ضروری است که قبل از تصمیم‌گیری، همه‌ی این عوامل درنظر گرفته شوند.
