على مدار الخمسين عامًا الماضية، شهد استهلاك الكهرباء العالمي زيادة مستمرة، حيث يُقدر استهلاكه بحوالي 25,300 تيراواط/ساعة في عام 2021. ومع التحول نحو الصناعة 4.0، يشهد الطلب على الطاقة في جميع أنحاء العالم زيادةً مستمرة. وتتزايد هذه الأرقام سنويًا، دون احتساب متطلبات الطاقة للقطاعات الصناعية وغيرها من القطاعات الاقتصادية. ويصاحب هذا التحول الصناعي وارتفاع استهلاك الطاقة آثارٌ ملموسةٌ لتغير المناخ نتيجةً للانبعاثات المفرطة لغازات الاحتباس الحراري. وتعتمد معظم محطات ومنشآت توليد الطاقة حاليًا بشكل كبير على مصادر الوقود الأحفوري (النفط والغاز) لتلبية هذه الاحتياجات. وتمنع هذه المخاوف المناخية توليد طاقة إضافية باستخدام الطرق التقليدية. وبالتالي، أصبح تطوير أنظمة تخزين طاقة فعّالة وموثوقة أمرًا بالغ الأهمية لضمان إمداد مستمر وموثوق بالطاقة من مصادر متجددة.
استجاب قطاع الطاقة للتحول نحو الطاقة المتجددة أو الحلول "الخضراء". وقد ساهم في هذا التحول تحسين تقنيات التصنيع، مما أدى، على سبيل المثال، إلى زيادة كفاءة تصنيع شفرات توربينات الرياح. كما تمكن الباحثون من تحسين كفاءة الخلايا الكهروضوئية، مما أدى إلى تحسين توليد الطاقة لكل منطقة استخدام. في عام 2021، شهد توليد الكهرباء من مصادر الطاقة الشمسية الكهروضوئية زيادة ملحوظة، حيث وصل إلى رقم قياسي بلغ 179 تيراوات/ساعة، وهو ما يمثل نموًا بنسبة 22% مقارنة بعام 2020. وتمثل تقنية الطاقة الشمسية الكهروضوئية الآن 3.6% من توليد الكهرباء العالمي، وهي حاليًا ثالث أكبر مصدر للطاقة المتجددة بعد الطاقة الكهرومائية وطاقة الرياح.
مع ذلك، لا تُعالج هذه الإنجازات بعضَ العيوب الجوهرية لأنظمة الطاقة المتجددة، وأهمها مشكلة التوافر. فمعظم هذه الطرق لا تُنتج الطاقة عند الطلب، كما هو الحال في محطات توليد الطاقة التي تعمل بالفحم والنفط. فعلى سبيل المثال، تتوفر الطاقة الشمسية على مدار اليوم مع اختلافات تعتمد على زوايا إشعاع الشمس وموقع الألواح الكهروضوئية. ولا تُنتج أي طاقة ليلاً، بينما ينخفض إنتاجها بشكل ملحوظ خلال فصل الشتاء وفي الأيام الغائمة. كما تُعاني طاقة الرياح من التقلبات التي تعتمد على سرعة الرياح. لذلك، يجب ربط هذه الحلول بأنظمة تخزين الطاقة لضمان استمرارية إمدادات الطاقة خلال فترات انخفاض الإنتاج.
ما هي أنظمة تخزين الطاقة؟
يمكن لأنظمة تخزين الطاقة تخزين الطاقة لاستخدامها لاحقًا. في بعض الحالات، يحدث تحويل للطاقة بين الطاقة المخزنة والطاقة المُزوّدة. ومن الأمثلة الشائعة على ذلك البطاريات الكهربائية، مثل بطاريات أيونات الليثيوم أو بطاريات الرصاص الحمضية. فهي تُوفّر الطاقة الكهربائية من خلال تفاعلات كيميائية بين الأقطاب الكهربائية والإلكتروليت.
تُمثل البطاريات، أو نظام تخزين طاقة البطاريات (BESS)، أكثر طرق تخزين الطاقة شيوعًا في تطبيقات الحياة اليومية. هناك أنظمة تخزين أخرى، مثل محطات الطاقة الكهرومائية، التي تُحوّل الطاقة الكامنة للمياه المُخزّنة في السدود إلى طاقة كهربائية. يُدير الماء المتساقط دولاب توربين يُنتج الطاقة الكهربائية. ومن الأمثلة الأخرى الغاز المضغوط، الذي يُحرّك دولاب توربين يُنتج الطاقة عند انطلاقه.
ما يميز البطاريات عن غيرها من طرق التخزين هو مجالات استخدامها المحتملة. بدءًا من الأجهزة الصغيرة وإمدادات الطاقة للسيارات، وصولًا إلى التطبيقات المنزلية ومزارع الطاقة الشمسية الكبيرة، يمكن دمج البطاريات بسلاسة مع أي تطبيق تخزين خارج الشبكة. من ناحية أخرى، تتطلب طرق الطاقة الكهرومائية والهواء المضغوط بنى تحتية ضخمة ومعقدة للتخزين، مما يؤدي إلى تكاليف باهظة تتطلب تطبيقات واسعة النطاق لتبريرها.
حالات الاستخدام لأنظمة التخزين خارج الشبكة.
كما ذُكر سابقًا، تُسهّل أنظمة التخزين خارج الشبكة استخدام مصادر الطاقة المتجددة، مثل الطاقة الشمسية وطاقة الرياح، والاعتماد عليها. ومع ذلك، هناك تطبيقات أخرى يُمكن أن تستفيد بشكل كبير من هذه الأنظمة.
تهدف شبكات الكهرباء في المدن إلى توفير الكمية المناسبة من الطاقة بناءً على العرض والطلب في كل مدينة. وقد تتقلب الطاقة المطلوبة على مدار اليوم. وقد استُخدمت أنظمة التخزين خارج الشبكة لتخفيف التقلبات وتوفير مزيد من الاستقرار في حالات ذروة الطلب. ومن منظور آخر، يمكن أن تكون أنظمة التخزين خارج الشبكة مفيدة للغاية في تعويض أي عطل فني غير متوقع في شبكة الكهرباء الرئيسية أو خلال فترات الصيانة المجدولة. فهي قادرة على تلبية احتياجات الطاقة دون الحاجة إلى البحث عن مصادر طاقة بديلة. ويمكن الاستشهاد على سبيل المثال بالعاصفة الجليدية التي ضربت تكساس في أوائل فبراير 2023 والتي تركت حوالي 262,000 شخص بدون كهرباء، بينما تأخرت الإصلاحات بسبب سوء الأحوال الجوية.
المركبات الكهربائية تطبيق آخر. بذل الباحثون جهودًا كبيرة لتحسين تصنيع البطاريات واستراتيجيات شحنها وتفريغها لإطالة عمرها الافتراضي وكثافة طاقتها. وكانت بطاريات أيون الليثيوم في طليعة هذه الثورة الصغيرة، واستُخدمت على نطاق واسع في السيارات الكهربائية الجديدة، وكذلك الحافلات الكهربائية. في هذه الحالة، يمكن للبطاريات الأفضل أن تُسهم في قطع مسافات أطول، مع تقليل أوقات الشحن باستخدام التقنيات المناسبة.
استفادت التطورات التكنولوجية الأخرى، مثل الطائرات بدون طيار والروبوتات المتنقلة، بشكل كبير من تطوير البطاريات. تعتمد استراتيجيات حركتها وتحكمها بشكل كبير على سعة البطارية والطاقة المُقدمة.
ما هو BESS
نظام تخزين طاقة البطارية (BESS) هو نظام تخزين طاقة يُستخدم لتخزين الطاقة. يمكن الحصول على هذه الطاقة من الشبكة الرئيسية أو من مصادر طاقة متجددة مثل طاقة الرياح والطاقة الشمسية. يتكون النظام من عدة بطاريات مرتبة بتكوينات مختلفة (متسلسلة/متوازية) وأحجام مختلفة حسب الاحتياجات. تتصل هذه البطاريات بعاكس لتحويل التيار المستمر إلى تيار متردد للاستخدام.نظام إدارة البطارية (BMS)يتم استخدامه لمراقبة حالة البطارية وعملية الشحن/التفريغ.
وبالمقارنة بأنظمة تخزين الطاقة الأخرى، فهي مرنة بشكل خاص في التركيب/التوصيل ولا تتطلب بنية تحتية باهظة الثمن، ولكنها لا تزال تأتي بتكلفة كبيرة وتتطلب صيانة أكثر انتظامًا بناءً على الاستخدام.
عادات استخدام وحجم BESS
من النقاط المهمة التي يجب مراعاتها عند تركيب نظام تخزين طاقة البطارية تحديد الحجم. كم عدد البطاريات اللازمة؟ وبأي تكوين؟ في بعض الحالات، يلعب نوع البطارية دورًا حاسمًا على المدى الطويل من حيث توفير التكلفة والكفاءة.
ويتم ذلك على أساس كل حالة على حدة، حيث يمكن أن تتراوح التطبيقات من الأسر الصغيرة إلى المصانع الصناعية الكبيرة.
يُعدّ استخدام الألواح الكهروضوئية مصدر الطاقة المتجددة الأكثر شيوعًا للمنازل الصغيرة، وخاصةً في المناطق الحضرية. يُراعي المهندس عادةً متوسط استهلاك الطاقة في المنزل، ويُقيّم الإشعاع الشمسي على مدار العام في الموقع المُحدد. يُختار عدد البطاريات وتكوين شبكتها بما يتناسب مع احتياجات المنزل خلال أدنى مستوى للطاقة الشمسية خلال العام، مع عدم استنزاف البطاريات تمامًا. هذا بافتراض وجود حل يضمن استقلالية تامة عن الشبكة الرئيسية.
الحفاظ على مستوى شحن معتدل نسبيًا أو عدم تفريغ البطاريات تمامًا أمرٌ قد يبدو غير بديهي للوهلة الأولى. ففي النهاية، لماذا نستخدم نظام تخزين إذا لم نتمكن من استغلال كامل إمكاناته؟ نظريًا، هذا ممكن، ولكنه قد لا يكون الاستراتيجية الأمثل لتحقيق أقصى عائد على الاستثمار.
من أهم عيوب نظام BESS ارتفاع تكلفة البطاريات نسبيًا. لذلك، يُعد اختيار طريقة استخدام أو استراتيجية شحن/تفريغ مناسبة تُطيل عمر البطارية أمرًا بالغ الأهمية. على سبيل المثال، لا يُمكن تفريغ بطاريات الرصاص الحمضية إلى أقل من 50% من سعتها دون التعرض لتلف لا رجعة فيه. تتميز بطاريات الليثيوم أيون بكثافة طاقة أعلى وعمر دورة حياة طويل. كما يُمكن تفريغها لمسافات أطول، ولكن هذا يأتي بتكلفة أعلى. هناك تباين كبير في التكلفة بين مختلف المواد الكيميائية، حيث يُمكن أن تكون بطاريات الرصاص الحمضية أرخص بمئات إلى آلاف الدولارات من بطاريات الليثيوم أيون من نفس الحجم. ولهذا السبب، تُعتبر بطاريات الرصاص الحمضية الأكثر استخدامًا في تطبيقات الطاقة الشمسية في دول العالم الثالث والمجتمعات الفقيرة.
يتأثر أداء البطارية بشكل كبير بالتدهور خلال عمرها الافتراضي، فلا يكون أداؤها ثابتًا وينتهي بعطل مفاجئ. بل قد تتلاشى السعة والشحنة المُقدمة تدريجيًا. عمليًا، يُعتبر عمر البطارية قد استنفد عندما تصل سعتها إلى 80% من سعتها الأصلية، أي عندما تنخفض سعتها بنسبة 20%. عمليًا، يعني هذا انخفاضًا في كمية الطاقة المُقدمة. قد يؤثر هذا على فترات استخدام الأنظمة المستقلة تمامًا، وعلى المسافة المقطوعة التي يمكن للسيارة الكهربائية قطعها.
من النقاط المهمة الأخرى التي يجب مراعاتها السلامة. فمع التقدم في التصنيع والتكنولوجيا، أصبحت البطاريات الحديثة أكثر استقرارًا كيميائيًا. ومع ذلك، نظرًا لتاريخ التلف وسوء الاستخدام، قد تتسرب الخلايا حراريًا، مما قد يؤدي إلى نتائج كارثية، وفي بعض الحالات يُعرّض حياة المستهلكين للخطر.
ولهذا السبب قامت الشركات بتطوير برامج أفضل لمراقبة البطارية (BMS) للتحكم في استخدام البطارية ولكن أيضًا لمراقبة الحالة الصحية من أجل توفير الصيانة في الوقت المناسب وتجنب العواقب المتفاقمة.
خاتمة
تُتيح أنظمة تخزين الطاقة الشبكية فرصةً قيّمةً لتحقيق استقلالية الطاقة عن الشبكة الرئيسية، كما تُوفر مصدرًا احتياطيًا للطاقة خلال فترات انقطاع التيار الكهربائي وذروة الأحمال. وسيُسهّل تطويرها التحول نحو مصادر طاقة أكثر مراعاةً للبيئة، مما يُقلل من تأثير توليد الطاقة على تغير المناخ، مع الاستمرار في تلبية احتياجات الطاقة في ظل النمو المُستمر في الاستهلاك.
تُعد أنظمة تخزين طاقة البطاريات الأكثر استخدامًا والأسهل في التكوين لمختلف التطبيقات اليومية. وتُقابل مرونتها العالية تكلفتها المرتفعة نسبيًا، مما يُؤدي إلى تطوير استراتيجيات مراقبة لإطالة عمرها الافتراضي قدر الإمكان. ويبذل قطاعا الصناعة والأوساط الأكاديمية حاليًا جهودًا كبيرة لدراسة وفهم تدهور البطاريات في ظل ظروف مختلفة.
مقالة ذات صلة:
حلول الطاقة المخصصة - مناهج ثورية للوصول إلى الطاقة
تعظيم الاستفادة من الطاقة المتجددة: دور تخزين طاقة البطاريات
التطورات في تكنولوجيا البطاريات لأنظمة تخزين الطاقة البحرية
