در مقاله قبلی «بحران برق کشور و آینده تأمین انرژی صنایع»، چشم ‌انداز پیش‌روی صنعت برق و چالش‌های ناشی از ناترازی را بررسی کردیم و دیدیم که اتکا به ساختار سنتی تولید و انتقال برق، با چالش‌های جدی رو به ‌رو است. یکی از راهکارهای مهم در این شرایط، حرکت به سمت تولید و تأمین انرژی در محل مصرف است. با این حال، برای آنکه این رویکرد بتواند تأمین انرژی پایدار و قابل ‌اعتمادی فراهم کند، امکان ذخیره ‌سازی انرژی نیز اهمیت ویژه‌ای پیدا می‌کند. در این مقاله، نگاهی کوتاه به فناوری‌های ذخیره ‌سازی انرژی خواهیم داشت و سپس بر سیستم‌های ذخیره‌ ساز مبتنی بر باتری (BESS) و کاربرد آن‌ها در محل مصرف اشاره می‌کنیم.

بخش اول
روش‌ها و فناوری‌های ذخیره سازی انرژی

ذخیره ‌سازی انرژی به روش‌های مختلفی انجام می‌شود و انتخاب فناوری مناسب به عواملی مانند مقیاس سامانه، مدت زمان ذخیره ‌سازی، سرعت پاسخ‌ دهی، راندمان و نوع کاربرد بستگی دارد. در مقیاس‌ کلان، فناوری‌هایی مانند نیروگاه‌های تلمبه ‌ذخیره‌ای، ذخیره ‌سازی حرارتی و پیل سوختی می‌توانند برای پشتیبانی از شبکه مورد استفاده قرار گیرند، در حالی که در مقیاس‌ کوچک‌ تر، باتری‌ها و فناوری‌هایی مانند چرخ ‌طیار و ابر خازن‌ها کاربردهای متفاوتی دارند. در این میان، برای تأمین انرژی در محل مصرف، علاوه بر مقیاس و ظرفیت ذخیره‌ سازی، سهولت استقرار و توانایی تأمین برق در مدت مورد نیاز نیز اهمیت ویژه‌ای دارد.

برخی فناوری‌های ذخیره ‌سازی در مقیاس کلان و خرد

• ذخیره‌ سازی مکانیکی: شناخته شدن ترین روش‌ ذخیره‌سازی مکانیکی در مقیاس شبکه، نیروگاه‌های تلمبه ‌ذخیره‌ای (Pumped Hydro Storage) هستند. در این روش، انرژی مازاد شبکه برای پمپاژ آب از مخزن پایین به مخزنی در ارتفاع بالاتر مصرف می‌شود و در زمان نیاز، آب ذخیره‌ شده با عبور از توربین مجددا به انرژی الکتریکی تبدیل می‌شود. نیروگاه تلمبه‌ ذخیره‌ای سیاه ‌بیشه در استان مازندران، نمونه‌ای از این فناوری در ایران و نخستین نیروگاه تلمبه‌ ذخیره‌ای کشور است. این نیروگاه دارای چهار واحد ۲۶۰ مگاواتی و در مجموع دارای ظرفیت تولید ۱۰۴۰ مگاوات است و در زمان پمپاژ می‌تواند حدود ۹۶۰ مگاوات از شبکه دریافت کند. این فناوری ظرفیت و توان قابل ارائه بالایی دارد، اما به شرایط جغرافیایی مناسب، اختلاف ارتفاع، زیر ساخت‌های آبی و عمرانی گسترده و سرمایه‌ گذاری اولیه سنگین نیاز دارد؛ بنابراین برای کاربرد ذخیره‌ سازی در محل مصرف‌کننده مناسب نیست.

(شکل۱ : نحوه کار نیروگاه تلمبه ذخیره‌ای)(شکل۲ : نیروگاه تلمبه ذخیره‌ای سیاه بیشه)

فناوری دیگر، چرخ ‌طیار (Flywheel) است که انرژی را به صورت جنبشی در یک جرم دوار ذخیره می‌کند. پاسخ بسیار سریع آن، این فناوری را برای کاربردهایی مانند تثبیت فرکانس و جبران کسری توان مناسب می‌کند. با این حال، انرژی ذخیره‌ شده در چرخ ‌طیار در مدت نسبتاً کوتاهی تخلیه می‌شود و از طرف دیگر، وجود قطعات دوار و ساختار مکانیکی آن، نیاز به تعمیر و نگهداری زیادی می‌طلبد. به همین دلایل، این فناوری نمی‌تواند بهترین گزینه جهت تأمین انرژی در محل مصرف در طول قطعی‌های شبکه باشد.

(شکل۳ : نمونه‌ای از چرخ طیار صنعتی)

• ذخیره‌ سازی شیمیایی: هیدروژن یکی از گزینه‌های مورد توجه برای ذخیره ‌سازی بلند مدت و حتی فصلی انرژی است. در این روش، انرژی مازاد از طریق الکترولیز آب به هیدروژن تبدیل و ذخیره می‌شود و در زمان نیاز، با استفاده از پیل سوختی (Fuel Cell) به برق تبدیل می‌شود. امکان ذخیره‌ سازی مقدار زیادی انرژی برای دوره‌های طولانی، مهم‌ترین مزیت این فناوری است و آن را برای برخی کاربردهای مقیاس شبکه جذاب می‌کند. با این حال، زنجیره تبدیل برق به هیدروژن و بازگرداندن آن به برق، راندمان رفت‌ و برگشت نسبتاً پایینی دارد. علاوه بر این، تولید، فشرده‌ سازی و ذخیره‌ سازی هیدروژن به تجهیزات تخصصی و ملاحظات ایمنی خاصی نیاز دارد. در نتیجه، برای تأمین برق پشتیبان در محل مصرف، این فناوری چندان جذاب به نظر نمی‌رسد.

(شکل۴: نمونه‌ای از سامانه تأمین انرژی مبتنی بر هیدروژن و مخازن ذخیره ‌سازی آن)

• ذخیره سازی الکتریکی: فناوری خازن یکی از مهم‌‌ترین روش‌های ذخیره‌ سازی مستقیم انرژی الکتریکی است. خازن‌ها انرژی الکتریکی را از طریق تجمع بار روی دو صفحه الکترود و در میدان الکتریکی ایجاد شده میان آن‌ها ذخیره می‌کنند. در خازن‌های معمولی، دو الکترود توسط یک ماده عایق یا دی ‌الکتریک، که معمولاً به صورت جامد است، از یکدیگر جدا می‌شوند. با توسعه این ساختار و جایگزینی دی ‌الکتریک جامد با الکترولیت و استفاده از الکترودهایی با ساختار متخلخل، نوع جدیدی از خازن‌ها با ظرفیت بسیار بالاتر تحت عنوان ابَرخازن (Supercapacitor) توسعه یافته است. در ابر خازن، با اعمال ولتاژ، یون‌های مثبت و منفی در نزدیکی سطوح الکترودها تجمع می‌کنند و ساختار متخلخل الکترودها سطح مؤثر بسیار بزرگی را برای این تجمع فراهم می‌کند.
  در نتیجه، ظرفیت خازنی ابرخازن بسیار بزرگتر از خازن‌های معمولی است. ساختار یک ابر خازن این را امکان می‌دهد که انرژی با سرعت بسیار بالایی (سریع‌تر از هر فناوری دیگری) دریافت و آزاد شود و در نتیجه چگالی توان (Power Density) بالایی داشته باشد. در مقابل، چگالی انرژی (Energy Density) آن نسبتاً کم است؛ یکی دیگر از ویژگی‌های مهم ابرخازن‌ها، امکان شارژ و دشارژ در تعداد بسیار زیادی چرخه با تلفات بسیار کم است.
  بنابراین، ابرخازن‌ها بیشر برای کاربردهایی مناسب هستند که نیاز به پاسخ سریع و توان بالا دارند و در عین حال ماهیت تکرار شونده دارند؛ برای مثال، می‌توان از آنها برای جذب انرژی حاصل از ترمز در خودروهای برقی و بازگرداندن سریع آن به سیستم در هنگام شتاب‌گیری مجدد استفاده کرد.

(شکل۵ : مجموعه ‌ای از ابرخازن‌ها)

مزیت‌های باتری در تأمین انرژی در محل مصرف

• پاسخ ‌دهی بسیار سریع: باتری‌ها در صورت استفاده از مبدل و کنترل کننده مناسب، می‌توانند به تغییرات توان با سرعت بسیار بالا پاسخ دهند و پاسخ سیستم در محدوده میلی ‌ثانیه باشد. این ویژگی امکان تأمین سریع بارهای حساس هنگام قطع شبکه و جبران سریع تغییرات توان را فراهم می‌کند.
• انعطاف‌ پذیری و مقیاس ‌پذیری: ساختار ماژولار باتری‌ها امکان طراحی سیستم‌های ذخیره ‌ساز در طیف گسترده‌ای از ظرفیت‌ها را فراهم می‌کند؛ از سامانه‌های کوچک خانگی تا سیستم‌های چند مگاوات ‌ساعتی برای واحدهای صنعتی. افزون بر آن می‌توان سیستم را متناسب با نیاز اولیه راه‌ اندازی و با افزودن تدریجی ماژول‌ها یا رک‌های باتری توسعه داد. این انعطاف ‌پذیری اجازه می‌دهد ظرفیت ذخیره ‌ساز بر اساس نمایه بار (Load Profile) و نیاز واقعی مصرف‌کننده تعیین و در طول زمان افزایش یابد.
• استقلال از شرایط جغرافیایی و سهولت استقرار: برخلاف نیروگاه‌های تلمبه‌ ذخیره‌ای که به شرایط جغرافیایی و منابع آبی مناسب نیاز دارند یا روش‌های دیگر که به زیر ساخت‌های خاصی وابستگی دارند، سامانه‌های باتری را می‌توان در محل مصرف به آسانی نصب کرد. این سامانه‌ها می‌توانند در فضاهایی مانند اتاق تجهیزات، سوله‌های صنعتی یا ساختمان‌های تجاری و مسکونی مستقر شوند.
• راندمان رفت ‌و برگشت مناسب انرژی: یکی از مزیت‌های مهم باتری‌ها، امکان ذخیره و بازیابی انرژی الکتریکی با تلفات نسبتاً پایین است. بر خلاف مسیرهایی مانند تولید هیدروژن و تبدیل مجدد آن به برق، در باتری تبدیل انرژی در یک سامانه الکتروشیمیایی انجام می‌شود و راندمان رفت ‌و برگشت آن می‌تواند بالا باشد. این ویژگی به‌ ویژه در کاربردهایی که باتری به ‌صورت روزانه شارژ و دشارژ می‌شود، اهمیت اقتصادی زیادی دارد.
• بلوغ فناوری و زنجیره تأمین گسترده: باتری‌ها فناوری جدیدی در صنعت برق نیستند و انواع مختلف آن‌ها دهه‌هاست در کاربردهایی مانند UPS، خودروها و دیگر سامانه‌های صنعتی مورد استفاده قرار می‌گیرند. این سابقه طولانی موجب شکل ‌گیری زنجیره تأمین، استانداردها و تجربه عملیاتی گسترده شده است. در سال‌های اخیر نیز توسعه سریع تولید انبوه باتری‌های لیتیوم‌ یون، به ‌ویژه به دلیل رشد خودروهای برقی و سامانه‌های ذخیره‌ ساز انرژی خورشیدی، باعث کاهش قابل‌ توجه هزینه تولید باتری نسبت به قبل شده است.
• کنترل ‌پذیری مناسب: باتری یک منبع الکتریکی DC است و با استفاده از مبدل‌های الکترونیک قدرت می‌توان جریان توان بین باتری و مصرف کننده را با دقت بالایی کنترل کرد. همین ویژگی امکان پیاده ‌سازی راهبردهای مختلف شارژ و دشارژ و در معماری‌های مناسب، ارائه برخی خدمات شبکه و مدیریت هوشمند انرژی را فراهم می‌کند. این قابلیت کنترل ‌پذیری، باتری را از یک منبع ساده ذخیره انرژی به بخش مهمی از یک سیستم انرژی قابل ‌کنترل تبدیل می‌کند.

مجموع این ویژگی‌ها باعث شده است باتری‌ها، به ‌ویژه در کاربردهایی که ذخیره ‌سازی برق در محل مصرف مورد نیاز است، جایگاه ویژه‌ای پیدا کنند. با این حال، انتخاب نوع باتری خود مسئله‌ای مستقل است؛ زیرا فناوری‌های مختلف باتری از نظر هزینه، طول عمر، چگالی انرژی، ایمنی و عملکرد، تفاوت‌های قابل ‌توجهی با یکدیگر دارند. در ادامه، نگاهی به سیر تحول فناوری باتری و ساختار سامانه‌های ذخیره ‌ساز انرژی مبتنی بر باتری و کاربردهای آن‌ها در مقیاس‌های مختلف خواهیم داشت.

بخش دوم
سیر تحول فناوری باتری‌ها

نخستین گام‌ها در توسعه باتری‌ها

در میان یافته‌های باستان‌ شناسی، مجموعه‌ای از آثار کشف ‌شده در نزدیکی شهر بغداد، بعدها به "باتری بغداد" شهرت یافت. این مجموعه شامل یک ظرف سفالی، یک استوانه مسی و یک میله آهنی است و قدمت آن به حدود دو هزار سال پیش باز می‌گردد. شباهت این ساختار به یک سلول الکتروشیمیایی، این فرضیه را مطرح کرده است که ممکن است برای تولید جریان الکتریکی به کار رفته باشد؛ آزمایش‌هایی با نمونه‌های بازسازی‌ شده نیز امکان تولید ولتاژ را نشان داده‌اند. با این حال، شواهد کافی برای تعیین قطعی کارکرد این اثر وجود ندارد و همچنان درباره کاربرد واقعی آن‌ بحث وجود دارد.

اما نخستین نقطه عطف مستند در تاریخ باتری‌ها به سال ۱۸۰۰ میلادی باز می‌گردد؛ زمانی که فیزیکدان ایتالیایی الساندرو ولتا با ساخت پیل ولتایی (Voltaic Pile) نخستین منبع عملی تولید جریان الکتریکی پیوسته را ایجاد کرد. این پیل از لایه‌های متناوب فلزات متفاوت تشکیل شده بود که به وسیله موادی آغشته به الکترولیت از یکدیگر جدا می‌شدند. اختراع ولتا نقطه آغاز توسعه سلول‌های الکتروشیمیایی و تلاش برای ساخت منابع الکتریکی با عملکرد و دوام بیشتر بود.

(شکل۷ : پیل ولتایی)

در دهه‌های بعدی قرن نوزدهم، انواع مختلفی از سلول‌های الکتروشیمیایی توسعه یافتند و در کنار بهبود عملکرد، مفهوم باتری‌های قابل شارژ یا ثانویه نیز شکل گرفت. نقطه عطف بعدی در سال ۱۸۵۹ رقم خورد؛ زمانی که فیزیکدان فرانسوی گاستون پلانته نخستین باتری سرب-اسید (Lead-Acid) قابل شارژ عملی را توسعه داد. این باتری از الکترودهای سربی و الکترولیت اسید سولفوریک استفاده می‌کرد و امکان شارژ مجدد و استفاده دوباره از آن را فراهم می‌ساخت. اختراع پلانته آغاز مسیر طولانی توسعه فناوری سرب-‌اسید بود؛ مسیری که در دهه‌های بعد به شکل ‌گیری انواع مختلف این فناوری باتری، انجامید.

(شکل۸ : طرحی از باتری پلانته)

تکامل باتری سرب-اسید

باتری سرب-‌اسید اولیه گام مهمی در تاریخ ذخیره ‌سازی انرژی بود، اما ساختار آن با باتری‌های سرب-‌اسید امروزی تفاوت زیادی داشت. در باتری پلانته، صفحات سربی مستقیماً در اسید سولفوریک قرار می‌گرفتند و مواد فعال الکترودها، یعنی موادی که در واکنش‌های الکتروشیمیایی شارژ و دشارژ شرکت می‌کنند، به ‌تدریج بر اثر چرخه‌های شارژ و دشارژ روی سطح صفحات ایجاد می‌شدند. این فرایند برای آماده‌ سازی صفحات به زمان زیادی نیاز داشت و در نتیجه، میزان ماده فعال قابل دستیابی و سرعت کار باتری محدود بود. تحول مهم بعدی در سال ۱۸۸۱ با توسعه روش کامیل فور، فیزیکدان و مخترع فرانسوی، برای استفاده از خمیر حاوی ترکیبات سرب روی صفحات اتفاق افتاد. در این روش، خمیر حاوی مواد اولیه مورد نیاز برای تشکیل ماده فعال، روی ساختار شبکه‌ای صفحه سربی قرار می‌گرفت و طی فرایندی تحت عنوان تشکیل (Formation)، به مواد فعال الکترود تبدیل می‌شد. این روش مقدار بیشتری ماده فعال را در حجم مشخصی از صفحه جای می‌داد و در نتیجه ظرفیت باتری را افزایش می‌داد و زمان مورد نیاز برای آماده‌ سازی آن را نسبت به روش پلانته کاهش می‌داد. توسعه بیشتر ساختار شبکه‌ای صفحات فلزی و روش‌های نگهداری ماده فعال در سال‌های بعد، مسیر تولید صنعتی باتری‌های سرب-‌اسید را هموار کرد. در ادامه، باتری‌های سرب-‌اسید با الکترولیت مایع (Flooded) که با اصطلاح باتری تر نیز شناخته می‌شوند، به یکی از فناوری‌های اصلی ذخیره ‌سازی الکتروشیمیایی تبدیل شدند. در این ساختار، صفحات مثبت و منفی درون الکترولیت مایع، متشکل از اسید سولفوریک و آب، قرار دارند و الکترولیت آزادانه در فضای میان صفحات و اطراف آن‌ها جریان دارد. این ساختار نسبتاً ساده، امکان تولید باتری‌هایی با ظرفیت‌های مختلف و هزینه مناسب را فراهم کرد و به همین دلیل برای دهه‌ها در کاربردهایی مانند خودرو، سامانه‌های برق پشتیبان و تجهیزات صنعتی مورد استفاده قرار گرفت.

(شکل۹ : باتری سرب-اسید تر)

با این حال، وجود الکترولیت مایع، محدودیت‌هایی نیز به همراه داشت. تبخیر آب در اثر شارژ و افزایش دما، نیاز به جبران سطح الکترولیت را ایجاد می‌کرد. همچنین هنگام شارژ، به ‌ویژه در شرایط شارژ بیش از حد، گازهای هیدروژن و اکسیژن تولید می‌شدند که نیاز بود از باتری خارج شوند. در نتیجه، نصب این باتری‌ها به تهویه مناسب نیاز داشت و جابه ‌جایی و استقرار آن‌ها نیز به دلیل احتمال نشت اسید با ملاحظاتی همراه بود.

تلاش برای کاهش این محدودیت‌ها به توسعه نسل دیگری از باتری‌های سرب-اسید انجامید که به جای الکترولیت مایع آزاد، الکترولیت را در ساختار داخلی باتری تثبیت می‌کنند. این باتری‌ها با عنوان سرب-‌اسید تنظیم ‌شده با شیر یا Valve-Regulated Lead-acid (VRLA) شناخته می‌شوند. در این ساختار، طراحی سلول به گونه‌ای است که اکسیژن تولید شده در شرایط عادی شارژ تا حد زیادی در داخل باتری بازترکیب می‌شود و باتری در شرایط عادی به خروج گاز یا افزودن آب نیاز ندارد. با این وجود در صورت افزایش غیرعادی فشار داخلی نیز یک شیر اطمینان برای تخلیه گاز تعبیه شده است. به همین دلیل، اصطلاح Sealed Lead-Acid و گاهی به اختصار سیلد-اسید (Sealed Acid) نیز برای این گروه از باتری‌ها رایج است؛ با این حال، منظور از Sealed آب ‌بندی کامل و مطلق باتری نیست، بلکه به ساختار بسته و عدم نیاز به تهویه و نگهداری الکترولیت در شرایط عادی اشاره دارد. دو ساختار اصلی در این خانواده، AGM (Absorbent Glass Mat) و Gel هستند. در باتری AGM، الکترولیت در یک جدا کننده متخلخل از جنس الیاف شیشه‌ای قرار دارد، در حالی که در باتری Gel، افزودن موادی مانند سیلیکا به الکترولیت باعث تبدیل آن به یک فرم ژله‌ای می‌شود.

(شکل۱۰ : آرایه‌ای از باتری‌های VRLA برای تامین برق اضطراری)

توسعه این ساختارها باعث شد باتری‌های سرب-‌اسید با نیاز بسیار کمتر به نگهداری و قابلیت استقرار مناسب‌ تر، به ‌ویژه در سامانه‌های UPS، مخابرات و سایر تجهیزات برق پشتیبان، جایگاه گسترده‌ای پیدا کنند. این همان خانواده‌ای از باتری‌های سرب-‌اسید است که امروزه با وجود برخی کاستی‌ها، همچنان در بسیاری از سامانه‌های تامین انرژی پشتیبان مورد استفاده قرار می‌گیرد.

توسعه باتری‌های لیتیوم یون

در نیمه دوم قرن بیستم، محدودیت‌های باتری‌های سیلد-اسید، به ‌ویژه وزن بالا و چگالی انرژی نسبتا پایین آن‌ها، توجه پژوهشگران را به عناصر سبک ‌تر و سامانه‌های الکتروشیمیایی با چگالی انرژی بالاتر جلب کرد. لیتیوم به دلیل جرم اتمی بسیار پایین و پتانسیل الکتروشیمیایی منفی، یکی از جذاب ‌ترین گزینه‌ها برای این منظور بود. نخستین تلاش‌ها عمدتاً بر استفاده مستقیم از لیتیوم فلزی به ‌عنوان الکترود منفی متمرکز بود، اما مشکلاتی مانند تشکیل ساختارهای سوزنی‌ شکل موسوم به دندریت (Dendrite) در هنگام شارژ، ایمنی و پایداری چرخه‌ای، استفاده گسترده از این فناوری را با محدودیت مواجه کرد. مسیر توسعه باتری‌های لیتیوم ‌یون یا به اختصار لیتیومی، زمانی شکل جدی ‌تری به خود گرفت که به جای جابه ‌جایی مستقیم لیتیوم فلزی، امکان حرکت یون‌های لیتیوم بین دو الکترود و ذخیره و آزاد سازی آن‌ها مورد توجه قرار گرفت. در این معماری، هنگام شارژ، یون‌های لیتیوم از الکترود مثبت جدا شده و از طریق الکترولیت به سمت الکترود منفی حرکت می‌کنند و هنگام دشارژ، مسیر معکوس را طی می‌کنند. این رویکرد امکان استفاده از لیتیوم بدون نیاز به حضور لیتیوم فلزی در الکترود را فراهم کرد و مبنای باتری‌های لیتیوم یون امروزی شد.

در دهه ۱۹۸۰، پژوهش‌های متعددی برای توسعه مواد مناسب الکترودهای لیتیوم‌ یون انجام شد و سرانجام در سال ۱۹۹۱، نخستین باتری لیتیوم ‌یون تجاری توسط شرکت سونی وارد بازار شد. این باتری‌ها در مقایسه با فناوری‌های پیشین، چگالی انرژی بالاتر، وزن کمتر و قابلیت شارژ مجدد مناسبی ارائه می‌کردند و به ‌سرعت در تجهیزات الکترونیکی قابل ‌حمل مانند تلفن‌های همراه، رایانه‌های قابل ‌حمل و دوربین‌ها گسترش یافتند. با توسعه مواد تشکیل دهنده الکترودها و بهبود فرایندهای ساخت، خانواده‌های مختلفی از باتری‌های لیتیوم ‌یون شکل گرفتند که بر اساس ترکیب مواد الکترودها ویژگی‌های متفاوتی دارند. از جمله مهم ‌ترین آن‌ها می‌توان به NMC (لیتیوم نیکل منگنز کبالت)، NCA (لیتیوم نیکل کبالت آلومینیوم) و LFP (لیتیوم آهن فسفات) اشاره کرد که هر یک برای کاربردی خاص بهینه شده اند؛ یعنی برخی ساختارها بر چگالی انرژی بالاتر و برخی دیگر بر طول عمر، پایداری حرارتی و ایمنی بیشتر تمرکز دارند. امروزه باتری‌های لیتیوم‌ یون از تجهیزات الکترونیکی قابل ‌حمل و خودروهای برقی گرفته تا کاربردهای مختلف ذخیره ‌سازی انرژی، به یکی از مهم ‌ترین فناوری‌های ذخیره‌ سازی الکتروشیمیایی تبدیل شده‌اند. با توجه به توسعه سریع این فناوری، بهبود مستمر عملکرد و کاهش هزینه‌ها، انتظار می‌رود باتری‌های لیتیوم‌ یون در سال‌های آینده نقش محوری در توسعه سامانه‌های ذخیره‌ سازی انرژی داشته باشند.

 (شکل۱۱ : باتری‌های لیتیوم‌ یون یک ساختمان برای تأمین برق اضطراری)

بخش سوم
سامانه ذخیره سازی انرژی ( ESS )

تا اینجا از باتری به ‌عنوان یک فناوری ذخیره‌ سازی انرژی صحبت کردیم؛ اما یک باتری به ‌تنهایی یک سیستم ذخیره ‌سازی انرژی کامل نیست. باتری بخش الکتروشیمیایی سامانه‌ای است که انرژی را در خود ذخیره می‌کند و در زمان نیاز آن را با کیفیت مطلوب در اختیار سایر بخش‌های سیستم قرار می‌دهد. برای استفاده عملی از این انرژی، مجموعه‌ای از تجهیزات برای پایش و حفاظت، تبدیل توان و مدیریت جریان انرژی در کنار باتری قرار می‌گیرند. مجموع این اجزا، یک سامانه ذخیره‌ سازی انرژی یا Energy Storage System (ESS) را تشکیل می‌دهد. در صورتی که بخش ذخیره ‌سازی انرژی یک ESS بر پایه باتری باشد، این سامانه با عنوان Battery Energy Storage System (BESS) یا سیستم ذخیره ‌سازی انرژیِ باتری ‌محور نیز شناخته می‌شود. در محاورات ممکن است اصطلاح باتری و سیستم ذخیره‌ سازی انرژی به جای یکدیگر به کار روند؛ اما از دیدگاه مهندسی، این دو یکسان نیستند.

اجزای یک BESS

یک سیستم ذخیره ‌ساز انرژی مبتنی بر باتری را می‌توان به چند بخش اصلی تقسیم کرد که هر کدام وظیفه مشخصی در ذخیره، پایش، تبدیل و مدیریت انرژی بر عهده دارند.

سامانه باتری

خود باتری از چندین سطح تشکیل می‌شود. کوچک‌ ترین واحد آن سلول الکتروشیمیایی است که انرژی را در قالب واکنش‌های شیمیایی ذخیره و در زمان دشارژ به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند. برای دستیابی به ظرفیت و ولتاژ مورد نیاز، چندین سلول در کنار یکدیگر قرار می‌گیرند و یک ماژول باتری را تشکیل می‌دهند. در سامانه‌های بزرگ ‌تر، چندین ماژول در قالب یک پک باتری سازمان ‌دهی می‌شوند. بسته به معماری سیستم، ممکن است چند پک باتری نیز در کنار یکدیگر قرار گیرند تا ظرفیت و توان مورد نیاز سامانه تأمین شود. اتصال سلول‌ها و ماژول‌ها به صورت سری، ولتاژ مجموعه را افزایش می‌دهد و اتصال موازی، ظرفیت جریان ‌دهی و ظرفیت ذخیره ‌سازی را افزایش می‌دهد. به این ترتیب، با انتخاب مناسب آرایش سری و موازی می‌توان سامانه باتری را متناسب با ولتاژ، توان و ظرفیت انرژی مورد نیاز BESS طراحی کرد.

سامانه مدیریت و پایش باتری

قرار گرفتن تعداد زیادی سلول و ماژول در کنار یکدیگر، به ‌تنهایی تضمین ‌کننده عملکرد ایمن و قابل ‌اعتماد نیست. هر سلول در طول شارژ و دشارژ رفتار الکتریکی و حرارتی خاص خود را دارد و با گذشت زمان نیز ممکن است ویژگی‌های آن با سلول‌های دیگر متفاوت شود. این اختلاف‌ها، به ‌ویژه در مجموعه‌های بزرگ و در شرایط شارژ و دشارژ مکرر، می‌تواند باعث شود برخی سلول‌ها زودتر از سایرین به محدوده‌های نامجاز ولتاژ یا دما برسند. بنابراین، پایش مداوم وضعیت باتری و اعمال محدودیت‌های حفاظتی برای جلوگیری از شرایط نامناسب، بخش مهمی از یک سیستم ذخیره ‌ساز انرژی است.

وظایف مربوط به مدیریت و پایش باتری بسته به فناوری مورد استفاده، متفاوت است. در باتری‌های لیتیوم ‌یون، این وظایف عمدتاً توسط سیستم مدیریت باتری یا BMS (Battery Management System) انجام می‌شود. BMS ولتاژ سلول‌ها، جریان عبوری از باتری و دمای نقاط مختلف آن را پایش می‌کند و در صورت نزدیک شدن یا عبور پارامترها از محدوده مجاز، اقدامات حفاظتی لازم را انجام می‌دهد. در باتری‌های سرب-اسید نیز پایش و حفاظت اهمیت دارد، اما ساختار و الزامات مدیریتی آن با لیتیوم ‌یون یکسان نیست و لزوماً به BMS با همان ساختار مورد استفاده در باتری‌های لیتیومی نیاز ندارد.

(شکل۱۲ : دیاگرام مفهومی یک BESS)

سیستم تبدیل توان

انرژی ذخیره‌ شده در باتری به صورت جریان مستقیم (DC) در دسترس است، اما ولتاژ و جریان آن لزوماً با مقادیر مورد نیاز بخش‌های مختلف سیستم یکسان نیست. بنابراین، یکی از وظایف اصلی سیستم تبدیل توان یا Power Conversion System (PCS) پردازش توان الکتریکی و تبدیل آن به فرم و سطح مطلوب برای انتقال میان بخش‌های مختلف BESS است. این پردازش می‌تواند شامل تغییر سطح ولتاژ و جریان در بخش DC یا تبدیل میان DC و AC باشد. در صورتی که BESS با شبکه یا بارهای AC در ارتباط باشد، مبدل‌های DC-AC (اینورتر) برای تبدیل توان به کار می‌روند. سیستم تبدیل توان، بسته به معماری و کاربرد BESS، می‌تواند یک‌ طرفه یا دو طرفه باشد. در ساختار یک ‌طرفه، توان تنها در یک جهت میان بخش‌های مختلف سیستم منتقل می‌شود، در حالی که در ساختار دو طرفه، امکان انتقال توان در هر دو جهت وجود دارد. در یک BESS، این قابلیت امکان شارژ باتری از یک منبع مثلا تجدیدپذیر یا شبکه و همچنین دشارژ آن و انتقال انرژی ذخیره‌ شده به سمت بار یا شبکه را فراهم می‌کند.

سیستم مدیریت انرژی (Energy Management System – EMS)

در یک BESS، تصمیم ‌گیری درباره نحوه استفاده از انرژی بر عهده سیستم مدیریت انرژی یا Energy Management System (EMS) است. EMS با دریافت اطلاعات مربوط به وضعیت منابع انرژی، باتری، بار و شرایط شبکه، تعیین می‌کند که انرژی در چه زمانی، با چه میزان توان و از چه مسیری مبادله شود. به این ترتیب، EMS می‌تواند در هر لحظه مشخص کند که هر یک از منابع یا واحدهای موجود چه میزان توان تولید، مصرف، ذخیره یا تأمین کنند تا هدف بهره ‌برداری سیستم با توجه به محدودیت‌ها و شرایط موجود محقق شود. EMS همچنین می‌تواند با سامانه‌های مانیتورینگ و کنترل سطح بالاتر، مثل SCADA، در ارتباط باشد و اطلاعات مورد نیاز را ارسال یا دریافت کند. در نتیجه، EMS لایه‌ای است که اطلاعات اجزای مختلف BESS را در سطح سیستم یکپارچه کرده و بر اساس سیاست تعریف ‌شده، نحوه جریان انرژی را مدیریت می‌کند.

بخش چهارم
کاربرد و مقیاس سیستم‌های ذخیره ساز انرژی مبتنی بر باتری

BESSها را می‌توان از نظر مقیاس و محل استقرار به دو گروه کلی تقسیم کرد. گروه نخست، سامانه‌های بزرگ ‌مقیاس یا سمت شبکه یا به اصطلاح Front-of-the-Meter هستند که در سطح سیستم قدرت مورد استفاده قرار می‌گیرند و گروه دوم، سامانه‌هایی هستند که در محل مصرف و در سمت مشترک نصب می‌شوند و اصطلاحا به آن‌ها Behind-the-Meter می‌گویند. اگرچه هر دو گروه از فناوری‌های مشابهی برای ذخیره و بازیابی انرژی استفاده می‌کنند، اهداف و نحوه بهره‌ برداری آن‌ها تفاوت قابل ‌توجهی دارد.

مقیاس و محل استقرار

هدف اصلی گروه نخست، پشتیبانی از بهره ‌برداری و افزایش انعطاف‌پذیری شبکه است. این سامانه‌ها می‌توانند برای مدیریت پیک بار، جبران نوسانات تولید منابع تجدیدپذیر، پشتیبانی از فرکانس شبکه و انتقال انرژی میان دوره‌های کم‌بار و پربار مورد استفاده قرار گیرند و در برخی شرایط، استفاده از ذخیره ‌ساز می‌تواند با جابه‌ جایی زمانی مصرف یا تولید، نیاز به توسعه فوری برخی زیرساخت‌های انتقال و توزیع را کاهش داده یا به تعویق بیندازد. در سامانه‌های بزرگ ‌مقیاس، ظرفیت توان و انرژی ذخیره‌ساز بر اساس نیاز شبکه و سرویس مورد انتظار تعیین می‌شود. برای مثال، سامانه‌ای که با هدف پشتیبانی از فرکانس مورد استفاده قرار می‌گیرد، ممکن است به توان بالا و پاسخ سریع نیاز داشته باشد، در حالی که سامانه‌ای که برای جابه‌جایی انرژی از ساعات کم ‌بار به ساعات پر بار به کار می‌رود، به ظرفیت انرژی بیشتری نیاز دارد. بنابراین، در این سامانه‌ها نسبت میان توان نامی و ظرفیت انرژی، یکی از پارامترهای مهم در طراحی و بهره ‌برداری است.

از سوی دیگر، محل اتصال این سامانه‌ها به شبکه نیز اهمیت دارد. BESSهای بزرگ‌ مقیاس می‌توانند در کنار دیگر نیروگاه‌ها، پست‌های برق یا در نقاطی از شبکه که نیاز به پشتیبانی بیشتری دارند نصب شوند. در چنین کاربردهایی، ذخیره‌ساز مستقیماً به عنوان یکی از منابع قابل‌کنترل سیستم قدرت در نظر گرفته می‌شود و عملکرد آن می‌تواند بر وضعیت شبکه در مقیاس وسیع اثر بگذارد.

 (شکل۱۳ : واحدهای توان بالای BESS موجود در یک نیروگاه)

اما گروه دوم مستقیماً برای تأمین نیازهای یک مصرف‌کننده مشخص، ساختمان یا واحد صنعتی به کار گرفته می‌شوند. در اینجا، مسئله می‌تواند از دید مصرف‌کننده تعریف شود؛ به این معنا که BESS می‌تواند علاوه بر تأمین انرژی در زمان قطعی شبکه که هدف اولیه آن است، در زمان وصل بودن شبکه نیز برای مدیریت مصرف و بهینه ‌سازی نحوه دریافت انرژی از شبکه مورد استفاده قرار گیرد. در این نوع سامانه‌ها، یکی از کاربردهای مهم، کاهش توان دریافتی از شبکه در دوره‌های اوج مصرف است. باتری در زمان‌هایی که مصرف‌ کننده نیاز به توان کمتری دارد یا شرایط تأمین انرژی مناسب‌ تر است، شارژ شده و در زمان افزایش بار، بخشی از توان مورد نیاز را تأمین می‌کند. به این ترتیب، الگوی دریافت توان از شبکه می‌تواند کنترل شود و میزان توان اوج مصرف کاهش یابد. BESSهای پشت کنتور همچنین می‌توانند در کنار منابع تولید پراکنده، مانند سامانه‌های خورشیدی، مورد استفاده قرار گیرند. در این حالت، انرژی تولید شده در زمان‌هایی که مصرف کمتر از تولید است، در باتری ذخیره می‌شود و در زمان کاهش تولید یا افزایش مصرف، دوباره در اختیار بار قرار می‌گیرد. این قابلیت باعث می‌شود انرژی تولید شده توسط منبع محلی در زمان مناسب ‌تری مورد استفاده قرار گیرد و وابستگی مصرف‌کننده به دریافت لحظه‌ای انرژی از شبکه کاهش یابد.

(شکل۱۴ : BESS موجود در یک منزل مسکونی یا واحد صنعتی)

سخن پایانی

ذخیره ‌سازی انرژی یک استراتژی مهم در مسیر تحول صنعت برق و حرکت به سمت تأمین انرژی به شکلی انعطاف‌پذیر و قابل ‌اعتمادتر است. در میان فناوری‌های مختلف، باتری‌ها به دلیل پاسخ‌ گویی سریع، مقیاس ‌پذیری، سهولت استقرار و امکان کنترل دقیق توان، جایگاه ویژه‌ای در کاربردهای مختلف پیدا کرده‌اند. اخیرا توسعه باتری‌های لیتیومی نیز ظرفیت استفاده از ذخیره‌سازها را در مقیاس‌های مختلف افزایش داده است. با این حال، ارزش واقعی یک باتری زمانی آشکار می‌شود که در قالب یک BESS و متناسب با نیاز شبکه یا مصرف ‌کننده، به ‌درستی طراحی و بهره ‌برداری شود. استفاده از BESS در محل مصرف در کنار منابع تجدیدپذیر، می‌تواند به مشترکان کمک کند تا در برابر قطعی و نوسانات شبکه، راهکاری مطمئن و پایدار در اختیار داشته باشند و مصرف انرژی خود را نیز به شکل بهتری مدیریت کنند.