كيف :: حلول تخزين الطاقة آخذة في التغير إدارة الطاقة في المدينة

The Growing Need for Energy Storage in Modern Cities

ومع ارتفاع الطلب على الطاقة في المناطق الحضرية وارتفاع الطلب على الكهرباء، تواجه شبكات الطاقة في المدن ضغوطا غير مسبوقة، ولم يعد توليد الطاقة المركزية التقليدية والتوزيع في اتجاه واحد كافيا لمعالجة التقلبات التي أدخلتها مصادر الطاقة المتجددة مثل الطاقة الشمسية والريحية، وقد برز تخزين الطاقة الحضرية كحل حاسم، مما مكّن المدن من تحقيق التوازن بين العرض والطلب في الوقت الحقيقي، ويقلل الاعتماد على محطات ذروة الوقود الأحفوري، ويحسن قدرتها على الصمود.

ووفقاً لـ U.S. Department of Energy ]، يشكل تخزين الطاقة عاملاً رئيسياً في التمكين من إقامة شبكة حديثة مرنة، وفي المدن، تؤدي القيود الفضائية وارتفاع كثافة السكان إلى جعل تكنولوجيات تخزين مدمجة وكثيفة الكثافة، قيمة بوجه خاص، ومن المتوقع أن تنمو سوق تخزين الطاقة الحضرية العالمية بسرعة، مدفوعة بتراجع تكاليف البطاريات، وسياسات داعمة، والحاجة إلى دمج توليد الطاقة المتجددة الموزعة على نطاق واسع.

دور تخزين الطاقة في إدارة الطاقة الحضرية

ويتجاوز تخزين الطاقة الحضرية مجرد تخزين الكهرباء، وهو يوفر مجموعة من خدمات الشبكة التي تعزز موثوقية وكفاءة واستدامة نظم الطاقة في المدن، ويمكن نشر هذه النظم على نطاق المرافق العامة، أو في المباني التجارية، أو حتى في الأحياء السكنية، مما ينشئ شبكة موزعة من الموارد المرنة.

نظام الموازنة والتواتر

ومن المهام الرئيسية لتخزين الطاقة الحفاظ على استقرار الشبكة، وعندما يحدث ارتفاع مفاجئ في الطلب أو انخفاض في الجيل، يمكن لنظم التخزين أن تحقن أو تستوعب الطاقة في غضون ثواني، وأن تبقي الفولطية والتواتر داخل نطاقات التشغيل الآمنة، وهذه القدرة مهمة بصفة خاصة حيث تضيف المدن مصادر متجددة متقطعة أكثر مما يمكن أن يتسبب في حدوث تقلبات سريعة في إمدادات الطاقة.

باء - خفض رسوم تقديم الطلبات

وكثيرا ما تواجه المرافق التجارية والصناعية رسوما عالية الطلب على استهلاكها من الطاقة الذروة، فبتخزين الطاقة خلال ساعات العمل خارج أوقات الذروة، وإطلاقها خلال فترات الذروة، يمكن أن تقلل نظم التخزين هذه التكاليف بدرجة كبيرة، وهذه الممارسة المعروفة بحجم الحلاقة إلى حد يقلل أيضا من الضغط على الشبكة، مما يؤخر الحاجة إلى تحسين الهياكل الأساسية باهظ التكلفة.

قوة الدعم والقدرة على التكيف

ويمكن أن تؤدي الكوارث الطبيعية والهجمات الإلكترونية وفشل المعدات إلى تعطيل إمدادات الطاقة الحضرية، وتوفر الطاقة الكهربائية الاحتياطية الفورية للمرافق الحرجة مثل المستشفيات ومراكز الاستجابة لحالات الطوارئ ومحطات معالجة المياه، ويمكن للتخزين، عند الجمع مع توليد الطاقة المتجددة، أن يبقي الخدمات الأساسية قيد التشغيل حتى أثناء فترات انقطاع طويلة.

أنواع تكنولوجيات تخزين الطاقة الحضرية

وتُنشر تكنولوجيات مختلفة في البيئات الحضرية، وكل منها له خصائص فريدة تناسب التطبيقات المختلفة.

Battery Energy Storage Systems (BESS)

وتهيمن بطاريات الليثيوم -يون على مشهد التخزين الحضري بسبب كثافة الطاقة العالية فيها، والاستجابة السريعة، وانخفاض التكاليف، وهي تستخدم في كل شيء من الوحدات السكنية الصغيرة إلى منشآت متعددة النطاقات، وتتوسع البطاريات المتدفقة مثل تخزين اللافاديوم - العادم، ويتزايد النظر فيها في الطلبات التي تتطلب 4-12 ساعة من التصريف.

تخزين الهيدروجين المأجور

وعلى الرغم من أن المياه المضخة التي تُستخدم عادة في المناطق الجبلية يمكن تكييفها في البيئات الحضرية باستخدام الخزانات الجوفية أو الهياكل الأساسية للمياه القائمة، فعلى سبيل المثال، تستخدم مدن مثل سيول المياه المضخة في السدود المجاورة لتوفير تخزين الطاقة السائبة واستقرار الشبكات، وفي حين أن إنتاج المياه الكثيفة الكثيفة والمقيدة جغرافيا، فإنها توفر قدرات تخزين كبيرة جداً وفترات طويلة.

تخزين الطاقة في الفلفل

ويخزن العجلات طاقة حركية في رواد دائري ويمكن أن يحقق إنتاجا عاليا من الطاقة لفترة قصيرة (من الثانية إلى دقائق) ويتفوق في تنظيم التردد ويخفف التقلبات السريعة من مصادر الطاقة المتجددة، وفي المدن، كثيرا ما تقترن طائرات ببطاريات لإنشاء نظم هجينة تجمع بين الاستجابة السريعة وبين استمرار تقديم الطاقة.

تخزين الطاقة الحرارية

ويلتقط التخزين الحراري الحرارة أو البرودة للاستخدام في وقت لاحق، ويقلل من الحمولة على نظم التدفئة والتبريد الكهربائية، وتنتج نظم تخزين الثلج في المباني التجارية الجليد في الليل عندما تكون الكهرباء أرخص وتستخدمها في تكييف الهواء النهاري، وبالمثل، يستخدم تخزين الملح المغنطيسي في تركيز محطات الطاقة الشمسية ولكن يمكن أيضا دمجه في شبكات التدفئة في المناطق الحضرية الكثيفة.

تخزين الهواء والهيدروجين المكثف

وتستخدم مخزون الطاقة الجوية المكثفة فائضاً في الكهرباء لضغط الهواء في كهوف تحت الأرض أو صهاريج مجهزة بالضغط، مما يحررها لحمل التربينات، وفي حين أن المشاريع التجريبية أقل شيوعاً في المدن بسبب الاحتياجات الفضائية، فإنها تستكشف مقياساً أصغر من حيث الطاقة، ويمكن تخزين الهيدروجين الأخضر الذي ينتج عن طريق التحلل الكهربائي واستخدامه لاحقاً في خلايا الوقود أو توربينات الاحتراق، مما يتيح إبطال مفعول نظم تخزين الطاقة في المناطق الحضرية.

الفوائد الرئيسية لإدارة طاقة المدينة

ويحقق اعتماد تخزين الطاقة فوائد متعددة مترابطة تعزز نظم الطاقة الحضرية وتدعم أهداف الاستدامة.

Enhanced Grid Reliability and Resilience

ومن خلال توفير الطاقة الاحتياطية والاستجابة السريعة، يقلل التخزين من تواتر ومدة التجاوزات، وفي المدن المعرضة للأحوال الجوية القصوى، يمكن أن تكون نظم التخزين محمولة حرجة في الجزر وأن تحتفظ بالطاقة اللازمة للخدمات الأساسية، وهذه القدرة على التكيف أولوية عالية للمخططين المحليين ومشغلي المرافق.

تيسير تكامل الطاقة المتجددة

إن توليد الطاقة الشمسية والريحية متغيران بطبيعتهما، فالتخزين يزيل الذروة والوادي، ويتيح للمدن أن تستضيف حصة أكبر من المتجددات دون زعزعة استقرار الشبكة، فعلى سبيل المثال، يمكن للمدينة التي تعمل بالطاقة الشمسية أن تخزن فائضا في منتصف النهار وتتخلص منه خلال فترة الذروة المسائية، مما يؤدي إلى نقل جيل الشمس بصورة فعالة إلى ساعات ليلية.

الاستحقاقات الاقتصادية وخفض التكاليف

ويقلل تخزين الطاقة من الحاجة إلى محطات توليد الطاقة التي تبلغ ذروتها باهظة الثمن والتي لا تدوم عادة سوى بضع مئات من الساعات في السنة، كما يقلل من تكاليف الكهرباء بالجملة عن طريق خفض ارتفاع الأسعار أثناء الطلب، وبالنسبة لحاملي الأسعار، يمكن للتخزين أن يقلل فواتير الكهرباء عن طريق تحقيق الحد الأقصى من حركتها والوقت اللازم للاستخدام، ووفقا لدراسة أجراها فريق البلورات ، يمكن أن تُخُصُصُصُصُصُصُ المئاتُصُصُ على المُصُصُصُصُل من مُلُلُ المُ المُصُلُ المُ المُ المُوِّقَفُوِّلُ المُ المُوِّقَفُوِّات.

المنافع البيئية والصحية العامة

ومن خلال تفكيك محطات ذروة الوقود الأحفوري - التي كثيرا ما تحرق الغاز الطبيعي أو تخزين الديزل - تؤدي إلى الحد من تلوث الهواء وانبعاثات غازات الدفيئة، وهذا يعود بالفائدة بصفة خاصة على المناطق الحضرية الكثيفة السكان حيث تشكل نوعية الهواء السيئة مخاطر صحية خطيرة، كما أن التخزين يدعم أيضا الهياكل الأساسية للشحن بالمركبات الكهربائية، مما يتيح نقلا أنظف.

استثمارات البنية التحتية المؤجلة

إن رفع مستوى المظالم، مثل خطوط النقل الفرعية الجديدة، مكلفة وتستغرق سنوات للتخطيط والبناء، ويمكن للتخزين الذي يتم وضعه استراتيجيا أن يخفف من الاكتظاظ على الخطوط القائمة ويؤجل النفقات الرأسمالية، ويتزايد اعتماد نهج " غير السعر " هذا من قبل المرافق في مدن مثل نيويورك ولوس أنجلوس.

التنفيذ العالمي الحقيقي ودراسات الحالات الإفرادية

وتقوم مدن عديدة في جميع أنحاء العالم بنشر مخزون للطاقة لتحديث نظم الطاقة فيها، وتوضح الأمثلة التالية تنوع التطبيقات والآثار القابلة للقياس.

لوس أنجلوس، كاليفورنيا: مستودع البطارية الكبير

وقد التزمت لوس أنجليس بتوليد الكهرباء المتجددة بنسبة 100 في المائة بحلول عام 2035، ودعما لهذا الهدف، قامت إدارة المياه والطاقة في لوس أنجلوس بتركيب عدة مشاريع واسعة النطاق لتخزين البطاريات، بما في ذلك مرفق تخزين 400 ميغاه لونا ومشروع 800 ميغاه في موقع محطة غاز سابقة، وتساعد هذه البطاريات على دمج منشآت الطاقة الشمسية والريحية الضخمة مع تحسين موثوقية الشبكات أثناء موجات الحرارة وحرائقها البرية.

مدينة نيويورك: استبدال النباتات الخبيثة وتخزينها المجتمعي

Under its Climate Leadership and Community Protection Act, New York State aims to phase out fossil-fuel toper plants. In New York City, the Ravenswood toper plant site is being partially replaced with a 316 MWh battery system. Additionally, community solar-plus-storage projects in Brooklyn provide supportive power and reduce demand on aging feeders. The New York State Energy Research and Development Authority (

Seoul, South Korea: Pumped Hydro and Smart Grids

(سيول) قام بضخ مخزن مائي في سد (تشونغ بيونغ) ومستودعات أخرى لموازنة شبكته، كما تدير المدينة سريراً اختبارياً ذكياً على جزيرة (جيجو) يدمج البطاريات والمركبات الإلكترونية والمترات المتقدمة، وتشمل خطة الطاقة في (سيول) نشر 10 آلاف ميغاواط من التخزين بحلول عام 2030 لدعم تحولها إلى مصادر متجددة.

سنغافورة: تخزين كهرباء وبطارية

وقد قامت سنغافورة، وهي دولة من المدن ذات أرض محدودة، بنشر مزرعة شمسية عائمة تبلغ ٦٠ ميغاواط في خزان تينغيه، مقترنة بنظام بطارية يبلغ ٧,٥ ميغاه، وتيسر البطارية إنتاج الطاقة الشمسية وتوفر تنظيما للتواتر، وتقوم هيئة سوق الطاقة في سنغافورة باستكشاف تخزين الهيدروجينات وعمليات المحاكاة الرقمية المزدوجة من أجل تحقيق أقصى قدر من عمليات التخزين في المناطق الحضرية.

أمستردام، هولندا: مركبة إلى غريد ومخزن محلي

أمستردام قائد في تكنولوجيا المركبات إلى الشبكة، مستخدماً أجهزة الأشعة السينية كوحدات تخزين متنقلة، وتشمل مبادرة المدينة " أمستردام سمارت سيتي " محاور بطارية للحي التي تستوعب فائض الطاقة الشمسية من أسطح المنازل وتتقاسمها بين السكان، كما تقدم هذه المراكز خدمات مساعدة للشبكة الهولندية.

التحديات والحدود التي تواجه تخزين الطاقة الحضرية

ورغم وعدها، فإن نشر تخزين الطاقة في المدن يواجه عدة عقبات يجب معالجتها من أجل اعتمادها على نطاق واسع.

التكلفة والقابلية للرؤية الاقتصادية

وفي حين انخفضت تكاليف البطاريات انخفاضاً كبيراً، فإن رأس المال الأولي لا يزال كبيراً بالنسبة للمشاريع الكبيرة، وكثيراً ما تكون تكاليف السرقة مثل السماح، والترابط، والتمويل إضافة إلى المجموع، كما أن تدفقات الإيرادات من الخدمات المتعددة الشبكة - التحكيم في مجال الطاقة، ومدفوعات القدرات، والخدمات الإضافية - غير كافية لإعادة الاستثمار دون إعانات أو تعريفات مواتية.

مضيق الفضاء والسلامة

وفي المدن الكثيفة، يصعب إيجاد عقارات مناسبة لتخزين المواد ذات النطاق الصلاحي، إذ يمكن تركيب أو دمجها تحت الأرض في قبو المباني، ولكن ذلك يثير التهوية، وسلامة الحرائق، والشواغل الهيكلية، وتثير بطاريات الليثيوم مخاطر الحريق إذا لم تدار على النحو المناسب، مما يدفع إلى وضع مدونات صارمة لإطلاق النار، ومتطلبات تأمين يمكن أن تبطئ النشر.

الحواجز التنظيمية والأسواق

ولا تزال أسواق الكهرباء تفتقر إلى قواعد تسمح بالتخزين بالتنافس بشكل عادل مع الجيل التقليدي، وقد تصنف الأنظمة القديمة التخزين على أنه جيل وحمولة، مما يعقّد الترابط والهياكل التعريفية، وفي بعض الولايات، لا يمكن للتخزين أن يشارك في أسواق القدرات أو أن يكسب إيرادات من أجل تجنب الانبعاثات.

دورة الحياة وقضايا الاستدامة

ويعتمد إنتاج البطاريات على المعادن الحرجة مثل الليثيوم والكوبالت والنيكل، التي يثير استخراجها شواغل بيئية وأخلاقية، ولا تزال عمليات إعادة التدوير في نهاية العمر آخذة في التطور، وبدون ممارسات اقتصادية دائرية قوية، يمكن أن يؤدي التخزين على نطاق واسع إلى توليد كميات كبيرة من النفايات، ويتجه المطورون بشكل متزايد إلى البطاريات الإلكترونية ذات العمر الثاني والكيمياء البديلة (مثلاً، معالجة الأيونيوم، قضايا الحديد).

مستقبل تخزين الطاقة الحضرية

وفي المستقبل، ستشكل عدة اتجاهات وابتكارات كيفية نشر المدن والاستفادة من تخزين الطاقة.

التكامل مع الخضروات الذكية وذوي العيادات

ويمكن أن تؤدي نظم المراقبة المتقدمة باستخدام الاستخبارات الاصطناعية والتعلم الآلي إلى تحقيق أقصى حد ممكن في إرسال التخزين استنادا إلى التنبؤات الجوية والتسعير في الوقت الحقيقي وظروف الشبكة، ويمكن لنظم التخزين هذه " الذكية " أن تشارك بصورة مستقلة في أسواق الطاقة، وتوفر خدمات الشبكة، وتنسق مع الملايين من البطاريات الموزعة، والمركبات الإلكترونية، والأجهزة الذكية.

مركبة إلى مركبة (V2G) التوسع

ومع تزايد اعتماد المركبات الإلكترونية، ستتحول طاقة البطاريات المتوقفة في المدن كل ليلة إلى مورد تخزين موزع على نطاق واسع، وتسمح تكنولوجيا V2G بشحنات ثنائية الاتجاه، مما يتيح للمشتغلين بالمركبات الإلكترونية إعادة بيع الطاقة إلى الشبكة خلال فترة الذروة المطلوبة، وقد أظهرت المشاريع الرائدة في أمستردام ولندن وسان دييغو جدوى تقنية وفوائد اقتصادية لملاك المركبات الإلكترونية.

الدول الصلبة والجيل القادم

وتعود البطاريات ذات الوضع الصلب إلى ارتفاع كثافة الطاقة، وزيادة سرعة الشحن، وتحسين السلامة مقارنة بـ الليثيوم -يون، ويمكنها أن تتيح المزيد من منشآت التخزين المدمجة في المناطق الحضرية المكدسة في الفضاء، وترتفع خطوط الإنتاج الرائدة، ويتوقع أن يتم النشر التجاري في غضون هذا العقد.

الحلول الطويلة الأجل المتعلقة بتخزين المواد

وبالنسبة للتحلل العميق من الكربون، ستحتاج المدن إلى تخزين يمكن أن يُصرف لمدة 10100 ساعة إضافية لتغطية الظواهر الجوية المتعددة الأيام أو التأرجح الموسمي.() وتُصمم تكنولوجيات مثل بطاريات التدفق، وبطاريات الحديد، والهيدروجين الأخضر لسد هذه الفجوة، فمثلاً، مُصممة البطارية الحديدية للطاقة لتبريد 100 ساعة بكسر في الليثيوم.

إصلاح السياسات والأسواق

المدن والولايات تسن سياسات لتسريع نشر التخزين مثل ولايات الشراء والحوافز الضريبية والسماح المبسط، يضع نظام الاتحاد الأوروبي للصيد متطلبات الاستدامة، بينما يقدم برنامج كاليفورنيا للحوافز الذاتية للتخزين خلف المقابر، وسيصبح التطور التنظيمي المستمر حاسماً في فتح كامل إمكانيات التخزين في إدارة الطاقة الحضرية.

خاتمة

إن تخزين الطاقة الحضرية هو أكثر من مجرد تحديث تكنولوجي، وهو عنصر أساسي لبناء مدن تتسم بالمرونة والاستدامة والكفاءة في المستقبل، ومن خلال تيسير تقلبات الطاقة المتجددة، وخفض الطلب على الطاقة الاحتياطية، وتأجيل الاستثمارات في الهياكل الأساسية، فإن حلول التخزين تحول بالفعل كيفية إدارة المدن للكهرباء، ونظراً لأن التكاليف لا تزال تهبط، ولأن التكنولوجيات الجديدة ناضجة، فإن التخزين سوف يصبح جزءاً أكثر تكاملاً من البنية التحتية الحضرية.