متى يكون نظام تخزين الطاقة ESS مناسبًا لمصنع؟

متى يصبح نظام تخزين الطاقة ESS مناسبًا للمصنع؟

بالنسبة إلى العديد من المصانع، لم يعد السؤال المطروح هو ما إذا كانت تكاليف الطاقة ترتفع أم لا. فهي ترتفع بالفعل. والسؤال العملي الأهم هو ما إذا كان نظام تخزين الطاقة ESS قادرًا على حل مشكلة تشغيلية فعلية، بدلًا من مجرد إضافة بند آخر إلى ميزانية النفقات الرأسمالية.

في قطاع التصنيع، نادرًا ما تكون قرارات الطاقة منفصلة عن غيرها. فهي ترتبط بتخطيط الإنتاج، وتحميل المحولات، وتعريفات المرافق، ومتطلبات الطاقة الاحتياطية، وبشكل متزايد، بدمج مصادر الطاقة المتجددة. ويصبح نظام التخزين منطقيًا عندما يعالج واحدة أو أكثر من هذه القضايا بطريقة قابلة للقياس. أما إذا لم يفعل ذلك، فقد ينتهي الأمر بمشروع سليم من الناحية الفنية إلى استخدام أقل من المتوقع.

ولهذا السبب، لا تتمثل نقطة البداية الصحيحة في سعة البطارية، بل في ملف أحمال المصنع.

تبدأ أفضل مشاريع ESS من مشكلة، وليس من منتج

غالبًا ما تبدأ المصانع في التفكير في التخزين بعد التعرف على إمكانات خفض ذروة الطلب أو الاستهلاك الذاتي للطاقة الشمسية، لكن المحفز الحقيقي يكون عادةً أكثر تحديدًا. فقد يواجه أحد المصانع ارتفاعات حادة في الطلب بسبب تشغيل المحركات أو الأفران أو الضواغط أو خطوط الإنتاج في الوقت نفسه. وقد يواجه مصنع آخر أحداث انخفاض جهد متكررة وقصيرة المدة، لا تبرر تركيب نظام توليد احتياطي كامل، لكنها تتسبب مع ذلك في تعطيل العمليات الحساسة. وفي بعض المواقع، تخلق تعرفة المرفق نفسها مبررًا تجاريًا للمشروع، ولا سيما عندما تكون رسوم الطلب أو أسعار وقت الاستخدام مرتفعة.

يميل نظام تخزين الطاقة ESS إلى أن يكون مناسبًا عند وجود شرط واحد على الأقل من الشروط التالية:

• تكون رسوم ذروة الطلب مرتفعة بما يكفي لجعل خفض فترات الذروة القصيرة ذا قيمة.
• يعاني المصنع من تقلبات متكررة في الأحمال تفرض ضغطًا على المعدات الكهربائية في المنبع.
• تتسبب الانقطاعات القصيرة أو عدم استقرار الشبكة في خسائر إنتاج تتجاوز تكلفة التخزين.
• وجود نظام شمسي داخل الموقع أو مخطط لتوليد الطاقة المتجددة، بحيث قد يتم تقليص الإنتاج أو عدم الاستفادة منه بالكامل.
• يكون توسيع السعة من جانب المرفق بطيئًا أو مكلفًا أو غير مؤكد.

إذا لم يتحقق أي من هذه الشروط، يصبح المنطق المالي أضعف. فالتخزين ليس تلقائيًا أرخص وسيلة لخفض فواتير الكهرباء. وفي بعض المصانع، قد تحقق استعادة معامل القدرة، أو جدولة العمليات، أو استراتيجيات التشغيل التدريجي للمحركات، أو إعادة تهيئة المحولات عوائد أسرع وبدرجة تعقيد أقل.

غالبًا ما يكون خفض ذروة الطلب أوضح تطبيق عملي

من الناحية العملية، يُعد خفض ذروة الطلب المجال الذي تثبت فيه العديد من مشاريع ESS الصناعية قيمتها أولًا. وليس لأن هذا التطبيق يبدو متقدمًا، بل لأنه يتوافق مع الطريقة الفعلية لاستهلاك المصانع للطاقة: حمل أساسي مستقر في الغالب، تتخلله ذروات مرتفعة التكلفة.

قد لا يصل مصنع للختم، أو مصنع للقولبة بالحقن، أو منشأة لمعالجة المعادن إلى أعلى طلب له إلا خلال عدد محدود من الفترات كل شهر. ومع ذلك، قد تؤثر هذه الفترات في جزء كبير من فاتورة المرفق. ويمكن للتخزين تفريغ الطاقة خلال هذه النوافذ وخفض ذروة الطلب المحتسبة. وتتمثل النقطة الأساسية في مدة الذروة. فبعض الذروات يستمر من 10 إلى 20 دقيقة، بينما يستمر بعضها الآخر لساعات أثناء الإنتاج الكامل. وقد تكون البطارية المصممة للنمط الأول فعالة من حيث التكلفة، في حين قد تصبح البطارية المصممة للنمط الثاني كبيرة للغاية بحيث لا تبرر تكلفتها.

وهنا تخطئ العديد من التقييمات الأولية. إذ يركز صانعو القرار على إجمالي الاستهلاك الشهري، بينما يعتمد تصميم ESS بدرجة أكبر على شكل الحمل وتوقيته، وليس على إجمالي الكيلوواط/ساعة المشتراة.

وعادةً ما تكشف مراجعة بيانات الفواصل الزمنية البالغة 15 أو 30 دقيقة الحقيقة بسرعة. فإذا كان لدى المصنع ذروات ضيقة ويمكن التنبؤ بها، فإن التخزين يستحق تحليلًا جادًا. أما إذا كان الحمل مستويًا ومرتفعًا طوال اليوم، فقد تكون فرصة التوفير محدودة.

الطاقة الاحتياطية مهمة، لكنها ليست نوعًا واحدًا

تنظر بعض المصانع في نظام تخزين الطاقة ESS لأنها تريد طاقة احتياطية. وقد يكون هذا سببًا صحيحًا، ولكن فقط إذا كان الجميع يحدد بدقة المقصود بكلمة «احتياطية».

إذا كان الهدف هو إبقاء المصنع بالكامل قيد التشغيل أثناء انقطاع طويل، فقد يكون تخزين البطاريات مكلفًا، ما لم تكن مدة الانقطاع قصيرة أو كانت الأحمال الحرجة محدودة. أما إذا كان الهدف هو توفير طاقة مؤقتة لأنظمة التحكم، أو معدات التشغيل الآلي، أو المضخات الحرجة، أو البنية التحتية للبيانات، أو إجراءات الإيقاف الآمن، فإن التخزين يصبح أكثر عملية.

وبعبارة أخرى، يكون ESS غالبًا أكثر فاعلية عندما يحمي استمرارية العملية بدلًا من استبدال كل وظيفة لمولد يعمل بالديزل. وفي بعض البيئات الصناعية، يكون أفضل تصميم هجينًا: يتولى التخزين الاستجابة السريعة والانقطاعات القصيرة، بينما تغطي المولدات الأحداث الأطول. ويمكن لهذا النهج أيضًا تقليل المبالغة في تحديد سعة المولدات.

وينبغي للمنشآت التي تحتوي على معدات حساسة أن تنظر إلى ما هو أبعد من تكرار الانقطاعات. فقد يتسبب هبوط الجهد، أو الوميض، أو العابرون قصيرو المدة في تكاليف خفية أكبر من تكاليف انقطاع التيار، ولا سيما عندما تكون هناك دفعات مرفوضة، أو إعادة تشغيل للخطوط، أو توقف للمعدات. وتعتمد قدرة التخزين على معالجة هذه المشكلات على تصميم إلكترونيات القدرة، وتنسيق حماية الموقع، وملف الاضطرابات الفعلي.

غالبًا ما يتم تجاهل جانب المحول في القرار

نظرًا لأن أنظمة الطاقة في المصانع تُبنى حول التحويل والتوزيع، فلا ينبغي أبدًا تقييم ESS باعتباره قرارًا يتعلق بالبطارية فقط. فهو يؤثر في تحميل المغذيات، وإعدادات الحماية، وسلوك تيار القصر، والتوافقيات، والأداء الحراري للمحول.

وتزداد أهمية ذلك في المصانع التي يعمل فيها محول التوزيع الحالي بالفعل بالقرب من حدوده العملية أثناء ذروات الإنتاج. ففي بعض الحالات، يمكن للتخزين تقليل إجهاد الحمل الزائد المؤقت وتأجيل ترقية المحول. وفي حالات أخرى، تتطلب إضافة التخزين مراجعة أكثر دقة لترتيبات التبديل، وتحديد مقاطع الكابلات، والتنسيق على جانب الجهد المتوسط والمنخفض.

بالنسبة إلى التطبيقات الصناعية الداخلية، غالبًا ما يتم النظر في المعدات من النوع الجاف عندما يكون سلوك الحريق، أو سهولة الصيانة، أو بيئة التركيب محل اهتمام. وفي المشاريع المرتبطة بترقيات التوزيع بالجهد المتوسط، قد تتناسب مكونات مثل محول التوزيع الجاف ثلاثي الطور المعزول بالراتنج بجهد 11kV مع التصميم الكهربائي الأوسع، ليس لأن نظام ESS يتطلب منتجًا معينًا افتراضيًا، بل لأن مشاريع التخزين غالبًا ما تكشف نقاط الضعف أو القيود في بنية التوزيع الحالية.

وهذا أحد المجالات التي تضيف فيها شركات توريد معدات الطاقة ذات الخبرة قيمة حقيقية. فالشركات العاملة في تطبيقات نقل الطاقة وتوزيعها والطاقة الصناعية تميل إلى رؤية المسار الكامل من اتصال الشبكة إلى حمل الاستخدام النهائي. وتكتسب هذه الرؤية الشاملة أهمية كبيرة. فعلى سبيل المثال، تعمل شركة Jinshida Electric Power Technology في مجال البحث والتطوير وتصنيع معدات نقل وتوزيع الطاقة للتصنيع الصناعي، وإنشاء الشبكات، والطاقة الجديدة، ومشاريع البنية التحتية. وفي مناقشات ESS، تكون هذه الخلفية مفيدة لأن نظام البطارية يجب أن يعمل داخل شبكة كهربائية حقيقية، وليس على شريحة عرض.

يصبح ESS أكثر جاذبية عندما تكون الطاقة الشمسية مطروحة بالفعل

غالبًا ما تكتشف المصانع التي تركب أنظمة شمسية على الأسطح أو مثبتة على الأرض أن التوليد والاستهلاك لا يتطابقان بالسهولة المتوقعة. فقد يكون الإنتاج في عطلات نهاية الأسبوع منخفضًا، أو قد يتجاوز الإنتاج وقت الظهيرة الطلب داخل الموقع لفترات معينة، أو قد تكون قواعد التصدير مقيدة. وفي ظل هذه الظروف، يمكن للتخزين تحسين الاستهلاك الذاتي وتقليل الطاقة المهدرة.

ومع ذلك، من الخطأ افتراض أن كل مصنع يستخدم الطاقة الشمسية يحتاج إلى بطاريات. فإذا كان المصنع يستهلك بالفعل معظم إنتاجه الشمسي في الوقت الفعلي، فقد تكون القيمة الإضافية للتخزين محدودة. وتظهر الحالة الأقوى عندما يتجاوز إنتاج الطاقة الشمسية الحمل بانتظام، أو عندما تكون تعريفات المساء مرتفعة، أو عندما يرغب المصنع في تعزيز مرونة منظومة الطاقة الموزعة لديه.

ومرة أخرى، تحدد هيكلية التعرفة جزءًا كبيرًا من القرار. فبدون فهم أسعار الاستيراد، وتعويضات التصدير، ورسوم الطلب، يستحيل الحكم على ما إذا كان تخزين الطاقة الشمسية أكثر جدوى من استخدامها مباشرة، أو تصديرها، أو إعادة جدولة الإنتاج.

ما الذي يجب التحقق منه قبل الموافقة على المشروع

ينبغي للمصنع توخي الحذر إذا كان عرض ESS قائمًا على وعود عامة دون تفاصيل تشغيلية. وقبل المضي قدمًا، تميز بعض الأسئلة عادةً بين المشاريع الجادة والمشاريع المتفائلة:

• ما مشكلة الحمل المحددة التي يتم حلها: ذروة الطلب، أو الطاقة الاحتياطية، أو جودة الطاقة، أو تغيير توقيت استخدام الطاقة الشمسية، أو تأجيل توسيع السعة؟
• كم عدد دورات الشحن والتفريغ المتوقعة يوميًا أو أسبوعيًا؟
• ما مدة التفريغ المطلوبة عند القدرة المستهدفة؟
• هل سيخدم النظام المنشأة بأكملها أم قضبان التوزيع الحرجة فقط؟
• كيف سيتفاعل مع المحولات، ومعدات المفاتيح، وأنظمة الحماية والتحكم الحالية؟
• ما القيود التشغيلية الناتجة عن اتفاقية الربط مع المرفق أو القواعد المحلية؟

إذا كانت الإجابات عن هذه الأسئلة غامضة، فمن المحتمل أن المشروع غير جاهز. وعادةً ما يستند قرار ESS المدروس جيدًا إلى بيانات فواصل زمنية مقاسة، وملف تشغيل واقعي، ومراجعة للمخطط الأحادي الخط للنظام الكهربائي.

ومن المفيد أيضًا التحلي بالواقعية بشأن الصيانة والتحكم. فالتخزين ليس صندوقًا سلبيًا. إنه يتطلب إدارة البطارية، والإدارة الحرارية، وعناصر تحكم PCS، والاتصالات، وأسئلة تتعلق بتكامل النظام. ولا يمثل أي من ذلك سببًا لرفض ESS، لكنه سبب للتعامل معه باعتباره بنية تحتية صناعية، وليس إضافة سريعة لخفض تكاليف المرافق.

متى تكون الإجابة على الأرجح «لا»

هناك مصانع يكون فيها نظام تخزين الطاقة ESS ممكنًا من الناحية الفنية، لكنه ضعيف من الناحية التجارية. فإذا كان الفرق بين أسعار وقت الاستخدام محدودًا، ورسوم الطلب منخفضة، والانقطاعات نادرة وغير حرجة، والحمل مستقرًا بالفعل، فقد لا يحقق التخزين عائدًا كافيًا. وينطبق الأمر نفسه على المصانع التي تتمثل مشكلتها الرئيسية في ضعف تصميم التوزيع الداخلي، وليس في توقيت استخدام الطاقة. وفي هذه الحالات، قد يكون من المنطقي ترقية المحولات أو المغذيات أو أنظمة التحكم في العمليات بدلًا من إضافة البطاريات.

وهناك تحذير آخر: تتوقع بعض المنشآت أن يحل التخزين كل مشكلات الطاقة دفعة واحدة. لكنه لن يفعل ذلك. يمكن أن يكون ESS فعالًا جدًا، لكنه يعمل بأفضل صورة عندما يكون التطبيق محددًا بما يكفي لنمذجته، وواسعًا بما يكفي ليكون مهمًا من الناحية المالية.

طريقة عملية لاتخاذ القرار

بالنسبة إلى المصنع، تأتي اللحظة المناسبة للاستثمار في التخزين عادةً عندما تتوافق ثلاثة أمور: أن تكون نقطة المشكلة الكهربائية واضحة، وأن تشجع أسعار المرافق على اتخاذ إجراء، وأن تكون البنية التحتية للموقع قادرة على دعم التكامل دون تكاليف ترقية خفية.

ولهذا السبب، ينبغي أن يشارك كل من قسم العمليات وهندسة أنظمة الطاقة في القرار. فقد يرى مدير الإنتاج فقدان المخرجات بسبب الاضطرابات، بينما يرى فريق الشؤون المالية رسوم الطلب، وقد يلاحظ المهندس الكهربائي أن عنق الزجاجة الحقيقي يقع عند مستوى المحول أو المغذي. وتربط مشاريع ESS الجيدة بين وجهات النظر الثلاث هذه.

إذا كان المصنع يراجع بالفعل ترقيات التوزيع، أو يضيف أحمالًا جديدة، أو يوسع نظام الطاقة الشمسية، فغالبًا ما يكون ذلك الوقت المثالي لتقييم التخزين بالتوازي. فمن الأسهل تحسين الجوانب الاقتصادية والتصميم الكهربائي معًا بدلًا من تنفيذ كل منهما لاحقًا على حدة. وإذا كانت إعادة تأهيل معدات الجهد المتوسط جزءًا من هذه المناقشة، فقد تصبح عناصر مثل محول التوزيع الجاف ثلاثي الطور المعزول بالراتنج بجهد 11kV جزءًا من خطة أوسع للموثوقية والكفاءة، بدلًا من أن تكون عملية شراء مستقلة.

في النهاية، يصبح ESS مناسبًا للمصنع عندما يحل مشكلة طاقة محددة بصورة أفضل من البدائل. ليس لأن التخزين رائج، وليس لأن كل مصنع حديث يُتوقع أن يمتلكه. وعادةً ما تكون المنشآت الأكثر استفادة هي التي تنفذ أولًا العمل غير اللامع: جمع بيانات الأحمال ذات الفواصل الزمنية، ومراجعة نظام التوزيع، واختبار افتراضات التعرفة، وتحديد شكل النجاح بدقة قبل وصول المعدات.