Hapa kuna jambo kuhusu nishati mbadala ambayo hakuna mtu anayekuambia mapema: jua haliwaki usiku, na upepo hauvuma kwa ratiba. Inaonekana wazi, sawa? Lakini ukweli huu rahisi kwa kweli ni moja ya maumivu makubwa ya kichwa katika mpito mzima wa nishati.
Fikiri juu yake. Betri ya simu yako hufa wakati mbaya zaidi-kawaida unapojaribu kupiga Uber saa 2 asubuhi. Sasa fikiria tatizo hilo, lakini ni gridi nzima ya umeme. Hilo ndilo hasa tunaloshughulikia tunapozungumza kuhusu nishati mbadala bila hifadhi.
Tatizo la kutolingana
Paneli za jua huzalisha umeme wakati jua linawaka. Uzalishaji wa kilele? Kawaida karibu na mchana. Lakini ni wakati gani watu wengi wanahitaji umeme? Asubuhi na mapema wakati kila mtu anatengeneza kahawa na kujiandaa kwa kazi, basi tena jioni wanaporudi nyumbani na kuanza kupika chakula cha jioni, kuwasha taa, kutazama TV. Mikunjo hailingani hata kidogo.
Upepo una sifa zake mwenyewe. Wakati mwingine unapata nyingi sana (kwa kweli kuna kesi ambapo mashamba ya upepo yanapaswa kufungwa kwa sababu kunakupita kiasiumeme unazalishwa), na wakati mwingine hakuna chochote. Katika sehemu za Texas, uzalishaji wa upepo unaweza kubadilika kutoka karibu chochote hadi kutoa zaidi ya 60% ya mahitaji ya nishati ya serikali katika wiki hiyo hiyo.
Hapa ndipo uhifadhi wa nishati unapoingia. Kimsingi ni bafa-njia ya kunyakua umeme wakati kuna umeme mwingi na kuuhifadhi kwa ajili ya baadaye unapouhitaji.
Ni nini hasa kinachohesabiwa kama hifadhi ya nishati?
Neno linashughulikia msingi zaidi kuliko unavyoweza kutarajia. Kila mtu anafikiria "betri" mara moja, na hakika, hiyo ni sehemu kubwa yake. Lakini uhifadhi wa nishati kwa zinazoweza kutumika upya ni pamoja na mbinu chache tofauti:
Hifadhi ya umeme wa maji iliyosukumwaimekuwepo milele-vizuri, tangu miaka ya 1890 hata hivyo. Wazo ni rahisi sana: unapokuwa na umeme wa ziada, tumia kusukuma maji kupanda kwenye hifadhi. Unapohitaji nguvu, acha maji yarudi chini kupitia turbines. Bado ndiyo aina ya kawaida ya hifadhi ya gridi-ulimwenguni kote, ikichukua kiasi kama 95% ya matumizi yote-ya hifadhi ya nishati. Upande wa chini? Unahitaji jiografia inayofaa-milima, mabonde, maji mengi. Haiwezi kabisa kujenga mojawapo ya hizi huko Kansas.
Mifumo ya betrini watoto wapya wanaotengeneza vichwa vyote vya habari. Lithium-ioni inatawala kwa sasa kwa sababu uboreshaji wa gari la umeme ulipunguza gharama sana. Kati ya 2010 na 2023, gharama ya betri ilishuka kwa karibu 90%. Huo ni mwendawazimu. Lakini kuna njia mbadala katika uundaji-betri za ioni za sodiamu-zinazotumia chumvi badala ya lithiamu), betri za mtiririko (ambapo nishati{10}}kimiminiko cha kuhifadhi huwekwa kwenye tanki na kusukumwa inapohitajika), hata betri{11}}za hewa ambazo kimsingi "hupumua" oksijeni kutoka angani.
Hifadhi ya nishati ya hewa iliyobanwahufanya kazi kama vile hydro ya pumped, lakini kwa hewa badala ya maji. Unakandamiza hewa na kuihifadhi kwenye mapango ya chini ya ardhi wakati umeme ni wa bei nafuu, kisha uiachilie kupitia turbines inapohitajika. Bado hakuna nyingi kati ya hizi, lakini uwezo upo.
Hifadhi ya jotoinavutia kwa sababu haihifadhi umeme moja kwa moja-huhifadhi joto au baridi. Mitambo ya nishati ya jua iliyokolea wakati mwingine hutumia chumvi iliyoyeyuka kuhifadhi nishati ya joto kutoka kwa jua. Chumvi husalia kuwa na moto vya kutosha (tunazungumza digrii 500+ Selsiasi) ili kuzalisha mvuke na kuendesha mitambo kwa saa baada ya jua kutua. Pia kuna mifumo inayotengeneza barafu usiku wakati umeme ni wa bei nafuu, basi tumia barafu hiyo kwa kupozea majengo wakati wa mchana wa joto.
Flywheels, supercapacitors, hidrojeni{{0}orodha inaendelea. Kila teknolojia ina doa yake tamu kulingana na kiasi gani cha nishati unahitaji kuhifadhi, muda gani unahitaji kuihifadhi, na jinsi unavyohitaji kuiondoa haraka.
Kwa nini ni muhimu (zaidi ya dhahiri)
Uhifadhi wa nishati sio tu kuhusu kuwasha taa jua linapotua. Kwa kweli hutatua shida kadhaa mara moja.
Uthabiti wa gridi ndio kubwa ambayo huduma zinajali. Gridi za umeme zinahitaji kudumisha uwiano sahihi kati ya usambazaji na mahitaji kila sekunde moja. Ugavi mwingi na mzunguko huongezeka; kidogo sana na inashuka. Kwa njia yoyote, mambo mabaya hutokea kwa vifaa. Mifumo ya hifadhi inaweza kujibu kwa milisekunde ili kusaidia kudumisha usawa huo. Baadhi ya usakinishaji wa betri nchini Australia kwa hakika umekuwa maarufu kwa uwezo wao wa kuleta uthabiti wa gridi ya taifa kwa haraka zaidi kuliko mitambo ya jadi ya nishati inavyoweza.
Kisha kuna angle ya kiuchumi. Bei za umeme hubadilikabadilika siku nzima-wakati fulani kwa kiasi kikubwa. Katika maeneo yenye nishati mbadala nyingi, bei zinaweza kwenda hasi wakati wa jua kali au vipindi vya upepo kwa sababu kuna umeme mwingi unaozalishwa kuliko gridi ya taifa inavyoweza kushughulikia. Hifadhi hukuruhusu kununua (au kuzalisha) umeme wakati ni wa bei nafuu au mwingi na uuze tena wakati bei zinapanda. Hii inaitwa arbitrage, na inakuwa mtindo halisi wa biashara.
Kwa jumuiya za mbali au visiwa, hifadhi iliyooanishwa na vinavyoweza kutumika upya inaweza kumaanisha uhuru kutoka kwa jenereta za dizeli. Dizeli ni ghali kusafirisha, kwa sauti kubwa, inachafua, na inahitaji matengenezo ya mara kwa mara. Mfumo wa nishati ya jua-pamoja na{3}}unaweza kuwa na gharama kubwa zaidi, lakini mafuta hayana malipo milele.
Swali la kiwango
Mojawapo ya mambo ya ujanja kuhusu uhifadhi wa nishati ni kwamba saizi moja haitoshei zote.
Kwa kiwango kidogo zaidi, una nyumba za kibinafsi zilizo na sola ya paa na betri kwenye karakana-labda 10-saa 15 za hifadhi ya kilowati, zinazotosha kustahimili usiku au kutoa nakala rudufu wakati wa kukatika. Powerwall ya Tesla labda ni mfano maarufu zaidi, lakini kuna washindani kadhaa sasa.
Sogeza hadi kiwango cha jumuiya na unaweza kuwa na megawati- chache za kuhudumia mtaa au mji mdogo.
Kisha unapata matumizi-mizani ya usakinishaji ambayo ni kubwa kweli. Betri ya Moss Landing huko California ina uwezo wa kubeba megawati 3,000-saa. Ili kuweka hilo katika mtazamo, hiyo inatosha kuwa na mamlaka kuhusu nyumba 225,000 kwa saa nne. Na wanaendelea kuipanua.
Muda ni muhimu kama vile uwezo. Betri ni nzuri kwa kuhifadhi nishati kwa saa chache-hiyo inaitwa "hifadhi ya muda mfupi." Lakini vipi kuhusu uhifadhi wa msimu? Je, ikiwa unataka kuokoa nishati ya jua ya ziada kutoka majira ya joto ili kutumia wakati wa baridi? Hilo linahitaji teknolojia tofauti kabisa, na kusema kweli, hatuna masuluhisho mazuri kwa hilo bado. Hidrojeni ni uwezekano mmoja, lakini ni ghali na haifai.
Changamoto za kweli-ulimwengu
Gharama bado ni changamoto namba moja, ingawa imekuwa bora zaidi. Usakinishaji mkubwa wa betri unaweza kugharimu $300-400 kwa kila kilowati-ya uwezo wa saa. Hiyo imeshuka sana, lakini bado ni ghali unapozungumza juu ya kiwango cha matumizi. Na betri huharibika baada ya muda-hazidumu milele.
Pia kuna suala la ugavi wa nyenzo. Lithium, cobalt, nikeli{1}mahitaji yanaongezeka kwa kasi zaidi kuliko shughuli za uchimbaji madini zinavyoweza kuendelea. Na mengi ya nyenzo hizi hutoka katika maeneo yenye mazoea ya kazi yenye shaka au viwango vya mazingira. Sekta inakimbia kutafuta njia mbadala au kubuni mbinu bora za kuchakata tena.
Ruhusa na udhibiti inaweza kuwa ndoto pia. Hifadhi ya nishati ni mpya sana hivi kwamba maeneo mengi hayana sheria wazi kuhusu jinsi ya kuunganisha mifumo hii kwenye gridi ya taifa, ni nani anayeweza kuimiliki, jinsi inavyopaswa kulipwa. Baadhi ya huduma zinaona hifadhi kama tishio kwa mtindo wao wa biashara, zingine huikubali.
Halafu kuna shida rahisi ya fizikia: upotezaji wa ubadilishaji wa nishati. Unapochaji betri, unapoteza nishati kama joto. Unapoiondoa, unapoteza zaidi. Ufanisi wa safari-unaweza kuwa 85-90% kwa betri za lithiamu-ioni, ambayo ni nzuri sana, lakini hiyo inamaanisha kuwa bado unapoteza 10-15% ya nishati yako. Kwa teknolojia zingine za uhifadhi, hasara ni kubwa zaidi.
Mambo yanaelekea wapi
Kasi ya uhifadhi wa nishati ni ya kweli. Usakinishaji wa kimataifa unakua kwa kasi. Mnamo 2023 pekee, ulimwengu uliongeza kitu kama gigawati 50 za uwezo wa kuhifadhi betri-mara mbili mwaka uliopita.
Tunaona uvumbuzi katika maeneo yasiyotarajiwa. Betri za gari zinapata maisha ya pili kama hifadhi ya stationary baada ya kutotosheleza magari. Teknolojia ya gari-kwenda-gridi inatengenezwa, ambapo magari ya umeme yanaweza kurudisha nishati kwenye gridi ya taifa inapohitajika (gari lako huwa betri kwenye magurudumu).
Uhifadhi wa muda mrefu-ndio mpaka unaofuata. Kuna mawazo potofu huko nje-uhifadhi wa nishati kwa kutumia vitalu vya mvuto, hifadhi ya hewa iliyobanwa chini ya maji, hifadhi ya nishati ya hewa ya kioevu. Baadhi ya hizi zitafanya kazi, nyingi hazitafanya, lakini majaribio yanafanyika.
Uchumi unaendelea kuboreka kadiri gharama zinavyopungua na kadiri maeneo mengi yanavyoweka bei ya utoaji wa kaboni. Katika baadhi ya masoko, hifadhi tayari ina ushindani bila ruzuku. Hiyo haikuwa kweli hata miaka mitano iliyopita.
Mstari wa chini
Hifadhi ya nishati sio nzuri tu-kuwa-kuwa na nyongeza ya nishati mbadala-inakuwa jambo linalowezesha mabadiliko yote. Bila kuhifadhi, unaweza tu kuongeza jua na upepo mwingi kabla ya gridi ya taifa kuwa thabiti. Pamoja na uhifadhi, dari ni nyingi, juu zaidi.
Bado tuko katika siku za mwanzo, kweli. Teknolojia inaboreshwa kwa haraka, gharama zinapungua na tunatafuta programu mpya kila wakati. Lakini pendekezo la msingi la thamani liko wazi: uhifadhi hugeuza nishati mbadala kwa vipindi kuwa nishati ya kuaminika, inayoweza kutumwa. Na hiyo inabadilisha kila kitu.
Muongo ujao utakuwa wa kuvutia kutazama. Mchanganyiko wa bei nafuu zinazoweza kurejeshwa na uhifadhi unaoongezeka wa bei nafuu tayari unatatiza masoko ya umeme duniani kote. Maeneo ambayo yalikuwa yanategemea 100% ya nishati ya mafuta miaka mitano iliyopita sasa yanapiga mara kwa mara 50%, 60%, hata 70% ya nishati mbadala kwa siku fulani. Hilo lilionekana kuwa lisilowezekana muda si mrefu uliopita.
Bado kuna kazi nyingi ya kufanya-kiteknolojia, kiuchumi, na udhibiti. Lakini trajectory ni wazi kabisa. Uhifadhi wa nishati kwa mifumo inayoweza kurejeshwa sio tu ya siku zijazo; inakua sasa hivi.