چرا به سیستم های ذخیره سازی انرژی نیاز داریم؟

شبکه برق سیستم پیچیده‌ای است که در هر لحظه باید عرضه و تقاضای برابری در آن وجود داشته باشد. شبکه باید این توان را داشته باشد که بر اساس تغییراتی که در میزان تقاضا به وجود می‌آید، میزان عرضه‌ی خود را تغییر دهد. این تغییرات تقاضا ممکن است از الگوهایی قابل پیش‌بینی بر اساس رفتار انسان‌ها پیروی کنند یا اینکه دلایلی غیرقابل پیش‌بینی مانند خرابی تجهیزات، داشته باشند. ذخیره‌سازی انرژی نقش مهمی در ایجاد توازن در شبکه‌ی توزیع برق دارد و کمک می‌کند که شبکه‌ای انعطاف‌پذیرتر و قابل اعتمادتر داشته باشیم.

سیستم ذخیره سازی انرژی چیست؟

عملکرد سیستم‌های ذخیره‌سازی به این صورت است که در زمان‌هایی که میزان عرضه برق بیشتر از تقاضا است، مازاد تولید را ذخیره می‌کنند و در زمانی که میزان تقاضا از عرضه بیشتر می‌شود، برق ذخیره شده‌ی خود را برای ایجاد تعادل در شبکه عرضه می‌کنند.

پمپ کردن آب به پشت سد در نیروگاه‌های تلمبه ذخیره‌ای یکی از این روش‌ها است که سال‌ها است مورد استفاده قرار می‌گیرد. در این روش از ظرفیت اضافی شبکه برای پمپ کردن آب به پشت سد استفاده می‌شود تا در هنگام نیاز این آب توربین‌ها را به حرکت درآورد و به تامین برق در شبکه کمک کند. با ظهور تکنولوژی‌های جدید ذخیره‌سازی انرژی و حرکت جهان به سمت انرژی‌های تجدیدپذیر که نیاز به ذخیره‌سازی را جدی‌تر می‌کند، نقش کسب‌وکارهای نوآور این حوزه نیز پررنگ‌تر خواهد شد.

آشنایی با شبکه‌ی هوشمند توزیع برق

مزایای ذخیره‌ سازی انرژی

چون برخی از منابع انرژی تجدیدپذیر مانند خورشیدی و بادی خروجی متغیری دارند، نیاز است که از تکنولوژی‌های ذخیره‌سازی برای تعدیل تناوب ناشی از استفاده‌ی این منابع استفاده شود تا تولید و تقاضا مقدار برابری داشته باشند.

سرعت واکنش بالا نیز مزیت دیگر ذخیره‌سازی انرژی است.بیشتر تکنولوژی‌های ذخیره‌سازی می‌توانند انرژی خود را با سرعت بسیار بالایی به شبکه تزریق کنند در حالی که این امر برای سوخت‌های فسیلی زمان‌بر است. این سرعت واکنش بالا برای حصول اطمینان از ثبات شبکه در زمان وقوع افزایش تقاضای پیش‌بینی نشده، مورد نیاز است.

در برخی موارد طراحی شبکه‌ی توزیع به شکلی است که سطوح دسترسی مختلفی در آن‌ها وجود دارد. به طور مثال ممکن است طوری طراحی شده باشند که تامین برق در مناطق شهری نسبت به روستاها و دیگر مناطق حاشیه‌ای اولویت داشته باشد. همچنین ممکن است برخی مناطق شبکه‌ی محلی داشته باشند و به شبکه‌ی سراسری توزیع برق متصل نباشد، در چنین مواردی نوسانات تاثیر بیشتری بر دسترسی به برق می‌گذارند لذا وجود سیستم‌های ذخیره‌سازی اهمیت بیشتری پیدا می‌کند و می‌تواند از آسیب‌های ناشی از نوسانات برق و یا قطعی آن جلوگیری کند.

تکنولوژی‌های ذخیره سازی انرژی

تکنولوژی‌های مختلف ذخیره‌سازی انرژی با فعالیت در سطوح مختلف شبکه‌ی توزیع، ثبات شبکه در تامین برق مورد نیاز مصرف‌کنندگان را فراهم می‌کنند.

ذخیره‌سازی گرمایی

ذخیره‌ سازی انرژی گرمایی برای تولید برق از خورشید، حتی در زمانی که خورشید نمی‌تابد، استفاده می‌شود. در این روش تابش خورشید در یک نقطه متمرکز می‌شود و از حرارت حاصل برای ذخیره کردن انرژی به صورت گرما در آب، نمک‌های مذاب یا مایعات استفاده می‌شود. این انرژی ذخیره شده بعدا برای تولید برق استفاده می‌شود و زمینه استفاده از انرژی خورشیدی حتی در زمانی که تابشی وجود ندارد را فراهم می‌کند.

تکنولوژی‌های ذخیره‌سازی گرمایی علاوه بر استفاده در لایه مدیریت شبکه، در اختیار مصرف کنندگان نهایی نیز قرار دارند. یکی از روش‌هایی که مورد استفاده قرار می‌گیرد، منجمدکردن آب در شب و هنگامی است که مصرف برق در حالت حداقلی قرار دارد. می‌توان از این انرژی که به صورت سرما در یخ ذخیره شده است در روز و هنگامی که تقاضای شبکه بالاست برای سرمایش هوا استفاده کرد و بدین صورت از مصرف برق تجهیزات سرمایشی جلوگیری کرد.

از جمله شرکت‌هایی که از این روش استفاده می‌کند می‌توان به Ice Bear اشاره کرد. سیستم توسعه داده شده توسط این شرکت در شب قطعاتی از یخ را می‌سازد و در روز از این قطعات برای فرآیند متراکم‌سازی در سیستم‌های سرمایش استفاده می‌کند. با این روش مصرف برق ساختمان به زمان کم‌باری شبکه منتقل می‌شود و هزینه کمتری را به دنبال خواهد داشت.

معرفی استارتاپ های برتر دنیا در حوزه توزیع و مصرف انرژی

هوای فشرده

ذخیره‌ سازی انرژی در هوای فشرده به عنوان یک روش ذخیره تولید انرژی کاربرد دارد چنانکه از هوای فشرده شده در این تکنولوژی برای بهبود عملکرد توربین‌های گازی تولید برق، استفاده می‌شود.

سیستم‌های هوای فشرده در زمان پایین بودن مصرف از برق برای فشرده کردن هوا استفاده می‌کنند و این هوای فشرده شده را در مخازن زیرزمینی ذخیره می‌کنند. در زمان پیک مصرف این هوا از مخازن خارج شده و در توربین‌های حرارتی به همراه گاز طبیعی می‌سوزد تا برق تولید شود. نکته مهم این است که استفاده از این روش میزان مصرف گاز طبیعی در فرآیند تولید برق را به یک سوم می‌رساند و از این طریق صرفه‌جویی ایجاد می‌کند. چون این تکنولوژی نیازمند فضایی برای ذخیره در زیرزمین است از لحاظ دسترسی مکانی برای ایجاد با محدودیت مواجه است. در حال حاضر دو نیروگاه به کمک این تکنولوژی فعالیت می‌کنند که یکی در شهر Huntorf آلمان و دیگری در شهر MacIntosh ایالت آلاباما در آمریکا واقع شده است.

هیدروژن

هیدورژن می‌تواند به عنوان یک روش تولید انرژی که تولید کربن نمی‌کند، مورد استفاده قرار بگیرد. می‌توان از برق مازاد برای تولید هیدوژن استفاده کرد و سپس آن را ذخیره کرد تا بعدا در سلول‌های سوختی، موتورها و توربین‌های گازی برای تولید برق مورد استفاده قرار بگیرد.

ذخیره‌سازی با پمپاژ آب

خیلی از نیروگاه‌های برق آبی از مخازنی در دو ارتفاع مختلف استفاده می‌کنند. این نیروگاه‌ها انرژی را از طریق پمپ کردن آب از سطح پایین به سطح بالاتر در زمانی که برق مازاد وجود دارد، ذخیره می‌کنند. هنگامی که نیاز به تولید برق وجود داشته باشد، آب از سطح بالاتر آزاد می‌شود و در مسیر خود به سطح پایین‌تر با به حرکت درآوردن توربین‌ها برق تولید می‌کند.

در حال حاضر این روش بیشترین استفاده را برای ذخیره‌سازی انرژی دارد چنانکه در ایالات متحده آمریکا ظرفیتی ۲۲ گیگاواتی برای ذخیره‌سازی انرژی از این طریق ایجاد شده است. البته پایین بودن سرعت فرآیند انتقال از سطح پایینی به سطح بالایی و هزینه بالای استفاده از این روش، باعث شده میل به استفاده از آن کمتر شود.

چرخ طیار

چرخ طیار از طریق ذخیره‌سازی انرژی به صورت یک جرم چرخان، مزایای مختلفی را در شبکه‌ی توزیع به وجود می‌آورد. این دستگاه به شکل یک استوانه ساخته می‌شود و در درون آن یک روتور وجود دارن که پیرامونش خلأ است. در زمانی که مصرف برق پایین است، چرخ طیار از شبکه انرژی می‌گیرد تا به چرخش درآید، در زمانی که مصرف بالا است، روتور وارد حالت تولید می‌شود و رفته رفته سرعت خود را از دست می‌دهد و انرژی که در خود ذخیره کرده است را به شبکه برمی‌گرداند.

چرخ طیار معمولا طول عمر بالایی دارد و نیاز به نگهداری کمی دارد. بهره‌وری و سرعت واکنش بالا از دیگر ویژگی‌های این دستگاه است. با توجه به اینکه می‌توانند هر جایی از شبکه قرار بگیرند، این امکان را دارند که در نزدیک‌ترین نقاط به مصرف کننده نهایی قرار بگیرند و برق مورد نیاز ایشان را تامین کنند.

با توجه به اینکه هر چرخ طیار ظرفیت ذخیره سازی تا چندین کیلووات را داراست، کنار هم قرار دادن آن‌ها در کنار یکدیگر در قالب یک مزرعه چرخ طیار می‌تواند ظرفیتی در حد چندین مگاوات را ایجاد کند. بزرگترین مزرعه چرخ طیار با عنوان Stephentown Flywheel Energy Storage Plant در نیویورک قرار دارد و ظرفیتی برابر با ۲۰ مگاوات را داراست.

باتری

باتری‌ها نظیر آنچه در چراغ قوه یا تلفن همره استفاده می‌شود، می‌تواند برای ذخیره‌سازی انرژی در مقیاس بزرگ هم کاربرد داشته باشد.

انواع مختلفی از باتری وجود دارد که ظرفیت ذخیره انرژی در مقیاس کلان را دارند. از این دست می‌توان به باتری سودیم-سولفور، لیتیوم-یون و بارتی اسیدی اشاره کرد. مجموعه‌های ذخیره‌سازی حاصل از استفاده این باتری ها ظرفیتی تا چندین مگاوات را فراهم می‌کند چنانکه تا کنون نمونه هایی با ظرفیت حدود ۵۰ مگاوات ایجاد شده است.پیشرفت در تکنولوژی باتری بیشتر به دلیل توسعه‌ی ماشین‌های الکتریکی رخ داده است.

برای اینکه ماشین‌های الکتریکی صرفه اقتصادی داشته باشند، لازم است که هزینه‌های مربوط به ساخت باتری کاهش یابد و از طرف دیگر امکان مسافرت‌های طولانی به کمک باتری‌هایی که ظرفیت بالایی دارند، فراهم شود. موضوع دیگری در خصوص باتری‌های مورد استفاده در خودروهای الکتریکی مطرح است، امکان تزریق انرژی ذخیره شده در این باتری‌ها به شبکه در اوقات پیک مصرف است.

در واقع با زمان‌صحیح این باتری‌ها می‌توان انتظار داشت که علاوه بر ایجاد امکان مسافرت برای مصرف‌کننده، شبکه هم بتواند از انرژی ذخیره شده در این باتری‌ها برای ایجاد تعادل در پیک مصرف استفاده کند.

آینده‌ی ذخیره‌سازی انرژی

همزمان با پژوهش و آزمایش تکنولوژی‌های جدید ذخیره‌سازی انرژی، موانعی بر سر راه تجاری شدن این تکنولوژی‌ها وجود دارد. اول این که ذخیره‌سازی انرژی گران است، به خصوص اگر سیاست‌هایی برای حمایت از آن و با نگاه به مزایایی که در شبکه به وجود می‌آورد، در جریان نباشد.

یک چالش دیگر این است که جایگاه ذخیره‌سازی در شبکه وقتی قابل احساس است که از انرژی‌های تجدیدپذیر متغیر استفاده می‌شود، در حال حاضر که بخش عمده‌ای از انرژی از طریق سوخت‌های فسیلی تامین می‌شود، نیاز به تکنولوژی ذخیره‌سازی کمتر احساس می‌شود و وقتی نیازی وجود نداشته باشد، هر گونه هزینه‌ای غیرمنطقی خواهد بود لذا نیاز است که با دیدی بلند مدت به این تکنولوژی نگاه شود و کاربردهای آن در آینده‌ای نزدیک که بیشتر برق شبکه از طریق انرژی‌های تجدیدپذیر تامین می‌شود، مدنظر قرار بگیرد.

اما مهمترین چالش در این حوزه ظرفیت‌های نسبتا پایین ذخیره‌سازی است. بجز پمپ کردن آب که ظرفیت خوبی برای ذخیره‌سازی ایجاد می‌کند، دیگر روش‌ها توان چندانی برای ذخیره‌سازی ندارند لذا همچنان نیاز به تحقیق و توسعه این تکنولوژی‌ها وجود دارد.

با وجود موانع موجود، راهکارهای مختلفی برای بسط این تکنولوژی قابل پیگیری است. مثلا در آمریکا شیوه قیمت‌گذاری خدمات به شکلی است که مجموعه‌های ذخیره‌سازی انرژی متناسب با سرعتی که در واکنش به نوسانات برق دارند و کمکی که به حفظ ثبات شبکه می‌کنند، مبلغ بیشتری به ازای برق تحویلی خود به شبکه، نسبت به دیگران، دریافت می‌کنند.

با همه‌ی موانع موجود، تکنولوژی ذخیره‌سازی انرژی با حمایت دولت‌ها و صنایع توسعه و گسترش خواهد یافت تا استفاده از انرژی‌های تجدیدپذیر در شبکه برق را تسهیل کند و شبکه‌ی برق هوشمند و پاک آینده را در باثبات‌ترین حالت ممکن قرار دهد. مسیر دستیابی به این آینده، فرصت‌های زیادی برای ایجاد و رشد کسب‌وکارها را به همراه دارد.