در سال 2016، در کنفرانس عظیم انرژی CERAWeek هیوستون، یت مینگ چیانگ، دانشمند مواد MIT، خود را در حال صحبت با یکی از مدیران تسلا در مورد یک مشکل دشوار دید: نحوه ذخیره خروجی پانل های خورشیدی و توربین های بادی برای مدت زمان طولانی.
چیانگ، استاد علوم و مهندسی مواد Kyocera، و ماتئو جارامیلو، معاون تسلا، می‌دانستند که شرکت‌های آب و برق هیچ راه مقرون‌به‌صرفه‌ای برای ذخیره انرژی‌های تجدیدپذیر برای پوشش اوج تقاضا و پر کردن شکاف‌ها در روزهای بدون باد و ابری ندارند. آنها همچنین می‌دانستند که اگر انرژی‌های تجدیدپذیر سوخت‌های فسیلی را در شبکه در مقیاس بزرگ جابجا کنند، باید به کمبود مواد خام مورد استفاده در دستگاه‌های ذخیره‌سازی انرژی متعارف رسیدگی شود.
فناوری‌های ذخیره‌سازی انرژی می‌توانند دسترسی به منابع انرژی تجدیدپذیر را تسهیل کنند، پایداری و قابلیت اطمینان شبکه‌های برق را افزایش دهند و در نهایت کربن زدایی شبکه را تسریع کنند. انتظار می‌رود بازار جهانی این سیستم‌ها – اساساً باتری‌های بزرگ – در سال‌های آینده رشد قابل‌توجهی داشته باشد. مطالعه‌ای که توسط شورای غیرانتفاعی LDES (طولان‌مدت ذخیره‌سازی انرژی) انجام شد، بازار ذخیره‌سازی انرژی طولانی‌مدت را تا سال 2040 بین 80 تا 140 تراوات ساعت نشان می‌دهد. چانگ خاطرنشان می‌کند: «این عدد واقعاً بزرگی است. از هر 10 نفر روی کره زمین یک نفر به معادل یک EV نیاز دارد [electric vehicle] باتری برای حمایت از نیازهای انرژی آنها.
در سال 2017، یک سال پس از ملاقات در هیوستون، چانگ و جارامیلو برای ایجاد Form Energy در سامرویل، ماساچوست، با فارغ التحصیلان MIT Marco Ferrara SM ’06, PhD ’08 و ویلیام وودفورد PhD ’13 و کهنه کار ذخیره انرژی تد وایلی به نیروها پیوستند.
فرارا، معاون ارشد نرم‌افزار و تجزیه و تحلیل Form می‌گوید: «بازار رو به رشدی برای ذخیره‌سازی انرژی الکتریکی وجود دارد، زیرا ما می‌خواهیم تا جایی که ممکن است کربن‌زدایی را سریع‌تر و مقرون‌به‌صرفه‌تر کنیم».
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 ترمینال مثبت تبدیل می شود، کاتد به پایانه منفی تبدیل می شود و الکترون ها به 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 دهه‌های 1980 و 1990، استفاده از باتری‌های لیتیومی انقلابی در باتری‌ها ایجاد کرد و آنها را کوچک‌تر، سبک‌تر و قادر به نگه داشتن شارژ طولانی‌تر کرد. دستگاه‌های ذخیره‌سازی ایجاد شده توسط Form Energy باتری‌های قابل شارژ مبتنی بر آهن هستند که مزایای متعددی نسبت به لیتیوم دارد. قیمتش بالاست
چانگ یک بار به باشگاه MIT در شمال کالیفرنیا گفت: “من عاشق لیتیوم یون هستم.” دو مورد از چهار اسپین‌آف MIT که توسط چیانگ تأسیس شده‌اند بر روی باتری‌های لیتیوم یونی نوآورانه متمرکز شده‌اند. 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.
رویکرد پیش بینی شده توسط چانگ باید به اندازه کافی مقرون به صرفه باشد تا جذابیت منابع انرژی 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 اثر آب و هوای شدید، قطعی شبکه و زمانی که وزش باد یا چند روز ابری وجود دارد، است.
برای رقابت با نیروگاه های قدیمی، روش چیانگ باید حدود 20 دلار به ازای هر کیلووات ساعت انرژی ذخیره شده هزینه داشته باشد که یک دهم هزینه ذخیره سازی یک باتری لیتیوم یونی است.
اما چگونه می‌توانیم از باتری‌های گران‌قیمتی که ظرف چند ساعت ذخیره و تخلیه می‌شوند، به فناوری‌های هنوز تعریف نشده، کم‌هزینه و با عمر طولانی‌تر حرکت کنیم؟
“یک توپ بزرگ آهنی”
اینجا فرارا می آید. 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 همکار پژوهشی در بخش علوم و مهندسی مواد MIT، با چیانگ برای مدلسازی نیاز شبکه برای مدیریت متناوب منابع انرژی تجدیدپذیر کار کرد.
هر چند وقت یکبار بستگی به این دارد که کجا هستید. به عنوان مثال، در ایالات متحده، دشت بزرگ بادی وجود دارد. بیابان های غرق آفتاب با باد نسبتا کم آریزونا، نیومکزیکو و نوادا. و شمال غربی اقیانوس آرام اغلب ابری.
فرارا با همکاری پروفسور جسیکا ترانچیک از موسسه داده ها، سیستم ها و جامعه MIT و تیمش در MIT، چهار مکان نمایندگی را در ایالات متحده مدلسازی کرد و به این نتیجه رسید که ذخیره انرژی با ظرفیت کمتر از حدود 20 دلار در کیلووات ساعت و مدت زمان تخلیه چندین روز به یک ترکیب باد-خورشید اجازه می‌دهد تا برق مقرون‌به‌صرفه و پایدار را در مکان‌های سرشار از منابع فراهم کند.
حالا که چارچوب زمانی داشتند، توجهشان را به مواد معطوف کردند. با قیمتی که Form Energy به دنبال آن بود، لیتیوم قابل بحث نبود. چانگ به گوگرد فراوان و ارزان نگاه کرد. اما باتری گوگرد، سدیم، آب و هوا دارای چالش های 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 بررسی قرار گرفتند. آنها برای ساخت باتری های حمل و نقل خوب خیلی سنگین بودند. اما این بار، چانگ و تیم به باتری که روی زمین نشسته بود نگاه می کردند، بنابراین وزن اهمیتی نداشت. اولویت آنها قیمت 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 در مورد بلندپروازانه‌ترین پیش‌بینی‌ها درباره میزان فضای ذخیره‌سازی جهان تا اواسط قرن نگران نخواهیم بود.” در خانه اش،» چیانگ می خندد. «فقط آهن، هوا و آب».
دانشمندان آن را زنگ زدگی برگشت پذیر می نامند. با تخلیه، باتری اکسیژن را جذب 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 هنگام شارژ شدن، اکسیژن را بازدم می کند. چیانگ می گوید: از نظر شیمیایی، شما آهن دارید و به هیدروکسید آهن تبدیل می شود. این بدان معناست که الکترون ها استخراج شده اند. شما آن الکترون ها را در مدار خارجی جریان می دهید و اکنون یک باتری دارید.
ماژول های باتری Form Energy تقریباً به اندازه یک ماشین لباسشویی و خشک کن هستند. آنها در کانتینرهای 40 فوتی چیده شده‌اند و چندین کانتینر به صورت الکتریکی به سیستم‌های تبدیل انرژی متصل می‌شوند تا تأسیسات ذخیره‌سازی بسازند که می‌تواند چندین هکتار را پوشش دهد.
مکان مناسب در زمان مناسب
ماژول‌ها به نظر نمی‌رسند یا مانند چیزی عمل نمی‌کنند که برنامه‌های کاربردی قبلاً روی آن توافق کرده‌اند.
این یکی از چالش های اصلی Form است. فرارا می گوید: “هیچ 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 می‌کنند. آنها به تمام ابزارهای موجود در جعبه ابزاری که امروزه وجود دارند نگاه می کنند که ممکن است دارایی ذخیره انرژی چند روزه را پیش بینی نکنند.
مشتریان Form Energy در درجه اول شرکت های انرژی سنتی هستند که به دنبال گسترش سبد برق تجدیدپذیر خود هستند. برخی از آنها در حال از کار انداختن نیروگاه های زغال سنگ و روی آوردن به منابع انرژی تجدیدپذیر هستند.
تحقیقات فرارا که نیاز به ذخیره سازی چند روزه بسیار کم هزینه را شناسایی می کند، داده های کلیدی را برای ارائه دهندگان انرژی 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 در سیستم موجود آنها قرار می‌گیرد، چگونه با سایر فناوری‌ها رقابت می‌کند، و چگونه در برخی موارد، چگونه می‌تواند با سایر فناوری‌های ذخیره‌سازی کار کند.
او می‌گوید: «آنها ممکن است به مجموعه‌ای از فناوری‌های ذخیره‌سازی برای متعادل کردن کامل انرژی‌های تجدیدپذیر در زمان‌های متناوب مختلف نیاز داشته باشند. اما فراتر از فناوری توسعه‌یافته در Form، «چیز زیادی وجود ندارد، مطمئناً در محدوده هزینه‌هایی که به بازار می‌آوریم نیست». به لطف ملاقات شانسی چیانگ و جارامیلو در هوستون، Form یک شروع چند ساله در شرکت های دیگری دارد که برای رفع این چالش تلاش می کنند.
در ژوئن 2023، Form Energy بزرگترین قرارداد خود را تا به امروز برای یک پروژه منعقد کرد: سفارش جورجیا پاور برای سیستم 15 مگاوات/1500 مگاوات ساعت. این سفارش کل ذخیره انرژی Form را تحت قرارداد با مشتریان 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 در دهه گذشته بیش از 10000 شغل فولادی را از دست داده است شغل ایجاد می کند، چانگ را از دست نمی دهد. «و این مشاغل جدید در فناوری پاک هستند. برای من شخصا، انجام کاری که به نفع جوامع خارج از مراکز فناوری سنتی ما باشد، بسیار هیجان انگیز است.
چانگ می گوید: «این زمان به دلایل زیادی زمان مناسبی است. او می‌گوید که او و بنیان‌گذاران Form Energy «احساس فوریت زیادی برای عرضه این باتری‌ها به جهان دارند».
این مقاله در ظاهر می شود زمستان 2024 موضوع از آتی انرژیمجله MIT Energy Initiative.
