باتری لیتیومی را فراموش کنید؛ چین زیرِ زمین بزرگ‌ترین باتری هوای فشرده جهان را ساخت!

وقتی صحبت از ذخیره‌ی برق در مقیاس صنعتی می‌شود، ناخودآگاه به یاد سوله‌هایی پر از باتری‌های سنگین لیتیومی می‌افتیم. اما فناوری باتری هوای فشرده، بر پایه‌ی منطق مهار انرژی کار می‌کند؛ یعنی زمانی که تولید برق از میزان مصرف پیشی می‌گیرد، انرژیِ مازاد هدر نمی‌رود و صرف فشرده‌سازی هوا می‌شود.

هوای پرفشار ساعت‌ها در مخازنی عظیم می‌ماند و هر زمان که شبکه دوباره به برق نیاز داشت، هوا رها می‌شود و توربین‌ها را به گردش درمی‌آورد؛ بنابراین در این سازوکار به‌جای ذخیره‌ی خود برق، انرژی‌اش را موقتاً به فشار هوا تبدیل می‌کنند.

حالا نیمه‌شب‌ها در استان جیانگسو، توربین‌های بادی همچنان می‌چرخند. شهرها خوابیده‌اند، کارخانه‌ها آرام گرفته‌اند و شبکه‌ی برق بیش از نیاز آن ساعت، انرژی در اختیار دارد. در حاشیه‌ی شهر هوایان (Huai'an)، بخشی از همین برق مسیری عجیب در پیش می‌گیرد.

سفر از میان ساختمان‌هایی صنعتی آغاز می‌شود؛ از مجموعه‌ای از لوله‌ها، مخازن و ماشین‌آلات سنگینی که از بیرون شبیه هر کارخانه‌ی دیگری به نظر می‌رسند. مقصد اصلی اما به زیر پای این ساختمان‌ها می‌رسد؛ بیش از یک کیلومتر پایین‌تر، در دل لایه‌های نمک.

برق اضافی موتورهای عظیمی را به کار می‌اندازد، موتورها کمپرسورها را می‌چرخانند و کمپرسورها هوا را تا ده‌ها برابر فشار جو فشرده می‌کنند. هوای فشرده از راه چاه‌ها به عمق ۱۱۵۰ تا ۱۵۰۰ متری می‌رود؛ عمقی برابر با بیش از سه برج میلاد که روی‌هم بایستند. آنجا، در غارهایی نمکی با حجم مجموع حدود ۹۸۰ هزار مترمکعب، گنجایشی نزدیک به ۳۹۰ استخر المپیک، هوا منتظر می‌ماند.

روی کاغذ، ماجرا ساده به نظر می‌رسد؛ گویی مهندسان پمپی غول‌پیکر ساخته‌اند و آن را به غاری عظیم وصل کرده‌اند. اگر تابه‌حال چرخ دوچرخه‌تان را با تلمبه دستی باد کرده باشید، می‌دانید که بعد از چند بار فشار دادن بدنه‌اش زیر دستتان گرم می‌شود. حالا در مقیاس نیروگاه، همین گرمای کوچک می‌تواند بخش زیادی از انرژی را با خود ببرد.

ساخت نیروگاه هوایان بیش از آنکه به یافتن فضای کافی برای هوا وابسته باشد، به حل این مسئله بستگی داشت که چگونه می‌توان گرمایی را که هنگام فشرده‌شدن هوا پدید می‌آید نگه داشت و چند ساعت بعد دوباره به همان هوا برگرداند؟

کمپرسور با فشردن هوا، مولکول‌های آن را به فضای کوچک‌تری می‌راند. در این فرایند کار مکانیکی دو اثر به جا می‌گذارد، اول فشار گاز بالا می‌رود و دوم دمایش هم افزایش می‌یابد. هرچه فشرده‌سازی سریع‌تر و فشار نهایی بیشتر باشد، گرما جدی‌تر می‌شود.

در تلمبه‌ی دوچرخه، شاید گرما مزاحمت کوچکی ایجاد کند، ولی در نیروگاه ذخیره‌ی انرژی، بخشی از حساب‌وکتاب انرژی را تشکیل می‌دهد. برق موتور کمپرسور را می‌چرخاند و کمپرسور بخشی از انرژی ورودی را به فشار و بخشی دیگر را به گرما تبدیل می‌کند. اگر نیروگاه هوای داغ را خنک کند و گرمایش را در محیط رها سازد، هنگام تولید برق تنها بخشی از سرمایه‌ی اولیه برایش باقی می‌ماند.

مشکل در مسیر بازگشت شدیدتر می‌شود. هوای فشرده هنگام انبساط در توربین به‌شدت سرد می‌شود؛ افت دما توان خروجی را کاهش می‌دهد و تجهیزات را در معرض آسیب قرار می‌دهد. توربین برای کار مطلوب، جریانی گرم و پرفشار می‌خواهد و نیروگاه باید گرمای ازدست‌رفته را از جایی دیگر فراهم کند.

راه دوم یعنی ذخیره‌سازی پیشرفته‌ی آدیاباتیک سال‌ها در حد تئوری باقی‌مانده بود. در این روش، گرمای فشرده‌سازی به‌جای رهاشدن در هوا، جدا و ذخیره می‌شود و هنگام تخلیه به هوای سرد بازمی‌گردد. هوا و گرما چند ساعت جدا از هم می‌مانند و درست پیش از توربین دوباره به هم می‌رسند.

آلمان در دهه‌ی ۲۰۱۰ با پروژه‌ی ADELE تلاش کرد همین ایده را به نیروگاهی واقعی تبدیل کند، اما پروژه در میانه‌ی راه کنار گذاشته شد. هوایان سرانجام ایده را به مقیاسی رساند که تا آن روز تنها در طرح‌ها و مقاله‌ها دیده می‌شد.

هرکدام از دو واحد هوایان ۳۰۰ مگاوات توان و ۱٫۲ گیگاوات‌ساعت ظرفیت دارند. در مرحله‌ی شارژ، کمپرسورها فشار هوا را در چند پله بالا می‌برند. میان هر پله، مبدل‌های حرارتی گرمای هوا را می‌گیرند تا جریانی خنک‌تر به پله‌ی بعد و سرانجام به غار برسد.

گرمای جداشده راهی مخازن نمک مذاب و آب تحت‌فشار روی سطح زمین می‌شود. یک بررسی فنی از فناوری‌های ذخیره‌ی حرارتی، محدوده‌ی دمایی طراحی هوایان را تقریباً ۱۸۰ تا ۳۶۰ درجه‌ی سانتی‌گراد توصیف می‌کند. نمک مذاب بخش داغ‌تر چرخه را برعهده دارد و آب تحت‌فشار، گرما را در دماهای پایین‌تر جذب و منتقل می‌کند.

عصر روز بعد، وقتی شبکه برق می‌خواهد، شیرها مسیر غار را باز می‌کنند. هوای پرفشار بالا می‌آید، از مبدل‌های حرارتی می‌گذرد و گرمای امانت‌گذاشته در نمک مذاب و آب را پس می‌گیرد. هوای گرم‌شده سپس در چند مرحله منبسط می‌شود، توربین را می‌چرخاند و ژنراتور انرژی مکانیکی را دوباره به برق تبدیل می‌کند.

البته اصطلاح باتری هوا فقط نیمی از ماجرا را روایت می‌کند. هوایان دو شکل از انرژی را در دو جای متفاوت نگه می‌دارد؛ فشار در تاریکی غار زیرزمینی می‌ماند و گرما در مخازن روی سطح. حذف هرکدام، چرخه را ناقص می‌کند.

بهره‌بردار پروژه، شرکت Guoxin Suyan، می‌گوید هوایان بی‌نیاز از احتراق تکمیلی کار می‌کند و راندمان تبدیلش به حدود ۷۱ درصد می‌رسد؛ عددی که اداره‌ی ملی انرژی چین هم در معرفی پروژه ذکر می‌کند. اگر این اعداد را کنار بازدهی تاسیسات رقیب بگذاریم، ایده‌ی بهتری از غارهای زیرزمینی هوایان به دست می‌آوریم.

البته عدد ۷۱ درصد را باید راندمان طراحی یا رقم اعلام‌شده‌ی سازندگان در نظر بگیریم و منتظر بمانیم داده‌های مستقل عملکرد بلندمدت دو واحد منتشر شوند. رسیدن توربین‌ها به بار کامل نشان می‌دهد تجهیزات در مقیاس واقعی کار می‌کند، اما چهره‌ی واقعی یک ذخیره‌ساز طی هزاران چرخه، افت راندمان، هزینه‌ی نگهداری و رفتار غار در سال‌های متمادی آشکار می‌شود. هوایان از مرحله‌ی نمایش یک ایده گذشته و حالا وارد آزمونی شده که ادعاهایش را در عمل محک می‌زند.

هوای فشرده به فضایی عظیم، محکم و کم‌نشت نیاز دارد. ساخت مخزنی فولادی با گنجایش نزدیک به یک میلیون مترمکعب، هزینه‌ی پروژه را بسیار بالا می‌برد. به همین دلیل مهندسان هوایان به‌جای ساختن، از فضایی بهره گرفتند که معدن‌کاری در لایه‌های نمکی زیر شهر بر جا گذاشته بود.

غار نمکی بدون نیاز به انفجار یا حفاری کامل سنگ ساخته می‌شود. مهندسان چاهی تا لایه‌ی نمک حفر می‌کنند، آب را به درونش می‌فرستند و آب‌نمک حاصل را بیرون می‌کشند. نمک کم‌کم در آب حل می‌شود و حفره‌ای بزرگ در دل سنگ شکل می‌گیرد؛ روشی که استخراج انحلالی نام دارد. با کنترل محل تزریق آب و خروج آب‌نمک، شکل و اندازه‌ی غار هم تا حدی قابل‌کنترل خواهد بود.

نفوذپذیری بسیار پایین سنگ نمک برای نگهداری گاز ویژگی بسیار مطلوبی محسوب می‌شود؛ زیرا گاز به‌سختی راهی از میان آن پیدا می‌کند. نمک زیر فشار طولانی‌مدت به‌آرامی تغییر شکل می‌دهد و رفتاری شبیه ماده‌ای بسیار غلیظ پیدا می‌کند، پدیده‌ای که در زمین‌شناسی خزش نامیده می‌شود.

خزش ترک‌های ریز دیواره را به‌مرور می‌بندد و به آب‌بندی غار کمک می‌کند؛ گویی سنگ زخم‌هایش را خودش ترمیم می‌کند. صنعت نفت و گاز از همین ویژگی برای ذخیره‌ی گاز طبیعی، هیدروژن و فرآورده‌های نفتی در غارهای نمکی بهره می‌برد.

اما نمک چهره‌ی دیگری هم دارد. خزش دیواره‌ها را به‌مرور جابه‌جا می‌کند و از حجم فضای ذخیره‌سازی می‌کاهد. تزریق و تخلیه‌ی پیاپی هوا نیز فشار و دمای حفره را بارها بالا و پایین می‌برد. مهندسان باید فشار را در بازه‌ای نگه دارند که هم برای تولید برق کافی باشد و هم پایداری سنگ را حفظ کند.

پژوهشگران در مطالعه‌ای اختصاصی درباره‌ی حفره‌های هوایان، فشار داخلی، فاصله‌ی غارها از یکدیگر و شکل هر حفره را برای حفظ پایداری بررسی کرده‌اند. مطالعه‌ی دیگری درباره‌ی نمک لایه‌ای استان جیانگسو، فشار ۱۰ تا ۱۲ مگاپاسکال، یعنی حدود ۱۰۰ تا ۱۲۰ برابر فشار جو، را برای طراحی چنین غارهایی پیشنهاد می‌کند.

در هوایان، خود زمین هم بخشی از باتری هوایی محسوب می‌شود، چراکه ویژگی‌های مکانیکی سنگ نمک، درست مانند کمپرسور و توربین، در طراحی نیروگاه نقش دارند.

وقتی پروژه هوایان را تاسیساتی با توان ۶۰۰ مگاوات و ظرفیت ذخیره‌ی ۲٫۴ گیگاوات‌ساعت توصیف می‌کنند، دقیقا از چه حرف می‌زنند؟ توان می‌گوید نیروگاه در هر لحظه با چه سرعتی برق تحویل می‌دهد؛ ظرفیت می‌گوید چه مقدار انرژی در انبار دارد. حداکثر خروجی هم با تقسیم ظرفیت بر توان، معادل چهار ساعت تولید برق محاسبه می‌شود.

چهار ساعت تولید، جایگاه هوایان در شبکه را مشخص می‌کند. نیروگاه برای جابه‌جایی انرژی میان ساعت‌های یک روز طراحی شده و برق ارزان یا مازاد را در ساعت‌های کم‌مصرف می‌گیرد و هنگام اوج مصرف پس می‌دهد، ولی مأموریتش ذخیره‌ی چندروزه و فصلی نیست. هوایان همچنین با تغییر سریع خروجی، به تنظیم فرکانس و پایداری شبکه کمک می‌کند.

پروژه با بودجه‌ای در حدود ۵۲۰ میلیون دلار ساخته شد، یعنی تقریباً ۲۲۰ دلار به‌ازای هر کیلووات‌ساعت ظرفیت ذخیره. البته این عدد فقط هزینه‌ی اولیه‌ی ساخت را نسبت به ظرفیت سیستم نشان می‌دهد و به‌تنهایی معیار مناسبی برای مقایسه با باتری‌های لیتیومی نیست.

توسعه‌دهندگان انتظار دارند هوایان سالانه حدود ۷۹۲ گیگاوات‌ساعت برق به شبکه تحویل دهد. با ظرفیت ۲٫۴ گیگاوات‌ساعتی نیروگاه، این میزان تولید معادل حدود ۳۳۰ چرخه‌ی کامل در سال خواهد بود؛ یعنی به‌طور میانگین تقریباً یک‌بار استفاده از کل ظرفیت در هر روز، ولی عملکرد واقعی می‌تواند با این برآورد فاصله داشته باشد.

میزان استفاده از نیروگاه به نیاز شبکه، اختلاف قیمت برق میان ساعت‌های کم‌مصرف و پرمصرف و میزان آماده‌به‌کاری دو واحد بستگی دارد. شاید نیروگاه بعضی روزها فقط بخشی از ظرفیتش را تخلیه کند و در روزهای دیگر بیش از یک چرخه‌ی معادل کامل داشته باشد.

جذابیت هوای فشرده به فراوانی مواد اولیه و مقیاس‌پذیریِ بالا و عمر بالقوه‌ی طولانی‌اش برمی‌گردد. اگر بخواهید ظرفیت یک مزرعه‌ی باتریِ معمولی را بالا ببرید، چاره‌ای جز خرید هزاران سلول گران‌قیمت ندارید؛ اما برای ذخیره‌ی هوای بیشتر، تنها کافی است سراغ غار یا حفره‌ای بزرگ‌تر بروید.

ازسوی‌دیگر، غارهای نمکی با ریسک آتش‌سوزی مزارع باتری، مواجه نیستند. بااین‌حال نباید فراموش کنیم جغرافیا، بزرگ‌ترین محدودیت این فناوری به‌شمار می‌رود. برای درک بهتر تصور کنید یک شبکه برق در طول یک شبانه‌روز معمولی، از سه نوع ذخیره‌ساز استفاده می‌کند که هر کدام نقش متفاوتی برعهده دارند.

باتری‌های لیتیوم یونی حکم نیروهای واکنش سریع را دارند. آن‌ها در هر گوشه‌ای از شهر، کنار پست‌های برق نصب می‌شوند و در کسری از ثانیه نوسانات شبکه را مهار می‌کنند. بازدهی‌شان بالاست، اما برای طولانی‌تر کردن زمان ذخیره‌ی آن‌ها به سلول‌های باتری بیشتری نیاز داریم که هزینه شبکه را همپای ظرفیت بالا می‌برند.

در مقابل نیروگاه برق‌آبی تلمبه‌ای میان دو مخزن کوهستانی، آب را با برق اضافی بالا می‌برد و هنگام نیاز از مسیر توربین پایین می‌فرستد. این فناوری دهه‌هاست برای ذخیره‌ی حجم عظیم انرژی به کار می‌رود، اما ساخت آن به دو مخزن با اختلاف ارتفاع مناسب، منابع آب و شرایط جغرافیایی و محیط‌زیستی مساعد نیاز دارد.

غارهای هوای فشرده در واقع راهکاری میان‌بر هستند که بخش عمده‌ی بار ذخیره‌سازی را به دوش خود زمین می‌اندازند. البته این روش هم مکان جغرافیایی مناسب، چاه‌های عمیق، کمپرسورها و توربین‌های بزرگ و تجهیزات ذخیره‌ی حرارت می‌خواهد.

هوایان در این تصویر نشان می‌دهد با افزایش سهم باد و خورشید، حتی فضاهای خالی برجای‌مانده از استخراج نمک نیز می‌توانند وارد معماری شبکه‌ی برق شوند.

مسیر چین از یک نیروگاه آزمایشی ۱۰ مگاواتی تا هوایان ۶۰۰ مگاواتی کمتر از پنج سال طول کشید؛ دوره‌ای که در آن هر پروژه تقریباً زمینه را برای نمونه‌ای چندبرابر بزرگ‌تر فراهم کرد.

شرکت ZCGN در سال ۲۰۲۱ نخستین نیروگاه هوای فشرده‌ی غار نمکی چین را با توان ۱۰ مگاوات در فِی‌چنگ راه‌اندازی کرد. پس از آن پروژه‌ی ۱۰۰ مگاواتی ژانگ‌جیاکو از راه رسید و در آوریل ۲۰۲۴، نیروگاه دیگری در فِی‌چنگ با توان ۳۰۰ مگاوات تکمیل شد.

روند افزایش مقیاس در سال بعد هم ادامه یافت و ژانویه‌ی ۲۰۲۵، نیروگاهی ۳۰۰ مگاواتی با ظرفیت ذخیره‌ی ۱٫۵ گیگاوات‌ساعت در استان هوبی به شبکه متصل شد و عنوان بزرگ‌ترین پروژه‌ی فعال این فناوری را به دست آورد. هوایان کمتر از یک سال بعد، با توان ۶۰۰ مگاوات، رکورد هوبی را دوبرابر کرد.

فاصله‌ی کوتاه میان پروژه‌ها نشان می‌دهد ذخیره‌ی هوای فشرده در چین دیگر آزمایشی منفرد یا تاسیساتی کوچک نیست و زنجیره‌ای از پروژه‌های صنعتی و روبه‌رشد را شکل می‌دهد. حتی رکورد هوایان هم احتمالا به‌زودی توسط پروژه‌ی بزرگ‌تری که هم‌اکنون مراحل پایانی راه‌اندازی را پشت سر می‌گذارد، شکسته خواهد شد.

۱۲ سپتامبر ۲۰۲۶ دو واحد ۳۵۰ مگاواتی نیروگاه جین‌تان در همان استان جیانگسو برای نخستین‌بار به‌صورت یکپارچه راه‌اندازی شدند و تست کارکرد کل مجموعه را پشت سر گذاشتند؛ مرحله‌ای از راه‌اندازی آزمایشی که پیش از اتصال نهایی به شبکه و آغاز بهره‌برداری تجاری انجام می‌شود.

چین می‌گوید جین‌تان پس از راه‌اندازی کامل، مجموعا ۷۰۰ مگاوات توان و ۲٫۸ گیگاوات‌ساعت ظرفیت ذخیره خواهد داشت. شارژ کامل این باتری هوایی حدود هشت ساعت طول می‌کشد و سپس می‌تواند چهار ساعت با توان نامی برق تحویل دهد.

شاید فاصله‌ی میان دو نیروگاه هوایان و جین‌تان از خود رکورد هم مهم‌تر باشد. چین هنوز پروژه‌ی ۶۰۰ مگاواتی را به‌طور کامل وارد مدار نکرده بود که ساخت نسل بزرگ‌تر آن را به پایان رساند.

بیایید به نیمه‌شب‌های جیانگسو برگردیم و سازوکار بزرگ‌ترین باتری هوایی جهان را مرور کنیم. برقی که توربین‌های بادی تولید کرده بودند، چند دقیقه پس از ورود به هوایان شکل دیگری به خود می‌گیرد. بخشی از آن به فشار هوایی بدل می‌شود که در تاریکی غار نمکی انتظار می‌کشد و بخش دیگر در گرمای مخازن روی سطح جا خوش می‌کند.

نیروگاه برای تولید دوباره‌ی برق، این دو نیمه را از دو سوی مجموعه فرامی‌خواند و درست پیش از توربین به هم می‌رساند. غار نمکی تنها نیمی از این باتری غول‌پیکر را در خود جای می‌دهد. نیمه‌ی دیگر، همان گرمای پمپی است که مهندسان هوایان تصمیم گرفتند نگهش دارند.