تعزيز موثوقية الشبكة الكهربائية وقدرتها على التعافي باستخدام حلول تخزين الطاقة

كيف تُحسِّن حلول تخزين الطاقة في الشبكة الكهربائية من موثوقيتها وقدرتها على التعافي

تُعد أنظمة تخزين الطاقة بمثابة وسائد صدمات في شبكات الكهرباء الحالية، حيث تستجيب فورًا تقريبًا عند حدوث انخفاضات في الجهد أو أعطال في المعدات. تحافظ هذه الأنظمة على تنظيم التردد قريبًا جدًا من القيمة القياسية البالغة 60 أو 50 هرتز، عادةً ضمن نطاق نصف هرتز لأعلى أو لأسفل. ويكتسب هذا أهمية لأننا شهدنا سابقًا مشكلات كبيرة عندما تضخمت مشكلات صغيرة لتؤدي إلى انقطاعات كهربائية واسعة النطاق تؤثر على عدة ولايات في آنٍ واحد. ما يجعل هذه الحلول التخزينية ذات قيمة كبيرة هو قدرتها على ضخ الكهرباء مجددًا في الشبكة خلال جزء من الثانية، مما يساعد حقًا في استقرار الشبكة بأكملها. وفي الأوقات التي تحدث فيها أخطاء في الشبكة، تصبح هذه القدرة على الاستجابة السريعة ضرورية تمامًا للحفاظ على تشغيل المستشفيات والخدمات الطارئة والعمليات الحيوية الأخرى بسلاسة.

دمج أنظمة تخزين الطاقة مع مصادر الطاقة المتجددة لتوفير إمدادات مستقرة

تعمل تخزين الطاقة بشكل جيد حقًا عند دمجه مع الألواح الشمسية وتوربينات الرياح، لأن مصادر الطاقة المتجددة تميل إلى التقلب بشكل كبير خلال اليوم، وتحديدًا حوالي 70٪ من الوقت. يمكن لشركات الكهرباء الاستمرار في تزويد الكهرباء دون اللجوء إلى محطات الفحم أو الغاز كمصادر احتياطية، وهو ما يُعد أمرًا مهمًا جدًا في الليل عندما تغرب الشمس أو عندما لا يكون هناك هبوب للرياح لعدة أيام متتالية. تقوم الطاقة المخزنة بتغطية هذه الفجوات التي تنخفض فيها التوليد، بحيث يستمر الناس في الحصول على كهرباء موثوقة من مآخذ الكهرباء لديهم. ويتيح ذلك إمكانية زيادة نسبة الطاقة النظيفة في شبكة الكهرباء بشكل عام، وهي خطوة كان قد دعا إليها منذ سنوات عديدة العديد من المنظمات البيئية.

خدمات تخزين الطاقة مثل تقليل ذروة الاستهلاك وتوازن الأحمال الموضحة

• تقليل ذروة الاستهلاك: يتم تفريغ البطارية خلال فترات الطلب المرتفع اليومية (مثل الساعة 5–8 مساءً)، مما يقلل من الضغط على خطوط النقل ويؤجل الحاجة إلى ترقيات مكلفة للبنية التحتية
• توازن الحمل: تعيد البطاريات توزيع الطاقة الزائدة من المناطق ذات التوريد المفرط إلى المناطق التي تعاني من نقص، مما يحسّن استخدام الشبكة ويقلل الاختناقات.

تحسّن هذه الخدمات الكفاءة وتقلل من التآكل الحادث على البنية التحتية القديمة، مما يسهم في موثوقية النظام على المدى الطويل.

رؤية البيانات: تقلل تخزينات الطاقة على الشبكة من مدة الانقطاع بنسبة تصل إلى 40% (وزارة الطاقة الأمريكية، 2023)

أشار تقرير وزارة الطاقة الأمريكية لعام 2023 حول المرونة إلى أن المناطق التي تمتلك سعة تخزينية تبلغ 500 ميغاواط على الأقل استعادت التيار الكهربائي أسرع بمقدار ساعتين ونصف الساعة خلال العواصف مقارنة بالشبكات التي لا تحتوي على وسائط تخزين. يعود هذا التحسن بنسبة 40% في استعادة التيار إلى قدرة وسائط التخزين على:

1. الحفاظ على تشغيل المرافق الحيوية – المستشفيات، مراكز البيانات، محطات معالجة المياه – أثناء فشل نقل الطاقة
2. تمكين عمليات إعادة تشغيل الشبكة ("التشغيل من الصفر") بشكل أسرع باستخدام المخزونات المخزنة، مما يسرع استعادة الطاقة بالكامل

تكتسب هذه القدرة أهمية متزايدة مع تصاعد تأثيرات الظروف الجوية القاسية على مرونة الشبكة.

تقنيات تخزين الطاقة الرئيسية التي تُسهم في تطبيقات الشبكات الحديثة

نظرة عامة على تقنيات تخزين الطاقة وتصنيفها حسب المدة والوظيفة

تستفيد حلول تخزين الطاقة الحديثة في الشبكات من مجموعة متنوعة من التقنيات، وكل منها مناسبة لمدد ووظائف محددة:

نوع التكنولوجيا	المدة	التطبيقات الرئيسية
بطاريات الليثيوم أيون	قصيرة - متوسطة الأجل	تنظيم التردد، ودعم أحمال الذروة
بطاريات التدفق	متوسطة - طويلة الأجل	نقل الأحمال، ودمج مصادر الطاقة المتجددة
مخزن المياه بالضخ	طويل الأمد	تخزين الطاقة بالجملة، والتوازن الموسمي
تخزين الحرارة	قصيرة - طويلة الأجل	إدارة الحرارة الصناعية، وأنظمة التوليد المشترك للحرارة والكهرباء (CHP)

كما تشير الأبحاث في أنظمة الطاقة المستدامة، فإن هذا التصنيف يساعد المرافق على مواءمة خيارات التكنولوجيا مع الاحتياجات التشغيلية – حيث تعالج الأنظمة قصيرة المدى مثل المكثفات الفائقة الاختلالات اللحظية، في حين تُدير البطاريات التدفقية التحولات التي تمتد لساعات متعددة في إنتاج الطاقة المتجددة.

بطاريات الليثيوم أيون مقابل البطاريات التدفقية: الأداء في حلول تخزين الطاقة على الشبكة

تعتبر بطاريات الليثيوم أيون الخيار المفضل إلى حد كبير لاحتياجات التخزين القصيرة الأجل، نظرًا لكونها تتميز بكفاءة عالية في الشحن والتفريغ تتراوح بين 90% و95%، بالإضافة إلى أزمنة استجابة تقل عن 100 مللي ثانية. ولكن عندما يتعلق الأمر بالحلول طويلة الأمد، فإن البطاريات التدفقية تبرز بشكل واضح. تمتد مدة عمر هذه الأنظمة من 20 إلى 30 عامًا مقارنةً بمتوسط عمر بطاريات الليثيوم الذي يتراوح عادةً بين 10 إلى 15 عامًا. علاوة على ذلك، يمكن توسيع تقنية البطاريات التدفقية بسهولة لتلبية دورات التفريغ التي تتراوح مدتها من 4 إلى 12 ساعة، وهي المطلوبة عند دمجها مع مصادر الطاقة المتجددة مثل الألواح الشمسية أو توربينات الرياح عبر عدة أيام. والجدير بالذكر أن عدم تدهور المحاليل الكهربائية الخاصة بها مع مرور الوقت يساعد فعليًا في تقليل تكاليف الصيانة الإجمالية، حتى وإن كانت تحتوي على طاقة أقل لكل وحدة حجم مقارنةً ببدائل الليثيوم.

التقنيات الناشئة: أنظمة تخزين البطاريات ذات الحالة الصلبة والتخزين بالاعتماد على الجاذبية

يمكن أن تحتفظ بطاريات الحالة الصلبة بكفاءة بضعف كمية الطاقة مقارنة بخلايا الليثيوم التقليدية، مع تقليل خطر الاشتعال بشكل كبير. وهذا يعني أنه يمكن تركيبها بأمان في مساحات أصغر بالقرب من المناطق الحضرية دون القلق من حدوث انفجارات. ومن ثم هناك حلول التخزين المعتمدة على الجاذبية، مثل الأبراج الميكانيكية الكبيرة من شركة Energy Vault. حيث تقوم هذه الأنظمة برفع كتل مركبة ثقيلة عند توفر طاقة إضافية، ثم إنزالها عند الحاجة إليها، مما يتيح تخزين الطاقة بهذه الطريقة لسنوات عديدة. وتفقد هذه المنظومة حوالي 15٪ فقط من الطاقة المخزنة، وهي نسبة جيدة إذا ما قورنت بمدة صلاحيتها الطويلة. وتُفتح جميع هذه التقنيات الجديدة إمكانيات جديدة في الأماكن التي لا تعمل فيها تقنيات البطاريات التقليدية بكفاءة بسبب مشكلات السلامة أو ندرة المواد.

تحليل الاتجاه: التحوّل العالمي نحو أنظمة تخزين الطاقة طويلة المدى (LDES) بحلول عام 2030

تشير التوقعات السوقية إلى أن قطاع تخزين الطاقة لفترة طويلة (LDES) قد يصل إلى نحو 120 مليار دولار بحلول نهاية هذا العقد. يأتي الدفع الرئيسي من الطلب المتزايد على الأنظمة القادرة على تفريغ الطاقة لفترة تتجاوز العشر ساعات متواصلة، وهو أمر ضروري للحد من الانبعاثات الكربونية عبر الشبكات بأكملها. تأتي почти نصف جميع تركيبات الطاقة المتجددة الجديدة هذه الأيام مصحوبة بوعود متعلقة بـ LDES، ويرجع ذلك بشكل كبير إلى انخفاض أسعار التقنيات مثل بطاريات الحديد-الهواء وحلول تخزين الهواء المضغوط. ما نراه هنا لم يعد فقط متعلقًا بإبقاء الأنوار مضاءة خلال انقطاعات قصيرة. بدلًا من ذلك، بدأت الشركات تفكر مسبقًا لبضعة أيام، بل لأشهر قادمة، عند التخطيط لكيفية تعامل أنظمة تخزين الطاقة الخاصة بها مع كل شيء بدءًا من موجات الحرارة التي تمتد لأسابيع إلى فترات متقلبة في العرض والطلب على مدار الفصول.

تكامل الشبكة والأداء التشغيلي لأنظمة تخزين الطاقة

دمج أنظمة تخزين الطاقة (ESS) في شبكات الطاقة اليوم ليس أمراً سهلاً. هناك العديد من التحديات التقنية التي يجب تجاوزها أثناء محاولة استخلاص أفضل أداء ممكن من هذه الأنظمة. من بين المشاكل الصعبة التي تواجه المهندسين هي التعامل مع تلك الزيادات المفاجئة في الجهد الكهربائي التي تظهر عند شحن البطاريات وتفريغها بسرعة. وهناك أيضاً الفوضى المتعلقة بتدفق الطاقة في كلا الاتجاهات داخل أنظمة الطاقة المتجددة المختلطة. وبحسب دراسة نشرت السنة الماضية في مجلة مصادر الطاقة، فإن هناك مشكلتين كبيرتين تبرزان أمام من يرغب في تركيب حزم بطاريات كبيرة ضمن البنية التحتية القديمة للشبكة. الأولى هي الحفاظ على استقرار التردد، وهو أمر يصبح معقداً بسبب دخول تلك البطاريات على الشبكة ثم خروجها منها بشكل متقطع. والثانية هي إدارة تراكم الحرارة داخل هذه المنشآت الكبيرة، وهي مشكلة تزداد صعوبة مع مرور الوقت مع توسع صفوف البطاريات.

التحديات التقنية في دمج أنظمة تخزين الطاقة في الشبكة

تعاني التصاميم القديمة للشبكة من صعوبة كبيرة في مواكبة سرعة استجابة بطاريات الليثيوم أيون وأنظمة البطاريات التدفقية. تحقيق أوقات استجابة سريعة للغاية بالعمل مع معدات التحكم في الجهد العادية يتطلب عادةً إجراء تعديلات كبيرة في المحطات الفرعية. وبحسب بعض التقارير الميدانية، فإن واحدة من كل أربع شركات نقل في أمريكا الشمالية تواجه مشكلات مع محولات الطاقة (inverters) التي لا تعمل بشكل جيد أثناء محاولة تحديث المحطات الفرعية القديمة لأنظمة تخزين الطاقة. وهذا يدل على الحاجة الملحة إلى قواعد قياسية أفضل لربط هذه التقنيات الجديدة بالشبكة.

المحولات الذكية والتحكم المتقدم لتمكين دمج سلس للطاقة المتجددة

تساعد العاكسات الذكية من الجيل التالي في الحفاظ على استقرار الشبكة الكهربائية لأنها تتيح لأنظمة تخزين الطاقة تعديل قدرتها التفاعلية عند حدوث زيادات مفاجئة في إنتاج الطاقة الشمسية أو انخفاضات في توافر الرياح. وعندما تعمل هذه الأجهزة جنبًا إلى جنب مع أنظمة تحكم تعتمد على الذكاء الاصطناعي للتنبؤ بالمتغيرات المستقبلية، أظهرت الاختبارات انخفاضًا يبلغ حوالي 18 بالمئة في هدر الطاقة المتجددة عبر منطقة الغرب الأوسط العام الماضي. خذ نظام CAISO في كاليفورنيا كمثال جيد. فقد نفذ هذا النظام بعض الأساليب الفعالة حقًا باستخدام قياسات فورية لإدارة التنسيق بين بطاريات بقدرة 3.2 جيجاواط ولوحات شمسية. وهذا يساعد في تشغيل كل شيء بسلاسة، حتى مع تغير كمية الكهرباء الناتجة عن المصادر المتجددة باستمرار، وتغير أنماط الاستهلاك لدى الناس خلال اليوم.

دراسة حالة: نشر بطاريات على مستوى الشبكة في كاليفورنيا لدعم الفائض الشمسي

في مايو 2024، عندما بلغت الطاقة الشمسية مستويات قياسية، استقبلت مجموعة بطاريات فوسفات الحديد الليثيوم التي تعمل لمدة 4 ساعات في كاليفورنيا حوالي 1.7 جيجاوات ساعة من الكهرباء الزائدة التي تم توليدها خلال منتصف النهار. وهذا يكفي لتشغيل نحو 125 ألف أسرة في الواقع. وقد غطت الطاقة المخزنة بهذه الطريقة ما يقارب 89 بالمئة من الزيادة الكبيرة في الحاجة إلى الكهرباء خلال ساعات المساء. ما يُظهره هذا هو أنه عندما تُوضع أنظمة تخزين الطاقة (ESS) في الأماكن التي تحتاجها فعلاً، فإنها تحول كل تلك الطاقة الزائدة التي كانت ستضيع عادةً إلى شيء مفيد وموثوق. وبذلك، تقلل من هدر الطاقة وفي الوقت نفسه تقلل من الاعتماد على محطات الغاز الطبيعي الباهظة الثمن التي تدخل حيز التشغيل خلال أوقات الذروة. وكلا الجانبان، المالي والبيئي، يستفيدان من هذا النهج.

الفوائد الاقتصادية والبيئية لحلول تخزين الطاقة على الشبكة

تقليل التخلص من الطاقة الزائدة من خلال دمج أنظمة تخزين الطاقة مع مصادر الطاقة المتجددة

تخزين الطاقة يقلل من هدر المصادر المتجددة من خلال التقاط الطاقة الزائدة من الطاقة الشمسية وطاقة الرياح خلال فترات الطلب المنخفض. في عام 2023، قللت كاليفورنيا من عمليات التخفيض بنسبة 34٪ من خلال نشر موجه للبطاريات. استخدام هذه الطاقة المخزنة خلال ساعات الذروة يزيد من كفاءة استخدام المصادر المتجددة ويقلل الاعتماد على محطات الطاقة التي تعمل بالوقود الأحفوري، مما يحسّن استدامة الشبكة والكفاءة الاقتصادية.

تحسينات تكلفة الطاقة المخزنة (LCOS) تُسهم في دفع اعتماد الطاقة النظيفة

لقد قلّلت تحسينات تقنية البطاريات إلى جانب زيادة حجم الإنتاج من تكلفة تخزين الطاقة المُعدّلة (LCOS) لأنظمة الليثيوم أيون بنسبة تقارب 52% منذ عام 2018. تلجأ شركات الكهرباء في الوقت الحالي بشكل متزايد إلى حلول تخزين الطاقة ليس فقط من أجل الحفاظ على استقرار الشبكة، بل أيضاً لضمان توفير إمدادات كهربائية موثوقة عند الحاجة، وفي كثير من الأحيان بتكاليف قد تكون أقل من تلك التي تقدمها محطات الغاز الطبيعي. وتشير توقعات تقرير حديث لجامعة MIT لعام 2023 إلى تحسن أكبر في المستقبل، حيث قد تنخفض تكلفة تخزين الطاقة المُعدّلة (LCOS) لأنظمة ذات مدة أربع ساعات إلى أقل من 50 دولاراً لكل ميغاواط ساعة بحلول نهاية هذا العقد. من دون شك، تسهم هذه التطورات في تسريع الانتقال نحو شبكات طاقة نظيفة القادرة على التعامل مع مختلف الظروف.

التأثير البيئي: كيف يسهم تخزين الطاقة في دعم أهداف إزالة الكربون

تساعد تخزين الطاقة الكهربائية في دمج المزيد من مصادر الطاقة المتجددة في أنظمتنا الكهربائية، مما يقلل حوالي 12 إلى 18 مليون طن من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون سنويًا داخل الولايات المتحدة وحدها. تقلل هذه التكنولوجيا الاعتماد على تلك التوربينات الغازية التي تطلق كميات كبيرة من الميثان كلما واجهت الشبكة الكهربائية ضغطًا. عند الجمع بين هذه القدرة على التخزين والمنشآت الهجينة المتجددة، نكون بذلك قد حققنا تقدمًا حقيقيًا نحو الهدف الطموح المتمثل في خفض الانبعاثات من إنتاج الكهرباء بنسبة 72٪، وهو ما تشير العديد من نماذج المناخ إلى أنه ضروري في إطار اتفاقية باريس. وبالتالي، تبرز هذه الحلول الخاصة بالتخزين باعتبارها مكونات أساسية في أي محاولة جاد لخفض الغازات الدفيئة عالميًا مع الحفاظ على إمدادات الطاقة الموثوقة.

الأسئلة الشائعة

ما دور أنظمة تخزين الطاقة في استقرار الشبكة الكهربائية؟

تعمل أنظمة تخزين الطاقة كمصدات اهتزاز، حيث تستجيب بسرعة لانخفاض الجهد أو أعطال المعدات لاستقرار الشبكة، مما يضمن استمرار تشغيل الخدمات الحيوية دون انقطاع.

كيف تتكامل أنظمة تخزين الطاقة مع مصادر الطاقة المتجددة؟

تقوم أنظمة تخزين الطاقة بالتقاط الطاقة الزائدة التي تولدها المصادر المتجددة، مما يقلل من التقلبات ويضمن توفير طاقة مستقرة حتى عندما تنخفض توليدات الطاقة المتجددة.

ما هي أنواع الخدمات التي تقدمها حلول تخزين الطاقة في الشبكة الكهربائية؟

تقدم هذه الحلول خدمة تقليل قمم الأحمال من خلال إطلاق الطاقة أثناء فترات الطلب المرتفع، وتحقيق موازنة الأحمال من خلال إعادة توزيع الطاقة الزائدة من المناطق ذات الإنتاج الزائد إلى المناطق التي تعاني من عجز.

ما الفوائد الاقتصادية لحلول تخزين الطاقة؟

تُقلل حلول تخزين الطاقة من التكلفة الموحّدة للتخزين (LCOS)، وتقلل الاعتماد على محطات توليد الطاقة العاملة بالوقود الأحفوري، وتُحد من هدر الطاقة المتجددة، مما يؤدي إلى شبكات كهرباء أكثر كفاءة من حيث التكلفة واستدامة.