باتری لیتیومی را فراموش کنید؛ چین زیر زمین بزرگ‌ترین باتری هوای فشرده جهان را ساخت!
چین با بهره‌برداری از نیروگاه هوایان به ظرفیت ۲٫۴ گیگاوات‌ساعت، هوای فشرده را در غارهای نمکی ذخیره و برق پایدار تولید می‌کند.
چین با بهره‌برداری از نیروگاه هوایان به ظرفیت ۲٫۴ گیگاوات‌ساعت، هوای فشرده را در غارهای نمکی ذخیره و برق پایدار تولید می‌کند.
وقتی صحبت از ذخیره‌ی برق در مقیاس صنعتی می‌شود، ناخودآگاه به یاد سوله‌هایی پر از باتری‌های سنگین لیتیومی می‌افتیم. اما فناوری باتری هوای فشرده، بر پایه‌ی منطق مهار انرژی کار می‌کند؛ یعنی زمانی که تولید برق از میزان مصرف پیشی می‌گیرد، انرژیِ مازاد هدر نمی‌رود و صرف فشرده‌سازی هوا می‌شود.
هوای پرفشار ساعت‌ها در مخازنی عظیم می‌ماند و هر زمان که شبکه دوباره به برق نیاز داشت، هوا رها می‌شود و توربین‌ها را به گردش درمی‌آورد؛ بنابراین در این سازوکار به‌جای ذخیره‌ی خود برق، انرژی‌اش را موقتاً به فشار هوا تبدیل می‌کنند.
حالا نیمه‌شب‌ها در استان جیانگسو، توربین‌های بادی همچنان می‌چرخند. شهرها خوابیده‌اند، کارخانه‌ها آرام گرفته‌اند و شبکه‌ی برق بیش از نیاز آن ساعت، انرژی در اختیار دارد. در حاشیه‌ی شهر هوایان (Huai'an)، بخشی از همین برق مسیری عجیب در پیش می‌گیرد.
سفر از میان ساختمان‌هایی صنعتی آغاز می‌شود؛ از مجموعه‌ای از لوله‌ها، مخازن و ماشین‌آلات سنگینی که از بیرون شبیه هر کارخانه‌ی دیگری به نظر می‌رسند. مقصد اصلی اما به زیر پای این ساختمان‌ها می‌رسد؛ بیش از یک کیلومتر پایین‌تر، در دل لایه‌های نمک.
برق اضافی موتورهای عظیمی را به کار می‌اندازد، موتورها کمپرسورها را می‌چرخانند و کمپرسورها هوا را تا ده‌ها برابر فشار جو فشرده می‌کنند. هوای فشرده از راه چاه‌ها به عمق ۱۱۵۰ تا ۱۵۰۰ متری می‌رود؛ عمقی برابر با بیش از سه برج میلاد که روی‌هم بایستند. آنجا، در غارهایی نمکی با حجم مجموع حدود ۹۸۰ هزار مترمکعب، گنجایشی نزدیک به ۳۹۰ استخر المپیک، هوا منتظر می‌ماند.
هوایان برق اضافه باد را تا عمق ۱٫۵ کیلومتری زمین می‌فرستد تا باتری‌های شیمیایی را به چالش بکشد
عصر روز بعد، وقتی چراغ‌ها روشن می‌شوند و مصرف بالا می‌رود، نیروگاه همان مسیر را وارونه طی می‌کند. هوا از اعماق بالا می‌آید، درون توربین منبسط می‌شود و ژنراتورها را می‌چرخاند. هوایان با توان ۶۰۰ مگاوات و ظرفیت ۲٫۴ گیگاوات‌ساعت، چهار ساعت با تمام توان برق تولید می‌کند و در آغاز ۲۰۲۶ عنوان بزرگ‌ترین نیروگاه فعال ذخیره‌ی انرژی با هوای فشرده (CAES) در جهان را از آن خود کرد.
روی کاغذ، ماجرا ساده به نظر می‌رسد؛ گویی مهندسان پمپی غول‌پیکر ساخته‌اند و آن را به غاری عظیم وصل کرده‌اند. اگر تابه‌حال چرخ دوچرخه‌تان را با تلمبه دستی باد کرده باشید، می‌دانید که بعد از چند بار فشار دادن بدنه‌اش زیر دستتان گرم می‌شود. حالا در مقیاس نیروگاه، همین گرمای کوچک می‌تواند بخش زیادی از انرژی را با خود ببرد.
ساخت نیروگاه هوایان بیش از آنکه به یافتن فضای کافی برای هوا وابسته باشد، به حل این مسئله بستگی داشت که چگونه می‌توان گرمایی را که هنگام فشرده‌شدن هوا پدید می‌آید نگه داشت و چند ساعت بعد دوباره به همان هوا برگرداند؟
کمپرسور با فشردن هوا، مولکول‌های آن را به فضای کوچک‌تری می‌راند. در این فرایند کار مکانیکی دو اثر به جا می‌گذارد، اول فشار گاز بالا می‌رود و دوم دمایش هم افزایش می‌یابد. هرچه فشرده‌سازی سریع‌تر و فشار نهایی بیشتر باشد، گرما جدی‌تر می‌شود.
در تلمبه‌ی دوچرخه، شاید گرما مزاحمت کوچکی ایجاد کند، ولی در نیروگاه ذخیره‌ی انرژی، بخشی از حساب‌وکتاب انرژی را تشکیل می‌دهد. برق موتور کمپرسور را می‌چرخاند و کمپرسور بخشی از انرژی ورودی را به فشار و بخشی دیگر را به گرما تبدیل می‌کند. اگر نیروگاه هوای داغ را خنک کند و گرمایش را در محیط رها سازد، هنگام تولید برق تنها بخشی از سرمایه‌ی اولیه برایش باقی می‌ماند.
مشکل در مسیر بازگشت شدیدتر می‌شود. هوای فشرده هنگام انبساط در توربین به‌شدت سرد می‌شود؛ افت دما توان خروجی را کاهش می‌دهد و تجهیزات را در معرض آسیب قرار می‌دهد. توربین برای کار مطلوب، جریانی گرم و پرفشار می‌خواهد و نیروگاه باید گرمای ازدست‌رفته را از جایی دیگر فراهم کند.
فشرده‌سازی هوا حرارت بالایی تولید می‌کند و انبساط دوباره‌اش دمای توربین را پایین می‌آورد
نخستین مهندسانی که سراغ این معما رفتند، پاسخ را در سوزاندن سوخت یافتند. نیروگاه هانتورف آلمان از ۱۹۷۸ و مکینتاش آمریکا از ۱۹۹۱، هوای غار را پیش از ورود به توربین با سوزاندن گاز طبیعی گرم می‌کنند. غار مصرف سوخت را در مقایسه با یک نیروگاه گازی معمولی کم می‌کند، اما تولید برق همچنان به احتراق وابسته می‌ماند و راندمان رفت‌وبرگشت این دو نیروگاه در حدود ۴۰ تا ۵۵ درصد قرار می‌گیرد.
راه دوم یعنی ذخیره‌سازی پیشرفته‌ی آدیاباتیک سال‌ها در حد تئوری باقی‌مانده بود. در این روش، گرمای فشرده‌سازی به‌جای رهاشدن در هوا، جدا و ذخیره می‌شود و هنگام تخلیه به هوای سرد بازمی‌گردد. هوا و گرما چند ساعت جدا از هم می‌مانند و درست پیش از توربین دوباره به هم می‌رسند.
آلمان در دهه‌ی ۲۰۱۰ با پروژه‌ی ADELE تلاش کرد همین ایده را به نیروگاهی واقعی تبدیل کند، اما پروژه در میانه‌ی راه کنار گذاشته شد. هوایان سرانجام ایده را به مقیاسی رساند که تا آن روز تنها در طرح‌ها و مقاله‌ها دیده می‌شد.
هرکدام از دو واحد هوایان ۳۰۰ مگاوات توان و ۱٫۲ گیگاوات‌ساعت ظرفیت دارند. در مرحله‌ی شارژ، کمپرسورها فشار هوا را در چند پله بالا می‌برند. میان هر پله، مبدل‌های حرارتی گرمای هوا را می‌گیرند تا جریانی خنک‌تر به پله‌ی بعد و سرانجام به غار برسد.
گرمای جداشده راهی مخازن نمک مذاب و آب تحت‌فشار روی سطح زمین می‌شود. یک بررسی فنی از فناوری‌های ذخیره‌ی حرارتی، محدوده‌ی دمایی طراحی هوایان را ت قریباً ۱۸۰ تا ۳۶۰ درجه‌ی سانتی‌گراد توصیف می‌کند. نمک مذاب بخش داغ‌تر چرخه را برعهده دارد و آب تحت‌فشار، گرما را در دماهای پایین‌تر جذب و منتقل می‌کند.
عصر روز بعد، وقتی شبکه برق می‌خواهد، شیرها مسیر غار را باز می‌کنند. هوای پرفشار بالا می‌آید، از مبدل‌های حرارتی می‌گذرد و گرمای امانت‌گذاشته در نمک مذاب و آب را پس می‌گیرد. هوای گرم‌شده سپس در چند مرحله منبسط می‌شود، توربین را می‌چرخاند و ژنراتور انرژی مکانیکی را دوباره به برق تبدیل می‌کند.
البته اصطلاح باتری هوا فقط نیمی از ماجرا را روایت می‌کند. هوایان دو شکل از انرژی را در دو جای متفاوت نگه می‌دارد؛ فشار در تاریکی غار زیرزمینی می‌ماند و گرما در مخازن روی سطح. حذف هرکدام، چرخه را ناقص می‌کند.
بهره‌بردار پروژه، شرکت Guoxin Suyan، می‌گوید هوایان بی‌نیاز از احتراق تکمیلی کار می‌کند و راندمان تبدیلش به حدود ۷۱ درصد می‌رسد؛ عددی که اداره‌ی ملی انرژی چین هم در معرفی پروژه ذکر می‌کند. اگر این اعداد را کنار بازدهی تاسیسات رقیب بگذاریم، ایده‌ی بهتری از غارهای زیرزمینی هوایان به دست می‌آوریم.
هوایان یک نیروگاه دومخزنه است؛ فشار در تاریکی زمین می‌ماند و حرارت در مخازن نمک مذاب
راندمان نیروگاه هانتورف با سوزاندن گاز به حدود ۴۲ درصد می‌رسد و باتری‌های لیتیوم‌یون معمولاً ۸۵ تا ۹۰ درصد برق ورودی را بازمی‌گردانند. هوایان فاصله‌ی زیادی از نسل قدیم خود گرفته و هنوز چند پله پایین‌تر از لیتیوم می‌ایستد.
البته عدد ۷۱ درصد را باید راندمان طراحی یا رقم اعلام‌شده‌ی سازندگان در نظر بگیریم و منتظر بمانیم داده‌های مستقل عملکرد بلندمدت دو واحد منتشر شوند. رسیدن توربین‌ها به بار کامل نشان می‌دهد تجهیزات در مقیاس واقعی کار می‌کند، اما چهره‌ی واقعی یک ذخیره‌ساز طی هزاران چرخه، افت راندمان، هزینه‌ی نگهداری و رفتار غار در سال‌های متمادی آشکار می‌شود. هوایان از مرحله‌ی نمایش یک ایده گذشته و حالا وارد آزمونی شده که ادعاهایش را در عمل محک می‌زند.
هوای فشرده به فضایی عظیم، محکم و کم‌نشت نیاز دارد. ساخت مخزنی فولادی با گنجایش نزدیک به یک میلیون مترمکعب، هزینه‌ی پروژه را بسیار بالا می‌برد. به همین دلیل مهندسان هوایان به‌جای ساختن، از فضایی بهره گرفتند که معدن‌کاری در لایه‌های نمکی زیر شهر بر جا گذاشته بود.
غار نمکی بدون نیاز به انفجار یا حفاری کامل سنگ ساخته می‌شود. مهندسان چاهی تا لایه‌ی نمک حفر می‌کنند، آب را به درونش می‌فرستند و آب‌نمک حاصل را بیرون می‌کشند. نمک کم‌کم در آب حل می‌شود و حفره‌ای بزرگ در دل سنگ شکل می‌گیرد؛ روشی که استخراج انحلالی نام دارد. با کنترل محل تزریق آب و خروج آب‌نمک، شکل و اندازه‌ی غار هم تا حدی قابل‌کنترل خواهد بود.
نفوذپذیری بسیار پایین سنگ نمک برای نگهداری گاز ویژگی بسیار مطلوبی محسوب می‌شود؛ زیرا گاز به‌سختی راهی از میان آن پیدا می‌کند. نمک زیر فشار طولانی‌مدت به‌آرامی تغییر شکل می‌دهد و رفتاری شبیه ماده‌ای بسیار غلیظ پیدا می‌کند، پدیده‌ای که در زمین‌شناسی خزش نامیده می‌شود.
خزش ترک‌های ریز دیواره را به‌مرور می‌بندد و به آب‌بندی غار کمک می‌کند؛ گویی سنگ زخم‌هایش را خودش ترمیم می‌کند. صنعت نفت و گاز از همین ویژگی برای ذخیره‌ی گاز طبیعی، هیدروژن و فرآورده‌های نفتی در غارهای نمکی بهره می‌برد.
اما نمک چهره‌ی دیگری هم دارد. خزش دیواره‌ها را به‌مرور جابه‌جا می‌کند و از حجم فضای ذخیره‌سازی می‌کاهد. تزریق و تخلیه‌ی پیاپی هوا نیز فشار و دمای حفره را بارها بالا و پایین می‌برد. مهندسان باید فشار را در بازه‌ای نگه دارند که هم برای تولید برق کافی باشد و هم پایداری سنگ را حفظ کند.
سنگ نمک با پدیده خزش ترک‌هایش را خودبه‌خود ترمیم کرده و مخزنی کاملاً عایق می‌سازد
زمین‌شناسی هوایان هم کار را کمی سخت‌تر می‌کند. بسیاری از ذخایر نمکی چین لایه‌هایی نسبتاً نازک با ناخالصی و میان‌لایه‌های سنگی هستند؛ ساختاری متفاوت با گنبدهای نمکی ضخیم اروپا و آمریکای شمالی.
پژوهشگران در مطالعه‌ای اختصاصی درباره‌ی حفره‌های هوایان، فشار داخلی، فاصله‌ی غارها از یکدیگر و شکل هر حفره را برای حفظ پایداری بررسی کرده‌اند. مطالعه‌ی دیگری درباره‌ی نمک لایه‌ای استان جیانگسو، فشار ۱۰ تا ۱۲ مگاپاسکال، یعنی حدود ۱۰۰ تا ۱۲۰ برابر فشار جو، را برای طراحی چنین غارهایی پیشنهاد می‌کند.
در هوایان، خود زمین هم بخشی از باتری هوایی محسوب می‌شود، چراکه ویژگی‌های مکانیکی سنگ نمک، درست مانند کمپرسور و توربین، در طراحی نیروگاه نقش دارند.