كيفية تخزين الكهرباء خارج الشبكة؟

على مدار الخمسين عامًا الماضية، كانت هناك زيادة مستمرة في الاستهلاك العالمي للكهرباء، حيث يقدر الاستخدام بحوالي 25300 تيراواط/ساعة في عام 2021. ومع التحول نحو الصناعة 4.0، هناك زيادة في الطلب على الطاقة في جميع أنحاء العالم. وتتزايد هذه الأرقام كل عام، ولا تشمل متطلبات الطاقة للقطاعات الصناعية وغيرها من القطاعات الاقتصادية. ويقترن هذا التحول الصناعي والاستهلاك العالي للطاقة بتأثيرات ملموسة أكثر لتغير المناخ بسبب الانبعاثات المفرطة للغازات الدفيئة. وفي الوقت الحالي، تعتمد معظم محطات ومنشآت توليد الطاقة بشكل كبير على مصادر الوقود الأحفوري (النفط والغاز) لتلبية هذه المتطلبات. وتمنع هذه المخاوف المناخية توليد طاقة إضافية باستخدام الطرق التقليدية. وبالتالي، أصبح تطوير أنظمة تخزين الطاقة الفعالة والموثوقة ذا أهمية متزايدة لضمان إمدادات مستمرة وموثوقة للطاقة من المصادر المتجددة.

وقد استجاب قطاع الطاقة من خلال التحول نحو الطاقة المتجددة أو الحلول "الخضراء". وقد ساعد في هذا التحول تحسين تقنيات التصنيع، مما أدى على سبيل المثال إلى تصنيع أكثر كفاءة لشفرات توربينات الرياح. كما تمكن الباحثون من تحسين كفاءة الخلايا الكهروضوئية، مما يؤدي إلى توليد طاقة أفضل لكل منطقة استخدام. في عام 2021، زاد توليد الكهرباء من مصادر الطاقة الشمسية الكهروضوئية بشكل ملحوظ، حيث وصل إلى مستوى قياسي بلغ 179 تيراواط في الساعة ويمثل نموًا بنسبة 22٪ مقارنة بعام 2020. وتمثل تكنولوجيا الطاقة الشمسية الكهروضوئية الآن 3.6٪ من توليد الكهرباء العالمي وهي حاليًا ثالث أكبر طاقة متجددة. مصدر للطاقة بعد الطاقة الكهرومائية وطاقة الرياح.

ومع ذلك، فإن هذه الإنجازات لا تحل بعض العيوب المتأصلة في أنظمة الطاقة المتجددة، وخاصة التوفر. معظم هذه الطرق لا تنتج الطاقة حسب الطلب مثل محطات توليد الطاقة بالفحم والنفط. تتوفر مخرجات الطاقة الشمسية على سبيل المثال على مدار اليوم مع اختلافات اعتمادًا على زوايا إشعاع الشمس وموضع اللوحة الكهروضوئية. ولا يمكنها إنتاج أي طاقة أثناء الليل بينما ينخفض إنتاجها بشكل كبير خلال فصل الشتاء وفي الأيام الملبدة بالغيوم. تعاني طاقة الرياح أيضًا من التقلبات اعتمادًا على سرعة الرياح. ولذلك، يجب أن تقترن هذه الحلول بأنظمة تخزين الطاقة من أجل الحفاظ على إمدادات الطاقة خلال فترات الإنتاج المنخفضة.

ما هي أنظمة تخزين الطاقة؟

يمكن لأنظمة تخزين الطاقة تخزين الطاقة لاستخدامها في مرحلة لاحقة. في بعض الحالات، سيكون هناك شكل من أشكال تحويل الطاقة بين الطاقة المخزنة والطاقة المقدمة. المثال الأكثر شيوعًا هو البطاريات الكهربائية مثل بطاريات الليثيوم أيون أو بطاريات الرصاص الحمضية. أنها توفر الطاقة الكهربائية عن طريق التفاعلات الكيميائية بين الأقطاب الكهربائية والكهارل.

تمثل البطاريات، أو BESS (نظام تخزين طاقة البطارية)، طريقة تخزين الطاقة الأكثر شيوعًا المستخدمة في تطبيقات الحياة اليومية. يوجد نظام تخزين آخر مثل محطات الطاقة الكهرومائية التي تحول الطاقة الكامنة للمياه المخزنة في السدود إلى طاقة كهربائية. الماء المتساقط سيدير دولاب الموازنة في التوربين الذي ينتج الطاقة الكهربائية. مثال آخر هو الغاز المضغوط، فعند إطلاقه، يقوم الغاز بتدوير عجلة التوربين لإنتاج الطاقة.

ما يفصل البطاريات عن طرق التخزين الأخرى هو مناطق عملها المحتملة. بدءًا من الأجهزة الصغيرة وإمدادات الطاقة في السيارات وحتى التطبيقات المنزلية ومزارع الطاقة الشمسية الكبيرة، يمكن دمج البطاريات بسلاسة في أي تطبيق تخزين خارج الشبكة. ومن ناحية أخرى، تتطلب طرق الطاقة الكهرومائية والهواء المضغوط بنى تحتية كبيرة ومعقدة للتخزين. وهذا يؤدي إلى تكاليف عالية جدًا تتطلب تطبيقات كبيرة جدًا حتى يتم تبريرها.

حالات الاستخدام لأنظمة التخزين خارج الشبكة.

كما ذكرنا سابقًا، يمكن لأنظمة التخزين خارج الشبكة تسهيل الاستخدام والاعتماد على طرق الطاقة المتجددة مثل الطاقة الشمسية وطاقة الرياح. ومع ذلك، هناك تطبيقات أخرى يمكن أن تستفيد بشكل كبير من مثل هذه الأنظمة

تهدف شبكات كهرباء المدن إلى توفير الكمية المناسبة من الطاقة بناءً على العرض والطلب في كل مدينة. يمكن أن تتقلب الطاقة المطلوبة على مدار اليوم. تم استخدام أنظمة التخزين خارج الشبكة لتخفيف التقلبات وتوفير المزيد من الاستقرار في حالات ذروة الطلب. ومن منظور مختلف، يمكن أن تكون أنظمة التخزين خارج الشبكة مفيدة للغاية للتعويض عن أي خطأ فني غير متوقع في شبكة الطاقة الرئيسية أو أثناء فترات الصيانة المجدولة. يمكنهم تلبية متطلبات الطاقة دون الحاجة إلى البحث عن مصادر طاقة بديلة. ويمكن للمرء أن يستشهد على سبيل المثال بعاصفة تكساس الجليدية في أوائل فبراير 2023 والتي تركت ما يقرب من 262000 شخص بدون كهرباء، بينما تأخرت الإصلاحات بسبب الظروف الجوية الصعبة.

السيارات الكهربائية هي تطبيق آخر. لقد بذل الباحثون الكثير من الجهد لتحسين تصنيع البطاريات واستراتيجيات الشحن/التفريغ من أجل إطالة عمر البطاريات وكثافة الطاقة. وكانت بطاريات الليثيوم أيون في طليعة هذه الثورة الصغيرة، وتم استخدامها على نطاق واسع في السيارات الكهربائية الجديدة وكذلك في الحافلات الكهربائية. يمكن أن تؤدي البطاريات الأفضل في هذه الحالة إلى مسافة أكبر ولكنها أيضًا تقلل من أوقات الشحن باستخدام التقنيات المناسبة.

وقد استفاد التقدم التكنولوجي الآخر مثل الطائرات بدون طيار والروبوتات المتنقلة بشكل كبير من تطوير البطاريات. تعتمد استراتيجيات الحركة واستراتيجيات التحكم بشكل كبير على سعة البطارية والطاقة المتوفرة.

ما هو بيس

BESS أو نظام تخزين طاقة البطارية هو نظام تخزين الطاقة الذي يمكن استخدامه لتخزين الطاقة. ويمكن أن تأتي هذه الطاقة من الشبكة الرئيسية أو من مصادر الطاقة المتجددة مثل طاقة الرياح والطاقة الشمسية. وهي تتألف من بطاريات متعددة مرتبة في تكوينات مختلفة (سلسلة/موازية) وحجمها بناءً على المتطلبات. وهي متصلة بعاكس يستخدم لتحويل طاقة التيار المستمر إلى طاقة تيار متردد للاستخدام. أنظام إدارة البطارية (BMS)يستخدم لمراقبة حالة البطارية وعملية الشحن/التفريغ.

بالمقارنة مع أنظمة تخزين الطاقة الأخرى، فهي مرنة بشكل خاص في الوضع/التوصيل ولا تتطلب بنية تحتية باهظة الثمن، ولكنها لا تزال تأتي بتكلفة كبيرة وتتطلب المزيد من الصيانة المنتظمة بناءً على الاستخدام.

عادات الحجم والاستخدام BESS

من النقاط الحاسمة التي يجب معالجتها عند تثبيت نظام تخزين طاقة البطارية هو الحجم. كم عدد البطاريات اللازمة؟ في ما التكوين؟ في بعض الحالات، يمكن أن يلعب نوع البطارية دورًا حاسمًا على المدى الطويل من حيث توفير التكاليف والكفاءة

ويتم ذلك على أساس كل حالة على حدة حيث يمكن أن تتراوح التطبيقات من الأسر الصغيرة إلى المنشآت الصناعية الكبيرة.

مصدر الطاقة المتجددة الأكثر شيوعًا للأسر الصغيرة، خاصة في المناطق الحضرية، هو الطاقة الشمسية باستخدام الألواح الكهروضوئية. سيأخذ المهندس بشكل عام في الاعتبار متوسط استهلاك الطاقة للأسرة ويقيم الإشعاع الشمسي على مدار العام للموقع المحدد. يتم اختيار عدد البطاريات وتكوين شبكتها لتتناسب مع متطلبات الأسرة خلال أقل إمدادات الطاقة الشمسية لهذا العام مع عدم استنزاف البطاريات بالكامل. هذا بافتراض وجود حل للحصول على استقلالية كاملة للطاقة عن الشبكة الرئيسية.

إن الحفاظ على حالة شحن معتدلة نسبيًا أو عدم تفريغ البطاريات بالكامل هو أمر قد يكون غير بديهي في البداية. ففي نهاية المطاف، لماذا نستخدم نظام تخزين إذا لم نتمكن من استخراج كامل إمكاناته؟ من الناحية النظرية، هذا ممكن، ولكن قد لا تكون الاستراتيجية هي التي تزيد العائد على الاستثمار إلى الحد الأقصى.

أحد العيوب الرئيسية لـ BESS هو التكلفة المرتفعة نسبيًا للبطاريات. لذلك، يعد اختيار عادة الاستخدام أو استراتيجية الشحن/التفريغ التي تزيد من عمر البطارية أمرًا ضروريًا. على سبيل المثال، لا يمكن تفريغ بطاريات الرصاص الحمضية بأقل من 50% من سعتها دون التعرض لأضرار لا يمكن إصلاحها. تتمتع بطاريات الليثيوم أيون بكثافة طاقة أعلى ودورة حياة طويلة. ويمكن أيضًا تفريغها باستخدام نطاقات أكبر، ولكن هذا يأتي على حساب زيادة السعر. هناك تباين كبير في التكلفة بين المواد الكيميائية المختلفة، ويمكن أن تكون بطاريات الرصاص الحمضية أرخص بمئات إلى آلاف الدولارات من بطارية ليثيوم أيون من نفس الحجم. وهذا هو السبب في أن بطاريات الرصاص الحمضية هي الأكثر استخدامًا في تطبيقات الطاقة الشمسية في دول العالم الثالث والمجتمعات الفقيرة.

يتأثر أداء البطارية بشكل كبير بالتدهور خلال عمرها الافتراضي، فهي لا تتمتع بأداء ثابت ينتهي بالفشل المفاجئ. وبدلاً من ذلك، يمكن أن تتلاشى القدرة والإمدادات تدريجيًا. ومن الناحية العملية، يعتبر عمر البطارية قد انتهى عندما تصل سعتها إلى 80% من سعتها الأصلية. بمعنى آخر، عندما تتعرض لتلاشي القدرة بنسبة 20%. ومن الناحية العملية، يعني هذا أنه يمكن توفير كمية أقل من الطاقة. يمكن أن يؤثر ذلك على فترات الاستخدام للأنظمة المستقلة تمامًا ومقدار الأميال التي يمكن أن تغطيها السيارة الكهربائية.

نقطة أخرى يجب مراعاتها هي السلامة. ومع التقدم في التصنيع والتكنولوجيا، أصبحت البطاريات الحديثة بشكل عام أكثر استقرارًا كيميائيًا. ولكن بسبب تاريخ التدهور وسوء الاستخدام، يمكن أن تدخل الخلايا في حالة من الهروب الحراري مما قد يؤدي إلى نتائج كارثية وفي بعض الحالات يعرض حياة المستهلكين للخطر.

ولهذا السبب قامت الشركات بتطوير برنامج أفضل لمراقبة البطارية (BMS) للتحكم في استخدام البطارية ولكن أيضًا لمراقبة الحالة الصحية من أجل توفير الصيانة في الوقت المناسب وتجنب العواقب المتفاقمة.

خاتمة

توفر أنظمة تخزين طاقة الشبكة فرصة عظيمة لتحقيق استقلال الطاقة عن الشبكة الرئيسية ولكنها توفر أيضًا مصدرًا احتياطيًا للطاقة أثناء فترات التوقف وفترات التحميل القصوى. ومن شأن تطويرها أن يسهل التحول نحو مصادر الطاقة الأكثر مراعاة للبيئة، وبالتالي الحد من تأثير توليد الطاقة على تغير المناخ مع الاستمرار في تلبية متطلبات الطاقة مع النمو المستمر في الاستهلاك.

تعد أنظمة تخزين طاقة البطارية هي الأكثر استخدامًا والأسهل في التكوين لمختلف التطبيقات اليومية. وتقابل مرونتها العالية تكلفة عالية نسبيًا، مما يؤدي إلى تطوير استراتيجيات مراقبة لإطالة عمر كل منها قدر الإمكان. حاليًا، تبذل الصناعة والأوساط الأكاديمية الكثير من الجهود للتحقيق في تدهور البطارية وفهمه في ظل ظروف مختلفة.