◄ راهکار تسریع در کاهش مصرف سوخت های فسیلی

بخش 30 از سلسله مقاله های مربوط به موضوع «انرژی های تجدید پذیر در حمل و نقل» هفته گذشته منتشر شد، بخش 31 آن در ادامه می آید.

سایر موارد مرتبط با انرژی های نهایی تجدیدپذیر

ذخیره سازی انرژی برق

نحوه ذخیره کردن انرژی، بخش بزرگی از روند انقلاب انرژی های تجدیدپذیر است. امروزه چند روش ذخیره سازی انرژی برق وجود دارد از جمله: باتری های لیتیوم آیونی (Lithium Ion)، تلمبه آب یا بلند کردن وزنه های سنگین به سطوح بالاتر، فشردن هوا، باتری های جریان رداکس (Redox Flow) و اخیرا تبدیل آب به هیدروژن می باشد. باتری های لیتیوم آیونی گران است و توان آن ها در پاسخ به تغییرات فرکانس یا ولتاژ، کم و زیاد می شود. در مقابل هزینه هر کیلووات ساعت تولیدی باتری لیتیوم آیونی به قیمت ثابت از 1100 دلار در دهه گذشته به 140 دلار در سال 2020 (با میانگین کاهش 22.9 درصد درسال) رسیده است. ضمن اینکه در مدت چهار سال گذشته مبلغ هر کیلوات ساعت  به نصف تقلیل یافته است.

صاحبان هزاران ساختمان مسکونی و تجاری در آمریکا متقاضی نصب سلول های خورشیدی برای صرفه جویی در هزینه های مصرف انرژی خود هستند. در هر فصل سال 2019 حدود 7000 خانه مجهز به باتری شده اند. دو شرکت تسلا و ال. جی. ، عمده بازار باتری های این کشور را در اختیار دارند. هر دو آن ها از باتری های اکسید لیتیوم- نیکل- منگنز- کبالت (NMC) استفاده می کنند که مقبول صنعت خودروسازی (با فروش 300 هزار دستگاه در سال 2019) بوده است. باتری های (NMC) در ابزارهایی چون ساعت، لپ تاپ و سایر دستگاه های کوچک برقی نیز به کار می رود.  هدف باتری سازان هر چه کارآمدتر، ارزانتر و کوچکتر کردن اندازه آن هاست. مشکل فعلی این نوع باتری ها گاهی جوش آوردن، آتش گرفتن و انفجار در محیط های بسته است. مشکل پیش آمده در شبکه برق کره جنوبی که این نوع باتری ها را در معرض خطرناک شدن قرار داد، توجه بسیاری را به خود جلب کرده است. از آنجایی که در نیروگاه های بزرگ موضوع ایمنی مهم است، به منظور جلوگیری از زیان های احتمالی، برای آن ها تجهیزات ویژه تامین ایمنی خودکار و کنترل از راه دور نصب می شود. البته احتمال وقوع چنین مشکلاتی یک در 10 میلیون است.

اخیرا باتری رقیب از نوع لیتیوم- آهن- فسفات (LFP) ارائه شده که به خاطر برخورداری بیشتر از ثبات، در حال فتح بازارهاست. برتری باتری های (LFP) نسبت به باتری های (NMC) اینست که وقتی از کار می افتند، داغ نمی شوند. از ضعف های باتری های (LFP) گرانتر بودن و اشغال فضای بیشتر است. ولی با گذشت زمان و بهبود فناوری، سطح  رقابت پذیرتری آن ها افزونتر می شود. دو شرکت بزرگ کشور چین سال هاست که باتری های (LFP) می سازند و به لحاظ به کارگیری فناوری های نوین و ارزانی قیمت بسیار رقابت پذیر شده اند. باتری های ارزان لیتیوم- آهن- فسفات مورد توجه اکثر شرکت های بزرگ خودروسازی برقی نظیر تسلا و BYD هم قرار گرفته است. 

در نمودار زیر وضعیت سهم بازار سه نوع باتری مذکور تا سال 2030 نشان داده شده است. همان طور که ملاحظه می شود، باتری (NMC) که در سال 2015 حدود70 درصد بازار را در اختیار داشت، به سطح 30 درصد در سال 2030 تنزل می یابد. در حالیکه دو باتری(LFP) و (NCA) بخش بزرگی از بازار را به خود اختصاص خواهند داد.   

افزایش تقاضا برای باتری های خودرو برقی ارزانتر در چین، موجب شده که از باتری های جدید کربنات لیتیومی بهره گیری شود. برای ساخت باتری های گرانتر هیدروکسید لیتیومی، از فلزات گرانتر نیکل، کبالت و منگنز استفاده می شود. باتری های کربنات لیتیومی نسبت به باتری های هیدروکسید لیتیومی 20 درصد ارزانتر است.

اخیرا بحث باتری های سربی به سبب ارزانی و فراوانی مواد آن مجددا داغ شده است. در فناوری جدید، پودر کربن در سطح میکروسکوپی خُرد شده و در یک مخلوط کربنی قرار داده می شود. این مواد در یک پوسته نازک از جنس اکسید سرب جاسازی می گردند. برای تقویت توان، به آن کربنات فلوراتیلن افزوده می شود. در 100 بار سیکل شارژ و دشارژ و در مقایسه با آند گرافیتی، این نوع آند ظرفیت ذخیره سازی انرژی دو برابری داشته است.

باتری جریان رداکس یک مزیت یگانه دارد. میزان توان و مقدار انرژی که ذخیره می کند، با نوع نیازها قابل تغییر است. ضمن اینکه توان ذخیره انرژی برای مدت های طولانی را هم دارد (مثلا انرژی خورشیدی تابستان برای مصرف در روزهای بدون آفتاب زمستان). دو مشکل اساسی این نوع باتری، گرانی و عمر کوتاه تر آن است.

در یک پژوهش جدید دانشگاهی در انگلستان، الکترود کربن-پایه با یک منبع الکترولیتی بسیار به صرفه (منگنز یا سولفور) ترکیب شده است. در این فناوری، منبع الکترولیتی با پایه نانوکربنی (ترکیبی از گرافین تزریق شده به وسیله نیتروژن) با منگنز یا سولفور بهم آمیخته شده تا عمر و قیمت آن به شدت بهبود یابد. یعنی با استفاده از منگنز یا سولفور، قیمت آن به یک سی ام باتری لیتیومی (که به کُبالت گرانبها نیاز دارد)، کاهش داده شده و انرژی حاصله به 20 پوند در هر کیلووات ساعت رسیده است.

در راستای ذخیره سازی انرژی های تجدید پذیر، چند سال پیش شرکت نورث ولت (NorthVolt) با حمایت مالی کشورهای آلمان و لهستان و با سرمایه گذاری به مبلغ 3.6 میلیارد دلار، برای ساخت کارخانه عظیم باتری سازی اقدام کرده که هم اکنون به بار نشسته است.

ذخیره انرژی در ساختمان ها

شرکت رولزرویس همراه با خودروسازان بزرگ ولوو و دایملر در حال کار برای ایجاد سیستم تغذیه 2 مگاواتی هستند. پیل سوختی برای تغذیه تاسیسات ثابت با مشخصه غیر قطعی برق در مکانهایی مانند مراکز دیتا، بیمارستان ها و هتل های چند ستاره، آرمانی به نظر می رسد.

از طرف دیگر همانند بسیاری از کشورهای استفاده کننده از برق سلول های خورشیدی نصب شده بر بام ها، در کشور آلمان هم نه تنها تقاضا برای پانل های خورشیدی زیاد شده، بلکه نصب باتری های ذخیره کننده برق، رشد چشمگیری یافته است. همانطور که در نمودار زیر مشخص گردیده، میزان باتری های نصب شده در منازل مسکونی طی سال های 2018، 2019 و 2020 به ترتیب برابر 124000، 184000 و 272000 سیستم بوده است. میزان افزایش تقاضا هم طی این سه سال به ترتیب 40000 ، 60000 و 88000 سیستم جدید بوده است. این روند تصاعدی تقاضا به منظور استفاده هرچه بیشتر از انرژی های تجدیدپذیر و سرمایه گذاری افزونتر، آینده امیدبخشی را برای تحقیق و توسعه این نوع صنایع رقم می زند.

کشور هلند به طور آزمایشی یک دیگ بخار برای مصارف خانگی ساخته که با سوخت هیدروژن کار می کند. در انگلیس نیز لوله کشی برای انتقال هیدروژن برای مصرف 400 خانوار در حال انجام است. در صورت به صرفه بودن این کار، می توان برای کاهش میزان سرمایه گذاری های زیربنایی، از لوله کشی بلا استفاده گاز طبیعی موجود برای انتقال گاز هیدروژن استفاده گردد. در یک آزمایش دیگر که در نیوجرسی آمریکا صورت گرفته، در یک خانه از برق پانل های خورشیدی پشت بام برای تغذیه دستگاه الکترولیز (به اندازه یک ماشین لباسشویی) استفاده شده است. با بهره گیری از  مخازن تعبیه شده در انبارِ خانه، می توان 623 متر مکعب هیدروژن را تولید و ذخیره نمود. البته سرمایه گذاری برای اولین اجرای آزمایشی مربوطه، قدری بالا بوده است. اما برآورد می شود که در حال حاضر نیاز به سرمایه گذاری به سطح 90 هزار دلار کاهش یافته باشد. انتظار می رود که بر اثر فناوری های نوین به زودی این سیستم کاملا خودکفا و به صرفه شود. 

شرکت پیل سوختی وات (Watt Fuel Cell, WATT) در مسیر کار خود به نقطه عطف تجاری سازی سیستم های پیل سوختی مناطق مسکونی رسیده است. این شرکت با افزایش توان پیل سوختی به میزان 100 درصد (2 کیلووات)، به افزایش بازدهی به مقدار 50 درصد نائل شده است. این سیستم می تواند در مواقع مورد نیاز، با برق شهری و سایر انرژی های تجدیدپذیر نظیر برق خورشیدی به طور موازی کار کند. شرکت وات با اعمال فرایندهای فزونی ساخت و با استفاده از تجارب گسترده در کاربری کاتالیست ها، توانسته در عین حفظ مزایای مالی مرتبط با نیازهای آسان سازی سیستم، بازدهی بالاتری را نسبت به قبل کسب کند. محصول مزبور برای تولید سوخت از بخار هوا استفاده می نماید و اکسیداسیون جزئی (POX) ساده ترین و به صرفه ترین شکل فرآوری سوخت (با بازدهی نسبتا اندک 40 درصد) است. اگرچه که سیستم استفاده از بخارآب به بازدهی 60 درصد رسیده، ولی هزینه های مربوطه نسبتا بالاتر است. نسخه بتای اکسیداسیون جزئی با بازدهی بهتر در سال 2021 مورد آزمایش قرار گرفته است. 

تبدیل گاز CO  به اسید

دانشگاه مهندسی رایس امریکا، با انجام 150 ساعت کار آزمایشگاهی، با استفاده مستمر از یک مبدل مبتکرانه کاتالیستی (تصویر زیر) توانسته منواکسید کربن را مستقیما به اسید استیک که یک عامل شیمیایی پر مصرف برای اموری چون مزه دهی سرکه، ضدعفونی کننده بهداشتی، حلال مرکب و رنگ و همچنین استات وینیل (ماده اولیه برای ساخت چسب) می باشد، تبدیل کند. این فرایند در یک راکتور ویژه، با استفاده از مکعب های نانویی مسی به عنوان کاتالیست اولیه و یک الکترولیت نیمه هادی یگانه، انجام شده است (تصویر زیر). بدین وسیله انرژی تجدیدپذیر  به یک محصول بسیار خالص (2 درصد اسید استیک و 98 درصد آب) درآمده است. سپس اجزاء اسید تا 98 درصد خالص شده که بسیار بالاتر از آزمایشهای قبلی برای کاتالیز کردن منو اکسیدکربن به سوخت مایع بوده است.

علاوه بر آن دو تن از مهندسین شیمی و بیومولکولی دانشگاه مزبور توسط کاتالیز کردن فرایند الکتروشیمیایی، تلاش های قبلی برای کاهش منواکسید کربن و به دست آوردن محصولی پر استفاده را به ثمر رسانده اند. این آزمایش از دو جنبه دارای اهمیت است: اولا بازدهی آن بالاتر است و ثانیا محصول به دست آمده پایدار باقی می ماند. گام بعدی ایجاد این سیستم در مقیاس بزرگتر برای بهبود پایداری و کاهش میزان انرژی مورد نیاز فرایند است. نتیجه این آزمایشها باعث شده که در راستای تبدیل گازهای گلخانه ای به سوخت مایع، مبلغ دو میلیون دلار برای تداوم تحقیقات مزبور اعطاء شود.

طی برقراری یک فرایند دیگر، راکتور آزمایشگاه با استفاده از برنج، گازکربنیک را به اسید فورمیک تبدیل کرده است.   

صنایع انرژی بر سبز

در سه صنعت عمده یعنی تولید فولاد، شیشه و سیمان، به دماهای بالای کوره های سوخت فسیلی نیاز است. میزان ایجاد آلایندگی انواع مواد صنعتی انگلیس در نمودار زیر نشان داده شده است.

 میزان آلایندگی سالانه ناشی از تولید سیمان در آمریکا، به تنهایی عامل 8 درصد از انتشار گازهای گلخانه ای است. با کم شدن قیمت تمام شده انرژی های تجدیدپذیر و جابجایی نوع سوخت کوره ها از فسیلی به قوس الکتریکی، نه تنها قیمت تمام شده تهیه این نوع محصولات کمتر می شود، بلکه محیط زیست نیز آلودگی کمتری خواهد داشت.    

خاطر نشان می سازد صنعت فولاد عامل تقریبا  25 درصد از تولید گازهای گلخانه ای در جهان است. قرار است که چندین شرکت اروپایی برای تولید 5 میلیون تن فولاد سبز با استفاده از سوخت هیدروژن، مبلغ 3 میلیارد دلار سرمایه گذاری کنند. این پروژه در کشور پیشگام سوئد  انجام می شود و انتظار می رود که در سال 2024 به ثمر برسد.

سلطان صنعت فولاد جهان یعنی آقای میتال (هندی الاصل)، در نظر دارد در سال 2023 یک کارخانه تولید فولاد را در هامبورگ آلمان افتتاح کند که سوخت آن ترکیبی از انواع بیوتوده (biomass) است. البته در انتها، فرایند کربن زدایی صورت می پذیرد. برآوردهای موجود نشان می دهد هزینه های تامین انرژی این روش نسبت به سوخت هیدروژنی ارزانتر تمام می شود. اما کارشناسان اقتصادی نشان می دهند که منحنی هزینه های تولید هیدروژن سیر نزولی را طی می کند و به زودی استفاده از آن به نسبت سایر سوخت ها با صرفه تر می شود. در این صورت سرمایه گذاری برای تامین سایر سوخت ها ممکن است روزی بلااستفاده شده و به هدر برود. در نمودار زیر روند کاهش هزینه های تولید انواع انرژی های تجدیدپذیر بر حسب مگاوات ساعت طی 10 سال گذشته نشان داده شده است.

طی این مدت تولید انرژی خورشیدی 90 درصد ارزانتر شده است. روند تقاضا و سرمایه گذاری برای برپایی سیستم انرژی خورشیدی در سطح نیاز مصرف کنندگان، آن را از همه موارد مشابه ارزانتر کرده است. طی همین مدت بهای مصرف انرژی بادی نیز با احتساب هزینه های مربوطه طی عمر مفید آن، 71 درصد تنزل کرده است. همان گونه که در نمودار بالا مشخص است، انرژی های تجدیدپذیر خورشیدی (برقی) و بادی در برخی از مراکز تولیدی حتی از انرژی گاز طبیعی نیز ارزانتر شده اند. هم اینک انرژی های خورشیدی (از نوع حرارتی)، هسته ای و همچنین گازیِ مصرف اوج (نیروگاه های گازی که صرفا در مواقع اوج تقاضا کار می کنند و تعرفه مصرف آن ها بسیار بالاست) بالاترین قیمت تمام شده  به ازای هر کیلووات ساعت را دارند. به دلیل به کارگیری فناوری پیشرفته، هزینه های تولید اغلب انرژی ها (به جز انرژی های هسته ای، زغال سنگ و زمین گرمایی) پایین تر آمده است. هزینه تولید گاز طبیعی فقط در آمریکا و کانادا نیز به واسطه به کاربردن فناوری نوین (Fracking) با 32 درصد تنزل در قیمت تمام شده همراه بوده است.  

در دهه 50 میلادی، انرژی خورشیدی فقط برای ماهواره ها استفاده می شد و مبلغ آن 1.825 دلار به ازای هر وات بود. ولی اکنون به 0.7 دلار رسیده است. در ابتدا تحقیقات عمدتا برای کاهش هزینه مصرف ماهواره ها انجام می پذیرفت. تا اینکه به قدری ارزان شد که توسط مقاصد عمومی نیز قابل بهره برداری گردید. از اواسط دهه 70 میلادی به ازای هر دو برابر شدن مقدار ظرفیت تولید، به مقدار 20 درصد کاهش در قیمت پانلها انجامیده است.

فرق انرژی فسیلی با تجدیدپذیر اینست که بخش بزرگی از هزینه های سوخت های فسیلی مربوط به استخراج و فرآوری و حمل مواد معدنی است که این موضوع در مورد زغال سنگ 40 درصد است. اما بخش عمده تولید انرژی تجدیدپذیر تقریبا مجانی است. به همین دلیل هزینه های انرژی فسیلی نمی تواند همگام با سرعت رقیبِ تجدیدپذیر خود کاهش یابد. ضمن اینکه انرژی های تجدیدپذیر به دلیل منافع بسیار زیاد آن، از یارانه های دولتی زیادی هم برخوردارند.

در نمودار زیر روند مصرف انواع انرژی در کشور آمریکا طی قرن بیست و یکم نشان داده شده است. همان گونه که ملاحظه می شود، مقدار مصرف زغال سنگ طی دو دهه اخیر از 50 درصد به حدود 20 درصد رسیده است. در سال 2019 حدود 72 درصد از ظرفیت های جدید ایجاد شده برای تولید انرژی، مربوط به منابع تجدیدپذیر بوده است و طی 20 سال گذشته این سهم سه برابر شده است. برآوردهای اولیه سال 2020 حاکی از اینست که مجموع انرژی های تجدیدپذیر (خورشیدی، بادی، هیدروالکتریکی و زیست توده) از مصرف زغال سنگ فراتر رفته است. البته بخش بزرگی از کاهش مصرف زغال سنگ را گاز طبیعی ارزان (به ویژه پس از بکارگیری فناوری  Fracking) به خود اختصاص داده است. اگر چه گاز طبیعی نسبت به زغال سنگ 60 درصد کمتر گاز کربنیک متصاعد می کند، اما به هر حال با انتشار گاز بسیار منفی متان ناشی از فرایندهای پالایشگاهی مربوطه، موجب تغییرات آب و هوایی می گردد.

مانع اصلی رشد تولید و مصرف انرژی های تجدیدپذیر، سرمایه گذاری های سنگین قبلی در سوخت های فسیلی و سرمایه گذاران متنفذ و نگران از آینده سرمایه گذاری های خود در بخش های معدنی و پالایشگاه ها بوده است. در سال 2020 هزینه تامین انرژی به ازای هر مگاوات ساعت در طول عمر مفید تاسیسات مختلف (با احتساب یارانه ها) : انرژی خورشیدی 31 دلار، بادی 26 دلار، زغال سنگ 41 دلار و گاز طبیعی 28 دلار شده است. با این وجود در سال 2020 میزان تولید انرژی بادی در آمریکا به 17.2 گیگا وات رسید. این در حالی است که سهم انرژی بادی از برق مصرفی انگلیس نزدیک به 60 درصد است.

یکی از مشکلات انرژی های تجدیدپذیر اینست که معمولا در مکانهایی تولید می شوند که جمعیت هایی اندک و مصارف کمی وجود دارند و در نتیجه به خطوط انتقال انرژی مدرن و با افت کم نیاز دارند. کشورهای توسعه یافته ای که خواهان گسترش انرژی های تجدیدپذیر به میزانی که در سال 2035 کل انرژی مورد نیاز خود را از این طریق تامین کنند، با چالش سرسختانه سرمایه گذاران قدرتمند سوخت های فسیلی روبرو می شوند. با این وجود گویا تولید زغال سنگ به صورت امروزین آن به انتهای خط خود رسیده و اولین قربانی گرایش سهمگین به انرژی های سبز است. اما نوع کاربری، ارزانی و فراوانی سوخت گاز طبیعی به گونه ایست که به این زودی ها نمی توان تولید آن را به کلی متوقف کرد. تنها راه ممکن برای تسریع در کاهش مصرف سوخت های فسیلی، اعمال مالیات بر کربن است تا تولید کنندگان مربوطه، بخشی از هزینه های جانبی را خود تقبل و تامین کنند. برقراری چنین مالیاتی که در بعضی از کشورهای اروپایی رایج است، موجب می شود که سقفی برای تولید و بازار فروش این نوع انرژی های آلوده کننده ایجاد شود، در غیر این صورت هزینه های درمانی و تصفیه هوا بر عهده مردم و بودجه دولت (یارانه پن هان) قرار می گیرد. 

* مشاور انجمن صنفی شرکت های حمل و نقل ریلی و خدمات وابسته