معايير بناء أنظمة تخزين الطاقة في الشبكات الكهربائية

شكل ارتفاع مستوى تبني مصادر الطاقة المتجددة داخل المنشأت الكهربائية تحديا جديدا بالنسبة للشبكة الكهربائية، نظرا للطبيعة المتقلِّبة للطاقة الشمسية و الريحية… وكذلك تزايد التعقيدات في الحفاظ على استقرار الشبكة و ضبط تدفق القدرة الكهربائية.

لعلاج هذه الإشكاليات، ركز الخبراء على حلول واقعية تساعد على الرفع من مرونة النظام الطاقي، أهمها أنظمة تخزين الطاقة، بحيث يتم استغلال فترات الإنتاج المفرط للطاقة المتجددة بأفضل وسيلة، و تقليل الحاجة إلى التوسيع الضخم للشبكة.

أنظمة تخزين الطاقة :

من منظور أولي، نظام تخزين الطاقة عبارة عن منظومة متكاملة تقوم باستقطاب الطاقة من مختلف المصادر الأحفورية و المتجددة و تخزينها في بطاريات قابلة للشحن وتزويد الشبكة الكهربائية بها عند الحاجة. يتكون هذا النظام من 4 مكونات رئيسية:

• طبقة التخزين الطاقي : تعد البطاريات أجهزة تيار مباشر تقونم بتخزين الطاقة الكهربائية إلى طاقة كيميائية عبر تفاعلات كهروكيميائية قابلة للعكس داخل الخلايا، ثم يُعاد تحريرها عند التفريغ. تختلف العوامل الرئيسية مثل عمر الدورة، وكثافة الطاقة، التكلفة، ومستوى تحمل تغيرات درجة الحرارة باختلاف كل نوع من أنواع البطاريات. يغطي هذه الطبقة التكلفة الأكبر في المنظومة بأكملها
• نظام إدارة البطارية : تعتبر البطارية فقط وزنا فارغا بدون الأنظمة الداعمة المرافقة لها، و أهمها نظام إدارة البطارية إذ يسمح بمراقبة و حماية خلايا البطارية ضد التشغيل الغير الطبيعي من ناحية الجهد، الحرارة و التيار، كما يوازن مستويات الشحن المتذبذبة في البطارية.
• عاكس التيار: مكون كهربائي مسؤول عن تحويل التيار المباشر إلى تيار كهربائي متناوب. ما يتيح بدوره امكانية دمج نظام البطارية مع الشبكة. يخلق هذا الربط مسار تحويل طاقي ثنائي الإتجاه.
• منظومة تحويل القدرة (PCS) : عبارة عن نظام شامل يتكون من أجهزة التحكم بالطاقة مع محوِّلات صغيرة الحجم و عدد كبير من أجهزة عكس التيار. يقوم النظام المدمج بتحويل، مراقبة و إدارة القدرة الكهربائية للشبكة من أجل تسهيل التبديل بين أنماط تشغيل البطاريات.كما يتحكم في الموازنة بين مختلف مصادر الطاقة ومستوى الأحمال في البنيات التحتية الضخمة.
• نظام إدارة الطاقة : يتحكم ويراقب تدفق الطاقة في نظام التخزين والأنظمة الأخرى. كما ينسِّق مع نظام إدارة البطاريات، عاكس التيار، والمكونات الأخرى من خلال جمع وتحليل البيانات المستخدمة لإدارة وتحسين أداء النظام بشكل عام.

تصنيف أنظمة تخزين الطاقة وأهم تطبيقاتها

تتميز هذه الأنظمة بتعدد تطبيقاتها و تفرع استعمالاتها، لذا قام المهندسون بتصنيف أنظمة تخزين الطاقة إلى ثلات أصناف رئيسية :

الصنف A : تطبيقات في أنظمة توفير القدرة الكهربائية

• عندما يتم حقن الطاقة نحو الشبكة أو امتصاص الطاقة الفائضة في فترات زمنية لا تتعدى ساعة واحدة. هذه الأنظمة مصصمة خصيصا لتوفير استجابة سريعة لتقلبات القدرة الطاقية
• يمكن تنزيل هذه الأنظمة على أرض الواقع لتحقيق الاستقرار في مستويات التردد من خلال تزويد أو امتصاص الطاقة النشطة. في حالة التقلبات الحادة مثل الشبكات المرتبطة بمصدر غير مستقر للطاقة المتجددة
• تحسين السعة الطاقية للشبكة الكهربائية

الصنف B : تطبيقات تزويد الطاقة

• توفير أو امتصاص الطاقة الكهربائية على فترات زمنية مطولة حيت يتم بشكل متدرج تخفيف مشاكل امدادات الطاقة على المدى الطويل.
• في فترات الإنتاج الفائض من الطاقة المتجددة، مثل منتصف النهار بالنسبة للطاقة الشمسية، تقوم أنظمة الصنف B بتخزين الطاقة الفائضة و إطلاقها في فترات ذروة الطلب أو في فترات انخفاض الإنتاج الطاقي.
• يساعد الأمر في تحقيق توازن أكبر في إمدادات الطاقة و اتاحة المجال لدمج مستويات عالية من الطاقة المتجددة.

الصنف C : تطبيقات احترازية …

• هذه النوعية من انظمة تخزين الطاقة مصممة خصيصا كمصدر إحتياطي تستعمل في الحالات الحرجة مثل حذوث إنقطاع مفاجئ لمصدر الكهرباء في مجال حضري واسع أو انهيار الشبكة الكهربائية…
• يوفر النظام دعم سريع في تشغيل خطوط النقل و التوزيع عن طريق حقن الطاقة بشكل أني لاستعادة استقرار النظام الطاقي ،
• إمكانية التشغيل الأسود : المساهمة في استعادة القدرة التشغيلية لأليات نقل الطاقة، و إعادة تفعيل الشبكة بشكل سلس، أو التحكم بالتردد في حالات خاصة.
• مقارنة بالمولدات الوقود الأحفوري، يعتبر نظام تخزين الطاقة الكهربائية بديلا أكثر مرونة، إذ يمكنه تزويد دفعات سريعة و عالية من الطاقة ثم الحفاظ عليها مع مرور الوقت. فالتمركز و التوصيل المناسب لهذه الأنظمة في خطوط النقل الحرجة، يُتيح لها بالقيام بالتشغيل البدئي لأليات توليد الطاقة، ما يساهم في رفع و تحسين السعة الطاقية عند تدهور الشبكة.

هندسة نظام البطاريات:

أصبحت بطاريات الليثيوم ايون الخيار المهيمن في مشاريع تخزين الطاقة نظرا لكثافة العالية لمكوناتها الكيميائية، الاستجابة الزمنية السريعة، كفائتها في الشحن و التفريع تصل 95% مع مستوى تكلفة منخفض مقارنة بالحلول الأخرى. تنبني دورة حياة البطارية على العديد من العوامل. طبيعة الأحمال، مستوى الحرارة في غرفة البطارية، غياب الضعط المفرط و غيرها…

عند تصميم و اختيار نظام لتخزين الطاقة الكهربائية في الشبكة، يتعامل مدير المشروع مع متخصصي البطاريات و الذي بدورهم يقومون بعملية اختبار حزمة البطارية المناسبة للنظام حسب السياق. من خلال بناء ملف عملي للنظام مع برنامج تقديري لدورات الشحن و التفريغ.

لضمان تصميم نظام تخزين طاقة البطاريات بكفاءة، يجب تحديد كل من القدرة الكهربائية بالميغاواط (MW) أو الكيلوواط (kW)، والطاقة الكهربائية بالميغاواط ساعة (MWh) أو الكيلوواط ساعة (kWh).

عادةً ما تكون نسبة القدرة إلى الطاقة الكهربائية أعلى في الحالات التي تتطلب تفريغ كمية كبيرة من الطاقة خلال فترة زمنية قصيرة، كما هو الحال في تطبيقات تنظيم التردد. مع ذلك، ولأغراض التسعير، يُعتمد عادةً على الطاقة الكهربائية كمعيار.

معدل C للبطارية هو معدل شحنها أو تفريغها بالكامل. على سبيل المثال، الشحن بمعدل C يساوي 1C يعني شحن البطارية من 0 إلى 100% أو تفريغها من 100% إلى 0% خلال ساعة واحدة.

معدل C أعلى من 1C يعني شحنًا أو تفريغًا أسرع، على سبيل المثال، معدل 2C أسرع بمرتين (30 دقيقة للشحن أو التفريغ الكامل). وبالمثل، معدل C أقل يعني شحنًا أو تفريغًا أبطأ، على سبيل المثال، معدل C يساوي 0.25 يعني شحنًا أو تفريغًا يستغرق 4 ساعات.

تقسيم البطاريات:

يمتلك الموردون تسمية مختلفة حسب طريقة التصميم، بشكل عام، البطارية عبارة عن مجموعة خلايا بطاريات الليثيوم أيون. تولد التفاعلات الكهروكيميائية داحل هذه الخلايا مستوى جهد يتراوح بين 2.2 و 4.4 فولت كحذ أقصى لمستوى الشحن.
يتم تركيب هذه الخلايا على التوالي لتكوين وحدة دات قدرة أكبر. هذا الأمر يختلف بين الانظمة حسب طبيعة استعمالها. لكن يتراوح الجهذ المتداول لكل وحدة نحو 50 فولت. تربط هذه الوحدات في ما بعضها لتكون حزم كاملة من البطاريات قابلة للدمج مع الشبكة الكهربائية إما في حاويات متنقلة أو في مستودعات خاصة.

بنية نظام إدارة البطارية:

أصبحت سلسلة توريد أنظمة إدارة البطاريات (BMS) أكثر تعقيدًا مع دمج العديد منها مع مستشعرات البطاريات وحتى الخلايا. غالبًا، عند شراء أو التعاقد على توريد وحدات البطاريات، يضاف إليه نظام إدارة البطاريات كخيار متكامل. كما أن العديد من من هذه الأنظمة لها نفس المورِّد والأجهزة المستخدمة في عاكس التيار .في السوق الحالية، ليس من الممكن عادةً استبدال نظام إدارة البطاريات بآخر غير مُقدَّم من قِبَل مُورِّد نظام تخزين الطاقة بالبطاريات (BESS).

تشمل منظومة إدارة البطارية على الوظائف التالية:

• مراقبة الجهد، التيار و درجة الحرارة : تمكّن هذه المعلومات من تنفيذ إجراءات مثل التحكم في عمليات الشحن والتفريغ، وإدارة الظروف الحرارية، واكتشاف الأعطال وعزلها، وتنظيم تردد الشبكة وجهودها، وموازنة الأحمال لضمان الأداء المستقر والسليم لنظام تخزين الطاقة.
• تقدير حالة الشحن و الحالة الصحية : تتواجد تقنيات متعددة لتقدير هذين القيمتين نظرا لكونهما أحد الجوانب الأكثر حساسية في أنظمة تخزين الطاقة ، من بين التقنيات المتداولة، نجد مرشحات كالمان، عداد كولوم و الخورزميات الحديثة المبنية على التعلم الألي و الشبكات العصبية…
• موازنة الخلايا الطاقية : تخلق الفوارق بين قيم السعة و درجات الحرارة في حزمات البطارية إلى العديد من المشاكل مثل : الاستغلال الغير المتساوي للخلايا الطاقية، الشحن المفرط أو التفريغ العميق لبعض الخلايا… ما يستدعي الأمر تبني تقنيات موازنة إما سلبية أو نشطة تقوم بثتبيت مستويات الشحن بين كل الحزم لتجنب التدهور المبكر للمنظومة و تحسين استقرار الكهروكيميائي للبطارية.
• اكتشاف الأعطال : دمج خوارزميات التحكم بأجهزة الحماية من أجل قطع التيار أو عزل الخطأ الكهربائي عند التعرض للعطب في نظام البطارية.

اعتبارات السلامة في تصميم البطارية:

قد تشكل عملية إدارة البطارية من أهم الأولويات بالنسبة لأنظمة تخزين الطاقة. لكن هناك جانب مهم يتعلق بمخاطر السلامة إذ لم يتم التعامل معها في مرحلة التصميم قد تسبب خسائر ضخمة من ناحية البئية التحتية و الموارد الطاقية. يمكن لنظام تخزين الطاقة أن يتعرض لعدة مخاطر من أهمها:

• التسارع الحراري المؤدي إلى اشتعال الحريق.
• الإنفجار نتيجة تراكم الضغط أو الغازات المشتعلة.
• فقدان التوازن الحراري و تدهور البطارية.

من خلال تحديد وفهم نقاط الضعف المحتملة في مختلف مكونات نظام تخزين الطاقة، يمكن تخطيط اجراءات احترازية لجنب مخاطر تعرض البطاريات للتسارع الحراري و اشتعال الحريق:

• العزل الكهربائي المتقدم : استخدام مواد عازلة مثل السيراميك لفصل خلايا البطاريات.
• انظمة التبريد : وضع مسارات تدوير الهواء أو تدوير السوائل في البطاريات لتحقيق التوازن الحراري.
• اجراءات الحماية ضد الأعطاب الكهربائية: تركيب أحهزة الحماية مخصصة لتجنب ثأتيرات الشحن الزائد، انخفاض الجهد، أو ارتفاع التيار.

من ناحية أخرى، نجد غرفة البطارية أيضا هي الأخرى يجب أخدها بالإعتبار إذ تشكل المحيط التي تحمي الوحدات الطاقية من التأثر بالعوامل البيئية أو التعرض للحرائق. في عملية التصميم، يتم استخدام تحليل حوسبي (CFD) لديناميكية توزيع الحرارة و الدخان و بناء عليه تتخد القرارا اللازمة و التي كالأتي :

• تحديد الموقع المناسب : تتطلب منشآت أنظمة تخزين الطاقة بالبطاريات، وخاصةً الأنظمة واسعة النطاق المعبأة في حاويات، تخطيطًا مسبقًا للإخلاء ومناطق العزل. تُنتج حرائق بطاريات الليثيوم أيون غازات سامة وقابلة للاشتعال، ويبقى خطر إعادة الاشتعال قائمًا حتى بعد إخماد الحريق. لذت يجب أن تتضمن مخططات المواقع مسافات أمان، ومسارات وصول للطوارئ، وبروتوكولات تنسيق مع إدارات الإطفاء المحلية.
• وضع نظام التهوية و مقاومة الحرائق :  مع منافذ لتفريغ الضغط، يفرض الامتثال لإرشادات الرابطة الوطنية للحماية من الحرائق (NFPA) 855 وجود خطط استجابة موثقة للطوارئ وتواصل واضح بشأن المخاطر. بدون تخطيط إخلاء منظم، حتى العطل الذي يمكن احتواؤه تقنيًا يتحول إلى أزمة تتعلق بسلامة الأفراد.
• تركيب اجهزة المراقبة البيئية : مستشعرات لـ CO، H2، ودرجة الحرارة، متصلة بنظام إنذار تلقائي للتعامل مع المشاكل المختملة بسرعة و تجنب الوصول إلى حالات خطرة.

توصيل الشبكة بنظام تخزين الطاقة:

يتم اختيار نقاط التوصيل في المراحل المبكرة من التصميم، إذ يمكن تقسيم نظام تخزين الطاقة إلى عدة وحدات لربطها في مختلف النقاط في الشبكة. تسمح هذه العملية بالتشغيل المستقل لمختلف أجزاء منظومة تخزين الطاقة. و توفير التعدد في التصميم. هنالك نوعين من طرق التوصيل خطوط التيار المباشر لنظام تخزين الطاقة بالشبكة الكهربائية

التوصيل المباشر:

يربط نظام التخزين مباشرة مع خط التيار المباشر للمحول الطاقي، لتقليل مراحل التحويل و خفض الخسائر الطاقية. هذه البساطة تأتي بثمن، إذ توفر عزل محدود للجهد، قيود أكبر لجهد البطاريات، عزل الأخطاء منخفض ما يشكل تحديات أكبر في موافقة قواعد الشبكة في حالات التشغيل الغير الطبيعية

التوصيل الغير المباشر :

تتم تركيب محول DC to DC بين البطارية و خط التيار المباشر، يساعد هذا المكون في تثبيت مستوى الجهد و تحقيق العزل الكهربائي.

رغم أن هذه البنية تزيد من كلفة و تعقيد النظام و  ترفع من نسبة الخسائر الطاقية الناتجة عن عمليات التحويل، غير أنها توفر استقرار و مرونة عالية خاصة بالنسبة للشبكات الضخمة، و التطبيقات التي تتطلب توافق صارم مع معايير الشبكة.

من الضروري اتخاد قرار اعتماد هذه النوعية من التوصيل مبكرا . إذا ما كان نظام التخزين سيربط بنقط توصيل منخفضة أو متوسطة الجهد. لايجب أن تتجاوز جهد غالبية البطاريات 1500 فولت. حيت أن تجاوز هذا الحد سيضعها في مجال الأنظمة عالية الجهد  ما يعني ارتفاع عدد المعدات المطلوبة و تزايد مستلزمات التشغيل. كما يصعب الحصول على أجهزة تبديل التيار المباشر الخاصة عند الوصول لهذا المسنوى من الجهد.

عند توصيل نظام التخزين لشبكة منخفضة الجهد، يتصرف النظام كمولد، رغم أن كون مسار الطاقة ثنائي الإتجاه. فحسب إعدادات نظام تبديل التيار المتناوب، يمكن توصيل نظام التخزين مباشرة في الشبكة قبل أن يقوم نظام التبديل بالمزامنة في مستويات الجهد.

أما بالنسبة للشبكة متوسطة الجهد، يصبح من الضروري وضع محول كهربائي لخلق واجهة بين نظام منخفض الجهد مع الشبكة. أيضا، يفضل اعتماد محول العزل عند التوصيل المباشر منخفض الجهد.

يعتبر هذا النوع من التوصيل أكثر تعقيدا حيت توجد العديد من الشروط المتطلَب تحقيقها :

• إذا ما كان نظام التخزين سوف يزود المحول الكهربائي بالطاقة عند التوصيل ؟
• كيف يمكن تحقيق مزامنة في التردد و الجهد؟
• الإعدادات  المطلوبة للمحول الكهربائي لضمان اتصال نظام التخزين لكافة نقاط تشغيل الشبكة متوسطة الجهد؟

على أرض الواقع، يفضل أغلب مزودي أنظمة تخزين الطاقة بنية التوصيل الغير المباشر نظرا لكون المنافع المكتسبة تحمل ثقلا أكبر من التكلفة المطلوبة.

اعتبارات تشغيل نظام تخزين الطاقة

الإعداد القبلي:

الاعداد القبلي لأي نظام طاقي ليست عملية ثانوية، بل هي انتقال متحكم فيه يضمن أن نظام تخزين الطاقة جاهز من مختلف النواحي قبل الدخول في مرحلة الخدمة. من بين أهم الإجراءات المتبعة في هذا المسار :

1. 1. أولا، التشغيل البدئي و المتدرج لخط التيار المباشر تجنباً لصخ مستوى عالي من التيار
   2. التحقق من قيم المقاومة الداخلية و استقرار حرارة البطارية في الحدود المسموحة من قبل المصنع.
   3. معايرة و التحقق مستويات الجهد، التردد و إعدادات الحماية لنظام إدارة البطارية قبل التشغيل احتراما لمعايير التوصيل الكهربائي مثل IEEE 1547

الأحداث الحرارية :

1. 1. رغم الإجراءات السلامة المتخدة في عملية التصميم، هنالك احتمال و لو ضئيل لظهور خطر التسارع الحراري (Thermal runaway).
   2. بعد أي حدث حراري غير طبيعي، حتى لو كان ارتفاعًا موضعيًا في درجة الحرارة، يجب عزل الوحدات وفحصها للتأكد من عدم وجود انتفاخ في الخلايا، أو بقايا تهوية، أو تغير في لون قضبان التوصيل.
   3. تحدد معايير مثل NFPA 855 وأطر الاختبار من UL (UL 9540A) إجراءات تقييم انتشار الحريق وإجراءات التقييم بعد الحادث. إن تجاهل الشذوذات الحرارية الطفيفة هو ما يؤدي إلى تفاقم العيوب الصغيرة لتصبح أعطالًا على مستوى الحاوية.

تغيير إعدادات التحكم عند تقادم البطارية :

1. 1. مع التقادم (بعد 5 و 7 سنوات)، تنخفض سعة البطارية بنسبة تقارب 20 في المئة. يؤدي هذا إلى تغيير المقاومة الداخلية والسعة والخصائص الحرارية للبطارية . وتصبح معايير التحكم التي تم ضبطها أثناء التشغيل غير دقيقة بمرور الوقت.
   2. لذا، يجب إعادة معايرة حدود تيار الشحن/التفريغ، وعتبات الجهد، وخوارزميات تقدير حالة الشحن (SoC) بشكل دوري باستخدام قياسات محدثة للمقاومة والسعة. إذ يؤدي عدم تعديل معايير التحكم إلى تسريع التدهور وزيادة عدم التوازن بين الوحدات.
   3. تدمج منصات إدارة البطاريات المتقدمة خوارزميات تكيفية ونماذج تعتمد على البيانات، وغالبًا ما تتوافق مع إرشادات دورة الحياة في سلسلة معايير اللجنة الكهروتقنية الدولية IEC 62933. وتُعد إعدادات التحكم الثابتة في نظام تقادم ديناميكي عيبًا في التصميم.

إيقاف تشغيل البطارية :

1. 1. إيقاف تشغيل البطارية ليس مجرد “إيقاف” للنظام، بل هو عملية فصل طاقة مُتحكَّم بها. تتضمن هذه العملية عادةً خفض مخرجات عاكس التيار تدريجيًا إلى الصفر، وفتح قواطع التيار المتردد، وتفريغ مكثفات وصلة التيار المستمر بأمان، وعزل سلاسل البطاريات، والتحقق من حالة الطاقة الصفرية قبل الوصول للصيانة.
   2. تُشكل الشحنة المتبقية في المكثفات والسلاسل المتوازية مخاطر صدمات كهربائية حقيقية إذا لم تتم إدارتها بشكل صحيح. يجب تطبيق إجراءات العزل والتحذير (LOTO) والتحقق من العزل قبل أي تدخل بشري.
   3. في منشآت أنظمة تخزين الطاقة بالبطاريات الكبيرة، يُعد تسلسل الإيقاف غير الصحيح أحد أكثر المخاطر التشغيلية التي يتم التقليل من شأنها.

المراجع :

• https://electrical-engineering-portal.com/problems-modern-distribution-systems-distributed-energy-resources-ders
• https://electrical-engineering-portal.com/design-engineering-battery-energy-storage-systems-sizing-selection-operation
• https://electrical-engineering-portal.com/download-center/books-and-guides/electrical-engineering/battery-energy-storage-system-bess-projects
• https://www.energy.gov/sites/default/files/2025-01/BESSIE_supply-chain-battery-report_111124_OPENRELEASE_SJ_1.pdf
• NREL Technical Reports on BESS power conversion architectures and DC coupling strategies