چگونه برق را از شبکه ذخیره کنیم؟

در طول 50 سال گذشته، افزایش مستمری در مصرف جهانی برق وجود داشته است، با مصرف تخمینی حدود 25300 تراوات ساعت در سال 2021. با انتقال به صنعت 4.0، تقاضای انرژی در سراسر جهان افزایش یافته است. این اعداد هر سال در حال افزایش هستند، بدون احتساب نیازهای برق صنعت و سایر بخش های اقتصادی. این تغییر صنعتی و مصرف انرژی بالا به دلیل انتشار بیش از حد گازهای گلخانه ای با اثرات ملموس تر تغییر آب و هوا همراه است. در حال حاضر، بیشتر نیروگاه ها و تأسیسات تولید برق برای برآوردن چنین نیازهایی به شدت به منابع سوخت فسیلی (نفت و گاز) متکی هستند. این نگرانی های اقلیمی تولید انرژی اضافی را با استفاده از روش های مرسوم ممنوع می کند. بنابراین، توسعه سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی کارآمد و قابل اعتماد برای تضمین تامین مداوم و قابل اعتماد انرژی از منابع تجدیدپذیر اهمیت فزاینده‌ای پیدا کرده است.

بخش انرژی با تغییر به سمت انرژی های تجدیدپذیر یا راه حل های "سبز" پاسخ داده است. این انتقال با بهبود تکنیک‌های تولید کمک می‌کند، که برای مثال منجر به تولید کارآمدتر پره‌های توربین بادی می‌شود. همچنین، محققان توانسته‌اند کارایی سلول‌های فتوولتائیک را بهبود بخشند که منجر به تولید انرژی بهتر در هر منطقه استفاده می‌شود. در سال 2021، تولید برق از منابع فتوولتائیک خورشیدی (PV) به طور قابل توجهی افزایش یافت و به رکورد 179 تراوات ساعت رسید و نشان دهنده رشد 22 درصدی نسبت به سال 2020 است. فناوری PV خورشیدی اکنون 3.6 درصد از تولید برق جهانی را تشکیل می دهد و در حال حاضر سومین انرژی تجدید پذیر است. منبع انرژی بعد از برق آبی و باد.

با این حال، این پیشرفت‌ها برخی از ایرادات ذاتی سیستم‌های انرژی تجدیدپذیر، عمدتاً در دسترس بودن را حل نمی‌کنند. اکثر این روش ها به عنوان نیروگاه های زغال سنگ و نفت، انرژی بر حسب تقاضا تولید نمی کنند. خروجی های انرژی خورشیدی به عنوان مثال در طول روز با تغییرات بسته به زاویه تابش خورشید و موقعیت پانل PV در دسترس هستند. در طول شب نمی تواند انرژی تولید کند در حالی که خروجی آن در فصل زمستان و در روزهای بسیار ابری به میزان قابل توجهی کاهش می یابد. نیروی باد نیز از نوسانات بسته به سرعت باد رنج می برد. بنابراین، این راه‌حل‌ها باید با سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی همراه شوند تا تامین انرژی در دوره‌های خروجی پایین حفظ شود.

سیستم های ذخیره انرژی چیست؟

سیستم های ذخیره انرژی می توانند انرژی را ذخیره کنند تا در مراحل بعدی مورد استفاده قرار گیرند. در برخی موارد، نوعی تبدیل انرژی بین انرژی ذخیره شده و انرژی ارائه شده وجود خواهد داشت. رایج ترین مثال باتری های الکتریکی مانند باتری های لیتیوم یونی یا باتری های سرب اسیدی است. آنها انرژی الکتریکی را از طریق واکنش های شیمیایی بین الکترودها و الکترولیت تامین می کنند.

باتری ها یا BESS (سیستم ذخیره انرژی باتری)، رایج ترین روش ذخیره انرژی مورد استفاده در برنامه های زندگی روزمره هستند. سیستم های ذخیره سازی دیگری مانند نیروگاه های آبی وجود دارد که انرژی پتانسیل آب ذخیره شده در سد را به انرژی الکتریکی تبدیل می کند. آبی که به پایین می ریزد چرخ فلای یک توربین را می چرخاند که انرژی الکتریکی تولید می کند. مثال دیگر گاز فشرده است که با آزاد شدن گاز چرخ توربین تولید کننده قدرت را می چرخاند.

چیزی که باتری ها را از سایر روش های ذخیره سازی جدا می کند، مناطق بالقوه عملکرد آنها است. از دستگاه‌های کوچک و منبع تغذیه خودرو گرفته تا کاربردهای خانگی و مزارع خورشیدی بزرگ، باتری‌ها را می‌توان به طور یکپارچه با هر برنامه ذخیره‌سازی خارج از شبکه ادغام کرد. از سوی دیگر، روش های انرژی آبی و هوای فشرده به زیرساخت های بسیار بزرگ و پیچیده ای برای ذخیره سازی نیاز دارند. این منجر به هزینه های بسیار بالایی می شود که برای توجیه آن نیاز به کاربردهای بسیار بزرگ دارد.

از کیس ها برای سیستم های ذخیره سازی خارج از شبکه استفاده کنید.

همانطور که قبلا ذکر شد، سیستم‌های ذخیره‌سازی خارج از شبکه می‌توانند استفاده و اتکا به روش‌های انرژی تجدیدپذیر مانند انرژی خورشیدی و بادی را تسهیل کنند. با این وجود، برنامه های کاربردی دیگری نیز وجود دارند که می توانند از چنین سیستم هایی بهره مند شوند

هدف شبکه های برق شهری ارائه مقدار مناسب برق بر اساس عرضه و تقاضای هر شهر است. برق مورد نیاز می تواند در طول روز در نوسان باشد. سیستم های ذخیره سازی خارج از شبکه برای کاهش نوسانات و ایجاد ثبات بیشتر در موارد اوج تقاضا استفاده شده است. از منظری متفاوت، سیستم‌های ذخیره‌سازی خارج از شبکه می‌توانند برای جبران هر گونه خطای فنی پیش‌بینی نشده در شبکه اصلی برق یا در طول دوره‌های نگهداری برنامه‌ریزی‌شده بسیار مفید باشند. آنها می توانند نیازهای برق را بدون نیاز به جستجوی منابع انرژی جایگزین برآورده کنند. به عنوان مثال می توان به طوفان یخ تگزاس در اوایل فوریه 2023 اشاره کرد که تقریباً 262000 نفر را بدون برق گذاشت، در حالی که تعمیرات به دلیل شرایط سخت آب و هوایی به تعویق افتاد.

خودروهای برقی یکی دیگر از کاربردها هستند. محققان تلاش زیادی برای بهینه سازی ساخت باتری و استراتژی های شارژ/دشارژ به منظور افزایش طول عمر و چگالی توان باتری ها انجام داده اند. باتری های لیتیوم یونی در خط مقدم این انقلاب کوچک بوده اند و به طور گسترده در خودروهای الکتریکی جدید و همچنین اتوبوس های برقی مورد استفاده قرار گرفته اند. باتری‌های بهتر در این مورد می‌توانند به مسافت پیموده‌شده بیشتر و همچنین کاهش زمان شارژ با فناوری‌های مناسب منجر شوند.

سایر پیشرفت‌های فناوری مانند پهپادها و ربات‌های متحرک از توسعه باتری سود زیادی برده‌اند. استراتژی‌های حرکت و استراتژی‌های کنترل به شدت به ظرفیت باتری و توان ارائه‌شده متکی هستند.

BESS چیست

BESS یا سیستم ذخیره انرژی باتری یک سیستم ذخیره انرژی است که می توان از آن برای ذخیره انرژی استفاده کرد. این انرژی می تواند از شبکه اصلی یا از منابع انرژی تجدیدپذیر مانند انرژی باد و انرژی خورشیدی تامین شود. این باتری از چندین باتری تشکیل شده است که در پیکربندی های مختلف (سری / موازی) مرتب شده اند و بر اساس نیازها اندازه می شوند. آنها به یک اینورتر متصل هستند که برای استفاده از برق DC به برق AC استفاده می شود. الفسیستم مدیریت باتری (BMS)برای نظارت بر شرایط باتری و عملیات شارژ/دشارژ استفاده می شود.

در مقایسه با سایر سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی، به ویژه برای قرار دادن/اتصال انعطاف‌پذیر هستند و به زیرساخت‌های بسیار گرانی نیاز ندارند، اما همچنان هزینه قابل‌توجهی دارند و بر اساس استفاده به نگهداری منظم‌تری نیاز دارند.

اندازه و عادات استفاده BESS

نکته مهمی که هنگام نصب یک سیستم ذخیره انرژی باتری باید به آن توجه شود، اندازه است. چند باتری لازم است؟ در چه پیکربندی؟ در برخی موارد، نوع باتری می تواند نقش مهمی در طولانی مدت از نظر صرفه جویی در هزینه و کارایی داشته باشد.

این کار به صورت موردی انجام می شود زیرا کاربردها می تواند از خانواده های کوچک تا کارخانه های صنعتی بزرگ باشد.

رایج ترین منبع انرژی تجدیدپذیر برای خانوارهای کوچک، به ویژه در مناطق شهری، خورشیدی با استفاده از پانل های فتوولتائیک است. مهندس به طور کلی میانگین مصرف برق خانوار را در نظر می گیرد و تابش خورشید را در طول سال برای مکان خاص ارزیابی می کند. تعداد باتری ها و پیکربندی شبکه آنها به گونه ای انتخاب می شود که با تقاضای خانوارها در کمترین منبع برق خورشیدی سال مطابقت داشته باشد، در حالی که باتری ها به طور کامل تخلیه نمی شوند. این فرض راه حلی برای استقلال کامل برق از شبکه اصلی است.

نگه داشتن حالت شارژ نسبتاً متوسط یا تخلیه نکردن کامل باتری ها چیزی است که در ابتدا ممکن است غیر قابل درک باشد. به هر حال، چرا از یک سیستم ذخیره سازی استفاده کنیم اگر نتوانیم پتانسیل کامل آن را استخراج کنیم؟ در تئوری ممکن است، اما ممکن است این استراتژی نباشد که بازده سرمایه را به حداکثر برساند.

یکی از معایب اصلی BESS هزینه نسبتا بالای باتری ها است. بنابراین، انتخاب یک عادت استفاده یا یک استراتژی شارژ/دشارژ که طول عمر باتری را به حداکثر می‌رساند ضروری است. به عنوان مثال، باتری های اسید سرب را نمی توان با ظرفیت کمتر از 50% بدون آسیب غیر قابل برگشت تخلیه کرد. باتری های لیتیوم یون دارای چگالی انرژی بالاتر و عمر چرخه طولانی هستند. آنها همچنین می توانند با استفاده از محدوده های بزرگتر تخلیه شوند، اما این با افزایش قیمت همراه است. تفاوت زیادی در هزینه بین مواد شیمیایی مختلف وجود دارد، باتری های اسید سرب می توانند صدها تا هزاران دلار ارزان تر از باتری های لیتیوم یونی با همان اندازه باشند. به همین دلیل است که باتری های اسید سرب بیشترین استفاده را در کاربردهای خورشیدی در کشورهای جهان سوم و جوامع فقیر دارند.

عملکرد باتری به شدت تحت تأثیر تخریب در طول عمر خود قرار می گیرد، عملکرد ثابتی ندارد که با خرابی ناگهانی به پایان می رسد. در عوض، ظرفیت و ارائه شده می تواند به تدریج محو شود. در عمل، زمانی که ظرفیت باتری به 80 درصد ظرفیت اولیه برسد، عمر باتری تمام شده است. به عبارت دیگر، زمانی که ظرفیت 20 درصد محو می شود. در عمل، این بدان معناست که می توان مقدار کمتری انرژی ارائه کرد. این می‌تواند بر دوره‌های استفاده سیستم‌های کاملاً مستقل و میزان مسافت پیموده شده یک خودروی الکتریکی تأثیر بگذارد.

نکته دیگری که باید در نظر گرفت ایمنی است. با پیشرفت در تولید و فناوری، باتری های اخیر به طور کلی از نظر شیمیایی پایدارتر بوده اند. با این حال، به دلیل تخریب و سابقه سوء استفاده، سلول ها می توانند به فرار حرارتی بروند که می تواند منجر به نتایج فاجعه بار شود و در برخی موارد جان مصرف کنندگان را به خطر بیندازد.

به همین دلیل است که شرکت‌ها نرم‌افزار مانیتورینگ باتری (BMS) بهتری را برای کنترل استفاده از باتری و همچنین نظارت بر وضعیت سلامت به منظور ارائه به موقع تعمیر و نگهداری و جلوگیری از عواقب بدتر توسعه داده‌اند.

نتیجه گیری

از میان سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی شبکه، فرصتی عالی برای دستیابی به استقلال برق از شبکه اصلی فراهم می‌کند، اما همچنین منبع پشتیبان انرژی را در طول زمان‌های خرابی و دوره‌های اوج بار فراهم می‌کند. توسعه در آنجا تغییر به سمت منابع انرژی سبزتر را تسهیل می کند، بنابراین تأثیر تولید انرژی بر تغییرات آب و هوا را محدود می کند در حالی که همچنان نیازهای انرژی را با رشد مداوم مصرف برآورده می کند.

سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی باتری رایج‌ترین و ساده‌ترین سیستم‌هایی هستند که برای کاربردهای مختلف روزمره پیکربندی می‌شوند. انعطاف پذیری بالای آنها با هزینه نسبتاً بالا مقابله می شود که منجر به توسعه استراتژی های نظارتی برای افزایش طول عمر مربوطه تا حد امکان می شود. در حال حاضر، صنعت و دانشگاه تلاش زیادی برای بررسی و درک تخریب باتری در شرایط مختلف انجام می دهند.