ذخیرهسازی انرژی ثابت توسط باتری برای عملکرد یک شبکه برق پایدار به طور فزایندهای اهمیت پیدا میکند. باتریهای لیتیوم-یونی فناوری انتخابی برای ذخیرهسازی انرژی کوتاهمدت هستند. با این حال، آنها برای ذخیرهسازی طولانیمدت مقرون به صرفه نیستند و فرصتی را برای سایر فناوریهای باتری، مانند جریان ردوکس یا یون سدیم، فراهم میکنند تا در کنار فناوریهای پاک مانند ذخیرهسازی هیدروژن به کار گرفته شوند.
در این مقاله به بررسی جوانب مختلف کاربرد باتریها برای ذخیره سازی انرژی تولید شده از انرژیهای تجدیدپذیر شامل انواع باتریها مصرفی، چالشها و ملزومات بکارگیری آنها می پردازیم.
چند سالی است که کشور با کمبود برق روبرو است و دولت سیاست خود را بر تولید برق پاک و به طور ویژه تولید برق خورشیدی برای جبران قرار داده است. اما بررسی سیاست دیگر کشورها در این خصوص نشان می دهد حرکت به توسعه برق پاک نیازمند تغییراتی در کل اقتصاد کشورهاست که با چالشهای خاص در بخش برق خواهد بود. ایجاد تعادل بین عرضه و تقاضای برق به دلیل ماهیت متناوب انرژیهای تجدیدپذیر چالشبرانگیز خواهد بود، این در حالیست که برقیسازی حمل و نقل (ورود خودروهای برقی به کشور و گسترش آنها) نیز می تواند تقاضای کل برق و اوج تقاضا را به میزان قابل توجهی افزایش دهد. برای پشتیبانی از این گذار تولید برق، انعطافپذیری زیادی در شبکه برق مورد نیاز خواهد بود. ایران پیش از این برای تولید انعطافپذیر برق به سوختهای فسیلی متکی بوده است، اما قرار است سهم این گزینه تحت شرایطی کاهش یابد. با توجه به توسعه تدریجی برق پاک، سه راهحل اصلی میتوانند انعطافپذیری لازم را در موارد زیر فراهم می کنند:
- افزایش اتصال شبکه برق
- پاسخ در ازای تقاضا
- ذخیرهسازی انرژی
اتصالدهندهها به کشور اجازه میدهند برق اضافی را با کشورهای همسایه مبادله کند، در حالی که پاسخ در ازای تقاضا، شامل اقداماتی برای همسو کردن تقاضای برق با عرضه از طریق تشویق مصرفکنندگان، به استفاده از برق در دورههای خاص زمانی امکان پذیر است. در حالی که هر دوی این راهحلها در گذار شبکه برق به سمت آینده تجدید پذیر مورد نیاز خواهند بود، اما به تنهایی قادر به ارائه انعطافپذیری مورد نیاز نیستند.
در تصویر شمایی از ملزومات سیستم ذخیره سازی انرژی در کاربرد ثابت نشان می دهد.
ذخیرهسازی انرژی میتواند به پر کردن این شکاف کمک کند و به بخش مهمی از سیستم انرژی آینده تبدیل خواهد شد. اهمیت ذخیره سازهای انرژی از جمله باتریها می تواند در گذار تولید برق نقش بسیار با اهمیتی را داشته باشند. پنج دسته اصلی از فناوریهای ذخیرهسازی انرژی وجود دارد: شیمیایی، مکانیکی، حرارتی، الکتریکی و الکتروشیمیایی.
در ادامه بر نقشی که ذخیرهسازی انرژی، به ویژه از طریق باتریها، در انعطافپذیری شبکه ایفا کنند، تمرکز خواهیم کرد.
ابتدا، نقش ذخیرهسازی انرژی در یک سیستم برق پاک تشریح می شود. سپس ویژگیهای کلیدی فناوریهای مختلف باتری ذکر شده و بینشی در مورد تنوع فناوریهای باتری برای کاربردها متنوع ارائه میشود.
انعطافپذیری شبکه و نقش ذخیرهسازی انرژی در توسعه انرژی تجدیدپذیر
از نظر تاریخی، کشور برای تولید برق به نیروگاههای حرارتی که سوختهای فسیلی میسوزانند، متکی بوده است. انواع خاصی از نیروگاههای حرارتی، مانند نیروگاههای گازی، با درجه بالایی از انعطافپذیری برای پاسخگویی به تغییرات تقاضای برق کار میکنند. این نیروگاهها از توربینهای بزرگ برای تولید برق استفاده میکنند و با ایجاد اینرسی (یعنی توانایی مقاومت در برابر تغییرات فرکانس)، پایداری ذاتی را به شبکه ارائه میدهند. علاوه بر این، نیروگاههای حرارتی موجود در سراسر کشور، اغلب در نزدیکی مناطق تقاضا یا نزدیک به ذخایر سوخت توزیع شدهاند.
این در حالی است که سیستم تولید انرژی مبتنی بر انرژی تجدیدپذیر مانند باد و خورشید متغیر است و همیشه نمیتوانند برای تأمین تقاضای برق به طور ثابت تولید کند، لذا منابع انرژی تجدیدپذیر پایداری ذاتی را برای شبکه فراهم نمیکنند. علاوه بر این، محل تولید انرژی بادی و خورشیدی بر اساس در دسترس بودن منابع تجدیدپذیر انتخاب میشود که معمولاً دور از مراکز تقاضا قرار دارند. این امر نیز میتواند منجر به محدودیتهایی در شبکه انتقال شود.
نقش ذخیرهسازی انرژی
ذخیره انرژی برای رفع چالشهای یک سیستم مبتنی بر انرژی تجدیدپذیر، با ارائه انعطافپذیری بیشتر، به کار گرفته میشود.
سیستمهای ذخیرهسازی انرژی در سه کاربرد اصلی به کار گرفته خواهند شد:
- تأمین انرژی: ذخیره انرژی تجدیدپذیر اضافی در زمانهای تولید بیش از حد برای تأمین در زمانهای کمبود تولید یا اوج تقاضا.
- پایداری شبکه: ارائه خدمات جانبی برای کمک به حفظ پایداری.
- انعطافپذیری محلی: مدیریت محدودیتهای شبکه انتقال و توزیع.
ذخیره انرژی میتواند به صورت سیستمهای جلوی کنتور (FTM)، پشت کنتور (BTM) یا خارج از شبکه نصب شود.
علاوه بر محل ذخیره سازی مدت زمان ذخیره سازی انرژی نیز در انتخاب فناوری ذخیره سازی انرژی الکتریکی موثر است. در جدول زیر به انواع ذخیره سازی انرژی شامل کوتاه مدت، بلند مدت و فصلی از نظر زمانی اشاره شده است.
در ذخیرهسازی انرژی کوتاهمدت (SDES)، سیستمهای ذخیرهسازی انرژی در دورههای تولید انرژی تجدیدپذیر اضافی (و بنابراین قیمت برق پایین) یا در دورههای تقاضای کم شارژ میشوند. این انرژی سپس زمانی که تقاضا بیش از عرضه باشد، به شبکه برق بازگردانده میشود. چنین کاربردهایی را میتوان به عنوان آربیتراژ انرژی نامید که به بهینهسازی مصرف برق کمک میکند. SDES اغلب در کنار منابع انرژی تجدیدپذیر، معمولاً خورشیدی قرار میگیرد زیرا مدت زمان تخلیه کوتاه برای چرخه روزانه انرژی خورشیدی مناسب است. SDES نیاز به چرخه روزانه، در برخی موارد تا دو بار در روز برای اطمینان از اقتصادی بودن سیستم ذخیرهسازی دارد.
در حال حاضر باتریها فناوری غالب برای این کاربردها هستند. برای کمک به مقابله با دورههای طولانی باد کم یا تأمین کم انرژی خورشیدی که به عنوان dunkelflaute شناخته میشود، باید مقدار زیادی از ذخیرهسازی انرژی طولانی مدت (LDES) مستقر شود.
در دنیا طیف گستردهای از فناوریها برای LDES در حال پیگیری هستند، از جمله سیستمهای مبتنی بر مکانیک (هیدرو پمپشده، هوای فشرده و هوای مایع) و فناوریهای باتری مانند جریان ردوکس و فلز-هوا. همچنین انتظار میرود از ذخیرهسازی فصلی برای اصلاح عدم تعادل فصلی تقاضا بین زمستان و تابستان استفاده شود.
از نظر تئوری، سیستمهای ذخیرهسازی فصلی و LDES میتوانند برای پاسخ به عدم تعادلهای کوتاهمدت انرژی مورد استفاده قرار گیرند. در حالیکه در عمل، دستیابی به این امر با فناوریهای موجود یا در حال توسعه دشوار است. لذا از محدودیت های این فناوریها می توان به مدت زمان تخلیه طولانی اشاره کرد که زمان تامین را کندتر و راندمان پایینتری را نشان می دهند.
از طرف دیگر، شبکههای انتقال و توزیع را نمی توان با حداکثر ظرفیت آنها بکاربرد زیرا منجر به خرابی شبکه و قطع برق می شود، و همچنین برخی از محدودیتهای شبکههای انتقال و توزیع نیز مانع از انتقال تمام برق تولید شده میشود، در این زمان نیاز به کاهش تولید انرژی تجدیدپذیر (یعنی درخواست توقف تولید) باشد. لذا نوع و محل LDES در این زمان اهمیت بالایی دارند.
در نمودار زیر که موسسه فارادی منتشر کرده می بینیم در ذخیره سازها در کاربرد LDES بیشترین سهم فناوری مورد استفاده در آینده متعلق به فشرده سازی هوا است و حتی سهم باتریهای جریانی نیز کاهش نشان می دهد.
نقش سیستمهای ذخیرهسازی انرژی باتری
باتریها به عنوان سیستمهای ذخیرهسازی انرژی باتری (BESS) نصب میشوند، که در آن سلولهای باتری جداگانه به یکدیگر متصل میشوند تا یک دستگاه ذخیرهسازی انرژی بزرگ ایجاد کنند. اندازه یک BESS با ظرفیت توان و ظرفیت انرژی ذخیره شده آن تعریف میشود.
در سالهای اخیر یک روند جهانی در استقرار سیستمهای ذخیرهسازی انرژی تجدیدپذیر (BESS) برای مدت زمان تخلیه طولانیتر وجود دارد که انتظار میرود پس از سال 2030 نیز ادامه یابد. این روند با کاهش هزینههای باتری و ظهور فرصتهای درآمدی جدید ایجاد میشود. با این حال، اکثر سیستمهای ذخیرهسازی انرژی تجدیدپذیر (BESS) نصب شده تا به امروز در دسته سیستمهای SDES (مدت زمان تخلیه کمتر از 6 ساعت) قرار میگیرند.
با توجه به مطالبی که در بالا به آن اشاره شد می توان ذخیره سازهای انرژی را بنا به نوع کاربرد و فناوری در جدول زیر خلاصه کرد.
پارامترهای عملکرد و عملیاتی فناوریهای باتری
پارامترهای کلیدی عملکرد برای فناوریهای باتری برای BESS عبارتند از ایمنی، هزینه و طول عمر چرخه. این سه پارامتر هنگام ارزیابی قابلیت استفاده از یک فناوری باتری خاص بسیار مهم هستند.
ایمنی برای BESS در اولویت است زیرا اغلب در نزدیکی جوامع یا در داخل خانهها مستقر میشوند. باتریهای لیتیوم-یون ایمن هستند. با این حال، اگر باتری آسیب دیده یا به طور نادرست مدیریت شود، میتوانند باعث ایجاد حوادثی می شود.
علل اصلی آسیب باتری لیتیوم-یون عبارتند از:
- فشار مکانیکی (به عنوان مثال، نقص در تولید یا آسیب خارجی)؛
- فشار حرارتی (به عنوان مثال، گرمای بیش از حد)؛
- خرابی الکتریکی (به عنوان مثال، شارژ بیش از حد به دلیل خرابی BMS).
عمر چرخه یک پارامتر با اولویت بالا است زیرا طول عمر کلی یک سیستم BESS را تعریف میکند. با توجه به هزینههای بالای مربوط به استقرار فناوریهای ذخیرهسازی انرژی، مهم است که سیستمهای BESS طول عمر طولانی داشته باشند تا هزینه در طول سالهای متمادی پخش شود. این پارامترها در طول عملیات تحت تأثیر سایر پارامترهای باتری قرار میگیرند که طراحی را سیستم ذخیره سازی را پیچیده تر می کند. در طول طراحی سیستم و هنگام ارزیابی اینکه کدام فناوری برای یک کاربرد خاص مناسبتر است، باید کلیه روابطی که بر سه پارامتر مذکور تاثیر گذار است در نظر گرفته شوند. به عنوان مثال، زمان پاسخ برای خدمات جانبی بسیار مهم است، زیرا برق باید در فواصل زمانی کمتر از یک ثانیه تحویل داده شود، همچنین نرخ خود-تخلیه برای کاربردهای تأمین انرژی مهم است.
فناوریهای نسل فعلی BESS
اگرچه استقرارهای اخیر BESS تحت سلطه باتریهای لیتیوم-یونی بوده است، فناوریهای باتری قدیمی مانند باتریهای سرب-اسیدی، باتریهای جریانی و باتریهای با دمای بالا همچنان در ذخیرهسازی انرژی مورد استفاده قرار میگیرند.
باتریهای لیتیوم-یون مبتنی بر LFP فناوری انتخابی برای کاربردهای SDES هستند و معیاری برای دستیابی به هر فناوری جدیدی در آینده باشند. با این حال، این سیستمها فاقد یک زنجیره تأمین بومی در کشور ما هستند و این موضوع می تواند یکی از مهمترین چالشهای پیش رو در توسعه برق پاک باشد.
اعتبارسنجی و آزمایش ذخیرهسازی انرژی
اعتبارسنجی و آزمایش ذخیرهسازی انرژی فرآیندهای حیاتی هستند. ایمنی، قابلیت اطمینان و عملکرد سیستمهای ذخیرهسازی انرژی را قبل از استقرار در شبکه تضمین میکنند. این فرآیند براساس استاندارهای وزارت انرژی آمریکا به شرح زیر تعریف می شود: “آزمایش و اعتبارسنجی عملکرد تجهیزات الکتریکی گامی حیاتی در فرآیند استقرار فناوریها در شبکه است. قبل از اینکه این دستگاهها، مانند باتریها در شبکه نصب شوند، باید ایمنی و قابلیت اطمینان آنها ثابت شود.” این ارزیابیها ضروری هستند زیرا سیستمهای ذخیره انرژی نقش محوری در تثبیت شبکههای برق، پشتیبانی از ادغام انرژیهای تجدیدپذیر و امکانپذیر کردن گذار جهانی انرژی ایفا میکنند.
اخیرا بزرگترین بستر آزمایشی ذخیرهسازی انرژی را CATL راهاندازی کرده است.
موسسه تحقیقات اعتبارسنجی ذخیرهسازی انرژی شیامن (ESVL) بزرگترین و جامعترین پلتفرم آزمایش و اعتبارسنجی سیستمهای ذخیرهسازی انرژی در جهان است. این موسسه با مساحت 10 هکتار و با سرمایهگذاری تقریبی 3 میلیارد یوان (حدود 440 میلیون دلار) گامی متحولکننده به سوی دوران اعتبارسنجی در دنیای واقعی برای صنعت ذخیرهسازی انرژی است.
این موسسه به عنوان یک زیرساخت مشترک برای تمام بازیگران جهانی ذخیرهسازی انرژی، قابل دسترسی است. هدف آن پرداختن به چالشهای حیاتی صنعت، مانند عملکرد ضعیف و تأخیرهای اتصال به شبکه، با فراتر رفتن از آزمایش در سطح اجزا به اعتبارسنجی در سطح کل سیستم و ایستگاه است. این رویکرد تضمین میکند که سیستمهای ذخیرهسازی انرژی، سختترین شرایط عملیاتی شبکه را برآورده میکنند و ایمنی، قابلیتهای پشتیبانی از شبکه و قابلیت اطمینان بلندمدت را پوشش میدهند.
ESVL دارای پنج آزمایشگاه پیشرفته است که هر کدام به جنبههای خاصی از اعتبارسنجی ذخیرهسازی انرژی میپردازند:
- آزمایشگاه ادغام شبکه: اولین آزمایشگاه ادغام شبکه در سطح ایستگاه در جهان، مجهز به یک شبیهساز شبکه 35kV/100MVA، معیار جدیدی را برای آزمایش در سطح شبکه تعیین میکند.
- آزمایشگاه ایمنی ولتاژ بالا: این آزمایشگاه با پوشش ۱ کیلوولت تا ۵۰۰ کیلوولت، خطرات آتشسوزی و انفجار را در شرایط ولتاژ بالای شدید بررسی میکند.
- آزمایشگاه ایمنی حرارتی و احتراق: آزمایش احتراق در مقیاس بزرگ را برای ارزیابی ایمنی و برنامهریزی استقرار انجام میدهد و به یک کالریمتر ۲۰ مگاواتی مجهز است.
- آزمایشگاه قابلیت اطمینان محیطی: عملکرد سیستم را در شرایط آب و هوایی شدید (از ۵۰- درجه سانتیگراد تا ۱۰۰ درجه سانتیگراد) و شرایط محیطی تأیید میکند.
- آزمایشگاه سازگاری الکترومغناطیسی: خطرات تداخل الکترومغناطیسی را در شرایط عملیاتی واقعی شناسایی میکند.
جمع بندی
در این مقاله به مقوله ذخیره سازهای انرژی الکتریکی در کاربرد ایستگاهی (ثابت ) پرداختیم. باتریها به زودی به گستردهترین فناوری ذخیرهسازی انرژی در سطح جهان تبدیل خواهند شد و از افزایش سریع تولید انرژی تجدیدپذیر به عنوان فناوری منتخب برای کاربردهای SDES و BTM پشتیبانی میکنند. باتریهای لیتیوم-یون، و به ویژه باتریهای نوع LFP، به لطف هزینه کم و چرخه عمر طولانی خود، این استقرار را هدایت میکنند. فناوریهای نسل بعدی مانند باتریهای جریانی یا سدیم-یون، جایگزین فناوریهای باتری قدیمی خواهند شد و میتوانند در بخشهای خاصی از بازار با باتریهای لیتیوم-یون رقابت کنند. با این حال، باید تلاشهایی برای کاهش هزینههای سرمایهای این فناوریها انجام شود و فرصتهایی را در کاربردهای LDES ایجاد کند.
با توجه به اهمیت باتری برای پایداری شبکه و ادغام انرژیهای تجدیدپذیر، ایجاد ظرفیت تولید باتری داخلی برای کاهش وابستگی به واردات و تضمین امنیت عرضه نیز بسیار مهم خواهد بود. تقاضا برای SDES میتواند ساخت یک گیگافکتوری باتری اختصاصی را توجیه کند. در حالی که باتریها تنها راه حل در ارائه راهحلهای ذخیرهسازی LDES نخواهند بود، میتوانند نقش حیاتی در برآورده کردن تقاضای رو به رشد برای ذخیرهسازی انرژی در تمام دورهها ایفا کنند. سرمایهگذاری مداوم، نوآوری، تحقیق و پشتیبانی سیاستی برای دستیابی به این هدف ضروری خواهد بود.
بیشتر بخوانید:
