افزایش قابلیت اطمینان و تاب‌آوری شبکه با استفاده از راهکارهای ذخیره انرژی شبکه

چگونه راهکارهای ذخیره انرژی شبکه قابلیت اطمینان و تاب‌آوری شبکه را افزایش می‌دهند

سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی کاری شبیه به میرهای جذب شوک در شبکه‌های برق امروزی دارند و تقریباً بلافاصله به افت ولتاژ یا خرابی تجهیزات واکنش نشان می‌دهند. این سیستم‌ها فرکانس را به‌طور دقیقی نزدیک به استاندارد ۶۰ یا ۵۰ هرتز نگه می‌دارند، معمولاً در محدوده حدود نیم هرتز در دو طرف این مقدار. این موضوع اهمیت دارد زیرا بدون چنین کنترلی قبلاً شاهد مشکلات بزرگی بوده‌ایم که در آن مسائل کوچک به قطعی‌های گسترده‌ای تبدیل شده‌اند که یک‌جا چندین ایالت را تحت تأثیر قرار داده‌اند. چیزی که این راه‌حل‌های ذخیره‌سازی را بسیار ارزشمند می‌کند، توانایی آن‌ها در تزریق برق به شبکه در کسری از ثانیه است که واقعاً به تثبیت کل شبکه کمک می‌کند. در مواقعی که اشکالی در شبکه رخ می‌دهد، این قابلیت پاسخگویی سریع برای ادامه روان عملیات حیاتی مانند بیمارستان‌ها، خدمات اضطراری و دیگر عملیات ضروری اساسی می‌شود.

ادغام ذخیره‌سازی انرژی با منابع انرژی تجدیدپذیر برای تأمین پایدار

ذخیره‌سازی انرژی زمانی بسیار خوب کار می‌کند که همراه با صفحات خورشیدی و توربین‌های بادی استفاده شود، زیرا منابع تجدیدپذیر در طول روز نوسان قابل توجهی دارند — در واقع حدود ۷۰ درصد از زمان. شرکت‌های برق می‌توانند بدون روی آوردن به نیروگاه‌های زغال‌سنگی یا گازی به عنوان منابع پشتیبان، به تامین برق ادامه دهند که این موضوع به ویژه در شب‌ها که خورشید غروب می‌کند یا زمانی که روزها پشت سر هم بادی نمی‌وزد، اهمیت زیادی دارد. برق ذخیره‌شده این شکاف‌ها را پر می‌کند جایی که تولید انرژی کاهش یافته است، بنابراین مردم همچنان برق قابل اعتمادی از پریزهای خود دریافت می‌کنند. این امر امکان افزایش سهم انرژی پاک در شبکه برق ما را فراهم می‌کند، چیزی که گروه‌های محیط زیستی سال‌هاست که بر آن تاکید دارند.

خدمات ذخیره‌سازی انرژی مانند کاهش پیک مصرف و تعادل‌سازی بار

• کاهش پیک مصرف: در ساعات اوج مصرف روزانه (مثلاً ۵ تا ۸ عصر) سیستم ذخیره‌سازی تخلیه می‌شود، که این امر باعث کاهش فشار بر خطوط انتقال و جلوگیری از نیاز به ارتقای گران‌قیمت زیرساخت‌ها می‌شود
• تعادل‌سازی بار: باتری‌ها انرژی اضافی را از مناطقی که عرضه بیشتری دارند به مناطقی که با کمبود مواجه هستند توزیع مجدد می‌کنند و این امر موجب بهینه‌سازی بهره‌برداری از شبکه و کاهش ازدحام می‌شود

این خدمات کارایی را افزایش می‌دهند و از فرسایش زیرساخت‌های قدیمی جلوگیری می‌کنند و به این ترتیب به قابلیت اطمینان بلندمدت سیستم کمک می‌کنند

بینش داده‌ای: ذخیره‌سازی در شبکه مدت خاموشی را تا 40% کاهش می‌دهد (وزارت انرژی آمریکا، 2023)

گزارش مقاومت شبکه از سوی وزارت انرژی آمریکا در سال 2023 نشان داد که مناطقی که حداقل ظرفیت ذخیره‌سازی 500 مگاواتی دارند، در زمان طوفان‌ها برق را 2.3 ساعت سریع‌تر از شبکه‌های فاقد سیستم ذخیره بازیابی می‌کنند. این بهبود 40%‌ای در بازیابی از خاموشی‌ها ناشی از توانایی ذخیره‌سازی در موارد زیر است:

1. حفظ عملیات تاسیسات حیاتی – بیمارستان‌ها، مراکز داده، کارخانه‌های تصفیه آب – در زمان خرابی انتقال
2. فعال‌سازی سریع‌تر راه‌اندازی مجدد شبکه (black start) با استفاده از ذخایر ذخیره‌شده و تسریع بازیابی کامل

این قابلیت به‌مرور ضروری‌تر می‌شود، زیرا رویدادهای آب‌وهوایی شدید به مقاومت شبکه فشار می‌آورند

فناوری‌های کلیدی ذخیره انرژی که به کاربردهای مدرن شبکه قدرت می‌دهند

مروری بر فناوری‌های ذخیره‌سازی انرژی و طبقه‌بندی آنها بر اساس مدت زمان و عملکرد

راه‌حل‌های مدرن ذخیره‌سازی انرژی در شبکه از طیف وسیعی از فناوری‌ها استفاده می‌کنند که هر کدام برای مدت‌زمان‌ها و عملکردهای خاصی مناسب هستند:

نوع فناوری	مدت زمان	برنامه های کاربردی کلیدی
باتری های لیتیوم یون	کوتاه‌مدت تا میان‌مدت	تنظیم فرکانس، پشتیبانی از اوج مصرف
باتری‌های جریانی	میان‌مدت تا بلندمدت	جابجایی بار، یکپارچه‌سازی منابع تجدیدپذیر
ذخیره سازی هیدرولیک	بلندمدت	ذخیره‌سازی انبوه انرژی، تعادل فصلی
ذخیره سازی حرارتی	کوتاه‌مدت تا بلندمدت	مدیریت حرارت صنعتی، سیستم‌های تولید همزمان برق و حرارت (CHP)

همان‌طور که تحقیقات در سیستم‌های انرژی پایدار نشان می‌دهد، این طبقه‌بندی به شرکت‌های برق کمک می‌کند تا انتخاب فناوری را با نیازهای عملیاتی خود هماهنگ کنند؛ سیستم‌های کوتاه‌مدت مانند ابرخازن‌ها نوسانات لحظه‌ای را مدیریت می‌کنند، در حالی که باتری‌های جریانی تغییرات چندساعته در تولید انرژی‌های تجدیدپذیر را کنترل می‌کنند.

باتری‌های لیتیوم-یون در مقابل باتری‌های جریانی: عملکرد در راه‌حل‌های ذخیره‌سازی انرژی شبکه

باتری‌های لیتیوم-یون تقریباً انتخاب اصلی برای نیازهای ذخیره‌سازی کوتاه‌مدت محسوب می‌شوند، زیرا بازدهی قابل توجهی در محدوده ۹۰ تا ۹۵ درصد دارند و همچنین زمان پاسخگویی آن‌ها کمتر از ۱۰۰ میلی‌ثانیه است. اما در مورد راه‌حل‌های بلندمدت، باتری‌های جریانی برجسته می‌شوند. این سیستم‌ها عمری بین ۲۰ تا ۳۰ سال دارند، در مقایسه با عمر معمول باتری‌های لیتیوم که حدود ۱۰ تا ۱۵ سال است. علاوه بر این، فناوری جریانی به راحتی قابل گسترش است و برای چرخه‌های تخلیه ۴ تا ۱۲ ساعته‌ای که هنگام ترکیب با منابع تجدیدپذیر مانند پنل‌های خورشیدی یا توربین‌های بادی در طول چندین روز نیاز است، مناسب است. این واقعیت که الکترولیت‌های آن‌ها در طول زمان تخریب نمی‌شوند، در واقع به کاهش هزینه‌های تعمیر و نگهداری کلی کمک می‌کند، حتی اگر چگالی انرژی آن‌ها در واحد حجم کمتر از معادل‌های لیتیومی باشد.

فناوری‌های نوظهور: سیستم‌های ذخیره‌سازی حالت جامد و مبتنی بر گرانش

باتری‌های حالت جامد می‌توانند پتانسیل داشتن دوبرابر انرژی نسبت به سلول‌های لیتیومی معمولی را داشته باشند، در حالی که خطر اشتعال آن‌ها بسیار کمتر است. این امر امکان نصب ایمن آن‌ها را در فضاهای کوچک و در کنار مناطق شهری فراهم می‌کند، بدون اینکه نگرانی از انفجار وجود داشته باشد. راه‌حل‌های ذخیره‌سازی مبتنی بر گرانش، مانند برج‌های مکانیکی بزرگ شرکت Energy Vault نیز وجود دارند. اساس کار این سیستم این است که هنگامی که انرژی اضافی موجود است، بلوک‌های سنگین کامپوزیتی را بالا می‌برند و هنگام نیاز آن‌ها را پایین می‌آورند و به این ترتیب انرژی را سال‌ها ذخیره می‌کنند. این سیستم تنها حدود 15 درصد از انرژی ذخیره شده را از دست می‌دهد که با توجه به طول عمر این تجهیزات، بسیار خوب است. تمام این فناوری‌های جدید امکانات جدیدی را در مناطقی فراهم می‌کنند که فناوری‌های باتری سنتی به دلیل مسائل ایمنی یا محدودیت در دسترس بودن مواد، به خوبی کار نمی‌کنند.

تحلیل روند: سویه جهانی به سمت ذخیره‌سازی انرژی با مدت طولانی (LDES) تا سال 2030

پیش‌بینی‌های بازار نشان می‌دهد که بخش ذخیره‌سازی انرژی با مدت طولانی (LDES) ممکن است تا پایان این دهه به ارزشی حدود ۱۲۰ میلیارد دلاری دست یابد. عامل اصلی این روند تقاضای رو به رشد برای سیستم‌هایی است که بتوانند بیش از ده ساعت برق تولید کنند، چیزی که برای کاهش انتشار کربن در تمام شبکه‌های برق ضروری است. تقریباً نیمی از نصب‌های جدید انرژی‌های تجدیدپذیر امروزه با قولی برای استفاده از LDES همراه هستند، که این امر عمدتاً به دلیل کاهش قیمت فناوری‌هایی مانند باتری‌های آهن-هوا و راهکارهای ذخیره‌سازی هوای فشرده است. آنچه امروزه شاهد آن هستیم دیگر فقط مسئله نگه داشتن برق در برابر قطعی‌های کوتاه نیست. بلکه شرکت‌ها شروع به فکر کردن برای چند روز یا حتی چند ماه آینده کرده‌اند و در برنامه‌ریزی سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی خود، چالش‌هایی از جمله گرمای طولانی یک هفته‌ای تا نوسانات فصلی در عرضه و تقاضا را مد نظر قرار می‌دهند.

یکپارچه‌سازی در شبکه و عملکرد بهره‌برداری سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی

ادغام سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی (ESS) در شبکه‌های برق امروزی کار ساده‌ای نیست. هنگام تلاش برای دستیابی به بهترین عملکرد ممکن از این سیستم‌ها، موانع فنی زیادی وجود دارد. برخی از مشکلات واقعی، ناشی از مقابله با ولتاژهای ناگهانی مزاحمی است که هنگام شارژ و دشارژ سریع باتری‌ها رخ می‌دهد. علاوه بر این، جریان برق دوطرفه در سیستم‌های ترکیبی انرژی‌های تجدیدپذیر نیز پیچیدگی‌های خاص خود را دارد. بر اساس مطالعه‌ای که سال گذشته در مجله Journal of Power Sources منتشر شده است، دو مشکل بزرگ برای افرادی که قصد نصب بسته‌های باتری بزرگ در زیرساخت‌های قدیمی شبکه را دارند، برجسته می‌شود. اولی حفظ ثبات فرکانس است که با روشن و خاموش شدن مداوم باتری‌ها، کار دشواری می‌شود. دومی مدیریت افزایش دما در این نصب‌های بزرگ است که با افزایش اندازه آرایه‌های باتری در طول زمان، به تدریج دشوارتر می‌شود.

چالش‌های فنی ادغام سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی در شبکه

طراحی‌های قدیمی شبکه در پیش آمدن با سرعت پاسخگویی باتری‌های لیتیوم-یونی و سیستم‌های باتری جریانی دچار مشکل هستند. دستیابی به زمان‌های پاسخگویی بسیار کوتاه و استفاده از آن‌ها با تجهیزات کنترل ولتاژ معمولی معمولاً نیازمند انجام کارهای اساسی در پست‌های تبدیل است. بر اساس برخی گزارش‌های میدانی، یکی از هر چهار شرکت انتقال برق در آمریکای شمالی با مشکلاتی در سازگاری اینورترها هنگام ارتقا پست‌های قدیمی برای سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی مواجه می‌شوند. این موضوع نشان می‌دهد که چرا به طور گسترده به قوانین استاندارد بهتری برای اتصال این فناوری‌های جدید به شبکه نیاز است.

اینورترهای هوشمند و کنترل‌های پیشرفه که ادغام بی‌درز منابع تجدیدپذیر را فراهم می‌کنند

اینورترهای هوشمند نسل جدید به حفظ ثبات شبکه برق کمک می‌کنند، زیرا اجازه می‌دهند سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی توان راکتیو خود را هنگام افزایش ناگهانی تولید انرژی خورشیدی یا کاهش دسترسی به باد تنظیم کنند. هنگامی که این دستگاه‌ها در کنار کنترل‌های مبتنی بر هوش مصنوعی که آینده را پیش‌بینی می‌کنند عمل کنند، آزمایش‌ها نشان داد که سال گذشته در منطقه مرکز غربی ایالات متحده حدود ۱۸ درصد کاهش در هدررفت انرژی تجدیدپذیر رخ داده است. سیستم CAISO کالیفرنیا را به عنوان مثال خوبی در نظر بگیرید. آن‌ها روش‌های بسیار مؤثری را با استفاده از اندازه‌گیری‌های لحظه‌ای برای مدیریت هماهنگی بین ۳٫۲ گیگاوات باتری و صفحات خورشیدی پیاده‌سازی کرده‌اند. این امر به راحتی کارکرد سیستم کمک می‌کند، حتی در شرایطی که مقدار برق تولیدی از منابع تجدیدپذیر دائماً در حال تغییر است و الگوهای مصرف مردم نیز در طول روز تغییر می‌کند.

مطالعه موردی: نصب باتری‌های مقیاس شبکه در کالیفرنیا که از تولید اضافی خورشیدی پشتیبانی می‌کنند

در ماه مه ۲۰۲۴، زمانی که تولید انرژی خورشیدی به سطح رکورد رسید، مجموعه باتری‌های لیتیوم فسفات آهنی چهار ساعته کالیفرنیا حدود ۱٫۷ گیگاوات‌ساعت برق اضافی تولید شده در اواسط روز را جذب کرد. این مقدار انرژی به اندازه‌ای است که بتواند حدود ۱۲۵ هزار خانوار را تغذیه کند. انرژی ذخیره‌شده از این طریق، تقریباً ۸۹ درصد از افزایش بزرگ تقاضای برق در ساعات عصر را پوشش داد. این موضوع نشان می‌دهد که زمانی که سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی (ESS) در جایی قرار گیرند که واقعاً مورد نیاز هستند، برق اضافی که در غیر این صورت هدر می‌رفت به منبعی مفید و قابل اعتماد تبدیل می‌شود. با انجام این کار، ضمن کاهش تلفات انرژی، وابستگی به نیروگاه‌های گاز طبیعی گران‌قیمتی که در ساعات اوج مصرف روشن می‌شوند نیز کاهش می‌یابد. این روش هم برای کیف پول و هم برای محیط زیست مفید است.

مزایای اقتصادی و زیست‌محیطی راه‌حل‌های ذخیره‌سازی انرژی شبکه

کاهش هدررفت از طریق یکپارچه‌سازی ذخیره‌سازی انرژی با منابع انرژی تجدیدپذیر

ذخیره‌سازی انرژی با جذب خروجی اضافی خورشیدی و بادی در دوره‌های کم‌تقاضا، از هدررفت انرژی‌های تجدیدپذیر می‌کاهد. در سال 2023، کالیفرنیا با استقرار هدفمند باتری‌ها، هدررفت را به میزان 34٪ کاهش داد. توزیع این انرژی ذخیره‌شده در ساعات اوج مصرف، از میزان استفاده از انرژی‌های تجدیدپذیر حداکثر بهره‌برداری می‌کند و وابستگی به نیروگاه‌های پیک سوخت فسیلی را کاهش می‌دهد و پایداری و کارایی هزینه‌ای شبکه را بهبود می‌بخشد.

بهبود هزینه سطح‌بندی‌شده ذخیره‌سازی (LCOS) در حال تسریع در پذیرش انرژی سبز است

بهبودهای فناوری باتری همراه با تولید انبوه، هزینه سطح‌بندی‌شده ذخیره‌سازی (LCOS) را برای سیستم‌های لیتیومیونی از سال 2018 تاکنون حدود 52 درصد کاهش داده است. شرکت‌های برق امروزه به طور فزاینده‌ای از راه‌حل‌های ذخیره‌سازی انرژی استفاده می‌کنند نه تنها برای حفظ پایداری شبکه، بلکه برای تأمین تأمین قابل اعتماد انرژی در زمان مورد نیاز، اغلب با هزینه‌هایی که می‌تواند حتی از آنچه نیروگاه‌های گاز طبیعی ارائه می‌دهند نیز پایین‌تر باشد. گزارش اخیری از MIT در سال 2023 پیش‌بینی می‌کند که اوضاع هنوز بهتر خواهد شد و هزینه سطح‌بندی‌شده ذخیره‌سازی برای سیستم‌های چهار ساعته تا پایان این دهه ممکن است به کمتر از 50 دلار در مگاوات‌ساعت برسد. این نوع پیشرفت بدون شک حرکت ما به سمت شبکه‌های انرژی پاک‌تر و مقاوم‌تر را تسریع می‌کند.

تأثیر محیط زیست: چگونه ذخیره‌سازی انرژی به دستیابی به اهداف کاهش کربن کمک می‌کند

ذخیره سازی انرژی شبکه به ادغام انرژی های تجدید پذیر بیشتر در سیستم های برق ما کمک می کند، و تقریباً بین 12 تا 18 میلیون تن انتشار دی اکسید کربن در هر سال در ایالات متحده کاهش می یابد. این تکنولوژی وابستگی به توربین های گاز سنگین متان را در هر زمان که فشار بر شبکه برق وجود دارد کاهش می دهد. این ظرفیت ذخیره سازی را با امکانات ترکیبی تجدید پذیر ترکیب کنید و ما به پیشرفت واقعی در جهت کاهش 72 درصد در تولید برق که بسیاری از مدل های آب و هوایی نشان می دهند تحت چارچوب توافق پاریس مورد نیاز است، نگاه می کنیم. به این ترتیب، این راه حل های ذخیره سازی به عنوان اجزای اساسی در هر تلاش جدی برای کاهش گازهای گلخانه ای در سراسر جهان در حالی که تامین انرژی قابل اعتماد را حفظ می کنند، برجسته می شوند.

‫سوالات متداول‬

نقش سیستم های ذخیره انرژی در قابلیت اطمینان شبکه چیست؟

سیستم های ذخیره انرژی مانند شاکسوری کار می کنند، به سرعت در صورت افت ولتاژ یا خرابی تجهیزات برای تثبیت شبکه پاسخ می دهند، اطمینان حاصل می کنند که خدمات حیاتی به طور مداوم تغذیه می شوند.

سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی چگونه با منابع انرژی تجدیدپذیر ادغام می‌شوند؟

سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی، انرژی اضافی تولید شده توسط منابع تجدیدپذیر را جمع‌آوری می‌کنند، نوسانات را کاهش می‌دهند و تأمین پایدار برق را حتی زمانی که تولید انرژی تجدیدپذیر کاهش یافته است، تضمین می‌کنند.

انواع خدمات ارائه‌شده توسط راه‌حل‌های ذخیره‌سازی انرژی در شبکه چیست؟

این راه‌حل‌ها با تخلیه انرژی در زمان تقاضای بالا، از قله بار کاسته و با توزیع مجدد انرژی اضافی از مناطق دارای مازاد به مناطق دارای کمبود، تعادل بار را فراهم می‌کنند.

مزایای اقتصادی راه‌حل‌های ذخیره‌سازی انرژی چیست؟

راه‌حل‌های ذخیره‌سازی انرژی ه chi phí سطحی‌سازی شده ذخیره‌سازی (LCOS) را کاهش می‌دهند، وابستگی به نیروگاه‌های مبتنی بر سوخت فسیلی را کم می‌کنند و هدررفت انرژی تجدیدپذیر را محدود می‌سازند که منجر به شبکه‌های برقی کارآمد از نظر هزینه و پایدار می‌شود.