على مدار الخمسين عامًا الماضية ، كانت هناك زيادة مستمرة في استهلاك الكهرباء العالمي ، مع استخدام تقديري يبلغ حوالي 25300 ساعة Terawatt في عام 2021. مع الانتقال نحو الصناعة 4.0 ، هناك زيادة في متطلبات الطاقة في جميع أنحاء العالم. تتزايد هذه الأرقام كل عام ، بما في ذلك متطلبات الطاقة للقطاعات الصناعية والاقتصادية الأخرى. يقترن هذا التحول الصناعي والاستهلاك عالي الطاقة بتأثيرات أكثر ملموسة لتغير المناخ بسبب الانبعاثات المفرطة في غازات الدفيئة. حاليًا ، تعتمد معظم محطات وتوليد الطاقة والمرافق اعتمادًا كبيرًا على مصادر الوقود الأحفوري (النفط والغاز) لتلبية هذه المطالب. هذه المخاوف المناخية تحظر توليد الطاقة الإضافي باستخدام الطرق التقليدية. وبالتالي ، فقد أصبح تطوير أنظمة تخزين الطاقة الفعالة والموثوقة ذات أهمية متزايدة لضمان إمدادات مستمرة وموثوقة من الطاقة من المصادر المتجددة.
استجاب قطاع الطاقة من خلال التحول نحو الطاقة المتجددة أو الحلول "الخضراء". وقد ساعد هذا الانتقال من خلال تحسين تقنيات التصنيع ، مما يؤدي على سبيل المثال إلى تصنيع أكثر كفاءة لشفرات توربينات الرياح. أيضا ، تمكن الباحثون من تحسين كفاءة الخلايا الكهروضوئية ، مما أدى إلى توليد طاقة أفضل لكل منطقة استخدام. في عام 2021 ، زاد توليد الكهرباء من مصادر الطاقة الشمسية الكهروضوئية (PV) بشكل ملحوظ ، حيث بلغ سجل 179 TWH ويمثل نموًا قدره 22 ٪ مقارنة بعام 2020. مصدر الطاقة بعد الطاقة الكهرومائية والرياح.
ومع ذلك ، فإن هذه الاختراقات لا تحل بعض العيوب المتأصلة في أنظمة الطاقة المتجددة ، وخاصة التوفر. معظم هذه الطرق لا تنتج الطاقة عند الطلب كمحطات للطاقة الفحم والنفط. تتوفر مخرجات الطاقة الشمسية على سبيل المثال طوال اليوم مع الاختلافات اعتمادًا على زوايا تشعيع الشمس وتحديد المواقع اللوحة الكهروضوئية. لا يمكن أن تنتج أي طاقة أثناء الليل بينما يتم انخفاض إنتاجها بشكل كبير خلال موسم الشتاء وفي الأيام الغائمة للغاية. تعاني طاقة الرياح من التقلبات اعتمادًا على سرعة الرياح. لذلك ، يجب أن تقترن هذه الحلول بأنظمة تخزين الطاقة من أجل الحفاظ على إمدادات الطاقة خلال فترات الإنتاج المنخفضة.
ما هي أنظمة تخزين الطاقة؟
يمكن أنظمة تخزين الطاقة تخزين الطاقة من أجل استخدامها في مرحلة لاحقة. في بعض الحالات ، سيكون هناك شكل من أشكال تحويل الطاقة بين الطاقة المخزنة وتوفير الطاقة. المثال الأكثر شيوعًا هو البطاريات الكهربائية مثل بطاريات الليثيوم أيون أو بطاريات حمض الرصاص. أنها توفر الطاقة الكهربائية عن طريق التفاعلات الكيميائية بين الأقطاب الكهربائية والكهرباء.
تمثل البطاريات ، أو BESS (نظام تخزين طاقة البطارية) ، طريقة تخزين الطاقة الأكثر شيوعًا المستخدمة في تطبيقات الحياة اليومية. يوجد نظام تخزين آخر مثل نباتات الطاقة الكهرومائية التي تحول الطاقة المحتملة للمياه المخزنة في السد إلى طاقة كهربائية. سوف يسقط المياه أسفل دولاب الموازنة من التوربينات التي تنتج الطاقة الكهربائية. مثال آخر هو غاز مضغوط ، عند إطلاقه ، سيحول الغاز عجلة الطاقة المنتجة للتوربينات.
ما يفصل البطاريات عن طرق التخزين الأخرى هو مجالات التشغيل المحتملة. من الأجهزة الصغيرة ومزود الطاقة بالسيارات إلى التطبيقات المنزلية والمزارع الشمسية الكبيرة ، يمكن دمج البطاريات بسلاسة لأي تطبيق تخزين خارج الشبكة. من ناحية أخرى ، تتطلب طرق الطاقة الكهرومائية والهواء المضغوطة بنية تحتية كبيرة ومعقدة للتخزين. هذا يؤدي إلى تكاليف عالية جدًا تتطلب تطبيقات كبيرة جدًا حتى يتم تبريرها.
استخدام حالات أنظمة التخزين خارج الشبكة.
كما ذكرنا سابقًا ، يمكن أن تسهل أنظمة التخزين خارج الشبكة الاستخدام والاعتماد على أساليب الطاقة المتجددة مثل الطاقة الشمسية وطاقة الرياح. ومع ذلك ، هناك تطبيقات أخرى يمكن أن تستفيد بشكل كبير من مثل هذه الأنظمة
تهدف شبكات الطاقة في المدينة إلى توفير المبلغ المناسب من الطاقة بناءً على العرض والطلب من كل مدينة. يمكن أن تتقلب الطاقة المطلوبة طوال اليوم. تم استخدام أنظمة التخزين خارج الشبكة لتخفيف التقلبات وتوفير المزيد من الاستقرار في حالات الذروة للطلب. من منظور مختلف ، يمكن أن تكون أنظمة تخزين 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 الطاقة البديلة. يمكن للمرء أن يستشهد على سبيل المثال العاصفة الجليدية في تكساس في أوائل فبراير 2023 التي تركت ما يقرب من 262000 شخص دون قوة ، في حين تأخرت الإصلاحات بسبب الظروف الجوية الصعبة.
السيارات الكهربائية هي تطبيق آخر. سكب الباحثون الكثير من الجهد لتحسين استراتيجيات تصنيع البطاريات والشحن/التفريغ من أجل إلى حد عمر وكثافة الطاقة في البطاريات. كانت بطاريات الليثيوم أيون في طليعة هذه الثورة الصغيرة وتم استخدامها على نطاق واسع في السيارات الكهربائية الجديدة ولكن أيضًا الحافلات الكهربائية. يمكن أن تؤدي البطاريات الأفضل في هذه الحالة إلى عدد أكبر من الأميال ولكنها قللت من أوقات الشحن مع التقنيات الصحيحة.
التقدم التكنولوجي الآخر يحب الطائرات بدون طيار والروبوتات المتنقلة استفادت بشكل كبير من تطوير البطارية. هناك استراتيجيات الحركة واستراتيجيات التحكم تعتمد اعتمادًا كبيرًا على سعة البطارية والقوة المقدمة.
ما هو بيس
نظام تخزين طاقة BESS أو البطارية هو نظام تخزين للطاقة يمكن استخدامه لتخزين الطاقة. يمكن 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 التيار المتردد للاستخدام. يتم استخدام نظام إدارة البطارية (BMS) لمراقبة ظروف البطارية وتشغيل الشحن/التفريغ.
مقارنة بأنظمة تخزين الطاقة الأخرى ، فهي مرنة بشكل خاص لوضع/الاتصال ولا تتطلب بنية تحتية باهظة الثمن ، لكنها لا تزال تأتي بتكلفة كبيرة وتتطلب المزيد من الصيانة المنتظمة بناءً على الاستخدام.
عادات البيس والاستخدام
هناك نقطة حاسمة للمعالجة عند تثبيت نظام تخزين طاقة البطارية. كم عدد البطاريات اللازمة؟ في أي تكوين؟ في بعض الحالات ، يمكن أن يلعب نوع البطارية دورًا مهمًا على المدى الطويل من حيث وفورات التكاليف والكفاءة
يتم ذلك على أساس كل حالة على حدة حيث يمكن أن تتراوح الطلبات من الأسر الصغيرة إلى المصانع الصناعية الكبيرة.
مصدر الطاقة المتجدد الأكثر شيوعًا للأسر الصغيرة ، وخاصة في المناطق الحضرية ، هو الطاقة الشمسية باستخدام الألواح الكهروضوئية. سوف ينظر المهندس بشكل عام في متوسط استهلاك الطاقة للأسرة ويحدد الإشعاع الشمسي على مدار العام للموقع المحدد. يتم اختيار عدد البطاريات وتكوين الشبكة الخاصة بها لتتناسب مع متطلبات الأسرة خلال أدنى مصدر طاقة شمسية لهذا العام مع عدم استنزاف البطاريات تمامًا. هذا يفترض حلاً لاستقلال الطاقة الكامل من الشبكة الرئيسية.
إن الحفاظ على حالة شحن معتدلة نسبيًا أو عدم تفريغ البطاريات تمامًا أمر قد يكون بديهيًا في البداية. بعد كل شيء ، لماذا استخدام نظام التخزين إذا لم نتمكن من استخراجه بالكامل؟ من الناحية النظرية ، من الممكن ، ولكن قد لا تكون الإستراتيجية التي تزيد من العائد على الاستثمار.
واحدة من العيوب الرئيسية لـ BESS هي التكلفة المرتفعة نسبيًا للبطاريات. لذلك ، فإن اختيار عادة الاستخدام أو استراتيجية الشحن/التفريغ التي تزيد من عمر البطارية أمر ضروري. على سبيل المثال ، لا يمكن تفريغ بطاريات حمض الرصاص إلى أقل من 50 ٪ دون المعاناة من أضرار لا رجعة فيها. بطاريات الليثيوم أيون لديها كثافة طاقة أعلى ، وحياة دورة طويلة. يمكن أيضًا تفريغها باستخدام نطاقات أكبر ، ولكن هذا يأتي بتكلفة متزايدة من السعر. هناك تباين كبير في التكلفة بين الكيميائيات المختلفة ، يمكن أن يكون بطاريات الحمض الرصاص مئات إلى آلاف الدولارات أرخص من بطارية ليثيوم أيون من نفس الحجم. هذا هو السبب في أن بطاريات حمض الرصاص هي الأكثر استخدامًا في التطبيقات الشمسية في بلدان العالم الثالث والمجتمعات الفقيرة.
يتأثر أداء البطارية بشدة بالتدهور خلال عمره ، وليس له أداء ثابت ينتهي بفشل مفاجئ. بدلاً من ذلك ، يمكن أن تتلاشى السعة والتوفير تدريجياً. في الممارسة العملية ، تعتبر عمر البطارية قد نفد عندما تصل قدرتها إلى 80 ٪ من قدرتها الأصلية. وبعبارة أخرى ، عندما يختبر تتلاشى سعة 20 ٪. في الممارسة العملية ، هذا يعني أنه يمكن توفير كمية أقل من الطاقة. يمكن أن يؤثر ذلك على فترات الاستخدام للأنظمة المستقلة بالكامل وكمية الأميال التي يمكن أن تغطيها EV.
نقطة أخرى يجب مراعاتها هي السلامة. مع التقدم في التصنيع والتكنولوجيا ، كانت البطاريات الحديثة بشكل عام أكثر استقرارًا كيميائيًا. ومع ذلك ، نظرًا لتاريخ التدهور وسوء المعاملة ، يمكن أن تدخل الخلايا في الهرب الحراري والتي يمكن أن تؤدي إلى نتائج كارثية وفي بعض الحالات تعرض حياة المستهلكين للخطر.
هذا هو السبب في أن الشركات قد طورت برامج مراقبة البطارية بشكل أفضل للتحكم في استخدام البطارية ولكن أيضًا مراقبة حالة الصحة من أجل توفير الصيانة في الوقت المناسب وتجنب العواقب المشددة.
خاتمة
توفر أنظمة تخزين طاقة الشبكة فرصة رائعة لتحقيق استقلال الطاقة عن الشبكة الرئيسية ولكنها توفر أيضًا مصدرًا احتياطيًا للطاقة خلال أوقات التوقف وفترات التحميل الذروة. هناك تطوير من شأنه أن يسهل التحول نحو مصادر الطاقة الخضراء ، مما يحد من تأثير توليد الطاقة على تغير المناخ مع الاستمرار في تلبية متطلبات الطاقة مع نمو مستمر في الاستهلاك.
تعد أنظمة تخزين طاقة البطارية هي الأكثر استخدامًا وأسهل تكوينها للتطبيقات اليومية المختلفة. تتم مواجهة مرونتها العالية من خلال تكلفة عالية نسبيًا ، مما يؤدي إلى تطوير استراتيجيات المراقبة لإطالة العمر المعني قدر الإمكان. حاليًا ، تتدفق الصناعة والأوساط الأكاديمية على الكثير من الجهد للتحقيق وفهم تدهور البطارية في ظل ظروف مختلفة.
