به گزارش تجارت نیوز، با گسترش نیروگاههای خورشیدی و بادی در سراسر جهان، اهمیت ذخیرهسازی انرژی بیش از هر زمان دیگری افزایش یافته است. برق تولیدشده از منابع تجدیدپذیر همیشه همزمان با نیاز مصرفکنندگان تولید نمیشود؛ به همین دلیل، باتریهای بزرگ نقش حیاتی در ذخیره انرژی اضافی و تأمین برق در زمان کاهش تولید ایفا میکنند.
اما یکی از بزرگترین چالشهای صنعت باتری، پیشبینی دقیق طول عمر این سامانههای ذخیرهسازی است. تاکنون شرکتهای سازنده مجبور بودند ماهها و حتی گاهی بیش از یک سال آزمایشهای مداوم انجام دهند تا مشخص شود یک باتری پس از صدها یا هزاران چرخه شارژ و دشارژ چه میزان از ظرفیت خود را از دست میدهد.
اکنون پژوهشگران آزمایشگاه ملی اوک ریج (Oak Ridge National Laboratory – ORNL) در آمریکا راهکاری نوآورانه ارائه کردهاند که میتواند این فرآیند طولانی را تنها در چند روز انجام دهد؛ دستاوردی که میتواند تحول بزرگی در صنعت باتری و ذخیرهسازی انرژی ایجاد کند.
چرا پیشبینی عمر باتری اهمیت زیادی دارد؟
تمام باتریهای قابل شارژ، از تلفن همراه و خودروهای برقی گرفته تا سامانههای عظیم ذخیره انرژی نیروگاهها، با گذشت زمان و تکرار فرآیند شارژ و دشارژ دچار افت عملکرد میشوند.
در هر چرخه شارژ، بخشی از ظرفیت باتری به صورت تدریجی کاهش پیدا میکند. این فرآیند که با عنوان تخریب یا فرسودگی باتری (Battery Degradation) شناخته میشود، یکی از مهمترین عوامل تعیینکننده عمر مفید باتری است.
برای شرکتهای برق، اپراتورهای نیروگاههای تجدیدپذیر و تولیدکنندگان باتری، اطلاع دقیق از سرعت این فرسایش اهمیت بسیار زیادی دارد؛ زیرا زمان تعویض تجهیزات، هزینههای تعمیر و نگهداری، میزان سرمایهگذاری و حتی پایداری شبکه برق به این موضوع وابسته است.
روش سنتی؛ ماهها آزمایش برای یک نتیجه
تا پیش از این، پژوهشگران برای بررسی عمر یک باتری مجبور بودند آن را صدها یا حتی هزاران بار شارژ و تخلیه کنند. در بسیاری از پروژههای تحقیقاتی، باتری باید بین ۵۰۰ تا ۱۰۰۰ چرخه شارژ و دشارژ را پشت سر میگذاشت تا رفتار واقعی آن مشخص شود.
این فرآیند معمولاً چندین ماه زمان نیاز داشت و علاوه بر اشغال تجهیزات آزمایشگاهی، هزینههای بالایی نیز به پروژههای تحقیقاتی تحمیل میکرد. به همین دلیل توسعه نسلهای جدید باتری اغلب با سرعتی کمتر از انتظار پیش میرفت.
شبیهسازی رایانهای جای آزمایشهای طولانی را میگیرد
پژوهشگران ORNL اکنون چارچوبی محاسباتی طراحی کردهاند که میتواند رفتار بلندمدت باتری را بدون نیاز به ماهها آزمایش فیزیکی شبیهسازی کند.
این فناوری با استفاده از رایانش با کارایی بالا (High Performance Computing) و مدلهای پیشرفته ریاضی، تمامی فرآیندهای شیمیایی و فیزیکی داخل سلول باتری را بازسازی میکند.
در نتیجه پژوهشگران قادر خواهند بود تنها ظرف چند روز عملکرد باتری را پس از صدها یا هزاران چرخه کاری پیشبینی کنند.
این روش علاوه بر صرفهجویی در زمان، هزینه توسعه فناوریهای جدید ذخیرهسازی انرژی را نیز به میزان قابل توجهی کاهش میدهد.
شبیهسازی همزمان بیش از ۱۰ هزار سلول باتری
یکی از مهمترین ویژگیهای این فناوری، توان پردازشی بسیار بالای آن است. بر اساس اعلام پژوهشگران، این چارچوب محاسباتی قادر است بیش از ۱۰ هزار سلول باتری را به صورت همزمان شبیهسازی کند.
همچنین این سامانه از انواع مختلف فناوریهای باتری لیتیوم-یونی که امروزه رایجترین گزینه برای ذخیرهسازی انرژی در مقیاس شبکه هستند، پشتیبانی میکند.
این موضوع به محققان اجازه میدهد ترکیبات شیمیایی مختلف، طراحیهای جدید سلول و مواد نوین را پیش از تولید واقعی بررسی و مقایسه کنند.
مزایای اقتصادی این فناوری برای صنعت باتری
کارشناسان معتقدند استفاده از این روش محاسباتی میتواند تأثیر قابل توجهی بر صنعت باتری داشته باشد. کاهش مدت زمان تحقیق و توسعه، کوتاه شدن فرآیند ورود فناوریهای جدید به بازار، کاهش هزینههای آزمایشگاهی و افزایش دقت طراحی سلولهای باتری از مهمترین مزایای این فناوری محسوب میشود.
تولیدکنندگان نیز میتوانند پیش از آغاز تولید انبوه، عملکرد محصولات خود را با دقت بیشتری بررسی کنند و طراحی بهینهتری ارائه دهند.
در نتیجه، احتمال عرضه باتریهایی با عمر بیشتر، ایمنی بالاتر و هزینه کمتر در سالهای آینده افزایش خواهد یافت.
کمک به توسعه انرژیهای تجدیدپذیر
ذخیرهسازی انرژی یکی از مهمترین چالشهای توسعه نیروگاههای خورشیدی و بادی است. در بسیاری از ساعات روز، تولید برق خورشیدی و بادی بیش از میزان مصرف است، اما در زمان کاهش تابش خورشید یا افت سرعت باد، شبکه برق به انرژی ذخیرهشده نیاز پیدا میکند.
هرچه عمر باتریها بیشتر و پیشبینی عملکرد آنها دقیقتر باشد، شرکتهای برق میتوانند با اطمینان بیشتری روی توسعه انرژیهای تجدیدپذیر سرمایهگذاری کنند. از سوی دیگر، کاهش هزینه باتریها میتواند قیمت تمامشده برق پاک را نیز کاهش دهد.
نظر پژوهشگران درباره این دستاورد
سریکانت آلو، پژوهشگر محاسباتی آزمایشگاه ملی اوک ریج، اعلام کرده است این روش جدید قادر است عملکرد باتری پس از ۵۰۰ تا ۱۰۰۰ چرخه عملیاتی را تنها طی چند روز محاسبه کند؛ در حالی که همین فرآیند پیش از این هفتهها یا حتی ماهها زمان نیاز داشت.
به گفته او، انعطافپذیری بالای این چارچوب باعث میشود بتوان آن را برای طیف گستردهای از فناوریهای مختلف باتری به کار گرفت و در آینده نیز بهراحتی توسعه داد.
آینده باتریهای بادوامتر و شبکههای برق هوشمند
کارشناسان انرژی معتقدند با افزایش سهم انرژیهای تجدیدپذیر در شبکه برق جهان، اهمیت فناوریهای ذخیرهسازی روزبهروز بیشتر خواهد شد.
پیشبینی سریع و دقیق عمر باتریها نهتنها به تولیدکنندگان کمک میکند محصولات بهتری طراحی کنند، بلکه شرکتهای برق نیز میتوانند برنامههای نگهداری، تعمیر و جایگزینی تجهیزات را با دقت بیشتری تنظیم کنند.
این موضوع در نهایت به کاهش هزینههای بهرهبرداری، افزایش قابلیت اطمینان شبکه برق و بهبود امنیت انرژی منجر خواهد شد.
تحولی که میتواند آینده صنعت باتری را تغییر دهد
ابداع روش محاسباتی جدید توسط پژوهشگران آزمایشگاه ملی اوک ریج را میتوان یکی از مهمترین پیشرفتهای سالهای اخیر در حوزه ذخیرهسازی انرژی دانست. این فناوری با کاهش زمان ارزیابی عمر باتری از چند ماه به تنها چند روز، مسیر توسعه نسل جدید باتریهای لیتیوم-یونی را کوتاهتر و کمهزینهتر میکند.
توانایی شبیهسازی همزمان بیش از ۱۰ هزار سلول باتری، تحلیل رفتار باتری پس از ۵۰۰ تا ۱۰۰۰ چرخه شارژ و دشارژ و بهرهگیری از رایانش پیشرفته، این فناوری را به ابزاری ارزشمند برای تولیدکنندگان باتری، شرکتهای برق و صنایع انرژی تبدیل کرده است. بسیاری از کارشناسان معتقدند چنین نوآوریهایی میتواند نقش مهمی در توسعه خودروهای برقی، افزایش ظرفیت ذخیرهسازی انرژیهای تجدیدپذیر و حرکت جهان به سمت شبکههای برق هوشمند و کمکربن ایفا کند.
