استفاده از معادن شن و ماسه برای ذخیره سازی انرژی

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 ذخیره سازی 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 زغال‌سنگ متروکه و شکافی برای فرصت‌های شغلی ایجاد خواهد شد.

به گفته یکی از کارشناسان دیده بان 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 آنکه 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 ذخیره سازی انرژی را افزایش می‌دهد. این مطالعه نشان داد که ذخیره سازی انرژی گرانشی زیرزمینی، می‌تواند معادن از کار افتاده را به راه حل‌های ذخیره انرژی بلندمدت تبدیل کند.

جولیان هانت، محقق برنامه انرژی، محیط زیست و آب و هوای 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. ذخیره سازی انرژی گرانشی زیرزمینی چند جای خالی ایجاد ایجاد می‌کند را که معدن خدمات ذخیره سازی انرژی را پس از توقف فعالیت ارائه خواهد داد.

باتری‌ها و ذخیره‌سازی هیدرولیک گزینه‌های رایج‌تری برای ذخیره سازی الکتریکی هستند. با این حال، به دلیل هزینه بالای انرژی ذخیره شده و نرخ بالای تلفات و تخله در طول روز، باتری‌هایی که برای ذخیره سازی 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 ذخیره سازی هیدرولیک، الزامات فناوری جغرافیایی به شکل قابل توجهی پتانسیل آن را محدود می‌کند. ذخیره سازی انرژی گرانشی زیرزمینی در واقع یک فناوری ذخیره سازی انرژی گرانشی است که پیشنهاد می‌کند الکتریسیته را می‌توان با کاهش حجم زیادی از ماسه در یک معدن زیر زمینی 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 ذخیره شده 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 ذخیره سازی انرژی بیشتری دارد، ظرفیت تولید برق نیز بسته به سرعت حرکت ماسه متفاوت است.

برای بهینه سازی 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. ذخیره سازی 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 ذخیره سازی انرژی گرانشی زیرزمینی، به ازای هر کیلو وات ساعت بین ۱ تا ۱۰ دلار برآورد می‌شود، با فرض اختلاف ارتفاع متوسط بین مکان‌های ذخیره سازی در سطح بالاتر و سطح پایین‌تر به ترتیب ۱۵۰۰ و ۲۰۰ این هزینه متغیر خواهد بود.

این تکنیک همچنین دارای ظرفیت ذخیره سازی انرژی از ۷ تا ۷۰ در سطح جهانی است که ذخیره سازی طولانی مدتی را ارائه می‌دهد که نوسانات فصلی در تقاضای برق و تولید انرژی متغیر را کاهش می‌دهد. این مطالعه همچنین نشان می‌دهد که ذخیره سازی انرژی گرانشی زیرزمینی می‌تواند با سایر فناوری‌های ذخیره سازی انرژی، مانند باتری‌ها نیز تکمیل شود. اگرچه ذخیره سازی انرژی گرانشی زیرزیمینی در تئوری تحقیق و توسعه مورد بررسی قرار گرفته است، هنوز به صورت گسترده در مقیاس تجاری پیاده سازی نشده و هیچ گزارشی مبنی بر بهترین دانش ما از به کارگیری این سیستم‌ها وجود ندارد. با این حال، این تئوری چشم انداز امیدوار کننده‌ای را در مورد تکنیک‌های نوآورانه ارائه می‌کند که می‌تواند برای برآورده کردن نیازهای ذخیره سازی انرژی کوهنوردی در آفریقا مورد استفاده قرار گیرد.

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