نوع جدیدی از باتری در حال ظهور است

برد پلامر / نیویورک تایمز / ۲۹ اکتبر ۲۰۲۶

نوع جدیدی از باتری در مزارع ذرت شرق داکوتای جنوبی در حال کار است و برخی از شرکت‌ها شرط می‌بندند که این ایده می‌تواند سیستم انرژی جهانی را متحول کند.

بیشتر باتری‌های بزرگ، برق را ذخیره و در صورت نیاز آن را تخلیه می‌کنند و در حال حاضر شبکه‌های برق را متحول کرده و دورانی از وسایل نقلیه الکتریکی را آغاز کرده‌اند. اما این آرایه باتری که طی سال گذشته توسط یک استارتاپ به نام آنتورا انرژی ساخته شده است، مقادیر زیادی گرمای سوزان را ذخیره می‌کند.

آنتورا برای شارژ، برق مازاد را از مزارع بادی مجاور که در غیر این صورت به هدر می‌رفتند، دریافت می‌کند و از آن برای گرم کردن بلوک‌های کربن تا دمای ۴۳۵۲ درجه فارنهایت استفاده می‌کند. این بلوک‌ها برای روزها داغ می‌مانند و در صورت نیاز گرما را برای تولید بخار برای یک پالایشگاه سوخت زیستی در نزدیکی آزاد می‌کنند و جایگزین نیاز به سوزاندن گاز طبیعی و زغال سنگ می‌شوند.

امروزه تنها تعداد کمی از این باتری‌های حرارتی بزرگ وجود دارد. اما کارشناسان می‌گویند این فناوری که به عنوان ذخیره‌سازی حرارتی نیز شناخته می‌شود، پتانسیل دستیابی به مقادیر زیادی انرژی پاک کم‌هزینه را دارد.

جاستین بریگز، یکی از بنیانگذاران و مدیر ارشد عملیاتی شرکت آنتورا، مستقر در سن خوزه، کالیفرنیا، گفت: «ما می‌خواهیم این یک راه‌حل جهانی برای انرژی باشد. ما می‌خواهیم بتوانیم انرژی ارزان و قابل اعتمادی را در هر کجای دنیا فراهم کنیم.»

علاقه به ذخیره‌سازی انرژی در سال‌های اخیر افزایش یافته است، که بخشی از آن به دلیل رشد سریع انرژی بادی و خورشیدی است. در حالی که این فناوری‌ها می‌توانند برق را ارزان تولید کنند، اما متناوب هستند و اغلب در مواقعی که نیازی به آن نیست، مانند شب‌های طوفانی، برق تولید می‌کنند. این به معنای اشباع دوره‌ای انرژی کم‌هزینه است، اگر کسی بتواند نحوه مهار آن را پیدا کند.

ذخیره‌سازی این انرژی به صورت گرما مزایایی دارد.

صنایع و کارخانه‌ها برای همه چیز، از سرخ کردن چیپس سیب‌زمینی گرفته تا ذوب سنگ آهن، به مقادیر زیادی گرما و بخار نیاز دارند. آنها معمولاً زغال سنگ یا گاز طبیعی را برای تولید دمای بالا می‌سوزانند که گازهای گلخانه‌ای گرم‌کننده سیاره بیشتری نسبت به مجموع تمام خودروهای جهان ایجاد می‌کند. باتری‌های حرارتی می‌توانند گزینه پاک‌تری ارائه دهند.

تقریباً دوازده استارت‌آپ با ایده‌های خود برای ذخیره‌سازی حرارتی ظهور کرده‌اند. شرکت Rondo Energy، مستقر در آلامدا، کالیفرنیا، از آجرهای فوق داغ استفاده می‌کند. برخی دیگر از آجرهای سرامیکی، سنگ‌های خرد شده یا خاک استفاده می‌کنند.

موانع زیادی در راه است. شرکت‌ها باید ثابت کنند که می‌توانند مقیاس‌پذیر باشند و موادشان در دماهای شدید تخریب نمی‌شوند. در بسیاری از مناطق، مقررات، استفاده از انرژی تجدیدپذیر ارزان قیمت را برای باتری‌های حرارتی دشوار می‌کند.

با این حال، برخی از تحلیلگران می‌گویند که این فناوری پتانسیل قابل توجهی دارد، حتی اگر نگرانی‌های اقلیمی از دستور کار سیاسی محو شده باشد. جنگ به رهبری ایالات متحده با ایران، عرضه جهانی گاز طبیعی را مختل کرده و بسیاری از صنایع را به دنبال منابع انرژی جایگزین کرده است. برخی از شرکت‌های ذخیره‌سازی حرارتی، از جمله Antora و Rondo، در حال بررسی راه‌هایی برای استفاده از باتری‌های حرارتی برای سوخت‌رسانی به مراکز داده هستند، زیرا غول‌های فناوری برای برق تلاش می‌کنند.

جفری ریسمن، مدیر ارشد صنعت در Energy Innovation، یک سازمان تحقیقاتی غیرحزبی، گفت: “این یک فناوری فوق‌العاده امیدوارکننده است. من برای تصور آینده‌ای پاک صنعتی و یک شبکه پاک بدون نقشی برای ذخیره‌سازی حرارتی، تلاش می‌کنم.”

یک آزمایش اولیه

کمی بیرون از شهر بیگ استون سیتی، داکوتای جنوبی، شرکت POET، یکی از بزرگترین تولیدکنندگان سوخت‌های زیستی جهان، صاحب یک پالایشگاه اتانول است. هر روز تقریباً ۱۵۰ کامیون با هزاران بوشل ذرت که خرد، گرم و به سوخت خودروها تبدیل می‌شوند، وارد می‌شوند.

این فرآیند تقطیر نیاز به تأمین مداوم بخار، تقریباً ۳۵۰ درجه فارنهایت، دارد. سال‌ها، این شرکت مقادیر عظیمی از گاز طبیعی، که برای تأمین انرژی ده‌ها هزار خانه در روز کافی بود، را در سه دیگ بخار عظیم برای تولید این گرما می‌سوزاند. همچنین از بخار زباله یک نیروگاه زغال‌سنگ‌سوز در همسایگی خود استفاده می‌کرد.

این وضعیت به‌سرعت در حال تغییر است.

در یک روز آفتابی از ماه سپتامبر، کارگران مشغول انجام مراحل نهایی کار روی «باتری حرارتی» شرکت «آنتورا» (Antora) بودند؛ تأسیساتی که درست در آن‌سوی خیابانِ کارخانه تولید اتانول قرار دارد و از تابستان امسال، انتقال بخار داغ به این کارخانه را آغاز کرده است.

ایالت داکوتای جنوبی مکان مناسبی برای آزمودن این فناوری است، زیرا در اینجا — دست‌کم در برخی مواقع — مازاد برق ارزان‌قیمت وجود دارد. توربین‌های بادی ۶۰ درصد از برق این ایالت را تأمین می‌کنند، اما اغلب به دلیل وجود گلوگاه‌هایی در خطوط انتقال، این انرژی الکتریکی جایی برای رفتن ندارد. در زمان‌هایی که باد به‌خوبی می‌وزد، قیمت عمده‌فروشی برق ممکن است تا نزدیکی صفر کاهش یابد و اپراتورهای شبکه گاهی ناچار می‌شوند توربین‌های غیرضروری را از مدار خارج کنند.

در اتاق کنترل، کارکنان «آنتورا» وضعیت شبکه برق محلی را رصد می‌کنند. هرگاه قیمت‌ها به‌اندازه کافی کاهش یابد، باتری‌ها شروع به شارژ شدن می‌کنند؛ و با افزایش قیمت‌ها، فرآیند شارژ متوقف می‌شود. این سازوکار، کلیدِ توجیه‌پذیری اقتصادیِ این طرح است.

آقای بریگز، که در سال ۲۰۱۸ این شرکت را به‌طور مشترک تأسیس کرد، می‌گوید: «ما برق را زمانی دریافت می‌کنیم که فراوان و ارزان است و هیچ‌کس دیگری به آن نیاز ندارد. هدف ما این بود که اطمینان حاصل کنیم هرگز فشار مضاعفی بر شبکه برق وارد نخواهیم کرد.»

این برق، انرژیِ گرم‌کن‌های مقاومتیِ بزرگی را تأمین می‌کند — مشابه آنچه در دستگاه‌های توستر وجود دارد — که صدها بلوک کربنی را درون ماژول‌های فولادی (به ابعاد کانتینرهای حمل‌ونقل) گرم می‌کنند. این بلوک‌های کربنی در دماهای بسیار بالا به رنگ سفیدِ گداخته درمی‌آیند و انرژی خود را به سیالی در حال گردش منتقل می‌کنند که برای تولید بخار به کار می‌رود.

سرعت شارژ شدنِ باتریِ «آنتورا» بیشتر از سرعت آزادسازی گرمای آن است؛ و پس از شارژ کامل، می‌تواند به مدت ۱۰۰ ساعت جریانی پیوسته از بخار تولید کند — حتی در دوره‌های طولانی که وزش باد متوقف می‌شود.

شرکت «پوئت» (POET) از نتایج به‌دست‌آمده تاکنون رضایت دارد و قصد دارد بویلرهای گازی خود را تقریباً در تمام طول سال خاموش نگه دارد. به گفته این شرکت، هزینه بخار دریافتی از «آنتورا» با هزینه خرید گاز طبیعی قابل‌رقابت است. «پوئت» از مزیت دیگری نیز بهره‌مند می‌شود: با کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای، این شرکت واجد شرایط دریافت اعتبار مالیاتی فدرالِ بیشتری برای سوخت‌های زیستیِ کم‌کربن می‌شود.

جف لات، رئیس و مدیر ارشد عملیاتی این شرکت، می‌گوید: «این همکاری، همکاریِ موفقی بوده است.» «به‌طوری که اگر منطقی باشد، ما آمادگی داریم این کار را در مکانی دیگر نیز تکرار کنیم.»

اگرچه ذخیره‌سازی حرارتی ممکن است مزایای اقلیمی داشته باشد، اما توانسته است حمایت هر دو جناح سیاسی را جلب کند. زمانی که پروژه شرکت «آنتورا» (Antora) به بهره‌برداری رسید، فرماندار و سناتورهای جمهوری‌خواه ایالت داکوتای جنوبی از آن تمجید کردند. بسیاری از محافظه‌کاران از ایده تأمین برق شبانه‌روزی که متکی بر منابع داخلی است، استقبال می‌کنند. بلوک‌های کربنی را می‌توان از محصولات جانبی استخراج نفت و زغال‌سنگ تولید کرد و برخلاف بسیاری از انواع باتری‌ها، این فناوری وابسته به قطعات ساخت چین نیست.

پیتر لیک، که تا همین اواخر مدیر ارشد بخش برق در «شورای تسلط بر انرژی» (National Energy Dominance Council) در دولت ترامپ بود، می‌گوید: «این چیزی فراتر از یک فناوری خاص و محدود است؛ نوعی ظرافت و سادگی در آن نهفته است.»

شرکت آنتورا اخیراً از انعقاد قراردادی برای تأمین یک باتری حرارتی برای یک پالایشگاه اتانول دیگر در کانزاس، متعلق به شرکت «پرت انرژی» (Pratt Energy)، خبر داد. به گفته آقای بریگز، این باتری‌ها می‌توانند برای طیف وسیعی از فرآیندها — از تولید خمیر کاغذ گرفته تا ساخت سیمان — و نه فقط در حوزه سوخت‌های زیستی، گرما تأمین کنند.

او می‌گوید: «تقریباً تمام صنایع بزرگ، سیستم‌های بخاری مشابه این دارند که می‌توان به‌سادگی این فناوری را به آن‌ها متصل کرد.»

نیاز به گرما

پروژه‌های رقیب به‌سرعت در حال ظهور هستند.

شرکت «روندو انرژی» (Rondo Energy) که یکی از رقبای اصلی محسوب می‌شود، از انرژی‌های تجدیدپذیر برای گرم کردن آجرهای نسوز تا دمای ۲۷۳۲ درجه فارنهایت (۱۵۰۰ درجه سانتی‌گراد) استفاده می‌کند. این شرکت نوپا هم‌اکنون برای یک کارخانه سوخت‌های زیستی در کالیفرنیا و یک کارخانه سیمان در تایلند بخار تأمین می‌کند؛ همچنین در پروژه‌ای که در دست اجراست، قرار است از انرژی خورشیدیِ روزانه برای تأمین گرمای مورد نیاز یک کارخانه آبجوسازی متعلق به شرکت «هاینکن» (Heineken) در پرتغال استفاده شود.

اریک تروسیویچ، مدیرعامل روندو، می‌گوید که ذخیره‌سازی حرارتی به دلیل کاهش هزینه‌های انرژی‌های تجدیدپذیر و اختلالات اخیر در بازارهای نفت و گاز — که ناشی از جنگ‌ها در اوکراین و خاورمیانه است — از نظر اقتصادی روزبه‌روز جذاب‌تر می‌شود.

آقای تروسیویچ می‌گوید: «به‌عنوان یک اصل کلی، ما تنها در صورتی برای فروش اقدام می‌کنیم که هزینه ما به‌مراتب کمتر از سوخت‌های فسیلی باشد. پنج سال پیش، این شرایط تنها در تعداد محدودی از نقاط جهان صدق می‌کرد، اما اکنون بخش بسیار بزرگی از جهان را شامل می‌شود.»

اگر قرار باشد این باتری‌ها با گاز طبیعی رقابت کنند، باید بسیار ارزان باشند. شرکت «آنتورا» (Antora) قصد دارد با تولید ماژول‌ها در کارخانه و انتقال آن‌ها به محل پروژه‌ها، روند نصب را تسریع کند. این شرکت اعلام کرده که پروژه «داکوتای جنوبی» — که یکی از بزرگ‌ترین مجموعه‌های باتری در جهان است — را در کمتر از یک سال ساخته است.

آقای بریگز می‌گوید: «اکنون باید ثابت کنیم که می‌توانیم این کار را در مقیاس جهانی انجام دهیم.»

مطالعه‌ای که اخیراً توسط «آزمایشگاه ملی راکیز» (National Laboratory of the Rockies) انجام شده، نشان می‌دهد که اگر روند کاهش هزینه‌های باتری ادامه یابد، ذخیره‌سازی حرارتی می‌تواند در بسیاری از مناطق با گاز طبیعی رقابت کند و در نهایت تا یک‌سومِ نیازهای گرمایشی بخش صنعت در آمریکا را تأمین نماید.

این موضوع برای مقابله با تغییرات اقلیمی بسیار حائز اهمیت است، چرا که گرمای مورد نیاز صنایع حدود ۱۰ درصد از کل گازهای گلخانه‌ایِ عامل گرمایش زمین را تشکیل می‌دهد؛ رقمی که حتی از سهم خودروها یا هواپیماها نیز بیشتر است.

ملیسا هالتیگ، مدیر بخش کربن‌زدایی صنعتی در سازمان غیرانتفاعی «مرکز راهکارهای اقلیمی و انرژی» (Center for Climate and Energy Solutions)، می‌گوید: «تا به امروز، توجه چندانی به گرمای صنعتی نشده است. باتری‌های حرارتی می‌توانند واقعاً معادلات را تغییر دهند.»

با این حال، همین مطالعه به یک چالش اساسی نیز اشاره کرده است. در بسیاری از نقاط کشور، شارژ باتری‌های حرارتی تنها زمانی که برق فراوان و ارزان است، می‌تواند دشوار باشد، زیرا قوانین محلی اجازه نمی‌دهد که قیمت‌های خرده‌فروشی ساعتی تغییر کنند. در داکوتای جنوبی، آنتورا ساعت‌های طولانی را صرف مذاکره برای ساختار نرخ جدید با شرکت برق محلی، Otter Tail Power، کرد. اما بازنگری قوانین در صدها شرکت برق و مناطق شبکه‌ای مختلف می‌تواند زمان‌بر باشد.

مت شورگر، عضو سابق کمیسیون خدمات عمومی مینه سوتا، گفت: “یک چالش اینرسی وجود دارد که باید بر آن غلبه کرد. همانطور که اغلب با نوآوری‌های جدید می‌بینید، بسیاری از این قوانین قبل از ظهور باتری‌های حرارتی نوشته شده‌اند.”

هیجان مرکز داده

برخی از سرمایه‌گذاران اخیراً در حال بررسی باتری‌های حرارتی برای تأمین انرژی مراکز داده پرمصرف مورد نیاز هوش مصنوعی بوده‌اند.

شرکت‌های فناوری در حال رقابت برای دریافت برق از هر کجا که می‌توانند هستند، به ویژه از منابعی مانند گاز طبیعی که در تمام ساعات برق تولید می‌کنند. با این حال، لیست‌های انتظار برای ژنراتورهای گازی می‌تواند سال‌ها ادامه یابد.

آنتورا و روندو می‌گویند که می‌توانند از بخار حاصل از باتری‌های حرارتی برای راه‌اندازی توربین‌های بخار ساده‌ای که دسترسی به آنها آسان‌تر است و تولید برق پایدار برای مراکز داده استفاده کنند. این روش - تبدیل برق به گرما و سپس دوباره به برق - ناکارآمد به نظر می‌رسد، اما تحلیلگران می‌گویند اگر باتری‌ها بتوانند به سرعت نصب شوند، می‌تواند منطقی باشد.

در ماه جولای، آنتورا ۵۵۰ میلیون دلار جذب سرمایه کرد و برخی از سرمایه‌گذاران آن گفتند که پتانسیل تأمین برق مراکز داده به ویژه جذاب است.

جو فت، شریک و رئیس رشد در Eclipse، که به رهبری دور تأمین مالی آنتورا کمک کرد، گفت: «گرمای صنعتی یک فرصت بزرگ است، اما این فرصت برای مرکز داده بسیار عظیم است. من فکر می‌کنم به احتمال زیاد در طول زمان محرک بزرگتری خواهد بود.»