تكامل الشبكة لأنظمة تخزين الطاقة التجارية والصناعية (C&I ESS)

مع تطور صناعة السيارات، يتم دمج مصادر الطاقة الجديدة مثل الطاقة الشمسية والرياح والطاقة المدّية بشكل متزايد في محطات شحن السيارات. أصبحت أنظمة تخزين الطاقة التجارية والصناعية (C&I) نقطة تركيز في تطبيقات الشبكات الكهربائية لموازنة عدم التوافق بين العرض والطلب على الكهرباء في فترات مختلفة وتجاوز القيود المتعلقة بالموقع لمحطات تخزين الطاقة الكبيرة.

يتعمق هذا البحث في حالات استخدامها المختلفة في الشبكات الكهربائية، حيث يغطي الخصائص الفنية وأصول التشغيل وغيرها. كما يفحص التحديات التقنية والاقتصادية التي تواجه نشر أنظمة تخزين الطاقة C&I ويتنبأ باتجاهات التطوير المستقبلية.

1. الخلفية

في ظل التحول العالمي للطاقة وتدهور الضغوط البيئية، تواجه الأنظمة الكهربائية تحديات متزايدة: انقطاع/تغير طاقة المصادر الجديدة، النمو المستمر في الطلب على الكهرباء، وارتفاع متطلبات جودة الطاقة. غالبًا ما تكون محطات شحن السيارات الكهربائية ومرافق تخزين الطاقة C&I قريبة من المناطق الحضرية، مما يجعلها تواجه قيود صارمة على حجم الموقع. توفر أنظمة تخزين الطاقة C&I حلًا مرنًا وفعالًا لقضايا استقرار إمدادات الطاقة مع تجاوز عقبات بناء التخزين الكبير بسبب القيود المكانية، مما يفتح طريقًا جديدًا لموثوقية الشبكة والوصول إليها.

2 نظرة عامة على أنظمة تخزين الطاقة التجارية والصناعية
2.1 مبدأ العمل

تخزن أنظمة تخزين الطاقة التجارية والصناعية الطاقة الكهربائية في وسائط محددة، مثل البطاريات والسعة الفائقة، عبر نظام تحويل الطاقة (PCS). عند الحاجة، تطلق الطاقة المخزنة، مما يسمح بجدولة الطاقة الكهربائية وتوفير التنظيم. عادةً ما تتكون أنظمة تخزين الطاقة من البطاريات، ونظام إدارة البطارية (BMS)، ونظام إدارة الطاقة (EMS)، ووحدة الجمع DC، وPCS، ونظام الإخراج. موضح في الشكل 1 مخطط أنظمة تخزين الطاقة.

2.2 الأنواع والخصائص

(1) وضع الخزانة الكل في واحد. يشبه خزانة التوزيع في الشكل، ويستغرق مساحة صغيرة نسبيًا، لذلك فهو مناسب لتثبيته في سيناريوهات ذات مساحة محدودة. مع درجة عالية من التجميع، فهو سهل النقل والتوسع والصيانة.

(2) وضع الخزانة المنفصلة

نظرًا لقيود حجم الخزانة، فإن سعتها صغيرة نسبيًا (عادة 200 كيلوواط ساعة)، وهي مناسبة لسيناريوهات السعة المنخفضة. يمكن تجميع عدة خزانات لتلبية احتياجات تخزين الطاقة الأكبر.

يجمع وضع الخزانة المنفصلة بين خزانة البطارية وخزانة النظام التحكم (عادة ≤2 خزانات بطارية، مثل التكوينات 1 + 1/1 + 2). رغم أنها تستهلك مساحة أكبر (مقارنة بالخزانة الكل في واحد)، إلا أنها تناسب السيناريوهات ذات القيود المكانية الأكثر تسامحًا.

تم تجميع الوظائف الأساسية بشكل مجزأ: تخصص خزانة البطارية في تخزين وإدارة الطاقة، مع تصاميم تبريد مستقلة (هوائي/سائل)، وأنظمة مكافحة الحرائق والمقاومة للانفجار. تقوم خزانة النظام التحكم بإدارة التنسيق والتقارب البطاري والتحويل الطاقي.

هذا يعزز الموثوقية والقابلية للصيانة — أخطاء في وحدة واحدة لا تؤثر على الأخرى، ويمكن تعديل كمية خزانات البطارية بسهولة لتلبية الاحتياجات المختلفة. موضح في الشكل 2 كلا الوضعين.

3 تطبيق أنظمة تخزين الطاقة التجارية والصناعية
3.1 تقليص الذروة الكهربائية

تشهد الأحمال الكهربائية للمستخدمين التجاريين والصناعيين اختلافات بين الذروة والوادي. من خلال الشحن خلال فترات الانخفاض وإطلاق الطاقة خلال فترات الذروة، تساعد أنظمة تخزين الطاقة في توازن الأحمال، وتقليل تكاليف الكهرباء، وتخفيف ضغط الإمداد بالشبكة خلال ساعات الذروة، مما يعزز كفاءة تشغيل الشبكة.

3.2 تحسين جودة الطاقة

يمكن لأنظمة تخزين الطاقة الرد بسرعة على مشاكل جودة الطاقة في الشبكة. تعمل على تحسين جودة الطاقة من خلال توفير أو امتصاص الطاقة غير الفعالة، واستقرار التقلبات الجهدية، وتخفيف التوافقيات.

3.3 مصدر الطاقة الاحتياطي

عند حدوث أعطال في الشبكة أو انقطاعات، تعمل أنظمة تخزين الطاقة كمصادر طاقة احتياطية، لتوفير الكهرباء لفترات قصيرة للمستخدمين التجاريين والصناعيين. وهذا يقلل من الخسائر ويعزز موثوقية إمدادات الطاقة.

3.4 دمج الطاقة المتجددة

بالنسبة للمستخدمين التجاريين والصناعيين الذين لديهم طاقة متجددة موزعة (مثل الطاقة الشمسية والرياح والطاقة المدّية)، تخزن أنظمة تخزين الطاقة الفائض من توليد الطاقة المتجددة. تطلق الطاقة المخزنة خلال فترات انخفاض إنتاج الطاقة المتجددة (مثل عدم وجود ضوء شمسي أو رياح ضعيفة)، مما يعزز استخدام الطاقة المتجددة في الشبكة ويسرع في عملية التحول الطاقي. يعد مركز الشحن المتكامل للطاقة الشمسية والتخزين مثالًا ناجحًا، حيث يتم تحسين خصائص الطاقة الكهروضوئية.

4 التحديات في التطبيق
4.1 التحديات التقنية

(1) فيما يتعلق بعمر الخدمة والأداء وكفاءة الشحن والإفراز للبطاريات: بينما تحقق بعض المنتجات الحالية عدم تلاشي السعة لمدة 5 سنوات وكفاءة تحويل PCS تتجاوز 95٪، فإن الاختراقات التقنية لا تزال صعبة. أصبح تحسين استراتيجيات إدارة البطاريات وتحسين كفاءة التحويل هو المفتاح للمنافسة في المنتجات.

(2) فيما يتعلق بثبات البطارية وسلامة النظام: مقارنة بتخزين الطاقة الكبير، يكون تخزين الطاقة التجاري والصناعي أقرب إلى المناطق السكنية. وبالتالي، فإن أنظمة إدارة الحرارة للبطاريات وأنظمة المقاومة للانفجار وأنظمة مكافحة الحرائق هي أساسية لضمان ثبات البطارية وسلامة النظام.

4.2 التحديات الاقتصادية

(1) تكاليف الاستثمار الأولية المرتفعة والفترة الطويلة لاسترداد التكلفة.

(2) حاليًا، تأتي إيرادات تخزين الطاقة التجارية والصناعية بشكل أساسي من التجارة بين الذروة والوادي، ويحتاج الاستدامة والاستقرار في الإيرادات إلى تحسين.

5 الخلاصة

لدى أنظمة تخزين الطاقة التجارية والصناعية آفاق واسعة وقيمة تطبيقية كبيرة في الشبكات الكهربائية، حيث تلعب أدوارًا متنوعة. فهي لا تساعد فقط في تعزيز استقرار وموثوقية الشبكة، ولكنها أيضًا تجلب فوائد اقتصادية للمستخدمين، مما يساهم في استخدام الطاقة بكفاءة والتنمية المستدامة. ومع ذلك، لا تزال هناك العديد من التحديات التقنية والاقتصادية. يتطلب الأمر المزيد من الجهود لتعزيز الابتكار التكنولوجي وتحسين الآليات السوقية والسياسات، ودفع التطبيق الواسع والتطور الصحي لأنظمة تخزين الطاقة التجارية والصناعية.