بزرگ‌ترین باتری حرارتی جهان: فنلاند چطور گرمای تابستان را برای زمستان نگه می‌دارد؟

شاید شما هم یک ظهر داغ مرداد، کلافه از آفتاب، با خودتان گفته باشید کاش می‌شد کمی از این گرما را برای شب‌های سرد دی نگه داشت. شاید باورش سخت باشد ولی فنلاند همین ایده را با پروژه‌ای ۳۰۰ میلیون یورویی عملی می‌کند!

زیر یکی از شلوغ‌ترین جاده‌های وانتا، شهری چسبیده به هلسینکی، کارگران راهی به دل سنگ باز می‌کنند. انتهای این راه به سه غار عظیم می‌رسد که هرکدام نزدیک ۳۰۰ متر طول و ۴۰ متر ارتفاع خواهند داشت، یعنی به‌راحتی یک ساختمان ده‌طبقه داخل هرکدام جا می‌شود.

قرار نیست کسی در این غارها زندگی کند یا کالایی در آن‌ها انبار شود. چند سال دیگر، غارها پر از آب داغ می‌شوند. دمای آب به ۱۴۰ درجه‌ی سانتی‌گراد می‌رسد، ولی نمی‌جوشد و گرمایی را در خود نگه می‌دارد که شهر فعلا لازمش ندارد. درواقع وانتا گرمای اضافه‌اش را دور نمی‌ریزد، آن را زیر زمین پنهان می‌کند تا ماه‌ها بعد دوباره بیرونش بکشد.

پروژه‌ی فنلاند با نام وارانتو (Varanto) شناخته‌ می‌شود؛ واژه‌ای به معنای اندوخته. عمیق‌ترین بخش مجموعه حدود ۱۴۰ متر زیر زمین قرار می‌گیرد و ظرفیت ذخیره‌اش به ۹۰ گیگاوات‌ساعت انرژی حرارتی می‌رسد. اگر برنامه‌ی فعلی جلو برود و مخزن در سال ۲۰۳۰ وارد مدار شود، از نظر حجم و ظرفیت از همه‌ی مخزن‌های غاری مشابه جهان پیشی خواهد گرفت.

باتری زیرزمینی فنلاند با این ایده توسعه می‌یابد که در روزها و فصل‌هایی که گرما بیشتر از نیاز تولید می‌شود، انرژی به‌جای هدررفتن در آب زیرزمین ذخیره شود و چند ماه بعد که سرمای زمستان مصرف گرمایش را بالا می‌برد، انرژی ذخیره‌شده به شبکه‌ی شهری برگردد.

سه غار غول‌آسا شاید چشمگیرترین بخش ماجرا باشند، اما گرمای تابستان چطور ماه‌ها در اعماق زمین دوام می‌آورد و چرا آب ۱۴۰ درجه آن پایین نمی‌جوشد؟

پروژه‌ی وارانتو را غالبا تحت نام باتری حرارتی معرفی می‌کنند، ولی شباهت چندانی به باتری گوشی یا خودروی برقی ندارد. برق قرار نیست وارد سلول‌های شیمیایی شود و بعداً دوباره به شکل برق بیرون بیاید. انرژی مستقیماً به شکل گرما در آب می‌ماند؛ تقریباً همان کاری که آب‌گرم‌کن خانه انجام می‌دهد، فقط در ابعادی که تصورش سخت به نظر می‌رسد.

هر غار حدود ۲۰ متر عرض، ۴۰ متر ارتفاع و ۳۰۰ متر طول دارد. حجم آب هر سه غار روی هم به حدود ۹۰۰ هزار مترمکعب می‌رسد و با تونل‌ها، شفت‌ها و فضاهای فرایندی، کل مجموعه‌ی زیرزمینی از حدود ۱٫۱ میلیون مترمکعب فراتر می‌رود.

شرکت وانتان انرژیا (Vantaan Energia)، سازنده‌ی پروژه، می‌گوید ظرفیت ۹۰ گیگاوات‌ساعتی وارانتو با انرژی حدود ۱٫۳ میلیون باتری خودروی برقی برابری می‌کند. محاسبات منطقی هم این مقایسه را تأیید می‌کند؛ کافی‌ است برای هر خودرو باتری‌ای حدود ۶۹ کیلووات‌ساعتی در نظر بگیریم. به گفته‌ی شرکت، یک مخزن پر معادل حدود ۸ میلیون یورو گرمای شبکه‌ی شهری وانتا ارزش دارد.

مقایسه وارانتو با باتری خودرو فقط از نظر مقدار انرژی معنا پیدا می‌کند. باتری برق ذخیره می‌کند و می‌تواند همان برق را بعداً به هر مصرفی بدهد. اما خروجی وارانتو با گرما تعریف می‌شود، آن هم فقط برای شبکه‌ی گرمایش شهری.

شرکت وانتان انرژیا می‌گوید انرژی یک مخزن پر، نیاز گرمایشی یک شهر متوسط فنلاندی را برای یک سال تأمین می‌کند. اگر ایده‌ای از شهر متوسط فنلاندی در ذهنمان نداشته باشیم، می‌توانیم تصور کنیم که اگر وارانتو با حداکثر توان اعلام‌شده، یعنی ۲۰۰ مگاوات، بی‌وقفه تخلیه شود، ذخیره‌ی کاملش حدود ۱۹ روز دوام می‌آورد.

به ساعات اوج تولید گرما و ساعت مصرف انرژی فکر کنید که هیچ‌وقت با هم هماهنگ نیستند. در تابستان، ساختمان‌ها به گرمایش چندانی نیاز ندارند، اما بعضی منابع همچنان گرما تولید می‌کنند. نیروگاه زباله‌سوز وانتا تمام سال کار می‌کند و بخشی از گرمای پردازش زباله در ماه‌های گرم خریداری ندارد.

اگر بخشی از گرمای مازاد تابستان یا ساعت‌های ارزان کنار گذاشته شود، شبکه دیگر مجبور نیست همه‌ی نیاز زمستان را همان لحظه تولید کند. ذخیره‌سازی فصلی دقیقاً روی همین منطق بنا می‌شود. انرژی را وقتی فراوان و کم‌ارزش‌تر است بگیرید و وقتی تقاضا بالا رفت تحویل بدهید.

ورودی‌های پیش‌بینی‌شده‌ی وارانتو گرمای پردازش حرارتی زباله، دیگر گرماهای اتلافی و گرمای تولیدشده در ساعت‌های ارزانی برق را در برمی‌گیرند. برای بخش آخر، دو دیگ الکترودی فشارقوی ۶۰ مگاواتی در پروژه نصب می‌شوند.

شرکت نروژی Parat Halvorsen دیگ‌های مورد نیاز را تأمین می‌کند. دیگ‌ها با ولتاژ ۲۰ کیلوولت کار می‌کنند و در ساعت‌های ارزانی برق، هم مستقیماً به شبکه‌ی گرمایش شهری گرما می‌دهند و هم وارانتو را شارژ می‌کنند.

در گزارش‌های عمومی از دیتاسنترها و حتی واحدهای احتمالی تولید هیدروژن هم به‌عنوان منابع آینده‌ی گرمای اتلافی نام برده‌اند. طرح اقتصادی پروژه می‌گوید وقتی محصول نهایی گرماست، ذخیره‌ی برق در باتری و تبدیل دوباره‌اش به گرما همیشه بهترین مسیر نیست.

آب و سنگ می‌توانند همان انرژی حرارتی‌ای را مستقیم نگه دارند که شبکه‌ی شهری در زمستان می‌خواهد و هرچند انعطاف باتری برقی را ندارند، اما در شهری با شبکه‌ی گرمایش گسترده، هم ارزان‌ترند و هم ساده‌تر.

عدد ۱۰۰ درجه فقط در فشار معمول هوا معنا دارد. هرچه فشار بالاتر برود، آب باید داغ‌تر شود تا به بخار تبدیل شود و برای همین زودپز غذا را سریع‌تر می‌پزد. در دمای ۱۴۰ درجه، آب برای مایع‌ماندن به فشاری بیش از حدود ۳٫۶ بار مطلق نیاز دارد. وارانتو این فشار را با ترفندی ساده تأمین می‌کند؛ مخزن را در عمق و پایین‌تر از سطح آب زیرزمینی می‌سازد.

کف غارهای اصلی حدود ۱۰۰ متر زیر سطح زمین قرار می‌گیرد و عمیق‌ترین بخش مجموعه به حدود ۱۴۰ متر می‌رسد. به گفته‌ی شرکت سازنده، فشار آب زیرزمینی در این عمق اجازه می‌دهد آب مخزن تا ۱۴۰ درجه گرم شود و همچنان مایع بماند.

وارانتو در اصل چند دیگ بخار عظیم نیست؛ مخزن آب داغی‌ست که فشار محیط زیرزمین کارکردش در دمای بالا را ممکن می‌کند. مایع‌ماندن آب اهمیت عملی هم دارد چون آب مایع را می‌شود پمپ کرد، لایه‌های گرم و سردش را مدیریت کرد و گرما را با کنترل بیشتری از مخزن گرفت. اگر آب به‌طور گسترده بخار شود، حجم و فشار به‌شدت تغییر می‌کنند و کل طراحی پیچیده‌تر می‌شود.

در زمان شارژ، گرمای مازاد به آب مخزن منتقل می‌شود. آب گرم‌تر بالا می‌رود و آب سردتر پایین می‌ماند. تا وقتی لایه‌ها بیش از حد با هم مخلوط نشوند، مخزن می‌تواند دمای مفیدش را برای مدت طولانی حفظ ‌کند، پدیده‌ای که چینه‌بندی حرارتی نامیده می‌شود.

زمستان، مسیر انرژی برعکس می‌شود. گرما از آب داغ مخزن گرفته و به شبکه‌ی گرمایش شهری منتقل می‌شود. آب سردتر به بخش پایینی مخزن برمی‌گردد تا در چرخه‌ی بعد دوباره گرم شود.

حداکثر توان تخلیه‌ی ۲۰۰ مگاوات هم نشان می‌دهد وارانتو فقط برای نگه‌داشتن آرام گرما ساخته نمی‌شود. در ساعت‌هایی که مصرف ناگهان بالا می‌رود، مخزن می‌تواند در مدت کوتاهی حجم زیادی گرما به شبکه تزریق کند.

هیچ مخزنی گرما را برای همیشه نگه نمی‌دارد. در وارانتو هم بخشی از انرژی به سنگ اطراف، لوله‌ها، شفت‌ها و تجهیزات نشت می‌کند و مقداری از گرمای قابل‌استفاده با مخلوط‌شدن آب داغ و سرد از دست می‌رود.

ابعاد غول‌آسای مخزن اینجا به کمک می‌آید، زیرا با بزرگ‌شدن یک مخزن، حجمش سریع‌تر از سطح تماسش با محیط رشد می‌کند. پس به‌ازای هر مترمکعب آب، سطح کمتری با دیواره‌های سنگی تماس دارد و گرما راه‌های کمتری برای فرار پیدا می‌کند.

در چرخه‌های نخست، سنگ اطراف غار بخشی از گرمای آب را می‌گیرد و خودش گرم می‌شود. در ابتدا، این گرما اتلاف حساب می‌شود، اما کم‌کم اختلاف دمای آب و سنگ کمتر و نشت گرما هم کندتر می‌شود. بخشی از انرژی‌ای که وارد سنگ شده، هنگام سردشدن مخزن دوباره به آب برمی‌گردد.

هدف وارانتو نگه‌داشتن گرما بدون ذره‌ای اتلاف از تابستان تا زمستان نیست؛ کافی‌ست بخش بزرگی از انرژی پس از چند ماه هنوز قابل‌بازیابی باشد. مرز ذخیره‌ی فصلی گرما با باتری‌ای که از آن انتظار داریم هر لحظه با همان کیفیت انرژی بدهد، دقیقاً همین‌جا کشیده می‌شود.

بازدهی واقعی وارانتو زمانی مشخص می‌شود که مخزن چند چرخه‌ی واقعی را پشت سر بگذارد. بااین‌حال، یک مطالعه‌ی شبیه‌سازی منتشرشده در ۲۰۲۵، برای یکی از سناریوهای طراحی با ظرفیت ۵۷٫۵ گیگاوات‌ساعت و دمای تزریق ۹۵ درجه، بازده ۶۷ درصدی را برآورد می‌کند.

ورودی کارگاه کنار رمپ کمربندی سوم هلسینکی قرار دارد. دهانه‌ی تونل خدماتی پاییز ۲۰۲۴ تکمیل شد و انفجارهای حفاری اصلی از اول دسامبر ۲۰۲۵ شروع شدند.

ساخت چنین فضایی بیشتر به معدن‌کاوی زیرزمینی شباهت دارد تا ساخت مخزنی معمولی. کارگران سنگ را سوراخ می‌کنند، انفجارهای کنترل‌شده انجام می‌دهند، قطعات لق را برمی‌دارند و سنگ خردشده را از تونل دسترسی بیرون می‌کشند. حفاری از سه فضای اصلی فراتر می‌رود، چراکه پروژه به تونل دسترسی، شفت و فضاهای فرایندی هم نیاز دارد تا تجهیزات و خطوط بخش‌های مختلف مجموعه به هم وصل شوند.

از سوی دیگر غارها باید دهه‌ها زیر فشار، دمای بالا و نفوذ آب زیرزمینی پایدار بمانند. شکستگی‌ها و نواحی ضعیف سنگ در طراحی بررسی شده‌اند و مهندسان فنلاندی رفتار بستر سنگی را در دوره‌ی حفاری و ۵۰ سال کارکرد شبیه‌سازی کرده‌اند.

در مارس ۲۰۲۶، کارگران حدود ۱۷۰ متر در دل سنگ پیش رفته بودند و تونل‌ها هفته‌ای نزدیک به ۲۰ متر طولانی‌تر می‌شدند. حفاری شفت عمودی Variskallio در ژوئن شروع شد و از سپتامبر، بیشتر کار شفت از پایین و از مسیر تونل خدماتی انجام می‌شود. تازه‌ترین گزارش کارگاه در نوامبر ۲۰۲۶ از حفاری بی‌وقفه‌ی تونل‌ها خبر می‌دهد.

در حال حاضر برش سیمی سنگ جای بخشی از حفاری را گرفته و هم‌زمان ایستگاه‌های پایش لرزه در منطقه ساخته می‌شوند. طبق برنامه، کار شفت تا مارس ۲۰۲۷ ادامه دارد. مخزن هنوز چند سال با بهره‌برداری فاصله دارد، ولی ساختش حالا هم‌زمان در چند جبهه، در دل سنگ و روی زمین، جلو می‌رود.

در بسیاری از شهرهای فنلاند، گرمایش ساختمان‌ها از طریق شبکه‌های گرمایش شهری تأمین می‌شود. یعنی به‌جای اینکه هر ساختمان موتورخانه‌ی خودش را داشته باشد، چند منبع مرکزی آب را گرم می‌کنند و گرما از طریق لوله‌های عایق به خانه‌ها می‌رسد.

گرمای زباله‌سوز، دیگ‌های برقی، پمپ‌های حرارتی و گرمای اتلافی صنایع وارد یک شبکه‌ی مشترک می‌شوند و هر زمان انرژی مازادی وجود داشت به مخزن می‌رود. زمستان‌های سرد فنلاند تقاضای مصرفی بزرگی ایجاد می‌کنند که چنین ذخیره‌ای را اقتصادی‌تر می‌کند.

از منظر زمین‌شناسی نیز بخش بزرگی از فنلاند روی سنگ بستر بلورین و مقاومی قرار دارد که تجربه‌ی طولانی این کشور در حفر تونل و فضاهای زیرزمینی را توضیح می‌دهند، همان‌طور که پیش از وارانتو نمونه‌های کوچک‌تری موثر بودن این ایده را ثابت کرده‌اند.

مخزن Mustikkamaa در هلسینکی حدود ۲۶۰ هزار مترمکعب حجم مؤثر و ۱۱٫۶ گیگاوات‌ساعت ظرفیت دارد. در وستروس سوئد هم غارهای قدیمی ذخیره‌ی نفت به مخزنی برای حدود ۳۰۰ هزار مترمکعب آب با ظرفیت ۱۰ تا ۱۳ گیگاوات‌ساعت تبدیل شده‌اند؛ آب این مجموعه تا حدود ۹۵ درجه گرم می‌شود.

وارانتو چند برابر بزرگ‌تر از مخازن حرارتی مشابه خواهد بود و از ابتدا برای ذخیره‌ی فصلی طراحی شد. دمای بسیار بالاتر آب و توانایی دریافت گرما از چند منبع مختلف هم آن را از پیشینیانش جدا می‌کند.

هزینه‌ی توسعه‌ی وارانتو حدود ۳۰۰ میلیون یورو برآورد می‌شود. دولت فنلاند ۱۹ میلیون یورو کمک سرمایه‌گذاری برای پروژه در نظر گرفته و هزینه‌ی اصلی را شرکت وانتان انرژیا تامین می‌کند. قرارداد سه‌ساله‌ی حفاری با شرکت YIT حدود ۱۰۰ میلیون یورو ارزش دارد؛ یعنی فقط کندن و بیرون‌کشیدن سنگ تقریباً یک‌سوم بودجه‌ی برآوردشده را به خود اختصاص می‌دهد.

اتحادیه‌ی اروپا نیز از طریق پروژه‌ی پژوهشی INTERSTORES از توسعه‌ی فناوری ذخیره‌سازی فصلی حمایت می‌کند، اما سهم وانتان انرژیا در مقایسه با هزینه‌ی ساخت ناچیز به نظر می‌رسد. سهم ثبت‌شده‌ی شرکت از بودجه‌ی اروپایی برنامه ۴۲۸٬۰۹۳٫۷۵ یورو اعلام شده و به فعالیت‌های پژوهشی و نمایش فناوری مربوط می‌شود.

اصل ایده‌ی پروژه‌ی وارانتو به فنلاند یا حتی به غارهای سنگی محدود نمی‌ماند. راه‌های مختلفی برای نگه‌داشتن حجم زیادی گرما در طول چند ماه وجود دارد. برای مثال در دانمارک، بعضی شهرها از مخازن گودالی بزرگ استفاده می‌کنند؛ گودال‌هایی عایق‌شده که با آب پر می‌شوند و گرمای اضافی تابستان را تا زمستان نگه می‌دارند.

در روش دیگر، صدها چاه باریک و عمیق یا گمانه در زمین حفر می‌شود و گرما مستقیماً در خاک و سنگ اطراف ذخیره می‌شود. بعضی پروژه‌ها هم سراغ لایه‌های آب زیرزمینی می‌روند. مرور فنی پروژه‌ی وارانتو این گزینه‌ها را به‌ترتیب ذخیره‌سازی گودالی، گمانه‌ای و آبخوانی می‌نامد.

ظرفیت مخزن هیوینکا حدود ۱۸ گیگاوات‌ساعت تخمین زده می‌شود، آب آن در دمای بین ۴۰ تا ۹۰ درجه کار می‌کند و قرار است از پاییز ۲۰۲۷ نزدیک به یک‌چهارم نیاز گرمایی شهر را پوشش دهد. هزینه‌‌ی پروژه نیز حدود ۳۳ میلیون یورو برآورد می‌شود؛ کسری کوچک از بودجه‌ی وارانتو، برای ظرفیتی حدود یک‌پنجم آن.

انتخاب فناوری به زمین‌شناسی، قیمت زمین، نوع شبکه‌ی انرژی و میزان مصرف هر شهر بستگی دارد. غاری عظیم مثل وارانتو جایی معنا پیدا می‌کند که هم سنگ مناسب حفاری داشته باشد و هم شبکه‌ی گرمایش شهری بزرگی که از این حجم انرژی استفاده کند.

اگر پروژه طبق برنامه پیش برود، گرمایی که در روزهای کم‌مصرف وارد آب زیر وانتا می‌شود، ماه‌ها بعد به خانه‌ها و ساختمان‌های شهر برمی‌گردد. وارانتو انرژی تازه‌ای تولید نمی‌کند و ارزش رکورد خود را از جابه‌جاکردن زمانِ مصرف انرژی به‌دست می‌آورد. بزرگ‌ترین باتری حرارتی جهان گرما را وقتی فراوان و کم‌ارزش‌تر است می‌گیرد و با بالارفتن تقاضا در زمستان بازمی‌گرداند.

شاید جذاب‌ترین بخش پروژه نه بزرگی غارها باشد و نه آب ۱۴۰ درجه. شهر چیزی را که امروز اضافه دارد، برای روزی کنار می‌گذارد که واقعاً به آن نیاز پیدا می‌کند.