قيمة تخزين الطاقة طويل المدة في مستقبل بصافي انبعاثات صفري: لماذا تحتاج أوروبا إلى أكثر من مجرد البطاريات

في جميع أنحاء أوروبا، تحوّل النقاش حول الطاقة المتجددة من التركيز على قدرة التوليد إلى توافر الطاقة. تستطيع محطات الطاقة الشمسية إنتاج كميات وفيرة من الكهرباء عند الظهيرة، ويمكن لمزارع الرياح توليد فائض من الطاقة خلال الليل. ومع ذلك، نادرًا ما يتبع الطلب على الكهرباء النمط نفسه.

بالنسبة لمطوري المشاريع ومقاولي EPC ومهندسي تخزين الطاقة ومشغلي المرافق، لم يعد التحدي يقتصر على توليد كهرباء نظيفة. بل أصبح التحدي هو تخزينها بكفاءة وتوصيلها عندما تكون الشبكة في أمسّ الحاجة إليها.

وهنا تزداد أهمية تخزين الطاقة طويل المدة (LDES) بصورة متنامية.

في حين توفر أنظمة تخزين الطاقة بالبطاريات التقليدية (BESS) عادةً فترات تفريغ لمدة ساعتين أو 4 ساعات، صُممت تقنيات تخزين الطاقة طويل المدة لتوفير الطاقة لمدة 6 ساعات و8 ساعات و10 ساعات و12 ساعة وحتى أكثر من 24 ساعة. وتزداد قيمتها مع ارتفاع حصة الطاقة المتجددة واتجاه أوروبا نحو أنظمة كهرباء بصافي انبعاثات صفري.

لماذا تواجه البنية التحتية التقليدية للشبكات تحديات جديدة

اعتمدت شبكات الكهرباء الأوروبية تاريخيًا على مصادر توليد يمكن التنبؤ بها مثل الفحم والغاز والطاقة الكهرومائية والطاقة النووية. وكان بإمكان المشغلين زيادة الإنتاج أو خفضه وفقًا للطلب.

أما مصادر الطاقة المتجددة فتعمل بصورة مختلفة:

• يبلغ توليد الطاقة الشمسية ذروته خلال ساعات النهار.
• يعتمد إنتاج طاقة الرياح على الظروف الجوية.
• غالبًا ما تحدث ذروة الطلب بعد غروب الشمس.
• تختلف أنماط التوليد الموسمية بشكل كبير.
• يؤدي ازدحام الشبكة إلى تقييد إنتاج الطاقة المتجددة.

مع تجاوز دمج الطاقة المتجددة نسبة 40% أو 50% أو حتى 70% في بعض المناطق، يصبح الحفاظ على استقرار التردد والتحكم في الجهد وتوفير القدرة القابلة للتشغيل عند الطلب أكثر تعقيدًا.

وهذا يخلق حاجة متزايدة إلى حلول مرنة لتخزين الكهرباء قادرة على سد الفترات الطويلة بين التوليد والاستهلاك.

فهم تخزين الطاقة طويل المدة

يشير تخزين الطاقة طويل المدة إلى الأنظمة القادرة على تفريغ الكهرباء بصورة مستمرة لفترات ممتدة، تتجاوز عادةً 6 ساعات.

تشمل التقنيات الداعمة لـ LDES ما يلي:

• أنظمة بطاريات LiFePO4 واسعة النطاق
• بطاريات التدفق
• تخزين الطاقة بالهواء المضغوط
• التخزين الكهرومائي بالضخ
• تخزين الطاقة الحرارية
• أنظمة تخزين قائمة على الهيدروجين

بالنسبة لمعظم المشاريع التجارية ومشاريع المرافق واسعة النطاق المنشورة حاليًا في أوروبا، تظل أنظمة تخزين الطاقة ببطاريات الليثيوم الخيار الأكثر نضجًا وتوافرًا تجاريًا.

قيمة LDES في ظل ظروف الشبكة المختلفة

السيناريو 1: شبكات ذات اختراق مرتفع للطاقة المتجددة

تعمل دول مثل ألمانيا وإسبانيا والدنمارك وهولندا على زيادة نشر الطاقة الشمسية وطاقة الرياح بسرعة.

خلال فترات السطوع الشمسي القوي أو سرعات الرياح العالية، غالبًا ما يتجاوز إنتاج الكهرباء الطلب الفوري. ومن دون التخزين، يجب تقييد كميات قيّمة من الطاقة المتجددة.

يمكن لنظام تخزين طاقة بالبطاريات بقدرة 8MW/32MWh أو 10MW/40MWh امتصاص فائض الطاقة الشمسية وقت الظهيرة وتفريغ الكهرباء خلال ذروة الطلب المسائية، مما يقلل الاعتماد على محطات الذروة العاملة بالوقود الأحفوري.

السيناريو 2: مناطق الشبكات الضعيفة والمجتمعات النائية

تعمل العديد من المنشآت الصناعية والجزر وعمليات التعدين والمجتمعات النائية في مناطق ذات بنية تحتية محدودة للشبكة.

وتواجه هذه المواقع بشكل متكرر:

• عدم استقرار الجهد
• انقطاعات الكهرباء
• قدرة نقل محدودة
• ارتفاع تكاليف وقود الديزل

يتيح تخزين الطاقة طويل المدة مع أنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية والعاكسات الهجينة تشغيل شبكات مصغرة مستقرة مع تقليل استهلاك الوقود.

قد تشمل التكوينات النموذجية:

• مصفوفة شمسية 500kW + بطارية 1MWh
• نظام شمسي 1MW + تخزين 4MWh
• شبكة مصغرة متجددة 5MW + تخزين 20MWh

وهذا يعزز أمن الطاقة مع خفض تكاليف التشغيل وانبعاثات الكربون.

السيناريو 3: المنشآت الصناعية والتجارية

تواجه مصانع التصنيع في أنحاء أوروبا تقلبات متزايدة في أسعار الكهرباء.

غالبًا ما يحتاج المستخدمون الصناعيون الذين يشغلون:

• آلات CNC
• مرافق التخزين البارد
• مراكز البيانات
• خطوط الإنتاج المؤتمتة
• مراكز شحن المركبات الكهربائية

إلى إمداد كهربائي مستقر على مدار الساعة.

يتيح التخزين طويل المدة:

• خفض ذروة الطلب
• المراجحة في أسعار الطاقة حسب وقت الاستخدام
• دعم الطاقة الاحتياطية
• رفع معدلات الاستهلاك الذاتي للطاقة الشمسية
• تقليل الاعتماد على الشبكة

على سبيل المثال، يمكن لمنشأة مجهزة بنظام عاكس هجين بقدرة 500kW وبنك تخزين بسعة 1MWh أو 2MWh أو 5MWh أن تحسن المرونة التشغيلية بشكل كبير أثناء تقلبات أسعار الكهرباء.

اقتصاديات التخزين طويل المدة

من المفاهيم الخاطئة الشائعة أن التخزين لمدة أطول يعني ببساطة تكلفة أعلى.

في الواقع، تعتمد الجدوى الاقتصادية على التطبيق.

مع استمرار انخفاض تكاليف خلايا البطاريات وزيادة ذكاء أنظمة إدارة الطاقة، تتحسن بصورة مطردة تكلفة كل كيلوواط ساعة يتم تسليمها على مدى عمر المشروع.

بالنسبة للعديد من المشاريع التجارية ومشاريع المرافق، تتجاوز الفوائد الاقتصادية الآن مجرد توفير تكلفة الكهرباء لتشمل:

• المشاركة في سوق السعة
• الخدمات المساندة للشبكة
• خفض رسوم الطلب
• حوافز خفض الكربون
• الاستقلال في الطاقة

كيف يحسن تخزين الطاقة الهجين الأداء

تجمع العديد من المشاريع الحديثة تقنيات متعددة ضمن بنية هجينة لتخزين الطاقة.

قد يدمج نظام تخزين طاقة هجين نموذجي ما يلي:

• وحدات شمسية كهروضوئية (430W، 550W، 600W، 700W)
• عاكسات هجينة (5kW، 8kW، 10kW، 15kW، 50kW، 100kW)
• بنوك بطاريات LiFePO4 (51.2V، 102.4V، 512V، 768V)
• أنظمة إدارة الطاقة (EMS)
• مولدات احتياطية

تتيح هذه البنية متعددة الطبقات تحسين نظام الطاقة من خلال الموازنة بين الكفاءة وسرعة الاستجابة والموثوقية وتكلفة التشغيل.

مستقبل إزالة الكربون من الشبكة يعتمد على التخزين

يتطلب تحقيق نظام كهرباء عديم الانبعاثات أكثر من مجرد تركيب ألواح شمسية وتوربينات رياح إضافية.

يجب دعم توليد الطاقة المتجددة ببنية تخزين قادرة على نقل الكهرباء عبر الساعات والأيام وربما الفصول.

تخزين الطاقة طويل المدة يوفر المرونة اللازمة للحفاظ على موثوقية الشبكة مع تعظيم الاستفادة من الطاقة المتجددة. وبالنسبة للمرافق والمشغلين الصناعيين ومقاولي EPC ومتكاملي أنظمة التخزين، أصبح عنصرًا بالغ الأهمية في تصميم أنظمة الطاقة المستقبلية.

الأسئلة الشائعة

1. ما الذي يُعد تخزينًا للطاقة طويل المدة؟

تصنف معظم تعريفات القطاع أنظمة التخزين ذات فترات التفريغ التي تتجاوز 6 ساعات باعتبارها تخزينًا طويل المدة للطاقة.

2. هل LiFePO4 مناسب لمشاريع التخزين طويل المدة؟

نعم. توفر أنظمة بطاريات LiFePO4 عمر دورات مرتفعًا وأداء سلامة قويًا، وتُستخدم على نطاق واسع في مشاريع تخزين الطاقة التجارية ومشاريع المرافق.

3. ما مدة التخزين الموصى بها لنقل الطاقة الشمسية زمنيًا؟

عادةً ما توفر مدة تخزين من 4 إلى 8 ساعات نقلًا فعالًا لتوليد الطاقة الشمسية وقت الظهيرة إلى فترات الطلب المسائية.

4. هل يمكن للتخزين طويل المدة أن يحل محل مولدات الديزل؟

في العديد من التطبيقات، يمكن لتخزين البطاريات طويل المدة مع التوليد الشمسي أن يقلل بشكل كبير أو حتى يلغي وقت تشغيل مولدات الديزل.

5. لماذا يُعد التخزين طويل المدة مهمًا لدمج الطاقة المتجددة؟

يساعد على امتصاص فائض توليد الطاقة المتجددة وتوفير الكهرباء عند انخفاض إنتاجها، مما يحسن استقرار الشبكة والاستفادة من الطاقة المتجددة.

6. ما دور EMS في مشاريع التخزين طويل المدة؟

يعمل نظام إدارة الطاقة على تحسين استراتيجيات الشحن والتفريغ والاستجابة للطلب وتجارة الطاقة لتعظيم قيمة النظام.

7. ما منصات جهد البطاريات الشائعة في أنظمة التخزين الكبيرة؟

تشمل هياكل البطاريات الشائعة أنظمة تيار مستمر بجهد 51.2V و102.4V و512V و614V و768V و1500V، حسب حجم المشروع.