ما هو نظام تخزين طاقة البطارية (BESS)؟
\ دعني أتجرد من المصطلحات للحظة: أ نظام تخزين الطاقة بالبطاريات (BESS) هو، ببساطة، صندوق مليء بالبطاريات التي تشحن عندما تكون الكهرباء رخيصة أو وفيرة، وتفرغ عندما تكون نادرة أو باهظة الثمن. هذا كل ما في الأمر. هذا هو الهيكل العظمي. لكن العظام ليست سوى نصف القصة.
لماذا هذا مهم؟ لأننا لا نقوم فقط بتخزين الإلكترونات، بل نقوم بتخزين النفوذ. فبالنسبة لمشغّل الشبكة الذي يحاول تقليل بضعة ميجاوات من ذروة الطلب، أو مصنع يتجنب رسوم الطلب المعوقة، فإن نظام تخزين الطاقة الكهربائية المدمجة هو سلاح تكتيكي. إنه تحويل الطاقة، والمرونة، والعائد على الاستثمار، وكل ذلك محشور في خزانة فولاذية.
وإليك الحلقة الأساسية: تقوم بشحن النظام عندما تكون الطاقة رخيصة أو زائدة عن الحاجة (مثل ظهيرة يوم أحد مشمس في كاليفورنيا)، وتفريغها عندما تكون أكثر قيمة (مثل الساعة 6:00 مساءً عندما يقوم الجميع بتشغيل مكيف الهواء). ولكن احذر: إن تسميتها "بطارية" يغفل الصورة الأكبر. فهي ليست مكوناً سلبياً - إنها آلة نشطة وقادرة على التكيف واتخاذ القرار.
بطارية كامادا باور 100 كيلوواط/ساعة C&I BESS
المكونات الأساسية والبنية الهيكلية لـ BESS
كيمياء خلايا البطارية - اللبنات الأساسية
لقد رأيت ثروات تُجنى وتخسر بسبب خيارات كيمياء البطاريات. فمنذ سنوات، أصر أحد العملاء على استخدام NMC لمشروع في أريزونا. بدت كثافة الطاقة العالية رائعة على الورق - حتى حلّ الصيف. كان تدهور الخلايا وحشيًا. قمنا بالتبديل إلى LFP ولم ننظر إلى الوراء أبدًا.
إن LFP (فوسفات الحديد الليثيوم) هو السلحفاة الرزينة في عالم البطاريات: أكثر أمانًا واستقرارًا حراريًا وأطول عمرًا. NMC (النيكل المنغنيز والكوبالت) هو الأرنب البري - أسرع وأخف وزناً، ولكنه أكثر تقلباً. أيون الصوديوم هو الورقة الرابحة. إنه واعد، ولكنه غير مثبت على نطاق واسع. حمض الرصاص؟ لا يزال معلقاً مثل الأحفورة، وهو مفيد في التطبيقات المتخصصة حيث تتفوق التكلفة على الأداء.
الكيمياء مهمة. ليس فقط لكثافة الطاقة أو عمر الدورة، ولكن لكيفية عمل النظام يشعر في الميدان. كيف تتعامل مع الحرارة، وتستجيب للشحنة، وتتفاعل مع الإساءة. الكيمياء هي الحمض النووي. وكما هو الحال مع الأشخاص، الحمض النووي ليس قدراً - لكنه يمهد الطريق.
حزمة البطارية - التكوينات والدور
هذا هو المكان الذي تصبح فيه الخلايا نظامًا. حزمة البطارية ليست مجرد حزمة من الخلايا - إنها كائن حي مصمم بإحكام. يجب أن يكون الجهد والتيار متوافقين مع التطبيق المحدد: لن يبدو النظام الاحتياطي بجهد 48 فولت للاتصالات مثل وحش مرتبط بالشبكة بجهد 1000 فولت.
ثم هناك البطل المجهول: الحساسات. مجسات درجة الحرارة، ومحوّلات التيار، وصنابير الجهد. لقد رأيت حزمًا ذات تخطيطات مستشعرات رديئة تدخل في حالة هروب حراري لأن النظام ظن أنها على ما يرام حتى... لم تكن كذلك. العبوات الجيدة تكون في طبقات مثل الميل فويل: الخلايا، والعزل، والتبريد، والأسلاك - كلها في تناغم.
بصراحة، أظن أن العديد من شركات الدمج لا تزال تتعامل مع تصميم العبوات على أنه فكرة لاحقة. ولا ينبغي لهم ذلك.
نظام إدارة البطارية (BMS) - العقل المدبر للنظام
إذا كانت البطارية هي الجسم، فإن نظام إدارة المباني هو الجهاز العصبي. في الواقع، إنه أكثر من ذلك. إنه الجهاز المناعي أيضاً.
يتتبع نظام إدارة المحرك جهد كل خلية وتيارها ودرجة حرارتها في الوقت الفعلي. وهو يوازن الشحن بين الخلايا (إما بشكل سلبي، عن طريق استنزاف الطاقة الزائدة كحرارة، أو بشكل نشط، عن طريق إعادة توزيعها). ويمنع الشحن الزائد والتفريغ العميق والهروب الحراري المخيف.
كنت أعتقد أن الموازنة السلبية "جيدة بما فيه الكفاية". ثم شاهدت نظامًا بقدرة 1.2 ميجاوات في الساعة يفقد 81 تيرابايت 3 تيرابايت في أقل من عام بسبب انجراف الخلايا غير المتكافئ. فالموازنة النشطة، عندما تتم بشكل صحيح، تؤتي ثمارها على المدى الطويل.
هناك فكرة فلسفية هنا: إذا استحوذ الذكاء الاصطناعي على الطاقة في يوم من الأيام، فلن يكون ذلك على شكل طائرات بدون طيار من نوع "تيرميناتور". بل سيكون على شكل نظام إدارة الطاقة الذي يقرر بهدوء أي خلية تعيش وأيها تموت.
نظام تحويل الطاقة (PCS) - الربط بين التيار المستمر والتيار المتردد
المترجم العظيم تتحدث البطاريات بالتيار المستمر، بينما تتطلب الشبكة تياراً متردداً. أدخل جهاز PCS.
هذه الوحدة معقدة بشكل مخادع. فهي تقوم بقلب التيار المستمر إلى تيار متردد (للتفريغ)، وتقويم التيار المتردد إلى تيار مستمر (للشحن). تقوم بالمزامنة مع تردد الشبكة. وتخضع لقواعد التوصيل البيني. تدير معدلات الانحدار. إذا حدث خطأ ما، فغالبًا ما يكون جهاز الكمبيوتر الشخصي أول من يعلم.
الضوضاء؟ بالتأكيد، قد تصدر الوحدات المبردة بالمروحة طنينًا يتراوح بين 50 و65 ديسيبل - مثل طنين نظام التدفئة والتهوية وتكييف الهواء في ظهيرة يوم صيفي. قمت ذات مرة بتركيب جهاز PCS خلف مخبز في بروكلين. وفي غضون أسبوع، اتصل بي المالك: "هل يوجد جسم غريب هناك؟" قمنا بالتبديل إلى وحدة تبريد سائلة.
تعمل الاتجاهات الناشئة مثل أشباه الموصلات من كربيد السيليكون (SiC) على تقليل خسائر التحويل وحجمه. تعمل العاكسات ثنائية الاتجاه على فتح خدمات التحويل من السيارة إلى الشبكة وخدمات الشبكة. لم يعد هذا صندوقًا سلبيًا. بل أصبحت مُنسقًا.
نظام التبريد والتدفئة والتهوية والتكييف - الإدارة الحرارية
البطاريات تكره التطرف. فهي ساخنة جداً، فتتحلل. وباردة جداً، فتتعبس.
الإدارة الحرارية هي حارس البوابة لطول العمر. التبريد بالهواء بسيط ورخيص، لكنه يعاني في الأنظمة عالية الكثافة. التبريد السائل؟ أكثر تكلفة، ولكنه دقيق. اضطررت ذات مرة إلى تعديل نظام بقدرة 250 كيلوواط في الساعة في ولاية نيفادا لأن نظام التبريد الهوائي لم يتمكن من الحفاظ على درجة الحرارة تحت 45 درجة مئوية. قمنا بالتبريد السائل القائم على الجليكول، واستقر الأداء بين عشية وضحاها.
ملاحظة جانبية: يستخف الناس بضوضاء المبردات والمراوح. عند النشر بالقرب من المناطق السكنية، ضع في اعتبارك الصوتيات.
إخماد الحرائق وسلامة الضميمة
لنتحدث عن الخوف. لا أحد يريد أن يرى "حريق بطارية الليثيوم" منتشراً.
تأتي الحاويات الحديثة لمولدات بيس الحديثة الآن مزودة بأنظمة إخماد الغاز، والحواجز الحرارية، والكسوة المقاومة للحريق، وألواح تحرير الضغط. إن اختبار UL9540A ليس مجرد خانة اختيار؛ إنه البوتقة التي تثبت فيها التصاميم نفسها أو تحترق.
لقد رأيت حاويات رخيصة تحبس الحرارة مثل التابوت. السلامة ليست مثيرة حتى تصبح الشيء الوحيد المهم.
نظام المراقبة والاتصالات
نظام BESS بدون رؤية عن بُعد يشبه الطيران الأعمى. إن تكامل SCADA، والتحليلات السحابية لنظام إدارة المباني، والتنبيهات عن الأعطال في الوقت الحقيقي - هذه ليست اختيارية.
كان لدي عميل واحد في تكساس تجاهل التشخيص عن بعد. قام خطأ في البرنامج الثابت بتعطيل حلقة التبريد بصمت. ظل النظام مخبوزًا لمدة 48 ساعة قبل أن يلاحظ أحدهم. بحلول ذلك الوقت؟ \$P4T90,000 في تلف الخلايا. الدرس المستفاد.
الأنواع الرئيسية لـ BESS على أساس التطبيق والتكنولوجيا
لا يتم تصميم جميع أنظمة BESS بنفس الطريقة - ولا ينبغي أن تكون كذلك. يعتمد النظام المناسب على من أنت، وما الذي تشغله ولماذا تحتاج إليه. من الشركات العملاقة على نطاق الشبكة إلى الوحدات التكتيكية خلف العداد، يتنوع المشهد بتنوع الاحتياجات التي تخدمها. دعنا نفصلها.
بيس على نطاق المرافق - شريك الشبكة الصامت
فكر في هذا كبطل الوزن الثقيل. تُقاس الأنظمة على نطاق المرافق بالميغاواط والميغاواط/ساعة. يتم نشرها لأداء وظائف على مستوى الشبكة: تنظيم التردد، ودعم الجهد، وتغيير الأحمال، وحتى استبدال محطات توليد الطاقة الكهربائية.
غالبًا ما تتميز هذه الأنظمة بـ
- أجهزة PCS عالية الجهد (حتى 1500 فولت)
- تصميم وحدات الحاويات المعيارية (وحدات بطول 20 قدماً أو 40 قدماً)
- نظام الإدارة البيئية المتقدم للمشاركة في السوق
الأعمال التجارية والصناعية - تحويل النفقات الرأسمالية إلى استراتيجية
هنا يصبح تخزين الطاقة أداة تجارية. المصانع، ومراكز البيانات، ومستودعات التخزين البارد - يستخدمون C&I BESS لتفادي رسوم الطلب، وتجنب انقطاع التيار الكهربائي، والحفاظ على كفاءة العمليات.
تشمل الميزات النموذجية ما يلي:
- بطارية 100 كيلوواط/ساعة إلى سعة عدة ميغاواط/ساعة
- نظام متكامل لإخماد الحرائق والتدفئة والتهوية والتبريد والتكييف
- التكامل السلس بين نظام SCADA ونظام إدارة المباني (BMS)
بيس السكني - صندوق صغير، حرية كبيرة
نعم، ينضم أصحاب المنازل إلى اللعبة. مع تزايد حوافز الطاقة الشمسية + التخزين, بيس السكني يتيح لك تشغيل الأضواء عندما تظلم الشبكة - وإعادة بيع الطاقة عندما ترتفع الأسعار.
السمات الرئيسية:
- سعة 5-20 كيلوواط/ساعة
- عوامل الشكل المثبتة على الحائط أو الأرضية
- العاكسات الهجينة لتكامل الطاقة الشمسية
نظام BESS المتنقل والمعياري - الطاقة التي تذهب حيثما دعت الحاجة إليها
الفعاليات ومواقع الإنشاءات ومحطات شحن السيارات الكهربائية - هذه هي الأماكن التي لا تتوفر فيها الطاقة دائماً ولكنها لا تزال ضرورية. هذا هو المكان الذي تتألق فيه وحدات BESS المعيارية أو المثبتة على مقطورة أو حتى وحدات BESS القابلة للتبديل.
ابحث عن:
- أجهزة الكمبيوتر الشخصية للتوصيل والتشغيل
- حاويات متينة
- كيماويات الليثيوم أو أيونات الصوديوم سريعة الشحن
بيس الشبكة الصغيرة - المرونة، في أي مكان
عندما تفشل الشبكة - أو لا تكون موجودة - تصبح هذه الأنظمة القلب النابض للشبكة الكهربائية الصغيرة. فالمستشفيات والقواعد العسكرية والقرى النائية تستخدم هذه الأنظمة لتزويدها بالطاقة بغض النظر عما يحدث في الخارج.
تجمع هذه الأنظمة بين:
- التكامل بين الطاقة الكهروضوئية أو طاقة الرياح أو المولدات الكهربائية
- إمكانية البدء باللون الأسود
- تحديد أولويات التحميل في الوقت الحقيقي
كيف يعمل نظام BESS؟ عملية خطوة بخطوة
الشحن: تحويل الطاقة وتخزينها بأمان
الشحن بسيط من الناحية النظرية، ومعقد في التنفيذ.
يتم تغذية المصدر - الطاقة الشمسية أو طاقة الرياح أو الشبكة - في نظام PCS. يتتبع نظام إدارة المحرك حالة الشحن (SOC) مثل الصقر. يتم تطبيق حدود الجهد ونوافذ درجة الحرارة ومنحدرات تيار الشحن بصرامة.
رأيت ذات مرة نظامًا يشحن بسرعة كبيرة من مزرعة رياح أثناء عاصفة عاصفة. لم يتمكن نظام PCS من الخنق بسرعة كافية. والنتيجة؟ تعطلت القواطع، وكدمات في الذات.
التفريغ: توصيل الطاقة عند الحاجة
عندما يتلقى النظام إشارة طلب - سواء من حمولة أو أمر من الشبكة أو إشارة سعر - يبدأ نظام PCS في العمل لتوصيل طاقة تيار متردد مسحوبة من بنك بطارية التيار المستمر.
تحصل الأحمال ذات الأولوية (مثل المستشفيات أو مراكز البيانات) على الأولوية. حتى أن بعض الأنظمة تستخدم ملفات تعريف التفريغ الديناميكية لتمديد وقت التشغيل.
وبصراحة، أعتقد أن هذا هو المكان الذي يتم فيه المبالغة في تخزين الطاقة. معدلات التفريغ ليست لانهائية. خطط بشكل سيئ، وسوف تنفد قبل أن تصل إلى الذروة.
المراقبة، والسلامة، والتشخيص الذاتي أثناء التشغيل
أثناء الشحن والتفريغ، يراقب نظام إدارة المحرك كل ميلي فولت ودرجة. إذا حدث أي انحراف - خلية ساخنة، أو انخفاض في الجهد، أو خلل في الاتصال - فيمكنه خنق النظام أو إيقاف تشغيله.
الأنظمة الجيدة تتسم بالارتياب. الأنظمة العظيمة هي مهووس بالصحة. فكر في الأمر كبطارية يمكنها استدعاء سيارة الإسعاف الخاصة بها.
الصورة الأكبر: لماذا يعتبر فهم عملية BESS مهمة
الآثار الاقتصادية والبيئية
الانشقاق في الشبكة، وحلق الذروة، وإدارة رسوم الطلب - هذه ليست كلمات طنانة. إنها الميزانية العمومية.
قام أحد المستودعات في فريسنو بتوفير \$12,000 دولار شهريًا فقط من خلال تركيب نظام BESS لتجنب ذروة التسعير. وفي الوقت نفسه، يستخدم مرفق صغير في فيرمونت محولاته لتخفيف التقطع الشمسي وتأجيل ترقيات المحولات المكلفة.
ثم هناك الانبعاثات. استخدام بيس لتحل محل محطات توليد الطاقة الكهربائية؟ سيغير قواعد اللعبة.
نماذج الإيرادات وإمكانات العائد على الاستثمار
مراجحة وقت الاستخدام هي مجرد البداية. في الولايات المتحدة، فتحت لجنة الطاقة الفيدرالية للطاقة المتجددة 841 البوابات أمام مشاركة BESS في أسواق الطاقة - تنظيم التردد، واحتياطي الدوران، وخدمات بدء التشغيل الأسود.
يحصل أحد عملائي في إقليم PJM على أكثر من \$P4T150 ألف دولار في السنة من نظام 500 كيلوواط ساعة، فقط على المشاركة في السوق. لكن الأمر ليس سهل التشغيل. فأنت تحتاج إلى برنامج وتوقيت وشجاعة.
اعتبارات تكامل الشبكة واعتبارات التيار المتردد/ التيار المستمر
الأنظمة المقترنة بالتيار المتردد أسهل في التعديل التحديثي. أما أنظمة التيار المستمر المقترنة بالتيار المستمر فهي أكثر كفاءة في الموقع المشترك للطاقة الشمسية. ولا يعتبر أي منهما أفضل بشكل قاطع - فالسياق هو الأساس.
ودعونا لا ننسى الشبكات الكهربائية الصغيرة. حيث تتيح شبكات BESS إمكانية عزل الجزر، وبدء التشغيل الأسود، وتحديد أولويات التحميل. لقد رأيتها تبقي قرى بأكملها متصلة بالإنترنت أثناء حرائق الغابات والأعاصير.
الخاتمة
بيس ليست مجرد بطارية. إنه أصل يقظ ومعقد وسريع الاستجابة يحول الطاقة إلى استراتيجية.
وإليك الحقيقة التي غالباً ما تتجاهلها الصناعة: التخزين صعب. إنه فوضوي. إنه ليس صندوقاً سحرياً. ولكن عندما يتم القيام به بشكل صحيح، فإنه يحدث تحولاً.
وكلما فهمنا كيف تعمل بشكل أفضل، كلما نشرناها بشكل أفضل. وكلما أصبحت شبكتنا ومدننا ومستقبلنا أكثر ذكاءً.
الأسئلة الشائعة
هل نظام BESS صاخب؟
بشكل عام لا، ولكن قد تصدر مكونات أجهزة الكمبيوتر الشخصية ومكونات التدفئة والتهوية وتكييف الهواء همهمة منخفضة (حوالي 50-65 ديسيبل). فكر: الثلاجة أو وحدة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء الهادئة.
هل التيار المتردد أم التيار المستمر؟
والبطاريات بطبيعتها تعمل بالتيار المستمر، ولكن يستخدم نظام بطاريات BESS نظام PCS للربط مع أحمال أو شبكات التيار المتردد.
كم من الوقت يمكن أن تعمل BESS؟
يعتمد على سعة الطاقة والحمل. يعمل نظام بقدرة 1 ميجاوات في الساعة لتشغيل حمولة 250 كيلوواط لمدة 4 ساعات تقريباً.
هل يمكن شحنها من الطاقة الشمسية والشبكة؟
نعم. تدعم معظم تصميمات BESS الحديثة الشحن متعدد المصادر.
هل يتطلب صيانة؟
نعم. الفحوصات الروتينية وتحديثات البرامج الثابتة وعمليات الفحص الحراري للنظام ضرورية. الإهمال = كارثة.