قدرت وقتی که خورشید نمی تابد | اخبار MIT

در سال 2016، در کنفرانس عظیم انرژی هیوستون CERAWeek، یت مینگ چیانگ، دانشمند مواد MIT، خود را در حال صحبت با یکی از مدیران تسلا در مورد یک مشکل خاردار یافت: نحوه ذخیره خروجی پنل های خورشیدی و توربین های بادی برای مدت طولانی.

چیانگ، پروفسور علوم و مهندسی مواد کیوسرا، و متئو جارامیلو، معاون رئیس تسلا، می‌دانستند که شرکت‌های آب و برق راهی مقرون‌به‌صرفه برای ذخیره انرژی‌های تجدیدپذیر برای پوشش اوج تقاضا و پر کردن شکاف‌ها در روزهای بدون باد و ابری ندارند. . آنها همچنین می‌دانستند که کمبود مواد خام مورد استفاده در دستگاه‌های ذخیره‌سازی انرژی متعارف باید برطرف شود، اگر انرژی‌های تجدیدپذیر می‌خواهند سوخت‌های فسیلی را در مقیاس بزرگ جایگزین کنند.

فناوری‌های ذخیره‌سازی انرژی می‌توانند دسترسی به منابع انرژی تجدیدپذیر را تسهیل کنند، پایداری و قابلیت اطمینان شبکه‌های برق را افزایش داده و در نهایت کربن زدایی شبکه را تسریع کنند. انتظار می‌رود که بازار جهانی این سیستم‌ها – که اساساً باتری‌های بزرگ هستند – در سال‌های آینده به شدت رشد کند. مطالعه‌ای توسط شورای غیرانتفاعی LDES (طولان‌مدت ذخیره‌سازی انرژی) بازار ذخیره‌سازی انرژی طولانی‌مدت را تا سال 2040 بین 80 تا 140 تراوات ساعت نشان می‌دهد. چیانگ خاطرنشان می‌کند: «این عدد واقعاً بزرگی است». هر 10 نفر در این سیاره نیاز به دسترسی به معادل یک EV دارند [electric vehicle] باتری برای تامین انرژی مورد نیاز آنها.

در سال 2017، یک سال پس از ملاقات آنها در هیوستون، چیانگ و جارامیلو به نیروها پیوستند تا Form Energy را در سامرویل، ماساچوست، با فارغ التحصیلان MIT Marco Ferrara SM ’06، PhD ’08 و ویلیام وودفورد PhD ’13، و کهنه کار ذخیره انرژی، تأسیس کنند. تد وایلی.

فرارا، معاون ارشد بخش نرم‌افزار و تجزیه و تحلیل Form می‌گوید: «بازار رو به رشدی برای ذخیره‌سازی انرژی الکتریکی وجود دارد، زیرا ما می‌خواهیم کربن‌زدایی را تا حد امکان سریع و مقرون‌به‌صرفه انجام دهیم».

سرمایه گذاران موافقت کردند. طی شش سال آینده، Form Energy بیش از 800 میلیون دلار سرمایه خطرپذیر جذب خواهد کرد.

پر کردن شکاف ها

ساده ترین باتری از یک آند، یک کاتد و یک الکترولیت تشکیل شده است. در هنگام تخلیه، با کمک الکترولیت، الکترون ها از آند منفی به کاتد مثبت جریان می یابند. در طول شارژ، ولتاژ خارجی فرآیند را معکوس می کند. آند به پایانه مثبت تبدیل می شود، کاتد به پایانه منفی تبدیل می شود و الکترون ها به همان جایی که شروع کرده بودند برمی گردند. مواد مورد استفاده برای آند، کاتد، و الکترولیت وزن، توان و هزینه باتری را تعیین می‌کنند که هزینه کل در سطح قطعه است.

در طول دهه‌های 1980 و 1990، استفاده از لیتیوم باتری‌ها را متحول کرد و آنها را کوچک‌تر، سبک‌تر و قادر به نگه داشتن شارژ برای مدت طولانی‌تر کرد. وسایل ذخیره سازی که Form Energy ابداع کرده است باتری های قابل شارژ مبتنی بر آهن هستند که مزایای متعددی نسبت به لیتیوم دارد. یک بزرگ هزینه است.

چیانگ یک بار به باشگاه MIT کالیفرنیای شمالی گفت: “من عاشق لیتیوم یون هستم.” دو تا از چهار شرکت فرعی MIT که چیانگ بر روی باتری‌های لیتیوم یونی نوآورانه تأسیس کرد. اما با صدها دلار در هر کیلووات ساعت (کیلووات ساعت) و با ظرفیت ذخیره‌سازی که معمولاً بر حسب ساعت اندازه‌گیری می‌شود، لیتیوم یون برای استفاده‌ای که اکنون در ذهن داشت، مناسب نبود.

رویکردی که چیانگ در نظر گرفته بود باید به اندازه کافی مقرون به صرفه باشد تا جذابیت انرژی های تجدیدپذیر را افزایش دهد. قابل اعتماد کردن انرژی خورشیدی و بادی به اندازه کافی برای میلیون‌ها مشتری به معنای ذخیره آن به اندازه کافی برای پر کردن شکاف‌های ایجاد شده در شرایط آب و هوایی شدید، قطع شبکه و زمانی که باد یا چند روز ابری وجود دارد، باشد.

برای رقابت با نیروگاه‌های قدیمی، روش چیانگ باید در حدود 20 دلار به ازای هر کیلووات ساعت انرژی ذخیره‌شده به دست می‌آمد که یک دهم هزینه ذخیره‌سازی باتری‌های لیتیوم یونی است.

اما چگونه می‌توان از باتری‌های گران‌قیمتی که ظرف چند ساعت ذخیره و تخلیه می‌شوند به فناوری‌های هنوز تعریف‌نشده، ارزان و طولانی‌تر تبدیل شد؟

“یک توپ بزرگ آهنی”

اینجاست که فرارا وارد می شود. فرارا دارای مدرک دکترای مهندسی هسته ای از MIT و دکترای مهندسی برق و علوم کامپیوتر از دانشگاه اکویلا در زادگاهش ایتالیا است. در سال 2017، به عنوان یک پژوهشگر وابسته در دپارتمان علوم و مهندسی مواد MIT، با چیانگ برای مدل‌سازی نیاز شبکه به مدیریت متناوب انرژی‌های تجدیدپذیر کار کرد.

متناوب بودن بستگی به این دارد که کجا هستید. به عنوان مثال، در ایالات متحده، دشت بزرگ بادی وجود دارد. بیابان های غرق آفتاب و نسبتا کم باد آریزونا، نیومکزیکو و نوادا. و شمال غربی اقیانوس آرام اغلب ابری.

فرارا، با همکاری پروفسور جسیکا ترانچیک از موسسه داده، سیستم‌ها و جامعه MIT و تیم MIT او، چهار مکان نمایندگی در ایالات متحده را مدل‌سازی کردند و به این نتیجه رسیدند که ذخیره‌سازی انرژی با ظرفیت کمتر از 20 دلار در کیلووات ساعت و مدت زمان تخلیه چند روزه به یک ترکیب باد-خورشید اجازه می‌دهد تا برق مقرون‌به‌صرفه و مستحکم را در مکان‌های سرشار از منابع فراهم کند.

حالا که چارچوب زمانی داشتند، توجه خود را به مواد معطوف کردند. در نقطه قیمتی که Form Energy مد نظر داشت، بحث لیتیوم وجود نداشت. چیانگ به گوگرد فراوان و ارزان نگاه کرد. اما باتری گوگرد، سدیم، آب و هوا دارای چالش‌های فنی بود.

توماس ادیسون زمانی از آهن به عنوان الکترود استفاده می کرد و باتری های آهن-هوا برای اولین بار در دهه 1960 مورد مطالعه قرار گرفتند. آنها برای ساخت باتری های حمل و نقل خوب خیلی سنگین بودند. اما این بار، چیانگ و تیم به باتری که روی زمین نشسته بود نگاه می کردند، بنابراین وزن اهمیتی نداشت. اولویت آنها هزینه و در دسترس بودن بود.

چیانگ می گوید: «آهن در هر قاره ای تولید، استخراج و فرآوری می شود. «زمین یک توپ بزرگ آهنی است. ما هرگز نباید نگران بلندپروازانه‌ترین پیش‌بینی‌ها درباره میزان فضای ذخیره‌سازی جهان تا اواسط قرن باشیم.» چیانگ می خندد، اگر فرم به بازار مسکونی نقل مکان کند، «ایمن ترین باتری است که تا به حال در خانه خود پارک کرده اید». “فقط آهن، هوا و آب.”

دانشمندان آن را زنگ زدگی برگشت پذیر می نامند. در حین تخلیه، باتری اکسیژن دریافت کرده و آهن را به زنگ زدگی تبدیل می کند. اعمال جریان الکتریکی گلوله های زنگ زده را دوباره به آهن تبدیل می کند و باتری در حین شارژ شدن، اکسیژن را خارج می کند. چیانگ می گوید: «از نظر شیمیایی، شما آهن دارید و تبدیل به هیدروکسید آهن می شود. این بدان معناست که الکترون ها استخراج شده اند. شما آن الکترون ها را از مدار خارجی عبور می دهید و اکنون یک باتری دارید.

ماژول های باتری Form Energy تقریباً به اندازه یک واحد لباسشویی و خشک کن هستند. آنها در کانتینرهای 40 فوتی چیده شده‌اند و چندین کانتینر به صورت الکتریکی با سیستم‌های تبدیل نیرو برای ساختن کارخانه‌های ذخیره‌سازی که می‌توانند چندین هکتار را پوشش دهند، متصل می‌شوند.

مکان مناسب در زمان مناسب

ماژول‌ها به نظر نمی‌رسند یا مانند چیزی عمل نمی‌کنند که شرکت‌ها قبلاً برای آن قرارداد بسته‌اند.

این یکی از چالش های کلیدی Form است. فرارا می گوید: “دانش گسترده ای در مورد نیاز به این ابزارهای جدید برای شبکه های کربن زدایی شده وجود ندارد.” «این راهی نیست که شرکت‌های برق معمولاً برنامه‌ریزی کرده‌اند. آنها در حال بررسی تمام ابزارهای موجود در جعبه ابزار هستند که ممکن است ذخیره انرژی چند روزه را در نظر نگیرد.

مشتریان Form Energy عمدتاً شرکت‌های برق سنتی هستند که به دنبال گسترش مجموعه‌های برق تجدیدپذیر خود هستند. برخی از آنها در حال از کار انداختن نیروگاه‌های زغال‌سنگ و روی آوردن به انرژی‌های تجدیدپذیر هستند.

تحقیقات فرارا که نیاز به ذخیره سازی چند روزه بسیار کم هزینه را مشخص می کند، داده های کلیدی را برای تامین کنندگان برق فراهم می کند که به دنبال تعیین مقرون به صرفه ترین راه برای ادغام بیشتر انرژی های تجدیدپذیر هستند.

با استفاده از تکنیک‌های مدل‌سازی یکسان، فرارا و تیم به مشتریان بالقوه نشان می‌دهند که چگونه این فناوری با سیستم موجود آنها مطابقت دارد، چگونه با سایر فناوری‌ها رقابت می‌کند، و چگونه در برخی موارد، چگونه می‌تواند با سایر فناوری‌های ذخیره‌سازی به صورت هم افزایی عمل کند.

او می‌گوید: «آنها ممکن است به مجموعه‌ای از فناوری‌های ذخیره‌سازی برای متعادل کردن کامل انرژی‌های تجدیدپذیر در بازه‌های زمانی مختلف متناوب نیاز داشته باشند. اما به غیر از فناوری توسعه‌یافته در Form، «هیچ چیز زیادی وجود ندارد، مطمئناً در حد هزینه‌ای که ما به بازار می‌آوریم نیست». به لطف برخورد شانسی چیانگ و جارامیلو در هوستون، Form چندین سال پیشتاز دیگر شرکت‌هایی است که برای رفع این چالش تلاش می‌کنند.

در ژوئن 2023، Form Energy بزرگترین قرارداد خود را تا به امروز برای یک پروژه منعقد کرد: سفارش جورجیا پاور برای یک سیستم 15 مگاوات/1500 مگاوات ساعت. این سفارش، مقدار کل ذخیره انرژی Form را تحت قرارداد با مشتریان شرکت برق به 40 مگاوات/4 گیگاوات ساعت می رساند. برای پاسخگویی به تقاضا، فرم در حال ساخت یک مرکز جدید تولید باتری در مقیاس تجاری در ویرجینیای غربی است.

این واقعیت که Form Energy در منطقه ای که بیش از 10000 شغل فولادی را از دست داده است شغل ایجاد می کند، برای چیانگ از بین نمی رود. و این مشاغل جدید در فناوری پاک هستند. برای من شخصاً انجام کاری که به نفع جوامع خارج از مراکز فناوری سنتی ما باشد، بسیار هیجان انگیز است.

چیانگ می‌گوید: «این زمان به دلایل بسیاری مناسب است. او می گوید که او و بنیانگذاران Form Energy احساس “فوریت فوق العاده ای برای عرضه این باتری ها به جهان دارند.”

این مقاله در زمستان 2024 موضوع از آتی انرژی، مجله MIT Energy Initiative.