استفاده از منابع تجدیدپذیر چون نور خورشید و باد به دلیل رایگان بودن مقرون به صرفه بوده و کارایی بالایی دارد. اما به دلیل در دسترس نبودن همیشگی این منابع، استفاده از آن ها دچار محدود است. چرا که با غروب خورشید و یا متوقف شدن وزش باد، نمی توان از آن ها بهره برد. باتری شنی یک راه حل ساده و هوشمندانه برای رفع این مشکل بوده و به وسیله آن می توان انرژی مورد نیاز را ذخیره و در مواقع نیاز از آن ها استفاده کرد. باتری شنی اولین بار توسط شرکت Polar Night Energy در فنلاند ساخته شد. این فناوری نه‌تنها ارزان است، بلکه می‌تواند انرژی را برای مدت طولانی درون خود نگه دارد. در ادامه با مزایا و نحوه عملکرد باتری شنی بیشتر آشنا می شویم.
معرفی باتری شنی
در سال 2018 میلادی شرکت فنلاندی Polar Night Energy با اقتباس از ذخیره گرما در سنگ یا شن، شروع به ساخت باتری شنی به صورت آزمایشی کرد. ساخت این نمونه آزمایشی در سال 2020 با ظرفیت 3 مگاوات ساعت در شهر تامپره فنلاند به اتمام رسید. به دلیل قابلیت های ویژه این باتری و استقبال شرکت های مربوطه، 2 سال بعد اولین نمونه تجاری این محصول در شهر کانکانپا با ظرفیت 8 مگاوات ساعت راه اندازی شد. بزرگترین باتری شنی با 100 مگاوات ساعت در سال 2025 در شهر پورناینن افتتاح و تولید آن به صورت انبوه آغاز شد.
باتری شنی پورناینن
پورناینن که لقب بزرگترین باتری شنی را از آن خود کرده است یک سیلوی بزرگ فولادی انباشه شده از 2000 تن سنگ صابون خرد شده به ارتفاع 13 و عرض 15 متر است. سنگ های استفاده شده در باتری شنی پورناینن از بازیافت و ضایعات شرکت Tulikivi که در زمینه تولید شومینه فعالیت دارد به دست می آید. این کار علاوه بر کاهش هزینه ها به حفظ محیط زیست نیز کمک می کند. این باتری قادر به تولید گرما تا 1 مگاوات و ذخیره گرمای دریافتی تا 100 مگاوات ساعت می باشد. در شهر پورناینن با راه اندازی خط تولید باتری شنی، گرمایش خانه ها، مغازه ها و استخرهای عمومی تامین می شود.
نحوه عملکرد باتری شنی
به طور کلی باتری شنی در مواجه با انرژی خورشید و باد، با استفاده از المنت های گرمایی که شبیه توستر است، شروع به گرم کردن شن ها تا 600 درجه سانتی گراد می کند. این گرما از طریق لوله های مخصوص به شن ها منتقل می شود. گرمای جذب شده، می تواند برای هفته ها یا حتی ماه ها درون شن باقی بماند. دقت داشته باشید که هرچه سیستم باتری شنی بزرگتر باشد، قدرت نگهداری و ذخیره گرما درون آن بیشتر خواهد بود. در نهایت وقت نیاز، هوای خنک پس از عبور از لوله ها گرم شده و می توان از این گرما برای گرم کردن آب شبکه گرمایش همان منطقه استفاده کرد. از مزایای استفاده از باتری شنی برای تولید گرما می توان به موارد زیر اشاره کرد:
- هزینه ساخت و نگهداری کم
- استفاده آسان و راحت
- تجدید پذیر
- بدون استفاده از مواد شیمیایی پیچیده و قطعات متحرک زیاد
- عدم فرسایش
- استفاده طولانی مدت
مزایای باتری شنی
اصلی ترین علت استفاده از شن در باتری شنی، ارزان و فراوان بودن آن است. باتری شنی ساخته شده از شن بی کیفیت یا ضایعات صنعتی مثل سنگ صابون بوده، بنابراین به حفظ محیط زیست نیز کمک می کند. در ادامه مزایای باتری شنی را به طور مفصل شرح می دهیم:
- قیمت مناسب: ساخت باتری های لیتیوم یونی حدود 115 تا 350 هزار دلار هزینه داشته اما ساخت باتری شنی تنها به 4 تا 25 دلار به ازاری هر کیلووات ساعت نیاز دارد. مثلاً نمونه کانکانپا با ۸ مگاوات ساعت فقط ۲۰۰,۰۰۰ دلار هزینه داشت، در حالی که ساخت یک باتری لیتیوم یونی ۱.۶ میلیون دلار خرج برمی‌داشت.
- ذخیره طولانی و عمر زیاد: از دیگر مزایای باتری شنی می توانیم به مدت زمان ذخیره انرژی اشاره کنیم. این باتری دوستدار محیط زیست، قادر به ذخیره انرژی تا چند هفته می باشد. مثلاً در زمستان یک هفته گرمای پورناینن را تأمین میکند. عمرش هم بین ۲۰ تا ۴۰ سال است، در حالی که باتریهای لیتیوم-یون معمولاً ۵ تا ۱۵ سال کار می‌کنند.
- دوستدار محیط زیست: از دیگر امتیازات باتری شنی، کاهش انتشار گازهای گلخانه ای تا 70 درصد و حذف نفت به طور کامل است. در نظر داشته باشید که به دلیل استفاده از ضایعات صنعتی، تولید زباله تا حد زیادی کاهش یافته و به دلیل عدم نیاز به استخراج مواد معدنی گران قیمت، این فرآیند بسیار ارزان خواهد بود.
- ایمن و قابل اعتماد: عدم انتشار مواد سمی و ضد اشتعال بودن از دیگر فواید استفاده از باتری های شنی است. جذب برق مازاد شبکه و کمک به پایداری شبکه برق توسط باتری شنی، منجر به درآمد مازاد نیز می شود.
- ایجاد گرما بدون استفاده از سوخت فسیلی: گرمایش که بیش از 50 درصد مصرف انرژی جهان را شامل می شود، توسط سوخت های فسیلی ایجاد شده که این مسئله نیاز به هزینه های هنگفت دارد. باتری شنی جایگزین ارزان و پاکی برای دیگ‌های بخار گازی است و به کربن‌زدایی این بخش کمک میکند.
مزایا و معایب کلی:
مزایا
- هزینه ساخت و نگهداری بسیار پایین
- عمر طولانی (۲۰ تا ۴۰ سال) و ذخیره انرژی تا چند هفته
- دوستدار محیط زیست (کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای تا ۷۰٪)
- استفاده از شن بی‌کیفیت یا ضایعات صنعتی
- ایمنی بالا (غیرقابل اشتعال و بدون مواد سمی)
- بدون قطعات متحرک پیچیده و فرسایش کم
- کاهش وابستگی به سوخت‌های فسیلی
- پایداری شبکه برق و جذب برق مازاد
- قابلیت ساخت در ظرفیت‌های بسیار بزرگ
معایب
- راندمان پایین در تولید برق (حدود ۳۰٪)
- نیاز به زیرساخت گرمایشی در مناطق فاقد شبکه گرمایش
- ابعاد بزرگ و نیاز به فضای زیاد
- کاربرد محدود (بیشتر مناسب گرمایش، نه تولید مستقیم برق)
مقایسه باتری شنی با سایر فناوری ها
در جدول زیر، باتری شنی با سه فناوری رایج ذخیره سازی انرژی از نظر مزایا، معایب و کاربرد مقایسه شده است. هر فناوری مزایای خاص خود را دارد، اما باتری شنی به دلیل هزینه کمتر و طول عمر بیشتر، گزینه‌ای مناسب برای ذخیره سازی حرارتی محسوب می شود.
| فناوری ذخیره سازی انرژی | مزایا | معایب | مقایسه با باتری شنی |
|---|---|---|---|
| باتری لیتیوم-یون | راندمان بالا (۹۰–۹۵٪)، مناسب برای ذخیرهسازی کوتاه مدت (مثلاً خودروهای برقی) | گران‌قیمت، عمر کوتاه، نامناسب برای ذخیره سازی طولانی مدت | باتری شنی ارزان‌تر است، عمر بیشتری دارد اما برای تولید مستقیم برق مناسب نیست – بیشتر برای گرمایش کاربرد دارد |
| ذخیره سازی تلمبه ای | مناسب برای ذخیرهسازی در مقیاس بزرگ، راندمان مناسب (۷۰–۸۵٪) | نیاز به موقعیت جغرافیایی خاص (مانند تپه و مخزن آب) | باتری شنی می تواند در هر مکانی نصب شود و برای گرمایش عملکرد بهتری دارد |
| هیدروژن سبز | مناسب برای ذخیرهسازی طولانی مدت (حتی ماه‌ها)، کاربردهای گوناگون | راندمان پایین (حدود ۴۰٪)، هزینه بالا | باتری شنی برای ذخیره سازی در بازه های زمانی روز تا هفته، ارزان‌تر و کارآمدتر است |
آشنایی با چالش های استفاده از باتری شنی
با وجود مزایای قابل توجه باتری شنی مانند هزینه پایین و طول عمر بالا، این فناوری همچنان با چالش هایی در مسیر توسعه و استفاده گسترده مواجه است. در ادامه به مهم‌ترین این چالش ها و راه حل های پیشنهادی برای هر مشکل می پردازیم:
راندمان پایین در تولید برق
در حال حاضر از باتری شنی می توان برای ذخیره سازی و تامین گرما در هر منطقه استفاده کرد، اما تبدیل گرمای ذخیره شده به برق با استفاده از باتری شنی، راندمان پایینی دارد (حدود 30 درصد).
نیاز به زیرساخت‌های گرمایشی
به طور کلی از باتری شنی در مناطقی چون فنلاند که دارای شبکه گرمایش منطقه ای هستند استفاده می شود. به طور حتم، احداث زیرساخت های گرمایشی در مناطق فاقد این فناوری، نیاز به سرمایه گذاری کلان خواهد داشت.
ابعاد بزرگ سیستم
بهره برداری و احداث باتری شنی مانند پروژه پورناینن نیاز به فضای زیاد داشته که در مناطق شهری با محدودیت فضا مواجه خواهد شد.
آینده باتری شنی
جمع بندی
باتری شنی فنلاند راه حلی ساده اما کارآمد برای ذخیره انرژی حرارتی بدون نیاز به سوخت‌های فسیلی است. این فناوری، می تواند گرمایش پایدار را در مناطق سرد تأمین کرده و به‌دلیل هزینه ساخت پایین، عمر طولانی و عملکرد قابل اعتماد، گزینه‌ای مناسب برای گرمایش شهری و صنعتی به شمار می رود. هرچند هنوز استفاده از باتری شنی در تولید برق جای پیشرفت دارد، اما پتانسیل بالایی برای توسعه و بهبود در سال های آینده دارد.
