سیستم‌های ذخیره انرژی الکتریکی (EESS) فناوری‌هایی هستند که برای جذب و ذخیره انرژی الکتریکی برای استفاده‌های بعدی طراحی شده‌اند و نقش مهمی در متعادل کردن عرضه و تقاضای برق، به ویژه در زمینه منابع انرژی تجدیدپذیر مانند خورشید و باد، ایفا می‌کنند.
اعتبار به EIA.ORG
EESS چیست؟
سیستم‌های ذخیره انرژی الکتریکی (EESS) فناوری‌های نوآورانه‌ای هستند که امکان ذخیره برق تولید شده از منابع مختلف، از جمله انرژی‌های تجدیدپذیر، را برای استفاده در زمان‌های بعدی فراهم می‌کنند. این سیستم‌ها نقش حیاتی در رفع چالش‌های تولید برق متناوب و تقاضای نوسانی ایفا می‌کنند. EESS با تبدیل انرژی الکتریکی به سایر اشکال انرژی قابل ذخیره و سپس بازگشت به برق در صورت نیاز، به تثبیت شبکه برق و افزایش قابلیت اطمینان تأمین برق کمک می‌کند. این قابلیت به ویژه برای ادغام منابع انرژی تجدیدپذیر مانند خورشید و باد، که ذاتاً خروجی متغیری دارند، در زیرساخت‌های گسترده‌تر انرژی بسیار مهم است.
عملکردهای کلیدی EESS
- اصلاح اوج و تراز کردن بار: سیستم‌های ذخیره انرژی الکتریکی (EESS) انرژی اضافی را در دوره‌های کم‌مصرف ذخیره و در زمان‌های اوج مصرف تخلیه می‌کنند، که این امر منحنی‌های بار برق را هموار کرده و راندمان شبکه را بهبود می‌بخشد.
- پایداری شبکه: این سیستم‌ها تنظیم سریع فرکانس و پشتیبانی ولتاژ را فراهم می‌کنند و کیفیت توان و قابلیت اطمینان شبکه را حفظ می‌کنند.
- ادغام انرژی‌های تجدیدپذیر: سیستم ذخیره انرژی تجدیدپذیر (EESS) با ذخیره انرژی اضافی برای استفاده در مواقع کم بودن تولید، تناوب منابع تجدیدپذیر را کاهش می‌دهد و نفوذ بیشتر انرژی پاک را تسهیل می‌کند.
- انعطاف‌پذیری و پشتیبانی: در طول قطعی برق یا موارد اضطراری، EESS برق پشتیبان حیاتی ارائه می‌دهد و انعطاف‌پذیری کلی شبکه را افزایش می‌دهد.
- کاهش هزینه: با فعال کردن آربیتراژ انرژی و کاهش وابستگی به نیروگاه‌های گران‌قیمت، EESS به کاهش هزینه‌های کلی انرژی برای مصرف‌کنندگان و شرکت‌های برق کمک می‌کند.
انواع سیستم‌های ذخیره انرژی
سیستم‌های ذخیره انرژی شامل فناوری‌های متنوعی هستند که هر کدام ویژگی‌ها و کاربردهای منحصر به فردی دارند:
- سیستم‌های ذخیره انرژی باتری (BESS): این سیستم‌ها که عمدتاً از باتری‌های لیتیوم-یونی استفاده می‌کنند، به دلیل چگالی انرژی بالا و هزینه‌های رو به کاهش، بر بازار تسلط دارند. انواع دیگر باتری شامل باتری‌های حالت جامد و جریانی هستند.
- ذخیره‌سازی مکانیکی: این دسته شامل ذخیره‌سازی برق آبی پمپ‌شده، که از برق اضافی برای پمپاژ آب به ارتفاعات بالاتر استفاده می‌کند، و ذخیره‌سازی انرژی هوای فشرده (CAES)، که در آن هوا در غارهای زیرزمینی فشرده می‌شود، می‌شود.
پروژه ذخیره‌سازی مکانیکی موسسه تحقیقاتی جنوب غربی
- ذخیره انرژی حرارتی: این سیستم‌ها انرژی را به شکل گرما، مانند نمک مذاب، یا سرما، مانند یخ، برای استفاده‌های بعدی در کاربردهای گرمایشی یا سرمایشی ذخیره می‌کنند.
- ذخیره انرژی چرخ طیار: این فناوری انرژی جنبشی را در یک جرم چرخان ذخیره می‌کند که برای کاربردهای کوتاه‌مدت که نیاز به آزادسازی سریع انرژی دارند، مناسب است.
پروژه ذخیره انرژی چرخ طیار در شنژن چین
مقایسه سیستم ذخیره‌سازی
سیستم‌های ذخیره انرژی باتری (BESS) مزایای متمایزی نسبت به سایر سیستم‌های ذخیره انرژی، به ویژه از نظر چگالی انرژی و تطبیق‌پذیری، ارائه می‌دهند. BESS، به ویژه آن‌هایی که از فناوری لیتیوم-یون استفاده می‌کنند، در مقایسه با گزینه‌های دیگری مانند ابرخازن‌ها، چگالی انرژی بالاتری ارائه می‌دهند و امکان راه‌حل‌های ذخیره‌سازی فشرده‌تر و کارآمدتری را فراهم می‌کنند. برخلاف سیستم‌های مکانیکی مانند ذخیره‌سازی آب پمپ‌شده یا هوای فشرده، BESS را می‌توان به راحتی در محیط‌های مختلف، از کاربردهای مسکونی گرفته تا کاربردهای عمومی، مقیاس‌بندی و مستقر کرد.
با این حال، BESS در مقایسه با برخی از جایگزین‌ها، از نظر طول عمر چرخه‌ای و ذخیره‌سازی طولانی‌مدت با چالش‌هایی روبرو است. به عنوان مثال، باتری‌های جریانی طول عمر طولانی‌تر و قابلیت تخلیه عمیق بدون آسیب را ارائه می‌دهند که آنها را برای خدمات طولانی‌تر مناسب می‌کند. ابرخازن‌ها، در حالی که چگالی انرژی کمتری دارند، از نظر قابلیت‌های شارژ و تخلیه سریع برتری دارند و آنها را برای کاربردهای توان بالا و کوتاه‌مدت ایده‌آل می‌کنند. انتخاب بین BESS و سایر سیستم‌های ذخیره‌سازی در نهایت به الزامات خاص کاربرد، از جمله ظرفیت انرژی، توان خروجی، زمان پاسخ و ملاحظات هزینه بستگی دارد.
درباره BESS بیشتر بدانید
رسانه‌های ذخیره‌سازی انرژی
رسانه‌های ذخیره‌سازی انرژی الکتریکی شامل فناوری‌های متنوعی هستند که برای ذخیره انرژی الکتریکی برای استفاده‌های بعدی طراحی شده‌اند. رایج‌ترین انواع عبارتند از:
- باتری‌های الکتروشیمیایی: این باتری‌ها شامل باتری‌های لیتیوم-یون، سرب-اسید و باتری‌های جریانی می‌شوند. باتری‌های لیتیوم-یون به دلیل چگالی انرژی بالا و هزینه‌های رو به کاهش، بازار را در دست دارند.
- خازن‌ها و ابرخازن‌ها: این دستگاه‌ها انرژی را در یک میدان الکتریکی ذخیره می‌کنند و برای کاربردهای شارژ و دشارژ سریع مناسب هستند.
- ذخیره‌سازی انرژی مغناطیسی ابررسانا (SMES): این فناوری انرژی را در یک میدان مغناطیسی ایجاد شده توسط جریان مستقیم در یک سیم‌پیچ ابررسانا ذخیره می‌کند.
- ذخیره سازی حرارتی: سیستم‌هایی مانند نمک مذاب یا ذخیره یخ، انرژی الکتریکی را برای استفاده‌های بعدی به انرژی حرارتی تبدیل می‌کنند.
کاربردهای EESS
سیستم‌های ذخیره انرژی الکتریکی کاربردهای متنوعی در بخش‌های مختلف دارند. در شبکه برق، آنها نقش مهمی در تثبیت عرضه و تقاضا، به ویژه هنگام ادغام منابع انرژی تجدیدپذیر متناوب، ایفا می‌کنند. EESS امکان تغییر زمان مصرف انرژی را فراهم می‌کند و به کاربران این امکان را می‌دهد که در ساعات غیر اوج مصرف، برق را برای استفاده در دوره‌های اوج تقاضا ذخیره کنند. این سیستم‌ها همچنین اجزای حیاتی در ریزشبکه‌ها هستند و در هنگام قطع برق، برق پشتیبان فراهم می‌کنند و تاب‌آوری کلی شبکه را افزایش می‌دهند. در بخش حمل و نقل، فناوری‌های EESS، به ویژه سیستم‌های باتری، برای عملکرد وسایل نقلیه الکتریکی اساسی هستند. علاوه بر این، EESS با کمک به مدیریت بارهای اوج و کاهش هزینه‌های انرژی، از کاربردهای صنعتی و تجاری پشتیبانی می‌کند.
مزایای EESS
پیاده‌سازی سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی الکتریکی مزایای بی‌شماری را برای مدیریت انرژی و پایداری ارائه می‌دهد. این سیستم‌ها با ایجاد تعادل بین عرضه و تقاضا، به پایداری شبکه کمک می‌کنند و نیاز به نیروگاه‌های پرهزینه در اوج مصرف را کاهش می‌دهند. EESS ادغام بیشتر منابع انرژی تجدیدپذیر را تسهیل می‌کند و به کاهش مشکلات تناوبی مرتبط با انرژی خورشیدی و بادی کمک می‌کند. EESS با فراهم کردن امکان ذخیره انرژی در دوره‌های کم‌هزینه و استفاده از آن در زمان‌های پرمصرف، می‌تواند منجر به صرفه‌جویی قابل توجهی در هزینه‌ها شود. علاوه بر این، این سیستم‌ها با ارائه پشتیبان در طول قطعی برق، قابلیت اطمینان برق را افزایش می‌دهند و با بهینه‌سازی استفاده از منابع تجدیدپذیر و کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای به پایداری محیط زیست کمک می‌کنند.
EESS در پشتیبانی از ریزشبکه
سیستم‌های ذخیره انرژی (ESS) نقش حیاتی در افزایش عملکرد و قابلیت اطمینان ریزشبکه‌ها ایفا می‌کنند. آنها خدمات ضروری مانند بهبود کیفیت توان، تنظیم فرکانس و پشتیبانی ولتاژ را ارائه می‌دهند که باعث تثبیت شبکه در هنگام اختلالات و جلوگیری از قطعی‌های متوالی می‌شود. ESS همچنین ریزشبکه‌ها را قادر می‌سازد تا با ذخیره انرژی اضافی در زمان تولید بالا و تخلیه آن در زمان نیاز، منابع انرژی تجدیدپذیر را به طور مؤثر ادغام کنند و در نتیجه بر مشکلات تناوب غلبه کنند.
در کاربردهای ریزشبکه، ESS چندین مزیت کلیدی ارائه می‌دهد:
- بهبود تاب‌آوری: ESS به عنوان یک بافر عمل می‌کند، در هنگام قطعی برق، برق پشتیبان فراهم می‌کند و قابلیت‌های جزیره‌ای را فعال می‌کند.
- مدیریت انرژی پیشرفته: این امکان را برای اصلاح اوج مصرف، تراز کردن بار و آربیتراژ انرژی فراهم می‌کند و هزینه‌های انرژی را بهینه می‌سازد.
- افزایش ادغام انرژی‌های تجدیدپذیر: ESS نفوذ بیشتر منابع تجدیدپذیر متغیر مانند خورشید و باد را تسهیل می‌کند.
- پایداری شبکه: این سیستم، پاسخ سریعی برای تنظیم فرکانس و پشتیبانی ولتاژ فراهم می‌کند و کیفیت توان را حفظ می‌نماید.
- انعطاف‌پذیری عملیاتی: ESS ریزشبکه‌ها را قادر می‌سازد تا به طور مستقل یا همراه با شبکه اصلی عمل کنند و قابلیت اطمینان کلی سیستم را بهبود بخشند.
چالش‌های مقیاس‌پذیری EESS برای استفاده جهانی
افزایش مقیاس سیستم‌های ذخیره انرژی الکتریکی (EESS) برای استفاده جهانی با چندین چالش مهم روبرو است:
- هزینه‌های بالای اجرا: علیرغم کاهش قیمت باتری، سرمایه‌گذاری اولیه برای EESS در مقیاس بزرگ همچنان قابل توجه است. این امر به ویژه برای کشورهای در حال توسعه و شرکت‌های کوچک‌تر چالش برانگیز است.
- محدودیت‌های فنی: فناوری‌های ذخیره‌سازی فعلی محدودیت‌های ظرفیت دارند که مانع از مقیاس‌پذیری آنها می‌شود. ادغام سیستم‌های ذخیره‌سازی در مقیاس بزرگ با شبکه‌های برق موجود نیز موانع فنی را ایجاد می‌کند.
- کمبود مواد: تولید باتری‌ها برای ذخیره انرژی به مواد معدنی کمیاب وابسته است و همین امر نگرانی‌هایی را در مورد دسترسی به منابع و تأثیرات زیست‌محیطی ایجاد می‌کند.
- موانع نظارتی: سیاست‌ها و ساختارهای بازار متناقض در مناطق مختلف، استقرار EESS را پیچیده می‌کند و باعث ایجاد عدم اطمینان برای سرمایه‌گذاران و توسعه‌دهندگان می‌شود.
غلبه بر این چالش‌ها مستلزم نوآوری‌های تکنولوژیکی مداوم، سیاست‌های حمایتی و افزایش سرمایه‌گذاری در تحقیق و توسعه است تا EESS در مقیاس جهانی قابل دسترس‌تر و کارآمدتر شود.
هزینه‌های استقرار EESS
هزینه استقرار سیستم‌های ذخیره انرژی الکتریکی (EESS) بسته به فناوری، مقیاس و کاربرد، به طور قابل توجهی متفاوت است. برای سیستم‌های ذخیره‌سازی باتری در مقیاس شبکه، کل هزینه‌های نصب شده در سال 2021 از $356/kWh تا $449/kWh برای سیستم‌های 100 مگاواتی و 10 ساعته، بسته به ترکیب شیمیایی باتری، متغیر بود. پیش‌بینی‌ها برای سال 2030 نشان‌دهنده کاهش بالقوه هزینه‌ها است، به طوری که انتظار می‌رود باتری‌های لیتیوم آهن فسفات (LFP) برای یک سیستم 100 مگاواتی و 4 ساعته به $291/kWh برسند.
عوامل کلیدی مؤثر بر هزینه‌های استقرار EESS عبارتند از:
- هزینه‌های سخت‌افزاری (باتری‌ها، اینورترها، تعادل اجزای سیستم)
- هزینه‌های نصب و راه‌اندازی
- هزینه‌های جاری بهره‌برداری و نگهداری
- هزینه‌های پایان عمر، تخمین زده شده در حدود ۵-۱۰۱TP3T از هزینه اولیه سیستم.
با پیشرفت فناوری و افزایش مقیاس تولید، انتظار می‌رود هزینه‌های EESS بیشتر کاهش یابد و به طور بالقوه به محدوده $200-$500/MWh برای هزینه‌های کلی ترازبندی شده ذخیره‌سازی برسد. با این حال، این هزینه‌ها همچنان بالاتر از هزینه‌های ترازبندی شده معمول تولید برق از منابع تجدیدپذیر هستند که چالش مداوم رقابتی کردن ذخیره‌سازی انرژی از نظر اقتصادی در مقیاس بزرگ را برجسته می‌کند.
