باتری گرانشی

تصویر: برج گرانش در ادینبورگ، انگلستان. گرانش با انداختن وزنه آهنی به پایین یک شفت، الکتریسیته تولید می کند.

یکی از مشکلات عمده در مورد انرژی های تجدید پذیر، امکان ذخیره سازی آن است تا بتوان از برق در همه شرایط آب و هوایی استفاده کرد، نه فقط هنگام تابش خورشید یا وزش باد.
 
باتری ها تا حدودی محل ذخیره انرژی هستند، اما فعلاً گران هستند، منابع زیادی مصرف می کنند، و در حال حاضر نمی توانند انرژی کافی را برای برآوردن بیشتر نیازهای مقیاس بزرگ ذخیره کنند.
 
با این حال، به گفته کالج امپریال لندن، یک باتری ارزان قیمت بالقوه می تواند با بالا بردن و انداختن وزنه های 12000 تنی در محور های عمودی معادن بلااستفاده ایجاد شود.
 
این، انرژی گرانشی نامیده می شود و استفاده از آن توسطGravitricity ، یک شرکت مستقر در ادینبورگ، در حال توسعه است، که امیدوار است از معادن قدیمی برای استفاده بهتر از برق پاک با نصف هزینه باتری های لیتیوم آهن استفاده کند.
 ذخیره انرژی از طریق راه آهن، مفهومی است که در آن از انرژی تجدید پذیر مازاد، در مواقع نیاز کم به انرژی، برای راندن واگن های سنگین قطارها در سربالایی استفاده می شود. انرژی پتانسیل بعداً با استفاده از ترمزهای احیا کننده هنگام چرخش در سرازیری آزاد شده و به عنوان یک باتری گرانشی عمل می کند. اما انرژی گرانشی دقیقاً چگونه عمل می کند؟ مانند بسیاری از سیستم های انرژی تجدید پذیر، این سیستم بر اساس عرضه و تقاضا است - از زمان های مازاد انرژی برای آماده سازی برای مواقع مورد نیاز استفاده می شود.
 
در صورت وجود انرژی تجدید پذیر اضافی، از وینچ های برقی برای بلند کردن وزنه ها تا بالای شفت استفاده می شود (وینچ وسیله ای برای حمل یا بلند کردن است که شامل یک طناب، کابل یا زنجیر است که در اطراف یک گردونه دوار افقی پیچیده می شود، و توسط میل لنگ یا با موتور یا منبع تغذیه دیگر چرخانده می شود). سپس، هنگامی که نیاز به برق اضافی است، وزنه ها صدها متر به طرف پایین شفت های عمودی انداخته می شوند تا توان اضافی تولید شود.
 
این فرایند مشابه پروژه های برق آبی است که در آنها از انرژی پتانسیل آب ذخیره شده در پشت سد استفاده می شود. اگر پروژه قرار بود در مقیاس کامل باشد، در آن 24 وزنه، در مجموع 12000 تُن، به عمق 800 متری انداخته می شد - که انرژی کافی را برای تأمین برق 63000 خانه برای بیش از یک ساعت آزاد می کرد.
 
کنترل دقیق وینچ ها اجازه می دهد این دوره با تعیین وزنه های مختلف که با نرخ های تدریجی تر می افتند و برق را در یک دوره زمانی طولانی تر آزاد می کنند طولانی شود.
 
یکی از شرکت های سازنده در حال حاضر در حال مذاکره با صاحبان معادن در انگلستان، فنلاند، لهستان، چک و آفریقای جنوبی است، جاهایی که عمق شافت های معادن می تواند بیش از 2000 متر باشد.
 
بر اساس گزارش کالج امپریال، این پیشنهاد به دلیل قیمت نسبتاً پایین اولیه و طول عمر بالقوه بیش از 25 سال، رقابتی ترین گزینه ذخیره انرژی است.
 
این ایده به طور کامل جایگزین تمام باتری های لیتیوم در شبکه ها نمی شود، اما از آن به عنوان یک گزینه اضافه مؤثر در رشته منابع انرژی جایگزین مورد نیاز برای کاهش انتشار CO2 استقبال می شود.
   

باتری گرانشی

همان طور که اشاره شد باتری گرانشی نوعی وسیله ذخیره الکتریکی است که انرژی گرانشی، که انرژی ذخیره شده در اثر گرانش در یک جسم، ناشی از تغییر ارتفاع آن، است و انرژی پتانسیل نیز نامیده می شود را ذخیره می کند. یک باتری گرانشی با استفاده از انرژی مازاد در شبکه برای افزایش ارتفاع جرم برای تولید انرژی پتانسیل گرانشی عمل می کند، که سپس جرم انداخته می شود تا انرژی پتانسیل را از طریق یک ژنراتور الکتریکی به الکتریسیته تبدیل کند. انرژی تولید شده از باتری گرانشی نوعی انرژی پایدار است. یکی از انواع باتری های گرانشی نوعی است که جرمی مانند بلوک بتن را برای تولید برق آزاد می کند. رایج ترین باتری گرانشی در نیروگاه تلمبه ذخیره ای مورد استفاده قرار می گیرد، جایی که آب، در مواقعی که مازاد تولید برق وجود دارد، برای ذخیره انرژی به ارتفاعات بالاتر پمپ می شود و، در مواقع کمبود برق، برای تولید برق، در میان توربین های آبی آزاد می شود.
 

توسعه

اولین فُرمِ دستگاهی که از نیروی گرانش برای تقویت حرکت مکانیکی استفاده می کرد ساعت پاندولی بود که در سال 1656 توسط کریستیان هویگنس اختراع شد. ساعت با نیروی گرانش و با استفاده از مکانیزم چرخ دنگ یا دررو به حرکت در می آمد که باعث می شد یک پاندول به جلو و عقب حرکت کند (مکانیزم چرخ دنگ یک پیوند مکانیکی در ساعت هاست که به عنصر زمان سنج تکانه می دهد و به صورت دوره ای قطار دنده را برای حرکت به جلو آزاد می کند و عقربه های ساعت را جلو می برد). از آن زمان، باتری های گرانشی به سیستم هایی تبدیل شده اند که می توانند نیروی گرانش را مهار کرده و آن را برای ذخیره انرژی در مقیاس بزرگ به برق تبدیل کنند.

اولین سیستم برق آبی تلمبه ای ذخیره ای (PSH) (pumped-storage hydroelectricity) مبتنی بر گرانش، در سال 1907 در سوئیس توسعه یافت. در سال 1930، ذخیره سازی با پمپاژ، توسط شرکت برق و توان کانکتیکات به ایالات متحده آمد. تا سال 2019، کل ظرفیت جهانی PSH، 168 گیگاوات بوده است. ایالات متحده دارای ظرفیت 23 گیگاوات از PSH است که تقریباً 2 درصد از سیستم تأمین انرژی و 95 درصد از ذخیره انرژی در مقیاس شرکت های خدمات شهری را در ایالات متحده تشکیل می دهد. برق تلمبه ای ذخیره ای مبتنی بر گرانش در حال حاضر بزرگ ترین شکل ذخیره انرژی شبکه در جهان است.
 
در سال 2012، مارتین ریدیفورد و جیم ریوز اولین نمونه کاربردی  GravityLightرا توسعه دادند، یک باتری گرانشی در مقیاس کوچک که اکنون در برخی کشورها به صورت تجاری در دسترس است.
 
Energy Vault، یک شرکت ذخیره انرژی، در حال حاضر در حال تحقیق و آزمایش برای توسعه باتری های گرانشی در مقیاس بزرگ تر است. Energy Vault که توسط بیل گروس، آندوا پدرتی و روبرت پیکونی در سال 2017 تأسیس شد، در حال حاضر در میانه‌ی بردنِ آن چه GravityLight ایجاد کرده است به مقیاس بزرگ تر است. Energy Vault در حال توسعه جرثقیلی است که الکتریسیته را از انداختن بلوک های بتنی به جای ریختن آب تولید می کند. Energy Vault تاریخ انتشار محصول خود را مشخص نکرده است، اما نمونه های اولیه آن در دست ساخت است و مفهوم بلوک های پشته شده‌ی Energy Vault دارد به عنوان یک فناوری ذخیره سازی طولانی مدت، امیدوار کننده به نظر می رسد. در اواخر سال 2020، شرکت سوئیسی در Arbedo-Castione  شش جرثقیل نصب کرد که در یک برج 110 متری نصب شده بودند و یک بلوک بتنی 35 تنی را به بالا و پایین می بردند که می تواند 80 مگاوات ساعت انرژی ذخیره کند.
 
Cascadia Carbon Inc. ، یک شرکت فناوری آب و هوایی در پورتلند، اورگان، نیز در حال توسعه یک باتری انرژی پتانسیل برای پایداری شبکه تجدید پذیر در ارتباط با دانشگاه بریتیش کلمبیا است. هدف پروژه آزمایشی آنها ارائه اثبات تجاری مفاهیمی است که می تواند برای جا دادن گیگاوات ها ذخیره سازی انرژی جدید خورشیدی و بادی که طی دهه آینده به صورت آماده عرضه می شود، گسترش یابد.
 
Gravitricity ، یکی دیگر از شرکت های تولید باتری گرانشی، روی رویکرد دیگری برای سیستم جدید ذخیره انرژی کار می کند. Gravitricity که در سال 2011 توسط مخترع پیتر فرنکل تأسیس شد یک نمونه اولیه باتری 10 متری 250 کیلوواتی گرانشی در اسکاتلند ساخت که عملیات آزمایشی و اتصال به شبکه را در سال 2021 آغاز کرد. در آوریل 2021، Gravitricity  یک باتری گرانشی نصب کرده بود که اولین توان خود را در مکانی در ادینبورگ تولید می کرد.
 

مکانیسم ها و قطعات

باتری های گرانشی می توانند طرح ها و ساختارهای متفاوتی داشته باشند، اما همه باتری های گرانشی از ویژگی های یکسان فیزیکی برای تولید انرژی استفاده می کنند. انرژی پتانسیل گرانشی، کار مورد نیاز برای حرکت یک جسم در جهت مخالف گرانش زمین است که توسط معادله U=mgh بیان می شود، که در آن  Uانرژی پتانسیل گرانشی است، m  جرم جسم است، g  شتاب جسم به دلیل گرانش (9.8 متر بر مجذور ثانیه بر روی زمین)، و h ارتفاع جسم است. با استفاده از اصل کار - انرژی، مقدار کل انرژی تولید شده را می توان با معادله ∆E=mg(h-h) بیان کرد
 
که در آن  Eمقدار کل انرژی تولید شده است و h و h نشان دهنده ارتفاع اولیه و نهایی جسم است. تغییر انرژی مستقیماً با جا به جایی عمودی یک جرم ارتباط دارد. هرچه جرم بیشتری برداشته شود، انرژی بالقوه گرانشی بیشتری ذخیره می شود. تغییر انرژی همچنین مستقیماً با جرم یک جسم ارتباط دارد. هرچه جرم سنگین تر باشد، تغییر انرژی بیشتر می شود.
 
در یک باتری گرانشی، جرمی جا به جا یا بلند می شود تا انرژی پتانسیل گرانشی تولید کند که به الکتریسیته تبدیل می شود. باتری های گرانشی با بالا بردن جرم به ارتفاع مشخص با استفاده از پمپ، جرثقیل یا موتور، انرژی پتانسیل گرانشی را ذخیره می کنند. پس از این که جرم بالا برده شد، جسم انرژی پتانسیل گرانشی خاصی را بر اساس جرم جسم و میزان ارتفاع آن ذخیره می کند. سپس، انرژی پتانسیل گرانشی ذخیره شده به الکتریسیته تبدیل می شود. جرم پایین آورده می شود یا رها می شود تا به همان ارتفاع اولیه خود بیفتد، که باعث می شود ژنراتور بچرخد و برق تولید کند.
 

انواع باتری های گرانشی

یک باتری گرانشی از ساختاری بسیار بلند با جرمی سنگین استفاده می کند. این سازه بلند را می توان در بالای سطح زمین، مانند یک ساختمان بلند یا برج، ساخت، یا یک سوراخ عمیق را می توان در سطح زمین تا عمق مشخص لازم برای مطابقت با مشخصات باتری حفر کرد. توده ای با استفاده از سیستم قرقره ها به بالای برج یا بالای سوراخ برده می شود. برای بلند کردن جرم به انرژی نیاز است، اما این انرژی معمولاً انرژی مازادی است که در مواقعی که تولید انرژی بیشتر از تقاضاست از آن استفاده می شود. هنگامی که انرژی مازاد تمام می شود، جرم انداخته می شود تا از طریق ژنراتور برق تولید کند.
 

اثرات زیست محیطی

باتری های گرانشی طوری طراحی شده اند که با راه حل های انرژی تجدید پذیر که منابع آنها (نور خورشید، باد و غیره) اغلب متغیر بوده و لزوماً با تقاضا مطابقت ندارند، جفت و جور شوند. امید است که هزینه بلند مدت تری نسبت به باتری های شیمیایی داشته باشند، در حالی که مسائل زیست محیطی کمتری نسبت به سایر راه حل های سنتی ذخیره سازی مانند ذخیره سازی انرژی با پمپاژ آب دارند. پیش بینی می شود که سیستم های باتری گرانشی بتوانند به سرعت در زمان اوج مصرف، انرژی را تأمین کنند که این ممکن است به آنها اجازه دهد مکمل نیروگاه های قله ای سوخت فسیلی یا جایگزین آنها شوند (نیروگاه های قله‌ای نیروگاه‌ هایی هستند که فقط در هنگام اوج مصرف به کار گرفته می‌شوند). انتظار می رود سیستم های تک وزنه ای بتوانند در کمتر از یک ثانیه به تولید برق کامل برسند.
 
بنابراین پیاده سازی باتری های گرانشی در مقیاس بزرگ تر، نیاز به سوخت های فسیلی را کاهش می دهد و میزان انتشار CO2  را به میزان قابل توجهی کم می کند.
 
باتری های گرانشی نسبت به باتری های لیتیوم - یون سازگارتر با محیط زیست هستند، زیرا باتری های لیتیوم - یون عمر کمتری دارند و در صورت نیاز به دور ریختن آنها مشکلاتی به وجود می آید.
 

باتری (شیمیایی) گرانشی

از سال 1870 تا 1930،  اصطلاح "باتری شیمیایی گرانشی" برای توصیف مجموعه ای از انواع محبوب باتری استفاده می شد که در آن از گرانش برای جدا نگه داشتن اجزای شیمیایی بر اساس چگالی مربوطه استفاده می شد.
   

در مقیاس بزرگ

فناوری Lifted Weight Storage (LWS) (ذخیره انرژی توسط وزنه بالا برده شده) توسط شرکت Energozapas  توسعه یافته است. اصل عملیاتی LWS مبتنی بر مصرف برق در حالی است که وزنه ها را به صورت عمودی در مقابله با میدان گرانشی زمین (چند صد متر ارتفاع) بلند می کند و هنگامی که وزنه ای رها شده به دلیل نیروی گرانش کاهش ارتفاع می یابد، انرژی تولید می کند. بلوک های جامد ساخته شده از خاک فشرده به عنوان وزنه عمل می کنند. سازه باربر یک سازه بتنی مسلح است که با کمک روبات های ساختمانی ساخته شده است. فناوری Energozapas  امکان ایجاد انباره های انرژی در مقیاس صنعتی را با قدرت 10 مگاوات ایجاد می کند. عمر مفید آنها 50 سال، و بازده رفت و برگشت آنها 83٪ است.
 
Lift Renewable Energy از فرمی از باتری گرانشی استفاده می کند. برای ذخیره انرژی، ظروف گاز شناور توسط یک وینچ به داخل آب کشیده می شوند، و در نتیجه آب صدها متر بلند می شود. سپس چرخه معکوس شده و با بالا آمدن ظروف گاز، برق تولید می شود. در این فناوری، زیرساخت های نسبتاً کمی مورد نیاز است، و باتری ها را می توان در نزدیکی مراکز اصلی جمعیت قرار داد و بازده رفت و برگشت بیش از 85٪ است. سیستم را می توان از KWH تا GWH ارتقاء داد.
 
EnergyVault روی توسعه باتری های گرانشی در مقیاس بزرگ کار می کند. باتری گرانشی که آنها روی آن کار می کنند یک برج ذخیره انرژی است که از بلوک های بتنی ساخته شده است. جرثقیل های 120 متری از انرژی مازاد شبکه برق برای بلند کردن و چیدن بلوک های بتنی استفاده می کنند که هر کدام 32 تن وزن دارند. هنگامی که بلوک ها سقوط می کنند، انرژی بازیابی می شود تا با چرخاندن ژنراتور، برق تولید کند. یک واحد تجاری می تواند 20 مگاوات ساعت، یا به اندازه ای که برای تأمین برق 2000 خانه سوئیسی در روز کافی است، انرژی ذخیره کند.
 
واحد باتری گرانشی Gravitricity شامل یک وینچ / ژنراتور الکتریکی قابل تبدیل، کابل ها، یک وزنه بزرگ و شفت عمودی است که 150 تا 1500 متر زیرزمین می رود که در ابتدا از شفت های معدنی بلااستفاده استفاده می کرد. وینچ برقی وزنه ای از 500 تا 5000 تن را به بالای شفت می برد. هنگامی که وزنه آزاد می شود، وینچ برقی را درون یک میدان مغناطیسی می چرخاند تا انرژی تولید کند. این سیستم 10 مگاوات ساعت انرژی کافی برای 13000 خانه به مدت دو ساعت، تولید می کند. همچنین باتری را می توان برای سقوط سریع وزنه، در حد یک طغیان کوچک از انرژی پرقدرت، کنترل کرد.
 
ذخیره انرژی از طریق راه آهن، مفهومی است که در آن از انرژی تجدید پذیر مازاد، در مواقع نیاز کم به انرژی، برای راندن واگن های سنگین قطارها در سربالایی استفاده می شود. انرژی پتانسیل بعداً با استفاده از ترمزهای احیا کننده هنگام چرخش در سرازیری آزاد شده و به عنوان یک باتری گرانشی عمل می کند.
 

مقیاس کوچک

GravityLight یک چراغ کوچک توان گرفته از نیروی گرانش است که با بلند کردن دستی یک کیسه سنگ یا ماسه و سپس رها کردن آن برای سقوط، تولید انرژی می کند. GravityLight برای کمک به تقریبا یک میلیارد نفر در جهان که منبع برق ندارند طراحی شده است، زیرا این امر باعث می شود که افرادی که به برق دسترسی ندارند لزومی نداشته باشد از لامپ های نفتی گران و خطرناک و آلوئه کننده استفاده کنند.
 یک باتری گرانشی با استفاده از انرژی مازاد در شبکه برای افزایش ارتفاع جرم برای تولید انرژی پتانسیل گرانشی عمل می کند، که سپس جرم انداخته می شود تا انرژی پتانسیل را از طریق یک ژنراتور الکتریکی به الکتریسیته تبدیل کند. هزینه باتری های گرانشی بر اساس طراحی های آنها متفاوت است. همچنین بر خلاف نیروگاه های برق آبی، پانل های خورشیدی و توربین های بادی، که فقط در شرایط خاص یا در مناطق خاصی می توانند کار کنند، باتری های گرانشی مانند باتری های پیشنهاد شده توسط EnergyVault و Gravitricity می توانند در هر نقطه از جهان ساخته شده و از مصالح محل ساخت استفاده کنند.
 
منبع:
کاتلین اوگریدی، CGTN