EN
Quick Links
امروزه شبکه‌های انرژی به تدریج به سمت استفاده از ترکیبی از خورشید و ذخیره‌سازی انرژی حرکت می‌کنند، جایی که صفحات خورشیدی با باتری‌های لیتیومی یا سیستم‌های باتری جریانی همراه می‌شوند. ایده اصلی در این زمینه بسیار ساده است: ذخیره کردن انرژی اضافی که در طول روز تولید می‌شود تا بتوان آن را در زمان اوج تقاضا در عصرها یا زمانی که شبکه با مشکلاتی مواجه شود، مورد استفاده قرار داد. با اینکه در حال حاضر بیش از ۲۰ درصد از برق چندین منطقه از منابع تجدیدپذیر تأمین می‌شود، شرکت‌های برق دیگر سیستم‌های باتری را به عنوان گزینه‌های اضافی و غیرضروری نمی‌بینند. بلکه شروع کرده‌اند به در نظر گرفتن آنها به عنوان بخش‌های اساسی از زیرساخت شبکه، چیزی که از همان ابتدا باید در برنامه‌ریزی‌ها لحاظ شود و نه اینکه بعداً و به عنوان یک فکر پس از واقعه به آن پرداخته شود.
افزودن ذخیره‌سازی در کنار مزارع خورشیدی باعث می‌شود تا این منابع انرژی بسیار انعطاف‌پذیرتر شوند. به عنوان مثال، نیروگاه خورشیدی ۲۵۰ مگاواتی در ایالت آریزونا را در نظر بگیرید. در ساعات اوج مصرف در عصر که همه مردم چراغ‌ها و وسایل برقی خود را روشن می‌کنند، سیستم باتری داخلی این مکان با تأمین ۱۰۰ مگاوات در طول چهار ساعت از ظرفیت ۴۰۰ مگاوات‌ساعتی خود، به شبکه کمک کرد. این امر مانع از به کار افتادن نیروگاه‌های گازی قدیمی برای چند ساعت اضافی شد. این نوع از سیستم‌ها نیاز به خطوط انتقال برق با فاصله‌های طولانی را کاهش می‌دهند و می‌توانند در واقع پس از قطعی‌های بزرگ، شبکه برق را دوباره راه‌اندازی کنند. بر اساس مطالعات اخیر انجام شده توسط NREL، شرکت‌های برق حدود ۴۰ درصد صرفه‌جویی در تنظیمات فرکانسی دشوار که برای حفظ تعادل در شبکه لازم است، را زمانی که ذخیره‌سازی را با نصب‌های خورشیدی خود ترکیب می‌کنند، تجربه می‌کنند.
اگر به تصویر کلی نگاه کنیم، به وضوح افزایشی در میزان ذخیره‌سازی انرژی در نصب‌های بزرگ خورشیدی در سراسر آمریکا مشهود است. طبق گزارش Market.us از سال گذشته، حدود سه چهارم تمام پروژه‌های خورشیدی برنامه‌ریزی شده برای سال‌های ۲۰۲۳ تا ۲۰۲۴ شامل نوعی سیستم باتری خواهند بود. این یعنی چه؟ خب، کشور ما در حال حاضر دارای حدود ۲۰٫۷ گیگاوات باتری در حال بهره‌برداری است. این رقم واقعاً قابل توجه است، چرا که این باتری‌ها می‌توانند در صورت قطعی چهار ساعته برق، حدود ۱۵ میلیون خانوار را روشن نگه دارند. چندین ایالت که هدف‌های تولید انرژی پاک را تعیین کرده‌اند، شروع به الزام به این کرده‌اند که مزارع خورشیدی جدید دارای راهکارهای ذخیره‌سازی داخلی باشند. این فشار نظارتی فرصت‌هایی را برای کسب‌وکارهایی که به به‌روزرسانی سیستم‌ها فکر می‌کنند، ایجاد می‌کند. کارشناسان تخمین می‌زنند که تنها این الزام ممکن است تا میانه دهه آینده هر سال حدود دوازده میلیارد دلار برای به‌روزرسانی سیستم‌های موجود با پشتیبانی مناسب باتری ایجاد کند.
امروزه پروژه‌های خورشیدی برق‌آلاتی عمدتاً به باتری‌های لیتیوم-یون متکی هستند، زیرا این باتری‌ها بازدهی گردش کامل تا حدود 90 درصد ارائه می‌دهند و قیمت‌های آنها اخیراً به‌طور قابل توجهی کاهش یافته است، به طوری که طبق ارقام 2023 میلادی به حدود 89 دلار در کیلووات‌ساعت رسیده است. این باتری‌ها زمانی که به مقدار زیادی انرژی در مدت کوتاهی نیاز باشد، به خوبی کار می‌کنند، معمولاً ذخیره‌سازی بین 4 تا 8 ساعت. اما حالا بازیگران جدیدی در بازار ظاهر شده‌اند، مانند باتری‌های آهن-هوا و جریانی روی-برمید که به نظر می‌رسد برای شرایطی که نیاز به ذخیره‌سازی انرژی در دوره‌های بسیار طولانی‌تری است، مناسب‌ترند، شاید از 12 ساعت تا بیش از 100 ساعت. محققان همچنین در زمینه مواد کاتدی پیشرفت‌هایی داشته‌اند و چگالی انرژی لیتیوم-یون را از مرز 300 وات‌ساعت در کیلوگرم گذرانده‌اند، که به این معنی است شرکت‌ها می‌توانند سیستم‌های باتری کوچک‌تری را بدون قربانی کردن ظرفیت برای مزارع خورشیدی خود نصب کنند.
باتری‌های حالت جامد بدلیل طراحی الکترولیت سرامیکی خود، پیشرفت‌های جدی‌ای را در مقابله با مشکلات فرار حرارتی به دست آورده‌اند که می‌تواند چگالی انرژی بالای ۵۰۰ وات‌ساعت بر کیلوگرم را تضمین کند. این سطح از عملکرد، آنها را به گزینه‌های ایده‌آلی برای راه‌حل‌های ذخیره‌سازی انرژی خورشیدی در مقیاس بزرگ تبدیل می‌کند جایی که فضا اهمیت دارد. در همین حال، فناوری یون سدیم در این چند وقت اخیر به میزان قابل توجهی پیشرفت کرده است و قابلیت‌هایی مشابه با باتری‌های لیتیومی نسل اول ارائه می‌دهد، اما هزینه تولید آن حدود ۴۰ درصد کمتر است. مواد استفاده شده در این سلول‌های سدیمی همچنین نسبت به فلزات کمیاب، تامین آنها بسیار آسان‌تر است و ترکیباتی مانند آنالوگ‌های آبی پروسی به تدریج در دایره تولیدکنندگان محبوبیت بیشتری پیدا کرده‌اند. هر دو این نوآوری‌ها به خوبی با آنچه که بسیاری از کشورها برای شبکه‌های برق خود در دهه آینده برنامه‌ریزی کرده‌اند، هماهنگ می‌شوند. اکثر دولت‌ها تا سال ۲۰۳۵ هدف ادغام ۹۵ درصدی انرژی‌های تجدیدپذیر را دارند و این گزینه‌های جدید باتری، به طور همزمان دو مشکل بزرگ را حل می‌کنند: خطرات ایمنی ناشی از فناوری‌های شیمیایی سنتی و مشکل فزاینده کمبود مواد اولیه مورد نیاز برای تولید انبوه.
سیستم‌های باتری خورشیدی امروزه به سرعت در حال گسترش هستند اما در اتصال به شبکه با مشکلات اساسی مواجه می‌شوند. طبق داده‌های NREL از سال 2023، حدود ۴۰ درصد از پروژه‌های تجدیدپذیر که با تأخیر مواجه شده‌اند به مشکلات اتصال از طریق صف‌های اتصال اشاره دارند. شبکه‌ی برق فعلی ما برای جریان یک‌طرفه طراحی شده است، بنابراین در مدیریت برقی که از آن واحدهای کوچک خورشیدی همراه با ذخیره‌سازی در مناطق مختلف به شبکه بازمی‌گردد با مشکل مواجه است. این موضوع به این معنی است که شرکت‌های توزیع برق باید هزینه‌های سنگینی را برای به‌روزرسانی پست‌های تبدیل جهت اطمینان از اجرای صحیح فرآیندها پرداخت کنند. یک مشکل دیگر ناسازگاری اینورترها با یکدیگر است. تجهیزات قدیمی‌تر به سادگی قابلیت تنظیم ولتاژ مناسب در طول چرخه‌های مکرر شارژ و دشارژ که باتری‌ها از خودشان دارند را ندارند.
دستیابی به مدیریت حرارتی مناسب برای سیستم‌های بزرگ ذخیره‌سازی باتری از اهمیت بسیار زیادی برخوردار است. زمانی که دما به درستی کنترل نشود، می‌تواند طول عمر این باتری‌ها را قبل از نیاز به تعویض تا ۳۰ درصد کاهش دهد، طبق تحقیقات انجام‌شده توسط DNV در سال ۲۰۲۲. اکثر مقررات صنعتی امروزی، سیستم‌های خنک‌کننده پشتیبان و همچنین فناوری‌های پیشرفته مهار آتش را می‌طلبد که بتوانند هرگونه افزایش دمای خطرناک را ظرف هشت ثانیه متوقف کنند. از نظر هزینه‌ها، مدیریت حرارتی حدوداً ۱۸ درصد از کل هزینه نصب یک سیستم BESS را به خود اختصاص می‌دهد. برای یک واحد ۱۰۰ مگاواتی، این مسئله معمولاً حدود ۱.۲ میلیون دلار به هزینه کلی اضافه می‌کند. رقمی قابل توجه، اما ضروری با توجه به حساسیت بالای این سیستم‌ها نسبت به مشکلات حرارتی.
در حالی که باتری‌های لیتیومیونی ۹۲ درصد از پروژه‌های جدید ذخیره‌سازی خورشیدی را به خود اختصاص داده‌اند (وود مکنزی ۲۰۲۴)، توسعه‌دهندگان با یک معامله اساسی مواجه هستند:
یک مطالعه لازارد در سال ۲۰۲۴ نشان داد که افزایش ظرفیت باتری‌ها به میزان ۲۰٪ باعث افزایش ROI پروژه از طریق طولانی‌تر شدن عمر سیستم به میزان ۳۰٪ می‌شود، هرچند هزینه اولیه بالاتر است.
تغییرات در سیاست‌های دولتی تأثیر واقعی در سرعت و نحوه اجرای باتری‌های خورشیدی در سراسر کشور ایجاد کرده است. حدود پانزده ایالت در ایالات متحده شروع به اعمال الزاماتی کرده‌اند که برای هر مزرعه خورشیدی جدید بزرگ‌تر از ۵۰ مگاوات، سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی الزامی است. در همین حال، چیزی به نام دستورالعمل FERC Order 841 وجود دارد که به طور مداوم نحوه پرداخت هزینه‌های شرکت‌های برقی در بازارهای عمده‌فروشی را تغییر می‌دهد. طبق گفته SEIA، اگر بتوانیم تمام مجوزها و الزامات کاغذی را ساده‌سازی کنیم، ممکن است تا سال ۲۰۲۶ شاهد اجرای حدود ۱۵ گیگاوات از پروژه‌های خورشیدی همراه با ذخیره‌سازی انرژی باشیم. این امر عمدتاً به دلیل توافق همگان بر سر قوانین ایمنی اساسی و نحوه اتصال بخش‌های مختلف شبکه به یکدیگر رخ خواهد داد.
نصب‌کننده Moss Landing در کالیفرنیا را به عنوان مثالی از همکاری پنل‌های خورشیدی و باتری‌ها در حل مشکلات شبکه در زمان‌های اوج تقاضا در نظر بگیرید. این مکان دارای حدود 1.6 گیگاوات‌ساعت ذخیره‌سازی متصل به پنل‌های خورشیدی است، به این معنی که می‌تواند در زمان‌های اوج مصرف در شب، برق مورد نیاز بیش از 300 هزار خانوار را برای مدت چهار ساعت تأمین کند. چیزی که این پروژه را جالب می‌کند این است که به دلیل توانایی خود در کنترل فرکانس شبکه، موفق شده است هزینه جریمه‌های عملیاتی شبکه را به میزان 28 میلیون دلار در سال کاهش دهد. این در حالی است که حتی در زمان وقوع حریق‌های بزرگ در تابستان گذشته که بخشی از شبکه انتقال خروجی از دسترس خارج شد، سیستم همچنان با راندمانی نزدیک به 98 درصد کار کرد.
بزرگترین نصب باتری خورشیدی در فلوریدا، با ظرفیت ۹۰۰ مگاوات ساعتی، استفاده از نیروگاه‌های اوج‌گیر سوخت فسیلی را در طول فصل طوفان‌ها حدود ۴۰٪ کاهش داده است، و این بدان خاطر است که الگوریتم‌های توزیع بسیار هوشمندانه‌ای به کار گرفته شده‌اند. عامل اصلی در کارایی این سیستم، ادغام آن با یک مزرعه خورشیدی ۷۵ مگاواتی در نزدیکی است. با ذخیره کردن توان خورشیدی اضافی که در ساعات ظهر تولید می‌شود، باتری‌ها قادرند در زمان‌های اوج مصرف بین ۷ تا ۹ شب هر روز برق را به شبکه بازپس دهند. این روش هوشمندانه به تنهایی سالانه حدود ۳٫۲ میلیون دلار در هزینه‌های تراکم برق صرفه‌جویی می‌کند. جادوی واقعی زمانی رخ می‌دهد که روزهای طوفانی فرا برسند و شبکه به پشتیبانی اضافی نیاز پیدا کند، اما منابع سنتی تأمین برق یا دچار مشکل می‌شوند یا اینکه به سادگی دیگر مقرون به صرفه نیست که آنها را با حداکثر ظرفیت به کار گرفت.
نصب اخیر یک سیستم باتری تِسلا مگاپک با ظرفیت 300 مگاوات/450 مگاوات‌ساعت نشان می‌دهد که چگونه باتری‌های خورشیدی می‌توانند در مواقعی که شبکه نیاز به پشتیبانی بیشتری دارد، پاسخگو باشند. در سال 2023، پس از خاموشی غیرمنتظره یک نیروگاه بزرگ زغال‌سنگی، این باتری‌ها در عرض 140 میلی‌ثانیه فعال شدند – این زمان تقریباً 60 برابر سریع‌تر از سرعتی است که نیروگاه‌های قدیمی حرارتی می‌توانند واکنش نشان دهند. بسیاری از خانوارها (حدود 650 هزار خانوار) در شرایطی که ممکن بود منجر به قطعی برق گسترده شود، به تغذیه خود ادامه دادند. چیزی که این عملکرد را چشمگیرتر می‌کند، حفظ یک نرخ کارایی 92 درصدی است، حتی با اینکه سیستم در طول روز به‌طور مداوم و به‌صورت جزئی مورد استفاده قرار می‌گرفت. این عملکرد واقعی شواهد قوی ارائه می‌دهد که ترکیب منابع انرژی مختلف به‌خوبی با یکدیگر کار می‌کنند و ادغام انرژی‌های تجدیدپذیر را در زیرساخت‌های موجود برق بدون کاهش قابلیت اطمینان، تسهیل می‌کنند.
سیستم‌های باتری خورشیدی امروزه بیشتر از قبل هوشمند شده‌اند، بسیاری از این امر به خاطر هوش مصنوعی است که به مدیریت شارژ و دشارژ آنها و همچنین تعامل با شبکه کمک می‌کند. نرم‌افزار هوشمند چیزهایی مثل وضعیت آب و هوا، میزان تغییر قیمت برق در طول روز و الگوهای فعلی مصرف انرژی را مورد بررسی قرار می‌دهد. بر اساس گزارش Startus Insights در سال ۲۰۲۵، این نوع سیستم‌های هوشمند می‌توانند بازده سرمایه‌گذاری برای افرادی که این سیستم‌ها را اداره می‌کنند را بین ۱۲ تا ۱۸ درصد نسبت به سیستم‌های قدیمی ثابت افزایش دهند. در تأسیسات بزرگ مقیاس که تعداد زیادی باتری درگیر هستند، یادگیری ماشین به طور خودکار انرژی را بین بانک‌های مختلف باتری و اینورترها جابجا می‌کند. این امر به حفاظت باتری‌ها از فرسودگی زودرس کمک می‌کند و تفاوت ولتاژ را کمتر از ۲ درصد نگه می‌دارد، که این موضوع زمانی که قصد حمایت از شبکه‌هایی که بسیار پایدار یا قوی نیستند بسیار مهم است.
سیستم‌های هیبریدی خورشیدی-بادی-باتری اکنون 34٪ از نصب‌های جدید انرژی‌های تجدیدپذیر را تشکیل می‌دهند و تحویل 24/7 انرژی پاک را از طریق موارد زیر امکان‌پذیر کرده‌اند:
مطالعات اخیر بهره‌وری 92٪ای نیروگاه‌های هیبریدی را در مقایسه با 78٪ برای مزارع خورشیدی مستقل برجسته کرده‌اند، در حالی که ادغام ذخیره‌سازی در کنار هم 83٪ از شکاف‌های تولید ناشی از تغییرپذیری را جبران می‌کند.