أنظمة تخزين الطاقة: أنواعها، وفوائدها، وتطبيقاتها، وكيفية اختيارها

مع ازدياد انتشار الطاقة الشمسية وطاقة الرياح، أصبح تخزين الكهرباء جزءًا أساسيًا من أنظمة الطاقة الحديثة. وتتيح أنظمة تخزين الطاقة تخزين الكهرباء المولدة مسبقًا واستخدامها عند الحاجة.

بالنسبة لأصحاب المنازل، يمكن لنظام تخزين الطاقة أن يزيد من استهلاك الطاقة الشمسية ذاتيًا ويوفر طاقة احتياطية. أما بالنسبة للمصانع والمستودعات والمباني التجارية، فإن... نظام تخزين طاقة البطاريات الصناعية يمكن لأنظمة تخزين الطاقة بالبطاريات (BESS) دعم تقليل ذروة الطلب، وتحويل الأحمال، ودمج الطاقة الشمسية، وتوفير الطاقة الاحتياطية. وعلى نطاق أوسع، يمكن لأنظمة تخزين الطاقة بالبطاريات أيضًا دعم دمج الطاقة المتجددة ومرونة الشبكة.

مع ذلك، فإن اختيار نظام تخزين الطاقة لا يقتصر على مجرد اختيار بطارية ذات سعة كافية. فتركيب البطارية الكيميائي، وقدرتها على توليد الطاقة، والطاقة القابلة للاستخدام، ونظام إدارة البطارية، ونظام إدارة الطاقة، ونظام تحويل الطاقة، والإدارة الحرارية، والسلامة، ومتطلبات الشبكة المحلية، كلها عوامل تؤثر على أداء المشروع وجدواه الاقتصادية.

ما هو نظام تخزين الطاقة؟

يقوم نظام تخزين الطاقة بتخزين الطاقة وإطلاقها عند الحاجة. في التطبيقات الكهربائية، يستخدم نظام تخزين الطاقة بالبطاريات بطاريات قابلة لإعادة الشحن لتخزين الكهرباء لاستخدامها لاحقًا.

يتضمن نظام تخزين الطاقة الكامل عادةً ما يلي:

1. خلايا ووحدات البطاريات
2. نظام إدارة البطارية (BMS)
3. نظام تحويل الطاقة (PCS)
4. نظام إدارة الطاقة (EMS)
5. إدارة الحرارة
6. الحماية الكهربائية
7. معدات المراقبة والاتصالات

تقوم البطارية بتخزين الطاقة، بينما يقوم نظام إدارة البطارية بمراقبة حالة البطارية، ويتولى نظام تحويل الطاقة إدارة تحويل الطاقة من التيار المتردد إلى التيار المستمر، ويتحكم نظام إدارة الطاقة في كيفية انتقال الطاقة بين البطارية والشبكة ونظام الطاقة الشمسية والأحمال.

يُعد هذا التكامل على مستوى النظام ذا أهمية خاصة لتخزين الطاقة التجارية والصناعية، حيث تؤثر استراتيجية التشغيل بشكل مباشر على أداء المشروع.

كيف يعمل نظام تخزين الطاقة بالبطاريات (BESS)؟

يتبع نظام تخزين البطاريات النموذجي دورة بسيطة.

1. الشحن : يتم تحويل الكهرباء من الشبكة أو من مصادر الطاقة المتجددة وتخزينها في البطارية.
2. التخزين : تحتفظ البطارية بالطاقة المخزنة حتى الحاجة إليها.
3. التفريغ : عند الحاجة إلى الكهرباء، يقوم جهاز تحويل الطاقة بتحويل طاقة التيار المستمر للبطارية إلى طاقة تيار متردد للحمل أو الشبكة.
4. الإدارة : يحدد نظام إدارة الطاقة متى وكم يجب شحن البطارية أو تفريغها.

على سبيل المثال، يمكن لمصنع مزود بألواح شمسية على سطحه تخزين فائض الكهرباء الكهروضوئية خلال النهار واستخدامها لاحقًا عندما ينخفض ​​إنتاج الطاقة الشمسية. كما يمكن لمنشأة تعتمد تعريفات استهلاك الكهرباء حسب الوقت شحنها خلال فترات انخفاض التكلفة وتفريغها خلال فترات ارتفاع التكلفة.

الأنواع الرئيسية لتخزين الطاقة

تشمل تقنيات تخزين الطاقة الأنظمة الميكانيكية والحرارية والكيميائية الكهربائية.

بطاريات الليثيوم أيون وبطاريات فوسفات الحديد الليثيوم

تُستخدم بطاريات الليثيوم أيون على نطاق واسع في الأجهزة الحديثة أنظمة تخزين طاقة البطاريات الأفضل وذلك بسبب كفاءتها العالية وتصميمها المدمج وسلسلة التوريد الراسخة.

يُعد فوسفات الحديد الليثيوم (LiFePO4 أو LFP) شائع الاستخدام بشكل خاص في تخزين الطاقة الثابت. فهو يوفر مزيجًا من عمر الدورة، والاستقرار الحراري، والملاءمة لتطبيقات أنظمة تخزين الطاقة المعيارية.

بطاريات التدفق

تخزن بطاريات التدفق الطاقة في محاليل إلكتروليتية سائلة. ويمكن زيادة سعتها عن طريق توسيع سعة تخزين الإلكتروليت، مما يجعلها مناسبة لبعض التطبيقات طويلة الأمد.

بطاريات الرصاص الحمضية

تتمتع بطاريات الرصاص الحمضية بتاريخ طويل في مجال الطاقة الاحتياطية وتخزين الطاقة. وتُعد تكلفتها الأولية المنخفضة نسبيًا ميزة جذابة لبعض التطبيقات، على الرغم من أن كثافة طاقتها وعمرها الافتراضي أقل عمومًا من أنظمة الليثيوم الحديثة.

التخزين الميكانيكي والحراري

يمكن أيضاً استخدام الطاقة الكهرومائية المخزنة بالضخ، والهواء المضغوط، والعجلات الدوارة، والتخزين الحراري لتوفير تخزين الطاقة، لا سيما للتطبيقات واسعة النطاق أو المتخصصة.

الفوائد الرئيسية لتخزين الطاقة بالبطاريات

حلاقة الذقن

يمكن للمستخدمين التجاريين والصناعيين تفريغ الطاقة المخزنة خلال فترات ارتفاع الطلب، مما يقلل من كمية الطاقة المسحوبة من الشبكة.

تحويل الأحمال

يمكن لنظام تخزين الطاقة نقل استهلاك الكهرباء من فترات ارتفاع الأسعار إلى فترات انخفاضها. وتعتمد الفائدة المالية الفعلية على تعريفات الكهرباء المحلية وكفاءة تشغيل النظام.

الاستهلاك الذاتي للطاقة الشمسية

لا يتزامن توليد الطاقة الشمسية مع الطلب على الكهرباء دائمًا. وتتيح أنظمة تخزين البطاريات تخزين الطاقة الشمسية الفائضة واستخدامها لاحقًا.

طاقة احتياطية

يمكن لنظام تخزين الطاقة بالبطاريات المُهيأ بشكل صحيح أن يوفر طاقة احتياطية للأحمال الحيوية أثناء انقطاعات الشبكة، مما يساعد الشركات على تقليل وقت التوقف.

دمج الطاقة المتجددة

يمكن لتخزين الطاقة أن يقلل من تأثير توليد الطاقة الشمسية وطاقة الرياح المتغيرة عن طريق تحويل الكهرباء من فترات الإنتاج العالي للطاقة المتجددة إلى فترات الطلب الأعلى.

BMS وEMS وPCS: ما الفرق؟

تؤدي هذه الأنظمة الثلاثة وظائف مختلفة.

نظام إدارة البطارية (BMS)

يراقب نظام إدارة البطارية (BMS) جهد البطارية، والتيار، ودرجة الحرارة، وحالة الشحن، وحالة الحماية. ويتمثل دوره الأساسي في سلامة البطارية والتحكم في تشغيلها.

نظام إدارة الطاقة (EMS)

يتولى نظام إدارة الطاقة إدارة تدفقات الطاقة عبر النظام بأكمله. ويمكنه تنسيق توليد الطاقة الكهروضوئية، وشحن البطاريات وتفريغها، وطاقة الشبكة، وأحمال المنشأة وفقًا لاستراتيجيات تشغيل مختلفة.

نظام تحويل الطاقة (PCS)

يقوم جهاز تحويل الطاقة بتحويل الطاقة بين التيار المستمر والتيار المتردد ويتحكم في اتجاه وإخراج الطاقة الكهربائية.

في حالة بيس كاملة:

يتولى نظام إدارة البطارية (BMS) إدارة البطارية. ويتولى نظام تحويل الطاقة (PCS) إدارة تحويل الطاقة. ويتولى نظام إدارة الطاقة (EMS) إدارة الطاقة.

التبريد السائل مقابل التبريد الهوائي

تزداد أهمية إدارة الحرارة مع زيادة سعة البطارية وكثافة الطاقة.

يتميز التبريد الهوائي ببنية نظام بسيطة نسبياً، ويمكن أن يكون مناسباً لبعض التطبيقات. أما التبريد السائل فيستخدم وسيط تبريد متداول لتوفير تحكم أدق في درجة الحرارة.

بالنسبة لأنظمة تخزين الطاقة عالية الكثافة للمنشآت التجارية والصناعية ومشاريع أنظمة تخزين الطاقة الأكبر حجماً، يمكن أن يوفر التبريد السائل مزايا في التوحيد الحراري وتكامل النظام.

ينبغي اختيار طريقة التبريد المناسبة وفقًا لسعة النظام، وتكوين البطارية، وبيئة التشغيل، وكثافة الطاقة، وجدوى المشروع الاقتصادية.

كيفية اختيار نظام تخزين الطاقة المناسب

ينبغي تصميم نظام تخزين الطاقة المناسب بما يتناسب مع المشروع بدلاً من اختياره من حجم بطارية قياسي.

1. تحديد التطبيق

حدد ما إذا كان سيتم استخدام النظام للتخزين السكني، أو تقليل ذروة الطلب، أو الاستهلاك الذاتي للطاقة الشمسية، أو الطاقة الاحتياطية، أو تحويل الأحمال، أو دمج الطاقة المتجددة، أو خدمات الشبكة.

2. تحليل منحنى الحمل

بالنسبة لمشاريع القطاع التجاري والصناعي، يجب مراجعة استهلاك الكهرباء، وذروة الطلب، وساعات التشغيل، والاختلافات الموسمية، وتوليد الطاقة الكهروضوئية الحالية.

3. تحديد القدرة والسعة

تُقاس القدرة بالكيلوواط أو الميغاواط، بينما تُقاس سعة الطاقة بالكيلوواط ساعة أو الميغاواط ساعة. يجب أن تتوافق كلتا المعلمتين مع التطبيق المقصود.

4. تقييم البطارية

ضع في اعتبارك التركيب الكيميائي للبطارية، وعمرها الافتراضي، ودرجة حرارة التشغيل، وسعتها القابلة للاستخدام، وكفاءتها، وضمانها، وتكلفة دورة حياتها.

5. تقييم قدرات خدمات الطوارئ الطبية

ينبغي لنظام إدارة الطاقة الفعال أن يدعم استراتيجيات التشغيل المناسبة مثل تقليل ذروة الطلب، وتحسين وقت الاستخدام، والاستهلاك الذاتي للطاقة الشمسية الكهروضوئية، والمراقبة عن بعد، وإدارة بيانات الطاقة.

6. التحقق من التوافق والامتثال

قبل الشراء، تحقق من توافق النظام مع النظام الكهربائي الحالي، ومعدات الطاقة الشمسية الكهروضوئية، ونظام تحويل الطاقة، ومتطلبات الشبكة المحلية. بالنسبة للمشاريع الأوروبية، ينبغي أيضًا تقييم الشهادات ذات الصلة والمتطلبات الخاصة بكل دولة.

7. قارن التكلفة الإجمالية للملكية

لا يعني انخفاض سعر البطارية بالضرورة انخفاض تكلفة المشروع. ينبغي على المشترين مراعاة النفقات الرأسمالية، والتركيب، والكفاءة، ومعدل التدهور، والصيانة، والضمان، وتوفير الطاقة المتوقع.

اختيار شريك لتخزين الطاقة

بالنسبة للمشاريع التجارية والصناعية، يعد اختيار المورد المناسب بنفس أهمية اختيار البطارية المناسبة.

تقوم شركة Enerlution بتطوير ودمج حلول تخزين الطاقة للتطبيقات السكنية والتجارية والصناعية، وتغطي أنظمة البطاريات، وأنظمة تخزين الطاقة التجارية والصناعية، وتخزين الطاقة المبرد بالسوائل، وأنظمة تخزين الطاقة بالبطاريات المعبأة في حاويات، وحلول إدارة الطاقة الذكية.

يركز نهج الشركة على التكامل على مستوى النظام بدلاً من البطارية وحدها، حيث يجمع بين تكنولوجيا البطاريات ونظام إدارة البطاريات ونظام إدارة الطاقة وتحويل الطاقة لتلبية متطلبات المشاريع المختلفة.

بالنسبة لشركات الهندسة والمشتريات والإنشاءات، ومُركّبي أنظمة الطاقة الشمسية، والموزعين، ومطوري المشاريع، تستطيع شركة إنيروشن تطوير حلول مُخصصة بناءً على التطبيق، والطاقة المطلوبة، وسعة الطاقة، وتكامل أنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية، واستراتيجية التشغيل، ومتطلبات التوسع المستقبلي. كما يتوفر التعاون في مجال تصنيع المعدات الأصلية وتصميمها للشركاء الذين يحتاجون إلى حلول تخزين طاقة مُخصصة.

بالنسبة للمشاريع الأوروبية، لا تمثل المواصفات الفنية سوى جزء واحد من تقييم الموردين. ينبغي أيضاً مراعاة الشهادات، والتوافق مع الشبكة، والوثائق، وتسليم المشروع، وخدمات ما بعد البيع.

الأسئلة الشائعة

كم يدوم نظام تخزين الطاقة بالبطاريات؟

يعتمد عمر البطارية على تركيبها الكيميائي، ودرجة حرارتها، وعمق تفريغها، ومعدل شحنها وتفريغها، واستراتيجية تشغيلها وصيانتها. وينبغي مراعاة كل من عمرها الافتراضي وعمرها الزمني.

هل يُعدّ نظام تخزين الطاقة بالبطاريات (BESS) مناسبًا لبطاريات الليثيوم فوسفات الحديد (LFP)؟

يُستخدم فوسفات الحديد الليثيوم (LFP) على نطاق واسع في تخزين الطاقة الثابتة نظرًا لدورة حياته الطويلة وخصائصه الحرارية وسلسلة التوريد المتطورة. ومع ذلك، يجب أن يستند الاختيار النهائي إلى متطلبات المشروع.

ما هو الحجم الأمثل لنظام تخزين البطاريات التجاري؟

لا توجد سعة قياسية. يجب حساب النظام بناءً على ملف تعريف الحمل للمنشأة، وذروة الطلب، وتعرفة الكهرباء، وتوليد الطاقة الكهروضوئية، واستراتيجية التشغيل المقصودة.

هل تحتاج جميع أنظمة تخزين الطاقة بالبطاريات إلى التبريد السائل؟

لا. تعتمد متطلبات التبريد على تكوين البطارية، وسعة النظام، وكثافة الطاقة، والبيئة، والتصميم الحراري.

ما الذي يجب أن أسأله لمورّد أنظمة تخزين الطاقة؟

تقييم التركيب الكيميائي للبطارية، والسعة القابلة للاستخدام، ومعدل الطاقة، وعمر الدورة، وقدرات نظام إدارة الطاقة، والشهادات، والتوافق، وتصميم السلامة، والضمان، والدعم الفني، والتكلفة الإجمالية للملكية.

خاتمة

أصبحت أنظمة تخزين الطاقة جزءًا مهمًا من البنية التحتية للطاقة السكنية والتجارية والصناعية والمرافق العامة.

بالنسبة للشركات، تتجاوز قيمة نظام تخزين الطاقة بالبطاريات مجرد تخزين الكهرباء. إذ يمكن لنظام مصمم بشكل صحيح أن يساعد في إدارة ذروة الطلب، وتوزيع استهلاك الطاقة، وزيادة الاستهلاك الذاتي للطاقة الشمسية، وتوفير طاقة احتياطية، وتحسين استخدام الطاقة المتجددة.

لذلك ينبغي تقييم الحل الصحيح كنظام متكامل، يشمل البطارية، ونظام إدارة البطارية، ونظام التحكم في الطاقة، ونظام إدارة الطاقة، والإدارة الحرارية، وهيكل السلامة، والتوافق، واقتصاديات دورة الحياة.