اقرأ في هذا المقال
اليوم يتم الحفاظ على استقرار شبكة الطاقة الكهربائية من خلال موازنة الوقت الحقيقي بين التوليد والطلب، كما يتم تحجيم أنظمة تخزين طاقة الشبكة الكهربائية؛ وذلك لتوفير المرونة لمشغل الشبكة اللازمة للمحافظة عليها، كما يضفي تخزين الطاقة أيضاً مرونة وقوة على البنية التحتية الكهربائية للشبكة.
السعي لإدارة القدرة الكهربائية وتحسينها لأنظمة التخزين
تخزين الطاقة لديه القدرة على زيادة كفاءة واستقرار ومرونة شبكة الطاقة الكهربائية بشكل كبير، وحالياً يجب أن يكون توليد الكهرباء دائماً في توازن ديناميكي مع الحمل، ومع تزايد دور التوليد المتغير وتغيير ملامح الطلب، بحيث يمتلك مشغلو الشبكة موارد محدودة للحفاظ على هذا التوازن الديناميكي، كما يمنح تخزين الطاقة إذا تم نشره بشكل مناسب.
بالنسبة لعام (2017)م؛ فقد بلغت ذروة الطلب المتوقع لشركة الموثوقية الكهربائية لأمريكا الشمالية (NERC) (839) جيجاوات للتوصيلات الرئيسية الثلاثة في الولايات المتحدة، ومع ذلك؛ فإن مقدار سعة تخزين الطاقة المركبة، بما في ذلك محطات توليد الطاقة الكهرومائية الكبيرة التي يتم ضخها، وهو صغير بالنسبة إلى مقدار سعة التوليد الكهربائي.
أيضاً تحتوي شبكة الطاقة الكهربائية الأمريكية على ما يقرب من (24) جيجاوات من تخزين الطاقة مع (0.6) جيجاوات من التخزين الكهروكيميائي (البطارية) و (0.8) جيجاوات من التخزين الحراري والباقي من ضخ المياه، وبالتالي فإن كمية تخزين الطاقة المنتشرة في الولايات المتحدة لا تمثل سوى حوالي (2.9٪) من ذروة الطلب، كما ويوجد وضع مماثل في جميع أنحاء العالم.
تخزين طاقة الشبكة الكهربائية
تم بناء أول منشآت ضخ المياه في تسعينيات القرن التاسع عشر في سويسرا وإيطاليا لدعم الأحمال الصناعية، وفي أوائل القرن العشرين تم دمج أنظمة التخزين المائي التي يتم ضخها في شبكة الطاقة في العديد من الدول الأوروبية لتحسين الكفاءة التشغيلية لمحطات الطاقة الحرارية، بحيث كان أول مشروع لتخزين الطاقة على نطاق واسع في الولايات المتحدة عبارة عن منشأة ضخ مائية.
ومنذ الستينيات وحتى التسعينيات، تم بناء عدد من محطات ضخ المياه الضخمة لدعم الأسطول المتنامي من محطات الطاقة النووية، على سبيل المثال محطة تخزين الضخ في مقاطعة باث في ولاية فرجينيا لديها القدرة على العمل بقدرة (3003) ميغاواط لمدة (10) ساعات، في حين أن محطات توليد الطاقة المائية التي يتم ضخها تتسم بالكفاءة، ويمكن أن توفر أقل تكلفة للتخزين على أساس دولار أمريكي/ ميغاواط ساعة.
لذلك لم يتم إنشاء محطات مائية جديدة يتم ضخها مؤخراً في الولايات المتحدة بسبب مشاكل تحديد الموقع ونفقات الكابيتول الكبيرة المقدّمة، ومع ذلك لا يزال هناك اهتمام، حيث أن تخزين الطاقة المائية التي يتم ضخها قادر على توفير سعة طاقة طويلة الأمد مع تصنيف طاقة عالي، بحيث أصدرت اللجنة الفيدرالية الأمريكية لتنظيم الطاقة (FERC) ثلاثة تراخيص لمشاريع ضخ المياه المقترحة منذ عام (2014)م.
معماريات تخزين وتحسين الطاقة الكهربائية
يتم نشر أنظمة تخزين الطاقة في عدد من التكوينات، ومن الأمثلة التي تشمل ذلك:
- أنظمة مملوكة للمرافق الكبيرة.
- الأنظمة المملوكة للمرافق الموزعة.
- أنظمة مملوكة بشكل مستقل في مناطق السوق.
- الأنظمة المملوكة بشكل مستقل في المرافق المتكاملة رأسياً.
- أنظمة صغيرة مملوكة للقطاع الخاص يتحكم فيها مجمِّع.
- الأنظمة الصغيرة التي يمتلكها المجمع ويتحكم فيها.
- أنظمة كبيرة مملوكة لعميل صناعي.
- أنظمة كبيرة مملوكة لمجمع لإفادة العميل الصناعي.
وكما هو موضح في الشكل التالي (1)؛ فإنه يجب أن تتفاعل (EMS) مع أنظمة المرافق الأخرى لتنسيق العمليات مع أصول أخرى، ونظراً لأن نظام (Tehachapi) موجود في منطقة سوق (مشغل نظام مستقل في كاليفورنيا – CAISO)؛ فستكون هناك أيضاً واجهة للسوق.
كما أن هناك وحدة تحكم إشراقية، بحيث يشار إليها عادةً باسم (EMS)، والتي ترسل واحداً أو أكثر من أنظمة تخزين الطاقة، وذلك كما هو في الشكل التالي (2)، كما يؤثر نموذج الملكية جنباً إلى جنب مع الهيكل التنظيمي، وذلك بشكل كبير على بنية نظام الإدارة البيئية بحيث يمكن أن تشمل واجهات نظام الإدارة البيئية السوق والعميل والمرافق بالإضافة إلى كل نظام تخزين.
كما يتم عرض بنية نموذجية لإدارة الطاقة في الشكل التالي (3)، وفي الجزء العلوي يوجد مستوى التطبيق، والذي يتضمن واجهات العميل والسوق والمرافق، بحيث يعتبر (EMS) مسؤولاً عن التشغيل الأمثل والآمن لأنظمة تخزين الطاقة، كما يرسل نظام (EMS) كل من أنظمة التخزين، واعتماداً على التطبيق قد يحتوي نظام (EMS) على مكون مشترك مع نظام تخزين الطاقة.
نظام إدارة جهاز تخزين الطاقة الكهربائية (DMS)
يكون نظام إدارة الوجهات السياحية (DMS) مسؤولاً عن:
- ضمان التشغيل الآمن للجهاز.
- مراقبة وتقدير حالة النظام.
- وظائف خاصة بالتكنولوجيا.
كما تم تصميم وظائف (DMS) هذه للحفاظ على التشغيل الآمن والأداء العالي لجهاز التخزين بالإضافة إلى توفير بيانات التشغيل إلى (EMS) و (PCS)، وعادة ما يتم تبادل المعلومات بين وظائف (DMS)، على سبيل المثال غالباً ما تستخدم حالة الشحن وتقديرات الحالة من قبل جميع الوظائف، كما يتطلب ضمان التشغيل الآمن للجهاز بشكل فعال الوصول إلى حالة الشحن وحالة النظام من خلال:
- ضمان التشغيل الآمن لجهاز تخزين الطاقة: أنظمة الشبكة قادرة على تخزين كمية كبيرة من الطاقة، لذلك تعتبر آليات السلامة مطلوبة لضمان التشغيل الآمن للنظام، بحيث يمكن تصنيف آليات الأمان على أنها نشطة أو سلبية.
- مراقبة وتقدير حالة النظام: في أنظمة تخزين الطاقة الكهربائية واسعة النطاق، يتم دمج وحدات تخزين متعددة لتلبية سعة الطاقة المطلوبة، وكل وحدة تتكون من خلايا متعددة.
- وظائف خاصة بالتكنولوجيا: تتطلب التقنيات المختلفة وظائف تقنية (DMS) محددة، وبالنسبة إلى (VRFBs)؛ فإن إعادة التوازن المنحل بالكهرباء بين خليتين نصفيتين مهم لمنع انتقال الأيونات التفاضلية عبر الغشاء والتفاعلات الجانبية.
نظام التحويل الخاص بإدارة القدرة الكهربائية وتحسينها
باستثناء ضخ المياه والهواء المضغوط؛ تستخدم غالبية أجهزة تخزين الطاقة واجهة تيار مباشر (DC)، لذلك يلزم وجود نظام (PCS) للتكامل مع شبكة طاقة التيار المتردد (AC)، كما أن الغرض من نظام (PCS) هو توفير تحويل ثنائي الاتجاه وعزل كهربائي، كما يوضح الشكل التالي (4) العديد من معماريات تحويل الطاقة الشائعة، بحيث يتميز محول المرحلة الواحدة بكفاءة عالية.
ومع ذلك؛ فإنه يجب أن يكون جهد التيار المستمر أكبر من (1.5) مرة من جهد التيار المتردد (RMS)، بحيث ينتج عن هذا قيد على الحد الأدنى من جهد سلسلة البطارية، كما ينتقل المحول متعدد المراحل من جهد جهاز التخزين إلى جهد تيار مستمر متوسط ثم يتحول إلى تيار متردد، كذلك يوفر هذا مزيداً من المرونة في نطاق جهد التيار المستمر لجهاز التخزين على حساب خسائر التحويل المتزايدة وتكاليف الأجهزة الإضافية.
وأخيراً يتيح العاكس متعدد المنافذ والمراحل تخزين الطاقة للتفاعل مع مصادر الطاقة الشمسية وغيرها من مصادر التيار المستمر التي تشترك في ناقل تيار مستمر مشترك، خاصة عندما يتم ربط التخزين بتوليد الطاقة الكهروضوئية؛ فإنه تكون مشاركة ناقل (DC) المشترك أكثر كفاءة من التوصيل في شبكة التيار المتردد، بحيث يتم استخدام بنية مماثلة للتفاعل مع سلاسل بطارية متعددة مستقلة، وذلك مع خيار تضمين التكرار.
