أنظمة تخزين الطاقة بالبطاريات (BESS): كيفية عملها، ومكوناتها الرئيسية، وفوائدها، والاتجاهات المستقبلية

يقوم نظام تخزين الطاقة بالبطاريات بتخزين الطاقة الكهربائية وإطلاقها عند الحاجة إليها في المنازل أو الشركات أو محطات الطاقة المتجددة أو شبكة الكهرباء. وتُعدّ البطارية جزءًا واحدًا فقط من نظام تخزين متكامل، يشمل أيضًا تحويل الطاقة، والمراقبة، وإدارة الطاقة، والتحكم الحراري، والحماية، والاتصالات.

تُفسر هذه النظرة الشاملة للنظام سبب ظهور أنظمة تخزين الطاقة بالبطاريات، بدءًا من أنظمة النسخ الاحتياطي المنزلية وصولًا إلى أنظمة تقليل ذروة الطلب الصناعية وتخزين الطاقة على نطاق الشبكة. وتكمن قيمتها في التحكم في أوقات شحن وتفريغ الطاقة.

ما هو نظام تخزين الطاقة بالبطاريات؟

نظام تخزين الطاقة بالبطاريات (BESS) هو نظام كهربائي متكامل يخزن الطاقة في بطاريات قابلة لإعادة الشحن ويعيدها عند الحاجة إليها في ظروف التشغيل. ويربط نظام التحكم الخاص به البطارية بالأحمال، وشبكة الكهرباء، ومصادر الطاقة المتجددة، أو مصادر الطاقة الأخرى المعتمدة.

ما الفرق بين نظام التخزين الكامل وبنك البطاريات؟

يشير مصطلح بنك البطاريات بشكل أساسي إلى الخلايا أو الوحدات أو الحزم المتصلة لتوفير الجهد والسعة المطلوبين. ويشمل نظام التخزين الكامل أيضًا بنية التشغيل المحيطة بهذه البطاريات.

قد يشمل هذا النظام إدارة البطاريات، وتحويل الطاقة، وإدارة الطاقة، والحماية، والتبريد، والحماية من الحرائق، والقياس، وواجهات الاتصال. تخزن البطارية الطاقة؛ وتحدد عناصر التحكم ما إذا كان بإمكانها الشحن، أو التفريغ، أو حماية السعة الاحتياطية، أو دعم الشبكة الكهربائية.

كيف تعمل أنظمة تخزين الطاقة في البطاريات من الشحن إلى التفريغ؟

تتكون دورة التشغيل من ثلاث مراحل مترابطة: الشحن والتخزين والتفريغ المتحكم فيه.

الشحن يحول الطاقة المتاحة إلى طاقة مخزنة

يمكن الحصول على الكهرباء من الشبكة الكهربائية، أو من الطاقة الشمسية، أو طاقة الرياح، أو أي مصدر طاقة آخر مسموح به. يتولى نظام تحويل الطاقة (PCS) إدارة عملية التحويل ثنائي الاتجاه وشحن الطاقة. بينما يراقب نظام إدارة البطارية (BMS) الجهد والتيار ودرجة الحرارة وحالة البطارية للحفاظ على التشغيل ضمن الحدود المحددة.

قد يقوم منزل بشحن الطاقة من فائض الطاقة الشمسية، بينما قد يقوم مصنع بشحن الطاقة خلال فترة تعريفة منخفضة.

تظل الطاقة المخزنة خاضعة لحدود التشغيل.

لا تتساوى الطاقة المخزنة دائمًا مع الطاقة القابلة للاستخدام. فحالة الشحن، ومتطلبات الاحتياطي، ودرجة الحرارة، وحدود الحماية تؤثر على السعة القابلة للتوزيع.

لأغراض النسخ الاحتياطي، قد يتم الاحتفاظ بجزء من البطارية. ولتقليل ذروة الطلب، قد يحتفظ النظام بالطاقة حتى ذروة لاحقة بدلاً من تفريغها فوراً.

يتبع التصريف استراتيجية التحكم

عند الحاجة إلى الطاقة، يقوم نظام تحويل الطاقة بتحويل التيار المستمر من جانب البطارية إلى أحمال التيار المتردد أو إلى الشبكة الكهربائية. ويستطيع نظام إدارة الطاقة تحديد وقت بدء التفريغ، ومقدار الطاقة المُوَصَّلة، ووقت توقفه. هذا التنسيق مهم لأن عدة أهداف قد تتشارك في نفس الطاقة المخزنة.

ما هي المكونات الرئيسية للنظام؟

تؤدي المكونات الرئيسية وظائف مختلفة، ولكن يجب عليها تبادل البيانات الموثوقة والتفاعل كنظام واحد.

تشكل حزم البطاريات ونظام إدارة البطاريات طبقة التخزين

تُجمّع خلايا البطاريات في وحدات أو حزم أو رفوف أو وحدات قابلة للتكديس حسب الحجم. ويُستخدم فوسفات الحديد الليثيوم، أو LFP، على نطاق واسع في تخزين الطاقة الثابت حيث يُعد عمر الدورة والاستقرار الحراري من العوامل المهمة.

يراقب نظام إدارة البطارية الجهد والتيار ودرجة الحرارة وحالة الشحن والظروف غير الطبيعية. كما يساعد على منع الشحن الزائد والتفريغ الزائد والتشغيل خارج الحدود المحددة.

التحكم في تدفق الطاقة بواسطة نظامي PCS و EMS

تتولى وحدة تحويل الطاقة (PCS) عملية التحويل ثنائي الاتجاه بين البطارية وجانب التيار المتردد. ويؤثر تصنيف الطاقة الخاص بها على سرعة الشحن ومقدار الحمل الذي يمكن للنظام دعمه في وقت واحد.

يجمع نظام إدارة الطاقة البيانات من نظام التحكم في الطاقة، ونظام إدارة المباني، والعدادات، والأحمال، والأجهزة الأخرى. ويمكنه جدولة عمليات الشحن والتفريغ وفقًا للطلب، والأسعار، وإنتاج الطاقة المتجددة، ومتطلبات الاحتياطي، أو تعليمات الشبكة.

دعم عمليات أنظمة الحرارة والحريق والاتصالات

قد تستخدم أنظمة التخزين التبريد الطبيعي أو الهوائي أو السائل بناءً على كثافة الطاقة والبيئة. وتُضيف أنظمة الحماية من الحرائق، ومفاتيح التبديل، وأجهزة الاستشعار، والمحولات، ومعدات التوزيع مزيدًا من التحكم والحماية. أما شبكات CAN وRS485 وEthernet فتُستخدم لنقل البيانات والأوامر بين الأجهزة.

ماذا تعني kW و kWh و SOC و Duration؟

تصف هذه المصطلحات أجزاءً مختلفة من أداء تخزين البطارية.

كيلوواط (kW) يصف القدرة الكهربائية، بينما كيلوواط ساعة (kWh) يصف الطاقة.

تشير القدرة بالكيلوواط إلى مقدار الطاقة الكهربائية التي يمكن للنظام توفيرها في لحظة معينة. أما الطاقة بالكيلوواط ساعة أو الميغاواط ساعة فتشير إلى مقدار الكهرباء التي يمكن للبطارية تخزينها أو نقلها مع مرور الوقت.

قد يتمكن نظام عالي القدرة ذو طاقة محدودة من التعامل مع ارتفاع مفاجئ في الطلب، لكنه لا يستطيع تحمله لساعات. كما أن نظامًا عالي الطاقة ذو قدرة غير كافية قد يعجز عن دعم حمل فوري كبير.

تحدد حالة الشحن والمدة نافذة التشغيل

يشير مستوى الشحن إلى مقدار الطاقة المتبقية. تعمل إعدادات الحد الأدنى للاحتياطي، وحدود الحماية، والخسائر، ومتطلبات النسخ الاحتياطي على تقليل الجزء المتاح للإرسال الروتيني.

يربط عامل المدة بين القدرة والطاقة. فالمشروع الذي يجب أن يدعم حملاً متوسطاً لعدة ساعات يحتاج إلى تكوين مختلف عن ذلك المصمم لحدث قصير وعالي الطاقة.

ما الذي يمكن أن يفعله نظام تخزين الطاقة بالبطاريات؟

تختلف التطبيقات باختلاف الموقع، ولكن تظهر العديد من الوظائف بشكل متكرر.

تحويل الطاقة وتقليل ذروة الطلب

تتيح أنظمة تخزين الطاقة نقل الطاقة من فترة زمنية إلى أخرى. يمكن للمواقع التجارية والصناعية شحن البطاريات خلال فترات انخفاض التكلفة وتفريغها لاحقًا، بينما يساهم خفض ذروة الطلب على الطاقة في تقليل فترات قصيرة من ارتفاع الطلب على الشبكة. ويعتمد كلا الأمرين على توقيت الأحمال، والتعريفات، وقدرة الشحن، والسعة المتاحة.

دعم أنظمة الطاقة الاحتياطية والطاقة المتجددة

يستطيع النظام توفير الطاقة للأحمال الحيوية عندما يدعم تصميمه التشغيل الاحتياطي. كما يمكنه تخزين فائض الطاقة المتجددة وإطلاقه عند انخفاض الإنتاج أو ارتفاع الطلب، مما يساعد مشاريع الطاقة الشمسية وطاقة الرياح على إدارة الفارق الزمني بين الإنتاج والاستهلاك.

توفير مرونة الشبكة

تستطيع الأنظمة الأكبر حجماً دعم تنظيم ذروة الطلب، والاستجابة للتردد، ودمج مصادر الطاقة المتجددة، والاحتياطي الطارئ، ووظائف التشغيل الأخرى. ولذلك، يعمل تخزين الطاقة بالبطاريات على نطاق الشبكة كمصدر طاقة مرن وليس مجرد حاوية طاقة.

أين تُستخدم أنظمة تخزين الطاقة بالبطاريات؟

تنطبق نفس المبادئ عبر مختلف المقاييس، لكن البنية تتغير بتغير التطبيق.

وحدات تخزين سكنية ومواقع صغيرة

تستخدم المنازل والعقارات الصغيرة غالبًا أنظمة تخزين الطاقة للاستهلاك الذاتي للطاقة الشمسية، واستخدام الكهرباء وفقًا للوقت، ولتوفير الطاقة الاحتياطية. يمكن لبطاريات الجهد العالي المعيارية توفير مساحة أرضية، كما تسمح بزيادة السعة تدريجيًا. محفظة خدمات الطاقة السكنية يدعم العديد من تنسيقات الأنظمة.

المواقع التجارية والصناعية

قد تستخدم المصانع والمستودعات والفنادق ومرافق التبريد والمجمعات التجارية ومحطات شحن المركبات الكهربائية أنظمة تخزين البطاريات لتقليل ذروة الطلب، وإدارة التعرفة، وتوفير الطاقة الاحتياطية، وتحويل الطاقة الشمسية، أو الاستجابة للطلب. ويمكن أن تؤثر عوامل مثل الطاقة، والمدة، والاحتياطي، وحدود المحولات، والتوسعات المستقبلية على التكوين الأمثل.

مشاريع المرافق العامة ومشاريع الشبكة

تستخدم أنظمة تخزين الطاقة في محطات الطاقة وحدات بطاريات أكبر، وأنظمة تحكم على مستوى المحطة، وواجهات ربط بالشبكة. وقد تدعم هذه المشاريع عمليات التوزيع، وتنعيم الطاقة المتجددة، وتنظيم ذروة الطلب، وخدمات التردد، أو التشغيل في حالات الطوارئ.

ما هي الفوائد الرئيسية والقيود؟

يبدأ أي مشروع تخزين ناجح بمشكلة تشغيلية واضحة. التكنولوجيا مرنة، لكنها ليست بلا حدود.

الفوائد تأتي من الطاقة القابلة للتحكم

تشمل الفوائد المحتملة تحويل الطاقة، وتقليل ذروة الطلب، ودعم الأحمال الحرجة، ودمج مصادر الطاقة المتجددة، وإدارة الطلب، ودعم الشبكة. كما يمكن لأنظمة تخزين البطاريات المعيارية دعم التوسع التدريجي.

يجب تضمين القيود في التصميم

سعة البطارية محدودة. طاقة الشحن والتفريغ محدودة. تستهلك الأحمال التحويلية والمساعدة الطاقة. يقلل الاحتياطي الاحتياطي من السعة القابلة للتشغيل، بينما يمكن أن تؤثر إعدادات درجة الحرارة والحماية على الأداء المتاح.

تعتمد قيمة المشروع أيضاً على التعريفات الجمركية، وأنماط الأحمال، وقواعد الشبكة، وظروف التركيب، وأولويات نظام إدارة الطاقة. وينبغي أن يتوافق تحديد حجم المشروع مع متطلبات التشغيل الفعلية.

ما الذي يجب على المشترين مقارنته عند تقييم نظام التخزين؟

تصبح المواصفات أكثر فائدة عندما يرتبط كل معيار بمتطلبات المشروع. تحدد القدرة المقدرة إمكانية الشحن أو التفريغ؛ وتحدد سعة الطاقة الطاقة المخزنة. يؤثر كل من التركيب الكيميائي للبطارية، ونظام إدارة البطارية، ونظام إدارة الطاقة، والتبريد، والاتصالات، والحماية، وتصميم التوسعة على التشغيل والتكامل والسلامة والمرونة.

ينبغي على المشترين أيضاً التأكد من جهد الشبكة، ووضع النسخ الاحتياطي، وبيئة التركيب، ومتطلبات الامتثال المحلية قبل الطلب.

كيف يبدو نظام تخزين الطاقة بالبطاريات المتكامل عملياً؟

يجمع نظام تخزين الطاقة بالبطاريات المتكامل بين تخزين الطاقة، وتحويل الطاقة ثنائي الاتجاه، وإدارة الطاقة، والتحكم الحراري، والحماية الأمنية، والاتصالات، ضمن بنية متكاملة. يختلف التكوين الدقيق باختلاف حجم المشروع، ولكن يجب أن تعمل هذه الوظائف كنظام واحد متكامل بدلاً من كونها معدات منفصلة.

في صنواينعمل في مجالات تخزين الطاقة السكنية والتجارية والصناعية، بالإضافة إلى تطبيقات المرافق العامة. وهذا يجعل تكامل الأنظمة ذا أهمية خاصة عندما تتجاوز المشاريع تركيبات البطاريات الصغيرة وتتطلب إدارة منسقة للطاقة، والتحكم الحراري، والمراقبة، والحماية.

لأغراض مرجعية تجارية وصناعية، نظام تخزين الطاقة المبرد بالسوائل من صن واي بقدرة 100 كيلوواط / 261 كيلوواط ساعة يجمع هذا النظام بين بطارية فوسفات الحديد الليثيوم (LFP) بسعة 261 كيلوواط/ساعة وقدرة تيار متردد مصنفة 125 كيلوواط في خزانة خارجية مقاومة للماء والغبار بمعيار IP55. وتشمل بنيته المتكاملة وحدات تحكم الطاقة (PCS)، ووحدات إدارة الطاقة (EMS)، ووحدات إدارة البطارية (BMS)، ووحدات توزيع الطاقة، ووحدات الحماية من الحرائق، ووحدات التحكم البيئي. ويدعم نظام التبريد السائل الذكي إدارة الحرارة، بينما توفر اتصالات CAN وEthernet وRS485 واجهات لمراقبة النظام وتنسيقه.

يوضح هذا التصميم المتكامل سبب ضرورة تقييم نظام تخزين طاقة البطاريات بما يتجاوز سعة البطارية وحدها. إذ يجب أن تتكامل قدرة الطاقة، والطاقة المخزنة، واستراتيجية التحكم، والتبريد، والحماية، والاتصالات، ومتطلبات الشبكة. كما يجب أن يتناسب التكوين النهائي مع نمط استهلاك الموقع، والمدة المستهدفة، ونمط التشغيل، وبيئة التركيب، وظروف الشبكة، وخطة التوسع المستقبلية.

ما الذي يتغير في مستقبل تخزين الطاقة بالبطاريات؟

يتجه التطوير المستقبلي نحو تنسيق أفضل، وتوسع مرن، وتفاعل أوثق مع أسواق الطاقة.

ستلعب أنظمة إدارة الطوارئ والبرمجيات دورًا أكبر

يمكن للتحكم المتقدم أن يجمع بين بيانات الأحمال والتعريفات وتوليد الطاقة المتجددة وحالة البطارية وإشارات الشبكة، مما يسمح لنظام الإرسال بالاستجابة للظروف المتغيرة بدلاً من الجداول الزمنية الثابتة.

ستدعم الأنظمة المعيارية التوسع المرن

يمكن للبطاريات المعيارية وهياكل تحويل الطاقة تبسيط النمو التدريجي. ومع ذلك، لا يزال التوسع يتطلب إصدارات بطاريات متوافقة، وسعة اتصال، وطاقة كهربائية كافية، وإعدادات حماية، ومساحة.

ستتصل أنظمة التخزين بمزيد من خدمات الشبكة

تُضيف محطات الطاقة الافتراضية، والاستجابة للطلب، والخدمات المساعدة، والتخزين الموزع المجمع، أدوارًا إضافية لتخزين الطاقة بالبطاريات. وعلى نطاق أوسع، يمكن أن يصبح التخزين جزءًا من تخطيط مرونة الشبكة بدلاً من كونه أصلًا احتياطيًا مستقلاً.

حوّل أساسيات نظام تخزين الطاقة بالبطاريات إلى تكوين خاص بالمشروع

إن معرفة وظيفة النظام ليست سوى الخطوة الأولى. لا يزال المشروع بحاجة إلى الطاقة المناسبة، وسعة الطاقة، ونمط التشغيل، والاحتياطي، وبنية الاتصالات، وتصميم التركيب.

شاركنا بياناتك المتعلقة بملف الحمل، ومدة النسخ الاحتياطي المستهدفة، وجهد الشبكة، وهيكل التعريفة، ومدخلات الشحن، وبيئة التركيب، وخطة التوسع. راجع متطلبات مشروع تخزين البطاريات الخاص بك قبل تحديد حجم البطارية أو بنية النظام.

التعليمات

س: ما الفرق بين البطارية ونظام تخزين الطاقة بالبطاريات (BESS)؟

أ: تقوم البطارية بتخزين الطاقة الكهربائية. يجمع نظام تخزين الطاقة بالبطاريات بين البطارية والمراقبة وتحويل الطاقة وإدارة الطاقة والحماية والتحكم الحراري والاتصالات بحيث يمكن شحن الطاقة المخزنة وتفريغها وفقًا لاستراتيجية تشغيل محددة.

س: ما هي المدة التي يمكن أن توفر فيها أنظمة تخزين الطاقة بالبطاريات الطاقة؟

ج: يعتمد وقت التشغيل على سعة الطاقة المتاحة، وطاقة الحمل، وحدود حالة الشحن، والاحتياطي الاحتياطي، وفقدان الطاقة أثناء التحويل، وإعدادات النظام. يمكن لسعة أكبر بالكيلوواط/ساعة أن تدعم حملاً معيناً لفترة أطول، ولكن يجب أن تكون الطاقة المتاحة بالكيلوواط كافية أيضاً.

س: هل يمكن لنظام تخزين الطاقة بالبطاريات (BESS) واحد أن يدعم تقليل ذروة الطلب، وتخزين الطاقة المتجددة، والطاقة الاحتياطية؟

ج: نعم، عندما يدعم تصميم النظام هذه الوظائف. فهي تشترك في نفس طاقة البطارية والطاقة المخزنة، لذلك يجب على نظام إدارة الطاقة تحديد الأولويات وحدود الاحتياطي وجداول الشحن والتفريغ.