با گسترش سریع نیروگاه های خورشیدی و بادی، شبکههای برق با چالش جدیدی روبهرو شدهاند. مسئله دیگر فقط تولید برق از منابع تجدیدپذیر نیست؛ بلکه باید بتوان انرژی تولیدشده در زمان مازاد را برای زمانی ذخیره کرد که تولید کاهش یافته یا تقاضا افزایش پیدا میکند.
در یک نیروگاه خورشیدی، یک سیستم باتری چند ساعته میتواند برق اضافی تولید شده در طول روز را ذخیره کرده و در ساعات عصر به شبکه یا مصرف کننده تحویل دهد. اما اگر کاهش تولید تجدیدپذیر برای ۱۲ ساعت، یک شبانه روز یا حتی چند روز ادامه پیدا کند، یک سیستم ذخیره سازی چندساعته ممکن است دیگر پاسخگوی نیاز نباشد.
ذخیره سازی انرژی بلندمدت (LDES) چیست؟
LDES به یک فناوری خاص یا یک نوع باتری مشخص اشاره نمیکند. این اصطلاح به مجموعهای از فناوریهای ذخیره سازی گفته میشود که میتوانند انرژی را برای مدت طولانیتری ذخیره کرده و در زمان مورد نیاز دوباره در اختیار سیستم برق قرار دهند.
تعریف دقیق LDES از نظر مدت زمان تخلیه در همه منابع یکسان نیست. در برخی تعاریف، سیستمهایی با مدت تخلیه بیش از چهار ساعت در این دسته قرار میگیرند، در حالی که برخی دیگر حدود ۱۰ ساعت را نقطه شروع ذخیرهسازی بلندمدت در نظر میگیرند.
با این حال، مهمتر از یک عدد مشخص، نقش سیستم ذخیرهسازی در شبکه است. زمانی که هدف انتقال مقدار قابل توجهی انرژی از یک دوره تولید مازاد به یک دوره طولانی کمبود تولید باشد، LDES اهمیت پیدا میکند.
بهصورت کلی میتوان کاربرد ذخیرهسازی را بر اساس مدت تخلیه چنین در نظر گرفت:
این دسته بندی یک استاندارد قطعی نیست، اما نشان میدهد که با افزایش مدت ذخیره سازی، ماهیت مسئله نیز تغییر میکند.
چرا ذخیرهسازی چندساعته همیشه کافی نیست؟
در شبکه ای با سهم محدود انرژی خورشیدی و بادی، یک سیستم ذخیره سازی چندساعته میتواند بسیاری از نوسانات تولید را مدیریت کند.
برای مثال، نیروگاه خورشیدی در ساعات ظهر بیشترین تولید را دارد. بخشی از این انرژی میتواند در باتری ذخیره شود و در ساعات عصر، هم زمان با کاهش تابش و افزایش مصرف، به شبکه بازگردد. اما با افزایش سهم انرژیهای تجدیدپذیر، شرایط پیچیدهتر میشود.
ممکن است تولید برق خورشیدی و بادی برای ۱۲، ۲۴ یا حتی چندین ساعت کاهش پیدا کند. در چنین شرایطی، باتریای که برای انتقال انرژی از ظهر به عصر طراحی شده است، ممکن است ظرفیت کافی برای پوشش یک دوره طولانی کمبود انرژی را نداشته باشد.
بنابراین، هرچه وابستگی شبکه به منابع متغیر بیشتر شود، اهمیت ذخیرهسازی با مدت تخلیه طولانیتر نیز افزایش پیدا میکند.
توان و انرژی؛ دو مفهوم متفاوت در ذخیره سازی
یکی از مهمترین نکات در طراحی سیستمهای ذخیرهسازی، تفاوت میان توان (Power) و انرژی (Energy) است.
- توان معمولاً با kW یا MW بیان میشود و نشان میدهد سیستم در هر لحظه با چه نرخ حداکثری میتواند برق تولید یا مصرف کند.
- ظرفیت انرژی با kWh یا MWh بیان میشود و مشخص میکند چه مقدار انرژی در سیستم ذخیره شده و توان موردنظر برای چه مدتی قابل تأمین است.
برای مثال، یک سیستم: MW400/100MW در شرایط ایدهآل میتواند حدود چهار ساعت با توان ۱۰۰ مگاوات کار کند.
اگر همین سیستم قرار باشد با توان ۱۰۰ مگاوات به مدت ۱۰ ساعت انرژی تأمین کند، به حدود: MW1000/100MW ظرفیت انرژی نیاز خواهد داشت.
این مثال ساده نشان میدهد که افزایش مدت ذخیرهسازی فقط به معنای اضافه کردن چند باتری بیشتر نیست. افزایش ظرفیت انرژی میتواند بر هزینه، فضای موردنیاز، تجهیزات جانبی، راندمان، ایمنی و هزینه چرخه عمر پروژه تأثیر بگذارد.
چرا یک فناوری برای تمام مدتهای ذخیرهسازی مناسب نیست؟
فناوریهای ذخیرهسازی انرژی ویژگیهای یکسانی ندارند.
برخی برای پاسخ سریع و توان بالا مناسب هستند، برخی برای ذخیره حجم زیادی از انرژی در مدت طولانیتر اقتصادیتر هستند و برخی دیگر برای ذخیرهسازی چندروزه یا حتی طولانیتر طراحی شدهاند. به همین دلیل، LDES را نباید معادل یک نوع باتری دانست.
فناوریهای مهم مطرح در این حوزه عبارتاند از:
بنابراین سؤال اصلی این نیست که «بهترین فناوری ذخیره سازی کدام است؟»
سؤال مهمتر این است: «این پروژه به چه مقدار توان، چه مقدار انرژی و چه مدت زمان تخلیه نیاز دارد؟»
چرا افزایش مدت ذخیرهسازی اقتصاد پروژه را تغییر میدهد؟
در سیستمهای ذخیره سازی کوتاه مدت، بخش قابلتوجهی از هزینه مربوط به سلولهای باتری، PCS، BMS، تجهیزات حفاظتی، سیستمهای کنترل دما و سایر تجهیزات است. اما زمانی که مدت ذخیره سازی افزایش پیدا میکند، ظرفیت انرژی موردنیاز نیز افزایش مییابد.
در برخی فناوریهای LDES، افزایش ظرفیت انرژی الزاماً به افزایش متناسب ظرفیت تجهیزات تولید توان نیاز ندارد. این ویژگی بهخصوص در فناوریهایی اهمیت دارد که بخش ذخیره انرژی را میتوان تا حدی مستقل از بخش تبدیل توان توسعه داد.
باتری جریان (Flow Battery) یکی از نمونههای مهم این معماری است.
باتری جریان چگونه کار میکند؟
در باتریهای جریان، مواد فعال درون الکترولیت مایع قرار دارند و الکترولیت در مخازن جداگانه ذخیره میشود. هنگام شارژ و دشارژ، پمپها الکترولیت را از میان مجموعهای از سلولها که Stack نامیده میشوند عبور میدهند.
بهصورت ساده میتوان گفت: Stack → تعیینکننده اصلی توان سیستم و: حجم الکترولیت و مخازن → تعیینکننده اصلی ظرفیت انرژی
این ساختار امکان افزایش ظرفیت انرژی از طریق افزایش حجم الکترولیت را فراهم میکند، بدون اینکه تمام تجهیزات بخش توان الزاماً با همان نسبت افزایش پیدا کنند. همین ویژگی باعث شده است باتریهای جریان در پروژههای ذخیرهسازی طولانیمدت مورد توجه قرار گیرند. البته این فناوری نیز محدودیتهایی دارد. چگالی انرژی پایینتر نسبت به باتریهای لیتیومی به فضای بیشتری نیاز دارد و هزینه اولیه همچنان یکی از چالشهای آن است.
باتری جریان وانادیومی؛ VRFB
یکی از شناختهشدهترین انواع باتریهای جریان، Vanadium Redox Flow Battery یا VRFB است. در این فناوری، الکترولیتهای مبتنی بر وانادیوم در دو مخزن نگهداری میشوند و انرژی از طریق فرایندهای الکتروشیمیایی در این الکترولیتها ذخیره میشود.
از ویژگیهای مهم VRFB میتوان به موارد زیر اشاره کرد:
- عمر چرخهای بالا
- مناسب بودن برای تخلیههای طولانیتر
- استفاده از الکترولیت غیرقابلاشتعال
- امکان استفاده مجدد از بخش قابلتوجهی از الکترولیت
در مقابل، چگالی انرژی پایینتر باعث میشود VRFB برای پروژههایی که با محدودیت شدید فضا مواجه هستند، همیشه بهترین گزینه نباشد. بنابراین VRFB را نمیتوان جایگزین مستقیم تمام سیستمهای لیتیوم-یون دانست؛ بلکه این فناوری برای پروژههایی جذابتر است که عمر طولانی، تعداد سیکل بالا و مدت تخلیه طولانی اهمیت زیادی دارد.
LDES فقط به باتری محدود نمیشود
باتری جریان تنها یکی از مسیرهای ذخیرهسازی بلندمدت است.
- تلمبه ذخیرهای
در سیستمهای Pumped Hydro، هنگام وجود برق مازاد، آب به یک مخزن مرتفع پمپاژ میشود. در زمان نیاز، آب به سمت پایین جریان پیدا کرده و از طریق توربین برق تولید میکند. این فناوری یکی از بالغترین روشهای ذخیرهسازی انرژی در مقیاس بزرگ محسوب میشود، اما به شرایط جغرافیایی مناسب و پروژههای عمرانی قابلتوجه نیاز دارد.
- ذخیرهسازی هوای فشرده
در Compressed Air Energy Storage یا CAES، برق مازاد برای فشرده کردن هوا استفاده میشود. هوای ذخیرهشده در زمان نیاز آزاد شده و برای تولید برق مورد استفاده قرار میگیرد. این فناوری میتواند برای پروژههای بزرگ مناسب باشد، اما طراحی آن به شرایط سایت، زیرساخت و نحوه مدیریت فرایندهای حرارتی وابسته است.
- ذخیرهسازی حرارتی
در ذخیرهسازی حرارتی، انرژی بهجای ذخیره مستقیم به شکل الکتریکی، به شکل گرما یا سرما ذخیره میشود. نمک مذاب یکی از نمونههای شناختهشده این فناوری است. در کاربردهایی که امکان استفاده مستقیم از انرژی حرارتی یا تبدیل مجدد آن به برق وجود داشته باشد، ذخیرهسازی حرارتی میتواند گزینهای مناسب برای دورههای طولانی باشد.
هیدروژن
هیدروژن مسیر متفاوتی برای ذخیرهسازی انرژی ارائه میدهد. برق مازاد میتواند از طریق الکترولایزر به هیدروژن تبدیل شود. هیدروژن سپس ذخیره شده و در زمان دیگری از طریق پیل سوختی، توربین یا سایر فرایندها دوباره به انرژی تبدیل میشود.
مزیت اصلی این مسیر، امکان ذخیره انرژی برای دورههای بسیار طولانی است. در مقابل، راندمان رفتوبرگشت پایینتر، هزینه تجهیزات، زیرساخت ذخیرهسازی و مسائل ایمنی از چالشهای مهم آن هستند.
نقش ذخیره سازی بلند مدت LDES در شبکه برق
ارزش ذخیرهسازی بلندمدت تنها به تأمین برق پشتیبان محدود نمیشود. این سیستمها میتوانند انرژی مازاد تولیدشده توسط نیروگاههای خورشیدی و بادی را در دورههای تولید بالا دریافت کرده و در زمان کاهش تولید آزاد کنند.
از مهمترین کاربردهای این سیستم ها میتوان به موارد زیر اشاره کرد:
- انتقال انرژی در طول زمان
- کاهش محدودسازی تولید انرژی تجدیدپذیر
- مدیریت پیک مصرف
- افزایش انعطافپذیری شبکه
- تأمین ذخیره عملیاتی
- پشتیبانی از شبکه در دورههای طولانی کاهش تولید
- افزایش تابآوری زیرساختهای حیاتی
با افزایش سهم انرژیهای تجدیدپذیر در شبکه، اهمیت این قابلیتها نیز بیشتر خواهد شد.
LDES در یک سیستم هیبریدی
یکی از تصورات اشتباه این است که تمام نیازهای ذخیرهسازی یک پروژه باید توسط یک فناوری تأمین شود. در عمل، یک معماری هیبریدی میتواند شامل موارد زیر باشد:
Solar PV + BESS + LDES + Grid + Generator + EMS
هر بخش میتواند وظیفه متفاوتی داشته باشد. برای مثال، باتری لیتیوم-یون میتواند نوسانات سریع را مدیریت کرده و برای چند ساعت انرژی موردنیاز را تأمین کند. در صورتی که کمبود انرژی برای مدت طولانیتری ادامه پیدا کند، سیستم LDES میتواند وارد مدار شود.
شبکه یا ژنراتور نیز میتواند بهعنوان منبع قابلدیسپاچ مورد استفاده قرار گیرد و Energy Management System (EMS) وظیفه هماهنگسازی این منابع را بر عهده داشته باشد.
در یک سایت صنعتی، برای مثال:
خورشید → تأمین مستقیم بار
انرژی مازاد → ذخیره در BESS/LDES
ساعات پیک → تخلیه BESS
کمبود طولانیمدت → استفاده از LDES
شرایط اضطراری → پشتیبانی شبکه یا ژنراتور
در چنین معماریای هدف الزاماً حذف یک منبع نیست؛ بلکه مدیریت هوشمند چند منبع با ویژگیهای متفاوت است.
جایگزینی LDES با باتریهای لیتیومی
LDES و باتریهای لیتیوم-یون بیشتر مکمل یکدیگر هستند تا جایگزین مستقیم. باتریهای لیتیومی در پاسخ سریع، توان بالا، کاربردهای چندساعته و پروژههایی که با محدودیت فضا مواجه هستند، مزایای مهمی دارند.
در مقابل، با افزایش مدت ذخیرهسازی، برخی فناوریهای LDES میتوانند جذابتر شوند؛ بهخصوص زمانی که پروژه به ذخیره مقدار زیادی انرژی برای ۱۰، ۲۰ ساعت یا حتی چند روز نیاز داشته باشد.
در نتیجه، یک نیروگاه یا Microgrid آینده ممکن است بهطور همزمان از:
Short-Duration BESS برای پاسخ سریع و ذخیره چندساعته، و LDES برای مدیریت کمبود انرژی طولانیمدت استفاده کند.
چه پروژههایی بیشتر به LDES نیاز دارند؟
LDES بهویژه برای پروژههایی اهمیت پیدا میکند که یکی یا چند ویژگی زیر را دارند:
- سهم بالای تولید خورشیدی یا بادی
- نیاز به پشتیبانی طولانیمدت
- محدودیت یا ضعف شبکه
- فعالیت در مناطق Off-Grid
- اهمیت بالای تداوم برق
- نیاز به انتقال حجم زیادی از انرژی بین دورههای زمانی مختلف
نیروگاههای بزرگ تجدیدپذیر، Microgridها، شبکههای جزیرهای، زیرساختهای حیاتی و برخی پروژههای صنعتی میتوانند از جمله کاربردهای بالقوه این فناوری باشند.
در مقابل، برای مصرفکنندهای که تنها به دو یا سه ساعت برق پشتیبان نیاز دارد، استفاده از یک فناوری LDES لزوماً منطقی نیست. بنابراین انتخاب فناوری باید بر اساس نیاز واقعی پروژه انجام شود.
چالشهای ذخیره سازی بلند مدت
با وجود افزایش نیاز فنی به ذخیرهسازی طولانیمدت، توسعه LDES همچنان با چالشهای مختلفی روبهروست.
هزینه سرمایهگذاری یکی از مهمترین این چالشهاست. برخی فناوریهای LDES هنوز در مراحل اولیه تجاریسازی قرار دارند و هزینه تجهیزات و اجرای پروژه میتواند بالا باشد.
راندمان نیز عامل مهم دیگری است. فناوریهای مختلف LDES راندمان رفتوبرگشت متفاوتی دارند. در پروژههای بسیار طولانیمدت، علاوه بر راندمان، عواملی مانند هزینه ظرفیت انرژی، عمر سیستم و قابلیت ذخیرهسازی چندروزه نیز اهمیت پیدا میکنند.
همچنین مواردی مانند:
- فضای موردنیاز
- ایمنی
- شرایط جغرافیایی
- عمر تجهیزات
- تعمیر و نگهداری
- زیرساخت موردنیاز
باید در طراحی پروژه مورد توجه قرار گیرند.
از طرف دیگر، مدل اقتصادی پروژه اهمیت زیادی دارد. اگر بازار برق ارزش خدماتی مانند ظرفیت، انعطافپذیری، ذخیره عملیاتی یا کاهش Curtailment را بهدرستی در نظر نگیرد، توجیه اقتصادی پروژه LDES دشوارتر خواهد شد.
آینده ذخیرهسازی انرژی
یکی از مهمترین نکات در طراحی سیستمهای ذخیرهسازی این است که انتخاب فناوری نباید اولین مرحله طراحی باشد.
پیش از انتخاب فناوری باید پرسید:
- بار موردنیاز چقدر است؟
- حداکثر توان موردنیاز چند مگاوات است؟
- چه مقدار انرژی باید ذخیره شود؟
- سیستم چند ساعت یا چند روز باید انرژی تأمین کند؟
- چند بار در سال شارژ و دشارژ خواهد شد؟
- محدودیت زمین و زیرساخت چیست؟
- راندمان موردانتظار چقدر است؟
- عمر موردنیاز پروژه چقدر است؟
- ارزش اقتصادی انرژی ذخیرهشده چقدر است؟
پس از پاسخ به این پرسشها میتوان میان فناوریهایی مانند LFP، Flow Battery، Pumped Hydro، CAES، Thermal Storage، Hydrogen یا یک معماری ترکیبی تصمیم گرفت.
ذخیرهسازی انرژی بلندمدت را میتوان یکی از مسیرهای مهم تحول سیستمهای انرژی در کنار توسعه منابع تجدیدپذیر دانست.
باتریهای چندساعته در حال حاضر نقش مهمی در کاهش پیک، پشتیبانی شبکه و انتقال انرژی خورشیدی به ساعات عصر دارند. اما با افزایش سهم خورشید و باد، مسئله ذخیرهسازی بهتدریج از جابهجایی انرژی در چند ساعت به مدیریت دورههای طولانی کمبود انرژی تبدیل میشود. LDES برای پاسخ به همین نیاز توسعه یافته است.
با این حال، LDES یک محصول یا فناوری واحد نیست؛ بلکه مجموعهای از راهکارها از باتریهای جریان و تلمبهذخیرهای گرفته تا ذخیرهسازی حرارتی، هوای فشرده و هیدروژن را شامل میشود. در نهایت، آینده ذخیرهسازی انرژی احتمالاً متعلق به یک فناوری واحد نخواهد بود؛ بلکه ترکیبی از فناوریهای مختلف خواهد بود که هرکدام برای یک بازه زمانی و یک نیاز مشخص مورد استفاده قرار میگیرند.
منابع: