در یک شبکه با سهم بالای انرژی خورشیدی، ممکن است در ظهر برق مازاد وجود داشته باشد و همان شبکه چند ساعت بعد، هنگام غروب، با نیاز شدید به توان روبه‌رو شود.

دلیل این تناقض، عدم تطابق زمانی میان تولید خورشیدی و مصرف برق است. تولید خورشیدی معمولاً در میانه روز به اوج می‌رسد، اما پیک مصرف یا پیک بار خالص می‌تواند چند ساعت بعد رخ دهد. این رفتار در نمودار بار خالص شبکه شکلی ایجاد می‌کند که به  Duck Curve یا «منحنی اردکی» معروف شده است.

سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی باتری یا ذخیره ساز یکی از مهم‌ترین ابزارهای مدیریت این پدیده هستند؛ زیرا می‌توانند انرژی را در ساعات تولید زیاد خورشیدی ذخیره و در ساعات پیک دوباره وارد شبکه کنند.

منحنی اردکی (Duck Curve) چیست؟

Duck Curve نمودار مصرف واقعی برق نیست. برای درک آن باید میان دو مفهوم تفاوت قائل شد:

• Load کل: مصرف برق در یک لحظه است.
• Net Load: بخشی از مصرف است که پس از کسر تولید منابعی مانند خورشیدی و بادی باید توسط سایر منابع شبکه تأمین شود.

به‌صورت ساده: Net Load = Electricity Demand − Variable Renewable Generation

برای مثال، اگر مصرف شبکه 30 GW باشد و سیستم‌های خورشیدی هم‌زمان 15 GW تولید کنند، سایر منابع تنها باید 15 GW باقی‌مانده را تأمین کنند.

با افزایش ظرفیت خورشیدی، Net Load در حوالی ظهر کاهش بیشتری پیدا می‌کند. سپس با غروب خورشید، تولید PV به‌سرعت افت می‌کند، در حالی که مصرف همچنان بالا است. در نتیجه Net Load طی چند ساعت با شیب زیادی افزایش می‌یابد.

چرا منحنی اردکی ایجاد می‌شود؟

در ساعات صبح، مصرف برق افزایش می‌یابد و تولید خورشیدی هنوز محدود است. با بالا آمدن خورشید، تولید PV بیشتر می‌شود و نیاز شبکه به سایر نیروگاه‌ها کاهش می‌یابد.

در حوالی ظهر، تولید خورشیدی به بیشترین مقدار خود می‌رسد و Net Load به پایین‌ترین سطح کاهش پیدا می‌کند. این بخش اصطلاحاً Belly of the Duck یا شکم منحنی اردکی نامیده می‌شود. در عصر، شرایط معکوس می‌شود. تولید خورشیدی به‌سرعت افت می‌کند، اما مصرف ساختمان‌ها، صنایع، سیستم‌های تهویه و مصارف خانگی همچنان ادامه دارد.

در نتیجه شبکه باید طی مدت کوتاهی مقدار زیادی توان جایگزین وارد مدار کند.مسئله اصلی بنابراین کمبود انرژی نیست؛ مسئله زمان تولید و مصرف انرژی است.

Duck Curve چه مشکلی برای شبکه ایجاد می‌کند؟

اولین مشکل، تولید مازاد در میانه روز است. اگر شبکه، ذخیره‌ساز یا بارهای قابل‌ کنترل نتوانند تمام تولید خورشیدی را جذب کنند، بخشی از آن باید محدود شود. این فرآیند محدودسازی تولید (Curtailment) نام دارد.

مشکل دوم، کاهش ارزش برق در ساعات خورشیدی است. وقتی حجم زیادی انرژی به‌طور هم‌زمان وارد بازار می‌شود، قیمت برق در ظهر می‌تواند به‌ شدت کاهش پیدا کند و در برخی بازارها حتی منفی شود.

اما چالش مهم‌تر، Ramp عصرگاهی است. با غروب خورشید، چندین گیگاوات تولید خورشیدی ممکن است در مدت کوتاهی از شبکه خارج شود. سایر منابع باید این کاهش را با سرعت بالا جبران کنند.

بنابراین افزایش خورشیدی لزوماً پیک را حذف نمی‌کند؛ در بسیاری از شبکه‌ها فقط زمان Peak Net Load را به ساعات بعد از غروب منتقل می‌کند.

ذخیره ساز چگونه منحنی اردکی را مدیریت می‌کند؟

منطق اصلی ذخیره ساز ساده است: در زمان فراوانی انرژی شارژ شود و در زمان نیاز دشارژ شود. در ساعات ظهر، زمانی که تولید خورشیدی زیاد و Net Load پایین است، ذخیره ساز انرژی مازاد را جذب کند.

این کار دو اثر دارد:

اول، بخشی از تولیدی که ممکن بود Curtail شود ذخیره می‌شود.

دوم، Net Load ظهر کمی افزایش می‌یابد و افت عمیق منحنی کاهش پیدا می‌کند.

چند ساعت بعد، با افت تولید خورشیدی، باتری دشارژ می‌شود و بخشی از نیاز عصرگاهی را تأمین می‌کند. بنابراین ذخیره ساز هم «شکم» منحنی را بالا می‌آورد و هم «گردن» آن را پایین می‌آورد. نتیجه، Net Load یکنواخت‌تر و شبکه‌ای با نیاز کمتر به Ramp سریع است.

باتری‌ها در ساعات دارای تولید زیاد خورشیدی به یک بار بزرگ قابل‌ کنترل تبدیل می‌شوند و در ساعات عصر همان انرژی را به شبکه بازمی‌گردانند.

برای منحنی اردک، کیلووات مهمتر است یا کیلووات ساعت؟

هر دو، اما نقش متفاوتی دارند.

توان، با واحد kW یا MW، مشخص می‌کند ذخیره ساز با چه سرعتی می‌تواند انرژی را وارد یا خارج کند.

انرژی، با واحد kWh یا MWh، مشخص می‌کند این توان برای چه مدت قابل تأمین است.

برای مثال، یک سیستم  20 MW / 80 MWh می‌تواند در شرایط ایده‌آل حدود چهار ساعت با توان 20 MW دشارژ شود.

اما یک سیستم 50 MW / 50 MWhتقریباً تنها یک ساعت در توان نامی انرژی دارد.

سیستم دوم توان بیشتری دارد، اما برای انتقال انرژی از ظهر به یک پیک چندساعته لزوماً مناسب‌تر نیست. به همین دلیل در طراحی سیستم ذخیره ساز تنها سؤال «چند مگاوات؟» کافی نیست. باید پرسید: این توان برای چند ساعت لازم است؟

چرا مدت‌زمان ذخیره‌سازی (Storage Duration) اهمیت دارد؟

در بسیاری از پروژه‌های اولیه ذخیره‌سازی انرژی، کاربرد اصلی باتری ارائه خدمات سریع شبکه مانند تنظیم فرکانس بود. برای چنین خدماتی، مدت‌زمان ذخیره‌سازی کوتاه می‌تواند کافی باشد.

اما با افزایش سهم انرژی خورشیدی، نیاز به جابه‌جایی انرژی بیشتر شده است؛ یعنی انتقال حجم قابل‌توجهی از انرژی از ساعات ظهر به ساعات عصر. در این کاربرد، ظرفیت انرژی و مدت‌زمان ذخیره‌سازی اهمیت بیشتری پیدا می‌کند.

سیستم‌های چهار ساعته در بسیاری از بازارهای خورشیدی رایج شده‌اند، زیرا می‌توانند بخش قابل‌توجهی از فاصله زمانی میان تولید ظهر و پیک عصر را پوشش دهند.

با این حال، چهار ساعت یک عدد ثابت و جهانی نیست. مدت‌زمان مناسب باید براساس پروفایل بار، تولید خورشیدی، ساعات پیک، تعرفه برق، محدودیت‌های شبکه و هدف اقتصادی پروژه تعیین شود.

در برخی پروژه‌ها دو ساعت کافی است و در برخی دیگر ممکن است به شش یا هشت ساعت ذخیره‌سازی یا حتی فناوری‌های ذخیره‌سازی انرژی بلندمدت (Long-Duration Energy Storage) نیاز باشد.

اقتصاد ذخیره‌ساز انرژی باتری فقط آربیتراژ انرژی نیست

یکی از ساده‌ترین کاربردهای ذخیره‌ساز انرژی باتری (BESS)، آربیتراژ انرژی (Energy Arbitrage) است: در زمان ارزان بودن برق، باتری شارژ می‌شود و در زمان گران بودن برق، دشارژ می‌شود.

منحنی اردکی (Duck Curve) معمولاً چنین اختلاف قیمتی را ایجاد می‌کند. اما افزایش تعداد باتری‌ها می‌تواند خود این اختلاف قیمت را کاهش دهد.

اگر تعداد زیادی ذخیره‌ساز در ساعات ظهر شارژ شوند، تقاضای برق افزایش می‌یابد و قیمت در ساعات ارزان بالاتر می‌رود. سپس دشارژ گسترده در ساعات عصر، عرضه را افزایش داده و قیمت پیک را کاهش می‌دهد. بنابراین پروژه‌های بزرگ ذخیره‌سازی معمولاً نمی‌توانند در بلندمدت فقط بر آربیتراژ انرژی متکی باشند.

ارزش اقتصادی سیستم می‌تواند از ترکیب چند کاربرد به دست آید:

• جابه‌جایی انرژی (Energy Shifting)

• کاهش پیک مصرف (Peak Shaving)

• تنظیم فرکانس (Frequency Regulation)

• ذخیره عملیاتی (Operating Reserve)

• پشتیبانی ظرفیت (Capacity Support)

• مدیریت ازدحام شبکه (Congestion Management)

• یکپارچه‌سازی انرژی‌های تجدیدپذیر (Renewable Integration)

ترکیب چند خدمت یا منبع درآمد معمولاً با عنوان تجمیع درآمدها (Revenue Stacking) شناخته می‌شود.

محدودیت‌های ذخیره‌سازها

ذخیره‌ساز انرژی ابزار بسیار مؤثری است، اما منحنی اردکی (Duck Curve) را بدون محدودیت حل نمی‌کند.

1. نخست، باتری مدت‌زمان ذخیره‌سازی محدودی دارد. یک سیستم چهار ساعته نمی‌تواند یک دوره کمبود انرژی هشت یا دوازده ساعته را پوشش دهد.
2. دوم، وضعیت شارژ باتری (State of Charge یا SOC) اهمیت دارد. اگر باتری پیش از ساعات پیک به اندازه کافی شارژ نشده باشد، توان نامی آن در زمان موردنیاز در دسترس نخواهد بود.
3. سوم، ذخیره‌سازی بدون تلفات نیست. بخشی از انرژی در سلول‌ها، مبدل توان (PCS)، سیستم‌های سرمایش و سایر تجهیزات جانبی تلف می‌شود.
4. چهارم، محل نصب اهمیت دارد. اگر ذخیره‌ساز در سمت نامناسب یک محدودیت انتقال قرار داشته باشد، حتی ظرفیت بالای ذخیره‌سازی نیز ممکن است ازدحام محلی شبکه (Congestion) را برطرف نکند.

آیا باید تمام انرژی مازاد خورشیدی ذخیره شود؟

نه لزوماً.

این یکی از تفاوت‌های مهم میان طراحی مهندسی و صرفاً افزایش ظرفیت تجهیزات است. ممکن است نصب یک ذخیره‌ساز بسیار بزرگ برای جذب مقدار کمی محدودسازی تولید (Curtailment) که فقط چند ساعت در سال اتفاق می‌افتد، از نظر اقتصادی منطقی نباشد.

در چنین شرایطی، پذیرش مقدار محدودی محدودسازی تولید می‌تواند ارزان‌تر از سرمایه‌گذاری در ظرفیت اضافی ذخیره‌سازی باشد. بنابراین هدف نباید الزاماً صفر کردن محدودسازی تولید باشد. هدف صحیح‌تر، کمینه کردن هزینه کل سیستم در کنار حفظ قابلیت اطمینان و عملکرد موردنیاز است.

راه‌حل منحنی اردکی فقط باتری نیست

منحنی اردکی (Duck Curve) در اصل مسئله انعطاف‌پذیری شبکه (Grid Flexibility) است. ذخیره‌ساز یکی از منابع انعطاف‌پذیری است، اما ابزارهای دیگری نیز وجود دارند:

• پاسخگویی بار (Demand Response) می‌تواند بخشی از مصرف را به ساعات ظهر منتقل کند.
• شارژ هوشمند خودروهای برقی (Smart EV Charging) می‌تواند خودروها را زمانی شارژ کند که تولید خورشیدی فراوان است.
• ذخیره‌سازی حرارتی (Thermal Storage) امکان ذخیره انرژی به شکل سرمایش یا گرمایش را فراهم می‌کند.
• بارهای صنعتی انعطاف‌پذیر (Flexible Industrial Loads) می‌توانند برخی فرآیندها را به ساعات مناسب‌تر منتقل کنند.

همچنین توسعه شبکه انتقال می‌تواند انرژی مازاد یک منطقه را به منطقه‌ای با تقاضای بیشتر منتقل کند. بنابراین شبکه آینده به ترکیبی از ذخیره‌سازی، کنترل بار و توسعه زیرساخت شبکه نیاز دارد.

منحنی اردکی در ساختمان و صنعت

همین مسئله می‌تواند در مقیاس کوچک‌تر، در سمت مصرف‌کننده و پشت کنتور یک ساختمان یا کارخانه نیز ایجاد شود. فرض کنید یک مجموعه صنعتی دارای سامانه خورشیدی پشت‌بامی باشد. در ساعات ظهر، تولید فتوولتائیک (PV) ممکن است از مصرف مجموعه بیشتر شود، اما در ساعات عصر تولید خورشیدی تقریباً به صفر برسد، در حالی که مصرف ادامه دارد.

بدون ذخیره‌ساز، انرژی مازاد ظهر ممکن است به شبکه صادر یا محدود شود و مجموعه چند ساعت بعد دوباره برق موردنیاز خود را از شبکه خریداری کند. ذخیره‌ساز انرژی باتری (BESS) می‌تواند این انرژی را ذخیره کرده و در ساعات بعد مورد استفاده قرار دهد.

نتیجه می‌تواند شامل افزایش خودمصرفی انرژی خورشیدی (Solar Self-Consumption)، کاهش پیک تقاضا (Peak Demand)، جابه‌جایی مصرف یا انرژی (Demand Shifting / Energy Shifting) و کاهش مصرف از شبکه در ساعات بحرانی باشد.

اما راهبرد کنترل اهمیت زیادی دارد. برای مثال، اگر یک باتری برای تأمین برق پشتیبان همیشه در وضعیت شارژ نزدیک به ۱۰۰ درصد نگه داشته شود، فضای کمی برای جذب انرژی خورشیدی مازاد در ظهر خواهد داشت. به همین دلیل، سیستم‌هایی که هم برق پشتیبان و هم مدیریت انرژی را انجام می‌دهند، به سامانه مدیریت انرژی (EMS) و تعریف دقیق اولویت‌های بهره‌برداری نیاز دارند.

منحنی اردکی (Duck Curve) نشان می‌دهد که در شبکه‌های دارای سهم بالای انرژی خورشیدی، فقط مقدار انرژی اهمیت ندارد؛ زمان تولید و مصرف انرژی نیز تعیین‌کننده است.

سامانه خورشیدی می‌تواند در ظهر انرژی فراوان تولید کند، در حالی که چند ساعت بعد شبکه با پیک بار خالص (Peak Net Load) روبه‌رو شود. ذخیره‌ساز این فاصله زمانی را مدیریت می‌کند؛ در ساعات دارای انرژی مازاد شارژ می‌شود و در زمان افزایش نیاز، انرژی را دوباره تحویل می‌دهد.

اما طراحی مناسب ذخیره‌ساز فقط انتخاب ظرفیت انرژی برحسب کیلووات‌ساعت (kWh) نیست. توان، مدت‌زمان ذخیره‌سازی، وضعیت شارژ، محل نصب، راهبرد کنترل و مدل اقتصادی باید هم‌زمان بررسی شوند.

در نهایت، پاسخ منحنی اردکی صرفاً «باتری بیشتر» نیست. راه‌حل، ایجاد یک سیستم قدرت انعطاف‌پذیر است که در آن سامانه خورشیدی، ذخیره‌ساز انرژی، شبکه و بارهای قابل‌کنترل به‌صورت هماهنگ با یکدیگر کار کنند.

منابع:

1. Duck curve in california
2. flexibility
3. europes-battery-boom-has-dirty-secret-martin-vladimirov
4. battery-storage-is-scaling-up-and-taking-on-a-larger-system-role