باتری شنی چگونه می تواند صنعت انرژی پاک را متحول کند؟

باتری شنی به عنوان روشی جدید برای ذخیره انرژی های تجدیدپذیر گرمای مورد نیاز مردم را در شب های طولانی و سرد اروپای شمالی تامین می کند.

در انتهای یک جاده روستایی پر پیچ و خم در غرب فنلاند، چهار مهندس جوان معتقدند راه حلی برای یکی از بزرگترین چالش های انرژی سبز پیدا کرده اند. چالش این است که چگونه می توان یک منبع دائمی انرژی تجدیدپذیر در فصول مختلف و شرایط آب و هوایی متغیر فراهم کرد. پاسخ در نیروگاه واتیانکوسکی، در 270 کیلومتری شمال غرب هلسینکی، پایتخت فنلاند، نهفته است و ساده، فراوان و ارزان است: شن و ماسه.

نیروگاه واتیانکوسکی اولین باتری شنی در مقیاس تجاری در جهان است. این باتری که به طور کامل در یک محفظه فولادی به ارتفاع هفت متر محصور شده است، متشکل از 100 تن ماسه ساختمانی کم عیار، دو لوله گرمایش منطقه ای و یک فن است.

ماسه پس از گرم شدن تا دمای 600 درجه سانتیگراد با استفاده از برق تولید شده توسط توربین های بادی و پنل های خورشیدی در فنلاند به باتری تبدیل می شود. انرژی های تجدید پذیر بخاری مقاومتی را تامین می کند و بخاری هوای داخل ماسه را گرم می کند. در داخل باتری، هوای گرم توسط یک فن در لوله های تبادل حرارت به گردش در می آید. عایق ضخیم که شن و ماسه را احاطه کرده است، دمای داخل باتری را در حدود 600 درجه سانتیگراد نگه می دارد، حتی زمانی که دمای بیرون یخ می باشد.

ویل کیوویا، دانشمند ارشد شرکت Polar Night Energy که عملکرد باتری را به صورت آنلاین نظارت می کند، می گوید: "ما نمی خواهیم هیچ گرمایی را از دست بدهیم." در Kankanpe، میانگین دمای زمستان زیر صفر درجه سانتیگراد است.

هنگامی که باتری پر است، 8 مگاوات ساعت انرژی حرارتی را ذخیره می کند. هنگامی که تقاضا برای انرژی افزایش می یابد، باتری حدود 200 کیلووات برق را از طریق لوله های تبادل حرارت تخلیه می کند: این مقدار انرژی برای تامین گرما و آب گرم برای حدود 100 خانه و یک استخر عمومی در Kankanepe کافی است و برق شبکه را تکمیل می کند. باتری در شب شارژ می شود که قیمت برق کمتر است.

Kiovia می گوید که هزینه نگهداری و تعمیر این سیستم کم است. شرکت آنها به جای شن و ماسه رودخانه ای با کیفیت بالا که در حجم زیادی برای ساخت و ساز استفاده می شود و منجر به کمبود شن و ماسه جهانی می شود، از شن و ماسه ارزان و بی کیفیت استفاده می کند که سازندگان آن را رد کرده اند. Kiovia می گوید: "در لوله های تبادل حرارت و شن فرسایش وجود ندارد." فن تنها قسمت متحرک سیستم است و در صورت نیاز به راحتی قابل تعویض است.

ماسه یک محیط بسیار کارآمد برای حفظ حرارت طولانی مدت است و می تواند انرژی را برای چندین ماه در یک زمان ذخیره کند. این سیستم مزایای دیگری نیز دارد. کیوویا می گوید: "ماسه عمر بسیار طولانی دارد و می توان آن را هر چند بار گرم و سرد کرد." ماسه با گذشت زمان متراکم تر می شود، بنابراین فضای کمتری را اشغال می کند. "در آن زمان می توانیم شن و ماسه بیشتری اضافه کنیم."

داستان چهار مهندس جوان فنلاندی که باتری شنی را اختراع کردند به گذشته های دور باز می گردد. تامی آیرونن، مارکو آیرونن، لیزا ناسکالی و ویل کیویا در کودکی به دلیل علاقه مشترک به ورزش دو و میدانی با هم پیوند خوردند. آنها در باشگاهی در تامپره در جنوب فنلاند شرکت کردند و در دوران نوجوانی یکدیگر را تشویق کردند.

با ورود به دهه سوم زندگی، علاقه آنها از ورزش به علم تغییر کرد. زمستان‌های کوتاه‌تر و گرم‌تر فنلاند جنوبی انگیزه‌ای مشترک برای مقابله با تغییرات آب و هوایی ایجاد کرد. ارونن می گوید: «تعداد روزهای پوشیده از یخ در دریاچه ناسیاروی، جایی که ما در کودکی اسکیت می زدیم، در چند سال اخیر به شدت کاهش یافته است. تغییر اقلیم در برابر چشمان ما اتفاق می افتد.

در سال 2016، ارونن در حال تحقیق در مورد سیستم‌های ذخیره‌سازی مبتنی بر آب برای انرژی‌های تجدیدپذیر بود، در حالی که برای کارشناسی ارشد خود تحقیق می‌کرد. اما هنگام خواندن مقاله ای در مورد شومینه های سنتی فنلاندی ساخته شده از سنگ و شن، ایده ای به ذهنش رسید. "این مرا به این فکر انداخت که آیا یک ماده جامد، به جای آب، برای ذخیره انرژی خورشیدی و باد مناسب تر نیست؟" او می گوید. »

Eronen به همراه Ilonen ساخت نمونه اولیه باتری شنی را آغاز کردند. پس از آزمایش موفقیت آمیز باتری آزمایشی خود در باغ پدربزرگ ارونن در نزدیکی تامپره، آنها با دوستان دوران کودکی خود از ورزشگاه تماس گرفتند تا Polar Knight Energy را راه اندازی کنند. در ژوئیه، آنها اولین باتری شنی تجاری را در نیروگاه Vatyankoski در Kankanpe نصب کردند.

ذخیره انرژی سبز
نوآوری باتری شنی موجی از هیجان را در سراسر جهان ایجاد کرده است. ارونن می گوید: «تلفن من همیشه زنگ می زند و هزاران ایمیل خوانده نشده دارم.

اجرای تجاری کوچک یک سیستم ذخیره انرژی جدید به ندرت به یک موضوع داغ تبدیل می شود. اما باتری شنی به دلیل پتانسیلی که برای حل مشکل نوسان عرضه انرژی های تجدیدپذیر دارد، توجه مردم را به خود جلب کرده است.

ذخیره سازی کارآمد انرژی خورشیدی و بادی، به ویژه برای کشورهای اروپای شمالی، که ساعات طولانی تاریکی دارند و در زمستان نیاز زیادی به گرما دارند. اما در تابستان ساعات طولانی نور خورشید دارند، بسیار مهم است.

در پی جنگ اوکراین، فنلاند اتحادیه اروپا را تشویق کرد تا تولید انرژی تجدیدپذیر خود را افزایش دهد. سنا مارین، نخست وزیر فنلاند در ماه سپتامبر گفت: «تنها راه برون رفت از بحران انرژی، سرمایه گذاری هنگفت در انرژی های تجدیدپذیر و تولید انرژی بدون انتشار است. مخترعان باتری شنی امیدوارند راه حل آنها به حل این مشکل کمک کند.

Eva Pongrach، معاون واحد تحقیقات مهندسی آب، انرژی و محیط زیست در دانشگاه Oulu در شمال فنلاند، می خندد: "اولین چیزی که به ذهن من رسید این بود: "چرا خودم به آن فکر نکرده بودم؟" ایده آنها ساده، تازه و نوآورانه است. آیا این ایده می تواند راه حلی برای تامین پایدار انرژی سبز باشد؟ من فکر نمی کنم تنها یک راه حل وجود داشته باشد، اما باتری شنی بخشی از راه حل است.

فقدان فناوری‌های ذخیره‌سازی ارزان، پایدار و کارآمد یکی از بزرگترین موانع برای کمک به انتقال جهان به انرژی‌های تجدیدپذیر است.

حال عملکرد باتری های شنی در مقایسه با سایر باتری ها به خصوص باتری های الکتروشیمیایی آن یعنی باتری های لیتیوم یون چگونه است؟ پونگراچ می‌گوید یکی از مشکلات بزرگ باتری‌های لیتیوم یونی که ما برای تامین انرژی لپ‌تاپ‌ها، تلفن‌ها و وسایل نقلیه الکتریکی خود استفاده می‌کنیم این است که با گذشت زمان، حتی زمانی که از آنها استفاده نمی‌شود، تخریب می‌شوند. او می‌گوید: «در باتری‌های شنی هیچ واکنش شیمیایی وجود ندارد، بنابراین فرآیند سایش و پارگی یکسانی را طی نمی‌کنند.

یولونگ دینگ، مدیر مرکز ذخیره انرژی بیرمنگام در بریتانیا، می گوید: باتری های لیتیومی برای کاربردهای ذخیره سازی در مقیاس بزرگ مناسب نیستند و ذاتا قابل اشتعال هستند. نگرانی های زیست محیطی نیز وجود دارد. پونگراچ می گوید: «تاثیر زیست محیطی لیتیوم بیشتر از ماسه است. برای تولید هر تن لیتیوم تصفیه شده، بسته به روش استخراج، معادل حدود سه تا نه تن دی اکسید کربن آزاد می شود.

در همین حال، تیم Polar Knight Energy با چالش‌های بزرگی روبرو است: آیا آنها می‌توانند فناوری خود را افزایش دهند تا واقعاً تفاوت ایجاد کنند و آیا می‌توانند از باتری خود برای تولید مقادیر قابل توجهی برق علاوه بر گرما استفاده کنند؟ کارشناسان خاطرنشان می کنند که محدودیت هایی وجود دارد. دن گلدوین از دپارتمان مهندسی برق و الکترونیک در دانشگاه شفیلد بریتانیا می‌گوید: «باتری شنی در مقایسه با باتری‌های شیمیایی معمولی (در واحد حجم) پنج تا ده برابر کمتر انرژی ذخیره می‌کند.

تیم Polar Knight Energy موافق است، اما استدلال می کند که باتری شنی راه حل بسیار مقرون به صرفه تری است. طبق محاسبات این تیم، باتری آنها 8 تا 10 برابر ارزان تر از باتری لیتیومی است که همان مقدار انرژی را ذخیره می کند. ارونن می گوید که تولید 8 مگاوات ساعت انرژی با استفاده از باتری شنی Kankanpe حدود 200000 دلار هزینه دارد. هزینه یک باتری لیتیوم یونی که 8 مگاوات ساعت انرژی ذخیره می کند حداقل 1.6 میلیون دلار است.

ذخیره انرژی تجدیدپذیر به ویژه برای کشورهای شمال اروپا که در طول زمستان به گرمایش زیادی نیاز دارند و در تابستان ساعات طولانی در معرض نور خورشید قرار دارند، بسیار مهم است.

گلدوین می گوید که باتری شنی برای گرم کردن خانه ها در کشورهای دارای آب و هوای سرد عالی است، اما هشدار می دهد که وقتی برای تولید برق استفاده می شود راندمان کاهش می یابد. او می‌گوید: «برای اینکه بتوانیم از آن به طور گسترده‌تر استفاده کنیم، باید راهی برای تبدیل گرمای باتری به برق با بازده 75 تا 80 درصدی پیدا کنیم. این باتری شنی را انقلابی می کند."

ارونن می‌گوید که با فناوری‌های کنونی، فرآیند تبدیل گرما به برق 30 درصد بازده دارد. اما او آن را موضوع مهمی نمی داند. او می گوید: «در کشور سردسیری مانند فنلاند، ما 70 درصد گرمای باقیمانده پس از تبدیل در شبکه های گرمایش شهری را هدر می دهیم. ارونن می گوید: «در چند سال آینده ما یک سیستم کارآمد برای انجام این کار خواهیم داشت.

Polar Night Energy در حال امضای قراردادی برای ساخت باتری دوم برای یک شرکت گرمایش منطقه ای دیگر در فنلاند است. ارونن می گوید: «این باتری برای یک سیستم بسیار بزرگتر است: 2 مگاوات قدرت گرمایش و 500 مگاوات ساعت ظرفیت ذخیره سازی. باتری جدید ده برابر بزرگتر از چیزی است که در Kankanpe داریم.

پونگراچ می گوید در حال حاضر باتری های شن و ماسه عمدتاً یک راه حل اساسی برای منطقه نوردیک هستند. او می گوید که این باتری در فنلاند که زمستان های سردی داریم و از سپتامبر تا مه به گرمایش بیشتری نیاز داریم، بسیار مفید است، زیرا میانگین دمای سالانه زیر ده درجه سانتی گراد است و می افزاید که نیمی از جمعیت 5.5 میلیون نفری فنلاند شبکه گرمایش شهری متصل است. .

در تئوری، این راه حل ذخیره انرژی می تواند در هر منطقه ای از جهان که زیرساخت گرمایش منطقه ای دارد، مانند نیویورک، سانفرانسیسکو و کپنهاگ، مستقر شود. لیزا ناسکالی، مدیر پروژه این شرکت می گوید: «پتانسیل یک باتری شنی بسیار بیشتر از گرم کردن خانه ها است. زمانی که مقیاس آن افزایش یابد، در انواع فرآیندهای صنعتی که نیاز به گرمای زیادی دارند، قابل استفاده خواهد بود.

ارونن می گوید Polar Knight Energy قصد دارد تا سال 2023 به یک شرکت جهانی تبدیل شود و باتری های شنی را در سطح جهانی بسازد. رونق قابل توجهی در نیروی بادی فراساحلی (تا سال 2025 انرژی باد 25 درصد مصرف برق فنلاند را پوشش می دهد) به اجرای این طرح کمک خواهد کرد، اما هنوز کارهای زیادی برای انجام وجود دارد. او می‌گوید: «ما به ظرفیت‌های ذخیره‌سازی عظیمی برای جبران نوسانات تولید نیاز داریم.

مارکو آیرونن و تامی آیرونن بنیانگذاران انرژی شوالیه قطبی هستند، دوستان دوران کودکی که به دلیل علاقه به ورزش و علم گرد هم آمدند.

این شرکت به دنبال جایگزینی ماسه یا مواد دانه ای غیر قابل احتراق در مکان هایی است که کمبود ماسه وجود دارد تا به برنامه های توسعه بین المللی کمک کند. ارونن می گوید: «ایده این است که به اطراف نگاه کنیم و مواد مناسب را به صورت محلی پیدا کنیم: برای مثال، می توانیم محصولات فرعی فرآیندهای صنعتی را آزمایش کنیم و ببینیم که آیا می توانیم از آنها استفاده کنیم یا خیر.

تاکنون بزرگترین چالش توسعه فناوری عدم تمایل شرکت ها و شهرداری ها به سرمایه گذاری در فناوری های جدید بوده است. ناسکالی می‌گوید: «در فنلاند، شرکت‌های گرمایش منطقه‌ای تعهدات خدماتی برای تأمین گرما دارند و اگر به تعهدات خود عمل نکنند، باید جریمه بپردازند». به همین دلیل است که آنها قبل از سرمایه گذاری هنگفت در فناوری جدید محتاط هستند." شرکت فنلاندی انرژی Vatyankoski یک استثنا است. Pekka Passi، مدیر اجرایی شرکت می گوید: "ما می خواهیم راه هایی برای مبارزه با تغییرات آب و هوایی پیدا کنیم." ما به دنبال فناوری هایی بودیم که بتواند تولید کند. گرما بدون استفاده از سوخت های فسیلی و با انرژی شوالیه قطبی مواجه شدیم. این یک فناوری قدرتمند است."

پاسی نیز مانند ناسکالی بزرگترین پتانسیل باتری شنی را استفاده صنعتی می داند و می افزاید: به عنوان مثال برخی از صنایع برای خشک شدن چیزی به هوای بسیار گرم 300 درجه سانتیگراد نیاز دارند و اکنون به دنبال همکاری با شرکت های صنعتی در کانکانپه هستیم. منطقه ای که از الکتریسیته برای تولید گرما استفاده می کند. مهندسان جوان فنلاندی می گویند: «داشتن یک باتری شنی که می تواند یک شبه شارژ شود به آنها انعطاف می دهد و از نوسانات قیمت محافظت می کند.» کیویا با اشاره به دمای شدید، خشکسالی و آتش سوزی که جهان را فراگرفته است، می گوید: «ما باید اکنون تصمیمات جسورانه ای اتخاذ کنیم تا از بحران آب و هوایی جلوگیری کنیم.

کیوویا می گوید: «فشار زیادی بر ما دانشمندان و مهندسان برای حل مشکل تغییرات آب و هوا وجود دارد. من این فشار را به انگیزه تبدیل می کنم، درست مانند زمانی که در دیسک مسابقه می دادم. هنگامی که در زمین در حال آماده شدن برای ضربه بعدی هستید، نمی توانید تحت فشار حرکت نکنید. من همین نگرش را به کارم می‌آورم."

ارونن می گوید راه اندازی یک شرکت کمی شبیه رقابت در ورزش است: شما می خواهید برنده شوید. او و ایلانن برای شرکت در کنفرانس انرژی که در سال 2018 در هلسینکی برگزار شد، 170 کیلومتر از خانه خود به تامپره رکاب زدند. او می‌گوید: «همه شرکت‌کنندگان دیگر با ماشین یا هواپیما وارد شدند. این باعث شد فکر کنیم که باید واقعاً تأثیر بگذاریم.»