أساسيات تخزين الطاقة: دليل عملي لأنظمة تخزين الطاقة الحديثة

مع تسارع وتيرة نشر الطاقة المتجددة عالمياً، تطورت أنظمة تخزين الطاقة من كونها إضافات اختيارية إلى بنية تحتية أساسية لأنظمة الطاقة الحديثة. فمن تثبيت الشبكة ودمج الطاقة المتجددة إلى تحسين تكلفة الطاقة التجارية، يلعب التخزين الآن دوراً حاسماً في جميع مراحل سلسلة قيمة الطاقة.

تقدم هذه المقالة مقدمة شاملة وموجهة نحو الهندسة لتخزين الطاقة، وتغطي المفاهيم الأساسية، وبنية النظام، والمعايير الرئيسية، والتطبيقات العملية - مع رؤى عملية من شركة GSL ENERGY، وهي شركة عالمية لتصنيع حلول تخزين الطاقة.

1. ما هو تخزين الطاقة؟

يشير تخزين الطاقة إلى عملية التقاط الطاقة في لحظة معينة وتخزينها لاستخدامها لاحقًا. في قطاع الطاقة، يعني هذا عادةً تخزين الطاقة الكهربائية، حيث يتم تحويل الكهرباء إلى أشكال أخرى من الطاقة، مثل:

الطاقة الكيميائية

الطاقة الكامنة

الطاقة الحركية

الطاقة الكهرومغناطيسية

— ثم يتم تحويلها لاحقًا إلى كهرباء عند الحاجة.

لا يُعد تخزين الطاقة مصدراً للطاقة المتجددة بحد ذاته، ولكن دمج الطاقة المتجددة على نطاق واسع أمر مستحيل بدونه.

2. أنظمة تخزين الطاقة الكهروكيميائية (التقنية السائدة)

2 .1 مبدأ التشغيل

تعتمد أنظمة تخزين الطاقة الكهروكيميائية على تفاعلات الأكسدة والاختزال العكسية لتحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة كيميائية والعكس. يهيمن هذا النوع حاليًا على سوق التخزين العالمي نظرًا لقابليته للتوسع وكفاءته واستجابته السريعة.

2.2 مكونات النظام الأساسية

يتضمن نظام تخزين الطاقة الكهروكيميائي الكامل عادةً ما يلي:

أنظمة البطاريات

نظام إدارة البطارية (BMS)

نظام تحويل الطاقة (PCS)

نظام إدارة الطاقة (EMS)

أنظمة إدارة الحرارة، والحماية من الحرائق، والاتصالات، والأنظمة الكهربائية المساعدة

اليوم، تعد بطاريات الليثيوم أيون - وخاصة فوسفات الحديد الليثيوم (LiFePO₄) - هي التقنية السائدة لتخزين الطاقة الثابتة.

3. ما هو تخزين الطاقة التجارية والصناعية (C&I) ؟

يشير تخزين الطاقة التجارية والصناعية إلى أنظمة تخزين الطاقة المثبتة على جانب العميل من العداد، والتي تخدم مستخدمي الكهرباء الصناعية والتجارية بشكل مباشر.

يركز تخزين البيانات في القطاع التجاري والصناعي بشكل أساسي على المستخدم، مع التركيز على التحسين الاقتصادي ومرونة الطاقة.

4. الخصائص الرئيسية لتخزين الطاقة في القطاعين التجاري والصناعي

بخلاف محطات تخزين الطاقة واسعة النطاق المصممة لخدمة الشبكة، فإن أنظمة تخزين الطاقة التجارية والصناعية تعطي الأولوية عادةً لما يلي:

حلاقة القمم وملء الوديان

المراجحة في أسعار الكهرباء حسب وقت الاستخدام (TOU)

تخفيض رسوم الطلب

زيادة الاستهلاك الذاتي للطاقة الشمسية الكهروضوئية

طاقة احتياطية للأحمال الحيوية

الهدف التشغيلي هو تحقيق أقصى قدر من العوائد الاقتصادية من جانب العميل مع ضمان موثوقية الطاقة.

5. بنية النظام: اقتران التيار المتردد مقابل اقتران التيار المستمر

أنظمة التيار المتردد المقترنة

تم اعتماده على نطاق واسع

سهولة التكامل مع أنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية الحالية

مرونة عالية لمشاريع التحديث

أنظمة اقتران التيار المستمر

كفاءة أعلى للنظام

مثالي لمشاريع الطاقة الشمسية الكهروضوئية والتخزين الجديدة

شائع في حلول تخزين الطاقة الشمسية المتكاملة

يدعم نظام GSL ENERGY كلا البنيتين، ويوفر تخصيصًا على مستوى النظام بناءً على متطلبات المشروع.

6. سيناريوهات التطبيق النموذجية

تُستخدم أنظمة تخزين الطاقة التجارية والصناعية على نطاق واسع في:

المناطق الصناعية

المجمعات التجارية

مراكز البيانات

محطات قاعدة الاتصالات

المستشفيات

المؤسسات التعليمية

مباني المكاتب

المجتمعات السكنية

7. المكونات الرئيسية لنظام تخزين الطاقة في المنشآت التجارية والصناعية

يتضمن نظام دعم الطاقة القياسي للشركات والمؤسسات ما يلي:

رفوف أو خزائن البطاريات

نظام إدارة البطارية (BMS) (سلامة البطارية ومراقبتها)

PCS (تحويل الطاقة ثنائي الاتجاه)

نظام إدارة الطاقة (EMS) (توزيع الطاقة وتحسينها)

أنظمة الحماية الكهربائية، وإخماد الحرائق، والمراقبة عن بعد

يجب أن تدعم الأنظمة الحماية من الجهد الزائد والتيار الزائد وقصر الدائرة والإدارة الحرارية ووظائف الإغلاق الطارئ.

8. فهم تصنيفات أنظمة تخزين الطاقة

مثال: 0.5 ميغاواط / 1.305 ميغاواط ساعة تخزين الطاقة

0.5 MW أقصى طاقة للشحن/التفريغ

1.305 ميغاواط ساعة : سعة الطاقة المركبة

بمعدل 0.5 درجة مئوية، يمكن للنظام أن يعمل بكامل طاقته لمدة 2.6 ساعة تقريبًا.

9. هيكل نظام البطارية

خلية البطارية : أصغر وحدة كهروكيميائية

وحدة/حزمة البطارية : خلايا متعددة مجمعة

رف/مجموعة البطاريات : وحدات متعددة تشكل وحدة تخزين

تقوم شركة GSL ENERGY بتصميم أنظمة بطاريات معيارية لدعم توسيع السعة القابل للتطوير والصيانة المبسطة.

10. شرح معايير البطارية الرئيسية

سعة البطارية (أمبير/ساعة)

يشير إلى إجمالي الشحنة التي يمكن للبطارية تخزينها.

طاقة البطارية (واط ساعة)

يمثل إجمالي الطاقة المخزنة:

الطاقة (واط ساعة) = الجهد (فولت) × السعة (أمبير ساعة)

11. عمق التفريغ (وزارة الدفاع الأمريكية)

تقوم وزارة الدفاع بقياس مقدار السعة المقدرة للبطارية المستخدمة خلال دورة الشحن والتفريغ.

دورة سطحية: 10-30%

دورة متوسطة: 40-70%

دورة عميقة: 80-95%

تتيح وزارة الدفاع الأعلى استخدامًا أفضل للطاقة، ولكن يجب موازنتها مع تحسين دورة الحياة.

12. كفاءة الشحن/التفريغ

تحقق معظم أنظمة تخزين الطاقة التي تعمل ببطاريات الليثيوم أيون كفاءة ذهاب وإياب تتراوح بين 87 و91%، مما يعكس خسائر الطاقة على مستوى النظام.

13. معدل الشحن/التفريغ (C-Rate)

يحدد معدل الشحن والتفريغ (C-rate) مدى سرعة شحن البطارية أو تفريغها بالنسبة لسعتها، وهو معيار تصميم حاسم لسيناريوهات التطبيق المختلفة.

14. كفاءة النظام

وفقًا للمعايير الدولية، فإن كفاءة النظام أقل من كفاءة البطارية وحدها بسبب:

استهلاك الطاقة المساعدة

خسائر إلكترونيات الطاقة

أحمال إدارة الحرارة

15. معدل استخدام الأصول

يعكس هذا المقياس مدى فعالية استخدام أصول التخزين بمرور الوقت وهو أمر ضروري لتقييم اقتصاديات المشروع.

16. تدهور البطارية ودورة حياتها

يُعرَّف نهاية العمر الافتراضي عادةً عند 80% من السعة المتبقية

بالنسبة لبطاريات LiFePO₄:

التدهور في السنة الأولى: حوالي 5-6%

التدهور السنوي بعد ذلك: حوالي 1-2%

تقوم شركة GSL ENERGY بتصميم أنظمة لتحقيق استقرار تشغيلي طويل الأمد، مدعومة باختيار الخلايا، ومنطق نظام إدارة البطارية، واستراتيجيات التحكم الحراري.

17. أدوارBMS ، وخدمات الطوارئ الطبية، وخدمات الاتصالات الشخصية

نظام إدارة المباني (طبقة الاستشعار) : السلامة، والمراقبة، والموازنة

نظام إدارة الطاقة (طبقة اتخاذ القرار) : تحسين استهلاك الطاقة، والجدولة، وتبديل الاستراتيجيات

طبقة التنفيذ (PCS) : تحويل التيار المتردد/المستمر والتحكم في الطاقة

يشكلون معاً "الجهاز العصبي" لنظام تخزين الطاقة.

18. لمحة عامة عن تقنيات تخزين الطاقة الرئيسية

19. منظور شركة GSL ENERGY: التخزين كهندسة نظام

من وجهة نظر شركة GSL ENERGY، لا يقتصر تخزين الطاقة على البطاريات فحسب، بل هو تخصص هندسي على مستوى النظام يدمج ما يلي:

اختيار الكيمياء الخلوية

تصميم النظام المعياري

منطق أنظمة إدارة المباني وأنظمة إدارة الطاقة الذكية

الهندسة الحرارية وهندسة السلامة

التوافق مع الشبكة والموثوقية على المدى الطويل

بصفتها شركة عالمية لتصنيع أنظمة تخزين الطاقة ومزودة للحلول، تقدم GSL ENERGY حلول تخزين الطاقة السكنية والتجارية والصناعية وعلى نطاق المرافق، وتدعم نشر أنظمة OEM وODM والأنظمة المخصصة في جميع أنحاء العالم.

الخلاصة: تخزين الطاقة كركيزة أساسية لنظام الطاقة الجديد

مع استمرار ارتفاع نسبة استخدام الطاقة المتجددة، أصبح تخزين الطاقة بمثابة عامل استقرار وتحسين وتمكين لأنظمة الطاقة الحديثة.

إن فهم تخزين الطاقة يعني فهم كيفية عمل نظام الطاقة المستقبلي فعلياً.