أنظمة تخزين الطاقة

بقلم: د.م/ كاميليا يوسف محمد.                                         عضو المجلس الاستشاري العلمي للمجلس العربي للطاقة المستدامة

إن إضافة تكنولوجيا بطاريات التخزين للمحطات الشمسية تضمن استمرارية الشبكة والاستفادة من القدرات المولدة من الطاقة المتجددة فى أى وقت دون الارتباط بالسطوع الشمسي ، وتعد تكنولوجيا التخزين عامل أساسي وهام للحفاظ على سلامة الشبكة الكهربائية من الناحية الفنية وتضمن عدم تعرضها لأى اعطال طارئة.
تعتبر تكنولوجيا التخزين مهمة للشبكة الكهربائية في المرحلة الحالية لتتمكن الشبكة من استيعاب القدرات الجديدة التى سيتم اضافتها للشبكة الكهربائية خلال الـ 10 سنوات المقبلة.

تشكل الطاقة عنصرا أساسيا في التنمية في جميع أنحاء العالم. بسبب تقلب أسعار النفط واستنزاف موارد الوقود الأحفوري والاحتباس الحراري والتلوث المحلي ونمو الطلب على الطاقة ، أصبحت الطاقات البديلة والطاقات المتجددة والاستخدام الفعال للوقود الأحفوري أكثر أهمية من أي وقت مضى في التاريخ . تتضافر الأزمات والصراعات الوطنية والدولية في مجال الطاقة/البيئة لتحفيز تحول جذري من الوقود الأحفوري إلى أنواع وقود موثوقة ونظيفة وفعالة.

ان الأرقام لا تكذب فمصر من أغنى دول العالم بالطاقة الشمسية ، حيث تملك أعلى معدل سطوع للشمس فى العالم بما يتجاوز 3 آلاف ساعة فى العام بسبب وقوعها فى قلب الحزام الشمسى العالمى ، الإحصائيات والأرقام تعكس قدرة مصر وإمكانياتها فى هذا المجال .. حيث قالت منظمة جلوبال إنيرجى مونيتورالعالمية فى آخر تقرير لها إن مصر هى الأولى عربيا فى إنتاج الكهرباء من الطاقة الشمسية وطاقة الرياح.
ولكن لا يمكن لموارد الطاقة المتجددة مثل طاقة الرياح والطاقة الشمسية إنتاج الطاقة بشكل ثابت ، لأن معدلات إنتاجها من الطاقة تتغير مع المواسم والأشهر والأيام والساعات وما إلى ذلك.

تقلب طاقة الرياح والطاقة الشمسية

الكثير من التباين في إنتاج الطاقة الشمسية خلال النهار والسنة يمكن التنبؤ به إلى حد كبير ، لأن حركة الشمس مفهومة جيدًا. ومع ذلك ، هناك مصدر إضافي للتغير أقل قابلية للتنبؤ به ، وهو وجود السحب التي يمكن أن تمر عبر محطات الطاقة الشمسية وتحد من التوليد لفترات قصيرة من الزمن. يمكن أن يؤدي الغطاء السحابي إلى تغييرات سريعة جدًا في ناتج الأنظمة الكهروضوئية الفردية ، ولكن يتم تقليل التأثيرات على الشبكة الكهربائية إلى الحد الأدنى عندما تنتشر مشاريع الطاقة الشمسية جغرافيًا بحيث لا تتأثر بالسحب في نفس الوقت. بهذه الطريقة ، يتم تسوية التباين من عدد كبير من الأنظمة. بالنسبة للمحطات الشمسية الكبيرة ، يؤثر الغطاء السحابي عادةً على جزء فقط من المشروع في وقت معين بينما تنتقل السحب عبر النظام.
من المعلوم أنه مع زيادة عدد المحطات الشمسية ، يصبح ناتجها الإجمالي الطبيعي أكثر سلاسة.

مع إدخال المزيد من محطات الطاقة الشمسية في الشبكة الكهربائية ، يتعامل المشغلون مع مشكلة جديدة تتمثل في العرض الزائد/النقص ، والتي يمكن تصورها على أنها “منحنى البطة”.

منحنى البطة : هو تمثيل بياني يوضح التفاوت بين الطلب على الكهرباء وتوليد الطاقة الشمسية طوال اليوم . تسمية هذا المنحنى جاء بسبب تشابهه مع البطة ، ويُظهر المنحنى عادةً انخفاض الطلب على الكهرباء في الصباح عندما يبدأ توليد الطاقة الشمسية ، وزيادة حادة في الطلب في المساء عندما ينخفض إنتاج الطاقة الشمسية ، وفجوة كبيرة أثناء منتصف النهار عندما يكون إنتاج الطاقة الشمسية في ذروته ولكن الطلب أقل . هذا المفهوم مهم لإدارة الطاقة ودمج المصادر المتجددة مثل الطاقة الشمسية في شبكة الكهرباء.

تم صياغة مصطلح منحنى البطة حوالي عام 2012 من قبل مشغل النظام المستقل في كاليفورنيا في الولايات المتحدة. كان التمثيل البياني وسيلة لتوضيح الطلب على الكهرباء من نظام الطاقة ، مع أنماط توليد الطاقة الشمسية واستخدامها كل ساعة. يُعد منحنى البطة ظاهرة عالمية ويُشار إليها الآن على نطاق واسع في صناعة الطاقة. يوضح الرسم البياني منحنى البطة النموذجي استنادًا إلى بيانات حقيقية ، ويمكن تفسيره بهذه الطريقة : تعطي خطوط منحنى البطة الكمية النموذجية للكهرباء المرسلة بواسطة نظام طاقة على مدار اليوم . الانخفاض الكبير في الخطوط في منتصف اليوم – الوقت الأكثر إشراقًا – هو عندما يتم توليد الطاقة الشمسية. في هذا الوقت قد لا تكون هناك حاجة إلى مولدات أكبر لتلبية الطلب على الكهرباء.

للتخفيف من التحديات التي يفرضها منحنى البطة ، يتم استخدام تقنيات تخزين الطاقة مثل استخدام البطاريات لتخزين الطاقة الشمسية الزائدة المولدة خلال النهار وإطلاقها خلال فترات الذروة.

عموما يعد تخزين الطاقة عاملاً حاسماً . وبشكل أساسي ، يجب تخزين الطاقة المستمدة من هذه الموارد المتجددة عند إنتاج فائض ثم إطلاقها. هناك أسباب أخرى لضرورة تخزين الطاقة . حيث يسمح تخزين الطاقة بالاتى :
– تلبية التقلبات العشوائية قصيرة المدى في الطلب ومن ثم تجنب الحاجة إلى تنظيم التردد من قبل المحطات الرئيسية. ويمكن أيضًا توفير خاصية ” التجاوز” لانقطاع التيار الكهربائي مؤقتًا، وتقليل التشوه بالتوافقية ، والقضاء على أنحدار الجهد والجهود العابرة.
– التخلص من الحاجة إلى محطة رئيسية محملة جزئياً تكون جاهزة لتلبية الطلبات المفاجئة وغير المتوقعة ، فضلاً عن حالات الطوارئ المتعلقة بالقدرة التي تنشأ عن أعطال وحدات التوليد و/أو خطوط النقل.
– استيعاب الذروة بين الدقائق والساعات في منحنى الطلب اليومي.
– تخزين فائض الكهرباء المولد طوال الليل (أي خارج ساعات الذروة) لتلبية الطلب المتزايد خلال النهار.
– تخزين الكهرباء المولدة من مصادر الطاقة المتجددة لمواءمة العرض المتقلب مع الطلب المتغير.

من الطرق المختلفة لتخزين الطاقة : البطاريات ، و الضخ المائي ، والهواء المضغوط ، والهيدروجين ، والتخزين الحراري.
يوضح الجدول الفروق بين خصائص بعض أنظمة تخزين الطاقة المختلفة المستخدمة لدعم شبكات الكهرباء على نطاق واسع و التي تحتوي على محطات الطاقات المتجددة الكبيرة من حيث : الصيانة ، ووقت الإنشاء ، والتكلفة ، والكفاءة ، والعمر التشغيلي ، والاستخدام الأنسب.

فيما يلى عناصرأهمية بطاريات تخزين الطاقة على نطاق واسع لشبكات الكهرباء المحتوية على محطات شمسية فوتوفولتية :
– تحقيق الاستقرار في شبكة الكهرباء
تنتج محطات الطاقة الشمسية الكهرباء بشكل متقطع حسب الإشعاع الشمسي. تعمل البطاريات كمخزن وسيط للطاقة لتخزين الكهرباء الزائدة وقت الذروة الشمسية وتفريغها عندما يقل الإنتاج أو يزيد الطلب، مما يساعد على استقرار الجهد وتردد الشبكة.
– تعزيز موثوقية وإمداد الشبكة
تمكن البطاريات الشبكة من الاستمرار في تغذية الأحمال الحرجة حتى عند انقطاع التيار أو انخفاض إنتاج المحطة الشمسية وتقلل من الحاجة إلى محطات تقليدية احتياطية.
– تحسين إدارة الطاقة وتوازن العرض والطلب
تشحن البطاريات في ساعات النهار عندما يكون الإنتاج مرتفعًا والاستهلاك منخفضًا، وتفرغ في المساء لتلبية الطلب المرتفع، مما يحسن كفاءة استخدام الطاقة الشمسية.
– تقليل تكاليف التشغيل والبنية التحتية
تقلل البطاريات الحاجة إلى توسعة الشبكات أو بناء محطات جديدة لتلبية ذروة الطلب، وتتيح الاستفادة القصوى من محطات الطاقة الشمسية، مما يخفض تكاليف الطاقة الإجمالية.
– دعم التحول نحو الطاقة النظيفة وتقليل الانبعاثات
تسمح البطاريات بدمج نسبة أكبر من الطاقة المتجددة في الشبكة وتقلل الاعتماد على الوقود الأحفوري مما يساهم في خفض انبعاثات غازات الاحتباس الحراري وتحقيق أهداف التنمية المستدامة.
– تمكين الشبكات الذكية والتكامل مع أنظمة الإدارة
تعتبر أنظمة التخزين جزءًا أساسيًا من الشبكات الذكية، وتمكن من تطبيق تقنيات إدارة الطلب والتحكم الذكي في الأحمال، مما يسهل التكامل بين المحطات الشمسية والمستهلكين.
– تطبيقات عملية في مصر والعالم
في مصر، يجري التوسع في مشروعات تخزين الطاقة الشمسية لتحسين الاعتمادية. عالميًا، تُستخدم أنظمة بطاريات ضخمة مثل بطاريات تسلا ميجاباك لدعم محطات الطاقة الشمسية.

من المتوقع أن تصل سعة تخزين الطاقة العالمية في عام 2025 إلى حوالي 221 جيجاوات ساعة، حيث تعد الصين وأوروبا والولايات المتحدة أكبر الأسواق، حيث تمثل حوالي 85% من التركيبات الجديدة. وتشمل التوقعات لعام 2025 : 110 جيجاوات ساعة في الصين، و44 جيجاوات ساعة في الولايات المتحدة، و37 جيجاوات ساعة في أوروبا، مع نمو مدفوع بمشاريع تخزين واسعة النطاق.

وبحلول عام 2025، من المتوقع أن تصبح دول مجلس التعاون الخليجي، وخاصة المملكة العربية السعودية والإمارات العربية المتحدة، لاعبين مهمين في سوق تخزين الطاقة العالمي، حيث تستهدف المملكة العربية السعودية حوالي 8 جيجاوات ساعة بحلول عام 2025 ويتوقع نمو قوي في منطقة الشرق الأوسط وشمال إفريقيا الأوسع. تهدف المملكة العربية السعودية إلى 48 جيجاوات ساعة بحلول عام 2030 وتتقدم بسرعة في مشاريع تخزين الطاقة الخاصة بها بموجب رؤية 2030، والتي تتضمن زيادة هائلة في سعة الطاقة المتجددة إلى 58.7 جيجاوات بحلول نفس العام. ينصب التركيز على نشر تخزين البطاريات على نطاق جيجاوات لتكملة البنية التحتية المتنامية للطاقة المتجددة وتعزيز استقرار الشبكة في جميع أنحاء المنطقة.