كيفية تخزين الكهرباء خارج الشبكة؟

على مدى الخمسين عامًا الماضية، شهد استهلاك الكهرباء العالمي ارتفاعًا متواصلًا، حيث قُدّر الاستهلاك بنحو 25,300 تيراواط/ساعة في عام 2021. ومع التحول نحو الثورة الصناعية الرابعة، يزداد الطلب على الطاقة في جميع أنحاء العالم. وتتزايد هذه الأرقام سنويًا، دون احتساب احتياجات الطاقة للقطاعات الصناعية والاقتصادية الأخرى. ويرتبط هذا التحول الصناعي واستهلاك الطاقة المرتفع بآثار ملموسة لتغير المناخ نتيجة الانبعاثات المفرطة للغازات الدفيئة. وتعتمد معظم محطات توليد الطاقة حاليًا بشكل كبير على مصادر الوقود الأحفوري (النفط والغاز) لتلبية هذا الطلب. وتمنع هذه المخاوف المناخية توليد المزيد من الطاقة باستخدام الطرق التقليدية. لذا، أصبح تطوير أنظمة تخزين طاقة فعالة وموثوقة ذا أهمية متزايدة لضمان إمداد مستمر وموثوق للطاقة من مصادر متجددة.

استجاب قطاع الطاقة بالتحول نحو الطاقة المتجددة أو الحلول "الخضراء". وقد ساهم تحسين تقنيات التصنيع في هذا التحول، مما أدى، على سبيل المثال، إلى زيادة كفاءة تصنيع شفرات توربينات الرياح. كما تمكن الباحثون من تحسين كفاءة الخلايا الكهروضوئية، مما أدى إلى زيادة إنتاج الطاقة لكل وحدة مساحة. في عام 2021، ارتفع إنتاج الكهرباء من مصادر الطاقة الشمسية الكهروضوئية بشكل ملحوظ، مسجلاً رقماً قياسياً بلغ 179 تيراواط/ساعة، بنسبة نمو بلغت 22% مقارنة بعام 2020. وتمثل تقنية الطاقة الشمسية الكهروضوئية حالياً 3.6% من إنتاج الكهرباء العالمي، وتُعد ثالث أكبر مصدر للطاقة المتجددة بعد الطاقة الكهرومائية وطاقة الرياح.

مع ذلك، لا تُعالج هذه الإنجازات بعض العيوب المتأصلة في أنظمة الطاقة المتجددة، وأهمها التوافر. فمعظم هذه الطرق لا تُنتج الطاقة عند الطلب كما تفعل محطات توليد الطاقة بالفحم والنفط. على سبيل المثال، تتوفر الطاقة الشمسية طوال اليوم مع اختلافات تبعًا لزوايا إشعاع الشمس وموقع الألواح الكهروضوئية. ولا يُمكنها إنتاج أي طاقة خلال الليل، بينما ينخفض إنتاجها بشكل ملحوظ خلال فصل الشتاء وفي الأيام الغائمة. كما تُعاني طاقة الرياح من تقلبات تبعًا لسرعة الرياح. لذا، يجب ربط هذه الحلول بأنظمة تخزين الطاقة لضمان استدامة إمدادات الطاقة خلال فترات انخفاض الإنتاج.

ما هي أنظمة تخزين الطاقة؟

تستطيع أنظمة تخزين الطاقة تخزين الطاقة لاستخدامها لاحقًا. وفي بعض الحالات، يحدث نوع من تحويل الطاقة بين الطاقة المخزنة والطاقة المُزوَّدة. ومن الأمثلة الشائعة على ذلك البطاريات الكهربائية، مثل بطاريات الليثيوم أيون أو بطاريات الرصاص الحمضية. فهي تُزوِّد الطاقة الكهربائية عن طريق تفاعلات كيميائية بين الأقطاب الكهربائية والإلكتروليت.

تُعدّ البطاريات، أو أنظمة تخزين الطاقة بالبطاريات، أكثر طرق تخزين الطاقة شيوعًا في التطبيقات اليومية. وهناك أنظمة تخزين أخرى، مثل محطات الطاقة الكهرومائية التي تحوّل الطاقة الكامنة للمياه المخزّنة في السدود إلى طاقة كهربائية. فعند سقوط المياه، يدور دولاب التوربين الذي يُنتج الطاقة الكهربائية. ومن الأمثلة الأخرى الغاز المضغوط، فعند إطلاقه، يدور دولاب التوربين مُنتجًا الطاقة.

ما يُميّز البطاريات عن طرق التخزين الأخرى هو نطاق استخدامها الواسع. فمن الأجهزة الصغيرة وتزويد السيارات بالطاقة إلى التطبيقات المنزلية ومحطات الطاقة الشمسية الكبيرة، يُمكن دمج البطاريات بسلاسة في أي تطبيق تخزين خارج الشبكة. في المقابل، تتطلب طرق الطاقة الكهرومائية والهواء المضغوط بنى تحتية ضخمة ومعقدة للتخزين، مما يؤدي إلى تكاليف باهظة تتطلب تطبيقات واسعة النطاق لتبرير استخدامها.

حالات استخدام أنظمة التخزين خارج الشبكة.

كما ذكرنا سابقاً، يمكن لأنظمة التخزين خارج الشبكة أن تسهل استخدام مصادر الطاقة المتجددة والاعتماد عليها، مثل الطاقة الشمسية وطاقة الرياح. ومع ذلك، توجد تطبيقات أخرى يمكن 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 يتذبذب الطلب على الطاقة على مدار اليوم. تُستخدم أنظمة تخزين الطاقة خارج الشبكة للتخفيف من هذه التذبذبات وتوفير مزيد من الاستقرار في حالات ذروة الطلب. من منظور آخر، يمكن أن تكون أنظمة تخزين الطاقة خارج الشبكة مفيدة للغاية للتعويض عن أي عطل فني غير متوقع في شبكة الكهرباء الرئيسية أو خلال فترات الصيانة الدورية. فهي قادرة على تلبية احتياجات الطاقة دون الحاجة إلى البحث عن مصادر طاقة بديلة. على سبيل المثال، يمكن الاستشهاد بعاصفة الجليد التي ضربت تكساس في أوائل فبراير 2023، والتي تسببت في انقطاع التيار الكهربائي عن حوالي 262 ألف شخص، بينما تأخرت أعمال الإصلاح بسبب سوء الأحوال الجوية.

تُعدّ المركبات الكهربائية تطبيقًا آخر. وقد بذل الباحثون جهودًا حثيثة لتحسين تصنيع البطاريات واستراتيجيات الشحن والتفريغ بهدف إطالة عمرها وزيادة كثافة طاقتها. وقد تصدّرت بطاريات الليثيوم أيون هذه الثورة الصغيرة، واستُخدمت على نطاق واسع في السيارات الكهربائية الحديثة، وكذلك في الحافلات الكهربائية. وفي هذه الحالة، يمكن للبطاريات المحسّنة، باستخدام التقنيات المناسبة، أن تُحسّن من مدى سيرها، وتقلل من أوقات الشحن.

استفادت التطورات التكنولوجية الأخرى، مثل الطائرات بدون طيار والروبوتات المتنقلة، بشكل كبير من تطوير البطاريات. وتعتمد استراتيجيات الحركة والتحكم فيها بشكل كبير على سعة البطارية والطاقة التي توفرها.

ما هو نظام BESS؟

نظام تخزين الطاقة بالبطاريات (BESS) هو نظام لتخزين الطاقة يُستخدم لتخزين الطاقة. يمكن الحصول على هذه الطاقة من الشبكة الرئيسية أو من مصادر الطاقة المتجددة مثل طاقة الرياح والطاقة الشمسية. يتكون النظام من عدة بطاريات مرتبة بتكوينات مختلفة (على التوالي/على التوازي) وبأحجام مختلفة حسب الاحتياجات. يتم توصيل هذه البطاريات بمحول تيار يُستخدم لتحويل التيار المستمر إلى تيار متردد للاستخدام.نظام إدارة البطارية (BMS)يُستخدم لمراقبة حالة البطارية وعملية الشحن/التفريغ.

بالمقارنة مع أنظمة تخزين الطاقة الأخرى، فإنها تتميز بمرونة خاصة في وضعها وتوصيلها ولا تتطلب بنية تحتية باهظة الثمن، ولكنها لا تزال تأتي بتكلفة كبيرة وتتطلب صيانة أكثر انتظامًا بناءً على الاستخدام.

مقاسات BESS وعادات الاستخدام

تُعدّ مسألة تحديد حجم نظام تخزين الطاقة بالبطاريات نقطةً بالغة الأهمية. ما عدد البطاريات المطلوبة؟ وما هو التكوين الأمثل لها؟ في بعض الحالات، قد يلعب نوع البطارية دورًا حاسمًا على المدى الطويل من حيث توفير التكاليف وزيادة الكفاءة.

يتم ذلك على أساس كل حالة على حدة، حيث يمكن أن تتراوح التطبيقات من المنازل الصغيرة إلى المصانع الصناعية الكبيرة.

يُعدّ استخدام الألواح الكهروضوئية لتوليد الطاقة الشمسية المصدر الأكثر شيوعًا للطاقة المتجددة للأسر الصغيرة، لا سيما في المناطق الحضرية. ويأخذ المهندس في الاعتبار عادةً متوسط استهلاك الطاقة في المنزل، ويُقيّم الإشعاع الشمسي على مدار العام في الموقع المحدد. ويتم اختيار عدد البطاريات وتكوين شبكتها بما يتناسب مع احتياجات المنزل خلال فترات انخفاض إنتاج الطاقة الشمسية، مع الحرص على عدم استنزاف البطاريات بالكامل. ويفترض هذا الحل تحقيق استقلالية تامة عن الشبكة الرئيسية للطاقة.

قد يبدو الحفاظ على مستوى شحن معتدل نسبيًا أو عدم تفريغ البطاريات بالكامل أمرًا غير منطقي للوهلة الأولى. ففي النهاية، ما جدوى استخدام نظام تخزين إذا لم نتمكن من استغلال كامل طاقته؟ نظريًا، هذا ممكن، لكنه قد لا يكون الاستراتيجية الأمثل لتحقيق أقصى عائد على الاستثمار.

من أبرز عيوب أنظمة تخزين الطاقة بالبطاريات ارتفاع تكلفة البطاريات نسبيًا. لذا، يُعدّ اختيار نمط استخدام أو استراتيجية شحن/تفريغ تُطيل عمر البطارية أمرًا بالغ الأهمية. على سبيل المثال، لا يُمكن تفريغ بطاريات الرصاص الحمضية إلى أقل من 50% من سعتها دون أن تتعرض لتلف لا يُمكن إصلاحه. تتميز بطاريات الليثيوم أيون بكثافة طاقة أعلى وعمر دورة أطول، كما يُمكن تفريغها باستخدام نطاقات أوسع، ولكن ذلك يأتي بتكلفة أعلى. يوجد تفاوت كبير في التكلفة بين أنواع البطاريات المختلفة، فقد تكون بطاريات الرصاص الحمضية أرخص بمئات أو آلاف الدولارات من بطاريات الليثيوم أيون من نفس الحجم. لهذا السبب، تُعدّ بطاريات الرصاص الحمضية الأكثر استخدامًا في تطبيقات الطاقة الشمسية في دول العالم الثالث والمجتمعات الفقيرة.

يتأثر أداء البطارية بشكل كبير بالتدهور خلال عمرها الافتراضي، فهي لا تتمتع بأداء ثابت ينتهي بعطل مفاجئ. بل تتناقص سعتها وقدرتها على توفير الطاقة تدريجيًا. عمليًا، يُعتبر عمر البطارية قد انتهى عندما تصل سعتها إلى 80% من سعتها الأصلية، أي عندما تنخفض سعتها بنسبة 20%. وهذا يعني عمليًا انخفاض كمية الطاقة التي يمكن توفيرها، مما قد يؤثر على فترات استخدام الأنظمة المستقلة تمامًا وعلى المسافة التي تقطعها السيارة الكهربائية.

هناك نقطة أخرى جديرة بالاعتبار وهي السلامة. فمع التطورات في التصنيع والتكنولوجيا، أصبحت البطاريات الحديثة أكثر استقرارًا كيميائيًا بشكل عام. ومع ذلك، ونظرًا للتدهور وسوء الاستخدام، قد تتعرض الخلايا لارتفاع حاد في درجة الحرارة، مما قد يؤدي إلى نتائج كارثية، وفي بعض الحالات يُعرّض حياة المستهلكين للخطر.

ولهذا السبب قامت الشركات بتطوير برامج أفضل لمراقبة البطاريات (BMS) للتحكم في استخدام البطارية ولكن أيضًا لمراقبة حالتها الصحية من أجل توفير الصيانة في الوقت المناسب وتجنب العواقب الوخيمة.

خاتمة

تُتيح أنظمة تخزين الطاقة فرصةً عظيمةً لتحقيق الاستقلال عن الشبكة الرئيسية، فضلاً عن توفير مصدر احتياطي للطاقة خلال فترات انقطاع التيار الكهربائي وأوقات ذروة الاستهلاك. ومن شأن تطوير هذه الأنظمة أن يُسهّل التحوّل نحو مصادر طاقة أنظف، وبالتالي الحدّ من تأثير توليد الطاقة على تغيّر المناخ، مع تلبية احتياجات الطاقة في ظلّ النموّ المطّرد في الاستهلاك.

تُعدّ أنظمة تخزين الطاقة بالبطاريات الأكثر شيوعًا والأسهل في التكوين لمختلف التطبيقات اليومية. إلا أن مرونتها العالية تُقابلها تكلفة مرتفعة نسبيًا، مما يدفع إلى تطوير استراتيجيات مراقبة لإطالة عمرها الافتراضي قدر الإمكان. حاليًا، يبذل القطاعان الصناعي والأكاديمي جهودًا حثيثة لدراسة وفهم تدهور البطاريات في ظل ظروف مختلفة.