انرژی حرارتی، به‌عنوان یکی از منابع انرژی مهم و پتانسیل‌دار، در سال‌های اخیر توجه بسیاری از محققان و مهندسان را به خود جلب کرده است. باتوجه‌به محدودیت منابع فسیلی و نگرانی‌های زیست‌محیطی ناشی از مصرف این منابع، یافتن راهکارهای نوین برای تولید، توزیع و ذخیره‌سازی انرژی از اهمیت دوچندان برخوردار شده است. ازاین‌رو توسعه فناوری‌های ذخیره انرژی حرارتی به‌عنوان راهکاری مؤثر برای بهبود بهره‌وری انرژی و کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای مطرح شده است.
در این مقاله، به بررسی اجمالی مفهوم ذخیره سازی انرژی حرارتی، انواع روش‌های ذخیره‌سازی و مزایای استفاده از این فناوری پرداخته می‌شود. همچنین، نقش مهم ژئوسنتتیک‌ها در سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی حرارتی و کاربردهای آن‌ها در این زمینه مورد تحلیل قرار خواهد گرفت.
ذخیره انرژی حرارتی چیست و چه کاربرد هایی دارد؟
ذخیره سازی انرژی حرارتی (TES) فناوری نوینی است که به ما اجازه می‌دهد تا گرما یا سرمای تولید شده را برای استفاده در آینده ذخیره کنیم. در ساده‌ترین حالت، این می‌تواند به معنای استفاده از یک مخزن آب برای ذخیره‌سازی گرما باشد که آب در زمان‌هایی که انرژی فراوان است گرم می‌شود و سپس انرژی در آب برای استفاده در زمان‌هایی که انرژی کمتر است ذخیره می‌شود. این فناوری، مانند یک باتری برای انرژی حرارتی عمل می‌کند و به ما این امکان را می‌دهد تا از انرژی حرارتی در زمان‌هایی که به آن نیاز داریم، حتی اگر در آن لحظه منبع تولید انرژی حرارتی در دسترس نباشد، استفاده کنیم.
ذخیره انرژی حرارتی (TES) کاربردهای گسترده‌ای در صنایع و بخش‌های مختلف دارد. در گرمایش و سرمایش ساختمان‌ها، TES به شکل فصلی یا روزانه می‌تواند انرژی اضافی تولید شده در طول روز یا فصل گرم را ذخیره کند و برای سرمایش یا گرمایش در زمان‌های مورد نیاز استفاده شود.
در تولید برق، از TES از طریق فناوری‌هایی مانند انرژی متمرکز خورشیدی (CSP) یا تولید هم‌زمان برق و حرارت (CHP) برای ذخیره انرژی حرارتی استفاده می‌شود که می‌تواند در ساعات اوج مصرف به شبکه برق کمک کند..
در فرایندهای صنعتی، TES به بازیافت حرارت زباله کمک می‌کند و حرارت موردنیاز فرایندها را بهینه‌تر تأمین می‌کند. در حمل‌ونقل، از ذخیره انرژی گرمایی در سردخانه‌ها برای حفظ دمای غذا یا در سیستم‌های ذخیره یخ برای تهویه‌مطبوع استفاده می‌شود. همچنین در کشاورزی، TES می‌تواند به گرم‌کردن گلخانه‌ها یا خشک‌کردن محصولات کشاورزی کمک کند که باعث بهینه‌سازی مصرف انرژی در این بخش‌ها می‌شود.
مزایای ذخیره انرژی حرارتی
ذخیره انرژی حرارتی می‌تواند مزایای قابل‌توجهی را در زمینه‌های مختلف ارائه دهد که برخی از مزایای کلیدی آن عبارت‌اند از:
- کاهش تقاضای پیک و هموارسازی تقاضا: ذخیره سازی انرژی حرارتی به ذخیره انرژی در زمان‌های کم تقاضا و آزادسازی آن در زمان‌های پرتقاضا کمک می‌کند که این امر می‌تواند به کاهش تقاضای پیک و هموارسازی تقاضای کلی انرژی منجر شود.
- کاهش انتشار CO2 و هزینه‌ها: با استفاده از انرژی در زمان‌های ارزان‌تر و زمانی که سهم انرژی‌های تجدیدپذیر در ترکیب انرژی بیشتر است، می‌توان ذخیره سازی انرژی حرارتی انجام داد که می‌تواند به کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای و کاهش هزینه‌های انرژی کمک کند.
- افزایش بهره‌وری کلی سیستم‌های انرژی: زیرا انرژی را در زمان‌های مناسب‌تر و با هزینه‌های کمتر استفاده می‌کند.
- نقش کلیدی در سیستم‌های پیک شیوینگ: ذخیره انرژی حرارتی یک جزء کلیدی در سیستم‌های پیک شیوینگ (peak shaving systems) است، یعنی جایی که از برق خارج از پیک برای راه‌اندازی پمپ‌های حرارتی استفاده می‌شود تا گرما یا سرمای تولید شده توسط برق ارزان‌تر و گرمای تلف شده از منابع صنعتی را برای متعادل‌کردن بارهای سیستم انرژی تولید کند.
از دیگر مزایای ذخیره انرژی حرارتی (TES) می‌توان کمک به انعطاف‌پذیری انرژی، بهبود بهره‌وری انرژی، کاهش هزینه‌ها، ادغام انرژی‌های تجدیدپذیر، پایداری شبکه، کاهش تأثیر زیست‌محیطی، انتقال بار و افزایش انعطاف‌پذیری را نام برد. TES همچنین می‌تواند در مدیریت موثر تقاضای انرژی، کاهش هزینه‌های انرژی و کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای موثر باشد.
انواع روش های ذخیره انرژی گرمایی
ذخیره انرژی حرارتی از طریق فناوری‌های مختلفی قابل‌دستیابی است و بسته به نوع فناوری مورداستفاده، سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی حرارتی می‌توانند انرژی حرارتی اضافی را برای ساعت‌ها، روزها یا ماه‌ها ذخیره کنند. سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی حرارتی به پنج نوع تقسیم می‌شوند:
ذخیره سازی حرارت معقول یا محسوس (Sensible Heat Storage)
روشی ساده، قابل‌اعتماد و مقرون‌به‌صرفه برای ذخیره انرژی حرارتی است که در آن گرما با افزایش یا کاهش دمای یک ماده بدون تغییر فاز آن ذخیره می‌شود. آب رایج‌ترین ماده برای این منظور است و در مخازن طبقه‌بندی شده یا مخلوط ذخیره می‌شود. گزینه‌های دیگر شامل نمک‌های مذاب برای دماهای بالا، فلزات برای کاربردهای صنعتی و ذخیره‌سازی زیرزمینی برای گرمایش و سرمایش فصلی ساختمان‌ها است. این روش‌ها به دلیل ظرفیت بالای ذخیره‌سازی و بازدهی بالا در کاربردهای مختلف از جمله گرمایش و سرمایش ساختمان‌ها، تولید برق و فرایندهای صنعتی مورداستفاده قرار می‌گیرند.
ذخیره سازی حرارتی شیمیایی (Thermochemical Storage)
پیشرفته‌ترین و پیچیده‌ترین روش ذخیره انرژی حرارتی است که در آن گرما با ایجاد یا شکستن پیوندهای شیمیایی در مواد گرماشیمیایی ذخیره می‌شود. این روش ظرفیت ذخیره‌سازی بسیار بالا، تلفات حرارتی کم و دمای ذخیره‌سازی بالا را امکان‌پذیر می‌سازد. بااین‌حال، راندمان پایین، هزینه بالا و پیچیدگی فرایند از جمله محدودیت‌های این روش هستند. مواد مختلفی مانند هیدریدهای فلزی، جاذب‌ها و واکنش‌های سنتز متانول برای این منظور مورد بررسی قرار گرفته‌اند. این فناوری به دلیل پتانسیل بالای خود در ذخیره‌سازی انرژی حرارتی در مقیاس بزرگ و طولانی‌مدت، موضوع تحقیقات گسترده‌ای است.
ذخیره سازی حرارتی با نمک مذاب (Molten Salt Storage)
این روش شامل گرم‌کردن مخلوطی از نمک‌های مذاب تا دمای بالا برای ذخیره‌سازی انرژی حرارتی است. سیستم‌های ذخیره‌سازی حرارتی با نمک مذاب معمولاً در نیروگاه‌های خورشیدی متمرکز (CSP) برای ذخیره‌سازی گرمای اضافی تولید شده توسط کلکتورهای خورشیدی حرارتی در طول روز برای تولید برق در شب یا در دوره‌های ابری استفاده می‌شوند. سیستم‌های ذخیره‌سازی حرارتی با نمک مذاب می‌توانند ذخیره‌سازی حرارتی با دمای بالا با چگالی انرژی و راندمان نسبتاً بالا را ارائه دهند.
ذخیره سازی حرارتی در سفره آب زیرزمینی (Aquifer Thermal Energy Storage)
ATES شامل ذخیره‌سازی انرژی حرارتی در سفره‌های آب زیرزمینی با تزریق یا استخراج آب از چاه‌ها است. در فصل گرمایش، آب گرم به سفره آب زیرزمینی تزریق می‌شود، جایی که سنگ و آب اطراف را گرم می‌کند. در فصل سرمایش، آب سرد به سفره آب زیرزمینی تزریق می‌شود تا گرما از ساختمان‌ها یا فرایندهای صنعتی استخراج شود. سیستم‌های ATES برای ذخیره‌سازی حرارتی فصلی در ساختمان‌ها، سیستم‌های گرمایش و سرمایش منطقه‌ای و عملیات گلخانه‌ای استفاده می‌شوند.
ذخیره سازی گرمای نهان (Latent Heat Storage)
روشی پیشرفته‌تر برای ذخیره انرژی حرارتی است که از مواد تغییر فاز (PCM) استفاده می‌کند که می‌توانند گرما را به‌صورت گرمای نهان در جرم خود ذخیره کنند. در این روش، گرما با تغییر حالت فیزیکی ماده (مانند ذوب یا تبخیر) ذخیره می‌شود و در دمای ثابتی انجام می‌شود. PCMها ظرفیت ذخیره انرژی بالایی دارند و در کاربردهایی مانند تهویه‌مطبوع، گرمایش و سرمایش ساختمان‌ها و سیستم‌های خورشیدی مورداستفاده قرار می‌گیرند. بااین‌حال، یافتن PCM مناسب با خواص مطلوب، بهبود انتقال حرارت و یکپارچه‌سازی PCM با سایر اجزای سیستم از چالش‌های این روش محسوب می‌شود.
کاربرد ژئوسنتتیک ها در ذخیره انرژی حرارتی
محصولات ژئوسنتتیک می‌توانند در سیستم‌های ذخیره انرژی حرارتی چاه (PTES) برای بهبود عملکرد، دوام و بازدهی تأسیسات ذخیره‌سازی مورداستفاده قرار گیرند. چندین روش که ژئوسنتتیک‌ها می‌توانند در ساخت PTES به کار گرفته شوند، عبارت‌اند از:
- آستر یا لایه‌های ژئوممبران: ورق ژئوممبران، لایه مصنوعی نفوذناپذیری است که معمولاً برای پوشش دیوارها و کف چاه‌های PTES استفاده می‌شود تا از نشتی محیط ذخیره‌سازی (مانند آب یا محلول ضد یخ) جلوگیری کند. ژئوممبران‌ها به‌عنوان یک مانع مطمئن در برابر نفوذ سیال به داخل یا خارج از گودال، عمل کرده و از آلودگی خاک اطراف و آب‌های زیرزمینی جلوگیری می‌کنند.
- محافظت ژئوتکستایل: از ژئوتکستایل ها می‌توان برای محافظت از ژئوممبران‌ها در برابر آسیب در هنگام نصب و بهره‌برداری استفاده کرد. قراردادن یک‌لایه ژئوتکستایل بین ژئوممبران و مواد پرکننده (فیلرها) به جلوگیری از سوراخ‌شدن، سایش و تنش‌های مکانیکی ژئوممبران توسط سنگ‌ها، ریشه‌ها یا سایر اجسام تیز کمک می‌کند. ژئوتکستایل‌ها همچنین باعث زهکشی و فیلتراسیون می‌شوند تا از ایجاد فشار هیدرواستاتیکی در پشت ژئوممبران جلوگیری شود.
- لایه‌های زهکشی ژئوکامپوزیت: لایه‌های زهکشی ساخته شده از ورق‌های ژئوکامپوزیت که از ترکیبی از ژئوتکستایل‌ها و هسته‌های زهکشی تشکیل شده‌اند، می‌توانند بالاتر یا پایین‌تر از لایه ژئوممبران نصب شوند تا آب اضافی یا میعان را از گودال ذخیره‌سازی خارج کنند. با زهکشی مؤثر و مدیریت کارآمد رطوبت، لایه‌های ژئوکامپوزیت به حفظ شرایط پایدار خاک، کاهش خطر آسیب به لایه کشی و بهبود عملکرد بلندمدت سیستم PTES کمک می‌کنند.
- تقویت ژئوگرید: در مواردی که خاک اطراف چاه PTES پایداری یا ظرفیت باربری ضعیفی از خود نشان می‌دهد، می‌توان از ژئوگریدها برای تقویت مواد پرکننده و بهبود یکپارچگی ساختاری کلی استفاده کرد. ژئوگرید یک شبکه مصنوعی با استحکام و مقاومت بالا است که برای توزیع بارها، کاهش نشست و افزایش ظرفیت باربری در داخل توده خاک قرار می‌گیرد. با تثبیت خاک اطراف، تقویت ژئوگرید پایداری و طول عمر چاه PTES را تضمین می‌کند.
- سیستم‌های تهویه گاز ژئوکامپوزیت: سیستم‌های تهویه گاز ژئوکامپوزیت که متشکل از فیلترهای ژئوتکستایل و هسته‌های زهکشی هستند را می‌توان در داخل مواد پرکننده برای تسهیل تخلیه و استخراج گازهای تولید شده در چاه ذخیره‌سازی مانند متان یا دی‌اکسیدکربن نصب شوند. سیستم‌های تهویه گاز ژئوکامپوزیت با ترویج انتشار و تخلیه گاز به کاهش خطر تجمع گاز، جلوگیری از افزایش فشار و حفظ یک محیط امن و پایدار در گودال PTES کمک می‌کنند.
جمع‌بندی
ذخیره سازی انرژی حرارتی، راهکاری نوآورانه برای مدیریت و بهره‌برداری بهینه از انرژی است. با استفاده از انواع مختلف ذخیره‌سازی حرارتی (محسوس، نهان، ترموشیمیایی) می‌توان انرژی مازاد را ذخیره کرده و در زمان نیاز مورداستفاده قرار داد. ژئوسنتتیک‌ها نقش کلیدی در این فرایند دارند. این مواد با ایجاد عایق حرارتی، تقویت سازه‌ها، حفاظت از محیط‌زیست و بهبود زهکشی، عملکرد و دوام سیستم‌های PTES را به طور قابل‌توجهی افزایش می‌دهند. در نهایت، باتوجه‌به اهمیت روزافزون انرژی‌های تجدیدپذیر و نیاز به مدیریت هوشمندانه انرژی، استفاده از ژئوسنتتیک‌ها در ذخیره انرژی حرارتی به‌عنوان یک رویکرد کارآمد و پایدار مطرح می‌شود.
