چگونه برق را خارج از شبکه ذخیره کنیم؟

در طول ۵۰ سال گذشته، مصرف جهانی برق به طور مداوم افزایش یافته است، به طوری که تخمین زده می‌شود در سال ۲۰۲۱ حدود ۲۵۳۰۰ تراوات ساعت مصرف شود. با گذار به سمت صنعت ۴.۰، تقاضای انرژی در سراسر جهان افزایش می‌یابد. این اعداد هر ساله در حال افزایش هستند، که شامل نیازهای برق بخش‌های صنعتی و سایر بخش‌های اقتصادی نمی‌شود. این تغییر صنعتی و مصرف بالای برق با اثرات ملموس‌تر تغییرات اقلیمی به دلیل انتشار بیش از حد گازهای گلخانه‌ای همراه است. در حال حاضر، اکثر نیروگاه‌ها و تأسیسات تولید برق برای تأمین چنین تقاضاهایی به شدت به منابع سوخت فسیلی (نفت و گاز) متکی هستند. این نگرانی‌های اقلیمی، تولید انرژی اضافی با استفاده از روش‌های مرسوم را ممنوع می‌کند. بنابراین، توسعه سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی کارآمد و قابل اعتماد برای اطمینان از تأمین مداوم و قابل اعتماد انرژی از منابع تجدیدپذیر، اهمیت فزاینده‌ای پیدا کرده است.

بخش انرژی با تغییر به سمت انرژی‌های تجدیدپذیر یا راه‌حل‌های «سبز» به این تغییر واکنش نشان داده است. این تغییر با بهبود تکنیک‌های تولید، به عنوان مثال به تولید کارآمدتر پره‌های توربین بادی، کمک کرده است. همچنین، محققان توانسته‌اند راندمان سلول‌های فتوولتائیک را بهبود بخشند که منجر به تولید انرژی بهتر در هر منطقه مورد استفاده می‌شود. در سال 2021، تولید برق از منابع فتوولتائیک خورشیدی (PV) به طور قابل توجهی افزایش یافت و به رکورد 179 تراوات ساعت رسید و رشدی 22 درصدی را در مقایسه با سال 2020 نشان می‌دهد. فناوری فتوولتائیک خورشیدی اکنون 3.6 درصد از تولید برق جهانی را تشکیل می‌دهد و در حال حاضر پس از برق آبی و بادی، سومین منبع انرژی تجدیدپذیر بزرگ است.

با این حال، این پیشرفت‌ها برخی از معایب ذاتی سیستم‌های انرژی تجدیدپذیر، عمدتاً در دسترس بودن، را حل نمی‌کنند. اکثر این روش‌ها مانند نیروگاه‌های زغال‌سنگ و نفت، انرژی را بر اساس تقاضا تولید نمی‌کنند. به عنوان مثال، خروجی‌های انرژی خورشیدی در طول روز با تغییراتی بسته به زاویه تابش خورشید و موقعیت پنل PV در دسترس هستند. در طول شب نمی‌تواند هیچ انرژی تولید کند، در حالی که خروجی آن در فصل زمستان و در روزهای بسیار ابری به طور قابل توجهی کاهش می‌یابد. انرژی بادی نیز بسته به سرعت باد از نوسانات رنج می‌برد. بنابراین، این راه‌حل‌ها باید با سیستم‌های ذخیره انرژی همراه شوند تا تأمین انرژی در دوره‌های کم خروجی حفظ شود.

سیستم‌های ذخیره انرژی چیستند؟

سیستم‌های ذخیره انرژی می‌توانند انرژی را ذخیره کنند تا در مرحله بعدی مورد استفاده قرار گیرد. در برخی موارد، نوعی تبدیل انرژی بین انرژی ذخیره شده و انرژی ارائه شده وجود خواهد داشت. رایج‌ترین نمونه، باتری‌های الکتریکی مانند باتری‌های لیتیوم-یون یا باتری‌های سرب-اسید هستند. آن‌ها انرژی الکتریکی را از طریق واکنش‌های شیمیایی بین الکترودها و الکترولیت تأمین می‌کنند.

باتری‌ها یا BESS (سیستم ذخیره انرژی باتری)، رایج‌ترین روش ذخیره‌سازی انرژی مورد استفاده در کاربردهای روزمره هستند. سیستم‌های ذخیره‌سازی دیگری مانند نیروگاه‌های برق آبی وجود دارند که انرژی پتانسیل آب ذخیره شده در یک سد را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کنند. ریزش آب، چرخ طیار توربینی را می‌چرخاند که انرژی الکتریکی تولید می‌کند. مثال دیگر گاز فشرده است که پس از آزاد شدن، گاز چرخ توربین را می‌چرخاند و برق تولید می‌کند.

آنچه باتری‌ها را از سایر روش‌های ذخیره‌سازی متمایز می‌کند، حوزه‌های عملیاتی بالقوه آنهاست. از دستگاه‌های کوچک و منبع تغذیه خودرو گرفته تا کاربردهای خانگی و مزارع خورشیدی بزرگ، باتری‌ها را می‌توان به طور یکپارچه با هر کاربرد ذخیره‌سازی خارج از شبکه ادغام کرد. از سوی دیگر، روش‌های برق آبی و هوای فشرده به زیرساخت‌های بسیار بزرگ و پیچیده‌ای برای ذخیره‌سازی نیاز دارند. این امر منجر به هزینه‌های بسیار بالایی می‌شود که برای توجیه‌پذیر بودن، به کاربردهای بسیار بزرگی نیاز دارد.

موارد استفاده برای سیستم‌های ذخیره‌سازی خارج از شبکه.

همانطور که قبلاً ذکر شد، سیستم‌های ذخیره‌سازی خارج از شبکه می‌توانند استفاده و اتکا به روش‌های انرژی تجدیدپذیر مانند انرژی خورشیدی و بادی را تسهیل کنند. با این وجود، کاربردهای دیگری نیز وجود دارند که می‌توانند از چنین سیستم‌هایی بهره‌مند شوند.

شبکه‌های برق شهری با هدف تأمین مقدار مناسب برق بر اساس عرضه و تقاضای هر شهر ایجاد شده‌اند. برق مورد نیاز می‌تواند در طول روز نوسان داشته باشد. سیستم‌های ذخیره‌سازی خارج از شبکه برای کاهش نوسانات و ایجاد ثبات بیشتر در موارد اوج تقاضا استفاده شده‌اند. از منظری دیگر، سیستم‌های ذخیره‌سازی خارج از شبکه می‌توانند برای جبران هرگونه نقص فنی پیش‌بینی نشده در شبکه اصلی برق یا در دوره‌های تعمیر و نگهداری برنامه‌ریزی شده بسیار مفید باشند. آنها می‌توانند بدون نیاز به جستجوی منابع انرژی جایگزین، نیازهای برق را برآورده کنند. به عنوان مثال می‌توان به طوفان یخ تگزاس در اوایل فوریه 2023 اشاره کرد که تقریباً 262000 نفر را بدون برق گذاشت، در حالی که تعمیرات به دلیل شرایط نامساعد آب و هوایی به تأخیر افتاد.

خودروهای الکتریکی یکی دیگر از کاربردهای این فناوری هستند. محققان تلاش زیادی برای بهینه‌سازی تولید باتری و استراتژی‌های شارژ/دشارژ به منظور افزایش طول عمر و چگالی توان باتری‌ها انجام داده‌اند. باتری‌های لیتیوم-یونی در خط مقدم این انقلاب کوچک بوده‌اند و به طور گسترده در خودروهای الکتریکی جدید و همچنین اتوبوس‌های الکتریکی مورد استفاده قرار گرفته‌اند. باتری‌های بهتر در این مورد می‌توانند منجر به مسافت پیموده شده بیشتر و همچنین کاهش زمان شارژ با فناوری‌های مناسب شوند.

سایر پیشرفت‌های تکنولوژیکی مانند پهپادها و ربات‌های متحرک از توسعه باتری‌ها بسیار بهره‌مند شده‌اند. استراتژی‌های حرکتی و استراتژی‌های کنترلی آنها به شدت به ظرفیت و توان باتری ارائه شده وابسته است.

BESS چیست؟

BESS یا سیستم ذخیره انرژی باتری، یک سیستم ذخیره انرژی است که می‌تواند برای ذخیره انرژی مورد استفاده قرار گیرد. این انرژی می‌تواند از شبکه اصلی یا از منابع انرژی تجدیدپذیر مانند انرژی باد و انرژی خورشیدی تأمین شود. این سیستم از چندین باتری تشکیل شده است که در پیکربندی‌های مختلف (سری/موازی) چیده شده‌اند و بر اساس نیاز، اندازه آنها تعیین می‌شود. آنها به یک اینورتر متصل هستند که برای تبدیل برق DC به برق AC برای استفاده استفاده می‌شود.سیستم مدیریت باتری (BMS)برای نظارت بر شرایط باتری و عملیات شارژ/دشارژ استفاده می‌شود.

در مقایسه با سایر سیستم‌های ذخیره انرژی، آنها به طور ویژه برای نصب/اتصال انعطاف‌پذیر هستند و به زیرساخت بسیار گران‌قیمتی نیاز ندارند، اما همچنان با هزینه قابل توجهی عرضه می‌شوند و بسته به میزان استفاده، نیاز به نگهداری منظم‌تری دارند.

اندازه و عادات استفاده از BESS

نکته‌ی بسیار مهمی که هنگام نصب سیستم ذخیره انرژی باتری باید به آن توجه کرد، اندازه است. چند باتری مورد نیاز است؟ در چه پیکربندی؟ در برخی موارد، نوع باتری می‌تواند در درازمدت از نظر صرفه‌جویی در هزینه و کارایی نقش حیاتی داشته باشد.

این کار به صورت موردی انجام می‌شود، زیرا کاربردها می‌توانند از خانه‌های کوچک تا کارخانه‌های صنعتی بزرگ متغیر باشند.

رایج‌ترین منبع انرژی تجدیدپذیر برای خانوارهای کوچک، به ویژه در مناطق شهری، انرژی خورشیدی با استفاده از پنل‌های فتوولتائیک است. مهندس به طور کلی میانگین مصرف برق خانوار را در نظر می‌گیرد و تابش خورشید را در طول سال برای مکان خاص ارزیابی می‌کند. تعداد باتری‌ها و پیکربندی شبکه آنها به گونه‌ای انتخاب می‌شود که با تقاضای خانوار در کمترین میزان تأمین انرژی خورشیدی سال مطابقت داشته باشد و در عین حال باتری‌ها را به طور کامل تخلیه نکند. این فرض، راه‌حلی برای استقلال کامل برق از شبکه اصلی است.

نگه داشتن باتری‌ها در حالت شارژ نسبتاً متوسط یا عدم تخلیه کامل آنها چیزی است که ممکن است در ابتدا غیرمنطقی به نظر برسد. از این گذشته، چرا از یک سیستم ذخیره‌سازی استفاده کنیم اگر نتوانیم از تمام پتانسیل آن استفاده کنیم؟ در تئوری این امکان وجود دارد، اما ممکن است استراتژی‌ای نباشد که بازده سرمایه‌گذاری را به حداکثر برساند.

یکی از معایب اصلی BESS، هزینه نسبتاً بالای باتری‌ها است. بنابراین، انتخاب یک عادت استفاده یا یک استراتژی شارژ/دشارژ که طول عمر باتری را به حداکثر برساند، ضروری است. به عنوان مثال، باتری‌های اسید سرب را نمی‌توان بدون آسیب برگشت‌ناپذیر به زیر ۵۰٪ ظرفیت تخلیه کرد. باتری‌های لیتیوم-یون چگالی انرژی بالاتری دارند و عمر چرخه طولانی‌تری دارند. همچنین می‌توان آنها را با استفاده از بردهای بزرگتر تخلیه کرد، اما این با هزینه افزایش قیمت همراه است. تفاوت زیادی در هزینه بین ترکیبات شیمیایی مختلف وجود دارد، باتری‌های اسید سرب می‌توانند صدها تا هزاران دلار ارزان‌تر از یک باتری یون لیتیوم با اندازه مشابه باشند. به همین دلیل است که باتری‌های اسید سرب بیشترین کاربرد را در کاربردهای خورشیدی در کشورهای جهان سوم و جوامع فقیر دارند.

عملکرد باتری در طول عمر خود به شدت تحت تأثیر تخریب قرار می‌گیرد، عملکرد پایداری ندارد که با خرابی ناگهانی به پایان برسد. در عوض، ظرفیت و توان ارائه شده می‌تواند به تدریج کاهش یابد. در عمل، زمانی که ظرفیت یک باتری به ۸۰٪ ظرفیت اولیه خود برسد، طول عمر آن تمام شده تلقی می‌شود. به عبارت دیگر، زمانی که ۲۰٪ ظرفیت آن کاهش می‌یابد. در عمل، این بدان معناست که مقدار کمتری انرژی می‌تواند ارائه شود. این می‌تواند بر دوره‌های استفاده برای سیستم‌های کاملاً مستقل و میزان مسافتی که یک خودروی برقی می‌تواند طی کند، تأثیر بگذارد.

نکته دیگری که باید در نظر گرفته شود ایمنی است. با پیشرفت در تولید و فناوری، باتری‌های اخیر به طور کلی از نظر شیمیایی پایدارتر بوده‌اند. با این حال، به دلیل سابقه تخریب و استفاده نادرست، سلول‌ها می‌توانند دچار فرار حرارتی شوند که می‌تواند منجر به نتایج فاجعه‌بار شود و در برخی موارد جان مصرف‌کنندگان را به خطر بیندازد.

به همین دلیل است که شرکت‌ها نرم‌افزارهای نظارت بر باتری (BMS) بهتری را برای کنترل مصرف باتری و همچنین نظارت بر وضعیت سلامت آن توسعه داده‌اند تا بتوانند تعمیر و نگهداری به موقع را انجام داده و از عواقب وخیم جلوگیری کنند.

نتیجه‌گیری

سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی شبکه، فرصت بسیار خوبی برای دستیابی به استقلال برق از شبکه اصلی فراهم می‌کنند، اما همچنین منبع پشتیبان برق را در زمان‌های خاموشی و دوره‌های اوج بار فراهم می‌کنند. توسعه آنها، تغییر به سمت منابع انرژی سبزتر را تسهیل می‌کند و در نتیجه تأثیر تولید انرژی بر تغییرات اقلیمی را محدود می‌کند و در عین حال نیازهای انرژی را با رشد مداوم مصرف برآورده می‌سازد.

سیستم‌های ذخیره انرژی باتری رایج‌ترین و ساده‌ترین سیستم‌های پیکربندی برای کاربردهای مختلف روزمره هستند. انعطاف‌پذیری بالای آنها با هزینه نسبتاً بالایی مواجه است که منجر به توسعه استراتژی‌های نظارتی برای افزایش طول عمر مربوطه تا حد امکان می‌شود. در حال حاضر، صنعت و دانشگاه تلاش‌های زیادی را برای بررسی و درک تخریب باتری در شرایط مختلف انجام می‌دهند.