یک مطالعه پژوهشگران پرتغالی گزینههای مختلف ذخیرهسازی انرژی با هوای فشرده در سنگهای متخلخل در عمق زمین را بررسی کرده است. در بهترین حالت، یک مخزن میتواند انرژی کافی برای مصرف یک شهر کوچک را ذخیره کند.
ذخیره انرژی در زیرزمین شبیه داستان های علمی تخیلی به نظر میرسد اما در حوزه تحقیقات زمین شناسی چیز تازه ای نیست. این فرایند که از دهه ۱۹۷۰ میلادی و با نخستین آزمایش ها در غارهای نمکی آلمان شناخته شده، دنیایی از امکان ها در زمینه انرژی های تجدیدپذیر و نیاز به ذخیرهسازی همراه آن پیش رو میگذارد.
آگهی
آگهی
ریکاردو پریرا، پژوهشگر مرکز GeoBioTec در دانشکده علوم و فناوری دانشگاه نووای لیسبون، در گفتگو با یورونیوز توضیح میدهد: «یکی از مشکلاتی که در گذار انرژی وجود دارد این است که انرژی بیشتری از منابع تجدیدپذیر در دسترس است اما امکان ذخیره آن را نداریم». این پژوهشگر پرتغالی میگوید: «میتوان از این مازاد برق استفاده کرد و آن را برای مدتی در سنگ های زیرسطحی، در عمق ۵۰۰، ۱۰۰۰ یا ۲۰۰۰ متری، ذخیره کرد».
پریرا میگوید: «با استفاده از زمین، از سنگ ها، به عنوان نوعی باتری میتوانیم مقادیر زیادی انرژی ذخیره کنیم که میتواند برق شهرهای کوچک را تامین کند و این بزرگ ترین مزیت این فناوری است».
در مورد سنگ های متخلخل، این فرایند به این صورت است که با استفاده از مازاد برق تولید شده از منابع تجدیدپذیر مانند توربین های بادی یا پنل های خورشیدی، کمپرسورهای هوا تغذیه میشوند و سپس این هوا، بدون هیدروژن و بدون CO2 و در نتیجه بدون خطر انفجار، از طریق یک چاه به لایه ای از سنگ متخلخل در عمق زمین تزریق میشود.
هوا فضای میان دانه های سنگ را که معمولا پر از آب شور غیرقابل شرب است پر میکند. آن آب جابهجا میشود بدون آن که چیزی را که برای مصرف انسان استفاده میشود آلوده کند. هوا در آنجا زیر فشار حبس میشود، مانند یک باتری «شارژ شده» که میتوان به تناسب نیاز آن را به کار گرفت.
وقتی لازم باشد، هوای فشرده از طریق چاه به سطح برمیگردد، منبسط میشود و نیروی آن توربین هایی را روی سطح به حرکت درمیآورد که برق تولید میکنند؛ همانند یک نیروگاه متعارف اما بدون سوزاندن سوخت.
ریکاردو پریرا یکی از دانشمندان پرتغالی است که در تهیه مطالعه ای مشارکت داشتند که هدف آن برآورد میزان انرژی قابل ذخیره با توجه به ویژگی های سنگی در شرایط مختلف بود.
او به یورونیوز میگوید: «این مطالعه، با در نظر گرفتن شرایط زمین شناسی در عمق های مختلف، بررسی میکند که با متغیرهای فیزیکی یا ترمودینامیکی متفاوت، دقیقا چه مقدار انرژی میتوان ذخیره کرد» و توضیح میدهد که بر اساس این تحلیل «سناریوهای مختلفی توسعه داده شد» تا «تصویری از حداکثر انرژی قابل ذخیره در عمق های مختلف» ارائه شود.
انرژی ذخیره شده برای یک شهر
یکی از اولویت های انرژی کمیسیون اروپا، افزایش ظرفیت ذخیرهسازی انرژی است که «ضروری» توصیف شده است. اروپا در حال حاضر حدود ۵۵ گیگاوات ظرفیت ذخیرهسازی دارد. هدف این است که این رقم تا سال ۲۰۳۰ به ۲۰۰ گیگاوات برسد تا محدودیت های شبکه کاهش یابد؛ محدودیت هایی که خطر خاموشی و وابستگی به سوخت های فسیلی وارداتی را بیشتر میکند.
در چنین کمبود گیگاواتی است که ذخیرهسازی هوای فشرده در سنگ های متخلخل میتواند وارد عمل شود. بر خلاف باتری های لیتیوم یونی که در رقابت کنونی دست بالا را دارند، این فناوری برای ذخیرهسازی بلندمدت طراحی شده و از یک منبع طبیعی در دسترس در مقیاس گسترده استفاده میکند.
نتایج این تحقیق که با همکاری پژوهشگران دانشگاه نووای لیسبون و موسسه دوم لوئیس در دانشکده علوم دانشگاه لیسبون انجام و در نشریه Geoenergy منتشر (منبع به زبان پرتغالی) شده، نشان میدهد که در سناریوهای بررسی شده «یک سامانه تک آدیاباتیک-ایزوباریک بهترین گزینه است و میتواند تا ۱۵۶ کیلووات ساعت در هر متر مکعب چگالی انرژی فراهم کند و تا ۱ تراوات ساعت ظرفیت ذخیرهسازی در حداکثر عمق عملیاتی ۳۰۰۰ متری به دست آورد».
پریرا تاکید میکند: «البته این یک سناریوی حداکثری است که در آن همه شرایط ایده آل فراهم شده» و میگوید این اعداد با این حال «تصویری از حداکثر اندازه و پتانسیل» این فرایند به دست میدهند.
او توضیح میدهد: «میان یک مقدار حداقلی برآورد شده و یک مقدار حداکثری نظری برآورد شده، طیفی از امکان ها وجود دارد، اما آنچه این مطالعه نشان میدهد این است که تنها یک مخزن، و ما داریم از شبیه سازی یک مورد واحد در بهترین وضعیت ممکن صحبت میکنیم، با همین ۱ تراوات ساعت بسیار به مصرف برخی شهرهای متوسط پرتغال نزدیک میشود».
«بلک استارت»: آیا میشد پیامدهای خاموشی را کاهش داد؟
این فرایند علاوه بر ظرفیت ذخیرهسازی بالا، بر اساس سازوکاری عمل میکند که «بلک استارت» نامیده میشود؛ یعنی توان یک سامانه برق برای راه اندازی بدون وابستگی به شبکه.
این پژوهشگر توضیح میدهد: «هوای فشرده تقریبا آنی است و در نتیجه امکان روشن و خاموش کردن تقریبا فوری را فراهم میکند» و به این ترتیب میتوان شبکه برق را پایدار کرد؛ قابلیتی که در موقعیت هایی مانند خاموشی بزرگ ایبری بسیار مفید است. پریرا میگوید: «شاید اگر این سامانه ها را در سال ۲۰۲۵ در مدار داشتیم، میشد از برخی از این مشکلات جلوگیری کرد».
او اضافه میکند: «بدیهی است که مشکل خاموشی بسیار گسترده تر بود و این راه حل جادویی برای حل یک وضعیت مشابه نبود، اما میتوانست به مدیریت توان در شبکه کمک کند».
به گفته این پژوهشگر، تعیین مناطق و ویژگی های جغرافیایی در پرتغال که امکان اجرای فرایندهایی از این دست در آنها وجود دارد، موضوع تحقیقاتی است که در حال حاضر در جریان است اما این مطالعه همین حالا هم اجازه میدهد به نتایج روشنی برسیم که به این نقشه برداری کمک میکند.
او میگوید: «این واقعا یکی از جنبه های نوآورانه این مطالعه است؛ نشان میدهد هرچه مخزن ما در سنگ های متخلخل عمیق تر باشد، انرژی بیشتری میتوان از آن آزاد کرد» و تاکید میکند که به این ترتیب میتوان «مصرف برخی مناطق ساحلی، به ویژه شهرهای صنعتی تر، را با این سامانه مقایسه کرد و دید این کار چه تاثیری حتی بر خود فرایند کربن زدایی در برخی مناطق و افزایش استقلال انرژی در برابر مصرف سوخت های فسیلی میتواند داشته باشد».
از جمله مناطقی که به عنوان حوزه های بسیار مستعد یاد شده، لیسبون و آلمادا هستند؛ هر دو با تراکم بالای جمعیتی و صنعتی.
قانون، بزرگ ترین مانع
فعلا این فناوری در پرتغال فقط روی کاغذ است و بنا به گفته این پژوهشگر، افق اجرای آن بین پنج تا ده سال است؛ بسته به مراحل مختلفی که باید طی شود: مطالعه زمین شناسی، حفاری چاه ها، اجرای طرح پایلوت و ورود به فاز بهره برداری.
او توضیح میدهد: «مجموعه ای از مطالعات باید انجام شود؛ از همان ابتدا شناخت زمین شناسی زیرسطحی یک محل مشخص. هر پروژه خود یک چالش فنی است و به همین دلیل، حتی مطالعات مقدماتی هم زمان میبرد».
به گفته ریکاردو پریرا، از نظر امکان مالی، ذخیرهسازی انرژی با هوای فشرده راه حلی «بسیار مطلوب» است، به ویژه در مقایسه هزینه با گزینه هایی مانند هیدروژن سبز «که هزینه های بسیار بالایی دارد».
این پژوهشگر میگوید: چین یکی از اصلی ترین کشورهایی است که در پروژه های این چنینی سرمایه گذاری میکند و چندین طرح در این کشور در حال اجرا یا مطالعه است. در اروپا، آلمان نیز چند پروژه دارد، هرچند هنوز نتایج زیادی حاصل نشده، زیرا «این فناوری ها سال ها زمان میبرد تا برنامه ریزی، طراحی مهندسی و اجرا شود».
در پرتغال، مانع اصلی اقتصادی نیست بلکه مقرراتی است.
او میگوید: «تا جایی که من میدانم در حال حاضر قانون مشخصی برای اجرای پروژه هایی از این دست در پرتغال وجود ندارد. هر آنچه زیر پای ماست متعلق به دولت، یعنی متعلق به همه ماست و بنابراین باید مقررات خاصی برای این نوع فناوری وضع شود؛ همان طور که اکنون برای ذخیرهسازی دی اکسید کربن قانون خاص وجود دارد».
او توضیح میدهد: «حتی اگر یک شرکت جسور با قصد سرمایه گذاری بخواهد مجموعه ای از مطالعات انجام دهد تا بعدا طرح پایلوت اجرا و به مرحله تولید برسد، بدون قانون نمیتوان کاری کرد. اینجا یک مانع واقعی وجود دارد که اجازه نمیدهد شرکت ها در پرتغال حتی یک مطالعه جدی را آغاز کنند».
به گفته این پژوهشگر، در پرتغال هنوز اثر این فناوری بر مصرف انرژی در سطح ملی به طور کامل شناخته نشده است. او توضیح میدهد: «میتوانیم تصور کنیم که اگر در یک منطقه مشخص بتوانیم مصرف گاز طبیعی در طول شب را ۵، ۱۰ یا ۱۵ درصد کاهش دهیم این کار چه تاثیری در سطح محلی یا حتی ملی خواهد داشت» و تاکید میکند که این کشور از دید زمین شناسی گستره بزرگی با پتانسیل بالا دارد.
او میگوید: «با شناخت زمین شناسی، و اگر در نگاه نخست به نواری از لیسبون تا آویرو نگاه کنیم، در ساختار زمین شناسی که حوضه لوزیتانیک نام دارد، با مجموعه ای از سنگ ها روبهرو هستیم که پتانسیل تبدیل شدن به مخزن را دارند. از منطقه ای بسیار گسترده صحبت میکنیم که در عین حال یکی از صنعتی ترین مناطق کشور است و در آن انرژی بادی، خورشیدی و حتی آبی به شکل گسترده ای توسعه یافته؛ یعنی انرژی لازم برای تغذیه این فرایند فراهم است».
پریرا با توجه به مطالعات انجام شده تا این لحظه و از منظر پایداری محیط زیستی معتقد است این «روش قابلیت اجرایی بالایی دارد». او میگوید این فناوری حتی میتواند راه حلی برای شبکه انرژی باشد و اگر سلسله ای از تعهدها عملی شود «شاید تا ده سال دیگر، اگر همه چیز خوب پیش برود، پروژه های هوای فشرده را در حال کار داشتهباشیم که در مدیریت شبکه کمک میکنند و به شکلی در دسترس و با هزینه های معقول مشکلات انرژی را کاهش میدهند».