استفاده از آجرنسوز برای ذخیره‌سازی انرژی تجدیدپذیر

آجرنسوز برای مقاومت در برابر حرارت بالا طراحی شده اند و حداقل از سه هزار سال پیش وجود داشته اند. اما متخصصان دانشگاه MIT می خواهند از آجرهای نسوز برای ذخیره انرژی اضافی تولید شده توسط منابع تجدیدپذیر در زمانی که تقاضا کم است استفاده کنند.

آجرنسوز برای مقاومت در برابر گرمای زیاد طراحی شده‌اند و حداقل از سه هزار سال قبل، یعنی از دوران هیتی‌ها، وجود داشته‌اند. اکنون محققان MIT پیشنهاد کرده‌اند که از مقاومت‌های الکتریکی گرمایی برای تبدیل الکتریسیته اضافی به گرما استفاده کنند، که پس از آن، توده بزرگی از آجرنسوز را گرم می‌کند که می‌توانند گرما را برای مدت طولانی در یک محفظه عایق حفظ کنند.

روش جدید استفاده از آجرنسوز

این گرمای ذخیره شده را می توان بعداً برای فرآیندهای صنعتی یا برای تغذیه ژنراتورهایی که در صورت نیاز آن انرژی را به برق تبدیل می کنند، استفاده کرد. به گفته تیم MIT، در حالی که خود این فناوری قدیمی است، کاربری پتانسیل آجرنسوز یک پدیده جدید است که با افزایش تناوب سریع منابع انرژی تجدیدپذیر و شرایط فعلی بازار می‌توان به آن فکر کرد.

چارلز فورسبرگ، دانشمند پژوهشی در دپارتمان علوم و مهندسی هسته‌ای MIT، می‌گوید که تقاضا برای گرمای صنعتی در بیشتر مناطق صنعتی در واقع بیشتر از کل تقاضا برای برق است. برخلاف تقاضای برق که اغلب به‌طور غیرقابل پیش‌بینی متفاوت است، تقاضا برای گرمای صنعتی ثابت است و می‌تواند از منبع گرمای اضافی در هر زمان که در دسترس باشد استفاده کرد و بازار تقریباً نامحدودی برای گرمای ارائه شده توسط این سیستم مبتنی بر آجرنسوز فراهم کند.

سیستمی که فورسبرگ آن را FIRES (ذخیره انرژی گرم شده با مقاومت آجرنسوز) «FIrebrick Resistance-heated Energy Storage» می‌نامد، از سقوط قیمت برق به سطوح بسیار پایین در زمان‌های تولید بالا، مانند اواسط یک روز آفتابی که خروجی نیروگاه خورشیدی در حد مطلوب است، جلوگیری می‌کند.

موضوع عرضه بیش از حد و در نتیجه ارزان بودن بیش از حد برق موضوعی برای تامین کنندگان انرژی‌های تجدیدپذیر است که به تازگی فعالیت خود را آغاز کرده‌اند، زیرا می‌تواند کارکرد نیروگاه‌ها را اقتصادی‌تر کند.

اما با انحراف بیشتر آن خروجی به ذخیره سازی حرارتی با گرم کردن توده بزرگ آجرهای نسوز، سپس فروش مستقیم آن گرما یا استفاده از آن برای به حرکت درآوردن توربین‌ها و تولید برق «در زمانی دیگر و در صورت نیاز» می‌تواند باعث شود پروژه FIRES محدودیت کمتری را برای قیمت برق در بازار تعیین کند.

آجرنسوز به جای باتری

کمک به سودآوری بیشتر منابع انرژی بدون کربن مانند خورشیدی، بادی و هسته‌ای از دیگر نتایج این طرح است و در نتیجه تشویق به گسترش این موارد در حال حاضر، گزینه‌های ذخیره‌سازی الکتریسیته اضافی اساساً به باتری‌ها یا سیستم‌های برق آبی پمپ شده محدود می‌شود.

فورسبرگ می‌گوید در مقابل، سیستم ذخیره‌سازی حرارتی آجرنسوز با فناوری پایین از یک دهم تا یک چهلم به اندازه هر یک از این گزینه‌ها هزینه خواهد داشت. آجرنسوز خود فقط یک نوع آجر معمولی است که از خاک رس ساخته شده است که قادر به تحمل دمای بسیار بالاتر است.

تولید آنها ارزان است و بسیار بادوام است – آجرنسوز با قابلیت تحمل دمای بالا در سایت‌های باستان شناسی که قدمت آنها به حدود 3500 سال پیش برمی‌گردد، یافت شده است.

می‌توان ترکیب شیمیایی خاک رس را تغییر داد تا آجرنسوز با خواص مختلف ساخته شود. به عنوان مثال، آجرهایی که در مرکز مجموعه قرار می‌گیرند توانایی رسانایی حرارتی بالایی دارند، به نحوی که می‌توانند به راحتی گرما را از آجرنسوز مقاومتی دریافت کنند. آجرهای مورد استفاده برای قسمت‌های بیرونی سازه می‌توانند رسانایی حرارتی بسیار کمی داشته باشند، بنابراین پوسته‌ای عایق برای کمک به حفظ گرمای پشته مرکزی ایجاد می‌کنند.

آینده آجرهای نسوز

طبق گفته فورسبرگ، گام بعدی تقویت آجرهای نسوز است تا بتوانند گرما را از درون تولید و ذخیره کنند و دمای ذخیره شده را افزایش دهند.

این امر به نحو ویژه‌ای مهم است تا برای تبدیل مجدد گرما به برق نیاز به هوای فشرده گرم شده با حداقل دمای تا 1600 درجه سانتی‌گراد است که آجرنسوز مقاومتی در حال حاضر نمی‌توانند این کار را انجام دهند. محققان همچنین به دنبال راه‌اندازی واحدهای نمونه اولیه در مقیاس کامل برای اثبات موفقیت این طرح در شرایط دنیای واقعی هستند.

این فناوری به خودی خود قدیمی است، اما پتانسیل عملکردی آن پدیده جدیدی است که به دلیل افزایش سریع منابع انرژی تجدیدپذیر با تناوب روند تبدیل و ویژگی‌های خاص نحوه تعیین قیمت برق به وجود آمده است.

چارلز فورسبرگ، دانشمند پژوهشی در دپارتمان علوم و مهندسی هسته‌ای MIT و نویسنده اصلی مقاله تحقیقاتی که این طرح را توصیف می‌کند، می‌گوید: از نظر فناوری، این سیستم «می‌توانست در دهه 1920 توسعه یابد، اما در آن زمان بازاری برای آن وجود نداشت».

قیمت برق یک روز قبل تعیین می شود و برای هر بخش یک ساعت از روز قیمت جداگانه ای تعیین می شود. این کار از طریق یک سیستم حراج بین تولیدکنندگان و توزیع کنندگان قدرت انجام می‌شود.

توزیع کنندگان تعیین می‌کنند که انتظار دارند در هر ساعت به چه مقدار نیرو نیاز داشته باشند، و تامین کنندگان براساس هزینه‌های مورد انتظارشان برای تولید آن نیرو پیشنهاد می‌دهند.

بسته به نیاز در یک زمان معین، این قیمت‌ها می‌تواند پایین باشد، مثلاً اگر فقط به نیروگاه‌های گاز طبیعی با بار پایه نیاز باشد، یا اگر تقاضا مستلزم استفاده از نیروگاه‌های «پیک» بسیار گران‌تر باشد، می‌تواند هزینه نهایی توزیع برق افزایش پیدا کند.

در پایان هر حراج، توزیع‌کنندگان مشخص می‌کنند که چه تعداد از پیشنهادات برای برآورده کردن تقاضای پیش‌بینی‌شده مورد نیاز خواهد بود و سپس قیمتی که باید به همه تامین‌کنندگان پرداخت شود، با بالاترین قیمت پیشنهادی در بین تمام پیشنهادهای پذیرفته شده تعیین می‌شود.

فورسبرگ می‌گوید گام بعدی، راه‌اندازی چند واحد نمونه اولیه برای اثبات اصول اجرایی خارج از فضای آزمایشگاه در شرایط واقعی وجود دارد یا خیر، چیزی که او انتظار دارد این است تا سال ۲۰۲۲ این اتفاق رخ دهد.

فورسبرگ گفت: «ما در حال یافتن مشتریان مناسب برای این واحدهای اولیه هستیم. در پایان او پیشنهاد داد که احتمالاً مجموعه‌هایی مانند پالایشگاه‌های اتانول که از گرمای زیادی استفاده می‌کند و یا در نزدیکی تاسیسات توربین‌های بادی قرار دارند، می‌تواند طرح قابل توجهی باشد.

رگیس ماتزیه «Regis Matzie» مدیر فنی بازنشسته شرکت تولیدکننده لوازم خانگی وستینگهوس Westinghouse Electric که در این پروژه دخالتی نداشته گفت: «من باور دارم که پروژه FIRES یک رویکرد نوآورانه برای حل یک مشکل واقعی در شبکه برق است.

او می‌گوید نحوه تعیین قیمت برق در این کشور «بازار برق کج‌رویی است [که] قیمت‌های پایین یا حتی منفی در بازار ایجاد می‌کند، زمانی که بخش قابل‌توجهی از انرژی برق در شبکه توسط انرژی‌های تجدیدپذیر تامین می‌شود».

اما یک راه بسیار مثبت برای اصلاح این روند، به کارگیری روشی اقتصادی برای ذخیره انرژی تولید شده با قیمت‌های پایین در بازار برق است. به عنوان مثال، زمانی که انرژی‌های تجدیدپذیر مقدار زیادی برق تولید می‌کنند و سپس اقدام به آزاد کردن این انرژی ذخیره شده در زمان قیمت های بازار می‌شود، نمی‌تواند با قیمت باصرفه‌ای اینکار را کنند.

اما طرح FIRES یک راه بالقوه اقتصادی برای گذر از این شرایط است، اما احتمالاً برای ایجاد عملکرد و شرایط اقتصادی به یک ارائه قوی نیاز دارد.