باتری های جریانی (Flow Batteries) می توانند انرژی ناپیوسته و «کم بازده» باد را به منبعی سبز و قابل اطمینان برای تأمین انرژی تبدیل كنند. باتری های جریانی می تواند نقطه اتصالی میان باتری های سربی- اسیدی و پیل های سوختی باشد. باتری های جریانی از سال ۱۸۸۰ به گونه ای دیگر موجودیت داشته اند و در کشتی بادی برای تأمین نیرو استفاده می شدند. پس از چند دهه بی اعتنایی در نیمه های دهه هشتاد، پژوهشگران استرالیایی و ژاپنی دوباره این ایده را برای تحقیقات خود به کار گرفتند. این باتری مشتق شده از پیل سوختی ثبت شده احیاپذیر رداکس با پایه وانادیمی است. باتری های جریانی VBR انرژی شیمیایی را به انرژی الکتریکی تبدیل می کنند. انرژی شیمیایی در شكل های متفاوت آنیونی وانادیم درون الکترولیت اسید سولفوریک رقیق ذخیره می شود. الکترولیت از مخازن پلاستیکی مجزایی از طریق یک غشای تبادل پروتون به درون پیل سوختی پمپ می شود و در آنجا یکی از انواع الکترولیت به صورت الکتروشیمیایی اکسیده و از دیگری به صورت الکتروشیمیایی کاسته می شود. این فرآیند، جریان تولید می کند و این جریان به وسیله الکترودها گردآوری می شود و در اختیار مداری در خارج مجموعه قرار می گیرد. این واکنش برگشت پذیر است، در نتیجه باتری را می توان دوباره شارژ، دشارژ و ری شارژ کرد.

   از یک سو علاقه عمومی شدید به استفاده از انرژی های پاک و سردرگمی برنامه ریزان صنعت برق در استفاده از منابع نسبتا جدید و پردردسر انرژی برای شبکه تحت فشار برق رسانی، تعیین الویت و انتخاب یکی از این دو سیاست را دشوار ساخته است. از سوی دیگر، مشتریان و رسانه ها موضع خود را مشخص کرده اند که انتظار دارند باد، خورشید و دیگر منابع تجدید پذیر انرژی، نقش عمده ای در تولید برق جوامع مدرن امروزی بازی کنند. این اشتیاق محرک هایی همچون کیفیت هوا، بهداشت عمومی و امنیت انرژی را در پشت سر خود دارد. طرف دیگر ماجرا، برنامه ریزان تأسیسات هستند که تلاش می کنند تقاضای فزاینده و همیشگی به انرژی الکتریکی را تأمین و بار وارد شده بر شبکه توزیع و انتقال را با مصرف هماهنگ کنند. آن ها در شگفتند که چگونه ۵ درصد انرژی ناپایدار را در شبکه توزیع دخیل کنند، در حالی که به آن ها وعده ۲۰ درصد تأمین انرژی از این منابع داده شده بود. در تمام کنفرانس های مهندسی قدرت که در این اواخر برگزار شده اند، یک پرسش به فراوانی شنیده می شود: «اگر به هنگام نیاز مبرم بادی نوزد و یا وزش باد هنگامی دیگر بیش از حد نیاز باشد، چه کنیم؟» این مورد هم مشابه دیگر مواردی است که انتظارهای مشتریان با آنچه عرضه کنندگان ارائه می دهند، تفاوت بسیاری دارد و چاره این مشکل در استفاده از فناوری های نوین است. در این مورد فناوری ای که ایجاد پلی میان دو نقطه گسسته را نوید می دهد، فناوری ذخیره سازی انرژی الکتریکی خطوط انتقال قدرت است. شبكه های ذخیره سازی انرژی مدرن، توانایی ذخیره ده ها یا حتی صدها مگاوات- ساعت از انرژی را دارند و می توانند منابع ناپیوسته انرژی های تجدید پذیر را به انتخابی مطمئن و جذاب تبدیل كنند. این فناوری به نام باتری جریانی شناخته می شود و به نظر می رسد که مجموعه ای از مشخصات مورد نیاز برای تأمین خواست های مشتریان امروز و ساخت شبكه تولید انرژی پاک و فراوان در آینده را دارد. بهتر است در ابتدا مشکلات و چالش های استفاده از منابع انرژی متدوال و تجدیدپذیر، برای برنامه ریزان تأسیسات را مرور کنیم.

   در وهله نخست بسیاری از انرژی های تجدید پذیر همیشگی نیستند و این به آن معنا است که همواره در دسترس نیستند و نمی توان آن ها را برای جریان همیشگی برق نیروگاه ها و تأسیسات به کار برد. در نتیجه برای برنامه ریزان و متولیان تأسیسات برق رسانی، هرگونه منبع ناپیوسته الکتریسیته قابل ارسال به خطوط در لحظه را نمی تواند تهیه کند. منبع ارسال پذیر انرژی را می توان هر زمان برای استفاده مصرف کنندگان در برنامه قرار داد. منابع سنتی تأمین انرژی مانند زغال سنگ، گاز طبیعی و نیروگاه های هسته ای حرارتی اگر مشکل فنی در شبكه پیش نیاید، پیوسته قابلیت تولید انرژی دارند. در میان انرژی های تجدید پذیر، نیروگاه های هیدروالکتریکی و ژئوترمال نیز امکان تولید انرژی پیوسته را دارند و تنها محدودیت آن ها ظرفیت های طبیعی منابع آن ها است. دلیل این که قدرت ارسال انرژی اهمیت دارد این است که شبکه الکتریکی نیازمند تطابقی همیشگی و در لحظه میان انرژی الکتریکی تولیدی و مصرفی است. به جز بخش الکتریکی، همواره در چرخه عرضه انبار ذخیره ای میان تقاضا و عرضه وجود دارد، زیرا اصولا در بخش الکتریکی امکان ذخیره نداریم. برای این که به تعادل عرضه برسیم، متولیان تأسیسات قدرت بر مجموعه ای از منابع تأمین انرژی تکیه می کنند. تأسیسات پایه ای زیربار، معمولا نزدیک به حداکثر ظرفیتشان، توان تولید می کنند تا انرژی مورد نیاز را تأمین کنند.

   نیروگاه های زغال سنگ سوز به طور کلاسیک بیشترین بار مصرفی شبکه را تأمین می کنند. نیروگاه های کمکی وجود دارند که در هنگام اوج جریان مصرف یا کاهش شدید آن وارد عمل می شوند. در دهه های اخیر، تأسیساتی که گاز طبیعی را می سوزانند، به عنوان نیروگاه های واکنش سریع، در دسته بندی نیروگاه های کمکی (Peaking Plants) قرار می گیرند. مشتریانی وجود دارند که حاضرند برق مصرفی شان ساعاتی خاموش بماند و در عوض بهای کمتری بپردازند، این انتخاب نیز به تعادل مصرف شبکه کمک می کند. هنگامی که از منابع ناپیوسته برای تأمین انرژی شبکه استفاده کنیم، تطبیق بار مصرفی و انرژی تولیدی شبکه پیچیده می شود. حال، به جای پیش بینی دوره های مصرف روزانه و نوسان های مصرف در فصول مختلف، می باید زمانی را در نظر بگیریم که به طور پیش بینی نشده ده ها یا صدها مگاوات اضافه مصرف به ناگهان بر شبکه تحمیل می شود؛ با این که روش های متنوعی برای پیش بینی تغییرات ناگهانی مصرف به کار گرفته می شوند، به ویژه برای انرژی بادی، خود منبع خارج از کنترل برنامه ریزان انرژی تولید می کند. برای برنامه ریزان تأسیساتی، این تغییرات پیش بینی ناپذیر به دو شكل بروز می کنند: صعود ناگهانی و افت شدید.

   صعود ناگهانی تولید انرژی در انرژی های بادی و خورشیدی سبب هدر رفت اضافه توان تولیدی می شود و نیروگاه می باید شبكه را به تعادل نخستین خود بازگرداند. چالش بزرگ تر هنگامی رخ می دهد كه افت ناگهانی تولید داشته باشیم. هنگامی كه وزش باد قطع می شود یا ابری جلوی خورشید را سد می كند، نیروگاه می باید بی درنگ از منبع دیگری استفاده كند، راه حل دیگر این است كه مشتری برق دریافت نكند. متأسفانه با این كه نیروگاه های گازی می توانند به سرعت وارد عمل شوند، نزدیك به ۱۵ دقیقه یا بیشتر طول می كشد تا خروجی برق خود را با مصرف خروجی مطابقت دهند. در سال های اخیر، تعدادی از فناوری های ذخیره سازی انرژی پیشنهاد شده اند تا بتوان منابع ناپیوسته تولید انرژی را پیوسته استفاده كرد و یا حداقل بتوان نرخ كاهش تولید انرژی میان قطع شدن تولید انرژی منابع غیردائم و وارد شدن نیروگاه های كمكی را به حداقل رساند. سدهای هیدروالكتریكی در این زمینه هنوز هم از بهترین انتخاب ها هستند. این تأسیسات می توانند حتی سریع تر از نیروگاه های گازی وارد عمل شوند و خلأ تولید را پر كنند. در مناطقی كه میزان عمده ای انرژی از منابع بادی تولید می شود، می توان همان انرژی تولید شده را برای پمپ كردن آب پشت سد به درون مخازن ذخیره به كار برد؛ در نتیجه می توان انرژی تولیدی را برای بعدها ذخیره كرد. این نوع منبع آبی نسبتا ارزان است و به خوبی با شبكه تولید انرژی بادی هماهنگ می شود، اما متأسفانه منابع آبی در آن نزدیكی ها نیست و به عكس.

   دیگر روش مورد استفاده برای ذخیره سازی انرژی، استفاده از هوای فشرده است. انرژی باد برای فشرده سازی هوا به كار می رود و آن را در مخزنی زیر زمینی ذخیره می كند، سپس هوای فشرده هنگام نیاز توربین را به حركت در می آورد. محدودیت فنی برای اجرای این پروژه وجود ندارد. متأسفانه حفره های طبیعی مناسب برای ذخیره هوای فشرده در همه جا و امكان ساخت مخازن به تعداد بسیار زیاد وجود ندارد، در نتیجه این راه مشكل را حل نمی كند. باتری های سنتی الكتروشیمیایی كه شامل باتری های سربی- اسیدی می شوند، انتخابی دیگرند. برای مناطق مسكونی دور افتاده كه نیاز شدیدی به ذخیره سازی انرژی دارند، باتری های سربی- اسیدی قابل استفاده اند اما مشكلات خاص خود را دارند و علاوه بر هزینه و محدودیت های كارآیی، عمركاری آن ها نیز پایین است. نصب باتری های سربی- اسیدی بزرگ نیز چاره این مشكل نیست. مسلما بدون در نظر گرفتن اقتصاد هیدروژنی، بحث انرژی های پاك كامل نخواهد شد. پیل های سوختی هیدروژن (یا دیگر سوخت ها) را بدون عمل احتراق به الكتریسیته تبدیل می كنند و تجاری ساختن آن ها در سطح گسترده می تواند به طور باورناپذیری تولید انرژی در زندگی بشری ما را دگرگون سازد. برخی طرفداران پیل های سوختی روزی را پیش بینی می كنند كه مزارع بادی (توربین های بادی) و دیگر منابع پاك انرژی، توان لازم را برای الكترولیز آب در قیاس وسیع فراهم می آورند و هیدروژن تولیدی در پیل های سوختی چرخ های اقتصاد را توانمندانه به گردش در خواهد آورد. با این كه این رویا شبكه ای مطلوب برای تولید انرژی را تصویر می كند، هنوز مشكلات تكنولوژیك و اقتصادی فراوانی در پیش رو هستند. تمام این راه حل ها ما را به نوع جدیدی از باتری ها به عنوان راهگشای معضل ها هدایت می كند.

   باتری های جریانی اصولا از دو بخش عمده تشكیل شده اند: سلول های به روی هم انباشته كه در آنجا توان از فرم الكتریكی به فرم شیمیایی تبدیل می شود و بخش دیگر، تانك های حاوی الكترولیت ها كه انرژی در آن ها ذخیره می شود. پر طرفدارترین باتری جریانی در بازار از فناوری وانادیم ری داكس استفاده می كند كه از وانادیم شارژ شده در محلول رقیق شده اسید سولفوریك برای ذخیره سازی انرژی استفاده می كند. استفاده از باتری های جریانی برای شبكه برق این است كه آن ها توانمندی های باتری های معمول و پیل های سوختی را با هم همراه می سازند. همانند پیل سوختی، عمر باتری های جریانی بالا است و بازده انرژی مناسبی دارند، در ضمن با محیط زیست نیز سازگار هستند. تشابه دیگر آن ها با پیل سوختی این است كه متغیر طراحی نرخ انرژی تولیدی سیستم جدا از نرخ توان محاسبه می شود. با افزایش میزان تانك های الكترولیتی، مقدار انرژی ای كه شبكه می تواند ذخیره و آزاد كند، افزایش می یابد. با افزایش پیل های روی هم انباشته می توان توان تولیدی شبكه را بالا برد. همانند باتری های سنتی، اما متفاوت از پیل های سوختی، باتری های جریانی شبكه ورودی و خروجی برق را هم زمان دارند. هیچ گونه منبع خارجی انرژی وجود ندارد. در عوض انرژی الكتریكی در یك زمان به شبكه وارد می شود و شبكه انرژی الكتریكی تا هنگام نیاز آتی، در محلول های الكتروشیمیایی ذخیره می كند. برای استفاده در شبكه، قرار دادن این باتری ها در آرایش تولیدكنندگان الكتریسیته نیاز به ایجاد سیستم توزیع جدید و یا استفاده از سوختی نو را بر طرف می سازد. بر خلاف پیل های سوختی، باتری های جریانی نیازمند منابع پر ارزش و نایاب برای تغذیه خود نیستند. پیل های سوختی معمولا از پلاتین یا دیگر كاتالیست های گران قیمت برای تسریع عمل اكسیداسیون استفاده می كنند. در عوض، ماده مورد استفاده در قلب پیل باتری جریانی وانادیم است كه فلزی فراوان و غیرسمی است، در حالی كه باتری جریانی كه از محلول الكترولیت استفاده می كند، همان چگالی انرژی را كه پیل سوختی هیدروژنی قادر به نگاهداری است، ندارد. برای بیشتر مصارف، شبكه های چگالی بالای انرژی، مهم ترین عامل طراحی محسوب نمی شود. به دلیل همین چگالی پایین انرژی است كه این پیل های جریانی برای خودروها استفاده نمی شوند، اما ظرفیت فراوانی برای این صنعت در مصارف برق و شبكه قدرت وجود دارد. توان تولیدی مزرعه بادی را می توان در این شبكه ذخیره كرد و سطح برق خروجی را با حداقل نوسان تصحیح كرد؛ در نتیجه هنگام افزایش تولید برق به هنگام پركاری توربین ها و یا به هنگام قطع وزش باد، می توان برق را ذخیره و در زمان نیاز از آن استفاده كرد. در آن صورت مصرف كنندگان شاهد نوسان های جریان نخواهند بود و نیازی به تأسیس نیروگاه هایی با سوخت های گوناگون نخواهد بود.