هل يمكن استخدام أنظمة تخزين الطاقة الكهربائية (BESS) في تسطيح قمم الطلب على شبكات الطاقة الحضرية؟

فهم تقليم قمم الحمل والضغوط المفروضة على شبكات التوزيع الحضرية

تواجه شبكات التوزيع الكهربائية في المدن اختلالاً جوهرياً بين العرض والطلب. إذ تشهد استهلاك الكهرباء طفراتٍ خلال الساعات الصباحية والمسائية، حينما تستهلك المباني التجارية وأنظمة النقل العام والمستهلكون المنزليون الطاقة في وقتٍ متزامن. ويُجبر هذا الفارق بين الحمل الأساسي وذروة الطلب شركات التوزيع على الحفاظ على سعة احتياطية دوّارة — أي محطات توليد تعمل عند جزء من طاقتها الإنتاجية، وتستهلك الوقود بينما تنتظر طلباً مرتفعاً قد يحدث أو لا يحدث.

يُعالَج هذا الهدر من خلال تقنية تسطيح الذروة، التي تقلل أقصى قدر من الطاقة المُستخلصة من الشبكة خلال فترات الطلب المرتفع. وبدلاً من زيادة إنتاج الكهرباء، تُوظِّف شركات التوزيع أو المستهلكون الكبار الطاقة المخزَّنة لتغطية الفرق. ويكتسب الجانب الاقتصادي لتسطيح الذروة مزيداً من القوة مع انتشار أسعار الكهرباء المتغيرة حسب أوقات الاستخدام في الأسواق الحضرية، حيث قد تتجاوز أسعار الذروة أسعار الأوقات غير الذروية بثلاثة أضعاف أو أكثر.

(بيس) — أنظمة تخزين طاقة البطاريات — ظهرت كالتقنية السائدة لهذا الغرض. وعلى عكس تخزين الطاقة بالضخ المائي التقليدي الذي يتطلّب جغرافياً معيّنة، أو أنظمة العجلات الطائرة المحدودة في تقديم انفجارات قصيرة الأمد، فإن أنظمة تخزين طاقة البطاريات قابلة للتوسّع من تطبيقات المباني التجارية إلى المحطات ذات المقياس المرتبط بالشبكة العامة والتي تخدم أحياءً حضريةً بأكملها.

كيف تقوم أنظمة تخزين طاقة البطاريات بتسطيح الذروة في البيئات الحضرية

منطق دورة الشحن والتفريغ

أ (بيس) التثبيت المتصل بمحطة فرعية حضرية يُشحَن خلال ساعات الذروة المنخفضة — عادةً بين منتصف الليل و6 صباحًا، عندما تفوق الطاقة المولَّدة في قاعدة التحميل الطلب. وتُوزَّع الطاقة المخزَّنة مجددًا على الشبكة خلال ذروة الصباح (7–10 صباحًا) وذروة المساء (5–9 مساءً)، مما يُسطِّح منحنى الحمل الصافي الذي يجب أن تتعامل معه شبكة النقل العلوية.

بطاريات ليثيوم حديد الفوسفات (LiFePO4) تهيمن على عمليات نشر أنظمة تخزين الطاقة الحضرية (BESS) لأسباب عدّة. فاستقرارها الحراري يقلل من خطر اندلاع الحرائق في المناطق المكتظة بالسكان، حيث تترتب على حدوث انفلات حراري عواقب غير مقبولة. كما أن عمر الدورة الذي يتجاوز ٦٠٠٠ دورة شحن وتفريغ عند عمق تفريغ نسبته ٨٠٪ يعني أن النظام المركَّب اليوم سيبقى مربحًا اقتصاديًّا لمدة ١٥–٢٠ سنة من التشغيل اليومي لتخفيف الذروة.

وَضَعَتْ شَرِكَةُ كَهْرَبَاءٍ مَحَلِّيَّةٌ فِي جَنُوبِ شَرْقِ آسِيَا نِظَامَ طَاقَةٍ بَاتِرِيِّيًّا بِسِعَةٍ ٢٠ مِيجَاوَاطٍ / ٤٠ مِيجَاوَاطٍ-سَاعَةٍ فِي مَحَطَّةٍ فَرْعِيَّةٍ حَضَرِيَّةٍ مُزْدَحِمَةٍ، حَيْثُ مَنَعَتْ قُيُودُ المَسَاحَةِ الجَسَدِيَّةِ إِضَافَةَ مُحَوِّلٍ ثَالِثٍ. وَقَامَ نِظَامُ البَاتِرِيَاتِ بِامْتِصَاصِ ذُرَّةِ التَّكْيِيفِ الَّتِي تَبْلُغُ ١٥ مِيجَاوَاطٍ فِي وَقْتِ العَصْرِ، مُؤَجِّلًا نَفَقَاتِ اسْتِثْمَارٍ تَقَدُّرِيَّةٍ بِقِيمَةِ ١٢ مِلْيُونَ دُولَارٍ أَمْرِيكِيٍّ لِتَحْدِيثِ المَحَطَّةِ الفَرْعِيَّةِ بِمُدَّةٍ تَقَدُّرِيَّةٍ تَبْلُغُ سَبْعَ سَنَوَاتٍ.

التَّكَامُلُ مَعَ بِنْيَةِ المَحَطَّةِ الفَرْعِيَّةِ القَائِمَةِ

تَتَّصِلُ تَثْبِيتَاتُ نِظَامِ الطَّاقَةِ البَاتِرِيِّيِّ الحَضَرِيِّ عَادَةً بِالمُسْتَوَى مُتَوَسِّطِ الجَهْدِ (١٠–٣٥ كِيلُوفُولْت) عَنْ طَرِيقِ مُحَوِّلَاتٍ رَافِعَةٍ مُدْمَجَةٍ فِي حَاوِيَةِ البَاتِرِيَاتِ أَوْ مُثَبَّتَةٍ بِجِوَارِهَا. وَيُدِيرُ نِظَامُ تَحْوِيلِ الطَّاقَةِ (PCS) تَدَفُّقَ الطَّاقَةِ ذِي الاِتِّجَاهَيْنِ، مُغَيِّرًا وَظِيفَتَهُ مِنَ التَّسْتِقِيمِ أَثْنَاءَ الشَّحْنِ إِلَى التَّحْوِيلِ أَثْنَاءَ التَّفْرِيغِ فِي غِضُونِ مِلْلِي ثَانِيَاتٍ بَعْدَ تَلَقِّي إِشَارَةٍ مِنْ شَبَكَةِ الكَهْرَبَاءِ.

تتناسب تشكيلات أنظمة تخزين الطاقة المثبتة على الرفوف مع عمليات النشر الداخلية في محطات التحويل حيث تكون مساحة الأرض محدودة. وتتيح تصاميم أنظمة تخزين الطاقة القابلة للتراص للمؤسسات العامة توسيع السعة تدريجيًّا — بدءًا من حاوية سعة ٥ ميغاواط ساعة وإضافة وحدات إضافية مع تطور أنماط الطلب. ويقلل هذا النهج الوحدوي من الالتزام الرأسمالي الأولي مقارنةً ببناء منشأة مخصصة لأنظمة تخزين الطاقة.

المتطلبات الفنية لنشر أنظمة تخزين الطاقة في المناطق الحضرية

اعتبارات المساحة والسلامة

نادرًا ما تمتلك محطات التحويل الحضرية أراضٍ فارغة لتركيبات البطاريات الكبيرة الحجم. وتحل حلول أنظمة تخزين الطاقة المُضمَّنة في حاويات هذه المشكلة عبر تصنيع النظام بالكامل مسبقًا — أي البطاريات ومحولات الطاقة والتحكم الحراري وأنظمة إخماد الحرائق — ضمن أشكال حاويات الشحن القياسية التي يمكن نشرها على الألواح الخرسانية الموجودة في محطات التحويل.

تتطلب بروتوكولات السلامة من الحرائق حمايةً متعددة الطبقات: مراقبة على مستوى الخلية لاكتشاف أي شذوذ في الجهد قبل بدء الانهيار الحراري، وكشف الغاز على مستوى الوحدة لتفعيل التهوية قبل تراكم بخار إلكتروليت قابل للاشتعال، وأنظمة كبت الهباء الجوي على مستوى الحاوية التي تُفعَّل تلقائيًّا. ويقدِّم المعيار NFPA 855 المواصفات القياسية لتثبيت أنظمة تخزين الطاقة، بما في ذلك المسافات الفاصلة ومتطلبات التهوية التي يجب أن تلتزم بها المشاريع الحضرية نظرًا لقربها من المباني المأهولة.

معايير الربط بالشبكة الكهربائية

يُنظِّم معيار IEEE 1547 ربط مصادر الطاقة الموزَّعة، بما في ذلك أنظمة تخزين طاقة البطاريات (BESS)، بالشبكة الكهربائية. ويجب أن تُثبت التنصيبات الحضرية قدرتها على الاستمرار في التشغيل أثناء انخفاضات جهد قصيرة — أي البقاء متصلةً بالشبكة بدلًا من الانفصال عنها، لأن الانفصال يفاقم عدم استقرار الشبكة خلال أشد أوقات الذروة التي صُمِّمت المنظومة تحديدًا للتخفيف من آثارها. ويجب أن يزامن محول الطاقة والتحكم (PCS) تردُّد الشبكة ضمن نطاق ±0.5 هرتز، وأن يستجيب لإشارات التوجيه الصادرة عن شركة التوزيع عبر التكامل مع نظام الإشراف والتحكم الآلي (SCADA).

الأسئلة الشائعة

ما سعة نظام تخزين طاقة البطاريات (BESS) المطلوبة لتسطيح قمم الأحمال في البيئات الحضرية؟

تتطلب التطبيقات التجارية في المباني عادةً سعات تتراوح بين ٥٠٠ كيلوواط ساعة و٢ ميغاواط ساعة لتسطيح قمة الحمل على مستوى المنشأة. أما تسطيح قمم الأحمال على مستوى محطات التوزيع الفرعية فيتطلب سعات تتراوح بين ١٠ و٥٠ ميغاواط ساعة، حسب ملفات أحمال خطوط التغذية. وتتراوح السعات المُستخدمة في التنصيبات الحضرية على نطاق المرافق العامة من ١٠٠ ميغاواط ساعة فما فوق. وتعتمد السعة المطلوبة على شدة ذروة الطلب ومدتها ونسبة التخفيض المستهدفة، وليس على معادلة ثابتة.

كم تدوم مدة تفريغ نظام تخزين طاقة البطاريات (BESS) أثناء تسطيح قمم الأحمال؟

تستهدف معظم أنظمة تسطيح الذروة الحضرية ٢–٤ ساعات من التفريغ المستمر عند القدرة المُصنَّفة. ويشمل ذلك نافذة الذروة الصباحية أو المسائية النموذجية. وتوجد أنظمة ذات مدة أطول (٦–٨ ساعات)، لكنها تتضمَّن تكاليف أعلى لكل كيلوواط ساعة، ولا تبرِّر هذه التكلفة الإضافية عادةً السعة الإضافية في تطبيقات تسطيح الذروة وحدها، رغم أنها تضيف قيمةً عبر خدمات ثانوية مثل تنظيم التردد.

هل يعمل تسطيح الذروة باستخدام أنظمة تخزين طاقة البطاريات (BESS) مع دمج مصادر الطاقة المتجددة؟

نعم. ويعمل تركيب أنظمة تخزين طاقة البطاريات (BESS) جنبًا إلى جنب مع أنظمة الطاقة الشمسية على الأسطح أو توليد طاقة الرياح الحضرية على إنشاء نظام هجين، حيث تُستخدم فائض الطاقة المتجددة المنتجة في منتصف النهار لشحن البطارية، ثم تُفرَّغ في وقت ذروة الاستهلاك المسائية. ويُعالَج هذا النهج مشكلة "منحنى البطة" التي تنخفض فيها إنتاجية الطاقة الشمسية بالضبط في الوقت الذي يزداد فيه الطلب المسائي. وتوفِّر شركات مثل Liaoning Sinotech Group حلولًا متكاملة لأنظمة تخزين طاقة البطاريات (BESS) والطاقة الشمسية لهذا الغرض.

ما الفرق بين تركيب أنظمة تخزين طاقة البطاريات (BESS) على رفوف وتركيبها بطريقة التراص؟

نظام تخزين بطاريات مُركَّب على الرفوف يناسب خزائن الخوادم القياسية بعرض ١٩ بوصة للتركيبات الداخلية في البيئات الخاضعة للرقابة. أما نظام التخزين القابل للتراص فيستخدم خزائن خارجية مقاومة للعوامل الجوية تتصل كهربائيًّا ببعضها ويتواصل بعضها مع بعض عبر وحدة تحكم مركزية. ويُفضَّل تركيب النظام على الرفوف في مبانِي التحكم بالمحطات الفرعية، بينما يُفضَّل التراص للنشر الخارجي على القواعد الأرضية حيث لا تتوفر مساحات داخلية.

كيف يقلِّل نظام تخزين البطاريات من الذروة التكاليف الكهربائية؟

يتفادى المستخدمون التجاريون والصناعيون المشتركون في تعريفات الوقت حسب الاستخدام رسوم الطلب عن طريق السحب من نظام تخزين البطاريات خلال فترات الذروة السعرية. وتستند رسوم الطلب إلى أعلى فترة استهلاك مدتها ١٥ دقيقة في كل شهر، وقد تمثِّل ما بين ٣٠٪ و٧٠٪ من إجمالي فاتورة الكهرباء للمنشأة. ويؤدي تسطيح الذروة إلى إلغاء هذه الرسوم أو تقليلها دون خفض الاستهلاك الفعلي للطاقة.

ما الصيانة المطلوبة لنظام تخزين بطاريات مُركَّب في المناطق الحضرية؟

فحص ربع سنوي لنظام إدارة الحرارة، واختبار السعة نصف السنوي، والمراقبة عن بُعد المستمرة عبر نظام إدارة البطارية. كيمياء ليثيوم حديد فوسفات لا تتطلب إعادة تعبئة الإلكتروليت، على عكس البدائل المبنية على الرصاص-حمض. ويحدث موازنة الخلايا تلقائيًّا عبر نظام إدارة البطارية أثناء التشغيل عند حالة شحن جزئية، وهي الحالة المعتادة في دورات العمل المخصصة لخفض الذروة.