تاریخ انتشار: ۱۴۰۴/۰۷/۲۶
ذخیرهسازی انرژی الکتریکی: چشمانداز و چالشها با نگاهی به امروز ایالات متحده
در یک نگاه
مزایا
فناوری ذخیرهسازی انرژی الکتریکی میتواند استقرار گستردهٔ منابع تجدیدپذیر را آسانتر کند، زیرا در زمانی که این منابع قادر به تولید برق نیستند، برق مورد نیاز را تأمین میکند. انرژی بادی تنها زمانی برق تولید میکند که باد بوزد و انرژی خورشیدی فقط زمانی که خورشید میتابد؛ بنابراین هماهنگ کردن تولید برق با میزان تقاضا دشوارتر میشود. در مقابل، نیروگاههای پایهای سنتی (مانند زغالسنگ و هستهای) و نیروگاههای قابل کنترل (مانند گاز طبیعی) را میتوان طوری برنامهریزی کرد که میزان مشخصی برق را در زمان مشخص تولید کنند.
اما فناوری ذخیرهسازی میتواند برق تولید شده از منابع تجدیدپذیر را در زمانهای کمبود تقاضا ذخیره کند و در دورههای اوج تقاضا به شبکه تزریق کند. استفاده از برق ذخیرهشدهٔ تجدیدپذیر بهجای افزایش تولید نیروگاههای فسیلی میتواند انتشار گازهای گلخانهای را کاهش دهد. این کاهش زمانی به حداکثر میرسد که ترکیب برق مورد استفاده برای شارژ سیستمهای ذخیرهسازی بسیار کمکربن باشد. با این حال، ذخیرهسازی انرژی الکتریکی میتواند باعث افزایش انتشار گازهای گلخانهای شود اگر برق ارزانِ نیروگاههای پایهای زغالسنگی ذخیره شود و جایگزین برق نیروگاههای اوجبار با کربن کمتر، مانند گاز طبیعی شود.
به طور کلی :
Ø اگر برق تمیز را ذخیره کنیم → آلودگی کم میشود
Ø اگر برق آلوده را ذخیره کنیم و جای برق تمیز مصرف کنیم → آلودگی زیاد میشود
ü ذخیرهسازی انرژی میتواند نیاز به ساخت نیروگاهها و خطوط انتقال جدید را به تأخیر بیندازد و با هزینه کمتر، موجب افزایش پایداری و قابلیت اطمینان شبکه برق شود.
ü همچنین، ذخیرهسازی انرژی قادر است خدمات جانبی مهمی را برای شبکه فراهم کند؛ خدماتی که برای عملکرد مناسب و پایدار شبکه ضروری هستند.
ü ذخیرهسازی انرژی در شرایط آبوهوایی شدید نیز میتواند بسیار مفید باشد. برای مثال، در زمان وقوع طوفان ماریا در سال ۲۰۱۷، یک سیستم ذخیرهسازی با ظرفیت ۲۰ مگاوات توانست نقش مهمی در حفظ پایداری شبکه برق جمهوری دومینیکن ایفا کند.
توضیحات
روشهای مختلفی برای ذخیرهسازی انرژی وجود دارد که در میزان انرژی قابل ذخیره، مدت زمان ذخیرهسازی و سرعت آزادسازی انرژی متفاوت هستند. برخی فناوریها برای ارائهٔ پالسهای کوتاه انرژی جهت حفظ کیفیت توان مناسباند؛ مانند هموارسازی تولید انرژی تجدیدپذیر از ساعتی به ساعت دیگر (و تا حدی در بازهٔ زمانی ثانیه و دقیقه). برخی تجهیزات بسیار حساس مانند رایانهها در صورت نوسان یا پیشبینیناپذیری جریان برق ممکن است از کار بیفتند.
فناوریهای دیگر قادر به ذخیرهسازی و آزادسازی حجم زیادی از برق در بازههای زمانی طولانیتر هستند (که با اصطلاحات کاهش پیک مصرف، هموارسازی بار یا آربیتراژ انرژی شناخته میشود). در این روش، برق تولیدی تجدیدپذیر یا هر منبع موجود دیگر در زمانهای کمتقاضا ذخیره شده و در زمانهای اوج مصرف آزاد میشود. بهعنوان مثال، مزارع بادی اغلب در شبها که سرعت باد بالاست اما مصرف برق کم است، برق بیشتری تولید میکنند. ذخیرهسازی انرژی الکتریکی میتواند این تولید را به زمانهای پرمصرف منتقل کند. به همین ترتیب، ذخیرهسازی میتواند تولید اضافی شبانهٔ نیروگاههای هستهای را ذخیره کند.
Ø هموارسازی بار (Load leveling)
یعنی ذخیرهٔ برق در زمانهایی که مصرف کم است و استفاده از آن در زمانهایی که مصرف زیاد است.
هدف این است که اختلاف بین مصرف کم و زیاد کمتر شود و شبکه پایدارتر کار کند.
Ø آربیتراژ انرژی (Energy arbitrage)
یعنی خرید یا ذخیرهٔ برق ارزان در زمان کممصرف و فروش یا استفاده از آن در زمان پرمصرف که قیمت برق بالاتر است.
در واقع نوعی فرصت اقتصادی برای کسب سود است.
تصویر 1
""""هموارسازی بار یا کاهش پیک مصرف به استفاده از برق ذخیرهشده در زمانهایی با تقاضای کم برای تأمین نیاز برق در دورههای اوج مصرف در طول روز گفته میشود. استفاده از ذخیرهسازی انرژی الکتریکی برای هموارسازی بار به نام «آربیتراژ انرژی» نیز شناخته میشود، زیرا ممکن است بتوان با ذخیرهسازی برق ارزان در زمان تقاضای کم و فروش آن با قیمت بالاتر در زمان تقاضای زیاد، سود به دست آورد.
هموارسازی بار همچنین میتواند از طریق تعیین قیمتهای بالاتر برق برای مشتریان در ساعات اوج مصرف، قیمتگذاری لحظهای یا سایر راهکارهای بازار نیز انجام شود.""""
استفاده از ذخیرهسازی انرژی الکتریکی در مقایسه با نرخ ذخیرهسازی در سایر بازارهای انرژی مانند گاز طبیعی یا نفت—which در آنها از مخازن زیرزمینی و تانکرها استفاده میشود—محدودتر است. ظرفیت جهانی ذخیرهسازی برق تا سپتامبر ۲۰۱۷ حدود ۱۷۶ گیگاوات (GW) بود که کمتر از ۲ درصد ظرفیت تولید برق جهانی است. از این میزان، ۲۴ گیگاوات مربوط به ایالات متحده است (حدود ۲٫۲ درصد ظرفیت تولید برق این کشور)
گزینههای اصلی فناوری ذخیرهسازی که در سراسر جهان بهکار گرفته شدهاند:
نیروگاه تلمبهای ذخیرهای (Pumped Hydro)
در این روش، از برق کمهزینه تولیدشده در دورههای کممصرف برای پمپاژ آب از یک مخزن در ارتفاع پایین (مثلاً یک دریاچه) به مخزنی در ارتفاع بالاتر استفاده میشود. در دورهٔ اوج مصرف برق (و افزایش قیمت)، آب از مخزن بالادست رها شده و با عبور از توربینها، برق تولید میکند—مشابه نیروگاههای برقآبی معمولی.این فناوری برای هموارسازی بار مناسب است، زیرا میتواند با ظرفیتهای بسیار بزرگ ۱۰۰ تا ۱٬۰۰۰ مگاوات (MW) ساخته شود و برای مدت طولانی ۷ تا ۱۳ ساعت یا بیشتر برق تأمین کند.بیش از ۹۰ درصد ظرفیت ذخیرهسازی انرژی در آمریکا از نوع تلمبهای است. ایالات متحده ۲۲ گیگاوات ظرفیت نصبشده در ۵۰ واحد فعال دارد. محدودیت اصلی این فناوری، نیاز به شرایط جغرافیایی مناسب است.
باتریهای قابل شارژ
انواع مختلف باتریهای بزرگ مقیاس برای ذخیرهسازی انرژی الکتریکی قابل استفادهاند، از جمله سدیم-گوگرد (NaS)، لیتیوم-یون و جریان (Flow Batteries).برخلاف باتریهای معمولی، باتریهای جریان از سوختی استفاده میکنند که خارج از بدنهٔ باتری قرار دارد و با عبور از سلولها از طریق واکنش الکتروشیمیایی برق تولید میکند.باتریها میتوانند هم برای کیفیت توان و هم هموارسازی بار مورد استفاده قرار گیرند. همچنین با رواج خودروهای برقی، باتری این خودروها میتواند برای ذخیرهسازی انرژی و ارائه خدمات جانبی شبکه بهکار رود؛ و در برخی موارد حتی امکان کاهش پیک مصرف یا آربیتراژ انرژی با شارژ در دورهٔ کممصرف و تخلیه در دورهٔ اوج مصرف وجود دارد.
در سطح جهانی، باتریهای لیتیوم-یونی بیشترین ظرفیت نصبشده را دارند و پس از آن باتریهای سدیمی و سرب-اسیدی قرار میگیرند.در حال حاضر ۹۵۰ مگاوات پروژههای باتری تجاری تأییدشده توسط وزارت انرژی آمریکا در سراسر جهان فعال هستند.
ذخیرهسازی انرژی بهصورت هوای فشرده (CAES)
این فناوری ترکیبی تولید و ذخیرهسازی است. در آن از برق برای تزریق هوا با فشار بالا به ساختارهای زمینشناسی زیرزمینی استفاده میشود. هنگامی که تقاضا برای برق زیاد باشد، هوا آزاد شده و به کارکرد توربینهای گازسوز کمک میکند. هوای فشرده باعث میشود توربینها با مصرف بسیار کمتر گاز طبیعی برق تولید کنند.
CAES نیز برای هموارسازی بار مناسب است، زیرا با ظرفیتهای چندصد مگاوات قابل ساخت بوده و قابلیت تخلیه طولانیمدت دارد .در حال حاضر تنها دو پروژه عملیاتی CAES در جهان وجود دارد، همراه با چند پروژه آزمایشی کوچک.
دیگر روشهای ذخیرهسازی انرژی شامل:
هزینه
هزینههای سرمایهای اولیه برای ذخیرهسازی انرژی الکتریکی بسته به نوع فناوری و ظرفیت آن متفاوت است.هزینهٔ کل سرمایهگذاری به ازای هر واحد ظرفیت توان در اکثر فناوریهای ذخیرهسازی در مقایسه با یک نیروگاه گاز طبیعی با هزینه حدود ۱۰۰۰ تا ۱۳۵۰ دلار به ازای هر کیلووات بسیار بالاتر است.
مطالعهٔ شرکت Lazard که در دسامبر ۲۰۱۶ منتشر شد نشان داد هزینههای بیشتر فناوریهای ذخیرهسازی باتری کاهش یافته است، اگرچه هزینهها بسته به نوع فناوری و کاربرد خاص آن متفاوتاند.به عنوان مثال، هزینه سرمایهای باتریهای لیتیوم-یون نسبت به مطالعهٔ قبلی Lazard در سال ۲۰۱۵ ۲۴ درصد کاهش یافته و به محدوده ۳۸۶ تا ۹۱۷ دلار به ازای هر کیلوواتساعت رسیده است.جدول زیر خلاصهای از هزینه سرمایهای فعلی سایر فناوریهای ذخیرهسازی را نشان میدهد:
|
فناوری ذخیرهسازی |
محدوده هزینه سرمایهای دلار به ازای kWh |
|
هوای فشرده (CAES) |
۱۱۶ – ۱۴۰ |
|
تلمبهای آبی (Pumped Hydro) |
۱۵۲ – ۱۹۸ |
|
باتری جریان (وانادیوم) |
۳۱۴ – ۶۹۰ |
|
باتری جریان (روی-برومین) |
۴۳۴ – ۵۴۹ |
|
باتری جریان (سایر انواع) |
۳۴۰ – ۶۳۰ |
|
باتری لیتیوم-یون |
۲۶۷ – ۵۶۱ |
|
باتری سدیم |
۳۰۱ – ۷۸۴ |
گزینههای سیاستی
قیمتگذاری کربن
قرار دادن قیمت روی کربن—برای مثال از طریق برنامه سقف و تجارت گازهای گلخانهای—هزینه تولید برق از سوختهای فسیلی را نسبت به منابع کمکربن افزایش میدهد. در این شرایط، ذخیرهسازی انرژی الکتریکی ارزش بیشتری پیدا میکند، زیرا میتوان برق کمکربن و کمهزینه را ذخیره کرد و جایگزین تولید برق پرکربن نمود.
چرا این موضوع به ذخیرهسازی انرژی مرتبط است؟
وقتی انتشار کربن گران شود:
در این حالت، ذخیرهسازی انرژی ارزشمند میشود چون میتوان:
قیمتگذاری لحظهای برق
اگر از مصرفکنندگان بر اساس قیمتهای لحظهای و پویا هزینه دریافت شود، هزینه بالای برق در زمان اوج مصرف بهطور شفاف مشخص خواهد شد و سرمایهگذاری در ذخیرهسازی انرژی الکتریکی برای کاهش پیک بار ارزش بیشتری پیدا میکند.پیادهسازی شبکه هوشمند ملی این نوع قیمتگذاری را تسهیل میکند. ایالت کالیفرنیا طبق دستور کمیسیون خدمات عمومی کالیفرنیا، انتقال مشتریان تجاری، صنعتی و کشاورزی را به این ساختار قیمتگذاری آغاز کرده است.
الزامات و دستورهای دولتی
الزامات قانونی در سطح ایالت میتوانند باعث افزایش بهکارگیری فناوریهای ذخیرهسازی انرژی الکتریکی شوند. ایالتهای کالیفرنیا، ماساچوست، نوادا، نیویورک و اورِگن دستورالعملهای الزامآور مختلفی برای ذخیرهسازی تدوین کردهاند.
بازار خدمات جانبی شبکه
فناوریهای ذخیرهسازی انرژی الکتریکی میتوانند از تعیین قیمت از طریق بازارهای رقابتی برای خدمات جانبی شبکه—مانند تنظیم فرکانس، رزرو چرخان، و دنبالکردن بار—سود ببرند.
بازار خدمات جانبی شبکه چیست؟
شبکه برق فقط به تولید و مصرف برق نیاز ندارد؛
برای اینکه شبکه پایدار، قابل اعتماد و بدون قطع برق کار کند، مجموعهای از خدمات فنی نیاز است که به آنها خدمات جانبی شبکه (Ancillary Services) گفته میشود.
این خدمات کمک میکنند:
این خدمات معمولاً در یک بازار رقابتی خرید و فروش میشوند؛ یعنی شرکتها و نیروگاهها میتوانند این خدمات را ارائه دهند و پول دریافت کنند.
چرا ذخیرهسازی انرژی در این بازار مهم است؟
فناوریهای ذخیرهسازی انرژی (مثل باتریها) میتوانند این خدمات را بسیار سریعتر و دقیقتر از نیروگاههای معمولی ارائه دهند.
بنابراین میتوانند در این بازار رقابت کنند و درآمد کسب کنند.
کاهش محدودیتهای مالکیت
ذخیرهسازی انرژی الکتریکی میتواند نقش تولید و انتقال را ایفا کند، اما بازارهای برق آزادشده کنونی محدودیتهایی را بر مالکیت این تجهیزات اعمال میکنند.حذف این محدودیتها برای مالکیت ذخیرهسازها توسط مصرفکنندگان نهایی، شرکتهای انتقال یا شرکتهای توزیع میتواند موجب گسترش بازار شود.
ادغام ذخیرهسازی انرژی الکتریکی در برنامهریزی انتقال
تصمیمگیری درباره خطوط انتقال جدید میتواند موقعیتهای مناسب برای ذخیرهسازی در مقیاس بزرگ، مراکز مصرف و محل نیروگاهها را در نظر بگیرد.سرمایهگذاری در ذخیرهسازی اغلب کمهزینهتر از ساخت خطوط انتقال جدید است.کمیسیون تنظیم مقررات انرژی فدرال میتواند قوانین را اصلاح کند تا ذخیرهسازی انرژی شامل مشوقهای قیمتگذاری انتقال شود و بخشی از فرآیند برنامهریزی شبکه انتقال باشد.
تحقیق و توسعه پایه و کاربردی
راندمان کم در شارژ/دشارژ، عمر چرخهای پایین و هزینه سرمایهای بالا باعث میشود بسیاری از فناوریهای ذخیرهسازی انرژی الکتریکی از نظر اقتصادی برای هموارسازی انرژی تجدیدپذیر یا ارتقای کیفیت توان، نسبت به نیروگاهها رقابتپذیر نباشند.سرمایهگذاری و مشوقها در تحقیق و توسعه میتواند عملکرد فناوریهای موجود را بهبود دهد و راه را برای نسل بعدی فناوریهای ذخیرهسازی باز کند.در سال ۲۰۱۶، برنامه ARPA-E وزارت انرژی آمریکا ۳۷ میلیون دلار برای برنامهای جدید اختصاص داد تا بررسی کند رساناهای یونی جامد چگونه میتوانند ظرفیت باتریها را افزایش داده و از اتصال کوتاه و تخریب جلوگیری کنند.
چالشها
هزینه سرمایهای بالا
هزینههای سرمایهای اکثر فناوریهای ذخیرهسازی هنوز بالا است، بهویژه در مقایسه با تولید برق از ژنراتورهای گاز طبیعی که خدمات مشابه ارائه میکنند. با این حال، هزینه باتریها اخیراً کاهش قابل توجهی داشته و انتظار میرود به کاهش ادامه دهد.
نیاز به پروژههای نمایشی در مقیاس بزرگ
فناوریهایی مانند CAES نیازمند چند پروژه آزمایشی بزرگ هستند تا مدیران شرکتهای برق برای سرمایهگذاری اعتماد لازم را کسب کنند. سایر فناوریها مانند SMES نیز پیش از پذیرش گسترده، نیازمند نمایشهای بزرگمقیاس هستند.
فرآیندهای برنامهریزی انتقال
برنامهریزی شبکه انتقال فقط مکان مراکز مصرف و نیروگاهها را در نظر میگیرد. در نتیجه، تأسیسات ذخیرهسازی دور از شبکه مانند تلمبهای آبی یا CAES دسترسی محدودی به شبکه انتقال دارند.
موانع مقرراتی
مقررات فدرال و ایالتی معمولاً ذخیرهسازی انرژی الکتریکی را نوعی فناوری تولید برق تلقی میکنند، نه سرمایهگذاری در ظرفیت انتقال.بنابراین شرکتهای انتقال و توزیع از مالکیت ذخیرهسازها منع میشوند.
مانع دیگر، نبود تفکیک نرخ سود در بسیاری از ایالتهاست: یعنی سود شرکتهای برق به میزان فروش انرژی وابسته است، بنابراین انگیزهای برای کاهش مصرف وجود ندارد.
با اجرای تفکیک نرخ سود، برنامههایی مانند بهرهوری انرژی و افزایش ذخیرهسازی بیشتر توسعه خواهند یافت.علاوه بر این، بیشتر استانداردهای پرتفوی انرژی تجدیدپذیر و مشوقهای مالی یا تولیدی، ذخیرهسازی انرژی را شامل نمیشوند، در حالی که ذخیرهسازی میتواند سهم انرژیهای تجدیدپذیر را افزایش دهد.
بازارهای ناتمام برق
در بسیاری از مناطق آمریکا، بازارها و قیمتگذاری شفاف برای تمام خدمات جانبی شبکه—که توسط ذخیرهسازی انرژی (و واحدهای تولید) فراهم میشود—هنوز شکل نگرفتهاند؛ خدماتی مانند تنظیم فرکانس، رزرو چرخان، دنبالکردن بار و غیره.
به طور خلاصه
ذخیرهسازی انرژی الکتریکی بهعنوان یکی از ارکان اصلی تحول نظام تولید و مصرف برق در جهان شناخته میشود. این فناوری میتواند با ایجاد تعادل بین عرضه و تقاضا، امکان بهرهگیری گستردهتر از انرژیهای تجدیدپذیر مانند باد و خورشید را فراهم کند و در نتیجه به کاهش انتشار گازهای گلخانهای و ارتقای پایداری شبکه کمک نماید. همچنین ذخیرهسازی میتواند نیاز به سرمایهگذاریهای سنگین در ساخت نیروگاهها و خطوط انتقال جدید را کاهش داده و قابلیت اطمینان شبکه را در زمانهای اوج مصرف یا شرایط اضطراری افزایش دهد.
در حالی که هزینه اولیه بسیاری از فناوریهای ذخیرهسازی هنوز بالاست، روند سریع کاهش قیمت باتریها و پیشرفت فناوری، آیندهای روشن را نشان میدهد. با این حال، موانع سیاستی و بازارهای ناپیخته خدمات جانبی، توسعه گسترده این فناوری را محدود کردهاند. اصلاح سیاستها از جمله قیمتگذاری کربن، ایجاد بازار رقابتی برای خدمات جانبی شبکه، امکان مالکیت گستردهتر و نقش دادن به ذخیرهسازی در برنامهریزی انتقال برق، میتواند سرعت پذیرش این فناوری را افزایش دهد.
تجربه ایالات متحده نشان میدهد که با سرمایهگذاری مناسب، تنظیمگری هوشمند و استفاده از فناوریهای نو، ذخیرهسازی انرژی میتواند کلید دستیابی به شبکهای پایدار، پاک، کارآمد و آیندهنگر باشد—شبکهای که آماده پاسخگویی به نیازهای رو به رشد انرژی و گذار جهانی به سمت اقتصاد کمکربن است.
