در این مقاله، به پتانسیل تولید برق با نیروی جاذبه زمین به عنوان یک راه حل جایگزین امیدوارکننده می پردازیم. روش های مختلفی برای استفاده از جاذبه برای ذخیره و تولید برق وجود دارد که در ادامه به آنها اشاره خواهد شد.
مزایای ذخیره سازی انرژی با جاذبه شامل همگرایی با منابع انرژی تجدیدپذیر، طول عمر بالا، پایداری، تاثیر زیست محیطی کم، قابلیت مقیاس پذیری و انعطاف پذیری، و مزایای اقتصادی آن می باشد.
با پیشرفت های تکنولوژیکی و نوآوری های مداوم در این زمینه، ذخیره سازی انرژی با جاذبه می تواند به عنوان یک راه حل کلیدی در آینده ذخیره سازی انرژی ایفای نقش کند و به ما در رسیدن به آینده ای با انرژی پاک تر و پایدارتر کمک کند.
چه پتانسیلی برای استفاده از جاذبه زمین به عنوان منبع انرژی وجود دارد؟
جاذبه نیروی بنیادی است که شکل‌دهنده جهان هستی است، اما به طور مستقیم نمی‌توان از آن به عنوان منبع انرژی استفاده کرد. بگذارید توضیح بدهم چرا:
انرژی پتانسیل گرانشی:
وقتی جسمی را بر خلاف جهت جاذبه بلند می‌کنیم، انرژی بالقوه به دست می‌آورد. برای مثال، بالا بردن یک توپ بولینگ به بالای تپه، انرژی بالقوه را در توپ ذخیره می‌کند.
هنگامی که توپ رها می‌شود، جاذبه این انرژی بالقوه را با افتادن توپ به انرژی جنبشی (حرکت) تبدیل می‌کند.
با این حال، انرژی به دست آمده در هنگام سقوط دقیقاً برابر با انرژی صرف شده برای بلند کردن اولیه توپ است. هیچ سود خالصی در انرژی وجود ندارد.
این مفهوم در مورد همه نیروها صدق می کند، نه فقط جاذبه. برای مثال، آهنرباها همدیگر را جذب می کنند و به نظر می رسد انرژی به دست می آورند، اما انرژی ناشی از کاری است که در ابتدا برای جدا کردن آنها انجام شده است.
ترمودینامیک و پایستگی انرژی:
قوانین بنیادی ترمودینامیک دیکته می کند که انرژی نمی تواند ایجاد یا نابود شود؛ فقط می تواند شکل خود را تغییر دهد.
هر انرژی استخراج شده از میدان گرانشی (مثلاً با حرکت از مکان بالا به مکان پایین) باید با انرژی استفاده شده برای بازگشت به ارتفاع اولیه متعادل شود.
بنابراین، استفاده از جاذبه به تنهایی برای تولید انرژی، این اصول را نقض می کند.
همجوشی خورشید و جاذبه:
در حالی که واکنش های همجوشی هسته ای خورشید با فروپاشی گرانشی تامین می شود، خود جاذبه منبع انرژی نیست.
انرژی خورشید از واکنش‌های هسته‌ای مداوم ناشی می‌شود، نه مستقیماً از جاذبه.
جاذبه نقش اساسی در حفظ ساختار خورشید دارد، اما خروجی انرژی مداوم را فراهم نمی کند.
منبع نامحدود، استخراج محدود:
جاذبه واقعاً یک نیروی «نامحدود» است – تا زمانی که جرم وجود داشته باشد، هرگز خاموش نمی شود.
با این حال، ماهیت بی پایان آن به ما اجازه نمی دهد انرژی بی نهایت از آن استخراج کنیم.
استخراج انرژی از جاذبه نیازمند غلبه بر همان انرژی پتانسیل گرانشی است که در ابتدا ذخیره شده بود.
چالش‌های عملی:
حتی اگر بتوانیم از جاذبه انرژی استخراج کنیم، چالش های عملی بسیار عظیم خواهند بود.
بالا و پایین بردن اجسام عظیم برای مهار انرژی گرانشی، ناکارآمد و پرهزینه خواهد بود.
سایر منابع تجدیدپذیر مانند باد، نور خورشید و نیروی برق آبی عملی تر و کارآمدتر هستند.
به طور خلاصه، در حالی که جاذبه جهان ما را شکل می دهد، نمی تواند به عنوان یک منبع انرژی مستقیم عمل کند. در عوض، ما برای بهره مندی پایدار از انرژی به روش های دیگری متکی هستیم.
چه چالش هایی در استفاده از جاذبه برای تولید برق وجود دارد؟
استفاده از جاذبه برای ذخیره انرژی پتانسیل قابل توجهی دارد، اما با چالش های متعددی نیز روبرو است. بیایید به این موارد نگاهی بیندازیم:
محدودیت های جغرافیایی:
سیستم های ذخیره انرژی مبتنی بر جاذبه به شرایط جغرافیایی خاصی نیاز دارند.
سیستم های سنتی نیروگاه های برقابی پمپاژ که از جاذبه برای انتقال آب به ارتفاع و سپس رهاسازی آن از طریق توربین ها استفاده می کنند، به زمین های صخره ای شیب دار و وفور آب نیاز دارند.
برای دستیابی به پذیرش گسترده، به سیستم هایی نیاز داریم که تقریباً در هر جایی، صرف نظر از شکل ظاهری منطقه، قابل اجرا باشند.
قابلیت مقیاس پذیری:
سیستم های موجود مبتنی بر جاذبه، مانند نیروگاه های پمپاژ، بزرگ و گران هستند.
پروژه های برق آبی دارای هزینه های سرمایه اولیه بالایی هستند و به مخازن بزرگی نیاز دارند.
برای رسیدن به اهداف انرژی خالص-صفر، به راه حل های مقیاس پذیر نیاز داریم که بتوان آنها را در مقیاس های مختلف اجرا کرد.
چگالی انرژی:
باتری های جاذبه ای با بلند کردن وزنه ای عظیم و سپس رهاسازی آن، انرژی را ذخیره می کنند.
چگالی انرژی به وزن و ارتفاع بستگی دارد.
دستیابی به چگالی انرژی بالا بدون نیاز به سازه های عظیم، یک چالش است.
نگرانی های ایمنی:
برخی از سیستم های ذخیره سازی جاذبه در معادن یا چاه ها کار می کنند.
تضمین ثبات سازه های موجود و رسیدگی به نگرانی های ایمنی (مانند گاز متان و سیل) بسیار مهم است.
تاثیر زیست محیطی:
در حالی که خود ذخیره سازی جاذبه ای دوستدار محیط زیست است، مواد مورد استفاده (مانند فولاد، بتن) هزینه های زیست محیطی دارند.
ایجاد تعادل بین مزایا و تأثیر زیست محیطی ضروری است.
طول عمر و دوام:
باتری های جاذبه ای باید در برابر بلند کردن و رهاسازی مکرر وزن دوام داشته باشند.
تضمین طول عمر و دوام آنها برای اجرای عملی ضروری است.
رویکردهای جایگزین:
شرکت هایی مانند Gravitricity و Energy Vault در حال بررسی طرح های مختلف هستند.
Gravitricity وزنه های جداگانه را در چاه های جداگانه معلق می کند، در حالی که Energy Vault از چیدن بلوک ها به صورت خودکار استفاده می کند.
هر رویکردی از نظر کارایی، هزینه و قابلیت مقیاس پذیری، مزایا و معایبی دارد.
به طور خلاصه، در حالی که ذخیره سازی انرژی مبتنی بر جاذبه نویدبخش است، رسیدگی به این چالش ها برای پذیرش موفقیت آمیز آن در گذار به منابع انرژی پاک تر بسیار مهم خواهد بود.
چه روش هایی برای تبدیل جاذبه به انرژی الکتریکی وجود دارد؟
چندین روش برای تبدیل انرژی جاذبه به برق وجود دارد، که عمدتاً به صورت غیرمستقیم انجام می شود. در ادامه به برخی از این روش ها اشاره می کنیم:
نیروگاه برق آبی:
این رایج ترین روش است که در آن آب ذخیره شده در ارتفاع رها می شود و باعث چرخش توربین هایی می شود که برق تولید می کنند. انرژی پتانسیل گرانشی آب در هنگام سقوط به انرژی جنبشی تبدیل می شود که سپس توسط توربین ها به انرژی مکانیکی و در نهایت توسط ژنراتورها به انرژی الکتریکی تبدیل می شود.
نیروگاه برقابی پمپاژشی:
در این سیستم، آب در زمان کمبود تقاضای انرژی به ارتفاع بالاتر پمپاژ می شود. در زمان اوج تقاضا، آب ذخیره شده برای تولید برق رها می شود، مشابه نیروگاه های برق آبی سنتی.
نیروی گرانشی بر رساناها:
پیشنهادات نظری وجود دارد که نشان می دهد نیروهای گرانشی می توانند برای حرکت الکترون های آزاد در یک رسانا استفاده شوند و در نتیجه جریان الکتریکی ایجاد کنند. با این حال، این روش با فناوری فعلی و درک ما از فیزیک عملی نیست.
باتری های جاذبه ای:
این سیستم ها از یک وزنه سنگین که به ارتفاع خاصی بالا می رود برای ذخیره انرژی استفاده می کنند. هنگامی که به انرژی نیاز است، وزنه رها می شود و انرژی گرانشی با پایین آمدن وزنه به انرژی الکتریکی تبدیل می شود.
Gravitricity (گراویتیسیتی):
این مفهوم شامل انداختن وزنه های سنگین در چاه های معادن متروکه برای تولید برق است. بالا بردن وزنه، سیستم را شارژ می کند و رها کردن آن، برق را به شبکه برق تخلیه می کند و مانند یک ژنراتور عمل می کند.
چراغ جاذبه ای:
این یک کاربرد کوچک است که در آن یک وزنه از طریق یک مکانیزم اهرمی ساده، ژنراتوری را به حرکت در می آورد. با پایین آمدن وزنه، گشتاوری ایجاد می کند که ژنراتور را می چرخاند و برق تولید می کند.
در حالی که این روش ها نویدبخش هستند، اما عمدتاً روش های غیرمستقیم مهار انرژی جاذبه هستند و بسیاری از آنها هنوز در مراحل آزمایش یا مفهومی به سر می برند. تبدیل مستقیم انرژی جاذبه به انرژی الکتریکی در حال حاضر یک امکان نظری است تا یک روش عملی.
آیا نمونه های عملی از سیستم های تولید برق با جاذبه وجود دارد؟
بله، سیستم های کاربردی برای تولید برق با استفاده از جاذبه وجود دارد. چند نمونه در اینجا آورده شده است:
نیروگاه برقابی پمپاژشی:
این رایج ترین شیوه ذخیره سازی انرژی با استفاده از جاذبه است. این سیستم شامل دو مخزن در ارتفاعات مختلف است. آب در زمان کمبود تقاضا به مخزن بالایی پمپاژ می شود و در زمان اوج تقاضا، از طریق توربین ها به مخزن پایینی رها می شود تا برق تولید کند.
Energy Vault (انرژی والت):
این سیستم از یک جرثقیل برای بالا بردن و چیدن بلوک های سنگین در زمان مازاد برق و پایین آوردن و رها کردن آنها برای تولید برق در زمان نیاز استفاده می کند. این سیستم ادعا می کند که ذخیره سازی انرژی به صورت ماژولار با ظرفیت های 20 تا 80 مگاوات ساعت را ارائه می دهد و می تواند به مدت 8 تا 16 ساعت به طور مداوم برق تولید کند.
Gravitricity (گراویتیسیتی):
این مفهوم شامل معلق کردن وزنه ها در چاه ها و بالا یا پایین آوردن آنها برای ذخیره و رهاسازی انرژی است. افتادن وزنه یک ژنراتور را به حرکت در می آورد و انرژی پتانسیل گرانشی را به الکتریسیته تبدیل می کند.
چراغ جاذبه ای:
این کاربرد کوچک از یک وزنه برای به حرکت درآوردن ژنراتور از طریق یک مکانیزم اهرمی استفاده می کند. با پایین آمدن وزنه، گشتاوری ایجاد می کند که ژنراتور را می چرخاند و برق تولید می کند.
این سیستم ها نمونه هایی از چگونگی استفاده غیرمستقیم از جاذبه برای ذخیره و تولید برق هستند، به ویژه به عنوان بخشی از تلاش ها برای ادغام منابع انرژی تجدیدپذیر در شبکه برق. آنها رویکردهای نوآورانه ای را برای ذخیره سازی و تولید انرژی نشان می دهند و از نیروی قابل اعتماد جاذبه در کاربردهای عملی بهره می برند.
آیا استفاده از جاذبه برای تولید برق در مقیاس بزرگ امکان پذیر است؟
استفاده از جاذبه برای تولید برق در مقیاس بالا امکان‌پذیر است، به‌خصوص از طریق نیروگاه‌های برقابی پمپاژشی که در حال حاضر فعال‌ترین شکل ذخیره‌سازی انرژی مبتنی بر جاذبه در سطح شبکه برق هستند. این روش شامل پمپاژ آب به ارتفاع بالاتر در زمان مازاد برق و رها کردن آن از طریق ژنراتورها برای تولید برق در زمان نیاز است. با این حال، این روش به دو مخزن بزرگ در ارتفاع نسبتاً زیاد نیاز دارد که می‌تواند یک محدودیت جغرافیایی و زیست‌محیطی باشد.
سیستم‌های مکانیکی دیگری نیز در حال بررسی هستند که از آب استفاده نمی‌کنند. به‌عنوان مثال، شرکت «انرژی والت» سوئیس از سیستم خودکار چیدن و خارج کردن بلوک‌های تا وزن ۳۵ تن استفاده می‌کند. این سیستم ادعا می‌کند که ذخیره‌سازی انرژی به صورت ماژولار با ظرفیت‌های ۲۰ تا ۸۰ مگاوات ساعت را ارائه می‌دهد و می‌تواند به مدت ۸ تا ۱۶ ساعت به طور مداوم برق تولید کند.
به طور مشابه، شرکت «گراویتیسیتی» به جای چیدن وزنه‌ها در فضای باز، از معلق کردن وزنه‌های مجزا به وزن ۵۰۰ تا ۵۰۰۰ تن در چاه‌های جداگانه استفاده می‌کند. هر وزنه دارای یک وینچ است که وظیفه بالا بردن یا رها کردن آن را برعهده دارد و در زمان پایین آمدن، وزنه می‌تواند ژنراتوری را به حرکت درآورد و برق تولید کند.
در حالی که این سیستم‌ها امیدوارکننده به نظر می‌رسند، اما امکان‌پذیر بودن استفاده از جاذبه برای تولید برق در مقیاس بالا به عوامل مختلفی از جمله موقعیت جغرافیایی، تأثیر زیست‌محیطی، قابلیت اقتصادی و پیشرفت‌های تکنولوژیکی بستگی دارد.
چالش اصلی در این است که این فناوری‌ها بتوانند به اندازه‌ای مقیاس‌پذیر باشند که نیازهای شبکه برق را برآورده کنند و در عین حال، از نظر اقتصادی به صرفه و از نظر زیست‌محیطی پایدار باشند. تحقیقات و توسعه‌های در حال انجام در این زمینه نشان می‌دهد که ذخیره‌سازی انرژی مبتنی بر جاذبه می‌تواند نقش مهمی در ترکیب انرژی آینده ایفا کند، به‌ویژه با توجه به حرکت ما به سمت استفاده بیشتر از منابع انرژی تجدیدپذیر.
فناوری ذخیره سازی انرژی مبتنی بر جاذبه، پتانسیل بسیار امیدوارکننده ای برای آینده دارد. در ادامه به برخی از نکات کلیدی که بر این پتانسیل تاکید می کنند اشاره شده است:
همگرایی با انرژی های تجدیدپذیر:
سیستم های مبتنی بر جاذبه می توانند انرژی اضافی حاصل از منابع تجدیدپذیر مانند خورشید و باد را ذخیره کرده و در زمان نیاز آن را آزاد کنند و آنها را به همراهی عالی برای این منابع انرژی متناوب تبدیل کنند.
طول عمر و پایداری:
این سیستم ها پتانسیل طول عمر عملیاتی بالا و قابلیت تعمیر آسان را دارند که می تواند آنها را در مقایسه با سایر فناوری های ذخیره سازی پایدارتر کند.
تاثیر زیست محیطی:
باتری های جاذبه ای نسبت به باتری های معمولی تاثیر زیست محیطی کمتری دارند، زیرا به مواد کمیاب یا سمی وابسته نیستند.
قابلیت مقیاس پذیری و انعطاف پذیری:
این فناوری بر خلاف ذخیره سازی پمپاژ آبی، قابل افزایش یا کاهش مقیاس است و به ویژگی های جغرافیایی خاصی وابسته نیست.
منافع اقتصادی:
سیستم های ذخیره سازی انرژی مبتنی بر جاذبه می توانند در مقایسه با باتری ها، هزینه های بلندمدت پایین تری با مسائل زیست محیطی کمتری ارائه دهند.
نوآوری و توسعه:
شرکت ها به طور مداوم در حال نوآوری و بهبود سیستم های ذخیره سازی مبتنی بر جاذبه هستند که ما را به آینده ای با انرژی پایدار نزدیکتر می کند.
چالش جهانی ذخیره سازی انرژی:
با افزایش تقاضا برای ذخیره سازی انرژی همراه با افزایش استفاده از انرژی های تجدیدپذیر، باتری های جاذبه ای به عنوان راه حلی کارآمد برای چالش جهانی ذخیره سازی انرژی مطرح می شوند.
در نتیجه، ذخیره سازی انرژی مبتنی بر جاذبه این پتانسیل را دارد که به یک بازیگر کلیدی در آینده ذخیره سازی انرژی تبدیل شود و راه حلی قابل اعتماد، پایدار و سازگار با محیط زیست برای ذخیره و مدیریت انرژی تولید شده از منابع تجدیدپذیر ارائه دهد. با پیشرفت فناوری و آزمایش و بهبود نمونه های اولیه بیشتر، می توان انتظار داشت که سیستم های مبتنی بر جاذبه نقش مهمی در انتقال ما به آینده ای با انرژی پاک تر ایفا کنند.
و اما در پایان ، این منابع برای بهتر نوشتن این مطلب به ما کمک کردند :
انتهای مطلب
