بسیاری از کارخانه‌ها برای تأمین برق پایدار، از قبل به دیزل ژنراتور مجهز هستند. برخی نیز نیروگاه خورشیدی دارند یا در حال برنامه ‌ریزی برای نصب آن هستند.

اما داشتن چند منبع انرژی به ‌تنهایی به معنی داشتن یک سیستم انرژی بهینه نیست. ممکن است در میانه روز تولید خورشیدی بیشتر از مصرف باشد، چند ساعت بعد کارخانه برق قابل توجهی از شبکه دریافت کند و هنگام قطعی نیز دیزل ژنراتور برای تأمین بار وارد مدار شود.

در چنین شرایطی، راه‌حل الزاماً حذف تجهیزات موجود نیست. اضافه‌کردن سیستم ذخیره‌سازی انرژی باتری (BESS) به همراه یک سیستم مدیریت انرژی (EMS) می‌تواند شبکه، نیروگاه خورشیدی، باتری و دیزل ژنراتور را به یک سیستم هماهنگ تبدیل کند.

مسئله یک کارخانه فقط «قطعی برق» نیست

در یک سایت صنعتی، انرژی باید هم ‌زمان از چند منظر بررسی شود:

• هزینه برق
• پیک مصرف
• تولید نیروگاه خورشیدی
• قطعی شبکه
• مصرف سوخت دیزل ژنراتور
• بارهای حیاتی
• استمرار فرآیند تولید

برای مثال، ممکن است یک کارخانه در ظهر انرژی خورشیدی مازاد داشته باشد اما پیک مصرف آن در ساعات عصر اتفاق بیفتد. در این حالت، بدون سیستم ذخیره‌سازی، تولید و مصرف انرژی الزاماً در بهترین زمان با یکدیگر منطبق نمی‌شوند، BESS امکان انتقال انرژی در زمان را فراهم می‌کند؛ یعنی انرژی در یک ساعت ذخیره و در ساعت دیگری مصرف می‌شود.

ساختار یک سیستم هیبریدی صنعتی

یک معماری متداول می‌تواند شامل اجزای زیر باشد:

شبکه برق + نیروگاه خورشیدی + BESS + دیزل ژنراتور + EMS

هر کدام از این اجزا وظیفه متفاوتی دارند.

• نیروگاه خورشیدی در ساعات دارای تابش مناسب، بخشی از مصرف کارخانه را مستقیماً تأمین می‌کند.
• BESS انرژی را ذخیره می‌کند و در زمان مناسب دوباره در اختیار مجموعه قرار می‌دهد.
• دیزل ژنراتور برای تأمین برق در شرایطی مانند قطعی طولانی، کاهش سطح شارژ باتری یا نیاز به توان بیشتر قابل استفاده است.
• EMS مشخص می‌کند در هر لحظه کدام منبع باید انرژی تأمین کند.

بنابراین ارزش اصلی چنین معماری‌ای فقط در تعداد تجهیزات نیست؛ بلکه در هماهنگی میان آن‌ها است.

نحوه کار سیستم در طول یک روز 

عملکرد سیستم را می‌توان با چند سناریوی ساده توضیح داد.

• سناریو اول: تولید خورشیدی بیشتر از مصرف است

فرض کنید در ساعات میانی روز: 

تولید PV = 600 kW

اما: مصرف کارخانه = 450 kW

در این حالت 150 کیلووات توان اضافی وجود دارد.

اگر BESS امکان شارژ داشته باشد، این انرژی می‌تواند به‌جای بلااستفاده ماندن، در باتری ذخیره شود.به این ترتیب، سهم بیشتری از انرژی تولیدشده در خود مجموعه مصرف خواهد شد. این مفهوم با عنوان Solar Self-Consumption شناخته می‌شود.

• سناریو دوم: مصرف بالا می‌رود

چند ساعت بعد ممکن است شرایط برعکس شود. برای مثال:

تولید خورشیدی = 200 kW

مصرف کارخانه = 600 kW

در یک سیستم بدون باتری، اختلاف 400 کیلووات باید از شبکه تأمین شود. اما اگر باتری در ساعات قبل شارژ شده باشد،  EMS می‌تواند بخشی از این اختلاف را از BESS تأمین کند. به این ترتیب، میزان برق دریافتی از شبکه کاهش می‌یابد. این قابلیت در برخی پروژه‌ها برای Peak Shaving نیز استفاده می‌شود.

• سناریو سوم: شبکه قطع می‌شود

در زمان قطعی برق، اولویت سیستم تغییر می‌کند. در یک طراحی مناسب برای عملکرد اضطراری، BESS می‌تواند سریعاً بخشی از بارهای تعیین‌شده را تأمین کند.

اگر مدت قطعی کوتاه باشد و انرژی کافی در باتری وجود داشته باشد، ممکن است بتوان بخشی از دوره قطعی را بدون استفاده از دیزل ژنراتور پشت سر گذاشت. اگر قطعی ادامه پیدا کند یا سطح شارژ باتری کاهش یابد، دیزل ژنراتور می‌تواند وارد مدار شود. 

در نتیجه، BESS و دیزل الزاماً رقیب یکدیگر نیستند. در بسیاری از سیستم‌های صنعتی، این دو فناوری وظایف متفاوت اما مکمل دارند.

چرا نباید دیزل ژنراتور موجود را فوراً حذف کرد؟

دیزل ژنراتور یک مزیت مهم دارد: تا زمانی که سوخت در دسترس باشد، می‌تواند برای مدت نسبتاً طولانی انرژی تولید کند. اما باتری انرژی محدودی در خود ذخیره می‌کند.

برای مثال، یک BESS ممکن است بتواند یک بار مشخص را برای دو ساعت تأمین کند؛ پس از آن نیاز به شارژ مجدد دارد. از طرف دیگر، باتری می‌تواند بسیار سریع وارد مدار شود و برای مدیریت نوسانات بار، قطعی‌های کوتاه و جابه‌جایی انرژی عملکرد مناسبی داشته باشد.

به همین دلیل، سؤال مناسب در یک پروژه صنعتی معمولاً این نیست: باتری یا دیزل ژنراتور؟

بلکه سؤال بهتر این است: باتری و دیزل ژنراتور چگونه باید در کنار یکدیگر استفاده شوند؟

نمونه واقعی: اضافه‌ کردن BESS به زیرساخت موجود کارخانه

در یک پروژه صنعتی در آلمان، یک کارخانه از قبل دارای تجهیزات زیر بود:

• نیروگاه خورشیدی 440 kWp
• دیزل ژنراتور 500 kW
• اتصال به شبکه برق

به‌جای تعویض زیرساخت موجود، یک سیستم ذخیره‌سازی انرژی با مشخصات زیر به مجموعه اضافه شد:

• توان BESS: 700 kW
• ظرفیت ذخیره‌سازی: 1,624 kWh

تمام منابع توسط EMS مدیریت می‌شوند. هدف پروژه، استفاده بهتر از انرژی خورشیدی، کاهش وابستگی به شبکه در برخی ساعات و کاهش نیاز به استفاده از دیزل در برخی شرایط بود. این پروژه نمونه خوبی از مفهوم Retrofit است؛ یعنی ارتقای یک سایت موجود به‌جای طراحی همه‌چیز از ابتدا.

برای تعیین ظرفیت BESS چه اطلاعاتی لازم است؟

طراحی صحیح از انتخاب مدل باتری شروع نمی‌شود؛ از داده‌های مصرف کارخانه شروع می‌شود.

موارد مهم عبارت‌اند از:

• پروفایل بار در طول شبانه ‌روز
• بیشترین توان مصرفی
• مصرف در روزهای کاری و تعطیل
• بارهای حیاتی
• مدت قطعی‌های معمول
• توان دیزل ژنراتور موجود
• مصرف سوخت ژنراتور
• ظرفیت نیروگاه خورشیدی
• منحنی تولید PV
• میزان انرژی خورشیدی مازاد
• محدودیت اتصال به شبکه
• برنامه کاری خطوط تولید
• تعرفه برق

هرچه داده بار دقیق‌تر باشد، ظرفیت BESS نیز دقیق‌تر تعیین می‌شود.

فقط ظرفیت باتری مهم نیست

در پروژه صنعتی، انتخاب یک باتری بزرگ به‌تنهایی مشکل را حل نمی‌کند. طراحی باید موضوعات دیگری را نیز پوشش دهد، از جمله:

•  PCS یا اینورتر دوطرفه
• EMS
• تابلوهای برق
• سیستم‌های حفاظتی
• هماهنگی رله‌ها و کلیدها
• منطق اتصال و قطع منابع
• Islanding
• ارتباط با دیزل ژنراتور
• ارتباط با نیروگاه خورشیدی
• سیستم پایش

اگر قرار باشد سیستم هنگام قطع شبکه نیز فعالیت کند، این بخش طراحی اهمیت بیشتری پیدا می‌کند. به همین دلیل یک پروژه BESS صنعتی را نباید صرفاً به‌عنوان «خرید باتری» در نظر گرفت.

صرفه‌جویی از کجا ایجاد می‌شود؟

BESS می‌تواند از چند مسیر برای یک مجموعه صنعتی ارزش اقتصادی ایجاد کند.

• افزایش مصرف داخلی خورشیدی بخشی از تولید مازاد PV ذخیره و در ساعت دیگری مصرف می‌شود.
• کاهش پیک مصرف باتری می‌تواند در زمان افزایش مصرف، بخشی از توان موردنیاز کارخانه را تأمین کند.
• جابه‌جایی مصرف انرژی در صورت وجود تعرفه مناسب، انرژی می‌تواند در زمان مطلوب ‌تری ذخیره و مصرف شود.
• کاهش استفاده از دیزل ژنراتور در برخی قطعی‌های کوتاه یا شرایط مشخص، BESS می‌تواند نیاز به روشن‌شدن یا ادامه کار ژنراتور را کاهش دهد.
• افزایش تاب‌آوری وجود چند منبع انرژی امکان ادامه کار بارهای حیاتی را در شرایط مختلف افزایش می‌دهد.

البته میزان صرفه‌جویی در هر پروژه متفاوت است و بدون بررسی پروفایل بار و شرایط اقتصادی سایت نمی‌توان عدد دقیقی برای آن اعلام کرد.

چه کارخانه‌هایی گزینه مناسب‌ تری هستند؟

بررسی BESS معمولاً برای مجموعه‌هایی جذاب‌تر است که یکی یا چند مورد زیر را داشته باشند:

• نیروگاه خورشیدی موجود
• دیزل ژنراتور موجود
• قطعی برق مکرر یا پرهزینه
• بارهای حیاتی
• پیک مصرف بالا
• تولید خورشیدی مازاد در برخی ساعات
• هزینه قابل توجه سوخت دیزل
• فرآیند تولید حساس به قطع برق
• محدودیت توان دریافتی از شبکه

در چنین شرایطی، طراحی یک سیستم هیبریدی می‌تواند ارزش بررسی داشته باشد.

چه زمانی BESS انتخاب مناسبی نیست؟

BESS برای هر کارخانه‌ای الزاماً راه‌حل اقتصادی نیست. برای مثال، اگر:

• قطعی برق بسیار نادر باشد؛
• تفاوت محسوسی میان تولید خورشیدی و مصرف وجود نداشته باشد؛
• هزینه انرژی و پیک مصرف پایین باشد؛
• بار اضطراری بسیار بزرگ و زمان پشتیبانی موردنیاز بسیار طولانی باشد؛
• یا پروفایل مصرف امکان بهره‌برداری مؤثر از باتری را فراهم نکند؛

ممکن است سرمایه‌گذاری روی یک سیستم ذخیره‌سازی بزرگ توجیه کافی نداشته باشد. حتی در برخی پروژه‌ها، اصلاح الگوی مصرف، مدیریت بار یا بهینه‌سازی سیستم موجود می‌تواند قبل از BESS اولویت بیشتری داشته باشد.

از برق اضطراری به مدیریت یکپارچه انرژی

معماری سنتی بسیاری از کارخانه‌ها ساده بود:

شبکه → مصرف کارخانه

و هنگام قطعی:

دیزل ژنراتور → مصرف کارخانه

اما با توسعه نیروگاه‌های خورشیدی و سیستم‌های ذخیره‌سازی، معماری دیگری امکان ‌پذیر شده است:

Grid + Solar + BESS + Diesel Generator + EMS

در این مدل، هدف فقط روشن نگه‌ داشتن تجهیزات هنگام قطعی نیست.هدف این است که تولید، ذخیره‌سازی، مصرف و برق اضطراری به‌صورت یک سیستم واحد مدیریت شوند.

منبع: