Table of Contents
الحاجة المتزايدة إلى قوة الطوارئ
وفي السنوات الأخيرة، جعلت تواتر وكثافة الكوارث الطبيعية، والهجمات الإلكترونية على الهياكل الأساسية للشبكات، والظواهر الجوية الشديدة، التأهب لحالات الطوارئ أولوية عليا للمرافق والأعمال التجارية والمجتمعات المحلية، وتأتي الحلول الاحتياطية التقليدية، مثل مولدات الديزل، مع حدوث عيوب كبيرة: ارتفاع تكاليف الوقود، وأعباء الصيانة، والانبعاثات، ومحدودية الوقت المتاح، وتوفر نظم تخزين الطاقة الموزعة بديلا أنظف وأسرع وأكثر مرونة.
ما هو مخزن الطاقة المُشَرَّع؟
ويشتمل تخزين الطاقة الموزعة على طائفة واسعة من التكنولوجيات - معظمها بطاريات الليثيوم -يون، ولكن أيضاً بطاريات التدفق، والهواء المضغوط، والتخزين الحراري - المزود بنقاط متعددة داخل نظام التوزيع الكهربائي - وعلى خلاف مرفق تخزين كبير واحد يخدم منطقة بأكملها، فإن وحدات إدارة الطاقة تكون قريبة من مراكز التحميل، مثل الأحياء والمباني التجارية والمستشفيات أو البنى، ويمكنها أن تعمل بشكل مستقل أو منسق.
والخصائص المحددة لنظام إدارة الطاقة هو طابعه النموذجي القابل للتكرار، وقد يكون التركيب الوحيد هو بطارية سكنية تتراوح بين 10 و50 كيلوواط أو نظام تجاري من 1 إلى 5 ميغاواط، وعند تجميع هذه الوحدات الموزعة، يمكن أن توفر خدمات الشبكة مع توفير الدعم المحلي في نفس الوقت، وهذا يتناقض مع أصول التخزين السائبة مثل الهيدروجين المضخ، التي تتطلب قيودا جغرافية وخطوط نقل طويلة.
التكنولوجيات الرئيسية في تخزين الطاقة الموزعة
- Lithium-ion batteries:] Dominant due to high energy density, falling costs, and rapid response times. Ideal for short-duration supportive (2-4 hours).
- Flow batteries:] Provide longer-duration storage (4-12 hours) with minimal degradation, suitable for extended outages.
- Thermal energy storage:] Uses chilled water or molten salt to store cooling or heating energy, reducing electrical load during emergencies.
- Ultracapacitors:] Bridging technology for power quality and microsecond response, often coupleed with batteries.
المنافع الرئيسية لخزن الطاقة الموزعة لأغراض الطاقة في حالات الطوارئ
ويوفّر التخزين الموزّع مزايا متعددة تجعله ملائماً بشكل فريد لتطبيقات الطاقة في حالات الطوارئ، وتتجاوز هذه الفوائد الدعم البسيط.
تعزيز القدرة على التكيف والانتماء الذاتي
وعندما تهبط الشبكة المركزية، يمكن للدائرة أن تتحول تلقائياً إلى island mode]، مما يؤدي إلى تحميلات محلية دون انقطاع، وهذه العملية المستقلة ذاتياً بالنسبة للمستشفيات ومراكز البيانات ومرافق السلامة العامة، ولأن وحدات التخزين مبعثرة عبر الشبكة، فإن الفشل في مرحلة ما لا يواكب التراجع الكامل.
توقيت الاستجابة السريعة
ويمكن للدائرة القائمة على البطارية أن تنتقل من مخرج الطاقة إلى كامل ناتج الطاقة في مسافات مضاعفات مضاعفات طاحنة أسرع من إعادة ربط المولدات أو ربط الشبكات، وهذا الرد السريع يسمح للدائرة بأن تكون ] إمدادات الطاقة غير المتعمدة بالنسبة للمعدات الحساسة، وأثناء الاضطرابات التي تحدث في الشبكات، مثل نسور الفول أو قطرات الترددية، يمكن للدائرة أن تثباتات.
تخفيض الحصة في الهياكل الأساسية المركزية
وفي حالات الطوارئ، تكون الشبكة المركزية في كثير من الأحيان أضعف وصلة، ويمكن أن تفشل خطوط النقل المغطاة والمحطات الفرعية عندما تكون الحاجة إليها أكثر تحديدا، ومن خلال توفير الطاقة محليا، تخفض دائرة خدمات الدعم الميداني الطلب على الشبكة الرئيسية، ويمكن لهذا تحميل الإغاثة ] أن يحول دون حدوث إخفاقات في التكسير ويتيح سرعة الاستعادة للمجتمعات التي لا تزال معزولة.
التكامل مع الأجيال المتجددة
ويمكن أن تستمر الأفرقة الشمسية المقترنة بالبطاريات في توفير الطاقة بعد غروب الشمس أو أثناء الظروف الغائمة، وفي سيناريو الطوارئ المدعومة بالمتجددات، تسهل الدائرة إنتاج المصادر المتغيرة، بما يكفل توافر إمدادات مستقرة، فعلى سبيل المثال، يمكن للمستشفى الذي يزود بالطاقة الشمسية + التخزين أن يعمل خارج نطاقه تماماً لأيام، دون الاعتماد على إمدادات الوقود، وهذا الجمع ذو قيمة خاصة في المناطق التي تعطل فيها الكوارث الطبيعية سلاسل الإمداد بالوقود.
المزايا الاقتصادية والتشغيلية
فإلى جانب استخدام الطاقة في حالات الطوارئ، يمكن أن تدر وزارة الطاقة إيرادات من خلال استخدام الطاقة، وخفض رسوم الطلب، والمشاركة في أسواق الكهرباء بالجملة، وهذه القدرة ذات الاستخدام المزدوج تقلل من التكلفة الإجمالية للملكية، وتصبح التأهب لحالات الطوارئ استثماراً قابلاً للتطبيق مالياً بدلاً من مجرد نفقات، ويضم العديد من عقود التخزين التجارية الآن شرطاً للصمود كعرض للقيمة الأساسية.
How Distributed Energy Storage Supports Emergency Power Supply
وتدعم إدارة الدعم الميداني القدرة على الطوارئ عبر أبعاد تقنية وتشغيلية متعددة، ويعتبر فهم هذه الآليات عاملا أساسيا في تصميم نظم فعالة.
قوة دعم الهياكل الأساسية الحيوية
وتعتمد المستشفيات ومراكز الإطفاء ومراكز الإرسال في حالات الطوارئ وأبراج الاتصالات على الكهرباء غير المقطعة لنظم السلامة على الحياة، ويمكن أن تُعمَّم هذه المرافق لتغطية الحمولات الأساسية أن تُبقي هذه المرافق جاهزة للعمل لساعات أو أيام، وفي العديد من التصميمات الحديثة، يُدمج التخزين مع توليد الطاقة في الموقع (الحرارة أو المزدحمة معا) لإنشاء حج مجهرية ذاتية.
نظام الحكم الرشيد والقدرة على العملاق
وفي أعقاب انقطاع في منطقة واسعة النطاق، تتطلب استعادة الشبكة وجود قدرة ) ذات قدرة على إعادة توليد الطاقة بدون طاقة خارجية، ويمكن أن تعمل وحدات التخزين الموزعة المجهزة بأجهزة تحويل الشبكة كمصادر ذات فتحة سوداء، مما يحفز خطوط النقل في الأقسام الصغيرة، وهذا النهج الموزع أسرع من الاعتماد على ساعات عمل واحدة من الزمان الكبير.
نقل البضائع وتخفيض عدد الخناق خلال الأزمات
ويمكن برمجة نظام إدارة الطاقة لتحويل استخدام الطاقة بالتنسيق مع خطط الاستجابة لحالات الطوارئ، مثلاً أثناء موجة حرارية تضغط على الشبكة، يمكن أن يشحن التخزين ليلاً ويفرغ بعد الظهر لخفض الطلب على الذروة، ومنع انقطاع الكهرباء عن العمل، وفي حالة انقطاع عن العمل لعدة أيام، يمكن إدارة حالة البطارية التي تستخدمها على نحو استراتيجي لساعات الليل التي لا تتوفر فيها الطاقة الشمسية.
دعم المشاريع الصغيرة اللامركزية
والتخزين الموزع هو حجر الزاوية في الميكروفد الحديثة، حيث أن الميكرويد هو مجموعة محلية من الحمولات والجيل يمكن أن يفصل عن الشبكة الرئيسية ويعمل بصورة مستقلة، كما أن وحدات متعددة من نظام إدارة المعلومات الاقتصادية في منطقة مجهرية توفر فائضا، وإذا فشلت بطارية واحدة، تحتفظ بعضها الآخر بالطاقة، ويجري نشر هذا الهيكل في المخيمات والقواعد العسكرية والمجتمعات المحلية السكنية لضمان الاستمرارية خلال حالات الطوارئ الطويلة مثل حرائق الغابات أو الأعاصير.
تنظيم التردد ونوعية الطاقة في طرق الطوارئ
حتى عندما تبقى الشبكة سليمة في حالة الطوارئ، فإن نوعية الطاقة غالبا ما تتحلل بسبب جيل غير مستقر، ويمكن أن تقدم هذه المهمة استجابة سريعة للترددات لتثبيت النظام، وفي حالة الجزر، تحتفظ خوارزميات التحكم في الغلافين بالفولط والتواتر في حدود آمنة، وحماية الإلكترونيات الحساسة والسيارات، وكثيرا ما تغفل هذه المهمة، ولكنها حرجة في حالات الطوارئ الطويلة التي تسود فيها ظروف الشبكة.
دراسات الحالة الحقيقية في العالم: الدراسة الاستقصائية في مجال العمل
ويوضح فحص عمليات النشر المحددة القيمة العملية للتخزين الموزع للقوة في حالات الطوارئ.
بورتوريكو: عالم المستقبل + التخزين بعد الهراكين
وعقب إعصار ماريا في عام 2017، الذي دمر شبكة الجزيرة، عجلت بورتوريكو بنشر نظم تخزين الطاقة الشمسية - الإضافية - السكنية والتجارية، وبحلول عام 2023، كان أكثر من 000 100 منزل قد ركّز هذه النظم، مما أنشأ شبكة موزعة تقل كثيراً عن المدة التي قضاها، وفي أعقاب إعصار فيونا في عام 2022، شهدت المجتمعات المحلية التي لديها نظام إدارة الطاقة انخفاضاً في حالات انقطاع الكهرباء.
مستشفى كاليفورنيا: ميكروغريدس لبحر النار
وقد أرغمت مكوكات الطاقة الكهربائية في كاليفورنيا أثناء مواسم إطلاق النار البرية المستشفيات على الاستثمار في الطاقة الاحتياطية، وقد حل العديد منها محل مولدات الديزل التي لديها نظم تخزين كبيرة لليثيوم، وعلى سبيل المثال، قام مركز كايزر الدائم لطب ريموند بتركيب بطارية 2.5 ميغاه مقترنة بصفيفة شمسية واحدة، وأثناء عمليات الإغلاق، يوفر النظام 100 في المائة من الطاقة الكهربائية في حالات الطوارئ لمدة تصل إلى 72 ساعة، مما يقلل من القدرة على توليد الطاقة الكهربائية.
اليابان: التخزين على مستوى المجتمع المحلي بعد فوكوشيما
وبعد كارثة فوكوشيما، أعادت اليابان صياغة سياساتها في مجال الطاقة لتعزيز التخزين الموزع، وفي مدن مثل فوجيساوا، تدمج المدن الذكية البطاريات المجتمعية المشتركة التي يمكن أن تُدير ملاجئ الطوارئ خلال الزلازل، وتُدمج هذه النظم مع شبكة التوزيع المحلية وتُدمج تلقائياً في الجزيرة عندما تكتشف أجهزة الاستشعار الزلزالية الخنادق، ونتيجة لذلك نموذج لمرونة المناطق الأخرى المعرضة للزلازل.
Remote Communities in Alaska: Off-Grid DESS
ويعتمد العديد من قرى ألاسكا على مولدات الديزل الباهظة الثمن، وقد مكّنت هذه المجتمعات من تحقيق نسبة 90 في المائة من التغلّب المتجدد في الوقت الذي تحافظ فيه على قدرة طارئة موثوقة، وعندما تضرب البطاريات سلاسل الإمداد بالديزل، من توفير الاحتياطي النهائي، وتثبت هذه المشاريع أن إدارة الطاقة يمكن أن تحقق منافع اقتصادية وطارئة في أكثر البيئات صعوبة.
التحديات والنظر في تنفيذ نظام تقديم الدعم في حالات الطوارئ
وعلى الرغم من وعدها، فإن تخزين الطاقة الموزع ليس حلاً للحلول، ويجب التصدي للعديد من التحديات من أجل تحقيق أقصى قدر من الفعالية في حالات الطوارئ.
التكاليف الرأسمالية الأولية
وفي حين انخفضت تكاليف البطاريات بأكثر من 80 في المائة خلال العقد الماضي، فإن منشآت نظام إدارة الديون والتحليلات الكبيرة لا تزال بحاجة إلى استثمارات كبيرة، ففي كثير من المدن والأعمال التجارية الصغيرة، تظل التكلفة الأولية حاجزا، فالحوافز الاتحادية والحكومية، مثل الائتمان الضريبي للاستثمار، للتخزين في الولايات المتحدة، تساعد على تعويض التكاليف، ولكن الاعتماد غير متساو على الصعيد العالمي.
تدهور البطارية وصيانتها
وتتدهور بطاريات الليثيوم -يون بمرور الوقت، وتفقد القدرة على كل دورة من دورات تخفيف الرسوم، وقد لا تؤدي البطارية التي توفر 4 ساعات من الدعم في التركيب إلا بعد مرور 3 ساعات على 10 سنوات، ويجب أن تُدرج نظم الطوارئ في الاعتبار، وأن على المشغلين خطة صيانة تشمل اختبارات دورية للقدرات واستبدالها في نهاية المطاف، ويمكن أن تمتد برامجيات إدارة الذكاء التي تقلل من التدوير أثناء الاستخدام غير للطوارئ إلى الحياة.
السلامة ومخاطر الحرائق
وقد أثارت أحداث المجرى الحراري في بطاريات الليثيوم -يون شواغل تتعلق بالسلامة، خاصة عندما يتم تركيب النظم في المباني المحتلة، كما أن الإدارة الحرارية السليمة والعزلة الميكانيكية ونظم إطفاء الحرائق هي أمور أساسية، كما أن معايير الصناعة مثل 03595 و855 من طراز NFPA توفر مبادئ توجيهية للتركيب الآمن، حيث تنضج التكنولوجيا، فإن الكيمياء الأكثر أمانا مثل فوسفات الحديد الليثيوميوم أصبحت أكثر شيوعا في تطبيقات الطارئة.
العقبات التنظيمية والترابطية
ويجب أن تمتثل إدارة خدمات الدعم الميداني لقواعد الربط الشبكي المحلية التي تختلف اختلافا كبيرا، ففي مناطق كثيرة، تضع المرافق قيودا على الجزر أو تحتاج إلى مناشف متقدمة، ويمكن لعمليات التأجيل أن تؤخر النشر، ويبسط صانعو السياسات في الولايات القضائية التطلعية الموافقات على مشاريع التخزين التي لها فائدة واضحة في مجال القدرة على التكيف، وقد لاحظت IEA أن إزالة الحواجز التنظيمية أمر حاسم في كشف كامل إمكانات التخزين.
التعقيد والتصميم
ويتطلب تصميم نظام إدارة العمليات من أجل الطاقة في حالات الطوارئ تحليلا دقيقا للشحن، وافتراضات لمدد الإجازات، والتكامل مع الجيل الحالي، وتجاوز حجم أموال النفايات، ونقص الاستبعادات من المخاطر، وتفتقر منظمات كثيرة إلى الخبرة الهندسية اللازمة لتحقيق الاستفادة المثلى من النظم، ويبرز مديرو الطاقة من الأطراف الثالثة ونماذج الخدمات البالغة الصغر لسد هذه الفجوة.
المستقبل: الدور المتطور للخزن الموزَّع في التأهب لحالات الطوارئ
وفي المستقبل، ستزيد عدة اتجاهات من دور إدارة خدمات الدعم الميداني في إمدادات الطاقة في حالات الطوارئ.
Integration with Smart Grids and VPPs
والتخزين الموزع هو عنصر أساسي من عناصر محطات توليد الطاقة الافتراضية - شبكات من الأصول الصغيرة التي تجمع للعمل كمحطة كبيرة للطاقة، وفي حالات الطوارئ، يمكن للشراكات المحلية أن ترسل الطاقة المخزنة إلى حمولات حرجة في جميع أنحاء المنطقة، كما أن تكنولوجيات الشبكة الذكية تتيح الاتصال في الوقت الحقيقي بين وحدات إدارة خدمات الدعم الميداني، مما يتيح الاستجابة المنسقة لعدم الاستقرار في الشبكات، فمع تحسن المعلومات الاستخبارية الصناعية القدرات التنبؤية، ستؤدي إلى حدوث حالات أولية للتحميض.
تكنولوجيات تخزين أطول أجلاً وخياراً
وطول فترة الليثيوم 2-4 ساعة يعمل في حالات طوارئ كثيرة، لكن الإجازات المتعددة الأيام تتطلب تخزيناً أطول، وبطاريات التدفق، والزنك، وكيمياء الحديد، يمكن أن توفر 8 إلى 100 ساعة من الدعم بتكلفة أقل لكل كيلوواط، والبحوث إلى [الشبكة: صفر]] تخزين الطول الطويل الأجل ، خصوصاً قد تخسر فترات التأهب للطوارئ.
الاعتبارات المجتمعية والمتعلقة بالمساواة
وكثيراً ما تكون فرص الوصول إلى الطاقة في حالات الطوارئ غير متكافئة، فالحياء المنخفضة الدخل والمناطق الريفية أكثر عرضة للتأثر بفقدان طويل، ومن المرجح أن تؤدي مشاريع التخزين الموزعة التي تصمم بإنصاف في العقل، مثل التخزين الجماعي للطاقة الشمسية المعززة في المساكن العامة، إلى سد الفجوة في القدرة على التكيف، حيث أن العديد من برامج الدولة تشمل الآن معايير الإنصاف في حوافز التخزين، ومن المرجح أن يتسارع هذا الاتجاه مع تزايد وضوح التكلفة المجتمعية لعدم الاعتماد على الشبكات.
السياسة العامة والنمط التنظيمي
وتعترف الحكومات في جميع أنحاء العالم بأن نظام إدارة الطاقة في العالم يشكل بنية أساسية حاسمة، وتهدف إدارة الطاقة في الولايات المتحدة في عام 2023 إلى تخفيض تكاليف التخزين بنسبة 90 في المائة بحلول عام 2030، وتشمل خطة الاتحاد الأوروبي المتعلقة بشبكة الطاقة المتجددة أحكاماً للتخزين الموزع كجزء من أمن الطاقة في حالات الطوارئ، ومع توسع ميزانيات التكيف مع المناخ، سيستمر التمويل لمشاريع التخزين المرنة في النمو.
الخلاصة: بناء نظام أقوى للطاقة مع نظام إدارة الطاقة
إن تخزين الطاقة الموزعة ينتقل بسرعة من تكنولوجيا النشوء إلى أداة رئيسية لتوريد الطاقة في حالات الطوارئ، وقدرتها على توفير الدعم عبر الحدود، وتحقيق الاستقرار في الشبكات، والتخفيف من عبء العمل، والتكامل المتجدد، يجعل من المناسب بشكل فريد مواجهة تحديات مناخ أكثر تقلباً، إذ أن عمليات النشر في العالم الحقيقي من بورتوريكو إلى كاليفورنيا تدل على أن إدارة الطاقة يمكن أن توفر الأرواح، وتخفض الخسائر الاقتصادية، وتتسارع الانتعاش بعد الكوارث.