ما هي أنظمة تخزين الطاقة الكهربائية؟

أنظمة تخزين الطاقة الكهربائية (EESS) هي تقنيات مصممة لالتقاط الطاقة الكهربائية وتخزينها لاستخدامها لاحقًا، وتلعب دورًا حاسمًا في تحقيق التوازن بين العرض والطلب على الطاقة، لا سيما في سياق مصادر الطاقة المتجددة مثل الطاقة الشمسية وطاقة الرياح.

الائتمان إلى EIA.ORG

ما هي EESS؟

أنظمة تخزين الطاقة الكهربائية هي تقنيات مبتكرة تتيح تخزين الكهرباء المولدة من مصادر مختلفة، بما في ذلك الطاقة المتجددة، لاستخدامها في وقت لاحق. وتؤدي هذه الأنظمة دورًا حيويًا في معالجة تحديات توليد الطاقة المتقطعة وتذبذب الطلب. فعن طريق تحويل الطاقة الكهربائية إلى أشكال أخرى من الطاقة القابلة للتخزين ثم العودة إلى الكهرباء عند الحاجة، تساعد أنظمة تخزين الطاقة الكهربائية على استقرار الشبكة الكهربائية وتعزيز موثوقية إمدادات الطاقة. وتكتسب هذه القدرة أهمية خاصة لدمج مصادر الطاقة المتجددة مثل الطاقة الشمسية وطاقة الرياح، التي تتسم بتغير إنتاجها بطبيعتها، في البنية التحتية الأوسع للطاقة.

الوظائف الرئيسية لـ EESS

• خفض الذروة وتسوية الأحمال: تقوم EESS بتخزين الطاقة الزائدة خلال فترات انخفاض الطلب وتفريغها خلال أوقات الذروة، مما يعمل على تهدئة منحنيات حمل الطاقة وتحسين كفاءة الشبكة.
• استقرار الشبكة: توفر هذه الأنظمة تنظيمًا سريعًا للتردد ودعمًا سريعًا للجهد، مما يحافظ على جودة الطاقة وموثوقية الشبكة.
• التكامل المتجدد: تخفف EESS من التقطع في مصادر الطاقة المتجددة من خلال تخزين الطاقة الزائدة لاستخدامها عندما يكون التوليد منخفضًا، مما يسهل زيادة تغلغل الطاقة النظيفة.
• المرونة والنسخ الاحتياطي: أثناء انقطاع التيار الكهربائي أو حالات الطوارئ، توفر EESS طاقة احتياطية مهمة، مما يعزز مرونة الشبكة بشكل عام.
• خفض التكلفة: ومن خلال تمكين موازنة الطاقة وتقليل الاعتماد على محطات توليد الطاقة الكهربائية باهظة الثمن، يساعد نظام EESS على خفض التكاليف الإجمالية للطاقة بالنسبة للمستهلكين والمرافق.

أنواع أنظمة تخزين الطاقة

تشمل أنظمة تخزين الطاقة مجموعة متنوعة من التقنيات، لكل منها خصائص وتطبيقات فريدة من نوعها:

• أنظمة تخزين الطاقة بالبطاريات (BESS): وتهيمن هذه الأنظمة التي تستخدم بطاريات الليثيوم أيون في المقام الأول على السوق بسبب كثافة طاقتها العالية وانخفاض تكاليفها. وتشمل أنواع البطاريات الأخرى بطاريات الحالة الصلبة وبطاريات التدفق.

• التخزين الميكانيكي: وتشمل هذه الفئة التخزين المائي بالضخ، الذي يستخدم فائض الكهرباء لضخ المياه إلى ارتفاعات أعلى، وتخزين الطاقة الهوائية المضغوطة (CAES)، حيث يتم ضغط الهواء في كهوف تحت الأرض.

مشروع التخزين الميكانيكي لمعهد أبحاث الجنوب الغربي

• تخزين الطاقة الحرارية: تخزن هذه الأنظمة الطاقة على شكل حرارة، مثل الملح المنصهر، أو البرودة، مثل الثلج، لاستخدامها لاحقًا في تطبيقات التدفئة أو التبريد.

• تخزين الطاقة في دولاب الموازنة: تعمل هذه التقنية على تخزين الطاقة الحركية في كتلة دوّارة، وهي مناسبة للتطبيقات قصيرة الأمد التي تتطلب إطلاقًا سريعًا للطاقة.

مشروع تخزين الطاقة في دولاب الموازنة في شنتشن الصين

مقارنة نظام التخزين

توفر أنظمة تخزين الطاقة بالبطاريات (BESS) مزايا متميزة مقارنة بأنظمة تخزين الطاقة الأخرى، لا سيما من حيث كثافة الطاقة وتعدد الاستخدامات. وتوفر أنظمة تخزين الطاقة بالبطاريات، خاصة تلك التي تستخدم تكنولوجيا أيونات الليثيوم، كثافة طاقة أعلى مقارنة بالبدائل مثل المكثفات الفائقة، مما يسمح بحلول تخزين أكثر إحكاما وكفاءة. وخلافاً للأنظمة الميكانيكية مثل التخزين المائي الذي يتم ضخه أو تخزين الهواء المضغوط، يمكن توسيع نطاق تخزين الطاقة الكهربائية المدمجة بسهولة ونشرها في مختلف البيئات، بدءاً من التطبيقات السكنية إلى التطبيقات على نطاق المرافق.

ومع ذلك، تواجه بطاريات بيس تحديات من حيث عمر الدورة والتخزين طويل الأجل مقارنة ببعض البدائل. على سبيل المثال، توفر بطاريات التدفق عمرًا أطول والقدرة على التفريغ العميق دون تلف، مما يجعلها مناسبة للخدمات طويلة الأمد. بينما تتفوق المكثفات الفائقة، على الرغم من انخفاض كثافة الطاقة فيها، في قدرات الشحن والتفريغ السريع، مما يجعلها مثالية للتطبيقات عالية الطاقة وقصيرة المدة. ويعتمد الاختيار بين أنظمة التخزين BESS وأنظمة التخزين الأخرى في نهاية المطاف على متطلبات التطبيق المحددة، بما في ذلك سعة الطاقة ومخرجات الطاقة ووقت الاستجابة واعتبارات التكلفة.

اكتشف المزيد عن BESS

وسائط تخزين الطاقة

تشتمل وسائط تخزين الطاقة الكهربائية على مجموعة متنوعة من التقنيات المصممة لتخزين الطاقة الكهربائية لاستخدامها لاحقًا. وتشمل الأنواع الأكثر شيوعاً ما يلي:

• البطاريات الكهروكيميائية: وتشمل بطاريات الليثيوم أيون وبطاريات الرصاص الحمضية وبطاريات التدفق. تهيمن بطاريات أيونات الليثيوم على السوق بسبب كثافة طاقتها العالية وانخفاض تكاليفها.
• المكثفات والمكثفات الفائقة: تخزن هذه الأجهزة الطاقة في مجال كهربائي وهي مناسبة لتطبيقات الشحن والتفريغ السريع.
• تخزين الطاقة المغناطيسية فائقة التوصيل (SMES): تقوم هذه التقنية بتخزين الطاقة في مجال مغناطيسي ناتج عن تدفق التيار المباشر في ملف فائق التوصيل.
• التخزين الحراري: تعمل أنظمة مثل الملح المنصهر أو تخزين الثلج على تحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة حرارية لاستخدامها لاحقًا.

تطبيقات EESS

تجد أنظمة تخزين الطاقة الكهربائية تطبيقات متنوعة في مختلف القطاعات. ففي شبكة الكهرباء، تؤدي هذه الأنظمة دوراً حاسماً في استقرار العرض والطلب، لا سيما عند دمج مصادر الطاقة المتجددة المتقطعة. تمكّن أنظمة تخزين الطاقة الكهربائية من تحويل استهلاك الطاقة في الوقت المناسب، مما يسمح للمستخدمين بتخزين الكهرباء في غير ساعات الذروة لاستخدامها خلال فترات ذروة الطلب. وتعد هذه الأنظمة أيضًا مكونات حيوية في الشبكات الكهربائية الصغيرة، حيث توفر الطاقة الاحتياطية أثناء انقطاع التيار الكهربائي وتعزز مرونة الشبكة بشكل عام. وفي قطاع النقل، تُعدّ تقنيات EESS، ولا سيما أنظمة البطاريات، أساسية لتشغيل السيارات الكهربائية. بالإضافة إلى ذلك، تدعم أنظمة EESS التطبيقات الصناعية والتجارية من خلال المساعدة في إدارة أحمال الذروة وتقليل تكاليف الطاقة.

فوائد EESS

يوفر تطبيق أنظمة تخزين الطاقة الكهربائية مزايا عديدة لإدارة الطاقة والاستدامة. وتساهم هذه الأنظمة في استقرار الشبكة من خلال تحقيق التوازن بين العرض والطلب، مما يقلل من الحاجة إلى محطات توليد الطاقة الكهربائية المكلفة في أوقات الذروة. تسهل أنظمة تخزين الطاقة الكهربائية تكامل أكبر لمصادر الطاقة المتجددة، مما يساعد على التخفيف من مشاكل التقطع المرتبطة بالطاقة الشمسية وطاقة الرياح. ومن خلال تمكين المستخدمين من تخزين الطاقة خلال الفترات منخفضة التكلفة واستخدامها خلال أوقات ارتفاع الطلب، يمكن أن تؤدي أنظمة الطاقة المتجددة الكهربائية إلى توفير كبير في التكاليف. وبالإضافة إلى ذلك، تعزز هذه الأنظمة موثوقية الطاقة من خلال توفير الطاقة الاحتياطية أثناء انقطاع التيار الكهربائي، وتساهم في الاستدامة البيئية من خلال تحسين استخدام الموارد المتجددة والحد من انبعاثات غازات الاحتباس الحراري.

EESS في دعم الشبكات المصغرة

تلعب أنظمة تخزين الطاقة (ESS) دورًا حاسمًا في تعزيز أداء وموثوقية الشبكات الكهربائية الصغيرة. فهي توفر خدمات أساسية مثل تحسين جودة الطاقة، وتنظيم التردد، ودعم الجهد، والتي تعمل على استقرار الشبكة أثناء الأعطال وتمنع الانقطاعات المتتالية. كما تُمكِّن أنظمة دعم الطاقة الكهربائية والإلكترونية الشبكات المصغرة من دمج مصادر الطاقة المتجددة بكفاءة من خلال تخزين الطاقة الزائدة عندما يكون الإنتاج مرتفعًا وتفريغها عند الحاجة، وبالتالي التغلب على مشكلات التقطع.

في تطبيقات الشبكات المصغرة، يوفر نظام ESS العديد من المزايا الرئيسية:

• مرونة محسّنة: يعمل نظام ESS كمخزن احتياطي، حيث يوفر طاقة احتياطية أثناء انقطاع التيار الكهربائي ويتيح إمكانية عزل الطاقة.
• إدارة الطاقة المحسّنة: فهو يسمح بحفظ الطاقة في أوقات الذروة، وتسوية الأحمال، وموازنة الطاقة، وتحسين تكاليف الطاقة.
• زيادة تكامل الطاقة المتجددة: يسهّل نظام دعم الطاقة المتجددة الكهروضوئية تغلغل مصادر الطاقة المتجددة المتغيرة مثل الطاقة الشمسية وطاقة الرياح.
• استقرار الشبكة: يوفر استجابة سريعة لتنظيم التردد ودعم الجهد، والحفاظ على جودة الطاقة.
• المرونة التشغيلية: تُمكِّن شبكات ESS الشبكات الكهربائية المصغرة من العمل بشكل مستقل أو بالاشتراك مع الشبكة الرئيسية، مما يحسِّن من موثوقية النظام بشكل عام.

التحديات التي تواجه توسيع نطاق EESS للاستخدام العالمي

يواجه توسيع نطاق أنظمة تخزين الطاقة الكهربائية للاستخدام العالمي عدة تحديات كبيرة:

• ارتفاع تكاليف التنفيذ: وعلى الرغم من انخفاض أسعار البطاريات، إلا أن الاستثمار الأولي في مجال الطاقة الكهربائية والميكانيكية على نطاق واسع لا يزال كبيراً. وهذا يمثل تحدياً خاصاً للبلدان النامية والمرافق الأصغر حجماً.
• القيود التقنية: تعاني تقنيات التخزين الحالية من قيود على السعة، مما يعيق قابليتها للتوسع. كما يمثل دمج أنظمة التخزين واسعة النطاق مع شبكات الطاقة الحالية عقبات تقنية.
• ندرة المواد: يعتمد إنتاج البطاريات لتخزين الطاقة على المعادن الأرضية النادرة، مما يثير المخاوف بشأن توافر الموارد والأثر البيئي.
• الحواجز التنظيمية: يؤدي عدم اتساق السياسات وهياكل السوق غير المتناسقة عبر المناطق إلى تعقيد نشر نظام EESS، مما يخلق حالة من عدم اليقين للمستثمرين والمطورين.

ويتطلب التغلب على هذه التحديات استمرار الابتكار التكنولوجي والسياسات الداعمة وزيادة الاستثمار في البحث والتطوير لجعل الوصول إلى خدمات التعليم من أجل البيئة والطاقة أكثر سهولة وكفاءة على نطاق عالمي.

تكاليف نشر EESS

تتباين تكلفة نشر أنظمة تخزين الطاقة الكهربائية (EESS) بشكل كبير بناءً على التكنولوجيا والحجم والتطبيق. بالنسبة لأنظمة تخزين البطاريات على نطاق الشبكة، تراوحت التكاليف الإجمالية المركبة في عام 2021 بين 1 تيرابايت 356 تيرابايت/كيلوواط ساعة إلى 1 تيرابايت 449 تيرابايت/كيلوواط ساعة لأنظمة 100 ميجاوات و10 ساعات، اعتمادًا على كيمياء البطارية. تُظهر التوقعات لعام 2030 انخفاضًا محتملاً في التكلفة، حيث من المتوقع أن تصل بطاريات فوسفات حديد الليثيوم (LFP) إلى $291/كيلوواط ساعة لنظام 100 ميغاواط، 4 ساعات.

تشمل العوامل الرئيسية التي تؤثر على تكاليف نشر نظام EESS ما يلي:

• تكاليف الأجهزة (البطاريات والمحولات ومكونات النظام المتوازنة)
• نفقات التركيب والتشغيل
• تكاليف التشغيل والصيانة المستمرة
• نفقات نهاية العمر الافتراضي، وتقدر بـ 5-101 تيرابايت 3 تيرابايت من التكلفة الأولية للنظام.

ومع تقدم التكنولوجيا وتزايد الإنتاج، من المتوقع أن تنخفض تكاليف تخزين الطاقة الكهربائية والطاقة المتجددة بشكل أكبر، ومن المحتمل أن تصل إلى نطاق $200-$500 / ميغاواط ساعة للتكاليف الإجمالية للتخزين. ومع ذلك، لا تزال هذه التكاليف أعلى من التكاليف المستوية النموذجية لتوليد الكهرباء من مصادر الطاقة المتجددة، مما يسلط الضوء على التحدي المستمر المتمثل في جعل تخزين الطاقة تنافسيًا اقتصاديًا على نطاق واسع.