هل يمكن لأنظمة تخزين الطاقة العمل كمحطة طاقة منفصلة عن الشبكة دون انقطاع؟

مقدمة 

تخيل عالماً يخلو من محطات الطاقة القائمة على الوقود الأحفوري ويعتمد بالكامل على الطاقة المتجددة؟

 بينما نواجه اليوم تقلباتٍ كثيرة في الظروف الجوية والتي أثرت على حياتنا بشكل واضح نتيجة تغير المناخ، تسعى الدول والحكومات إلى وضع حد للتقليل من آثار التغير المناخي. وبالتأكيد كانت الوسيلة المُثلى لتحقيق هذا الهدف هي من خلال التحول نحو مصادر طاقة بديلة وصديقة للبيئة بدلاً من مصادر الوقود الأحفوري.

توفر مصادر الطاقة المتجددة حلاً منطقياً لمواجهة هذه المشكلة، ولكن ومع مرور الوقت وتطور التقنيات في صناعة الطاقة الكهروضوئية، ويبقى السؤال المطروح هل يمكننا الاعتماد وبشكل كبير على مصادر الطاقة المتجددة لتشغيل أنظمة محددة أو شبكات كهربائية؟ حتى إن هنالك بعض الدراسات والحالات على أرض الواقع التي نجحت بالفعل في تشغيل شبكة مُصغَرة (على الجهد متوسط) بشكل منفصل كلياً عن الشبكة الرئيسية وبالاعتماد على مصادر الطاقة المتجددة وأنظمة تخزين الطاقة. 

لكن هل سيترتب على عملية التحول من الشبكة الرئيسية إلى الشبكة المصغرة أية آثار؟ وما هي آلية تشغيل الشبكات المصغرة بالاعتماد على الطاقة المتجددة؟ جميع هذه المواضيع وأكثر سنتناولها في هذا المقال.

كيف يمكن استخدام أنظمة تخزين الطاقة والطاقة المتجددة لبناء شبكة مصغرة تعمل في الوضع المنفصل عن الشبكة؟

يجب أن نعي أولاً أن تشغيل شبكة مصغرة (على الجهد متوسط) بالاعتماد على مصادر الطاقة المتجددة بشكل كامل يعني إمكانية تطبيق هذا النهج على الشبكات الأوسع والأكبر مستقبلاً.

يمكن تشغيل شبكة كهربائية مستقرة تماماً و بالاعتماد على الطاقة المتجددة من خلال الانتقال من وضع الاتصال بالشبكة إلى الوضع المنفصل عنها – تزويد الأحمال بالطاقة الكهربائية من أنظمة الطاقة المتجددة أو البطاريات – لكن عملية الانتقال هذه قد تتسبب بانقطاع التيار الكهربائي عن الأحمال، وللحفاظ على استقرار إمدادات الطاقة خلال عملية التحويل بين الشبكة الرئيسية والشبكة المصغرة يأتي دور عاكس البطارية، ولكن قبل الحديث عن دور عاكس البطارية سنتحدث أكثر عن عمليات الفصل والاتصال بالشبكة.

آلية فصل وتشغيل الشبكات المصغرة مع الشبكات الرئيسية

يوضح الشكل 1 عملية فصل وتشغيل الشبكات المصغرة مع الشبكات الرئيسية. خلال عملية الفصل يمكن أن يحدث انقطاع للتيار كما هو في النقطة (أ) ثم البدء بالتشغيل كما هو في النقطة (ج)، أو يمكن أن تقوم الشبكة بمحاولة الحفاظ على الإمداد دون انقطاع بعد الانفصال كما هو في النقطة (ب)، لكن هذه الحالة تحتاج إلى متطلبات وعمليات ضبط أكثر عند مرحلة المزامنة بالشبكة والتوصيل بها من جديد. وبالمقابل يمكن إنهاء الوضع المنفصل عن الشبكة بعكس الطريقتين، وفي كلا الحالتين، يمكن إيقاف تشغيل شبكة الكهرباء المنفصلة عند النقطة (د) وإعادة توصيلها بالشبكة الرئيسية في مرحلة تصل فيها قيمة الجهد للشبكة المصغرة إلى صفر كما هو في النقطة (هـ)، أو يمكن إعادة التزامن بين الشبكة المصغرة والشبكة الرئيسية والتوصيل بينهما من خلال مفتاح تزامن كما هو في (و).

دراسة حالة ودور عاكس البطارية

أجرت شركة للخدمات العامة في ألمانيا Versorgungsbetriebe Bordesholm VBB دراسة قامت من خلالها باختبار تشغيل شبكة مصغرة ذات جهد منخفض بشكل منفصل عن الشبكة الرئيسية، استخدمت الشركة عواكس البطارية (Sunny Central Storage inverter) من SMA، والتي تعمل في الوضعين المتصل بالشبكة والمنفصل عنها ليقوم هذا العاكس بعملية الربط بين أنظمة تخزين الطاقة أو أنظمة الطاقة المتجددة مع الأحمال، وذلك بهدف تجنب انقطاع الطاقة عن تلك المنطقة خلال حالات الطوارئ أو خلال عملية التبديل، أي أن هذه الدراسة تهدف إلى تحقيق الانتقال من (ب) إلى (و) دون وقوع أخطاء.

خلال هذه الدراسة تم تزويد مستهلكي الشبكة بالطاقة من الأنظمة الشمسية الكهروضوئية (حوالي 1.4 ميجاواط ذروة) ومحطات للطاقة الحيوية (2.4 ميجاواط)، وتقوم هذه الأنظمة بشحن أنظمة تخزين الطاقة بالبطاريات في حالة زيادة الإنتاج مقارنة بالطلب على الطاقة. إضافة معلومات عن المنطقة وعدد السكان. كما يتم ذكر أن الأحمال تم تشغيلها 100% من الطاقة المتجددة خلال فترة الإختبار (ساعة زمن).

يتميز عاكس (Sunny Central Storage inverter) بكفاءة تصل إلى 98.6% ويمكن تشغيله ضمن درجات حرارة تتراوح بين -25 إلى 50 درجة مئوية، ويتوافق مع جميع تقنيات البطاريات.

تتراوح قيمة أقصى جهد للتيار المستمر من جهد البطارية للطرازات المختلفة للعاكس عند أقصى استطاعة لجهة التيار المتردد من 500 – 1,100 فولط، وتتراوح أقصى استطاعة للتيار المتردد من جهة الشبكة له من 1,900 – 2,670 كيلوفولط أمبير.

لمعلومات أكثر حول هذه الدراسة من خلال الرابط:

https://www.sma.de/en/large-scale/stand-alone-grid-bordesholm-region?utm_source=solarabic_website

شبكات كهربائية قائمة بحد ذاتها على الطاقة المتجددة

أثبت عدد من مشاريع الشبكات المصغرة في ألمانيا التي تعمل في الوضع المنفصل عن الشبكة نجاحها وقدرتها على إمداد الطاقة اللازمة وأكثر مثل LINDA في Niederschönenfeld و IRENE / IREN2 في Wilpoldsried. حيث يتم تزويد المحطة المنفصلة بالطاقة عن طريق محطة طاقة كهرومائية كبيرة. كما يتم تزويد شركة Körberle et al بالطاقة من محطات الطاقة الكهروضوئية والغاز الحيوي وطاقة الرياح التي تولد زيادة بنسبة الطاقة ما يصل إلى 500% من الطلب، ولكن لم يتم تنفيذ شبكة مصغرة مع نظام أنظمة تخزين الطاقة مثل VBB من قبل.

ولتسهيل الفصل والانتقال بين الشبكة الرئيسية ووضع الانفصال عنها بسلاسة أو في حالات الطوارئ ودون انقطاع للتيار تستخدم الشبكة مفتاح اقتران تزامن عند نقطة التوصيل مع الشبكة، وهذا يعني أن هذا المشروع قد وصل لمرحلة لم تصل إليها أي تجارب أو شبكات أخرى بنجاح.

خلاصة 

يمكن تشغيل أنظمة مصغرة أو شبكات الجهد المتوسط بشكل منفصل عن الشبكة عند ربطها بأنظمة لتوليد الطاقة والتي غالباً ما تكون أنظمة طاقة متجددة؛ لأنه الهدف من هذه العملية بشكل عام هو اختبار الاعتماد على الطاقة المتجددة بشكل كامل بدلاً من مصادر الوقود الأحفوري.

يتطلب هذا أيضاً بالعادة وجود أنظمة تخزين طاقة للحفاظ على الإمداد الثابت للطاقة إلى الأحمال خصوصاً في حالات زيادة الطلب عن الإنتاج، أو في حالات الطوارئ أو توقف إنتاج مصادر الطاقة المتجددة.

وأخيراً، يلزم لتحقيق الانتقال السلس بين الشبكة العامة والشبكات المصغرة المنفصلة عن الشبكة جهاز يؤمن هذه العملية دون الوصول لمرحلة انعدام الجهد أو إلى مرحلة المزامنة التي قد تستغرق وقتاً قصيرا وهذا غير مقبول لعاكس البطارية (Sunny Central Storage inverter) من SMA.