توسط : پژوهشگران طرحی نوآورانه برای ذخیره‌سازی انرژی در ساختمان‌های بلند ارائه کرده‌اند که ترکیبی از چند فناوری پاک را در بر می‌گیرد. در این ایده، سامانه‌های ذخیره‌سازی انرژی مبتنی بر گرانش در کنار نماهای خورشیدی، توربین‌های بادی کوچک و باتری‌های لیتیوم‌یونی به‌کار گرفته می‌شوند تا بهره‌وری انرژی ساختمان‌ها به شکل چشمگیری افزایش یابد.
مدل‌سازی انجام‌شده نشان می‌دهد این سامانه ترکیبی می‌تواند هزینه نهایی انرژی را بین ۰٫۰۵۱ تا ۰٫۱۱۱ دلار به‌ازای هر کیلووات‌ساعت حفظ کند.
ذخیره‌سازی گرانشی؛ جایگزینی بالقوه برای باتری‌ها و سامانه‌های شیمیایی
این طرح که در دانشگاه واترلو در کانادا توسعه یافته، بر پایه مکانیزم طناب و قرقره عمل می‌کند. در این سیستم، انرژی تولیدی توسط نماهای خورشیدی در جهات جنوبی، شرقی و غربی ساختمان و توربین‌های بادی مستقر بر بام صرف بالا کشیدن وزنه‌های سنگین درون یک چاهک می‌شود.
در مرحله تخلیه، این وزنه‌ها پایین آورده می‌شوند و انرژی پتانسیل ذخیره‌شده‌شان به‌صورت انرژی الکتریکی از طریق ژنراتور آزاد می‌شود. در این ساختار، سیستم گرانشی نقش واحد اصلی ذخیره‌سازی را دارد و باتری‌ها تنها برای واکنش سریع در زمان مازاد یا کمبود تولید وارد مدار می‌شوند.
این سامانه شامل واحد موتور–ژنراتور، طناب‌های بالابر، چرخ‌دنده‌های انتقال نیرو و بلوک‌های فولادی یا بتنی است و عملکردی مشابه آسانسورهای متداول در ساختمان‌های شهری دارد.
به گفته «محمد ا. حسن»، نویسنده اصلی این پژوهش، «این طراحی از نظر فنی عملی است و نمونه‌های تجاری آن نیز اخیراً اثبات شده‌اند. شرکت Gravitricity یک نمونه اولیه به ارتفاع ۱۵ متر و توان ۲۵۰ کیلووات را در بندر Leith ادینبرو اجرا کرده که در آن دو وزنه ۲۵ تنی و دو ژنراتور به شبکه برق متصل بودند. این شرکت از سال ۲۰۲۱ تاکنون دو پروژه تجاری در مقیاس کامل با ظرفیت‌های ۴ و ۸ مگاوات را نیز آغاز کرده است.»
پژوهشگران برای ارزیابی عملکرد، این سیستم را در قالب ۶۲۵ مدل ساختمانی فرضی شبیه‌سازی کردند و عواملی مانند نسبت سطح نما به حجم، نسبت طول به عرض و نسبت ارتفاع به مساحت پایه ساختمان را در محاسبات لحاظ نمودند. آن‌ها همچنین از الگوریتم ژنتیک چندهدفه (MOGA) برای تحلیل هم‌زمان هزینه نهایی برق (LCOE) و میزان وابستگی ساختمان‌ها به شبکه برق شهری استفاده کردند.
نتایج تحلیل نشان داد که این سامانه ترکیبی می‌تواند به هزینه نهایی برق (LCOE) در بازه‌ای بین ۰٫۰۵۱ تا ۰٫۱۱۱ دلار به‌ازای هر کیلووات‌ساعت دست یابد، درحالی‌که هزینه برق شبکه برای ساختمان‌های مشابه بین ۰٫۱۹۵ تا ۰٫۸۸۸ دلار به‌ازای هر کیلووات‌ساعت برآورد شد. این نتایج با داده‌های سیستم‌های مشابه انرژی تجدیدپذیر مجتمع در ساختمان‌ها در کانادا و سایر مناطق کم‌منبع هم‌خوانی دارد.
پژوهشگران توضیح دادند: «ساختمان‌های بلندتر با مساحت کف بیشتر معمولاً هزینه LCOE پایین‌تری دارند، اما درمقابل، هزینه برق شبکه در آن‌ها بالاتر است.» به گفته آنان، ظرفیت سامانه ذخیره‌سازی گرانشی باید متناسب با افزایش شدت مصرف انرژی ساختمان افزایش یابد.
مدل‌سازی‌ها همچنین نشان داد که دوره بازگشت سرمایه این سامانه بین ۹ تا ۱۷ سال است و در اغلب موارد، دوره بازگشت تنزیل‌شده کمتر از ۲۵ سال خواهد بود.
به گفته حسن: «این نتایج، پایداری مالی بلندمدت این فناوری را تأیید می‌کند.» بااین‌حال، او تأکید کرد که توافق صنعت در زمینه‌هایی چون پیچیدگی بهره‌برداری، هزینه‌های اولیه، و اثبات قابلیت اطمینان ۲۴ ساعته در شرایط واقعی برای موفقیت تجاری این فناوری ضروری است.
او گفت: «اگرچه اصول مکانیکی این فناوری ثابت شده است، اما چالش اصلی در مقیاس‌پذیری مهندسی، دستیابی به هزینه سرمایه رقابتی و ادغام آن در محیط‌های صنعتی یا شبکه برق است. درنتیجه، پذیرش در بازار همچنان به اثبات این وابسته است که این سامانه‌ها می‌توانند در طول عمر عملیاتی مورد انتظار خود، عملکردی بهتر از باتری‌ها، سامانه‌های شیمیایی و سایر فناوری‌های مبتنی بر گرانش داشته باشند؛ به‌ویژه در کاربردهایی که به ذخیره و تحویل انرژی چندساعته تا چندروزه بدون کاهش ظرفیت نیاز دارند.»
او در ادامه افزود: «تحلیل‌های مستقل نشان می‌دهند که دستیابی به بلوغ تجاری و استقرار گسترده و قابل اعتماد در بازارهای توسعه‌یافته خارج از چین، احتمالاً تا اواخر دهه ۲۰۲۰ ممکن خواهد بود؛ مشروط به آنکه چند سال داده عملیاتی از پروژه‌های شاخص کنونی در دسترس قرار گیرد. در حال حاضر، فناوری ذخیره‌سازی گرانشی در سطح زمین از نظر تجاری در مقیاس اولیه اثبات شده، اما هنوز به مرحله پذیرش انبوه و تخفیف ناشی از تولید انبوه نرسیده است. انعقاد قراردادهای پایدار و عملکرد قابل اعتماد طی سه سال آینده می‌تواند وضعیت این فناوری را به بلوغ کامل تجاری ارتقا دهد.»
این مطالعه در مقاله‌ای در مجله Applied Science منتشر شده است.
بیشتر بخوانید: ۱۰ فناوری پیشرفته که آینده ذخیره‌سازی انرژی را دگرگون می‌کنند
