باتری‌های شنی رویکردی برای پایداری

تقاضای فزاینده برای ذخیره‌سازی انرژی پایدار و مسائل اخلاقی و زیست‌محیطی مرتبط با باتری‌های لیتیوم-‌یونی (lithium-ion)، تلاش برای یافتن جایگزین آن‌ها را تشدید کرده است. در جست‌وجوی راه‌حل‌های پایدار انرژی، باتری‌های حرارتی (thermal battery) به‌عنوان یک فناوری امیدوارکننده برای مقابله با چالش‌های ذخیره‌سازی انرژی، به‌ویژه در زمینه منابع انرژی تجدیدپذیر ظهور کرده‌اند.

باتری‌های حرارتی می‌توانند هزینه برق گرمایش صنعتی را 50 تا 63 درصد کاهش دهند و به‌طور اساسی تصمیم‌گیری کسب‌وکارها در مورد برق‌رسانی تجهیزات حرارتی فرایند را تغییر می‌دهند و درعین‌حال تا 90 درصد از نیازهای حرارتی فرایند صنعتی را برآورده می‌کنند. در شکل 1 سازوکار باتری‌های حرارتی را به‌طورکلی مشاهده می‌نمایید.

ازجمله فناوری‌های نوظهور در این زمینه که هدف آن ایجاد انقلابی در چشم‌انداز ذخیره انرژی است، باتری‌های شنی (sand batteries) است. باتری‌های شنی (یا همان باتری‌های ماسه‌ای) یک سیستم ذخیره‌سازی حرارتی با دمای بالا است که از ماسه به‌عنوان ماده واسطه ذخیره‌سازی استفاده می‌کنند. این نوع باتری، انرژی را به‌صورت حرارت ذخیره می‌کند و به‌عنوان جایگزینی مناسب برای باتری‌های شیمیایی سنتی، به‌ویژه در مناطقی که منابع انرژی تجدیدپذیر به فراوانی یافت می‌شوند، مطرح می‌شود.

یک باتری شنی از طریق گرم کردن مقدار زیادی ماسه (تا 600 درجه سلسیوس) با استفاده از برق تولیدشده از منابع تجدیدپذیری مانند انرژی بادی و خورشیدی، کار می‌کند. این فرایند، انرژی الکتریکی را به انرژی حرارتی قابل ذخیره‌سازی در ماسه تبدیل می‌کند. اولین باتری شنی تجاری دنیا در شرکت Polar Night Energy توسط چهار مهندس جوان در کنگانپائه (Kankaanpää) کشور فنلاند توسعه یافته که به یک شبکه گرمایش منطقه‌ای نیز متصل شده است. این باتری می‌تواند تا 8 مگاوات ساعت انرژی حرارتی ذخیره کند که گرما را برای ساختمان‌های مسکونی و تأسیسات عمومی فراهم می‌کند.

یکی از مزایای اصلی باتری‌های شنی، توانایی آن‌ها در ذخیره انرژی برای دوره‌های طولانی‌مدت (از هفته‌ها تا ماه‌ها) بدون اتلاف قابل‌توجه حرارت است. این ویژگی به‌ویژه در مقایسه با باتری‌های لیتیوم-‌یونی که معمولاً انرژی گرمایی را تنها برای چند ساعت نگه می‌دارند، مفید است. علاوه‌بر این، ماسه یک ماده فراوان و ارزان است که آن را به گزینه‌ای دوستدار محیط‌زیست برای ذخیره‌سازی انرژی تبدیل می‌کند. شرکت Polar Night Energy ادعا می‌کند که باتری شنی تولیدشده آن‌ها حدود ده برابر ارزان‌تر از باتری‌های لیتیومی است که همان مقدار انرژی را ذخیره می‌کند. به گفته مدیرعامل این شرکت، باتری شنی حدود 200 هزار دلار قیمت دارد، درحالی‌که یک باتری لیتیوم-یونی با همان ظرفیت ذخیره انرژی حداقل 1.6 میلیون دلار هزینه دارد. این تفاوت هزینه قابل‌توجه، مزیت اقتصادی باتری‌های شنی را با وجود چگالی انرژی پایین‌تر نشان می‌دهد. از طرفی دیگر، برخلاف باتری‌های لیتیوم-‌یونی که نیاز به استخراج مواد نادر مانند کبالت دارند، باتری‌های شنی نگرانی‌های اخلاقی و زیست‌محیطی مرتبط با استخراج منابع را ایجاد نمی‌کنند کاربرد این فناوری در شکل 2 نمایش داده شده است.

 همانند هر فناوری نوظهور دیگری، باتری‌های شنی نیز با وجود مزایای بسیار، با چندین چالش مواجه است. از جمله اینکه، چگالی انرژی باتری‌های شنی کمتر از باتری‌های سنتی (لیتیوم-یونی) است، به این معنی که آن‌ها انرژی کمتری به ازای هر واحد حجم ذخیره می‌کنند. این محدودیت، سؤالاتی را در مورد مقیاس‌پذیری آن‌ها برای کاربردهایی مانند وسایل نقلیه الکتریکی یا دستگاه‌های قابل‌حمل مطرح می‌کند. علاوه‌بر این، هزینه‌های اولیه و زمان موردنیاز برای توسعه سیستم‌های باتری شنی نیاز به بررسی دقیق دارند تا از تجاری بودن و پتانسیل انبوه‌سازی آن‌ها اطمینان حاصل شود.

پس برای مقابله با این چالش‌ها، تحقیق و توسعه مداوم ضروری است. طبق تحقیقات، نوآوری‌ها در سیستم‌های تبادل حرارت و روش‌هایی برای افزایش کارایی تبدیل حرارت ذخیره‌شده به برق می‌تواند عملکرد باتری‌های شنی را به‌طور قابل‌توجهی بهبود بخشد. هم‌چنین، ادغام باتری‌های شنی با زیرساخت‌های انرژی موجود و بررسی سیستم‌های هیبریدی که ذخیره‌سازی حرارتی و شیمیایی را ترکیب می‌کنند، می‌تواند کاربردپذیری و اثربخشی آن‌ها را گسترش دهد.

باتری‌های شنی نمایانگر یک رویکرد نوآورانه به ذخیره‌سازی انرژی هستند که یک راه‌حل پایدار و کارآمد برای بهره‌برداری از انرژی‌های تجدیدپذیر ارائه می‌دهند. با وجود چالش‌های موجود در زمینه چگالی انرژی و مقیاس‌پذیری، مزایای بالقوه باتری‌های شنی، از جمله هزینه اثربخشی و پایداری زیست‌محیطی، همچنین دسترسی آسان به ماده اولیه ساخت آن‌ها یعنی شن و ماسه سیلیس به‌خصوص در مناطقی چون خاورمیانه، آفریقا و بخش‌هایی از آسیا که در آن‌ها انرژی خورشید و بادی موردنیاز نیز به‌وفور یافت می‌شود، این باتری‌ها را به گزینه‌ای جذاب برای آینده ذخیره‌سازی انرژی تبدیل کرده است. با ادامه تحقیقات و پیشرفت فناوری، باتری‌های شنی می‌توانند نقش مهمی در تسهیل گذار به یک چشم‌انداز انرژی پاک‌تر و پایدارتر ایفا کنند.