منابع نوآورانه جایگزین سوخت فسیلی کدامند؟

به گزارش خبرگزاری علم و فناوری اکسیبو، کشف قدرت دگرگون کننده انرژی های تجدیدپذیر، سنگ بنای یک آینده پایدار است. کسب و کار ها در سطح جهانی در حال تغییر استراتژیک به سمت انرژی های تجدیدپذیر هستند، حرکتی که نه تنها به دلیل نگرانی های زیست محیطی بلکه به دلیل مزایای اقتصادی که ارایه می دهد، دیکته می شود.

روش های مهمی مانند «دیجیتالی شدن» که عملیات های ساده و پربازده را تسهیل می کند و «ادغام های کارآمد انرژی» که برای مقابله با چالش های متناوب در تولید انرژی تجدیدپذیر طراحی شده اند، به آینده انرژی سبز نیرو می دهند.

در این گزارش منابع نوآورانه انرژی تجدیدپذیر را کشف خواهید کرد که از نظر اقتصادی مقرون به صرفه هستند. در حالی که انرژی خورشیدی، بادی و برق آبی همچنان به پیشبرد این صنعت انرژی ادامه می دهند، حوزه های نوظهوری مانند هیدروژن سبز، نتیجه سال ها تحقیقات بر روی انرژی های تجدیدپذیر را عرضه می کنند.

علاوه بر این، اشکال انرژی آب های بکر مانند جریان جزر و مد، موج و اقیانوس، راه های جدیدی را در بخش انرژی های تجدیدپذیر باز می کنند و نویدبخش راه حل های بی سابقه انرژی سبز برای فردا هستند. 

فناوری های یکپارچه سازی شبکه، ضمن کاهش تلفات انتقال، شبکه را به طور موثر پایدار می کند. این فناوری ها استفاده از منابع خارج از شبکه مانند سوخت های زیستی، بادی و انرژی آبی را حتی زمانی که دور از مراکز تقاضا قرار دارند، بهینه می کنند. علاوه بر این، هیدروژن سبز نقش دوگانه ای ایفا می کند: توان به دست آمده از انرژی های تجدید پذیر را ذخیره و به برق رسانی کمک می کند. در همین حال، انرژی زیستی به دلیل ماهیت غیرمتمرکزش، جایگاه خود را به عنوان یک انتخاب مطلوب حفظ می کند.

شایان ذکر است شرکت های استارت آپ و اسکیل آپ بسیاری عمدتا در اروپای غربی، آمریکا و هند در حوزه انرژی های تجدید پذیر فعالیت دارند.

در این گزارش با 10 روند مهم انرژی های تجدید پذیر آشنا می شویم:

فتوولتاییک پیشرفته 

شرکت های انرژی خورشیدی در حال ادغام سیستم های فوتوولتاییک (PV) با هر جنبه ای از محیط اطراف خود هستند و در عین حال نیاز به استفاده اضافی از زمین را به حداقل می رسانند. در نتیجه، PV یکپارچه، فوتوولتاییک شناور و فوتوولتاییک کشاورزی، تغییرات منطقی در روند قلمداد می شوند. علاوه بر این، دانش بنیان ها در حال توسعه سلول های پلاستیکی نازکی هستند تا پنل های خورشیدی را انعطاف پذیر، مقرون به صرفه، سبک وزن و سازگار با محیط زیست کنند.

برای بهبود عملکرد PV، شرکت های نوظهور در حال ابداع فناوری هایی برای متمرکز کردن انرژی خورشیدی با استفاده از آینه ها و عدسی ها هستند. نوآوری در مواد PV، مانند استفاده از پروسکایت، تبدیل انرژی را چندین برابر افزایش می دهد. این نوآوری ها بیشتر با طرح های فتوولتاییک همراه هستند که حداکثر کارایی و بهره وری بالا را ممکن می سازند.

آنها با هم، پایداری را از طریق بازیافت، حداقل استفاده از منابع و استفاده از مواد جایگزین ترویج می کنند.

هوش مصنوعی و داده های بزرگ

شبکه انرژی یکی از پیچیده ترین زیرساخت ها است و نیاز به تصمیم گیری سریع بلادرنگ دارد، که داده های بزرگ و الگوریتم های هوش مصنوعی این امکان را برای شرکت ها فراهم می کنند. فراتر از تجزیه و تحلیل و مدیریت شبکه، کاربرد های هوش مصنوعی در بخش انرژی های تجدیدپذیر شامل پیش بینی مصرف انرژی و نگهداری پیش گویانه منابع انرژی تجدیدپذیر است.

همچنین، هوش مصنوعی برنامه های اینترنت اشیا را قادر می سازد که سطوح ظرفیت شبکه را پیش بینی کنند و معاملات و قیمت گذاری مستقل مبتنی بر زمان را انجام دهند. با نوآوری ها در محاسبات ابری، نیروگاه های مجازی (VPP) تولید برق از خدمات شهری را تکمیل می کنند. علاوه بر این، شرکت های دانش بنیان از تجزیه و تحلیل داده ها و یادگیری ماشینی برای طراحی مدل انرژی های تجدیدپذیر و تجزیه و تحلیل عملکرد بهره می برند.

سیستم ذخیره انرژی توزیع شده (DESS)

این سیستم، تولید و ذخیره انرژی تجدیدپذیر را محلی و بر بی نظمی در تولید غلبه می کند. بر اساس نیاز های اقتصادی و سایر الزامات، شرکت های دانش بنیان طیف وسیعی از راه حل های باتری و بدون باتری را ارایه می دهند. مثلا، باتری های جریان، از انرژی کم و ثابت استفاده می کنند، در حالی که باتری های حالت جامد سبک وزن هستند و چگالی انرژی بالایی ارایه می دهند. برای کاربرد هایی که به انرژی زیاد نیاز دارند، در مدت زمان کوتاهی از خازن ها و ابرخازن ها نیز استفاده می شود.

با توجه به نگرانی های مربوط به تخلیه، ایمنی و آلودگی زیست محیطی، استارت آپ ها در حال ابداع جایگزین های ذخیره سازی بدون باتری مانند فناوری های آبی پمپ شده و هوای فشرده هستند. از سوی دیگر، انرژی مازاد از طریق فناوری مسیر های تبدیل برق (P2X) به اشکال دیگر انرژی مانند گرما یا متان برای ذخیره سازی و تبدیل مجدد، تبدیل می شود.

 برق آبی

انرژی آبی انرژی حاصل از حرکت آب است. بر خلاف خورشید و باد، انرژی آبی قابل پیش بینی و در نتیجه قابل اعتمادتر است. علاوه بر این، سد های برق آبی و همچنین انرژی مبتنی بر اقیانوس که از جزر و مد، جریان ها و امواج به دست می آید، چگالی انرژی بالایی را ارایه داده و در عین حال وابستگی به منابع معمولی را کاهش می دهد.

نوآوری ها در این منابع تجدیدپذیر، بر مبدل های انرژی و بهبود اجزا برای برداشت بیشتر انرژی، متمرکز است. در داخل نیروگاه های آبی، سد های برق آبی در مقیاس کوچک و سد های جزر و مدی، تولید انرژی غیرمتمرکز را امکان پذیر می کنند. در تبدیل انرژی حرارتی اقیانوس (OETC)، انرژی از طریق گرادیان حرارتی ایجاد شده بین سطح و عمق آب مهار می شود.

برخی شرکت های دانش بنیان نیز از شیب شوری ایجاد شده به دلیل اختلاف فشار اسمزی بین آب دریا و رودخانه، برای تولید انرژی استفاده می کنند.

انرژی باد

اگرچه باد یکی از قدیمی ترین منابع انرژی است، اما ماهیت تکاملی سریع این نوع انرژی، آن را به یکی از روند های اصلی تولید برق تبدیل کرده است. استارت آپ ها در حال ابداع توربین های بادی دریایی و هوایی هستند تا تقاضا برای انرژی بادی زمینی را کاهش دهند. نوآوری ها در این زمینه اغلب با سایر منابع انرژی مانند توربین های بادی شناور، انرژی خورشیدی یا جزر و مد ادغام می شوند.

برای افزایش کارایی، پیشرفت های مداومی در طراحی های آیرودینامیکی تیغه ها صورت گرفته است. استارت آپ ها همچنین ژنراتور ها و توربین های کارآمدی را برای تبدیل انرژی بالا تولید می کنند. پایداری مواد تیغه یکی از چالش های این صنعت است که دانش بنیان ها برای مقابه به آن در حال توسعه فناوری های بدون تیغه و مواد ترموپلاستیک قابل بازیافت برای تولید تیغه ها هستند.

انرژی زیستی

انرژی زیستی (بیوانرژی) نوعی انرژی تجدیدپذیر است که از منابع زیست توده به دست می آید. سوخت های زیستی مایع با کیفیت قابل مقایسه با بنزین مستقیما برای استفاده در وسایل نقلیه مخلوط می شوند. برای دستیابی به این کیفیت، شرکت ها، فرآیند های سوخت زیستی را بهبود بخشیده و روش ها را ارتقا می دهند. اکثر فرآیند های تبدیل سوخت زیستی مانند مایع سازی هیدروترمال (HTL)، تجزیه در اثر حرارت، فناوری پلاسما، پودر شدن و تبدیل گازی، از تبدیل حرارتی برای به دست آوردن سوخت های زیستی استفاده می کنند.

علاوه بر این، شیوه های ارتقاء مانند جداسازی برودتی، هیدرات و جداسازی غشایی برای حذف محتوای گوگرد و نیتروژن استفاده می شود. به طور مشابه، فرآیند تخمیر، بیواتانول تولید می کند که به راحتی می تواند مستقیما با بنزین مخلوط شود. تخمیر همچنین توانایی تبدیل ضایعات، غلات غذایی و گیاهان را به اتانول زیستی دارد و در نتیجه تنوع مواد اولیه را فراهم می کند.

مواد اولیه با انرژی متراکم منجر به افزایش کیفیت سوخت می شود. به همین دلیل، استارت آپ ها و شرکت های بزرگ، مواد اولیه جلبکی و میکروجلبکی را برای استفاده در فرآیند های تبدیل فوق در نظر می گیرند.

یکپارچه سازی شبکه

فناوری های یکپارچه سازی شبکه در درجه اول شامل انتقال، توزیع و تثبیت انرژی های تجدیدپذیر است. نیروگاه های بزرگ تولید انرژی تجدیدپذیر، اغلب از مراکز تقاضا فاصله زیادی دارند که منجر به تلفات انتقال و توزیع می شود. برای غلبه بر این مشکل، فناوری های الکترونیکی شبکه ای با کارآمدی انرژی، مانند نیمه رسانا های نیترید گالیوم (GaN) و کاربید سیلیکون (SiC) مورد استفاده قرار می گیرند.

چالش فرکانس و نوسانات ولتاژ به دلیل تولید انرژی تجدیدپذیر متغیر، از طریق راه حل های مبتنی بر میکروکنترلر حل می شود. با وجود این فناوری ها، تثبیت شبکه به دلیل مصرف متناوب انرژی یک چالش بزرگ است. فناوری خودرو به شبکه (V2G) به تثبیت شبکه در ساعات اوج مصرف کمک می کند در حالی که راه حل های شبکه به خودرو (G2V) از خودرو به عنوان یک واحد ذخیره سازی استفاده می کنند. در نتیجه، هم صنعت انرژی و هم صنعت حمل و نقل سود می برند.

هیدروژن سبز

گاز هیدروژن دارای بالاترین چگالی انرژی در بین تمام سوخت ها است و تقریبا هیچ گاز گاخانه ای تولید نمی کند. با این حال، بیشتر هیدروژن از منابع تجدید ناپذیر و به شکل هیدروژن خاکستری و قهوه ای به دست می آید. در دهه گذشته، تحولات در انرژی های تجدیدپذیر و پیل های سوختی، زمینه برای هیدروژن سبز فراهم شده است.

اگرچه سوخت پاکی است، اما با مشکلاتی در کارایی تبدیل انرژی کم پیل های سوختی و همچنین چالش های حمل و نقل نیز دست و پنجه نرم می کند. به همین دلایل، پیشرفت در حوزه هیدروژن سبز، بر بهبود ذخیره سازی، حمل و نقل و توزیع هیدروژن تمرکز دارد.

رباتیک پیشرفته

کارایی تولید و فرآیند، یک مانع بزرگ در بهره برداری از انرژی های تجدیدپذیر است. رباتیک دقت و استفاده بهینه از منابع را برای غلبه بر این چالش امکان پذیر می کند. مثلا پنل های خورشیدی خودکار برای به حداکثر رساندن تبدیل انرژی تغییر جهت می دهند. اتوماسیون تجهیزات نیز فرآیند های تعمیر و نگهداری را تسریع می کند و در عین حال نیاز به کار انسانی را کاهش می دهد.

بازرسی هواپیما های بدون سرنشین و عملیات و تعمیر و نگهداری خودکار مبتنی بر رباتیک (O&M) کار های تکراری خطرناک را انجام می دهد و در نتیجه ایمنی و بهره وری را بهبود می بخشد. نمونه ای از این مورد استفاده از هواپیما های بدون سرنشین مبتنی بر تصویربرداری اولتراسونیک آرایه فازی برای تشخیص سریع آسیب های داخلی یا خارجی در توربین های بادی بزرگ است. پهپاد ها نیز امکان ایجاد دوقلو های دیجیتال و نقشه های سه بعدی را با استفاده از داده های مختلف فراهم می کنند.

بلاک چین

استارت آپ های انرژی از فناوری بلاک چین برای پیشبرد تراکنش های قابل اعتماد در بخش انرژی های تجدیدپذیر استفاده می کنند. مثلا قرارداد های هوشمند، تجارت برق همتا به همتا (P2P) را برای انرژی تعاملی، پیش می برند. شبکه ها در برابر تهدیدات سایبری آسیب پذیر هستند و بلاک چین برای رمزگذاری داده های مرتبط با عملیات شبکه و نظارت استفاده می شود.

بلاک چین با رمزگذاری داده ها، تراکنش های دیجیتال را تسهیل می کند. ارایه دهندگان انرژی های تجدیدپذیر نیز از بلاک چین برای ردیابی زنجیره نگهداری مواد شبکه استفاده می کنند. علاوه بر این، به تنظیم کنندگان اجازه می دهد تا به راحتی به داده ها برای انطباق با مقررات دسترسی داشته باشند.

علاوه بر این، ذینفعان از تمام مزایای شفافیت و پاسخگویی که بلاک چین ارایه می دهد بهره مند می شوند.