باتری آهن-هوا چیست؟ فناوری ذخیره برق برای چند روز
باتری‌های آهن-هوا: تحول در ذخیره‌سازی انرژی تجدیدپذیر
شرکت‌هایی مانند Form Energy و Ore Energy با طراحی‌های پیچیده و بزرگ خود برای باتری‌های آهن-هوا، در حال ایجاد زمینه‌های جدید بهره‌وری انرژی هستند.
از آنجایی که انرژی‌های تجدیدپذیر به راه‌حل‌های ذخیره‌سازی طولانی‌مدت نیاز دارند، باتری‌های آهن-هوا به عنوان جایگزینی مقرون‌به‌صرفه برای فناوری لیتیوم-یون در حال ظهور هستند.
به گفته مارک لاوریج، مدیر بازرگانی Renewable Exchange، هیجان‌انگیزترین نوآوری فناوری پاک در سال ۲۰۲۵ می‌تواند زنگ‌زدگی باشد. متخصصانی مانند مارک به طور فزاینده‌ای به این موضوع علاقه‌مند می‌شوند که چگونه زنگ‌زدگی می‌تواند در کاهش تغییرات اقلیمی نقش داشته باشد.
چالشی که سیستم‌های انرژی تجدیدپذیر فعلی با آن مواجه هستند این است که برخلاف سوخت‌های فسیلی، منابع تجدیدپذیر مانند انرژی خورشیدی و بادی برای ذخیره در حجم مورد نیاز چالش‌برانگیز هستند. این می‌تواند به این معنی باشد که در دوره‌هایی که خورشید نمی‌تابد و باد نمی‌وزد، منابع انرژی محدود می‌شوند.
بررسی ذخیره‌سازی انرژی تجدیدپذیر
برای دهه‌ها، سلول‌های لیتیوم-یونی بر بحث ذخیره‌سازی انرژی تسلط داشته‌اند و دستگاه‌هایی از تلفن‌های همراه گرفته تا وسایل نقلیه الکتریکی را تغذیه می‌کنند. با نزدیک شدن به پایان سال 2026، یک جایگزین شیمیایی متفاوت از تحقیقات آزمایشگاهی به پیاده‌سازی شبکه برق پیشرفت کرده است.
مارک می‌گوید: “پس از دهه‌ها تسلط لیتیوم-یون، سال ۲۰۲۵ نقطه عطف بالقوه برای ذخیره‌سازی انرژی طولانی مدت (LDES) است و باتری‌های آهن-هوا در این زمینه پیشرو هستند.”
این باتری‌ها از فرآیند زنگ‌زدگی برگشت‌پذیر استفاده می‌کنند.
در طول تخلیه، باتری اکسیژن را از هوا جذب می‌کند که گلوله‌های آهن را به زنگ تبدیل کرده و انرژی آزاد می‌کند. برای شارژ، یک جریان الکتریکی زنگ‌زدگی را دوباره به آهن فلزی تبدیل می‌کند و باتری اکسیژن آزاد می‌کند.
اگرچه باتری‌های لیتیوم-یون برای تولید برق کوتاه‌مدت بین دو تا چهار ساعت مؤثر هستند، اما هنگام تلاش برای پر کردن شکاف‌های چند روزه در تولید انرژی‌های تجدیدپذیر، از نظر اقتصادی غیرممکن می‌شوند.
اینجا جایی است که فناوری آهن-هوا می‌تواند کاربرد خود را پیدا کند.
مارک توضیح می‌دهد: “آنها قادر به ذخیره انرژی برای بیش از ۱۰۰ ساعت هستند – که به انرژی باد و خورشید اجازه می‌دهد چراغ‌ها را روشن نگه دارند، حتی زمانی که خورشید نمی‌تابد یا باد نمی‌وزد.”
با ارائه مدت زمانی که به طور قابل توجهی طولانی‌تر از باتری‌های معمولی است، سیستم‌های آهن-هوا می‌توانند جایگزین نیروگاه‌های اوج سوخت فسیلی شوند. مارک می‌افزاید: “ایده‌آل برای کربن‌زدایی در مقیاس شبکه، به ویژه در طول دوره‌های چند روزه انرژی‌های تجدیدپذیر.”
این فناوری امسال به سرعت از مفاهیم نظری به زیرساخت‌های فیزیکی پیشرفت کرده است.
مارک می‌گوید: «در سال ۲۰۲۵، شرکت Ore Energy در هلند اولین باتری آهن-هوای متصل به شبکه برق جهان را عرضه کرد و Form Energy در ایالات متحده بیش از ۴۰۰ میلیون دلار برای رساندن این فناوری به مقیاس تجاری جمع‌آوری کرد.»
پایلوت Ore Energy که در ژوئیه ۲۰۲۵ در دلفت به شبکه برق متصل شد، می‌تواند اثبات قابل توجهی از مفهوم برای بازار اروپا باشد. این نشان می‌دهد که این سیستم‌ها می‌توانند با خیال راحت در محیط‌های شهری متراکم ادغام شوند.
در ایالات متحده، Form Energy کارخانه خود را در مقیاس تجاری در ویرتون، ویرجینیای غربی، در محل یک کارخانه فولاد سابق، عملیاتی کرده است.
این شرکت در حال حاضر سفارشاتی را برای شرکت‌های بزرگ برق، از جمله Xcel Energy و Georgia Power، انجام می‌دهد و انتظار می‌رود پروژه‌هایی در اواخر سال‌های ۲۰۲۵ و ۲۰۲۶ به بهره‌برداری برسند.
باتری آهن‌ـ‌هوا چیست؟
باتری آهن‌ـ‌هوا (Iron-Air Battery) فناوری ذخیره‌سازی انرژی الکتریکی است که با استفاده از واکنش شیمیایی میان آهن، اکسیژن و آب، امکان ذخیره و آزادسازی برق را فراهم می‌کند. این فناوری برای ذخیره‌سازی طولانی‌مدت انرژی طراحی شده و می‌تواند برق تولیدشده از نیروگاه‌های خورشیدی و بادی را برای چند روز نگهداری کند. برخلاف باتری‌های لیتیوم‌یونی که معمولاً برای تأمین انرژی در بازه‌های چندساعته استفاده می‌شوند، باتری آهن‌ـ‌هوا با هدف پشتیبانی از شبکه برق در دوره‌های طولانی‌تر توسعه یافته است.
شرکت آمریکایی Form Energy در حال توسعه این فناوری برای استفاده در مقیاس شبکه برق است. سامانه این شرکت از آهن به‌عنوان ماده فعال استفاده می‌کند و با بهره‌گیری از اکسیژن موجود در هوا، فرایند شارژ و تخلیه باتری را انجام می‌دهد. طراحی این سیستم به‌گونه‌ای است که بتواند انرژی الکتریکی را تا حدود ۱۰۰ ساعت در اختیار شبکه قرار دهد.
باتری آهن‌ـ‌هوا چگونه برق ذخیره می‌کند؟
عملکرد این باتری بر پایه واکنش برگشت‌پذیر اکسیداسیون و احیای آهن است. هنگام تخلیه باتری، آهن با اکسیژن واکنش می‌دهد و به اکسید آهن تبدیل می‌شود. این واکنش الکتروشیمیایی باعث آزاد شدن انرژی الکتریکی می‌شود که از طریق سامانه باتری به شبکه برق انتقال پیدا می‌کند.
در زمان شارژ، برق ورودی واکنش را در جهت معکوس پیش می‌برد. اکسید آهن دوباره به آهن تبدیل می‌شود و اکسیژن آزادشده به محیط بازمی‌گردد. آب نیز در فرایند شیمیایی این سامانه نقش دارد و به‌عنوان بخشی از محیط الکترولیت مورد استفاده قرار می‌گیرد.
نکته فنی مهم: این باتری برای انجام واکنش تخلیه به اکسیژن هوا متکی است؛ بنابراین برخلاف باتری‌هایی که تمام مواد فعال واکنش درون سلول قرار دارند، بخشی از مواد مورد نیاز آن مستقیماً از محیط دریافت می‌شود.
مشخصات فنی سامانه ذخیره‌سازی ۱۰۰ ساعته
محصول توسعه‌یافته شرکت Form Energy با نام باتری آهن‌ـ‌هوا، برای ذخیره‌سازی انرژی در مقیاس نیروگاهی و شبکه برق طراحی شده است. این سامانه در قالب مجموعه‌ای از واحدهای باتری ساخته می‌شود و ظرفیت آن با توجه به تعداد واحدهای نصب‌شده و توان مورد نیاز پروژه تعیین می‌شود.
- ماده فعال: آهن برای واکنش اکسیداسیون و احیا.
- ماده واکنش‌دهنده محیطی: اکسیژن موجود در هوای اطراف.
- مدت تخلیه طراحی‌شده: حدود ۱۰۰ ساعت در سامانه معرفی‌شده Form Energy.
- کاربرد اصلی: ذخیره برق در مقیاس شبکه و نیروگاه.
- چرخه عملکرد: تبدیل آهن به اکسید آهن هنگام تخلیه و بازگرداندن آن به آهن هنگام شارژ.
- کاربرد در انرژی تجدیدپذیر: ذخیره برق تولیدی نیروگاه‌های خورشیدی و بادی برای زمان کاهش تولید.
تفاوت باتری آهن‌ـ‌هوا با باتری لیتیوم‌یونی
تفاوت اصلی این دو فناوری در مواد شیمیایی، مدت ذخیره‌سازی و کاربرد اقتصادی آنها در شبکه برق است. باتری‌های لیتیوم‌یونی به دلیل توانایی شارژ و تخلیه سریع، در خودروهای برقی، تجهیزات الکترونیکی و سامانه‌های ذخیره برق چندساعته کاربرد گسترده‌ای دارند. در مقابل، باتری آهن‌ـ‌هوا برای تحویل برق در بازه‌های طولانی طراحی شده است.
آهن ماده اولیه فراوان و در دسترس‌تری نسبت به بسیاری از مواد مورد استفاده در باتری‌های پیشرفته است. استفاده از این فلز می‌تواند هزینه مواد اولیه را در سامانه‌های بزرگ کاهش دهد.
منبع: sunlithenergy.com
