الاتجاهات الجديدة لتكنولوجيا نظام تخزين الطاقة ESS

حللت الشركة المصنعة المشهورة عالميًا لمنتجات التحكم الصناعي - C3CONTROLS في الولايات المتحدة اتجاهات التكنولوجيا الجديدة لنظام تخزين الطاقة الحالي ESS في ورقتها التقنية ، وفيما يلي مقتطفات.

لا يمكن تخزين الكهرباء في شكلها الخام بأي مقياس ، ولكن من خلال استخدام نظام تخزين الطاقة (ESS) ، يمكن تحويلها إلى أشكال أخرى من الطاقة يمكن تخزينها. يمكن تحويل هذه الأشكال من الطاقة مرة أخرى إلى كهرباء عند الحاجة.

تقدم أنظمة تخزين الطاقة مجموعة واسعة من الأساليب التكنولوجية لإدارة إمدادات الكهرباء لدينا في محاولة لإنشاء بنية تحتية للطاقة أكثر مرونة وتوفير التكاليف للمرافق والمستهلكين. تشمل تقنيات نظام تخزين الطاقة الحالية البطاريات ، ودواليب تنظيم السرعة ، والهواء المضغوط ، وتخزين الطاقة المائية ، وغير ذلك. اليوم ، لا تزال كل هذه الأنظمة محدودة في إجمالي الطاقة التي يمكنها تخزينها ، ولكن يستمر البحث في تحسين هذه التقنيات بسرعة.

تم بناء شبكة الكهرباء الأمريكية على أساس توازن دقيق بين إمدادات الكهرباء وطلب المستهلكين. تتمثل إحدى الطرق الفعالة للمساعدة في موازنة التقلبات في العرض والطلب على الكهرباء في تخزين الكهرباء خلال فترات الإنتاج المرتفع وانخفاض الطلب ، ثم إعادة إطلاقها إلى الشبكة خلال فترات انخفاض الإنتاج أو ارتفاع الطلب.

هنا ، نناقش كيف يمكن لتخزين الكهرباء أن يزودنا جميعًا بالموثوقية والفوائد الاقتصادية والبيئية. اعتمادًا على مدى انتشاره ، يمكن أن يساعد تخزين الكهرباء الشبكة الأمريكية على العمل بشكل أكثر كفاءة ، ويقلل من احتمالية الانقطاعات خلال فترات ذروة الطلب ، ويسمح باستخدام المزيد من الموارد المتجددة. صورة

تزايد الطلب على تخزين الكهرباء

منذ اكتشاف الكهرباء ، كان العديد من الباحثين والعلماء يبحثون عن طرق فعالة لتخزين الطاقة للاستخدام عند الطلب. على مدى المائة عام الماضية ، نمت صناعة تخزين الطاقة وابتكرت استجابة لمتطلبات الكهرباء المتغيرة والتقدم التكنولوجي.

اليوم ، يستخدم المستهلكون في الولايات المتحدة الكهرباء على مدار 24 ساعة في اليوم. سواء كنا مستيقظين أو نائمين ، فإن حاجتنا للكهرباء ثابتة. يميل المستهلكون الأمريكيون إلى اعتبار مدى سهولة الحصول على الطاقة التي نحتاجها لتشغيل أجهزتنا ، والأجهزة ، والأدوات ، والآلات ، والمركبات ، وكل شيء نستخدمه ليلًا ونهارًا ، أمرًا مسلمًا به.

ومع ذلك ، فإن الانتشار السريع الحالي للسيارات الكهربائية ، على سبيل المثال ، أدى إلى زيادة الضغط على الشبكة وتحتاج إلى تلبية الطلب المتزايد على الطاقة. علاوة على ذلك ، كان التقدم التكنولوجي والنمو في سوق الطاقة المتجددة (مثل الطاقة الشمسية وطاقة الرياح وما إلى ذلك) محركًا مهمًا للطلب على تخزين الطاقة نظرًا للتأثير الكبير على الشبكة.

تكنولوجيا تخزين الطاقة

من السمات الرئيسية لقطاع الكهرباء أن مستوى الكهرباء التي يمكن توليدها ثابت لفترات زمنية قصيرة. بدلاً من ذلك ، يتقلب الطلب على الكهرباء على مدار اليوم. إن تطوير تقنيات تخزين الطاقة الكهربائية بحيث تكون متوفرة عند الحاجة يمثل تغييرًا كبيرًا في طريقة توزيع الكهرباء.

نظام تخزين الطاقة

تم تصميم أنظمة تخزين الطاقة (ESS) لإدارة مستويات الكهرباء اللازمة لتزويد العملاء بالطاقة خلال ساعات الذروة عندما يكون الطلب أكبر - مما يساعد في النهاية على تسهيل استخدام الطاقة المتجددة وحقنها في نظام التوزيع بسهولة أكبر.

سيساعد ESS أيضًا في موازنة الشبكة الصغيرة لتحقيق توازن مستقر بين التوليد والحمل. يمكن أن يوفر نظام تخزين الطاقة تنظيمًا للتردد - من الضروري الحفاظ على تردد النظام بأكمله عند 60 هرتز. هذا يحافظ على التوازن بين حمل الشبكة والطاقة المولدة. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن أن يوفر نشر ESS أيضًا مصدر طاقة أكثر موثوقية للمرافق الصناعية عالية التقنية. يحمل تخزين الطاقة وإلكترونيات الطاقة وعدًا مشجعًا لتحويل قطاع الطاقة.

إلكترونيات الطاقة عالية الجهد

تتحكم إلكترونيات الطاقة عالية الجهد ، مثل المفاتيح وأجهزة التحكم والمحولات ، في الطاقة بسرعة وبدقة لدعم النقل عبر مسافات طويلة. ستسمح هذه الأجهزة عالية الجهد للنظام بالعمل بكفاءة أكبر والاستجابة بشكل فعال للاضطرابات بشكل أسرع. التحدي الرئيسي الآخر الذي تتم معالجته هو تقليل تكلفة تكنولوجيا تخزين الطاقة وإلكترونيات الطاقة لتسريع قبول السوق.

برنامج تخزين الطاقة التابع لوزارة الطاقة

يجري برنامج تخزين الطاقة (ESP) الذي أنشأه مكتب الكهرباء التابع لوزارة الطاقة الأمريكية (OE) بحثًا وتطويرًا حول تقنيات تخزين الطاقة المختلفة. تتضمن هذه القاعدة التقنية الواسعة البطاريات (التقليدية والمتقدمة) ، والمكثفات الكهروكيميائية ، والحذافات ، وإلكترونيات الطاقة ، وأنظمة التحكم ، وأدوات البرمجيات لتحسين التخزين والتحجيم. تعمل ESP بشكل وثيق مع شركاء الصناعة - العديد من مشاريعها ذات تكلفة عالية.

يوفر برنامج تخزين الطاقة (ESP) للمرافق وإدارات الطاقة الحكومية الفرصة للتعاون في تصميم وشراء وتركيب وتشغيل منشآت التخزين الرائدة التي يصل حجمها إلى عدة ميغاوات. كما يدعم الدراسات التحليلية للأداء الفني والاقتصادي لتقنيات التخزين ، فضلاً عن التقييمات الفنية لمكونات أنظمة تخزين الطاقة وأنظمة التشغيل.

يمكن أن يوفر تخزين الطاقة المحسّن فوائد متعددة لصناعة الطاقة وعملائها المقيمين ، فضلاً عن شركات التصنيع الصناعي والمؤسسات التجارية. وستشمل هذه الفوائد تحسين جودة الطاقة والتوصيل الموثوق للطاقة للعملاء - وزيادة استقرار وموثوقية أنظمة النقل والتوزيع.

يشجع برنامج تخزين الطاقة (ESP) المرافق على تعديل المعدات الموجودة لتأجيل أو إلغاء الترقيات المكلفة - تحسين التوافر وزيادة القيمة السوقية للطاقة الموزعة. توفر المرسبات الكهروستاتيكية للمرافق والموردين قيمة أعلى لتوليد الطاقة المتجددة وتكاليف أقل من خلال زيادة السعة وتأجيل مدفوعات النقل.

يعمل المرساب الكهروستاتيكي أيضًا على زيادة كثافة تخزين الطاقة من خلال البحث في الإلكتروليتات المتقدمة لبطاريات التدفق ، وتطوير بطاريات الصوديوم منخفضة الحرارة ، والأقطاب الكهربائية النانوية ذات الأداء الكهروكيميائي المحسن. في مجال إلكترونيات الطاقة ، تتقدم الأبحاث حول المواد الجديدة عالية الجهد وعالية الطاقة وعالية التردد وذات فجوة النطاق العريض مثل كربيد السيليكون ونتريد الغاليوم. بالإضافة إلى ذلك ، يستمر البحث في أنظمة تحويل الطاقة المتقدمة التي تستخدم المغناطيسيات المتقدمة ، والمكثفات عالية الجهد ، والتغليف ، وأدوات التحكم المتقدمة لزيادة كثافة الطاقة والأداء بشكل كبير.

كوكب الطاقة

مبادرة Energy Earthshots هي مبادرة أخرى لوزارة الطاقة الأمريكية لتسريع الاختراقات إلى حلول طاقة نظيفة أكثر وفرة وبأسعار معقولة وموثوق بها في غضون عقد من الزمن. سيساعد تحقيق مبادرة Energy Earthshots الولايات المتحدة على معالجة أصعب الحواجز أمام معالجة أزمة المناخ ، وتنمية اقتصاد الطاقة النظيفة ، والانتقال بشكل أسرع إلى صافي انبعاثات الكربون بحلول عام 2050.

DOE - صور أرضية لتخزين الطاقة على المدى الطويل

حددت لقطات الأرض طويلة المدى لطاقة التخزين (LDSEE) هدفًا يتمثل في تقليل تكلفة تخزين الطاقة على نطاق الشبكة للأنظمة التي تدوم أكثر من 10 ساعات بنسبة 90 بالمائة في غضون عقد من الزمن. تخزين الطاقة لديه القدرة على تسريع إزالة الكربون بالكامل من الشبكة.

يتم حاليًا تثبيت تخزين لمدة أقصر لدعم مستويات توليد الطاقة المتجددة اليوم. مع نشر المزيد والمزيد من الطاقة المتجددة على الشبكة ، هناك حاجة إلى تقنيات تخزين أطول مدة. سيجعل التخزين الأرخص والأكثر كفاءة من الأفضل التقاط وتخزين الطاقة النظيفة المتجددة للاستخدام عندما يكون إنتاج الطاقة غير متوفر أو يكون أقل من الطلب.

على سبيل المثال ، يمكن استخدام الطاقة المتجددة مثل الطاقة الشمسية المولدة أثناء النهار في الليل عند زيادة الطلب ، أو يمكن استخدام الطاقة النووية المولدة خلال فترات انخفاض الطلب عند زيادة الطلب. ستأخذ LDSS في الاعتبار جميع أنواع التقنيات - الحاملات الكهروكيميائية والميكانيكية والحرارية والكيميائية ، أو أي مجموعة لديها القدرة على تلبية أهداف المدة والتكلفة المطلوبة لمرونة الشبكة.

أموال

تجري العديد من مكاتب وزارة الطاقة أنشطة تخزين الطاقة ، ويتضمن طلب ميزانية الرئيس للسنة المالية 2022 إجمالي 1.16 مليار دولار لهذه الأنشطة ، والتي يتم تتبعها من خلال المقطع العرضي للتحدي الكبير لتخزين الطاقة. في انتظار تمويل المنحة ، تتوقع وزارة الطاقة فرص التمويل والأنشطة الأخرى للمساعدة في تقدم التقدم نحو أهداف LDSS ، بما يتفق مع خارطة طريق التحديات الكبرى لتخزين الطاقة الخاصة بوزارة الطاقة.

تحقيق هدف صافي انبعاثات الكربون الصفرية

تعد أهداف التخزين الأرضي طويل الأجل (LDSS) أساسية لتحقيق صافي انبعاثات كربونية صفرية للشبكة بحلول عام 2035 وللاقتصاد ككل بحلول عام 2050. ويمكن أن يعزز تخزين الطاقة التحكم المحلي في نظام الطاقة ويخلق المرونة للمجتمعات التي تعيش تجربة انقطاع التيار الكهربائي المتكرر أو عدم القدرة على الوصول إلى الشبكة. سيؤدي تطوير التكنولوجيا والتصنيع لتلبية أهداف تكلفة LDSS أيضًا إلى إنشاء قطاع تصنيع منتجات ذاكرة جديد في الولايات المتحدة.

مع انخفاض تكلفة تقنيات الطاقة الشمسية وطاقة الرياح بسرعة ، ستصبح حصة متزايدة من الطاقة المتجددة المتغيرة هي القاعدة في المستقبل. يؤدي استخدام السيارات الكهربائية إلى تسريع الجهود المبذولة لإزالة الكربون من قطاع النقل.

تعد الحاجة إلى استيعاب إمداد الطاقة المتغير بينما يوفر قطاع الطاقة مخرجات غير متقطعة هدفًا يمكن تحقيقه. أظهرت الجهود المبذولة لدمج الطاقات المتجددة مثل الطاقة الشمسية وطاقة الرياح والموارد المتجددة الأخرى في قطاعات الاستخدام النهائي إمكانات كبيرة ، والأهمية الحاسمة لتخزين الكهرباء لتحقيق إزالة الكربون بعمق.

سيسمح تخزين الكهرباء على أساس البطاريات المحسنة بسرعة وتقنيات أخرى بمزيد من المرونة للنظام ، وهو أحد الأصول الرئيسية مع استمرار زيادة حصة الطاقة المتجددة المتغيرة. يمكن أن يؤدي تخزين الكهرباء إلى تمكين قطاع النقل الذي تهيمن عليه المركبات الكهربائية ، وتمكين أنظمة الطاقة الشمسية المنزلية بكفاءة {{1} ساعة خارج الشبكة ، ودعم الشبكات الصغيرة المتجددة بنسبة 100 بالمائة.

توقعات دولية

في تقرير تخزين الكهرباء والطاقة المتجددة: التكاليف والأسواق ، تحلل الوكالة الدولية للطاقة المتجددة (IRENA) التكلفة والأداء الحاليين لمجموعة من تقنيات تخزين الكهرباء في التطبيقات الثابتة ، بالإضافة إلى إمكانية خفض التكلفة وتحسين الأداء من خلال 2030 بحلول عام 2030. "

وخلص التقرير إلى أن إجمالي سعة تخزين الكهرباء يمكن أن يتضاعف ثلاث مرات من حيث الطاقة بحلول عام 2030. مع الاعتماد السريع لمصادر الطاقة المتجددة ، يجب أن يكون هذا كافيًا لمضاعفة حصة مصادر الطاقة المتجددة في مزيج الطاقة العالمي في أقل من 15 عامًا. يمكن أن يتضاعف تخزين طاقة البطارية 17- ، ويمكن أن تنخفض تكلفة تقنية تخزين البطارية بنسبة تصل إلى 66 بالمائة.

يوضح هذا البحث أن أنظمة تخزين البطاريات لديها إمكانات هائلة للنشر وخفض التكلفة. يمكن أن ينخفض ​​إجمالي تكاليف التركيب بنسبة 50٪ إلى 60٪ بحلول عام 2030 ، مع انخفاض تكاليف البطارية بدرجة أكبر. كل هذا مدفوع بتحسين مرافق التصنيع ، فضلاً عن تكوين أفضل وتقليل استخدام المواد.

تقنية نظام تخزين الطاقة

تقدم أنظمة تخزين الطاقة (ESS) مجموعة واسعة من الأساليب التكنولوجية لإدارة إمدادات الكهرباء لدينا لإنشاء بنية تحتية للطاقة أكثر مرونة وتوفير التكاليف للمرافق والمستهلكين. تتم مناقشة الأساليب المختلفة المنتشرة حاليًا حول العالم أدناه.