چرا برای پذیرش انرژی های تجدیدپذیر به ذخیره انرژی نیاز داریم؟

از نیمه دوم سال 2020، اقتصادهای بزرگ در سراسر جهان اهداف بلندمدت بی طرفی کربن را پیشنهاد کرده اند و کاهش انتشار به یک اجماع جهانی تبدیل شده است.

چگونه می توانیم انتشار گازهای گلخانه ای را به طور خاص کاهش دهیم؟

طبق آمار آژانس بین‌المللی انرژی (IEA)، در سال 2019، انرژی‌های فسیلی سنتی مانند نفت، زغال‌سنگ و گاز طبیعی همچنان 85 درصد از مصرف انرژی اولیه جهانی را تشکیل می‌دهند و انرژی‌های تجدیدپذیر تنها 10 درصد را به خود اختصاص داده‌اند. بنابراین، برای دستیابی به اهداف بلند مدت انتشار کربن و کاهش، انتقال انرژی تنها راه برای همه اقتصادها است.

چگونه انتقال انرژی را درک کنیم؟

از زغال سنگ کمتر و گاز کمتر استفاده کنید، اما از انرژی های تجدیدپذیر بیشتر استفاده کنید که به معنای برق بیشتر است.

در این فرآیند، با افزایش تدریجی برق‌رسانی جهانی، ذخیره‌سازی انرژی نقش مهمی در سیستم قدرت خواهد داشت. برخلاف منابع سنتی انرژی فسیلی مانند نفت و زغال سنگ، تولید و مصرف برق باید همزمان انجام شود و انرژی را نمی توان مستقیماً به شکل انرژی الکتریکی ذخیره کرد. بنابراین، زمانی که خروجی تولید برق با بار الکتریکی مطابقت نداشته باشد، پایداری سیستم قدرت با چالش هایی مواجه خواهد شد. در این زمان، سیستم ذخیره انرژی (ESS) نیاز به تنظیم سیستم قدرت با شارژ یا دشارژ دارد.

Power System (منبع: Essence Securities) 

I. تعریف و طبقه بندی ذخیره انرژی 

ذخيره انرژي به ذخيره انرژي الكتريكي اطلاق مي شود كه تكنولوژي و اندازه گيري مرتبطي است كه از ابزارهاي شيميايي يا فيزيكي براي ذخيره انرژي الكتريكي و آزاد كردن آن در صورت نياز استفاده مي كند.

با توجه به روش ذخیره سازی، ذخیره انرژی را می توان به ذخیره انرژی مکانیکی، الکترومغناطیسی، الکتروشیمیایی، حرارتی و شیمیایی تقسیم کرد.

در این میان، ذخیره سازی پمپی ذخیره انرژی مکانیکی بالغ ترین سیستم در کاربردهای تجاری فعلی است که عموماً در انرژی حرارتی و انرژی هسته ای استفاده می شود. اصل کار ذخیره سازی پمپ شده بسیار ساده است. عبارت است از پمپاژ آب از یک مکان پست به یک مکان مرتفع و ذخیره آن و سپس رهاسازی آب برای تولید برق در صورت نیاز.

ذخیره سازی پمپ شده (تصویر: Drax)

ذخیره انرژی الکتروشیمیایی که توسط باتری‌های لیتیوم یون (LIBs) و باتری‌های سرب اسید نشان داده می‌شود، در مرحله نمایش و استقرار است. با این حال، ذخیره انرژی الکتروشیمیایی پتانسیل زیادی برای کاربرد بالای آن برای تولید برق فتوولتائیک (PV) و باد دارد.

سایر ESSها هنوز در حال تحقیق و توسعه هستند و هنوز صنعتی نشده اند، مانند ذخیره سازی انرژی هوای فشرده و چرخ طیار ذخیره انرژی مکانیکی، ابررسانا و ابرخازن ذخیره انرژی الکترومغناطیسی و شیمیایی.

سیستم ذخیره انرژی 

II.داده‌های بازار ذخیره‌سازی انرژی در سال 2020 

ذخیره سازی پمپی بیشترین سهم را به خود اختصاص داده است در حالی که ذخیره انرژی الکتروشیمیایی به سرعت در حال افزایش است

بر اساس گزارش اتحادیه ذخیره‌سازی انرژی چین (CNESA)، تا پایان سال 2020، ظرفیت انباشته ذخیره‌سازی انرژی جهانی با افزایش 3.4 درصدی سالانه به 191.1 گیگاوات رسید.

در بازار جهانی ذخیره‌سازی انرژی، ظرفیت نصب شده انباشته ذخیره‌سازی پمپ شده با 90.3 درصد، پس از آن ذخیره‌سازی انرژی الکتروشیمیایی با 7.5 درصد، بزرگترین است. ظرفیت نصب شده ذخیره گرمای نمک مذاب 1.8٪ است در حالی که ذخیره انرژی هوای فشرده و ذخیره انرژی چرخ فلایویل هر دو کمتر از 1٪ را تشکیل می دهند.

ذخیره سازی انرژی الکتروشیمیایی پرکاربردترین فناوری با بیشترین پتانسیل توسعه است. بنابراین، توسعه جهانی فعلی فناوری ذخیره‌سازی انرژی عمدتاً در زمینه ذخیره‌سازی انرژی الکتروشیمیایی متمرکز است. تا پایان سال 2020، ظرفیت انباشته ذخیره‌سازی انرژی الکتروشیمیایی با رشد سالانه 49.6 درصدی به 14.2 گیگاوات رسید. در میان آنها، ظرفیت نصب شده تجمعی باتری های لیتیوم یونی بزرگترین است و به 13.1 گیگاوات می رسد.

ظرفیت نصب شده تجمعی بازار جهانی ذخیره انرژی (منبع: CNESA)

همانطور که در داده های بالا نشان داده شده است، ذخیره سازی پمپ شده در حال حاضر اکثریت بازار را به خود اختصاص داده است و ذخیره انرژی LIB در رتبه دوم قرار دارد. سایر فناوری‌های ذخیره‌سازی انرژی به دلایل مختلف از جمله هزینه بالا، راندمان پایین، سناریوهای کاربرد محدود، تلفات زیاد خود تخلیه، سهم کمی در بازار ذخیره‌سازی انرژی دارند. بنابراین، موارد زیر بر مقایسه مزایا و معایب بین ذخیره‌سازی پمپی و ذخیره‌سازی انرژی LIB تمرکز می‌کنند و توضیح می‌دهند که چرا ذخیره‌سازی انرژی LIB پتانسیل بالایی در آینده دارد.

III. ذخیره انرژی LIB – پتانسیل عالی

ذخیره‌سازی پمپی دارای مزایای غیرقابل مقایسه زیادی نسبت به سایر فناوری‌های ذخیره‌سازی انرژی است. به عنوان یک فناوری 100 ساله، ذخیره سازی پمپ شده در مقایسه با سایر فناوری های ذخیره سازی انرژی بسیار رشد یافته است. علاوه بر این، ذخیره سازی پمپ شده دارای عمر مفید 80 یا حتی 100 سال است. ذخیره سازی پمپ شده امروزی همچنین دارای راندمان ذخیره سازی بسیار بالایی است که می تواند بازده کلی تا 80٪ را به دست آورد. علاوه بر اتلاف انرژی در هنگام شارژ و دشارژ، تلفات خود تخلیه بسیار کم است.

درست است که معایب ذخیره سازی پمپ شده آشکار است. ساخت مخزن پمپاژ محدودیت های جغرافیایی زیادی دارد. زیرا مخازن بالا و پایین لازم است در فاصله نسبتاً کوتاهی وجود داشته باشند و اختلاف ارتفاع بالایی داشته باشند. و تحت شرایط اختلاف ارتفاع محدود، چگالی انرژی به دست آمده توسط ذخیره سازی پمپ شده نیز بسیار محدود است. علاوه بر این، بزرگترین محدودیت برای توسعه این فناوری، اقتصاد بسیار پایین آن است. ذخیره سازی پمپی دارای هزینه های سرمایه گذاری بالا و دوره بازپرداخت طولانی است که اغلب بیش از 30 سال است و برخی از آنها اصلاً سودآور نیستند.

ذخیره سازی پمپ شده (تصویر: iStock)

در مقایسه با ذخیره سازی پمپ شده، ذخیره انرژی LIB دارای ویژگی های برجسته تری است، مانند فناوری بالغ، عمر چرخه طولانی، چگالی انرژی بالا، حفاظت از محیط زیست. مهمتر از همه، ذخیره انرژی LIB برای تولید برق PV و باد بسیار مناسب است.

گزارش سالانه آژانس بین‌المللی انرژی‌های تجدیدپذیر (IRENA) «آمار انرژی‌های تجدیدپذیر برای سال 2021» نشان می‌دهد که سهم انرژی‌های تجدیدپذیر از کل ظرفیت تولید جدید برای دو سال متوالی به شدت افزایش یافته است. بیش از 80 درصد از کل ظرفیت تولید جدید اضافه شده در سال 2020، انرژی‌های تجدیدپذیر خواهد بود و انرژی خورشیدی و بادی 91 درصد از انرژی‌های تجدیدپذیر جدید را تشکیل می‌دهند. طبق گزارش آژانس بین المللی انرژی، تا پایان سال 2020، ظرفیت تجمعی PV نصب شده جهانی 760.4 گیگاوات بود. بیست کشور بیش از 1 گیگاوات ظرفیت PV جدید اضافه کردند. در این میان چین، اتحادیه اروپا و ایالات متحده به ترتیب با مقیاس 48.2 گیگاوات، 19.6 گیگاوات و 19.2 گیگاوات در رتبه سه برتر جهان قرار گرفتند. ظرفیت نصب شده تجمعی نیروگاه بادی 743 گیگاوات است.

اما به دلیل نوسانات، متناوب بودن و تصادفی بودن PV و باد، توان ناپایدار است که پدیده رها شدن باد و نور را تشدید می کند و عملکرد پایدار شبکه برق را با چالش هایی مواجه می کند.

ذخیره سازی پمپی، به عنوان پرمصرف ترین سیستم ذخیره انرژی در حال حاضر، تنها برای تقاضای ذخیره سازی انرژی در چرخه ماهانه در مقیاس بزرگ مناسب است، اما برای تامین نیازهای ذخیره انرژی در چرخه روزانه دشوار است. علاوه بر این، توسط محیط جغرافیایی محدود شده است و نمی توان آن را در مناطق غیر آبی ساخته و راه اندازی کرد.

در مقابل، ذخیره انرژی LIB دارای زمان پاسخ سریع است که می تواند با نوسانات متعدد تولید برق بادی و PV در یک روز سازگار شود. می تواند درجه خاصی از بافر را برای دسترسی به انرژی جدید به شبکه برق فراهم کند و در هموارسازی نوسانات، برش پیک و پر شدن دره و برنامه ریزی انرژی نقش داشته باشد. همچنین ذخیره انرژی LIB با توپوگرافی محدود نمی شود و کاربردهای گسترده ای دارد.

LIBs (تصویر: Drax)

ذخیره انرژی LIB همراه با انرژی PV و باد می تواند به سرعت تحول انرژی جهانی را ارتقا دهد. با این حال، با یک مشکل مهم نیز همراه است – هزینه بالای LIB ها.

Ⅳ. روند هزینه برای LIB

سیستم ذخیره انرژی از اجزای زیادی تشکیل شده است. اساسی ترین سلول است که از مواد الکترود مثبت و منفی، فیلم جداسازی، الکترولیت و فویل فلزی تشکیل شده است. پس از اینکه تعداد زیادی سلول به صورت سری و موازی متصل شدند و سپس به BMS اضافه شدند، بسته باتری را تشکیل می دهند. چندین بسته باتری از طریق منابع تغذیه به سیستم های مدیریت باتری مانند BOS و EMS متصل می شوند و سپس DC را از طریق ترانسفورماتورها و PCS به AC تبدیل می کنند تا یک سیستم ذخیره انرژی کامل را تشکیل دهند که می تواند برای کار به شبکه متصل شود. به عنوان مثال سیستم ذخیره انرژی جعبه‌ای را با استفاده از باتری‌های فسفات آهن لیتیوم (lifepo4) در نظر بگیرید. در یک سیستم ذخیره انرژی کامل، هزینه lifepo4 حدود 58.6٪، PCS 15.5٪، BMS 12.6٪، EMS 5.0٪ و سایر تجهیزات 8.3٪ است.

سیستم ذخیره سازی LIB (تصویر: InfoLink)

LIB ها به دلیل هزینه بالا و عمر چرخه ضعیف در برخی بازارها محدود بودند. اما در دو سال گذشته، LIB ها از رشد سریع بازار خودروهای الکتریکی سود برده اند. پس از کنار گذاشته شدن LIB ها از وسایل نقلیه الکتریکی، می توان از آنها در زمینه ذخیره سازی انرژی به صورت آبشاری استفاده کرد که هزینه LIB ها را تا حد زیادی کاهش می دهد و دری را برای ذخیره انرژی باز می کند. روند قیمت LIB ها را می توان تا سال 2020 به دو مرحله تقسیم کرد. هزینه سلول های باتری در دهه گذشته به شدت کاهش یافت و تمرکز صنعت افزایش یافت در حالی که کاهش هزینه ده ساله بعدی کند خواهد شد و رقابت جهانی تشدید خواهد شد. بر اساس گزارش بلومبرگ نیو انرژی فاینانس، انتظار می رود هزینه سیستم های ذخیره انرژی تا سال 2030 به 165 دلار در هر کیلووات ساعت کاهش یابد.

روند هزینه LIBs (منبع: InfoLink)

به منظور تحقق انتقال انرژی، فناوری ذخیره انرژی کلید توسعه انرژی جدید است. با این حال، اینکه آیا ذخیره انرژی می تواند به آخرین قطعه از پازل در سیستم انرژی آینده تبدیل شود، نه تنها به نوآوری های تکنولوژیکی بستگی دارد، بلکه به یک محیط سیاست فعال، بازار و برنامه ریزی دقیق نیز نیاز دارد. 

ارجاع

[1] ذخیره انرژی، ویکی پدیا

[2] هونگبو تانگ، مروری بر صنعت ذخیره‌سازی انرژی الکتروشیمیایی چین در سال 2020، موسسه تحقیقاتی Lead Leo، 2020

[3] قیمت باتری‌های لیتیومی کاهش یافته است، اما هنوز حدود 50٪ اتاق تحت رهبری تولیدکنندگان بزرگ وجود دارد، InfoLink، 2021

[4] گزارش در مورد فتوولتائیک جهانی 2020، آژانس بین المللی انرژی، سیستم برق 2021