استفاده از معادن شن و ماسه برای ذخیره‌سازی انرژی

به گزارش می‌متالز، جهان به سرعت به سمت انتقال انرژی‌های پاک حرکت می‌کند. با حمایت کشور‌های آفریقایی از توافق‌نامه پاریس و تامین مالی بیشتر برای پروژه‌های انرژی متغیر مانند خورشیدی و بادی، انتظار می‌رود که تقاضا برای ذخیره انرژی باتری برای تامین تقاضای انرژی افزایش یابد.

بر اساس گزارش آژانس بین‌المللی انرژی، ظرفیت ذخیره‌سازی باتری در مقیاس شبکه بین سال‌های ۲۰۲۲ و ۲۰۳۰ حدود ۳۵ برابر شده و به تقریبا ۹۷۰ گیگاوات افزایش خواهد یافت و پس از سال ۲۰۳۰ به انتشار کربن صفر دست خواهد یافت، یعنی زمانی که معادن زغال‌ سنگ متروکه و شکافی برای فرصت‌های شغلی ایجاد خواهد شد.

به گفته یکی از کارشناسان دیده‌بان حقوق بشر، تنها آفریقای جنوبی دارای بیش از ۶ هزار معدن متروکه است که خطر بزرگی برای جوامع محلی محسوب می‌شود. اگرچه برآورد تعداد معادن بسته یا متروک چالش برانگیز است، اما احتمالا در محدوده میلیون‌ها سایت در سراسر جهان قرار دارد.

نکته مثبت آن که طبق یک مطالعه که در سال ۲۰۲۳ توسط موسسه بین‌المللی تحلیل سیستم‌های کاربردی انجام شد، این تعداد بالای تعطیلی معادن زیرزمینی، تعداد معادن موجود برای پروژه‌های ذخیره‌سازی انرژی را افزایش می‌دهد. این مطالعه نشان داد که ذخیره‌سازی انرژی گرانشی زیرزمینی، می‌تواند معادن از کار افتاده را به راه‌حل‌های ذخیره انرژی بلندمدت تبدیل کند.

جولیان هانت، محقق برنامه انرژی، محیط زیست و آب‌وهوای موسسه بین‌المللی تحلیل سیستم‌های کاربردی و نویسنده اصلی این مطالعه، در این باره توضیح داد: وقتی یک معدن تعطیل می‌شود، هزاران کارگر بیکار می‌شوند و این امر جوامعی را که برای بازده اقتصادی خود تنها به معدن متکی هستند ویران می‌کند. ذخیره‌سازی انرژی گرانشی زیرزمینی چند جای خالی ایجاد می‌کند را که معدن خدمات ذخیره‌سازی انرژی را پس از توقف فعالیت ارائه خواهد داد.

باتری‌ها و ذخیره‌سازی هیدرولیک گزینه‌های رایج‌تری برای ذخیره‌سازی الکتریکی هستند. با این حال، به دلیل هزینه بالای انرژی ذخیره‌شده و نرخ بالای تلفات و تخله در طول روز، باتری‌هایی که برای ذخیره‌سازی انرژی در یک چرخه هفتگی قرار گیرند، ممکن است هرگز از نظر اقتصادی مقرون به صرفه نباشند همان‌طور که مطالعه موسسه بین‌المللی تحلیل سیستم‌های کاربردی این موضوع را اثبات می‌کند.

برای تاسیسات باتری‌ها و ذخیره‌سازی هیدرولیک، الزامات فناوری جغرافیایی به شکل قابل‌توجهی پتانسیل آن را محدود می‌کند. ذخیره‌سازی انرژی گرانشی زیرزمینی در واقع یک فناوری ذخیره‌سازی انرژی گرانشی است که پیشنهاد می‌کند الکتریسیته را می‌توان با کاهش حجم زیادی از ماسه در یک معدن زیرزمینی تخلیه کرد. این تکنیک شامل دو مخزن زیرزمینی – یکی در سطح بالاتر و دیگری در ارتفاع پایین‌تر است – مخزن بالایی به گونه‌ای طراحی شده است که تا حد امکان ماسه را روی سطح اطراف دالان معدن ذخیره کند تا انرژی مورد نیاز برای ذخیره شن روی سطح به حداقل برسد.

برای آزادسازی انرژی ذخیره‌شده در طول دوره‌های اوج تقاضا یا عرضه کم، شن و ماسه به مخزن پایینی رها می‌شود و انرژی پتانسیل را در حین پایین آمدن به انرژی جنبشی تبدیل می‌کند. همان‌طور که توده سنگین ماسه فرود می‌آید، یک ژنراتو را به حرکت درمی‌آرود و انرژی جنبشی را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند. انرژی پتانسیل شن از طریق ترمز احیاکننده به الکتریسیته تبدیل می‌شود که با معکوس کردن موتور‌های الکتریکی که وسیله نقلیه را به حرکت درمی‌آورد مانند یک ژنراتور عمل کرده سپس برق تولید شده برای استفاده به شبکه برق وارد می‌شود.

ایجاد یک دالان معدن عمیق‌تر و وسیع‌تر، نیروی بیشتری از کارخانه استخراج می‌کند، در حالی که معدن بزرگ‌تر ظرفیت ذخیره‌سازی انرژی بیشتری دارد، ظرفیت تولید برق نیز بسته به سرعت حرکت ماسه متفاوت است.

برای بهینه‌سازی ظرفیت توان، ظروف شن و ماسه در دالان ۵۰ درصد از حجم را اشغال می‌کنند در حالی که فضای باقی‌ماند برای پر کردن و تخلیه با ظروف شن و ماسه استفاده می‌شود. ذخیره‌سازی انرژی گرانشی زیرزمینی که طول عمر فنی آن بین ۲۰ تا ۳۰ سال است، می‌تواند برای ذخیره انرژی در مقیاس‌های هفتگی، ماهیانه و یا فصلی بسته به تقاضای ذخیره انرژی طراحی شود. این راه حل به دلیل استفاده از سازه‌های زیرزمینی موجود و هزینه‌های گزاف حفاری، هزینه‌های جابجایی مواد، خطرات مربوط به معدن و زمان مورد نیاز برای انجام این کار، حتی جذاب‌تر شده است.

بر اساس مطالعه موسسه بین‌المللی تحلیل سیستم‌های کاربردی، هزینه ذخیره‌سازی انرژی گرانشی زیرزمینی، به ازای هر کیلو وات ساعت بین ۱ تا ۱۰ دلار برآورد می‌شود، با فرض اختلاف ارتفاع متوسط بین مکان‌های ذخیره‌سازی در سطح بالاتر و سطح پایین‌تر به ترتیب ۱۵۰۰ و ۲۰۰ این هزینه متغیر خواهد بود.

این تکنیک همچنین دارای ظرفیت ذخیره‌سازی انرژی از ۷ تا ۷۰ در سطح جهانی است که ذخیره‌سازی طولانی مدتی را ارائه می‌دهد که نوسانات فصلی در تقاضای برق و تولید انرژی متغیر را کاهش می‌دهد.

این مطالعه همچنین نشان می‌دهد که ذخیره‌سازی انرژی گرانشی زیرزمینی می‌تواند با سایر فناوری‌های ذخیره‌سازی انرژی، مانند باتری‌ها نیز تکمیل شود. اگرچه ذخیره‌سازی انرژی گرانشی زیرزمینی در تئوری تحقیق و توسعه مورد بررسی قرار گرفته است، هنوز به صورت گسترده در مقیاس تجاری پیاده‌سازی نشده و هیچ گزارشی مبنی بر بهترین دانش ما از به کارگیری این سیستم‌ها وجود ندارد. با این حال، این تئوری چشم‌انداز امیدوارکننده‌ای را در مورد تکنیک‌های نوآورانه ارائه می‌کند که می‌تواند برای برآورده کردن نیاز‌های ذخیره‌سازی انرژی کوهنوردی در آفریقا مورد استفاده قرار گیرد.

به منظور کربن‌زدایی اقتصاد، لازم است سیستم انرژی را بر اساس راه‌حل‌های نوآورانه با استفاده از منابع موجود تجدیدنظر کنیم. تبدیل معادن متروکه به محلی برای ذخیره‌سازی انرژی، نمونه‌ای از راه‌حل‌های بسیاری است که در اطراف ما وجود دارد و فقط باید نحوه استقرار آنها را تغییر دهیم.

منبع: روزگار معدن