أنظمة تخزين الطاقة بالبطاريات (BESS) هي تقنيات متقدمة مصممة لالتقاط الطاقة الكهربائية وتخزينها وتوزيعها بكفاءة. وتؤدي هذه الأنظمة، التي تتألف من مكونات رئيسية مثل وحدات البطاريات وأنظمة تحويل الطاقة وأجهزة التحكم الإدارية المتطورة، دوراً حاسماً في استقرار الشبكة وتكامل الطاقة المتجددة وإدارة جودة الطاقة.
المكونات الأساسية لـ BESS
يوجد في قلب نظام بطارية بيس ثلاثة مكونات أساسية تعمل في انسجام تام لضمان تخزين الطاقة وإطلاقها بكفاءة. يتألف نظام البطارية، الذي يستفيد بشكل أساسي من تكنولوجيا أيونات الليثيوم، من خلايا متعددة منظمة في وحدات ورفوف لتحويل الطاقة الكيميائية إلى طاقة كهربائية. وتؤدي أنظمة الإدارة دوراً محورياً، بما في ذلك نظام إدارة البطارية (BMS) لمراقبة معلمات الخلية، فإن نظام إدارة الطاقة (EMS) لتحسين العمليات، وأنظمة الإدارة الحرارية التي تنظم درجة الحرارة للحفاظ على الأداء والسلامة. يكمّل ذلك مكوّن إلكترونيات الطاقة، الذي يتميز بعاكس ثنائي الاتجاه أو نظام تحويل الطاقة (PCS)مما يتيح تحويل طاقة التيار المستمر إلى تيار متردد بسلاسة للشحن والتفريغ مع ضمان التوافق مع متطلبات الشبكة.
وتتيح هذه المكونات مجتمعةً تخزين الطاقة الفائضة خلال فترات انخفاض الطلب وتفريغها عند الحاجة، مما يعزز استقرار الشبكة ويعزز تكامل مصادر الطاقة المتجددة. بالإضافة إلى ذلك، أدت خوارزميات التحكم المتقدمة في نظام إدارة الطاقة والابتكارات في الإدارة الحرارية إلى زيادة تحسين الكفاءة وإطالة عمر النظام، مما يجعل نظام بيسس حجر الزاوية في البنية التحتية الحديثة للطاقة.
كيفية عمل BESS
الائتمان إلى توتال إنرجي
تعمل أنظمة تخزين الطاقة بالبطاريات (BESS) من خلال عملية متطورة لالتقاط الطاقة وتخزينها وتوزيعها. يبدأ النظام بالتقاط الطاقة الكهربائية من مصادر مختلفة، بما في ذلك مولدات الطاقة المتجددة وغير المتجددة. ثم يتم تحويل هذه الطاقة من تيار متردد إلى تيار مستمر وتخزينها في بطاريات قابلة لإعادة الشحن، وعادةً ما تكون خلايا أيونات الليثيوم مرتبة في وحدات ورفوف.
أثناء التشغيل، يراقب نظام إدارة البطارية (BMS) باستمرار معلمات الخلية الفردية ويتحكم فيها مثل الجهد ودرجة الحرارة وحالة الشحن. وهذا يضمن الأداء الأمثل وطول عمر نظام البطارية. يعمل نظام إدارة الطاقة (EMS) جنباً إلى جنب مع نظام إدارة البطاريات (BMS) لتحسين التشغيل الكلي للنظام، وتحديد وقت الشحن أو التفريغ بناءً على متطلبات الشبكة وأسعار الطاقة وعوامل أخرى.
عند الحاجة إلى الطاقة، يتم تحويل طاقة التيار المستمر المخزنة إلى تيار متردد من خلال نظام تحويل الطاقة (PCS)، المعروف أيضًا باسم العاكس ثنائي الاتجاه. ويُعد هذا المكون ضرورياً لضمان توافق طاقة الخرج مع متطلبات الشبكة من حيث الجهد والتردد. كما يدير نظام تحويل الطاقة PCS تدفق الطاقة أثناء دورتي الشحن والتفريغ، مما يحافظ على استقرار الشبكة.
يمكن أن تعمل BESS في أوضاع مختلفة لدعم وظائف الشبكة. بالنسبة لتنظيم التردد، يمكن للنظام حقن أو امتصاص الطاقة بسرعة للحفاظ على تردد الشبكة ضمن الحدود المقبولة. أما في تطبيقات توفير الطاقة في أوقات الذروة، فيمكن للنظام تفريغ الطاقة المخزنة خلال فترات ارتفاع الطلب لتقليل الضغط على الشبكة وربما خفض تكاليف الكهرباء للمستخدمين.
بالنسبة لتكامل الطاقة المتجددة، يلعب نظام بيس دورًا حيويًا في تهدئة الطبيعة المتقطعة للطاقة الشمسية وطاقة الرياح. فهو يخزن الطاقة الزائدة خلال فترات الإنتاج المرتفعة ويطلقها عندما ينخفض التوليد، مما يضمن إمدادات طاقة أكثر اتساقًا. هذه القدرة مهمة بشكل خاص للحفاظ على استقرار الشبكة مع زيادة نسبة الطاقة المتجددة في مزيج الطاقة.
كما تتضمن تطبيقات أنظمة تخزين الطاقة الكهربائية المتجددة المتقدمة أيضًا التحليلات التنبؤية وخوارزميات التعلم الآلي لتحسين الأداء. يمكن لهذه الأنظمة توقع أنماط الطلب على الطاقة، والظروف الجوية التي تؤثر على توليد الطاقة المتجددة، وحتى أسعار سوق الكهرباء لاتخاذ قرارات مستنيرة بشأن وقت تخزين الطاقة أو إطلاقها.
السلامة هي الشغل الشاغل في تشغيل نظام التشغيل BESS. تشتمل الأنظمة الحديثة على طبقات متعددة من الحماية، بما في ذلك أنظمة الإدارة الحرارية لمنع ارتفاع درجة الحرارة، وآليات إخماد الحرائق، وبروتوكولات العزل لاحتواء المشاكل المحتملة. تضمن المراقبة المستمرة واستجابات السلامة الآلية قدرة النظام على الاستجابة بسرعة لأي حالات شاذة، مما يحافظ على التشغيل الآمن والموثوق. ومن خلال الإدارة الفعالة لتدفق الطاقة بين التوليد والتخزين والاستهلاك، تعمل أنظمة بيس كمكون أساسي في مشهد الطاقة الحديث، مما يتيح مرونة وموثوقية واستدامة أكبر في أنظمة الطاقة.
استكشف على يوتيوب
تطبيقات BESS
تتمتع أنظمة تخزين الطاقة بالبطاريات (BESS) بمجموعة واسعة من التطبيقات في مختلف القطاعات، مما يساهم في استقرار الشبكة وتكامل الطاقة المتجددة وإدارة تكاليف الطاقة. فيما يلي بعض التطبيقات الرئيسية لأنظمة تخزين الطاقة بالبطاريات:
- استقرار الشبكة: يمكن أن يستجيب بيس بسرعة للتقلبات في إمدادات الطاقة والطلب عليها، مما يساعد على الحفاظ على تردد الشبكة واستقرار الجهد.
- تكامل الطاقة المتجددة: تخزن BESS الطاقة الزائدة من مصادر الطاقة المتجددة المتقطعة مثل الطاقة الشمسية وطاقة الرياح، وتطلقها عندما ينخفض التوليد لضمان إمدادات طاقة ثابتة.
- ذروة الحلاقة: من خلال تفريغ الطاقة المخزنة خلال فترات ارتفاع الطلب، يساعد نظام BESS على تقليل الضغط على الشبكة وربما خفض تكاليف الكهرباء للمستخدمين.
- تحويل الأحمال: يتيح نظام BESS تخزين الطاقة خلال الفترات منخفضة الطلب ومنخفضة التكلفة لاستخدامها في أوقات ارتفاع الطلب وارتفاع التكلفة، مما يؤدي إلى تحسين استهلاك الطاقة والتكاليف.
- طاقة احتياطية: في حالة انقطاع الشبكة الكهربائية، يمكن أن يوفر نظام BESS طاقة احتياطية ضرورية للمنازل والشركات والبنية التحتية الأساسية.
- الشبكات المصغرة: يلعب نظام بيس دورًا حاسمًا في تمكين تشغيل الشبكات الصغيرة ودعم استقلالية الطاقة المحلية ومرونتها.
- شحن السيارات الكهربائية: يمكن أن يدعم BESS محطات الشحن السريع للسيارات الكهربائية، مما يقلل الضغط على الشبكة خلال أوقات ذروة الشحن.
- الخدمات الإضافية: يوفر BESS خدمات دعم الشبكة المتنوعة، بما في ذلك تنظيم التردد، ودعم الجهد، وقدرات بدء التشغيل الأسود.
تُظهر هذه التطبيقات المتنوعة تعدد استخدامات وأهمية أنظمة الطاقة الحديثة، مما يساهم في توفير بنية تحتية للطاقة أكثر مرونة وموثوقية واستدامة.
ارتفاع فولتية التيار المستمر للتيار المستمر
يرجع الاتجاه نحو زيادة جهد التيار المستمر في أنظمة تخزين الطاقة بالبطاريات (BESS) إلى عدة مزايا رئيسية:
- تحسين الكفاءة: يؤدي ارتفاع الفولتية إلى انخفاض التيارات لنفس ناتج الطاقة، مما يقلل من الفقد الكلي في نظام الدائرة ويحسن كفاءة التشغيل ذهابًا وإيابًا.
- كثافة الطاقة المعززة: تسمح زيادة الجهد بزيادة كثافة الطاقة ضمن نفس القيود المادية، مما يتيح تصميمات أكثر إحكاماً وقوةً لمولدات الطاقة الكهربائية المدمجة.
- معدلات شحن/تفريغ أسرع: يمكن للبطاريات ذات الجهد العالي إكمال دورات الشحن بسرعة أكبر، واستيعاب متطلبات الطاقة السريعة ومتطلبات الطاقة العالية.
- تخفيض التكلفة: تسمح الفولتية الأعلى بزيادة كفاءة الأسلاك والتركيب، مما يقلل من التكاليف الإجمالية للنظام. وتؤدي مطابقة جهد التيار المستمر في نظام BESS مع منشآت الطاقة الشمسية على نطاق المرافق (عادةً 1500 فولت تيار مستمر) إلى التخلص من الحاجة إلى معدات تحويل جهد إضافية.
- التوافق مع العاكسات المتقدمة: تستخدم معظم محولات الطاقة الشمسية على نطاق المرافق العامة الآن مدخلات 1500 فولت تيار مستمر، مما يجعل محولات الطاقة الشمسية ذات الجهد العالي أكثر توافقًا مع البنية التحتية الحالية.
وتدفع هذه المزايا تطور قطاع الطاقة المتجددة نحو جهد تيار مستمر أعلى، مما يساهم في النمو المتوقع للصناعة من $1.2B في عام 2020 إلى $4.3B في عام 2025.
تحديات تركيب نظام بيس
تواجه منشآت نظام تخزين الطاقة بالبطاريات (BESS) العديد من التحديات الشائعة التي يمكن أن تؤثر على أدائها وسلامتها وكفاءتها. فيما يلي بعض المشكلات الأكثر انتشارًا:
- التكاليف الأولية المرتفعة: يمكن أن يكون الاستثمار المسبق في نظام BESS كبيراً، مما يشكل عائقاً كبيراً أمام اعتماده.
- تعقيدات التكامل التقني: وغالباً ما يتطلب دمج بيس مع البنية التحتية الحالية معرفة وتكنولوجيا متخصصة.
- العقبات التنظيمية: يمكن أن يستغرق التنقل بين التصاريح واللوائح وقتاً طويلاً ومعقداً.
- تحديات الصيانة: يتطلب ضمان الموثوقية على المدى الطويل إدارة فعالة لدورة الحياة والصيانة الدورية.
- مشكلات توافق الشبكة: يمكن أن يكون ضمان توافق نظام بيسس مع الشبكة وإدارة الربط البيني أمراً صعباً.
- مخاوف تتعلق بالسلامة: يمكن أن يؤدي التركيب غير السليم أو المكونات المعيبة إلى مخاطر الحريق ومخاطر السلامة الأخرى.
- أعطال نظام إدارة البطارية (BMS): يمكن أن تتسبب أنظمة إدارة المباني غير الموثوق بها في إيقاف تشغيل غير متوقع وحالات خطيرة محتملة.
- مشاكل في موازنة الخلايا: يمكن للاختلالات بين الخلايا أن تقلل من كفاءة النظام وتشكل مخاطر على السلامة.
- سعة تخزين غير كافية: يمكن أن تؤدي الأخطاء في تقدير حالة الشحن (SOC) إلى عدم كفاءة استخدام الطاقة.
- مشاكل الإدارة الحرارية: يمكن أن تتسبب أنظمة التبريد غير الملائمة في تقادم البطاريات قبل الأوان وانخفاض أدائها.
وتتطلب معالجة هذه المشكلات تخطيطًا دقيقًا وتركيبًا متخصصًا ومراقبة مستمرة لضمان الأداء الأمثل لنظام دعم الأعمال التجارية وسلامة التشغيل.
البطاريات المعاد استخدامها في بطاريات BESS
يمكن أن تستخدم أنظمة تخزين طاقة البطاريات (BESS) بطاريات السيارات الكهربائية (EV) المعاد استخدامها، مما يوفر طريقة مستدامة لإطالة عمر البطارية وتقليل النفايات. عندما تنخفض طاقة بطاريات السيارات الكهربائية إلى حوالي 80-851 تيرابايت 3 تيرابايت من سعتها الأصلية، يمكن إعادة استخدامها في تطبيقات أنظمة تخزين الطاقة بالبطاريات، مما يوفر حياة ثانية لبطاريات أيونات الليثيوم مع تقليل الحاجة إلى إنتاج جديد. ويدعم هذا النهج استقرار الشبكة، وتكامل الطاقة المتجددة، والطاقة الاحتياطية للبنية التحتية الحيوية، وترشيد الطاقة في أوقات الذروة، وتحويل الأحمال للصناعات ودعم الشبكات الصغيرة. وبحلول عام 2025، سيجد ما يقدر ب 751 تيرابايت 3 تيرابايت من بطاريات السيارات الكهربائية المستعملة تطبيقات ذات عمر ثانٍ قبل إعادة التدوير، مما يعكس التركيز المتزايد على الاستدامة والاقتصاد الدائري.
ومع ذلك، لا يخلو استخدام البطاريات المعاد تدويرها في مشاريع نظام بطاريات BESS من التحديات. فغالبًا ما يكون للبطاريات المعاد تدويرها مستويات أداء غير متناسقة بسبب درجات متفاوتة من التدهور، مما قد يؤثر على كفاءة النظام وموثوقيته. بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن تكون عملية جمع هذه البطاريات واختبارها وتجديدها عملية كثيفة العمالة ومكلفة، مما قد يعوض بعض الفوائد البيئية والاقتصادية. وعلى الرغم من هذه العيوب، يستمر الطلب المتزايد على حلول تخزين الطاقة المستدامة في جعل بطاريات السيارات الكهربائية المستعملة مورداً قيماً لمشاريع تخزين الطاقة الكهربائية.
سياسات بيس الحكومية
تعترف الحكومات في جميع أنحاء العالم بشكل متزايد بالدور الحاسم لأنظمة تخزين الطاقة بالبطاريات (BESS) في تحقيق أهداف التحول في الطاقة واستقرار الشبكة. وقد نفذت العديد من البلدان سياسات ومبادرات داعمة لتسريع نشر نظم تخزين الطاقة بالبطاريات:
- وقد قدمت الولايات المتحدة قانون تخفيض التضخم، الذي يتضمن ائتمانات ضريبية استثمارية لمشاريع التخزين المستقلة، مما يعزز القدرة التنافسية للتخزين على نطاق الشبكة.
- أعلنت الصين عن خطط لتركيب أكثر من 30 جيجاوات من تخزين الطاقة بحلول عام 2025، مما يدل على التزامها القوي بالتوسع في تخزين الطاقة الكهربائية.
- حددت الهند أهدافًا طموحة لتطوير تخزين الطاقة بالبطاريات في مسودة الخطة الوطنية للكهرباء، حيث تهدف إلى تحقيق 51-84 جيجاوات من القدرة المركبة بحلول عام 2031-2032.
- وقد نشرت المفوضية الأوروبية توصيات بشأن إجراءات السياسة العامة لدعم زيادة نشر تخزين الكهرباء، إدراكًا لأهميته في إزالة الكربون من نظام الطاقة.
- بالإضافة إلى ذلك، تم إطلاق مبادرة عالمية تسمى "مبادرة تخزين البطاريات فائقة الشحن" من قبل الاجتماع الوزاري للطاقة النظيفة، بدعم من المفوضية الأوروبية وأستراليا والولايات المتحدة وكندا. تهدف هذه المبادرة إلى تعزيز التعاون الدولي وخفض التكاليف وبناء سلاسل توريد مستدامة لتقنيات تخزين الطاقة.
التوقعات المستقبلية لسوق BESS
يستعد سوق أنظمة تخزين الطاقة بالبطاريات (BESS) لنمو كبير، مدفوعًا بزيادة تكامل الطاقة المتجددة وجهود تحديث الشبكة. من المتوقع أن يصل حجم السوق العالمي لأنظمة تخزين الطاقة بالبطاريات إلى $51.7 مليار دولار بحلول عام 2031، بمعدل نمو سنوي مركب يبلغ 20.1% من 2022 إلى 2031. ويغذي هذا التوسع السريع انخفاض تكاليف بطاريات الليثيوم أيون التي انخفضت بنحو 801 تيرابايت 3 تيرابايت على مدار العقد الماضي.
تشمل محركات النمو الرئيسية ما يلي:
- ارتفاع الطلب على أنظمة تخزين الطاقة على الشبكة.
- الانتشار السريع لبطاريات أيونات الليثيوم في قطاع الطاقة المتجددة.
- التمويل الحكومي والسياسات الداعمة.
- زيادة التطبيقات التجارية والصناعية.
من المتوقع أن يسجل قطاع المرافق أعلى معدل نمو سنوي مركب خلال فترة التنبؤ، مدفوعًا بمبادرات إطلاق بطاريات التدفق لأهداف بيئية وطول العمر والسلامة. من الناحية الجغرافية، من المتوقع أن تكون منطقة آسيا والمحيط الهادئ هي السوق الإقليمية الأسرع نموًا، ويعزى ذلك إلى ارتفاع الطلب على الطاقة والسياسات الحكومية الداعمة في دول مثل الهند والصين وأستراليا.
مقالات ذات صلة:
